第5章-1基本輸入輸出接口教學(xué)重點(diǎn):

I/O接口電路的典型結(jié)構(gòu)無條件傳送方式查詢傳送方式

中斷工作過程

DMA傳送1.5.1I/O接口概述為什么需要I/O接口（電路）？微機(jī)的外部設(shè)備多種多樣；工作原理、驅(qū)動(dòng)方式、信息格式以及工作速度方面彼此差別很大；它們不能與CPU直接相連；必須經(jīng)過中間電路再與系統(tǒng)相連；這部分電路被稱為I/O接口電路。多種外設(shè)2.5.1I/O接口概述（續(xù)1）什么是I/O接口（電路）？I/O接口是位于系統(tǒng)與外設(shè)間，用來協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的邏輯電路PC機(jī)系統(tǒng)板的可編程接口芯片、I/O總線槽的電路板（適配器）都是接口電路3.5.1I/O接口概述（續(xù)2）什么是微機(jī)接口技術(shù)？處理微機(jī)系統(tǒng)與外設(shè)間聯(lián)系的技術(shù)；注意其軟硬結(jié)合的特點(diǎn)；根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要，使用和構(gòu)造相應(yīng)的接口電路，編制配套的接口程序，支持和連接有關(guān)的設(shè)備。4.常見接口插槽PS2鼠標(biāo)PS2鍵盤千兆網(wǎng)10/100M網(wǎng)卡USB并行口MIDI/游戲接口顯示器接口13941394a音箱/線入接口/麥克風(fēng)串行口5.5.1.2I/O接口-I/O接口的主要功能⑴對輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和鎖存；輸出接口有鎖存、緩沖環(huán)節(jié)；輸入接口有鎖存、緩沖環(huán)節(jié)；⑵對信號的形式和數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行變換微機(jī)直接處理：數(shù)字量、開關(guān)量、脈沖量；⑶對I/O端口進(jìn)行尋址；⑷與CPU和I/O設(shè)備進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。6.5.1.2I/O接口-I/O接口的典型結(jié)構(gòu)1.接口電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.接口電路的外部特性3.接口電路芯片的分類4.接口電路的可編程性7.1.接口電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)CPU與外設(shè)主要有數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息需要相互交換，于是從應(yīng)用角度看內(nèi)部：⑴數(shù)據(jù)寄存器保存外設(shè)給CPU和CPU發(fā)往外設(shè)的數(shù)據(jù)⑵狀態(tài)寄存器保存外設(shè)或接口電路的狀態(tài)⑶控制寄存器保存CPU給外設(shè)或接口電路的命令理解端口8.2.接口電路的外部特性主要體現(xiàn)在引腳上，分成兩側(cè)信號面向CPU一側(cè)的信號：用于與CPU連接主要是數(shù)據(jù)、地址和控制信號面向外設(shè)一側(cè)的信號：用于與外設(shè)連接提供的信號五花八門功能定義、時(shí)序及有效電平等差異較大9.3.接口電路芯片的分類接口電路核心部分往往是一塊或數(shù)塊大規(guī)模集成電路芯片（接口芯片）：通用接口芯片支持通用的數(shù)據(jù)輸入輸出和控制的接口芯片面向外設(shè)的專用接口芯片針對某種外設(shè)設(shè)計(jì)、與該種外設(shè)接口

面向微機(jī)系統(tǒng)的專用接口芯片與CPU和系統(tǒng)配套使用，以增強(qiáng)其總體功能10.4.接口電路的可編程性許多接口電路具有多種功能和工作方式，可以通過編程的方法選定其中一種；接口需要進(jìn)行物理連接，還需要編寫接口軟件；接口軟件有兩類：初始化程序段——設(shè)定芯片工作方式等；數(shù)據(jù)交換程序段——管理、控制、驅(qū)動(dòng)外設(shè)，負(fù)責(zé)外設(shè)和系統(tǒng)間信息交換。11.5.1.3I/O端口的編址接口電路占用的I/O端口有兩類編排形式I/O端口單獨(dú)編址I/O地址空間獨(dú)立于存儲(chǔ)地址空間；如8086/8088；I/O端口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址它們共享一個(gè)地址空間；如M68000。12.I/O端口單獨(dú)編址優(yōu)點(diǎn)：I/O端口的地址空間獨(dú)立控制和地址譯碼電路相對簡單專門的I/O指令使程序清晰易讀缺點(diǎn)：I/O指令沒有存儲(chǔ)器指令豐富內(nèi)存空間I/O空間FFFFF0FFFF80x86采用I/O端口獨(dú)立編址13.I/O端口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址優(yōu)點(diǎn)：不需要專門的I/O指令I(lǐng)/O數(shù)據(jù)存取與存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存取一樣靈活缺點(diǎn)：I/O端口要占去部分存儲(chǔ)器地址空間程序不易閱讀（不易分清訪存和訪問外設(shè)）內(nèi)存部分I/O部分存儲(chǔ)器空間00000FFFFF14.8088/8086的輸入輸出指令輸入指令I(lǐng)NAL,i8/DX ;字節(jié)輸入INAX,i8/DX ;字輸入輸出指令OUTi8/DX,AL ;字節(jié)輸出OUTi8/DX,AX ;字輸出功能演示功能演示15.例:一個(gè)輸入設(shè)備的簡單接口電路該電路在CPU執(zhí)行指令MOVDX,284HINAL,DX將輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)讀入CPU內(nèi)AL中圖中譯碼電路的作用：只當(dāng)A15~A0上出現(xiàn)284H時(shí)，（即0000001010000100B）輸出0，其他輸出1。IO總線三態(tài)緩沖器開關(guān)狀態(tài)DBIOR地址譯碼AB

284H000D7~D0A15~A0與非16.例:一個(gè)輸入設(shè)備的簡單接口電路三態(tài)緩沖器開關(guān)輸入數(shù)據(jù)線IOR地址譯碼地址線284H000D7~D0A15~A0與非IO總線D0D7K1:K8A15~A0IORCLKD7~D0T4T1T2T3Tw0000001010000100執(zhí)行:MOVDX,284HINAL,DX01101101B=6DHIN指令時(shí)序問題:P290圖5.11K2,K5,K8閉合時(shí)DB=?,(AL)=?

17.例:一個(gè)輸入設(shè)備的簡單接口電路三態(tài)緩沖器輸入設(shè)備數(shù)據(jù)線IOR地址譯碼地址線284H000D7~D0A15~A0與非IO總線MOVDX,284HINAL,DX輸入設(shè)備接口電路，即硬件上保證:只在CPU執(zhí)行從284H端口輸入數(shù)據(jù)時(shí)，三態(tài)門處于工作狀態(tài)，使輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)送上總線側(cè)，而CPU執(zhí)行其它指令時(shí)，三態(tài)門均處于高阻狀態(tài)，使輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)線與總線側(cè)斷開。思考：其他的指令為什么不可以？例：INAL,50H;MOVAL,[0284H]18.例:一個(gè)輸出設(shè)備的簡單接口電路該電路在CPU執(zhí)行指令MOVAL,81HMOVDX,288HOUTDX,ALCPU內(nèi)AL中的數(shù)據(jù)81H送至輸出設(shè)備IO總線鎖存器輸出設(shè)備數(shù)據(jù)線IOW地址譯碼地址線

288H000D7~D0A15~A0與非例:LED指示燈圖中譯碼電路的作用：只當(dāng)A15~A0上出現(xiàn)288H時(shí)，（即0000001010001000B）輸出0，其他輸出1。參見P291圖5.1219.例:一個(gè)輸出設(shè)備的簡單接口電路IO總線鎖存器輸出設(shè)備數(shù)據(jù)線IOW地址譯碼地址線

288H000D7~D0A15~A0與非例:LED指示燈OUT指令時(shí)序A15~A0CLKIOWD7~D0T4T1T2T3Tw0000001010001000執(zhí)行：MOVAL,81HMOVDX,288HOUTDX,AL20.例:一個(gè)輸出設(shè)備的簡單接口電路PC總線鎖存器輸出設(shè)備數(shù)據(jù)線IOW地址譯碼地址線

288H000D7~D0A15~A0與非例:LED指示燈MOVDX,288HOUTDX,AL輸出設(shè)備接口電路，即硬件上保證:只在CPU執(zhí)行從288H端口輸出數(shù)據(jù)時(shí)，鎖存器處于觸發(fā)狀態(tài)，其輸出隨輸入變化，而CPU執(zhí)行其它指令時(shí)，鎖存器均處于鎖存狀態(tài),其輸出不隨輸入變化，思考：其他的指令為什么不可以？例：OUT50H,AL;MOV[0288H],AL問題：對本電路MOVDX,288HINAL,DX結(jié)果如何？21.I/O端口的譯碼譯碼電路的作用譯碼電路的構(gòu)成(與存儲(chǔ)器譯碼相似）設(shè)計(jì)譯碼電路的方法片內(nèi)譯碼和片選譯碼22.I/O譯碼電路的作用將CPU執(zhí)行IN/OUT指令發(fā)出的信號,“翻譯”成欲操作端口的選通信號，此信號常作為接口內(nèi)三態(tài)門或鎖存器的控制信號，接通或斷開接口數(shù)據(jù)線與系統(tǒng)的連接。A15~A0IORCLKD7~D0T4T1T2T3TwA15~A0CLKIOWD7~D0T4T1T2T3TwIN指令時(shí)序OUT指令時(shí)序23.設(shè)計(jì)譯碼電路的方法根據(jù)端口地址確定地址信號A15~A0的條件取值，用門電路、譯碼器及組合、PLD/GAL實(shí)現(xiàn)滿足條件情況的電路設(shè)計(jì)I/O譯碼電路時(shí)：端口的選通信號通常為低電平有效,除端口的地址信號參加譯碼外，控制信號IOW、IOR(IO/M、AEN也可參加譯碼)譯碼電路A0A1A14A15IORIOWAEN24.例：設(shè)計(jì)端口地址為218H的譯碼電路分析CPU執(zhí)行IN/OUT指令時(shí)，發(fā)出端口的地址信號MOVDX,218HINAL,DX或OUTDX,AL對應(yīng)218H端口的地址信號為（只取A9~A0）： A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0(地址信號) 1000011000B218H

只要滿足此地址取值的譯碼電路均可25.方法一、用門電路實(shí)現(xiàn)218H的地址譯碼數(shù)據(jù)線DBRDWRCS端口譯碼電路0A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0AENIORIOWI/O接口IO總線D0~D7D0~D710000110000&譯碼電路部分滿足：只當(dāng)?shù)刂沸盘朅9~A0為：A9A8A7A6A5A4A3A2A1A01000011000即218H時(shí)，輸出“0”，使I/O接口的/CS有效，否則輸出“1”，使I/O接口的/CS無效26.地址重疊現(xiàn)象數(shù)據(jù)線DBRDWRCS端口譯碼電路0A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0AENIORIOWI/O接口IO總線D0~D7D0~D710000110000&注意譯碼電路中：由于高位地址線A15~A10未參與譯碼,即:地址A15~A0為：××××××1000011000均能輸出“0”低電平,所以該電路使：一個(gè)端口對應(yīng)多個(gè)地址共26=64個(gè)218，618，A18，E18，等等27.218H方法二、用譯碼器、門電路組合實(shí)現(xiàn)地址譯碼【問1】Y1~Y7譯出的端口地址各是多少？【問2】將A0與A2位置互換Y0~Y7譯出的端口地址各是多少？28.【答1】Y0~Y7譯出的端口地址分別是219H～21FH。【答2】將A0與A2位置互換Y1~Y7譯出的端口地址分別是218H、21CH、21AH、21EH、219H、21DH、21BH和21FH。29.I/O地址的譯碼小結(jié)I/O地址的譯碼方法與存儲(chǔ)器地址的譯碼方法一樣，但有它的特點(diǎn)：每個(gè)接口電路通常只占用幾個(gè)I/O地址，這時(shí)可以利用基本邏輯門電路進(jìn)行地址譯碼除采用譯碼器、門電路進(jìn)行譯碼外，I/O地址譯碼還經(jīng)常采用可編程邏輯器件PLD30.IBMPC/XT主機(jī)板的I/O譯碼電路31.5.1.4數(shù)據(jù)傳送方式程序控制下的數(shù)據(jù)傳送——通過CPU執(zhí)行程序中的I/O指令來完成傳送，又分為：無條件傳送、查詢傳送、中斷傳送直接存儲(chǔ)器存取（DMA）——傳送請求由外設(shè)向DMA控制器（DMAC）提出，后者向CPU申請總線，最后DMAC利用系統(tǒng)總線來完成外設(shè)和存儲(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳送I/O處理機(jī)——CPU委托專門的I/O處理機(jī)來管理外設(shè)，完成傳送和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理32.1、無條件傳送方式及其接口在CPU與慢速變化的設(shè)備交換數(shù)據(jù)時(shí)，可以認(rèn)為它們總是處于“就緒”狀態(tài)，隨時(shí)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，這就是無條件傳送，或稱立即傳送、同步傳送適合于簡單設(shè)備，如LED數(shù)碼管、按鍵或按紐等無條件傳送的接口和操作均十分簡單這種傳送有前提：外設(shè)必須隨時(shí)就緒傳送流程33.無條件傳送：輸入示例34.無條件傳送：輸出示例35.簡單輸入接口舉例MOV DX,218HIN AL,DX36.簡單輸出接口舉例MOV DX,219HOUT DX,AL37.2、查詢傳送方式及其接口CPU需要先了解（查詢）外設(shè)的工作狀態(tài)，然后在外設(shè)可以交換信息的情況下（就緒）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入或輸出對多個(gè)外設(shè)的情況，則CPU按一定順序依次查詢（輪詢）。先查詢的外設(shè)將優(yōu)先進(jìn)行數(shù)據(jù)交換查詢傳送的特點(diǎn)是：工作可靠，適用面寬，但傳送效率低就緒？38.查詢傳送的兩個(gè)環(huán)節(jié)⑴查詢環(huán)節(jié)尋址狀態(tài)口讀取狀態(tài)寄存器的標(biāo)志位若不就緒就繼續(xù)查詢，直至就緒⑵傳送環(huán)節(jié)尋址數(shù)據(jù)口是輸入，通過輸入指令從數(shù)據(jù)端口讀入數(shù)據(jù)是輸出，通過輸出指令向數(shù)據(jù)端口輸出數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)就緒？數(shù)據(jù)交換YN傳送流程接口實(shí)例39.查詢輸入接口電路 MOVDX,8000H;DX指向狀態(tài)端口status: INAL,DX ;讀狀態(tài)端口 TESTAL,01H ;測試標(biāo)志位D0 JNZstatus ;D0＝0，未就緒，繼續(xù)查詢 INCDX ;D0＝1，就緒，DX指向數(shù)據(jù)端口

INAL,DX ;從數(shù)據(jù)端口輸入數(shù)據(jù)40.查詢輸出接口電路

MOVDX,8000H;DX指向狀態(tài)端口status: INAL,DX ;讀取狀態(tài)端口的狀態(tài)數(shù)據(jù) TESTAL,80H ;測試標(biāo)志位D7,80H=10000000B JZstatus ;D7＝1,未就緒，繼續(xù)查詢 INCDX ;D7＝0,就緒,DX指向數(shù)據(jù)端口 MOVAL,BUF ;變量buf送AL

OUTDX,AL ;將數(shù)據(jù)輸出給數(shù)據(jù)端口41.3、中斷傳送方式斷點(diǎn)主程序中斷服務(wù)程序中斷請求對外設(shè)進(jìn)行處理繼續(xù)執(zhí)行返回?cái)帱c(diǎn)CPU在執(zhí)行程序中，被內(nèi)部或外部的事件所打斷，轉(zhuǎn)去執(zhí)行一段預(yù)先安排好的中斷服務(wù)程序；服務(wù)結(jié)束后，又返回原來的斷點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序傳送流程42.中斷傳送與接口中斷傳送是一種效率更高的程序傳送方式；進(jìn)行傳送的中斷服務(wù)程序是預(yù)先設(shè)計(jì)好的；中斷請求是外設(shè)隨機(jī)向CPU提出的；CPU對請求的檢測是有規(guī)律的：一般是在每條指令的最后一個(gè)時(shí)鐘周期采樣中斷請求輸入引腳；下面討論中斷在輸入和輸出方面的應(yīng)用；中斷還有著非常廣泛的應(yīng)用，以后將詳細(xì)介紹。43.中斷傳送與接口44.中斷工作過程中斷請求中斷響應(yīng)關(guān)中斷斷點(diǎn)保護(hù)中斷識(shí)別現(xiàn)場保護(hù)中斷服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場開中斷中斷返回中斷服務(wù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的實(shí)質(zhì)性環(huán)節(jié)45.中斷源的識(shí)別中斷優(yōu)先權(quán)問題1：系統(tǒng)有多個(gè)中斷請求，CPU如何識(shí)別中斷源？解答：中斷查詢46.中斷查詢接口47.中斷優(yōu)先權(quán)排隊(duì)中斷優(yōu)先權(quán)（續(xù)1）問題2：有多個(gè)中斷同時(shí)請求，CPU如何應(yīng)對？解答：鏈?zhǔn)絻?yōu)先權(quán)排隊(duì)電路48.鏈?zhǔn)街袛鄡?yōu)先權(quán)排隊(duì)電路49.中斷嵌套中斷優(yōu)先權(quán)（續(xù)2）問題3：中斷處理過程中，又有中斷提出請求，怎么辦？解答：鏈?zhǔn)絻?yōu)先權(quán)排隊(duì)電路50.希望克服程序控制傳送的不足：外設(shè)→CPU→存儲(chǔ)器外設(shè)←CPU←存儲(chǔ)器直接存儲(chǔ)器存取DMA：外設(shè)→存儲(chǔ)器外設(shè)←存儲(chǔ)器CPU釋放總線，由DMA控制器管理。4、DMA傳送方式51.DMA傳送的工作過程⑴CPU對DMA控制器進(jìn)行初始化設(shè)置⑵外設(shè)、DMAC和CPU三者通過應(yīng)答信號建立聯(lián)系：CPU將總線交給DMAC控制⑶DMA傳送DMA讀存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)器→外設(shè)DMA寫存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)器←外設(shè)⑷自動(dòng)增減地址和計(jì)數(shù)，判斷傳送完成否傳送流程52.DMA傳送流程53.小結(jié)——傳送方式的比較無條件傳送：慢速外設(shè)需與C