1、1第第5章章 輸入輸出與接口技術(shù)輸入輸出與接口技術(shù) 25.1 接口概述接口概述34 微機(jī)和微機(jī)和I/O設(shè)備的信息類型和格式可能不一樣。設(shè)備的信息類型和格式可能不一樣。 微機(jī)和微機(jī)和I/O設(shè)備信號傳輸處理的速度可能不匹配。設(shè)備信號傳輸處理的速度可能不匹配。 不用接口，不用接口， I/O直接接直接接CPU，隨著外設(shè)增加，會，隨著外設(shè)增加，會大大降低大大降低CPU的效率。的效率。 I/O直接接直接接CPU，會使外設(shè)硬件結(jié)構(gòu)過于依賴，會使外設(shè)硬件結(jié)構(gòu)過于依賴CPU，對外設(shè)本身發(fā)展不利。，對外設(shè)本身發(fā)展不利。5CPU接口接口外設(shè)外設(shè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)控制信號控制信號控制信號控制信號狀態(tài)信號狀態(tài)信號狀態(tài)信號

2、狀態(tài)信號可能是單向的可能是單向的6通過寄存器或鎖存器實(shí)現(xiàn)。通過寄存器或鎖存器實(shí)現(xiàn)。存放數(shù)據(jù)的寄存器或鎖存器稱之為存放數(shù)據(jù)的寄存器或鎖存器稱之為存放存放CPU命令代碼的寄存器稱之為命令代碼的寄存器稱之為存放執(zhí)行狀態(tài)信息的寄存器稱之為存放執(zhí)行狀態(tài)信息的寄存器稱之為CPU通過地址譯碼選擇不同外設(shè)。通過地址譯碼選擇不同外設(shè)。即即CPU通過地址譯碼選擇不同通過地址譯碼選擇不同I/O接口和接口和I/O接口中接口中連接的不同的設(shè)備。連接的不同的設(shè)備。協(xié)調(diào)總線信號與協(xié)調(diào)總線信號與I/O設(shè)備信號。設(shè)備信號。轉(zhuǎn)換包括信號的邏輯關(guān)系、時序配合和電平轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換包括信號的邏輯關(guān)系、時序配合和電平轉(zhuǎn)換。增加接口的靈活性和

3、智能性。增加接口的靈活性和智能性。7 接口由接口硬件和接口軟件組成。接口由接口硬件和接口軟件組成。8接口緩沖寄存器與外設(shè)間的數(shù)據(jù)交換；接口緩沖寄存器與外設(shè)間的數(shù)據(jù)交換；外設(shè)工作狀態(tài)送給接口的狀態(tài)寄存器；外設(shè)工作狀態(tài)送給接口的狀態(tài)寄存器；接口的內(nèi)部控制邏輯控制外設(shè)工作的控制接口的內(nèi)部控制邏輯控制外設(shè)工作的控制信號和同步信號。信號和同步信號。選擇選擇I/O接口中的不同寄存器接口中的不同寄存器(端口端口)；命令或數(shù)據(jù)寫入到相應(yīng)寄存器，或者從相關(guān)命令或數(shù)據(jù)寫入到相應(yīng)寄存器，或者從相關(guān)寄存器讀出數(shù)據(jù)或狀態(tài)；寄存器讀出數(shù)據(jù)或狀態(tài)；控制命令的執(zhí)行、時序、信號同步和片選；控制命令的執(zhí)行、時序、信號同步和片選；

4、接口的部分工作狀態(tài)信號。接口的部分工作狀態(tài)信號。根據(jù)控制寄存器、狀態(tài)寄存器、總線控制信號及外根據(jù)控制寄存器、狀態(tài)寄存器、總線控制信號及外設(shè)狀態(tài)信號控制設(shè)狀態(tài)信號控制I/O接口的工作。接口的工作。9PS2鼠標(biāo)鼠標(biāo)PS2鍵盤鍵盤千兆網(wǎng)千兆網(wǎng)10/100M網(wǎng)卡網(wǎng)卡USB并行口并行口MIDI/游戲接口游戲接口顯示器接口顯示器接口13941394a音箱音箱/線入接線入接口口/麥克風(fēng)麥克風(fēng)串行口串行口10設(shè)置接口工作方式及初始條件。設(shè)置接口工作方式及初始條件。CPU針對不同的針對不同的I/O設(shè)備有不同設(shè)備有不同的處理方式。如設(shè)置中斷向量等。的處理方式。如設(shè)置中斷向量等。完成接口任務(wù)的程序。完成接口任務(wù)的程

5、序。對接口電路硬件保護(hù)及操作對接口電路硬件保護(hù)及操作系統(tǒng)中數(shù)據(jù)恢復(fù)。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)恢復(fù)。提供人提供人-機(jī)對話手段。機(jī)對話手段。11I時假設(shè)外設(shè)已準(zhǔn)備好，時假設(shè)外設(shè)已準(zhǔn)備好，O時假設(shè)外設(shè)空閑。時假設(shè)外設(shè)空閑。接口接口I時加緩沖器，時加緩沖器，O時加鎖存器。時加鎖存器。對簡單外設(shè)的操作。對簡單外設(shè)的操作。5.2 數(shù)據(jù)傳輸控制方式數(shù)據(jù)傳輸控制方式12CPU與外設(shè)可同時工作。與外設(shè)可同時工作。接口中需要中斷控制邏輯支持。接口中需要中斷控制邏輯支持。適用與非高速度大量數(shù)據(jù)傳送時。適用與非高速度大量數(shù)據(jù)傳送時。數(shù)據(jù)的傳送不經(jīng)過數(shù)據(jù)的傳送不經(jīng)過CPU而由而由DMA負(fù)責(zé)，但負(fù)責(zé)，但I(xiàn)/O設(shè)備管理由設(shè)備管理由CPU

6、控制，簡化控制，簡化CPU對對I/O的控制。的控制。需要需要DMA控制器及相關(guān)邏輯支持?？刂破骷跋嚓P(guān)邏輯支持。適用與高速度大量數(shù)據(jù)傳送時。適用與高速度大量數(shù)據(jù)傳送時。13I/O處理機(jī)接管了處理機(jī)接管了CPU的各種的各種I/O操作及操作及I/O控控制功能，制功能，CPU能與能與IO處理機(jī)并行工作。處理機(jī)并行工作。I/O處理機(jī)有自己的指令系統(tǒng)，能獨(dú)立地直接存處理機(jī)有自己的指令系統(tǒng)，能獨(dú)立地直接存取主存儲器、對外設(shè)和取主存儲器、對外設(shè)和I/O過程進(jìn)行管理。過程進(jìn)行管理。需要需要IO處理機(jī)支持。處理機(jī)支持。高速高速I/O歸歸IO處理機(jī)管理，低速處理機(jī)管理，低速I/O設(shè)備歸設(shè)備歸CPU管理。管理。14是

7、供是供CPU直接存取訪問的接口中的寄存器或直接存取訪問的接口中的寄存器或電路。電路。接口中的命令口、狀態(tài)口和數(shù)據(jù)口均為接口中的命令口、狀態(tài)口和數(shù)據(jù)口均為I/O端口。端口。是對接口中的不同寄存器或電路的編號，該編號加是對接口中的不同寄存器或電路的編號，該編號加上該接口的基地址稱為該端口的上該接口的基地址稱為該端口的CPU通過向命令端口發(fā)命令來對接口，最終對設(shè)備通過向命令端口發(fā)命令來對接口，最終對設(shè)備進(jìn)行控制。進(jìn)行控制。一個接口中有多個一個接口中有多個I/O端口；端口；一個一個I/O端口可接受多種命令，對應(yīng)多個寄存器。端口可接受多種命令，對應(yīng)多個寄存器。5.3 I/O編址與訪問編址與訪問15一個一

8、個I/O端口等同于一個存儲器單元。端口等同于一個存儲器單元。存儲單元和存儲單元和I/O端口統(tǒng)一編址。端口統(tǒng)一編址。 對對I/O端口的訪問命令與對存儲器單元訪問相同，端口的訪問命令與對存儲器單元訪問相同，不必使用專用不必使用專用I/O指令；指令； 外設(shè)數(shù)目或外設(shè)數(shù)目或I/O寄存器數(shù)幾乎不受限制。寄存器數(shù)幾乎不受限制。 系統(tǒng)讀寫控制邏輯較簡單。系統(tǒng)讀寫控制邏輯較簡單。 I/O端口占用部分端口占用部分MEM空間，可用空間，可用MEM空間減??；空間減?。?對對MEM訪問指令較長，執(zhí)行速度較慢；訪問指令較長，執(zhí)行速度較慢； I/O端口地址譯碼時間較長。端口地址譯碼時間較長。MEMMEM空間空間I/OI/

9、O空間空間N-1KK-10存儲類指令存儲類指令Motorola系列和系列和Apple 系列均采用此方式系列均采用此方式16 I/O端口地址空間與存儲器地址空間相互獨(dú)立。端口地址空間與存儲器地址空間相互獨(dú)立。Z-80系列和系列和x86系列均采用此方式。系列均采用此方式。 MEM地址空間不受地址空間不受I/O端口地址空間影響；端口地址空間影響； I/O端口數(shù)量不多，占用地址線少，地址譯碼簡端口數(shù)量不多，占用地址線少，地址譯碼簡單，速度較快，使得此類指令執(zhí)行速度快；單，速度較快，使得此類指令執(zhí)行速度快； 使用專用使用專用I/O命令命令(IN/OUT)，與，與MEM訪問命令訪問命令(LOAD/STOR

10、E、MOV)有明顯區(qū)別有明顯區(qū)別,便于理解和便于理解和檢查。檢查。MEMMEMI/OI/O設(shè)備設(shè)備N-1N-10 0存儲類指令存儲類指令I(lǐng)/OI/O類指令類指令K-1K-10 017支持支持I/O獨(dú)立編址方式和獨(dú)立編址方式和I/O統(tǒng)一編統(tǒng)一編址（存儲器映象編址）方式。址（存儲器映象編址）方式。僅支持僅支持I/O獨(dú)立編址方式。獨(dú)立編址方式。 專用專用I/O指令增加指令系統(tǒng)復(fù)雜性，且指令增加指令系統(tǒng)復(fù)雜性，且I/O指令類型指令類型少，尋址方式也少，程序設(shè)計靈活性較差；少，尋址方式也少，程序設(shè)計靈活性較差； 要求處理器提供要求處理器提供MEMR#/MEMW#和和IOR#/IOW#兩兩組控制信號，增加

11、了控制邏輯的復(fù)雜性。組控制信號，增加了控制邏輯的復(fù)雜性。18I/O端口支持直接尋址和間接尋址方式。端口支持直接尋址和間接尋址方式。是使用一字節(jié)立即數(shù)尋址，端口尋址范圍為是使用一字節(jié)立即數(shù)尋址，端口尋址范圍為00HFFH共共256個。個。是使用是使用DX寄存器間接給出寄存器間接給出I/O端口地址，可端口地址，可尋址的范圍是尋址的范圍是0000HFFFFH共共64K個端口。個端口。理論上有理論上有64K個獨(dú)立編址的個獨(dú)立編址的8位端位端口空間。兩個連續(xù)口空間。兩個連續(xù)8位端口可作為位端口可作為16位端口，位端口，4個連續(xù)個連續(xù)的的8位端口可作為位端口可作為32位端口處理。注意端口地址對齊。位端口處

12、理。注意端口地址對齊。借用借用和和以及以及組成。組成。19INSB/W/D、OUTSB/W/D。用用DX指定指定I/O端口地址，輸入端口地址，輸入/輸出時的目的輸出時的目的/源源RAM地址用地址用ES:DI(EDI)/DS:SI(ESI)指定。指定。EFLAG寄存器中寄存器中DF位來決定地址加和減。位來決定地址加和減。通過前綴通過前綴REP在在I/O端口和連續(xù)的存儲器空間端口和連續(xù)的存儲器空間之間傳送數(shù)據(jù)之間傳送數(shù)據(jù)IN、OUT。完成完成I/O端口和端口和EAX、AX、AL之間的數(shù)據(jù)傳之間的數(shù)據(jù)傳送，可使用直接尋址和間接尋址方式。送，可使用直接尋址和間接尋址方式。 舉例：舉例：mov dx,

13、3fdhmov al, 36h in al, dxout 43h, al20或或A19A16/S6S321作業(yè)作業(yè)1 請參照課件請參照課件P20上上OUT 43H, AL 指令的指令的時序圖畫出時序圖畫出的時序圖，假設(shè)的時序圖，假設(shè)從從21H端口中讀到的數(shù)據(jù)是端口中讀到的數(shù)據(jù)是02H，21H是是8259芯片的一個端口地址。芯片的一個端口地址。22保護(hù)通過比較當(dāng)前任務(wù)的特權(quán)級保護(hù)通過比較當(dāng)前任務(wù)的特權(quán)級CPL和標(biāo)志寄存器的和標(biāo)志寄存器的IOPL字段實(shí)現(xiàn)的。字段實(shí)現(xiàn)的。若若CPL IOPL，可執(zhí)行，可執(zhí)行IN、OUT、INS、OUTS、CLI、STI等敏感指令等敏感指令(對對IOPL敏感敏感)；否

14、則不行。；否則不行。每個任務(wù)都有自己的每個任務(wù)都有自己的IOPL，用以表示指定的，用以表示指定的I/O操作操作處于特權(quán)級的哪一級。它在處于特權(quán)級的哪一級。它在EFLAGS中。中。 0級特權(quán)的級特權(quán)的過程可通過過程可通過POPF和和IRET指令修改任務(wù)的指令修改任務(wù)的IOPL。 23I/O允許位映象用來修正允許位映象用來修正IOPL對對I/O敏感指令的影響，敏感指令的影響，允許低特權(quán)的程序訪問某些允許低特權(quán)的程序訪問某些I/O端口。端口。I/O允許位映象是一個位向量，每位對應(yīng)一個端口的允許位映象是一個位向量，每位對應(yīng)一個端口的操作權(quán)限操作權(quán)限(0表示允許表示允許)。操作系統(tǒng)可通過改變?nèi)蝿?wù)操作系統(tǒng)

15、可通過改變?nèi)蝿?wù)TSS中的中的I/O允許映象來允許映象來為某任務(wù)分配端口。（一定是在為某任務(wù)分配端口。（一定是在0級）級）如何讓普通任務(wù)訪問如何讓普通任務(wù)訪問I/O端口？端口？ 通過操作系統(tǒng)提供的接口函數(shù)；通過操作系統(tǒng)提供的接口函數(shù)； 通過設(shè)備驅(qū)動程序（其運(yùn)行在通過設(shè)備驅(qū)動程序（其運(yùn)行在0 0級上）；級上）； 通過操作系統(tǒng)的漏洞。通過操作系統(tǒng)的漏洞。設(shè)法進(jìn)入到設(shè)法進(jìn)入到0級級24執(zhí)行執(zhí)行in, out指令指令CPL IOPL？ IOPM相關(guān)位相關(guān)位=0？ 進(jìn)行進(jìn)行I/O操作操作否否否否產(chǎn)生一個一產(chǎn)生一個一般保護(hù)異常般保護(hù)異常 是是是是是對所有是對所有VM都都起作用的權(quán)限機(jī)制，它以起作用的權(quán)限機(jī)制

16、，它以位（位（bit）來代表每個端）來代表每個端口。某位為口。某位為1，則該代表，則該代表的端口被禁止訪問；某位的端口被禁止訪問；某位為為0；則允許訪問該位所；則允許訪問該位所代表的端口。代表的端口。用以表示指定的用以表示指定的I/O操作處操作處于特權(quán)級的哪一級。它在于特權(quán)級的哪一級。它在EFLAGS中。中。當(dāng)前段的當(dāng)前段的I/O優(yōu)先級，它實(shí)優(yōu)先級，它實(shí)際上是際上是CS段選擇符的第段選擇符的第0第第1位。位。 25執(zhí)行執(zhí)行in, out指令指令I(lǐng)OPM相關(guān)位相關(guān)位=0？ 進(jìn)行進(jìn)行I/O操作操作否否產(chǎn)生一個一產(chǎn)生一個一般保護(hù)異常般保護(hù)異常 是是26 系統(tǒng)板上系統(tǒng)板上I/O芯片和芯片和I/O擴(kuò)展槽

17、接口卡。擴(kuò)展槽接口卡。 PC系列系列I/O地址線有地址線有16根，對應(yīng)根，對應(yīng)64K空間；空間； I/O端口譯碼只使用了端口譯碼只使用了A0-A9，共，共1024個端口，個端口， 不同的微機(jī)系統(tǒng)對不同的微機(jī)系統(tǒng)對I/O端口地址的分配不同。端口地址的分配不同。 A9=0端口端口(512個個)為系統(tǒng)板所用，其他端口為系統(tǒng)板所用，其他端口(512個個)為擴(kuò)展槽所用。為擴(kuò)展槽所用。5.4 接口分析與設(shè)計方法接口分析與設(shè)計方法27I/O芯片名稱芯片名稱 地址范圍地址范圍 DMAC1DMAC2DMA頁面寄存器頁面寄存器 0000-001FH00C0-00DFH0080-009FH 中斷控制器中斷控制器1中

18、斷控制器中斷控制器2 0020-003FH00A0-00BFH 定時器定時器并行接口芯片并行接口芯片(鍵盤接口鍵盤接口)RT/CMOS RAM協(xié)處理器協(xié)處理器 0040-005FH0060-006FH0070-007FH00F0-00FFH A8=A9=0端口端口(256個個)為系統(tǒng)板所用，為系統(tǒng)板所用，其他端口其他端口(768個個)為擴(kuò)展槽所用。為擴(kuò)展槽所用。28I/O接口名稱接口名稱 地址范圍地址范圍 游戲控制卡游戲控制卡 0200-020FH 并行口控制卡并行口控制卡1并行口控制卡并行口控制卡2 0370-037FH0270-027FH 串行口控制卡串行口控制卡1串行口控制卡串行口控制卡

19、2 03F8-03FFH02F8-02FFH 原型插件板原型插件板(用戶可用用戶可用) 0300-031FH 同步通信卡同步通信卡1同步通信卡同步通信卡2 03A0-03AF0380-038FH 單顯單顯MDA彩顯彩顯CGA彩顯彩顯EGA/VGA 03B0-03BFH03D0-03DFH03C0-03CFH 軟驅(qū)控制卡軟驅(qū)控制卡硬驅(qū)控制卡硬驅(qū)控制卡 03F0-03FFH01F0-01FFH PC網(wǎng)卡網(wǎng)卡 0360-036FH 29 系統(tǒng)配置占用的端口地址一律不能用；系統(tǒng)配置占用的端口地址一律不能用； 廠家聲明保留的端口地址不要用；廠家聲明保留的端口地址不要用； 其余端口地址可用，為避免沖突最好

20、采用其余端口地址可用，為避免沖突最好采用DIP。 一個一個I/O接口中的多個端口地址是連續(xù)的。接口中的多個端口地址是連續(xù)的。IOW#/IOR#信號信號(有效有效)、AEN信號信號(無效無效)和和I/O端口端口地址高位經(jīng)過譯碼得到。地址高位經(jīng)過譯碼得到。I/O端口地址低位直接組成。端口地址低位直接組成。30 CPU通過通過I/O指令對指令對I/O接口進(jìn)行訪問。接口進(jìn)行訪問。IN、OUT。inportb(inport)、outportb(outport)。_inp(_inpw)、_outp(_outpw)。31讀取讀取CMOS信息。信息。main() short int i, j; unsigne

21、d char c_CmosMessage64; for (i=0;i=63;i+) j=i|0 x80 outportb(0 x70,j); c_CmosMessagei=inportb(0 x71) ; printf(CMOS信息讀取完畢。信息讀取完畢。n); 32接口中只有一個端口時可采用門電路構(gòu)成。接口中只有一個端口時可采用門電路構(gòu)成。 接口中有多個端口時一般采用譯碼器電路構(gòu)成，常接口中有多個端口時一般采用譯碼器電路構(gòu)成，常見的譯碼器有見的譯碼器有74LS138、74LS154等。等。G1=1，G2A # =G2B # =0。將復(fù)合的輸入信號變?yōu)槊杜e的將復(fù)合的輸入信號變?yōu)槊杜e的輸出信號。

22、輸出信號。15Y0Y7ABCG2B#G2A#G114131211109712345674LS13833輸輸 入入輸輸 出出G G1 1G G2A2A#G#G2B2B# #C B AC B AY Y7 7 Y Y6 6 Y Y5 5 Y Y4 4 Y Y3 3 Y Y2 2 Y Y1 1 Y Y0 01 0 01 0 00 0 00 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 01 0 01 0 00 0 10 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 11 0 01 0 00 1 00 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1

23、 0 1 11 0 01 0 00 1 10 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 11 0 01 0 01 0 01 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 11 0 01 0 01 0 11 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 11 0 01 0 01 1 01 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 11 0 01 0 01 1 11 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 10 X X0 X XX X XX X X 1 1 1 1 1 1 1

24、 1 1 1 1 1 1 1 1 1X 1 XX 1 XX X XX X X 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1X X 1X X 1X X XX X X 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 134Y0Y7ABCG2BG2AG11514131211109712345674LS138A5A6A7A8A9AEN#DMACS#(8237)INTRCS#(8259)T/C CS#(8253)PPICS#(8255)WRTDMAPG#11WRTNMIREG#IOW#35DMA825982538255系統(tǒng)系統(tǒng)空閑空閑00H20H40H60H3FFH1FH3

25、FH5FH7FH：數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線控制總線控制總線CPUCS#設(shè)設(shè)備備側(cè)側(cè)信信號號CS#設(shè)設(shè)備備側(cè)側(cè)信信號號82598253MEMY0Y71514131211109774LS13836當(dāng)當(dāng)P07Q07時，時， P=1，輸出高電平。，輸出高電平。當(dāng)當(dāng)P07=Q07時，時， P=0，輸出低電平。，輸出低電平。比較器和地址開關(guān)產(chǎn)生一個信號參與片選。比較器和地址開關(guān)產(chǎn)生一個信號參與片選。門電路與門電路與IOR#/IOW#信號延遲不能太大。信號延遲不能太大。37用異或門代替比較器和地址開關(guān)比較。用異或門代替比較器和地址開關(guān)比較。=1=1=1=11 234 567891011121314V

26、CCGND74LS136如用如用3片片74LS136代替代替74LS688。3=1 2；6=4 5； 8=9 10；11=12 13；異或門的輸入端分別異或門的輸入端分別接地址線和開關(guān)線。接地址線和開關(guān)線。各異或門的輸出各異或門的輸出“或或”的結(jié)果。的結(jié)果。38?39300H301H302H303H304H305H306H307H40Y0Y7ABCG2BG2AG11514131211109712345674LS138_AEN# 001FH 405FH 809FH_10011FH_41001FH 405FH 809FH 10011FHA9A8A7A6A5A4A3A2A1A0第一步第一步 ? ? ? ? ? 第二步第二步 0 ? ? ? 0 第三步第三步 0 C B A 0 Y0ABCG2BG2AG11514131211109774LS138AEN#42Y6ABC74LS138G1G2A #G2B #A0A1CS#A2某接口芯片某接