微型計(jì)算機(jī)技術(shù)第7章輸入輸出

第七章輸入/輸出技術(shù)三峽大學(xué)陳慈發(fā)0717－6394358，1234I/O接口概述簡單I/O接口芯片基本輸入/輸出方法可編程DMA控制器8237A

I/O：計(jì)算機(jī)通過外圍設(shè)備同外界交換信息的過程稱為“輸入/輸出（Input/Output，I/O）”。I/O接口概述I/O接口：將CPU和外圍設(shè)備連接起來實(shí)現(xiàn)信息交換的緩沖電路稱為I/O接口（Interface）電路，簡稱“I/O接口”。I/O接口的基本功能緩沖、隔離和鎖存功能信息格式與電平轉(zhuǎn)換功能信息交換的應(yīng)答聯(lián)絡(luò)功能譯碼尋址外設(shè)功能基本原則：輸入要緩沖、輸出要鎖存、輸入/輸出要隔離I/O接口的基本結(jié)構(gòu)地址總線（AB）、數(shù)據(jù)總線（DB）、控制總線（CB）數(shù)據(jù)（端）口＝數(shù)據(jù)寄存器：數(shù)據(jù)信息狀態(tài)（端）口＝狀態(tài)寄存器：狀態(tài)信息控制（端）口＝命令寄存器：控制信息CPU對外設(shè)的訪問實(shí)際上是CPU對I/O接口電路中的相應(yīng)端口（寄存器）進(jìn)行訪問。兩種編址方式：獨(dú)立編址：相對存儲器而言，將存儲器地址空間和I/O接口寄存器地址空間分開設(shè)置，互不影響。Intel系列。I/O端口的編址方式獨(dú)立編址方式的特點(diǎn)：存儲器和I/O接口各自擁有獨(dú)立的地址空間，相互之間不交叉不重疊，地址空間得到充分利用。存儲器和I/O接口的讀寫控制邏輯相互獨(dú)立，且I/O接口通常需要“選通”、“應(yīng)答”等控制信號，而存儲器接口并不需要，因而控制邏輯可以分別設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)比較方便。CPU的訪內(nèi)指令和訪外指令不同，程序設(shè)計(jì)非常清晰。I/O端口的地址碼較短(8位或16位)，譯碼電路比較簡單，從而使IN/OUT指令的執(zhí)行速度較快。需要專用的訪外指令，這些指令只能進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入輸出，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算，功能不如訪內(nèi)指令強(qiáng)大，程序設(shè)計(jì)的靈活性較差。統(tǒng)一編址：又稱存儲器映像編址，將所有I/O接口電路中的寄存器作為存儲單元對待，并給每一個寄存器分配相應(yīng)的存儲器地址。這樣，CPU訪問外設(shè)就象訪問存儲器一樣，所不同的僅是地址而已。MCS－51系列，680X0系列，ARM系列等。統(tǒng)一編址方式的特點(diǎn)：訪問存儲器的指令也可用于外設(shè)的輸入/輸出操作，因而對I/O端口寄存器的數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。I/O接口和存儲器共用譯碼電路和讀寫控制邏輯，電路非常簡潔。CPU無需產(chǎn)生訪內(nèi)操作和訪外操作的控制信號。I/O端口的地址空間可大可小，比較靈活，從而使外設(shè)的數(shù)量幾乎可以不受限制。不能充分利用地址空間，地址空間的分配可能潛藏隱患，影響存儲器空間的容量；

CPU與I/O端口交換數(shù)據(jù)的指令執(zhí)行時間較長。獨(dú)立編址方式可以轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一編址方式統(tǒng)一編址方式不一定能轉(zhuǎn)換為獨(dú)立編址方式統(tǒng)一編址：完全相同。獨(dú)立編址：方法相同，通常I/O端口地址比存儲器單元地址短，因此參與譯碼的地址線較少。

8位端口（靜態(tài)地址）：地址線A7～A0（8根線，其余忽略），00H～FFH，可直接在IN/OUT指令中出現(xiàn)。

16位端口（動態(tài)地址）：地址線A15～A0（16根線，其余忽略），0000H～FFFFH，端口地址必須先放在DX寄存器中，才能使用IN/OUT指令。I/O端口的地址譯碼與存儲器單元的地址譯碼方法相同。IN AL，20H

；20H是8位端口地址，可直接在指令中作為操作數(shù)使用MOV DX，13F8HOUT DX，AL

；13F8H是16位端口地址，應(yīng)先將其裝入DX，才能被尋址

74LS373鎖存器

74LS244緩沖器

74LS245收發(fā)器簡單I/O接口芯片

74LS373鎖存器74LS373真值表輸入門控G輸出允許輸入D輸出QHLLLHLHHLLD0（保持不變）Q0（原狀態(tài)）LHD0（保持不變）Z（高阻態(tài)）HHXZ（高阻態(tài)）當(dāng)G＝H、OE＝L時，xDxQ；當(dāng)輸入門控G從高電平跳變到低電平且OE＝L時，xQ，即D被鎖定；當(dāng)OE＝H時，xQ|；當(dāng)G＝H時，xD。當(dāng)G＝L時，|xD74LS373可被用于鎖存地址信息、數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)信息等，更多用于鎖存地址信息。

74LS244緩沖器8個三態(tài)門，驅(qū)動、緩沖，2組第1組：1G門控，1Ax1Yx第2組：2G門控，2Ax2Yx74LS244緩沖器主要用于三態(tài)輸出的地址總線、數(shù)據(jù)總線或時鐘驅(qū)動器。

74LS245收發(fā)器

雙向，各8個三態(tài)門

G是門控

DIR是方向控制，DIR=H時，AB；DIR=L時，BA74LS245常用于數(shù)據(jù)的雙向傳送、緩沖和驅(qū)動。【例】設(shè)計(jì)一接口電路,構(gòu)成16個發(fā)光管流水燈,口地址85H～86H。畫出電路原理圖，編一驅(qū)動程序使發(fā)光管從上到下依次發(fā)光。GND1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q74LS3731D2D3D4D5D6D7D8DGOE1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q74LS3731D2D3D4D5D6D7D8DOE74LS138CBAG2AG1G2BA0M/IOA1A2A7WEGY5Y6D1D2D0D4D5D3D7D6 MOV BX，01HNEXT：MOV AL，BL OUT 85H，AL MOV AL，BH OUT 86H，AL MOV CX，0FFFHLOP： LOOP LOP；延時

SHL BX，1 JNZ NEXT HLT基本輸入/輸出方法CPUMEMI/ODMA方式數(shù)據(jù)傳送指令I(lǐng)N/OUT指令程序控制的輸入/輸出直接存儲器存取方式（DMA）程序控制的輸入/輸出傳送過程以CPU為中心，通過程序(數(shù)據(jù)傳送指令和IN/OUT指令)完成數(shù)據(jù)傳送傳送路徑必須經(jīng)過CPU內(nèi)部的寄存器傳送速度不高，響應(yīng)比較慢無條件傳送

查詢方式傳送

中斷方式傳送

無條件傳送

又稱同步傳送，CPU可以隨時與I/O進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，不依賴于任何條件對于輸入口，CPU總是認(rèn)為外設(shè)數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，可讀對于輸出口，CPU總是假設(shè)外設(shè)數(shù)據(jù)端口已空，可寫不需要在CPU和I/O之間建立任何握手信號，所需硬件很少，軟件簡單適用于開關(guān)、繼電器、步進(jìn)電機(jī)、LED、數(shù)碼管顯示器等

輸入接口設(shè)計(jì)MOV DX，IN_PORTIN AL，DX輸出接口設(shè)計(jì)MOV DX，OUT_PORTOUT DX，AL查詢方式傳送

CPU通過程序指令不斷詢問外設(shè)的工作狀態(tài)，如果“就緒”就開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，如果未“就緒”則繼續(xù)不斷地詢問

又稱應(yīng)答式傳送，在CPU和外設(shè)之間建立了問答機(jī)制

除了使用數(shù)據(jù)口外，還要用到狀態(tài)口①讀取I/O接口中的狀態(tài)口，得到外設(shè)的狀態(tài)字；②檢測相應(yīng)的狀態(tài)位，以檢查是否“就緒”；③若“就緒”則執(zhí)行I/O操作，若未“就緒”，則重復(fù)①～②步。優(yōu)點(diǎn)：能保證CPU與外圍設(shè)備之間的協(xié)調(diào)同步工作硬件線路簡單，程序容易實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)：浪費(fèi)CPU的時間，效率低【例】某外設(shè)接口的8位數(shù)據(jù)端口地址為200H，狀態(tài)端口地址為201H，狀態(tài)口中第7位為1表示外設(shè)已準(zhǔn)備好。如該外設(shè)為輸入設(shè)備，試編制從該設(shè)備輸入一個字節(jié)數(shù)據(jù)的程序段。MOV DX，201H ；狀態(tài)口地址LOP：IN AL，DX ；讀取外設(shè)的狀態(tài)字TEST AL，10000000B；狀態(tài)位第7位是否為1？JZ LOP ；不是1則繼續(xù)查詢DEC DX ；數(shù)據(jù)口地址IN AL，DX ；從數(shù)據(jù)口輸入數(shù)據(jù)【例】對于上例，如該外設(shè)為輸出設(shè)備，則向該設(shè)備輸出一個字節(jié)數(shù)據(jù)的程序段又該如何編制？MOV DX，201H ；狀態(tài)口地址LOP：IN AL，DX ；讀取外設(shè)的狀態(tài)字TEST AL，10000000B；狀態(tài)位第7位是否為1？JZ LOP ；不是1則繼續(xù)查詢DEC DX ；數(shù)據(jù)口地址OUT DX，AL ；向數(shù)據(jù)口輸出數(shù)據(jù)

中斷方式的輸入/輸出外設(shè)“準(zhǔn)備好”才發(fā)中斷，效率高，實(shí)時性好

CPU處于被動地位，外設(shè)處于主動地位是一種相對可靠的輸入/輸出方式

CPU與外設(shè)“并行”工作，多個外設(shè)也可“并行”工作創(chuàng)建數(shù)據(jù)傳送緩沖區(qū)，配置好相關(guān)地址；初始化外設(shè)接口，配置好外設(shè)的工作方式；初始化中斷控制器（8259A），設(shè)置好包括中斷優(yōu)先級在內(nèi)的中斷控制邏輯；編制中斷服務(wù)（子）程序；將中斷向量（中斷服務(wù)（子）程序的入口地址）填入中斷向量表中；適時啟動外設(shè)。中斷方式的輸入輸出仍屬于程序控制的數(shù)據(jù)傳送方式，其程序設(shè)計(jì)步驟：①為了能夠接受中斷請求，CPU必須要有相應(yīng)的中斷控制邏輯，外圍設(shè)備要提供中斷請求信號及中斷類型號。②中斷方式每傳送一次數(shù)據(jù)就要中斷一次CPU。CPU響應(yīng)中斷后，進(jìn)入中斷處理，將程序引導(dǎo)至“中斷服務(wù)程序”入口。在“中斷服務(wù)程序”中，一般都要保護(hù)現(xiàn)場、恢復(fù)現(xiàn)場，浪費(fèi)了很多CPU時間，較適合于傳送少量數(shù)據(jù)以及中低速度的外圍設(shè)備。缺點(diǎn)：直接存儲器存取方式（DMA）——DirectMemoryAccess，DMA需要DMAC（DMAController）

不受CPU干預(yù)純硬件方式進(jìn)行

高速傳送，取決于存儲器存取速度和I/O接口的工作速率

DMA傳送的請求與工作過程：①外設(shè)向DMAC發(fā)出DMA傳送請求信號（DREQ）

②DMAC向CPU發(fā)出總線請求保持信號HOLD，申請占用總線

③CPU向DMAC發(fā)出總線響應(yīng)信號HLDA，同時使CPU三總線處于高阻態(tài)，放棄總線控制權(quán)④DMAC獲得總線控制權(quán)，并向外設(shè)發(fā)出DMA響應(yīng)信號DACK，進(jìn)入DMA工作方式⑤DMAC送出地址/控制信號，實(shí)現(xiàn)“內(nèi)存外設(shè)”或“內(nèi)存內(nèi)存”之間的直接數(shù)據(jù)傳送⑥D(zhuǎn)MAC自動修改地址和字節(jié)計(jì)數(shù)器，判斷是否需要重復(fù)傳送。規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送完后，DMAC就撤銷HOLD信號。CPU檢測到HOLD失效后，緊接著撤銷HLDA信號，并在下一時鐘周期開始重新控制總線，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序

DMAC初始化：給DMAC中的地址寄存器及計(jì)數(shù)寄存器設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸所用的源、目標(biāo)內(nèi)存首地址及傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)長度對DMAC送入適當(dāng)?shù)目刂谱?，以指出?shù)據(jù)傳送方向及如何啟動DMA操作可編程DMA控制器8237A8237A的基本結(jié)構(gòu)和功能

有4個獨(dú)立的DMA通道，每個通道的DMA請求可分別被允許或禁止；

每個DMA通道一次最大可傳送64KB的數(shù)據(jù)，可在存儲器與外設(shè)、存儲器與存儲器之間傳送數(shù)據(jù)；

DMA有4種傳送方式：單字節(jié)、數(shù)據(jù)塊、請求傳送和級連傳送；

允許外部用EOP信號結(jié)束DMA傳送或重新初始化；每一個通道的DMA請求有不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級可以是固定的，也可以由程序設(shè)定成可變的（循環(huán)優(yōu)先級）；多個DMA芯片可以級連，任意擴(kuò)展DMA通道。8237A的工作方式4種工作方式4個階段DMA請求階段DMA響應(yīng)階段DMA傳送階段DMA結(jié)束階段單字節(jié)傳送方式數(shù)據(jù)塊傳送方式請求傳送方式級聯(lián)方式單字節(jié)傳送方式允許DMA

DMA請求？DMAC發(fā)BUS請求CPU響應(yīng)DMA放棄BUSDMAC控制傳一個字節(jié)

塊結(jié)束否？放棄總線結(jié)束請求NDMA請求總線NYY數(shù)據(jù)塊傳送方式允許DMADMAC發(fā)BUS請求CPU響應(yīng)DMA放棄BUSDMAC控制傳一個字節(jié)塊結(jié)束否？放棄總線結(jié)束請求YN一次傳送一個字節(jié)一次傳送一組數(shù)據(jù)，傳送過程不能停止請求傳送方式允許DMADMA請求？DMAC發(fā)出BUS請求CPU響應(yīng)DMA放棄總線DMAC控制傳一個字節(jié)塊結(jié)束否？放棄總線結(jié)束請求YDMA請求？Y放棄總線NNY是一種成組傳送，但每傳一個字節(jié)都查詢DREQ傳送過程中可以強(qiáng)制停止級聯(lián)方式類型DMA讀DMA寫DMA校驗(yàn)空操作，對8237A內(nèi)部讀/寫功能進(jìn)行校驗(yàn)MEMI/OI/OMEM功能MEMI/OMEMMEMI/OMEM8237A的初始化編程A3A2A1A0端口地址通道讀操作寫操作0000DMA+00讀當(dāng)前地址寄存器寫基/當(dāng)前地址寄存器0001DMA+1讀當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器寫基/當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器0010DMA+21讀當(dāng)前地址寄存器寫基/當(dāng)前地址寄存器0011DMA+3讀當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器寫基/當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器0100DMA+42讀當(dāng)前地址寄存器寫基/當(dāng)前地址寄存器0101DMA+5讀當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器寫基/當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器0110DMA+63讀當(dāng)前地址寄存器寫基/當(dāng)前地址寄存器0111DMA+7讀當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器寫基/當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)器1000DMA+8公用讀狀態(tài)寄存器寫命令寄存器1001DMA+9——寫請求寄存器1010DMA+10——寫單個通道屏蔽字1011DMA+11——寫方式寄存器1100DMA+12——清除先/后觸發(fā)器1101DMA+13讀數(shù)據(jù)暫存器復(fù)位芯片（主清除）1110DMA+14——清除屏蔽寄存器1111DMA+15——寫4通道屏蔽寄存器8237A端口寄存器尋址列表

關(guān)閉8237A

發(fā)送總清除命令

輸出16位