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第 七 章 输入输出接口

第 七 章 输入输出接口. 主讲：刘英. 本章主要内容. 7.1 I/O 接口概述 7.2 I/O 端口的编址方式 7.3 I/O 端口地址的译码 7.4 输入 / 输出传送方式. 7.1 I/O 接口概述. 内容 I/O 接口概述 I/O 接口的典型结构. 7.1.1 I/O 接口概述. 7.1.1 I/O 接口概述. 为什么要接口电路 ? 微机的外部设备多种多样 外部设备 数据格式、工作速度差别很大 外设 不能 与 CPU 直接 相连，必须经过中间电路再与系统相连，这部分电路被称为 I/O 接口 电路。.

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第 七 章 输入输出接口

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  1. 第 七 章 输入输出接口 主讲：刘英

  2. 本章主要内容 7.1 I/O接口概述 7.2 I/O端口的编址方式 7.3 I/O端口地址的译码 7.4 输入/输出传送方式

  3. 7.1 I/O接口概述 内容 • I/O接口概述 • I/O接口的典型结构

  4. 7.1.1 I/O接口概述 7.1.1 I/O接口概述 • 为什么要接口电路? • 微机的外部设备多种多样 • 外部设备数据格式、工作速度差别很大 • 外设不能与CPU直接相连，必须经过中间电路再与系统相连，这部分电路被称为I/O接口电路。

  5. 7.1.1 I/O接口概述 CPU 接口 电路 I/O 设备 • 什么是I/O接口（电路）？ • I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路，接口就是CPU与外设的连接部件。 • PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板（适配器）都是接口电路 接口在CPU与外设之间

  6. 7.1.1 I/O接口概述 • I/O接口的主要功能？ • 对传送数据提供缓冲、隔离和寄存（或锁存） • 对信号的形式和数据的格式进行转换 • 对I/O端口进行寻址 • 与CPU和I/O设备进行联络

  7. 7.1.1 I/O接口概述 • CPU和I/O设备间交换的信息 • 数据信息：外设的数据 • 数字量：如用二进制表示的字母、数字、BCD码和字符等 • 模拟量：如电流、电压、流量、压力和温度等 • 开关量：用一位二进制数来表示两个不同的状态 • 状态信息：I/O设备的状态，对于输入设备来说，用READY信号来标明待输入的数据是否准备就绪；对于输出设备来说，用BUSY信号来表示输出设备是否处于空闲状态。 • 控制信息：CPU的控制信息，如外设的启动信号和停止信号。

  8. 7.1.1 I/O接口概述 • 主要接口芯片 • 简单的输入/输出接口芯片 • 如锁存器74LS373、单向缓冲器74LS244、双向缓冲器（数据收发器）74LS245等。 • 可编程接口芯片：其功能可以由软件来选用控制。 • 如并行输入输出接口8255、串行输入输出接口8250/8251 、定时器/计数器8253、中断控制器8259、DMA控制器8237等。

  9. 7.1.2 I/O接口的典型结构 7.1.2 I/O接口的典型结构 • 典型I/O接口电路通常包括数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器、数据缓冲器和读/写控制单元。

  10. 7.1.2 I/O接口的典型结构 • 数据寄存器是可读可写的寄存器，用来存放CPU与I/O设备交换的数据信息。 • 控制寄存器只能写不能读，用来存放CPU向外部设备发送的控制命令和工作方式命令字等。 • 状态寄存器能读不能写，用来存放外部设备当前的工作状态信息，供CPU查询。 • 数据缓冲器是CPU与I/O备数据信息交换的通道，它与CPU的数据总线DB连接。 • 读/写控制逻辑单元与CPU的地址总线AB、控制总线CB连接，接收CPU发送到I/O接口的读/写控制信号和端口选择信号，选择接口内部的寄存器进行读/写操作。

  11. 7.2 I/O端口的编址方式 • 概念 • 接口是每个外设或每种外设与微处理器相连时使用的电路。 • 在接口电路中，数据信息、状态信息和控制信息分别进入不同的寄存器，通常将这些寄存器和它们的控制逻辑统称为I/O端口。 • 为便于CPU访问，每一个端口都被赋予一个地址，称为I/O端口地址。

  12. 接口与端口 • 接口上可以包含唯一的端口,也可以包含几个端口。 • 对CPU程序来说，接口仅是一个笼统的概念，而接口中的各个端口寄存器是CPU程序与接口打交道的具体对象。 • 端口的地址和端口的数据是程序唯一可见的内容，而接口和外设在程序中是无法直接反映出来的。 • CPU以访问端口的形式来访问接口，进而CPU通过这些端口与该接口所连接的外部设备进行信息交换。

  13. 端口分为数据端口、状态端口和控制端口 • 为传递的数据提供缓冲、锁存等功能的称为数据端口。 • 用来保存设备和接口的状态信息，供CPU查询的称为状态端口。 • 用来保存CPU发出的命令，以控制接口与外部设备的执行动作的称为控制端口。 • I/O端口编址方式——两种方式 • 将存储器与外设端口统一编址 • 外设端口单独编址

  14. 7.2.1 存储器统一编址 • 1. 统一编址 • 把外设接口与内存统一进行编址。各占据统一地址空间的不同部分。一般I/O端口占用存储空间的高地址端。 • 优点 • 指令统一，灵活； • 访问控制信号统一，使用同一组的地址/控制信号。 • 缺点 • 内存可用地址空间减小； • 程序I/O操作不清晰。 地址空间(共1MB) 0 内存地址 (960KB) EFFFFH F0000H I/O地址 (64KB) FFFFFH

  15. 7.2.1 I/O独立编址 • 2. 独立编址 • 外设地址空间和内存地址空间相互独立。 • 优点：内存地址空间不受I/O编址的影响；使用I/O指令，程序清晰。 • 缺点：I/O指令功能较弱，使用不同的读写控制信号。 内存地址空间 I/O地址空间 00000H 0000H I/O空间 (64KB) FFFFH 内存空间 (1MB) FFFFFH

  16. 8088/8086 CPU的I/O编址方式 • 采用I/O独立编址方式(但地址线与存储器共用) • 地址线上的地址信号用 来区分： • 时为I/O地址 • I/O操作只使用20根地址线中的16根： A15 ～ A0 • 可寻址的I/O端口数为64K(65536)个 • I/O地址范围为0～FFFFH • IBM PC只使用了1024个I/O地址(0～3FFH)

  17. 把端口地址放在DX寄存器中，对该端口进行读写，可寻址的端口号为0~65535(FFFFH)把端口地址放在DX寄存器中，对该端口进行读写，可寻址的端口号为0~65535(FFFFH) • IN AL, DX • OUT DX, AL • 端口地址小于或等于FFH(255)，可以用立即数表示端口地址。 • IN AL, 42H • OUT 43H, AL

  18. 7.3 I/O端口地址的译码 • I/O地址的译码方法与存储器地址的译码方法类似 • 常见的端口地址译码方法有三种：门电路组合法、译码器译码法、比较器比较法

  19. A9 A8 A7 A6 A5 A2 A4 A3 AEN A1 A0 74LS03 3E7H ? 例：图中译码输出地址3E7H 试分析将图中的A1、A0去掉后，译码输出的地址 • 1、门电路组合法——单个地址或地址范围 1 1 1 1 1 0 1 0 地址范围：3E4H～3E7H 0 0 1 1

  20. Vcc C B A Y1 Y0 Y2 Y3 Y5 Y6 Y7 Y4 G2B G2A G1 GND • 2、译码器（以74LS138为例）译码法——利用译码器芯片对地址进行译码 74LS138的逻辑功能： 若3个译码控制端均有效，即：G1＝1，G2A＝G2B＝0时，8个译码输出端（Y0～Y7）有且只有一个有效（低电平），有效引脚的编码由输入选择信号C、B、A决定；即：CBA＝i，则Yi＝0（i＝0～7）

  21. 74LS138 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 A5 A6 A7 A BC DMA CS（8237） INTR CS（8259） T/C CS（8253） PPI CS（8255） A8 A9 AEN G2B G2A G1 WRTDMAPG （写DMA页面寄存器） WRTNMIREG （写NMI屏蔽寄存器） Y6 Y7 IOW 例：PC机系统板上的端口地址译码电路

  22. 系统板上各芯片的地址 8237：000H～01FH 8259：020H～03FH 8253：040H～05FH 8255：060H～07FH 写DMA页面寄存器：080H～09FH 写NMI屏蔽寄存器：0A0H～0BFH 保留：0C0H～0DFH 保留：OE0H～0FFH

  23. 3、比较器比较法 • 原理：利用数码比较器把地址线上的地址同预定的地址相比较，进而确定地址是否相符。如果比较后两个地址相等，则表示地址总线送来的端口地址就是该端口的地址。 • 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。

  24. 例：比较器比较法举例 228H~22FH 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0

  25. 7.4 输入/输出传送方式 • 无条件传送方式 • 查询传送方式 • 中断传送方式 • DMA传送方式

  26. 7.4.1 无条件传送方式 • 若程序员能够确信一个外设已经准备就绪，就不必查询外设的状态而进行信息传输，这称为无条件传送方式。 • 适用于总是处于准备好状态的外设 • 以下外设可采用无条件传送方式： • 开关 • 发光器件(如发光二极管、7段数码管、灯泡等) • 继电器 • 步进电机 • 优点：软件及接口硬件简单 • 缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄

  27. 无条件传送输入的例子： 无条件传送输出的例子： MOV DX, 160H IN AL, DX MOV DX, 160H MOV AL, [BX] OUT DX, AL

  28. 7.4.2 查询传送方式 • CPU通过执行程序不断读取并测试外设的状态，根据外设的工作状态控制外设的输入/输出，即查询方式。 • 适用于外设并不总是准备好，而且对传送速率、传送效率要求不高的场合。 • 在此传送方式下，一个数据传送到接口，其过程由3个环节组成： • CPU从接口中读取状态字 • CPU检测状态字的对应位是否满足“就绪”条件，如果不满足，则回到前一步读取状态字。 • 如执行输入方式时状态字表明外设已处于“就绪”状态，则传送数据。执行输出方式时状态字表明外设已处于“空闲”状态，则传送数据。

  29. 查询传送方式特点 • 通过查询实现CPU与外设间的同步联络 • CPU和外设串行工作 • 接口电路简单 • CPU使用率不高，用CPU的等待实现与外设的同步

  30. 7.4.3 中断传送方式 • 中断方式：当外设做好传送准备后，主动向CPU请求中断，CPU响应中断后在中断处理程序中与外设交换数据。若外设未准备好，CPU可以执行其他程序，提高了CPU的利用率。 • 中断过程大致分为： • 中断请求：由需要提供中断服务程序的设备提出； • 中断响应：CPU给设备发出一个中断应答信号； • 现场保护：保护执行中断服务程序前的各种信息； • 执行中断服务程序：完成特定的操作； • 退出中断服务程序：恢复现场。

  31. 中断传送方式的特点 • 中断传送是一种效率更高的程序传送方式 • 进行传送的中断服务程序是预先设计好的 • 中断请求是外设随机向CPU提出的 • CPU对请求的检测是有规律的：一般是在每条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输入引脚

  32. 7.4.4 DMA传送方式 • 前面三种I/O方式都需要CPU作为中介： 外设CPU 内存 两个含义： 1）软件：外设与内存之间的数据传送是通过CPU执行程序来完成的（PIO方式）； 2）硬件：I/O接口和存储器的读写控制信号、地址信号都是由CPU发出的（总线由CPU控制）。 • 缺点：程序的执行速度限定了传送的最大速度（约为几十KB/秒）—解决：DMA传输

  33. DMA：Direct Memory Access——直接存储器访问 • DMA传输: 外设内存 • 外设直接与存储器进行数据交换 ，CPU不再担当数据传输的中介者； • 总线由DMA控制器（DMAC）进行控制（CPU要放弃总线控制权），内存/外设的地址和读写控制信号均由DMAC提供。 • 优点：数据传输由DMA硬件来控制，数据直接在内存和外设之间交换，可以达到很高的传输速率（可达几MB/秒）

  34. DMA传送原理示意图 ② ⑥ ① CPU DMAC 外设接口 HOLD DRQ DACK HLDA ③ ④ ⑦ IOW IOW IOR IOR AEN AEN MEMR MEMR MEMW MEMW IOW AEN IOR 系统总线 ⑤ MEMW MEMR ① 外设发出DMA请求 ② DMAC向CPU申请总线 ③ CPU完成当前总线周期后响应，并释放总线控制权 ④ DMAC得到总线控制权，并发出DMA响应信号 ⑤ 由DMAC发出各种控制信号，控制外设与存储器之 间的数据传送 ⑥ 数据传送完后，DMAC撤销HOLD信号 ⑦ CPU释放HLDA信号，并重新控制总线 存储器

  35. DMA控制器的工作过程 • 1）当外设准备好，可以进行DMA传送时，外设向DMA控制器发出“DMA传送请求”信号（DRQ）； • 2）DMA控制器收到请求后，向CPU发出“总线请求”信号HOLD，表示希望占用总线； • 3）CPU在完成当前总线周期后会立即对HOLD信号进行响应。响应包括两个动作：一是CPU将数据总线、地址总线和相应的控制信号线均置为高阻态，由此放弃对总线的控制权。另一方面，CPU向DMA控制器发出“总线响应”信号（HLDA）。 • 4）DMA控制器收到HLDA信号后，就开始控制总线，并向外设发出DMA响应信号DACK；

  36. DMA控制器的工作过程（续） • 5）DMA控制器送出地址信号和相应的控制信号，实现外设与内存或内存与内存之间的直接数据传送； • 例如，向I/O接口发出读信号，同时往地址总线上发出存储器的地址和存储器写信号和AEN信号，即可从外设向内存传送一个字节。 • 6）DMA控制器自动修改地址和字节计数器，并判断是否需要重复传送操作。当规定的数据传送完后，DMA控制器就撤销发往CPU的HOLD信号。CPU检测到HOLD失效后，紧接着撤销HLDA信号，并在下一时钟周期重新开始控制总线。

  37. 几种数据传送方式特点？ • 无条件传送：慢速外设需与CPU保持同步 • 查询传送： 简单实用，效率较低，硬件开销小 • 中断传送：外设主动，可与CPU并行工作，但中断服务保护现场等需要额外时间开销，需要硬件开销进行中断管理 • DMA传送：DMAC控制，外设直接和存储器进行数据传送，适合大量、快速数据传送，需要硬件开销

  38. 7.5 简单I/O接口芯片 74LS244是一种三态输出缓冲器，无锁存功能。74LS244的内部驱动器分为两组，分别为4个输入端（1A1~1A4， 2A1~2A4）、4个输出端（1Y1~1Y4， 2Y1~2Y4），他们分别由使能1G#，当 2G#控制。当1G#＝0时，（1Y1~1Y4）与（1A1~1A4）的电平相同；当2G#＝0时，（2Y1~2Y4）与（2A1~2A4）的电平相同；当1G#＝1（或2G#＝1 ）时， 1Y1~1Y4（或2Y1~2Y4）输出为高阻态。

  39. 数据锁存器74LS373 使能端G有效时（高电平有效），输入端（D端）数据进入锁存器；输出允许端OE#有效时（低电平有效），将锁存器中锁存的数据送到输出端Q；OE#=1时输出为高阻态。

  40. 74LS245是一种三态输出数据收发器，当使能端G#有效（低电平有效），且方向控制端DIR=0时，信号由B端向A端传输；当使能端G#=0，方向控制端DIR=1时，信号由A端向B端传输；当使能端C#=1时，A、B端均为高阻态。74LS245是一种三态输出数据收发器，当使能端G#有效（低电平有效），且方向控制端DIR=0时，信号由B端向A端传输；当使能端G#=0，方向控制端DIR=1时，信号由A端向B端传输；当使能端C#=1时，A、B端均为高阻态。

  41. 7.6 输入/输出接口综合应用例子 • 根据开关状态在7段数码管上显示数字或符号 • 共阳极7段数码管见教材P191 • 用74LS273作为输出接口，把数据送到7段数码管 • 74LS273的地址假设为F0H • 用74LS244作为输入口，读入开关K0～K3的状态 • 74LS244的地址假设为F1H • 当开关的状态分别为0000～1111时，在7段数码管上对应显示’0’～’F’ • (7段码表见下页)

  42. 写地址：F0H = 0000 0000 1111 0000 读地址：F1H = 0000 0000 1111 0001 74LS273 7406 Rx8 D0 Q0 | Q1 D7 Q2 Q3 Q4 CP Q5 Q6 Q7 a b c d e f g DP D0～D7 8个 反相器 译码电路 ≥1 IOW# & 74LS138 A7～A4 G G2A G2B C B A ≥1 Y0 +5V A15～A8 74LS244 K0～K3 D0 O1 I1 O2 I2 O3 I3 O4 I4 #E1 A3 A2 D1 Y1 A1 D2 A0 D3 ≥1 IOR#

  43. 相应程序段如下： …… Seg7 DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H DB 7FH,67H,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H …… LEA BX, Seg7 ；取7段码表基地址 MOV AH, 0 GO: MOV DX, 0F1H ；开关接口的地址为F1H IN AL, DX ；读入开关状态 AND AL, 0FH ；保留低4位 MOV SI, AX ；作为7段码表的表内位移量 MOV AL, ［BX+SI］；取7段码 MOV DX, 0F0H ；7段数码管接口的地址为F0H OUT DX, AL JMP GO

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