1、1第第5章章 輸入輸出與接口技術輸入輸出與接口技術 25.1 接口概述接口概述3 微機和微機和I/O設備的信息類型和格式可能不一樣。設備的信息類型和格式可能不一樣。 微機和微機和I/O設備信號傳輸處理的速度可能不匹配。設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，隨著外設增加，會，隨著外設增加，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，會使外設硬件結構過于依賴，會使外設硬件結構過于依賴CPU，對外設本身發(fā)展不利。，對外設本身發(fā)展不利。4CPU接口接口外設外設數(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)信號狀

2、態(tài)信號可能是單向的可能是單向的5通過寄存器或鎖存器實現(xiàn)。通過寄存器或鎖存器實現(xiàn)。接口中存放數(shù)據(jù)的寄存器或鎖存器稱之為接口中存放數(shù)據(jù)的寄存器或鎖存器稱之為接口中存放接口中存放CPU命令代碼的寄存器稱之為命令代碼的寄存器稱之為 接口中存放執(zhí)行狀態(tài)信息的寄存器稱之為接口中存放執(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。通過地址譯碼選擇不同外設。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備。連接的不同的設備。協(xié)調總線信號與協(xié)調總線信號與I/O設備信號。設備信號。轉換包括信號的邏輯關系、時序配合和電平轉換。轉換包括信號的邏輯關系、時

3、序配合和電平轉換。增加接口的靈活性和智能性。增加接口的靈活性和智能性。6 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。7接口緩沖寄存器與外設間的數(shù)據(jù)交換；接口緩沖寄存器與外設間的數(shù)據(jù)交換；外設工作狀態(tài)送給接口的狀態(tài)寄存器；外設工作狀態(tài)送給接口的狀態(tài)寄存器；接口的內部控制邏輯控制外設工作的控制接口的內部控制邏輯控制外設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)寫入到相應寄存器，或者從相關命令或數(shù)據(jù)寫入到相應寄存器，或者從相關寄存器讀出數(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

4、制命令的執(zhí)行、時序、信號同步和片選；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狀態(tài)信號控制設狀態(tài)信號控制I/O接口的工作。接口的工作。8PS2鼠標鼠標PS2鍵盤鍵盤千兆網千兆網10/100M網卡網卡USB并行口并行口MIDI/游戲接口游戲接口VGA接口接口13941394a音箱音箱/線入線入/麥克風接口麥克風接口串行口串行口9聲道輸入聲道輸入前置揚聲器輸出前置揚聲器輸出麥克風輸入麥克風輸入中置與重低音中置與重低音后置揚聲器輸出后置揚聲器輸出側置揚聲器輸出側置揚聲器輸出10設置接口工作方式及初始條件。

5、設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設備有不同設備有不同的處理方式。如設置中斷向量等。的處理方式。如設置中斷向量等。完成接口任務的程序。完成接口任務的程序。對接口電路硬件保護及操作對接口電路硬件保護及操作系統(tǒng)中數(shù)據(jù)恢復。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)恢復。提供人提供人-機對話手段。機對話手段。11是供是供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

6、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，最終對設備通過向命令端口發(fā)命令來對接口，最終對設備進行控制。進行控制。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，對應多個寄存器。端口可接受多種命令，對應多個寄存器。5.2 I/O編址與訪問編址與訪問12一個一個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； 外設數(shù)目或外設數(shù)目或I/O寄存器數(shù)幾乎不受限制。寄

7、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空間減小；空間減小； 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/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13 I/O端口地址空間與存儲器地址空間相互獨立。端口地址空間與存儲器地址空間相互獨立。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

8、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/STORE、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設備設備N-1N-10 0存儲類指令存儲類指令I/OI/O類指令類指令K-1K-10 014支持支持I/O獨立編址方式和獨立編址方式和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

9、支持僅支持I/O獨立編址方式。獨立編址方式。 專用專用I/O指令增加指令系統(tǒng)復雜性，且指令增加指令系統(tǒng)復雜性，且I/O指令類型指令類型少，尋址方式也少，程序設計靈活性較差；少，尋址方式也少，程序設計靈活性較差； 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，增加了控制邏輯的復雜性。組控制信號，增加了控制邏輯的復雜性。15有有64K個獨立編址的個獨立編址的8位端口空間。位端口空間。兩個連續(xù)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)的個連續(xù)的8位端口位端口可作為可作為32位端口處理。注意端口地址對齊。位端口處理。注意端口地址對齊。源于源

10、于IBM PC借用借用和和以及以及組成。組成。16I/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（現(xiàn)保留）協(xié)處理器（現(xiàn)保留） 0040-005FH0060-006FH0070-007FH00F0-00FFH 17I/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

11、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 軟驅控制卡軟驅控制卡硬驅控制卡硬驅控制卡 03F0-03FFH01F0-01FFH PC網卡網卡 0360-036FH 18I/O端口支持直接尋址和間接尋址方式。端口

12、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。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, 3fdhmov al, 36h in al, dxout 43h, al19INSB/W/D、OUTSB/W/D。用用DX指定指定I/O端口地

13、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) CPU通過通過I/O指令對指令對I/O接口進行訪問。接口進行訪問。IN、OUT。inportb(inport)、outportb(outport)。_inp(_inpw)、_outp(_outpw)。20讀取讀取CMOS信息。信息。main() short int i, j; unsigned cha

14、r 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); 21或或A19A16/S6S322作業(yè)作業(yè)1 請參照上頁請參照上頁OUT 43H, AL 指令的時序圖指令的時序圖畫出畫出的時序圖，假設從的時序圖，假設從21H端端口中讀到的數(shù)據(jù)是口中讀到的數(shù)據(jù)是02H，21H是是8259芯片芯片的一個端口地址。的一個端口地址。23保護通過比較當前任務的特權級保護通過比較當前任務的特權級CPL和和的的IOPL字

15、段實現(xiàn)的。字段實現(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)；否則不行。；否則不行。每個任務都有自己的每個任務都有自己的IOPL，用以表示指定的，用以表示指定的I/O操作操作處于特權級的哪一級。它在處于特權級的哪一級。它在EFLAGS中。中。 0級特權的級特權的過程可通過過程可通過POPF和和IRET指令修改任務的指令修改任務的IOPL。 24I/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，允許低特權的程序訪問某些允許低特權的程序訪問某些I/O端口。端口。I/O允

16、許位映象是一個位向量，每位對應一個端口的允許位映象是一個位向量，每位對應一個端口的操作權限操作權限(0表示允許表示允許)。操作系統(tǒng)可通過改變任務操作系統(tǒng)可通過改變任務TSS中的中的I/O允許映象來允許映象來為某任務分配端口。（一定是在為某任務分配端口。（一定是在0級）級）25執(zhí)行執(zhí)行in, out指令指令CPL IOPL？ IOPM相關位相關位=0？ 進行進行I/O操作操作否否否否產生一個一產生一個一般保護異常般保護異常 是是是是是對所有是對所有VM都都起作用的權限機制，它以起作用的權限機制，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

17、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級的哪一級。它在于特權級的哪一級。它在EFLAGS中。中。當前段的當前段的I/O優(yōu)先級，它實優(yōu)先級，它實際上是際上是CS段選擇符的第段選擇符的第0第第1位。位。 26執(zhí)行執(zhí)行in, out指令指令IOPM相關位相關位=0？ 進行進行I/O操作操作否否產生一個一產生一個一般保護異常般保護異常 是是27地址線低位直接組成。地址線低位直接組成。5.3 I/O端口地址譯碼方法端口地址譯碼方法其有效表明該接口芯片可以通過其有效表明該接口芯片可以通過系統(tǒng)總線與

18、系統(tǒng)總線與CPU進行數(shù)據(jù)交換進行數(shù)據(jù)交換使用使用IOW#/IOR#信號信號(有效有效)、AEN信號信號(無效無效)和地址和地址線高位（接口基地址）經過譯碼得到片選信號。線高位（接口基地址）經過譯碼得到片選信號。28接口中只有一個端口時可采用門電路構成。接口中只有一個端口時可采用門電路構成。 接口中有多個端口時一般采用譯碼器電路構成，常接口中有多個端口時一般采用譯碼器電路構成，常見的譯碼器有見的譯碼器有74LS138、74LS154等。等。G1=1，G2A # =G2B # =0。將復合的輸入信號變?yōu)槊杜e的將復合的輸入信號變?yōu)槊杜e的輸出信號。輸出信號。15Y0#Y7#ABCG2B#G2A#G11

19、4131211109712345674LS13829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 0 1 11 0 01 0 00 1 10 1

20、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 1 1 1 1 1 1 1 1 1X 1 XX

21、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 130Y0#Y7#ABCG2B#G2A#G11514131211109712345674LS138A5A6A7A8A9AEN#DMACS#(8237)INTRCS#(8259)T/C CS#(8253)PPICS#(8255)WRTDMAPG#11WRTNMIREG#IOW#31DMA825982538255系統(tǒng)系統(tǒng)空閑空閑00H20H40H60H3FFH1FH3FH5FH7FH：數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線

22、地址總線控制總線控制總線CPUCS#設設備備側側信信號號CS#設設備備側側信信號號82598253MEMY0Y71514131211109774LS13832當當P07Q07時，時， P=1，輸出高電平。，輸出高電平。當當P07=Q07時，時， P=0，輸出低電平。，輸出低電平。比較器和地址開關產生一個信號參與片選。比較器和地址開關產生一個信號參與片選。當系統(tǒng)時鐘頻率很高的時候，譯碼電路的延遲不能太大當系統(tǒng)時鐘頻率很高的時候，譯碼電路的延遲不能太大33用異或門代替比較器和地址開關比較。用異或門代替比較器和地址開關比較。=1=1=1=11 234 567891011121314VCCGND74LS136如用如用2片片74LS136代替代替74LS688。3=12；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線。接地址線和開關線。各異或門的輸出各異或門的輸出“或或”的結果。的結果。34?35300H301H302H303H304H305H306H307H36Y0Y7ABCG2BG2AG11514131211109712345674LS138_AEN# 001FH 405FH 809FH_10011FH_37001FH 405FH