微機(jī)原理 第五章 基本IO接口

第五章輸入/輸出接口

本章主要知識點(diǎn)：1、輸入/輸出接口作用；2、I/O接口的基本結(jié)構(gòu)；3、I/O端口的編址4、輸入/輸出指令及其尋址方式5、CPU與外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳送方式本章學(xué)習(xí)的重點(diǎn)：1、I/O端口的編址2、CPU與外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳送方式5.1輸入/輸出接口概述問題的提出:輸入/輸出接口在計算機(jī)系統(tǒng)中起什么作用?微處理器8086/8088存儲器RAM存儲器ROMI/O接口外圍設(shè)備地址總線AB控制總線CB數(shù)據(jù)總線DB圖5-1微型計算機(jī)的基本組成原理結(jié)構(gòu)圖輸入/輸出接口：CPU完成各種運(yùn)算的原始數(shù)據(jù)如果要求由外部設(shè)備提供，CPU是如何從外部設(shè)備取回數(shù)據(jù)？如果CPU運(yùn)算的結(jié)果要傳送給外部設(shè)備，CPU如何傳送？解決的方法就是在外部設(shè)備與CPU之間架設(shè)一個“橋”，這個“橋”的作用就是把外部設(shè)備的數(shù)據(jù)和運(yùn)算方式與命令傳遞給中央處理器，等中央處理器完成了給定的運(yùn)算后按給定的要求再把結(jié)果傳遞外部設(shè)備。計算機(jī)通過這個“橋”----輸入/輸出接口與外部實(shí)現(xiàn)信息或數(shù)據(jù)的交換。把介于主機(jī)和外設(shè)之間的電路稱為I/O接口電路，簡稱I/O接口。5.1.1I/O接口的作用主機(jī)與外界交換信息的中間電路稱為輸入/輸出(I/O)。主機(jī)與外界的信息交換是通過輸入/輸出設(shè)備進(jìn)行的。比如常規(guī)的外設(shè)有鍵盤、顯示器、打印機(jī)、掃描儀、磁盤機(jī)、鼠標(biāo)器等。不同外設(shè)的信號形式、數(shù)據(jù)格式、運(yùn)行速度也各不相同。因此，外部設(shè)備不能與CPU直接相連，需要通過相應(yīng)的電路來完成它們之間的速度匹配、信號轉(zhuǎn)換，并完成某些控制功能。I/O接口與處理器和外部設(shè)備的連接如圖5.2所示。圖5.2主機(jī)與外設(shè)的連接5.1.2CPU與外設(shè)交換的信息主機(jī)與I/O設(shè)備之間交換的信息可分為數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息三類。1．?dāng)?shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息又分為數(shù)字量、模擬量和開關(guān)量三種形式。

1)數(shù)字量數(shù)字量是計算機(jī)可以直接發(fā)送、接收和處理的數(shù)據(jù)。例如，由鍵盤、顯示器、打印機(jī)及磁盤等I/O外設(shè)與CPU交換的信息，它們是以二進(jìn)制形式表示的數(shù)或以ASCII碼表示的數(shù)符。

2)模擬量當(dāng)計算機(jī)應(yīng)用于控制系統(tǒng)中時，輸入的信息一般為來自現(xiàn)場的連續(xù)變化的物理量，如溫度、壓力、流量、位移、濕度等，這些物理量通過傳感器并經(jīng)放大處理得到模擬電壓或電流，這些模擬量必須先經(jīng)過模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換)后才能輸入計算機(jī)。反過來，計算機(jī)輸出的控制信號都是數(shù)字量，也必須先經(jīng)過數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換(D/A轉(zhuǎn)換)，把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量才能去控制現(xiàn)場。

3)開關(guān)量開關(guān)量可表示兩個狀態(tài)，如開關(guān)的斷開和閉合，機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)與停止，閥門的打開與關(guān)閉等。這些開關(guān)量通常要經(jīng)過相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換才能與計算機(jī)連接。開關(guān)量只用一位二進(jìn)制數(shù)即可表示,也是數(shù)字量的一種形式。

2.狀態(tài)信息狀態(tài)信息作為CPU與外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)時的聯(lián)絡(luò)信息，反映了當(dāng)前外設(shè)所處的工作狀態(tài)，是外設(shè)通過接口送往CPU的。CPU通過對外設(shè)狀態(tài)信號的讀取，可得知輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好、輸出設(shè)備是否空閑等情況。因此，狀態(tài)信息能夠保障CPU與外設(shè)正確地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3．控制信息控制信息由CPU通過接口傳送給外設(shè)，控制信息設(shè)置外設(shè)(包括接口)的工作模式、控制外設(shè)的工作。如外設(shè)的啟動信號和停止信號就是常見的控制信息?？刂菩畔㈦S外設(shè)的具體工作原理不同而含義不同。數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息含義各不相同，但在微型計算機(jī)系統(tǒng)中，CPU通過接口和外設(shè)交換信息時，只能用輸入指令(IN)和輸出指令(OUT)傳送數(shù)據(jù)，所以狀態(tài)信息、控制信息也是被作為數(shù)據(jù)信息來傳送的，把狀態(tài)信息作為一種輸入數(shù)據(jù)，而把控制信息作為一種輸出數(shù)據(jù)。

5.1.3I/O接口的基本結(jié)構(gòu)I/O接口的基本結(jié)構(gòu)如圖5.3所示。每個接口電路中都包含一組寄存器，CPU與外設(shè)進(jìn)行信息交換時，各類信息在接口中存入不同的寄存器，一般稱這些寄存器為I/O端口，簡稱為口(Port)。圖5.3一個典型的I/O接口用來保存CPU和外設(shè)之間傳送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)寄存器稱為數(shù)據(jù)端口；用來存放外設(shè)或者接口部件本身狀態(tài)的狀態(tài)寄存器稱為狀態(tài)端口；用來存放CPU發(fā)往外設(shè)的控制命令的控制寄存器稱為控制端口。圖5.3一個典型的I/O接口5.1.4I/O接口的種類:

1、并行接口在計算機(jī)的I/O接口中滿足多位數(shù)據(jù)同時輸入或輸出的接口稱為并行接口。常見的并行接口有8位或16位?；窘Y(jié)構(gòu)如下圖。CPU并行接口電路數(shù)據(jù)線地址線控制線外部信號/輸出線典型的并行接口電路有8255、81552、串行接口計算機(jī)與外設(shè)的數(shù)據(jù)交換一位一位地順序傳送，只占用一條傳輸線，它可由兩種方式來實(shí)現(xiàn)：一種是將8位通道中的一位依靠軟件來實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳送(如圖中的D0-D7中的某一位,按一定的時間間隔來把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成序列脈沖的形式)；另一種是通過專用的通訊接口，將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。典型的串行接口電路有8251。D0D0D1D1D6D6D7D7RDYSTB8位數(shù)據(jù)線發(fā)送方接收方并行傳送方式1100101001010110發(fā)送方接收方圖5-4串行傳送方式3、脈沖/計數(shù)器（定時器）接口實(shí)現(xiàn)對外部事件的計數(shù)或要求對時間進(jìn)行精確定時----計數(shù)/定時器。計數(shù)由外部脈沖信號提供,當(dāng)達(dá)到設(shè)定的計數(shù)值時,輸出一個電平信號,告知外部設(shè)備已經(jīng)計滿。定時可由計算機(jī)內(nèi)部或外部提供一個標(biāo)準(zhǔn)的時鐘信號，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的定時時間后,輸出一個電平信號,告知外部設(shè)備已經(jīng)到時。典型的串行接口電路有8251。4、A/D（模/數(shù)）、D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換器在工業(yè)過程控制中，經(jīng)常要對溫度、壓力、流量、濃度及位移等物理量進(jìn)行計算機(jī)控制。通常，先用傳感器測量這些物理量，得到與之相應(yīng)的模擬電流或模擬電壓，再通過A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，送入數(shù)字計算機(jī)處理。計算機(jī)處理后的結(jié)果是數(shù)字量，若用它去控制外部模擬量執(zhí)行機(jī)構(gòu)，則需通過D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號，去驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。5、專用接口：不可編程，專用于一個目的的接口電路；6、通用接口：可編程，通過編程可以實(shí)現(xiàn)多種功能和目的的接口電路；5.1.5微機(jī)外設(shè)對接口的要求：1、速度2、數(shù)據(jù)位數(shù)3、是否可編程，通用還是專用5.1.6接口需滿足的功能：1、選址功能:實(shí)現(xiàn)地址唯一性的要求；2、數(shù)據(jù)傳輸功能:實(shí)現(xiàn)CPU與接口之間的數(shù)據(jù)交換；3、傳送命令的功能:實(shí)現(xiàn)CPU與向接口發(fā)出命令和接口工作狀態(tài)傳送到CPU；5.2I/O端口的編址(重點(diǎn)內(nèi)容)

I/O端口編址方式有兩種：I/O端口與內(nèi)存單元統(tǒng)一編址和

I/O端口與內(nèi)存單元獨(dú)立編址。5.2.1I/O端口與內(nèi)存單元統(tǒng)一編址

I/O端口按照存儲單元的編址方法統(tǒng)一編排地址號，I/O端口地址和存儲單元地址共同構(gòu)成一個統(tǒng)一的地址空間。例如，對于一個有16根地址線的微機(jī)系統(tǒng)，若采用統(tǒng)一編址方式，其地址空間的結(jié)構(gòu)如圖5.5所示。圖5.5I/O端口與內(nèi)存單元統(tǒng)一編址整個地址空間存儲器I/O???ú0000HXXXXHFFFFH(XXXX+1)HI/O端口

采用統(tǒng)一編址方式下，CPU對I/O端口的輸入/輸出操作如同對存儲單元的讀/寫操作一樣，所有訪問內(nèi)存的指令同樣都可用于訪問I/O端口，因此無需專門的I/O指令，從而簡化了指令系統(tǒng)的設(shè)計；同時，對存儲器的各種尋址方式也同樣適用于對I/O端口的訪問，給使用者提供了很大的方便。但由于I/O端口占用了一部分存儲器地址空間，因而相對減少了內(nèi)存的地址可用范圍。

在這種編址方式中，建立了兩個地址空間，一個為內(nèi)存地址空間，一個為I/O地址空間。內(nèi)存地址空間和I/O地址空間是相互獨(dú)立的，通過控制線M/IO來確定CPU到底要訪問內(nèi)存還是I/O端口。5.2.2I/O端口與內(nèi)存單元獨(dú)立編址(重點(diǎn)內(nèi)容)

這種編址要求CPU與I/O端口之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，使用專用的輸入指令I(lǐng)NA，PORT和輸出指令OUTPORT，A。在8086/8088系統(tǒng)中，共有20根地址線對內(nèi)存尋址，內(nèi)存的地址范圍是00000H～FFFFFH；用地址總線的低16位對I/O端口尋址，所以I/O端口的地址范圍是0000H～FFFFH，如圖5.6所示。00000HFFFFFH存儲器I/OFFFFH0000H8086微機(jī)系統(tǒng)采用獨(dú)立編址方式圖5.6

I/O端口與內(nèi)存單元獨(dú)立編址00000HFFFFFH存儲器I/OFFFFH0000H采用獨(dú)立編址方式下，存儲器地址與I/O可以重疊,由M/IO信號區(qū)別是訪問的那個地址。CPU在訪問內(nèi)存和外設(shè)時，M/IO信號為1時，表示地址總線上的地址是一個內(nèi)存地址；為0時，則表示地址總線上的地址是一個I/O端口地址。I/O地址與內(nèi)存地址的區(qū)分方法（重要概念）

微機(jī)系統(tǒng)常用的I/O接口電路都被設(shè)計成通用的I/O接口芯片，都有一個片選信號線，如果片內(nèi)有若干可尋址的端口，則還需有地址線用于片內(nèi)端口尋址的地址線。5.2.3I/O端口的地址譯碼

I/O端口地址譯碼的常見設(shè)計方法是用74LS138譯碼器實(shí)現(xiàn)地址譯碼，將地址總線低位直接連到I/O接口芯片的相應(yīng)地址引腳，實(shí)現(xiàn)片內(nèi)尋址，即選中片內(nèi)的端口，這樣可以使片內(nèi)端口地址號連續(xù)；而將地址總線高位接譯碼器的控制端，實(shí)現(xiàn)地址的唯一性要求。

5.3CPU與外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳送方式1.無條件傳送無條件傳送是一種最簡單的輸入/輸出控制方法，用于控制CPU與低速I/O接口之間的信息交換，例如，開關(guān)、繼電器和速度、溫度、壓力、流量等變送器(即A/D轉(zhuǎn)換器)。由于這些信號變化很緩慢，當(dāng)需要采集這些數(shù)據(jù)時，外部設(shè)備已經(jīng)把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，無需檢查端口的狀態(tài)，就可以立即采集數(shù)據(jù)。5.3.1程序控制方式無條件傳送：輸入輸出接口編程N(yùn)EXT: MOVDX,8000H ；DX指向數(shù)據(jù)端口 INAL,DX ；從輸入端口讀開關(guān)狀態(tài) NOTAL ；反相 OUTDX,AL ；送輸出端口顯示 CALLDEALY ；調(diào)子程序延時 JMPNEXT ；重復(fù)有條件傳送方式又稱