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第 5 章 输入输出与接口技术

第 5 章 输入输出与接口技术. 张明武 scauzhang@hotmail.com. 华南农业大学信息（软件）学院. 5.1 接口概述. 5.1.1 I/O 接口基本概念. 1. 接口的概念. 定义：接口 是 CPU 与“外部世界”的 连接电路 ，负责“ 中转 ”各种 信息 。. 分类： 存储器接口和 I/O 接口。. 位置： 介于系统总线与外部设备之间。. 2. 为什么要引入接口. 微机和 I/O 设备的信息类型和格式可能不一样。 微机和 I/O 设备信号传输处理的速度可能不匹配。

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第 5 章 输入输出与接口技术

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  1. 第5章 输入输出与接口技术 张明武 scauzhang@hotmail.com 华南农业大学信息（软件）学院

  2. 5.1 接口概述 5.1.1 I/O接口基本概念

  3. 1.接口的概念 定义：接口是CPU与“外部世界”的连接电路，负责“中转”各种信息。 分类：存储器接口和I/O接口。 位置：介于系统总线与外部设备之间。

  4. 2.为什么要引入接口 • 微机和I/O设备的信息类型和格式可能不一样。 • 微机和I/O设备信号传输处理的速度可能不匹配。 • 不用接口， I/O直接接CPU，随着外设增加，会大大降低CPU的效率。 • I/O直接接CPU，会使外设硬件结构过于依赖CPU，对外设本身发展不利。

  5. 3.I/O接口与I/O设备 不同I/O设备对应I/O接口不同。 I/O接口受CPU控制，I/O设备受I/O接口控制。 为增加通用性，I/O接口电路一般均具有可编程功能。 微机的应用离不开外部设备接口的设计、选用和连接。 可能是单向的 数据 数据 控制信号 控制信号 外设 接口 CPU 状态信号 状态信号

  6. 5.1.2、I/O接口功能 数据缓冲功能：通过寄存器或锁存器实现。 存放数据的寄存器或锁存器称之为数据口。 接受和执行CPU命令功能： 存放CPU命令代码的寄存器称之为命令口， 存放执行状态信息的寄存器称之为状态口。 设备选择功能：CPU通过地址译码选择不同外设。 即CPU通过地址译码选择不同I/O接口和I/O接口中连接的不同的设备。 信号转换功能：协调总线信号与I/O设备信号。 转换包括信号的逻辑关系、时序配合和电平转换。 可编程功能：增加接口的灵活性和智能性。

  7. 5.1.3、I/O接口组成 核心部分 接口由接口硬件和接口软件组成。 1.接口硬件

  8. CPU侧引脚信号： 地址信号：选择I/O接口中的不同寄存器(端口)； 数据信号：命令或数据写入到相应寄存器，或者从相关寄存器读出数据或状态； 控制信号：控制命令的执行、时序、信号同步和片选； 状态信号：接口的部分工作状态信号。 数据信号：接口缓冲寄存器与外设间的数据交换； 状态信号：外设工作状态送给接口的状态寄存器； 控制信号：接口的内部控制逻辑控制外设工作的控制信号和同步信号。 外设侧引脚信号： 内部控制逻辑： 根据控制寄存器、状态寄存器、总线控制信号及外设状态信号控制I/O接口的工作。

  9. 常见接口插槽 串行口 10/100M网卡 PS2鼠标 MIDI/游戏接口 并行口 PS2键盘 音箱/线入接口/麦克风 1394a USB 显示器接口 千兆网 1394

  10. 2.接口软件（设备驱动程序） 初始化程序段：设置接口工作方式及初始条件。 传送方式处理程序段：CPU针对不同的I/O设备有不同的处理方式。如设置中断向量等。 主控程序段：完成接口任务的程序。 程序终止与退出程序段：对接口电路硬件保护及操作系统中数据恢复。 辅助程序段：提供人-机对话手段。

  11. 5.2 数据传输控制方式 特点：I时假设外设已准备好，O时假设外设空闲。 要求：接口I时加缓冲器，O时加锁存器。 应用：对简单外设的操作。 工作原理：CPU查询外设已准备好后，才传送数据。 特点：CPU与外设间自然同步。 要求：需要增加表示外部设备状态的简单硬件电路。 应用：适用在CPU不太忙且传送速度要求不高时。 5.2.1 程序控制方式 1. 无条件传送方式 2.条件传送方式（查询方式）

  12. 特点：CPU与外设可同时工作。 要求：接口中需要中断控制逻辑支持。 应用：适用与非高速度大量数据传送时。 特点：数据的传送不经过CPU而由DMA负责，但I/O设备管理由CPU控制，简化CPU对I/O的控制。 要求：需要DMA控制器及相关逻辑支持。 应用：适用与高速度大量数据传送时。 3.中断传送方式 5.2.2 直接存储器存取(DMA)方式

  13. 5.2.3 I/O处理机方式 特点： I/O处理机接管了CPU的各种I/O操作及I/O控制功能，CPU能与IO处理机并行工作。I/O处理机有自己的指令系统，能独立地直接存取主存储器、对外设和I/O过程进行管理。 要求：需要IO处理机支持。 应用：高速I/O归IO处理机管理，低速I/O设备归CPU管理。

  14. 5.3 I/O编址与访问 5.3.1 I/O端口 1.I/O端口 I/O端口是供CPU直接存取访问的接口中的寄存器或电路。 接口中的命令口、状态口和数据口均为I/O端口。 2.I/O端口地址 是对接口中的不同寄存器或电路的编号，该编号加上该接口的基地址称为该端口的I/O端口地址。 CPU通过向命令端口发命令来对接口，最终对设备进行控制。访问设备实际上是访问相关的端口。 3.命令、接口与I/O端口关系 一个接口中有多个I/O端口； 一个I/O端口可接受多种命令，对应多个寄存器。

  15. 5.3.2 I/O端口编址 N-1 K K-1 0 I/O空间 MEM空间 存储类指令 1.I/O统一编址（存储器映象I/O编址） 一个I/O端口等同于一个存储器单元。存储单元和I/O端口统一编址。 应用：Motorola系列和Apple 系列均采用此方式 优点： • 对I/O端口的访问命令与对存储器单元访问相同，不必使用专用I/O指令； • 外设数目或I/O寄存器数几乎不受限制。 • 系统读写控制逻辑较简单。 缺点： • I/O端口占用部分MEM空间，可用MEM空间减小； • 对MEM访问指令较长，执行速度较慢； • I/O端口地址译码时间较长。

  16. 2.I/O独立编址 I/O端口地址空间与存储器地址空间相互独立。 应用：Z-80系列和x86系列均采用此方式。 优点： • MEM地址空间不受I/O端口地址空间影响； • I/O端口数量不多，占用地址线少，地址译码简单，速度较快，使得此类指令执行速度快； • 使用专用I/O命令(IN/OUT)，与MEM访问命令(LOAD/STORE、MOV)有明显区别,便于理解和检查。 N-1 0 MEM K-1 0 I/O设备 存储类指令 I/O类指令

  17. 专用I/O指令增加指令系统复杂性，且I/O指令类型少，寻址方式也少，程序设计灵活性较差；专用I/O指令增加指令系统复杂性，且I/O指令类型少，寻址方式也少，程序设计灵活性较差； 要求处理器提供MEMR#/MEMW#和IOR#/IOW#两组控制信号，增加了控制逻辑的复杂性。 缺点： 3.Intel系列微机I/O编址 Intel系列微处理器支持I/O独立编址方式和I/O统一编址（存储器映象编址）方式。 Intel系列微机系统仅支持I/O独立编址方式。

  18. 5.3.3 PC系列I/O端口访问 I/O端口地址信号：借用地址线信号和IOW#/IOR#信号线以及表示DMA正在工作的AEN的反相信号组成。 1.I/O端口地址空间 I/O端口地址空间：理论上有64K个独立编址的8位端口空间。两个连续8位端口可作为16位端口，4个连续的8位端口可作为32位端口处理。注意端口地址对齐。 2.I/O端口地址寻址方式 I/O端口支持直接寻址和间接寻址方式。 直接寻址是使用一字节立即数寻址，端口寻址范围为00H~FFH共256个。 间接寻址是使用DX寄存器间接给出I/O端口地址，可寻址的范围是0000H~FFFFH共64K个端口。

  19. 3.I/O端口与累加器间I/O指令——寄存器I/O指令 格式：IN、OUT。 结果：完成I/O端口和EAX、AX、AL之间的数据传送，可使用直接寻址和间接寻址方式。 举例：mov dx, 3fdh mov al, 36h in al, dx out 43h, al 4.I/O端口与存储器间I/O指令——块I/O指令 格式：INSB/W/D、OUTSB/W/D。 参数：用DX指定I/O端口地址，输入/输出时的目的/源RAM地址用ES:DI(EDI)/DS:SI(ESI)指定。EFLAG寄存器中DF位来决定地址加和减。 结果：通过前缀REP在I/O端口和连续的存储器空间之间传送数据。

  20. OUT 43H, AL A19~A16/S6~S3 0H 00H [AL] 43H IO/M# 或 WR #( IOW# ) CS8254 #

  21. 作业1 请参照课件P20上OUT 43H, AL 指令的时序图画出IN AL，21H的时序图，假设从21H端口中读到的数据是02H，21H是8259芯片的一个端口地址。

  22. 5.3.4 Pentium的I/O保护 I/O保护在保护模式下有效，在实地址模式下无效。 1.I/O特权级IOPL保护 保护通过比较当前任务的特权级CPL和标志寄存器的IOPL字段实现的。 若CPL ≤ IOPL，可执行IN、OUT、INS、OUTS、CLI、STI等敏感指令(对IOPL敏感)；否则不行。 每个任务都有自己的IOPL，用以表示指定的I/O操作处于特权级的哪一级。它在EFLAGS中。 0级特权的过程可通过POPF和IRET指令修改任务的IOPL。

  23. 2.I/O允许位映象保护 I/O允许位映象用来修正IOPL对I/O敏感指令的影响，允许低特权的程序访问某些I/O端口。 I/O允许位映象是一个位向量，每位对应一个端口的操作权限(0表示允许)。 操作系统可通过改变任务TSS中的I/O允许映象来为某任务分配端口。（一定是在0级） 思考：如何让普通任务访问I/O端口？ 思路：设法进入到0级 • 通过操作系统提供的接口函数； • 通过设备驱动程序（其运行在0级上）； • 通过操作系统的漏洞。

  24. 3. 保护模式下的I/O端口访问 IOPL用以表示指定的I/O操作处于特权级的哪一级。它在EFLAGS中。 CPL当前段的I/O优先级，它实际上是CS段选择符的第0~第1位。 执行in, out指令 是 CPL ≤ IOPL？ 否 是 IOPM是对所有VM都起作用的权限机制，它以位（bit）来代表每个端口。某位为1，则该代表的端口被禁止访问；某位为0；则允许访问该位所代表的端口。 IOPM相关位=0？ 否 产生一个一般保护异常 进行I/O操作

  25. V86模式下（DOSVM）的I/O端口访问 执行in, out指令 是 IOPM相关位=0？ 否 进行I/O操作 产生一个一般保护异常

  26. 5.4 接口分析与设计方法 4.4.1 x86系列微机接口分析 1.I/O接口硬件分类 系统板上I/O芯片和I/O扩展槽接口卡。 2.I/O端口地址分配 PC系列I/O地址线有16根，对应64K空间； I/O端口译码只使用了A0-A9，共1024个端口，地址范围为0000H~03FFH。 不同的微机系统对I/O端口地址的分配不同。 初期：A9=0端口(512个)为系统板所用，其他端口(512个)为扩展槽所用。

  27. PC/AT/Pentium：A8=A9=0端口(256个)为系统板所用，其他端口(768个)为扩展槽所用。PC/AT/Pentium：A8=A9=0端口(256个)为系统板所用，其他端口(768个)为扩展槽所用。 系统板I/O接口芯片端口地址(0000H-00FFH)： 返回34页

  28. 扩展槽I/O接口卡端口地址(0100H-03FFH)：

  29. I/O接口芯片片选(CS#)信号： IOW#/IOR#信号(有效)、AEN信号(无效)和I/O端口地址高位经过译码得到。 用户I/O端口地址选用原则： 系统配置占用的端口地址一律不能用； 厂家声明保留的端口地址不要用； 其余端口地址可用，为避免冲突最好采用DIP。 3.I/O端口地址译码方法 一个I/O接口中的多个端口地址是连续的。 I/O接口芯片内部端口地址： I/O端口地址低位直接组成。

  30. 4.I/O端口访问 CPU通过I/O指令对I/O接口进行访问。 汇编语言指令：IN、OUT。 C语言指令：inportb(inport)、outportb(outport)。 VC++指令：_inp(_inpw)、_outp(_outpw)。

  31. 例：读取CMOS信息。 ；功能：读取CMOS信息 ；调用：AL=CMOS地址 ；返回：AL=CMOS内容 proc_read_cmos proc cli or al,80h ;屏蔽NMI out 70h,al jmp $+2 ;延迟 in al,71h ;读CMOS数据 sti ret proc_read_cmos endp main() { short int i, j; unsigned char c_CmosMessage[64]; for (i=0;i<=63;i++) { j=i|0x80 outportb(0x70,j); c_CmosMessage[i]=inportb(0x71) ; } printf("CMOS信息读取完毕。\n"); }

  32. 5.4.2 I/O端口地址译码电路的几种形式 15 1 Y0 A 14 2 B 74LS138 13 3 C 12 G1=1，G2A #=G2B #=0。 5 11 4 10 6 9 G1 7 Y7 G2A# G2B# 1.固定式端口地址译码 接口中只有一个端口时可采用门电路构成。 接口中有多个端口时一般采用译码器电路构成，常见的译码器有74LS138、74LS154等。 74LS138译码器： 工作条件： 工作原理： 将复合的输入信号变为枚举的输出信号。

  33. 74LS138真值表

  34. G2B G2A 74LS138在PC机系统板端口译码的应用： 15 1 Y0 A5 A DMACS#(8237) 14 2 A6 INTRCS#(8259) B 74LS138 13 3 T/C CS#(8253) A7 C 12 PPICS#(8255) 5 11 A8 WRTDMAPG# ≥1 4 10 A9 WRTNMIREG# ≥1 6 9 G1 AEN# 7 Y7 IOW# 软件上和信号上如何区别访问I/O还是MEMORY? 为何中断控制1端口地址为0020H-003FH？ 转27页

  35. 00H CPU MEM ： 1FH 20H ： 3FH 40H ： 5FH 60H ： 7FH 3FFH D7-D0 数据总线 A15-A0 地址总线 控制总线 IOR# IOR# IOW# IOW# D7-D0 D7-D0 A5 15 Y0 A 设 备 侧 信 号 14 A6 设 备 侧 信 号 B WR# 74LS138 WR# 13 A7 C 12 RD# RD# A8 11 G2B# CS# A9 CS# 10 8259 G2A# A0 9 A0 AEN# G1 7 Y7 A1 A0 8253 A1 A0

  36. 2.可选式端口地址译码 (1)使用比较器+地址开关方法 比较器和地址开关产生一个信号参与片选。 74LS688比较器： 当P0~7≠Q0~7时， P=1，输出高电平。 当P0~7=Q0~7时， P=0，输出低电平。 注意：门电路与IOR#/IOW#信号延迟不能太大。

  37. 14 13 12 11 10 9 8 VCC =1 =1 74LS136 =1 =1 GND 4 5 1 2 3 6 7 (2)使用异或门+地址开关方法 用异或门代替比较器和地址开关比较。 如用3片74LS136代替74LS688。 74LS136： 逻辑： 3=1⊙2；6=4⊙5； 8=9⊙10；11=12⊙13； 连线： 异或门的输入端分别接地址线和开关线。 片选：各异或门的输出“或”的结果。

  38. 思考题1 ?

  39. 思考题1 的答案 300H 301H 302H 303H 304H 305H 306H 307H

  40. G2B G2A 思考题2 15 1 00~1FH 40~5FH 80~9FH _________ 100~11FH _________ _________ _________ __ Y0 A 14 2 __ B 74LS138 13 3 __ C 12 5 11 __ 4 10 __ 6 9 G1 AEN# 7 Y7 A9~A0共10根线参与地址译码，请将上图的空填对。

  41. 思考题2的答案 A6 A7 A8 15 1 Y0 A C0~DFH 14 2 B A5 74LS138 13 3 C A9 12 140~15HH 5 11 180~19FH # 4 10 1C0~1DFH # 6 9 G1 AEN# 7 Y7 G2A G2B A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0 第一步 ? ? ? ? ? ×× ××× 第二步 0 ? ? ? 0 ×× ××× 第三步 0 C B A 0 × × ××× 00~1FH 40~5FH 80~9FH 100~11FH

  42. A B 74LS138 某接口芯片 C G1 Y6 CS# A2 A1 A0 IOR# & IOW# G2A # G2B # 思考题3 要求接口芯片的端口地址范围为260H，262H，264H，266H，268H，26AH，26CH，26EH，请问A0~A9这10根线需要怎么连。

  43. 0000 0010 0100 0110 1000 1010 1100 1110 × × × 0 A4 A5 A6 A9 A8 ≥1 A7 A3 A0 A2 A1 G2A # G2B # 思考题3答案 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 260H 262H 264H 266H 268H 26AH 26CH 26EH 1 0 0 1 1 0 A B 74LS138 某接口芯片 C G1 Y6 CS# A2 A1 IOR# A0 & IOW#

  44. A A3 A4 B 74LS138 A5 C 某接口片 IOR# Y2 & CS# IOW# A8 ≥1 A0 A0 A9 A6 A1 A1 G1 & A7 G2A # G2B # 思考题4 按图上的连接方法，该接口芯片一共有几个端口？每个端口的地址分别是多少？

  45. 思考题4答案 A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0 D0H D4H 0 0 1 1 0 1 0 × 0 0 共4个端口 地址是： D1H 或 D5H 0 1 A A3 D2H D6H 1 0 A4 B 74LS138 D3H D7H 1 1 A5 C 某接口片 IOR Y2 & CS# IOW A8 ≥1 A0 A0 A9 A6 A1 A1 G1 & A7 G2A # G2B #

  46. 5.4.3 接口分析与设计基本方法 1.接口硬件设计方法 接口主要完成数据、地址、控制总线与外设信号的转换和连接任务。 分析接口两侧的情况： CPU侧：数据线宽度、地址线宽度、控制线逻辑定义及时序； 外设侧：工作原理与特点，引脚信号逻辑定义、时序和电平差异。 进行信号转换：找出差异并进行信号转换与改造。 选择合理外围接口芯片构成接口电路。

  47. 注意点： 资源冲突问题； 时序问题及缓冲、锁存措施； 负载与总线驱动问题。 抗干扰措施。 与数据总线相连的器件必须有三态功能。 接口卡插脚与I/O槽引角对应关系要正确。接口卡的几何尺寸要正确。

  48. 2.接口软件设计方法 直接对硬件编程： 设计者必须对接口硬件细节十分熟悉； 尽可能用汇编语言编写程序。 间接对硬件编程： 调用标准接口驱动程序。 BIOS调用、DOS调用、Win32 API、DirectX等

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