微機接口技術

主講:梁永恩

Email:1418818608@

課程的性質與任務

氯蠡氮病氯蠹覿就

）

微新系薪角暖

?深課謹M假是荏學

出發，在理論和實踐上掌握系統的基本組

成、工作原理、接口電路及硬件的連接，

從而具有微機應用系統硬件開發的能力。

?本課程是介紹作為信息或控制系統的核心

的微型計算機與外界進行聯系（廣義輸入/輸

出）的基本原理和方法，也是微型計算機硬

件與軟件銜接而構成系統的一個重要領域。

使用教材及主要參考書

楊居義主編，清華大學出版社，2010

2彳散型計算機原理與接口技術

鄒逢興主編，清華大學出版社，2007

3.微型計算機接口技術

鄧亞平陳昌志編著，清華大學出版社2005年

教學基本要求

氯蠡於就氯蠹覿瓏

?空了輾標功嬴

路的基本方法。

?2,了解I/O端口地址分配，掌握I/O端口的尋

址方法和地址譯碼技術。

?3,了解總線的數據傳輸方式，掌握PC總線和

通用串行總線的特性。

?4,了解存儲器的分類及特性，掌握存儲器芯

片與CPU的連接方法和擴充技術。

教學基本要求

氯蠡於就氯般氧裁

部特性，掌握該芯片與CPU的連接和應用技術。

?6,掌握中斷方式及中斷處理過程。掌握8259可編

程中斷控制器的基本邏輯結構和外部特性，以及

在微機系統中的應用。

?7,了解并行接口的特點。掌握8255可編程并行接

口的基本邏輯結構和外部特性，以及在微機和控

制系統中的應用。

教學基本要求

氯蠡觸盤氯貴氯費

?早了薜竄行雕的塾矢凝

和串行接口標準，掌握8251和8250的基本邏輯結

構及外部特性，掌握這兩個接口芯片與CPU的連

接和應用技術。

?9.了解A/D和D/A轉換原理，掌握A/D利D/A在系統

中的連接，編程和應用。

學時及學分

氧鼎於就氮蠡於就

實驗28學時。

?本課程共4學分。

考試

----------------/氯賤氯羲氯裁地用

?構成：卷面成績70%

?平時成績10%:考勤、作業

?實驗成績20%:實驗表現及實驗報告

第1章微型計算機系統概述/

........................----------------一氯曲湫就編魂地力

1.1微型計算機組成結構及數據的表示

1.1.1項目1:認識微型計算機組成結構

1.1.2知識講解

?

第1章微型計算機系統概述

------------------熱就氯必氯強覿就

1.1微型計算機組成結構及數據的表示

1.1.1項目1:認識微型計算機組成結構

1.項目要求與目的

(1)項目要求：認識微型計算機的組成，并從性能上認識微型計算機結構。

(2)項目目的：

?了解微型計算機的基本結構。

?了解微型計算機的基本概念。

?掌握計算機系統的組成以及計算機硬件、軟件知識。

2.項目說明n

計算機是一種能對各種信息進行存儲和高速處理的電子機器，它是20世

紀人類最偉大的科技發明之一。計算機作為21世紀最主要的信息工具，正在日益

深入到我們工作和生活的每一個角落。這里通過一個項目來學習微型計算機的組

成結構，通過它來掌握一些微機的基本概念和組成結構。

備??

第1章微型計算機系統概述

氧鼎於就氮蠡於就

3.項目實物圖

微型計算機組成由主機、顯示器、鍵盤、鼠標等，臺式和筆記

本電腦外觀圖如圖1-1所示。其中主機內部包括了主板、內存、硬盤、

光驅、顯示卡、聲卡等，如圖1-2所示。

鋰電池

電淞括座

■內存條插楮

CPU插隹

并行口:

鼠標和鍵力印機

AGP插槽:PCI插槽：網

?堡示卡.卡、Modem卡

圖臺式和筆記本電腦外觀圖

1-11-2主板圖解

—AU

第1章微型計算機系統概述

氧鼎於就氮蠡於就

1.1.2知識講解

1.概述

1946年，在美國誕生了世界上第一臺現代數字式電子計算機

(ElectronicNumericalIntegratorandCalculator,ENIAC)。

1981年，舊M公司推出了舊M-PC以后，計算機的發展開創了一個新的

時代—微型計算機時代。近30年來，微型計算機憑借自身的特點，其應用

迅速擴展到工業、農業、第三產業等生產、生活、學習等各個領域，成為人

們日常使用最多的計算機類型。

微型計算機(Micro-Computer)簡稱微機，就是指以微處理器(Micro-

processor)為核心，配上由大規模集成電路制作的存儲器、輸入/輸出(I/O)

接口電路以及系統總線所組成的計算機。微型計算機的系統結構和工作原理

和其他機型一樣都是符合馮?諾依曼體系結構要求，由運算器、控制器、存

儲器、輸入設備及輸出設備5個硬件部分組成。

第1章微型計算機系統概述

氧鼎於就氮蠡於就

2.CPUj

從功能上看，控制器和運算器是計算機系統中密切相關而又相互獨立的兩個組成部分。

在硬件實現上，通常把控制器和運算器以及數量不等的寄存器集成到一個大規模集成

電路芯片上，稱為中央處理器(CentralProcessingUnit,CPU)。它由算術邏輯部件

(ALU)、累加器和通用寄存器組、程序計數器、時序和控制邏輯部件以及內部總線

等組成。如圖1-3所示為微型計算機CPUIntel酷睿2四核芯片外觀圖，其尺寸比火柴

盒略大。

圖1-3CPU外觀圖

第1章微型計算機系統概述

氧鼎於就氮蠡於就

)

CPU的發展速度相當快，不同時期CPU類型是不同的，從早期的8086、

80286、80386、80486,至U中期的Pentium(奔騰)、PentiumII>

PentiumIII,再到今天的Pentium4、雙核、多核等，經歷了很多代的

改進。

3.微型計算機

微處理器并不能獨立工作，必須與相應的存儲器、輸入/輸出接口電路及

系統總線配合，構成一臺微型計算機才能運行程序。連接這些獨立的部件需

要一個公共載體，這就是主板(MainBoard),也稱為母版(Mother

Board)o主板上集成有CPU插座、芯片組、總線系統、輸入/輸出(I/O)

控制芯片、內存插座、輸入/輸出系統、擴展卡插座、電源接口等，如圖1-2

所示。其他部件直接插接在主板上，或者通過電纜電線連接與主板上。

第1章微型計算機系統概述

氧鼎於就氮蠡於就

微型計算機主機是插接到同一塊主板上的CPU、存儲器、輸入/輸出接口電路以及

系統總線形成的一個整體。其中存儲器用以存放程序和數據。輸入/輸出接口電路

實現外部設備與CPU和存儲器之間的連接。系統總線是CPU向存儲器及接口電路

提供地址、數據及控制信息的通道，一般包括數據總線(DB)、地址總線(AB)及控

制總線(CB)。微型計算機主機結構如同1-4所示。

圖1-4微型計算機典型結構示意圖

第1章微型計算機系統概述

4.微型計算機系統

微型計算機系統是以微型計算機為主體，配備輸入/輸出設備

以及軟件構成的。

微型計算機系統是一個軟件與硬件的結合體，沒有配置軟件

的計算機稱為裸機，在實際中無法使用。硬件是計算機運算功能

的實現基礎，軟件則是硬件動作的靈魂。

備＜AU

第1章微型計算機系統概述

士（)

如圖1-5所示為微處理器、微型計算機、微型計算機系統三者之間的關系。

?

Ml

第1章微型計算機系統概述

氯蠡氯蠡氯蠹氮眼

5.微機系統的性能指標

(1)微處理器的性能

微處理器的性能對于微機系統性能指標起著很重要的

作用。隨著微處理器技術的不斷發展，評價微處理器

的性能可以從多個角度，但最基本的評價指標還是字

長和運算速度。

0口二面

第1章微型計算機系統概述

氧鼎於就氮蠡於就

①.字長

字長即CPU中運算器一次能處理的最大數據位數，它

是反映微機系統數據處理能力的重要技術指標。常見的字

長有8位、16位、32位、64位等。字長越長，說明系統的

運算精度越高，數據處理能力越強。

與字長相對應的總線寬度，特別是數據總線的寬度同

樣也能反映系統性能。數據總線的寬度只有與CPU的字長

相當，才能有效發揮出CPU數據處理能力。

備＜AU

第1章微型計算機系統概述

氧鼎於就氮蠡於就

②.運算速度

.運算速度的高低是衡量計算機系統的一個重要性能指標。提高主頻對于

提高CPU運算速度是至關重要的。主頻頻率越高CPU的運算速度越快。主

頻的單位是GHz。

反映微機系統運算速度的另一個單位是MIPS,即每秒能執行百萬條指令

數。可以看出，數值越大，計算機的速度越快。

備＜AU

第1章微型計算機系統概述

.---------------------------------1物浦氯粢氯裁氮裁

(2)存儲器的性能

存儲器是計算機系統中的記憶設備，用來存放程序和數據。隨著

計算機的發展，存儲器在系統中的地位越來越重要。

存儲器有3個主要的性能指標：速度、容量和每位價格(簡稱位

價)。一般來說，速度越高，位價就越高；容量越大，位價就越低，

而其容量越大，速度必越低。

(3)I/O設備的性能

如今，I/O設備多種多樣，不同的設備有不同的評價指標。對于常

用的外設，其性能指標有速度、分辨率和顏色深度等。

第1章微型計算機系統概述

----------1物浦籍用氯疆氟蠹

6.數據在計算機中的表示

(1)數制

數制(NumberSystem)是用一組固定的數字符號和一套統一的

規則來表示數目的方法。若用R個基本符號來表示數目則稱為R進制，

R稱為基數。例如二進制的基數為2,數符有2個；十進制的基數為10,

數符有10個。

按進位的原則進行計算稱為進位計數制。進位計數制中有兩個重

要的概念：基數和位權。

基數是指用來表示數據的數碼的個數，超過(等于)此數后就要

向相鄰高位進一。同一數碼處在數據的不同位置時所代表的數值是不

同的，它所代表的實際值等于數字本身的值乘上一個確定的與位置有

關的系數，這個系數則稱為位權，位權是以基數為底的指數函數。例

如,128.7=1X102+2X101+8X10°+7X10-1o即“128.7”這個數值

中的“1”的權值是102,“7”的權值就是10L

第1章微型計算機系統概述

氧鼎於就氮蠡於就

在計算機中常用的進位計數制有二進制、八進制、十進制和十六進制。

在日常生活中，通常使用十進制表示方法，而計算機內部采用的是二進制表

示法，有時為了簡化二進制數據的書寫，也采用八進制和十六進制表示法。

為了區別不同進制的數據，可在數的右下角標注。一般用B(Binary)或2表

示二進制數，O(Octal)或8表示八進制數，H(Hexadecimal)或二表示十

六進制數，D(Decimal)或10表示十進制。在本書中我們用字母B、0、H、

D表示法，如果省略進制字母，則默認為十進制數。

①二進制數

二進制(Binarynotation)：用“0”和“1”兩個數字表示。逢二進一。

運算規則有：0+0=00x0=0

0+1=10x1=0

1+0=11x0=0

1+1=101x1=1

表示方法：(11011)2或11011B

權表示法：(11011)2=1x24+1x23+0x22+1x21+1x2。

第1章微型計算機系統概述

-----------------/代羲氯介覿浦地就

②八進制數]

八進制(Octalnotation)：用“0、1、2、3、4、5、6、7”八個數字表示。

逢八進一。

表示方法：(5127)8或51270

權表示法：(5127)8=5x83+1x82+2x81+7x8°

③十進制數

十進制(Decimalnotation)：用“0、1>2、3、4、5、6、7、8、

9”十個數字表示。逢十進一。p

表示方法：(5927)10或5927D

權表示法：(5927)10=5x103+9x102+2x101+7x10°

④十六進制數

十六進制(Hexdecimalnotation)：用“0、1、……9、A、B、C、D、E、F”

十六個數字表示。逢十六進一。

表示方法：(5A0D7)16或5A0D7H

權表示法：(5A0D7)16=5x164+10x163+0x162+13x161+7x16°

第1章微型計算機系統概述

---------------/物竭地就氮裁地用

常用進制的表示法如表1-1所示。表1-1十、二、八、十六進制表示法

十進制二進制八進制十六進制

0000000

I000111

2001022

3001133

4010044

5010155

6011066

7011177

81000108

91001119

10101012A

11101113B

12110014C

13110115D

14111016E

15111117F

16100002010

第1章微型計算機系統概述

.-------------------/物浦籍先氯裁氮題

-C

(2)各種進制數之間的轉換

對各種進制數之間的轉換，我們要掌握轉換的方法和規則，為了便于理

解我們將進制的轉換分成“二進制數o八進制數、十六進制數”、“二進制

數o十進制數”兩大類。

①二進制、八進制、十六進制之間的轉換

?二進制數轉換為八進制、十六進制數

由于81二23(八進制數的一位等于二進制數的三位)、16』24(十六進制數

的一位等于二進制數的四位)的關系，它們之間的轉換就變得很簡單。其轉換

規則是以小數點為中心，左右“按位組合”前后不夠補0。即八進制是按三位

組合，十六進制是按四位組合。

【例1-1】把(11010111.01111)2轉換為八進制數、十六進制數。

(11010111.01111)2=(011,010,111.011,110)2=(327.36)8

(11010111.01111)2=(1101,0111.0111,1000)2=(D7.78)16

第1章微型計算機系統概述

氧鼎於就氮蠡於就

?八進制數、十六進制數轉換為二進制數

其轉換規則仍是以小數點為中心，“按位展開”(八進制數的一位等于二進制

數的三位、十六進制數的一位等于二進制數的四位)，最后去掉前后的0。

【例1-2】把(327.36)8、(D7.78)16轉換為二進制數。

(327.36)8=(011,010,111.011,110)2=(11010111.01111)2

(D7.78)16=(1101,0111.0111,1000)2=(11010111.01111)2

②二進制、八進制、十六進制與十進制之間的轉換

?二進制數、八進制數、十六進制數轉換為十進制數

二進制數、八進制數、十六進制數轉換為十進制數，其轉換規則相同，

是“按權展開相加”。同十進制的展開一樣，只是其權位不同而已。

【例1-3】把(101.01)2、(257)8、(32CF.4)化轉換為十進制數。

2112

(101.01)2=1X2+0X2+1X2°+0X2-+1X2-=(5.25)10=5.25

(257)8=2X82+5X81+7X8°=(175)10=175

(32CF.4)16=3X163+2X162+12X161+15X160+4X16-1=

(13007.2510=13007.25

第1章微型計算機系統概述

-C

?十進制數轉換為二進制數、八進制數、十六進制數

十進制數轉換成二進制數分兩種情況進行，整數部分和小數部分，具體

規則如下所示。

整數部分：除2取余倒排。即采用除2取余，直到商為0,先得的余數排

在低位，后得的余數排在高位。

小數部分：乘2取整順排。即采用乘2取整數，直到值為0或達到精度要

求，先得的整數排在高位，后得的整數排在低。

第1章微型計算機系統概述

例：將(105.625)I。轉換成二進制數。

整數部分用除2取余法小數部分用乘2取整法

2|105110.625

2520X2

22601.250

2131X2

2-600.500

231X2

2T11.000

?

0

(1O5)=(11O1OO1)

1O2(0.625)10=(0.101)

)

(105.62510=(1101001.101)2

第1章微型計算機系統概述

7.位、字節、字和字長I

計算機中的信息是用二進制表示，那么反映這些二進制信息的量有，位、

字長，字節、字等指標。

（1）位或比特（bit）。計算機中的存貯信息是由許多個電子線路單元組

成，每一個單元稱為一個“位”（bit）,它有兩個穩定的工作狀態，分別

以“0”和“1”表示。它是計算機中最小的數據單位。

（2）字節（byte）。在計算機中，8位二進制數稱為一個“字節”（byte,簡

寫B）,構成一個字節的8個位被看做一個整體。它是計算機存儲信息的基本單

位，同時它也是計算機存儲空間大小的最基本容量單位。字節又是衡量計算機

存儲二進制信息量的單位，它有千字節（KB）、兆字節（MB）、吉字節

（GB）、太字節（TB）。

1KB=1024B=210B1MB=1024KB=220B

1GB=1024MB=230B1TB=1024GB=240B

第1章微型計算機系統概述

---------------/代羲氯羲氯裁地用

（3）字（word）o由若干個字節組成一個“字”（word）。

一個“字”可以存放一條計算機指令或一個數據。

（4）字長。CPU內每個字可包含的二進制的長度稱為“字長”

（wordsize）o它是計算機存儲、傳送、處理數據的信息單位，是衡

量比較計算機的功能精確度及運算速度的主要性能指標之一。字長越

長，在相同時間內就能傳送越多的信息，從而使計算機運算速度更快、

精度越高、尋址空間越大、內存儲器容量更大、計算機系統支持的指

令數量越豐富。低檔微機的字長為8位（一個字節），高檔微機的字

長有16位（兩個字節）、32位（四個字節）等。

備＜AU

第1章微型計算機系統概述/

........------/氮做湫咸氧般地赤

1.2微型計算機接口組成

1.2.1認識微機的常用接口

1.2.2知識講解

?

第1章微型計算機系統概述

----------------/物睛夫羲氯裁地用

1.2微型計算機接口組成

1.2.1項目2：認識微機的常用接口[

1.項目要求與目的]

(1)項目要求：直觀的了解接口，認識微機的常用接口。

(2)項目目的：

?了解微型計算機接口的基本概念。

?了解接口的組成。

?掌握CPU和接口數據交換的四種方式。

2.項目說明]

隨著計算機的不斷發展，單獨的計算機已不能滿足人們的需要，計算機

的擴展能力成為人們認識電腦的一個重要的性能指標，常用的接口有鼠標、

鍵盤接口，打印機接口、掃描儀接口等。

備??

第1章微型計算機系統概述

氧鼎於就氮蠡於就

3.項目實物圖

微機常用接口外觀圖如圖1-6所示，這是一個微機主板，主要由CPU插槽、

PCI擴展槽、內存插槽、BIOS、CMOS電池、CMOS跳線、ATX電源插座、音頻接

口、AGP擴展槽、USB接口、鼠標接口、鍵盤接口等組成。

第1章微型計算機系統概述

---------------/代羲氯羲氯裁地用

122知識講解

微機接口(interface)就是微處理器CPU與

“外部世界”的連接電路，是CPU與外界進行信息

交換的中轉站。比如源程序或原始數據要通過接口

從輸入設備送進去，運算結果要通過接口向輸入設

備送出來；控制命令通過接口發出去，現場狀態通

過接口取進來，這些來往信息都要通過接口進行變

換與中轉。這里所說的“外部世界”是指除CPU本

身以外的所有設備或電流，包括存儲器、I/O設備、

控制設備、測量設備、通信設備、多媒體設備、

A/D與D/A轉換器等。

備??

第1章微型計算機系統概述

氧鼎於就氮蠡於就

從圖1-7可以看出，各類外部設備（簡稱外設）和存儲器，都是通過各自的接

口電路連到微機系統的總線上去的，因此用戶可以根據自己的要求，選用不同

類型的外設，設置相應的接口電路，把它們掛到系統總線上，構成不同用途、

不同規模的應用系統。

內存

____________上____________

CPU內存接口

rTi

I天二〉數據總線（DB）

二一1771「

0地址總線（AB）

＞控制總線3

，。，0、

智能儀器

過程控制接口輸入接口

接口通信接口輸出接口外存接口

-----7X-----

n?101）

IA/D轉換器開

數字化存赭點陣打印、CRT顯示鍵盤、數字

關量輸入激光打印、液晶顯示化儀、光筆磁盤、磁帶

示波器、數髓解調器、軟盤、流

字化萬用表D/康換器開噴墨打印、繪圖儀、圖形輸入

關量輸出視頻卡、吉卡、鼠標，聲帶、光盤

1音輸入

圖17微機系統各類接口框圖

第1章微型計算機系統概述

氧鼎於就氮蠡於就

2.接口功能

接口應具備哪些功能呢？從解決CPU與外設在連接時存在的矛盾的

觀點來看，一般有如下功能：

(1)對外部設備的尋址功能

在微機系統中一般有多種外設，在同一種外設中也可能有多臺，而

一個CPU在同一時間里只能與一臺外設交換信息，這就要在接口中設

置I/O端口地址譯碼電路對外設進行尋址。CPU將I/O設備的端口地址

代碼送到接口中的地址譯碼電路，并經譯碼電路，把地址代碼翻譯成

I/O設備的選擇信號。一般是把高位地址用于接口芯片選擇，低位地址

進行芯片內部寄存器的選擇，以選定需要與自己交換信息的設備端口,

只有被選中的設備才能與CPU進行數據交換或通信。沒有選中的設備,

就不能與CPU交換數據。

第1章微型計算機系統概述

氧鼎於就氮蠡於就

（2）信號轉換功能

外部設備的信號電平可能不是TTL電平或CMOS電平，因此需要由接

口電路來完成信號電平的轉換。

（3）數據緩沖功能

外部設備的工作速率遠遠低于CPU的速率，為了提高CPU的工作

效率并避免丟失數據，接口中必須有數據緩沖器。接口中設置的數

據緩存寄存器作為兩者之間的中介，暫存發送方發出的數據，等待

接收方在足夠的時間內取走數據。借助于數據緩沖器，高速工作地

CPU與低速工作地外部設備之間的數據交換可以協調進行。由于數據

緩存器直接連在系統數據總線上，因此它應具有三態特性。

第1章微型計算機系統概述

-----------------------------1皓就氟就於篇◎就

(4)聯絡功能

接口應當具備握手信號。CPU送來的控制信號、外部設備的工作狀

況以及應答信號都要通過接口與CPU以“握手聯絡”的方式進行交互。

(5)中斷管理功能

CPU與外設之間的通信采用中斷方式，有利于提高CPU的利用率。

(6)可編程功能

為了使接口具有較強的靈活性、可擴充性以適應多種工作方式或工作狀態，

接口應具有可編程的特性。

上述功能并非要求每種接口都具備，對不同用途的微機系統，其接口功能不

同，接口電路的復雜程度大不一樣。但前3種功能是接口電路中的核心部分，是

一般接口都需要的。

第1章微型計算機系統概述

----------------------------1物睛夫羲氯裁地用

3.接口組成

為了實現上述各種功能，接口需要有物理基礎——硬件，予以支撐；還要

有相應的程序——軟件，予以驅動。所以，一個能夠實際運行的接口，

應由硬件和軟件兩部分組成。

(1)硬件電路

接口電路的基本結構如圖1-8所示。三總線:地址總線AB、數據總線DB

以及控制總線CB與CPU連接。地址總線AB用來提供訪問接口電路的地址

信息。數據總線DB用來與接口電路交換數據信息、狀態信息和命令信息。

控制總線CB包括I/O、…、INTR等信號線。

數據信息K

總線驅動數據緩沖器

主機

狀態信息

外設

地址譯碼狀態寄存器＜

控制信息

控制邏輯控制寄存器

一接CPU一側接外設一側

圖1-8接口電路的基本結構

第1章微型計算機系統概述/

........................----------------一氯曲湫就編魂地力

⑵軟件編程

為了增強接口實用范圍，半導體廠商一般按照

通用型、可編程模式設計制作可編程接口芯片。因

此，為了使用接口，需要為CPU編寫專門的接口程

序。接口程序多由匯編語言編程實現，一般包括初

始化接口芯片、確定數據傳輸方式、控制接口硬件

動作等主要功能。

備＜AU

第1章微型計算機系統概述

氯蠡氯蠡氯蠹氮眼

(1)I/O端口

端口(Port)是接口電路中能被CPU直接訪問的寄存器。CPU通過這些

地址即端口向接口電路中的寄存器發送命令，讀取狀態和傳送數據，因此，

一個接口可以有幾個端口，如狀態口、數據口和命令口，分別對應于狀態

寄存器、數據寄存器和命令寄存器。

?狀態端口

狀態端口(StatePort)主要用來指示外部設備的當前狀態。每種狀態

用一個二進制位表示，每個外部設備可以有幾個狀態位，它們可被CPU讀

取，以測試或檢查外部設備的狀態，決定程序的流程。一般接口電路中常

見的狀態位有準備就緒位(Ready)、外部設備忙位(Busy)、錯誤位

(Error)等。

0口二面

第1章微型計算機系統概述

氧鼎於就氮蠡於就

?數據端口

數據端口(DataPort)用以存放外部設備送往CPU的數據以及CPU輸出到

外部設備去的數據。這些數據是主機和外部設備之間交換的最基本信息，長度

一般為1-4字節。數據端口主要起數據緩沖作用。

?命令端口

命令端口(CommandPort)也稱控制端口(ControlPort),用來存放

CPU向接口發出的各種命令和控制字，以便控制接口或設備的動作。接口功

能不同，接口芯片的結構也就不同，控制字的格式和內容自然各不相同。一

般可編程接口芯片往往具有工作方式命令字、操作命令字等。

(2)I/O操作

通常所說的I/O操作是指對1/0端口的操作，而不是對I/O設備的操作，即CPU

所訪問的是與I/O設備相關的端口，而不是I/O設備本身。而I/O操作也就是CPU

對端口寄存器的讀寫操作。CPU對數據端口進行一次讀或寫操作也就是與該接

口連接的外部設備進行一次數據傳送；CPU對狀態端口進行一次讀操作，就可

以獲得外部設備或接口自身的狀態代碼；CPU把若干位控制代碼寫入控制端口,

則意味著對該接口或外部設備發出一個控制命令，要求該接口或外部設備按規

定的要求工作。

第1章微型計算機系統概述

5J/0端口的編址方式卜

I/O端口的編址方式主要有兩種：內存與I/O端口統一編址和I/O端口單

獨編址。

(1)統一編址

統一編址是指在整個存儲空間中劃分出一部分地址空間給外設端口使

用，即把每一個I/O端口看作一個存儲單元，與存儲單元一樣編址，訪問存

儲器的所有指令均可用來訪問I/O端口，不用設置專門的I/O指令，所以稱

為存儲器映射I/O編址方式，地址空間分布情況如圖1-9所示。摩托羅拉公

司的MC6800及68HC05等處理器就采用了這種方式訪問I/O設備。

這種方式的優點:在于I/O端口的地址空間較大，對端口進行操作的指令功

能較強，使用時靈活方便。

這種方式的缺點是端口占用了存儲器的地址空間，使存儲器容量減小，另

外指令長度比專門I/O指令要長，因而執行速度較慢。

氯蠡於就氯蠹覿就

}I/O地址空間

I/O端口

存儲

存儲器地址空間

單元

I/O地址空間

圖1-9I/O端口統一編址圖1-10I/O端口單獨編址

第1章微型計算機系統概述

氧鼎於就氮蠡於就

)

(2)獨立編址

獨立編址是指對系統中的I/O端口單獨編址，與內存單

元的地址空間相互分開，各自獨立，采用專門的I/O指令

來訪問具有獨立空間的I/O端口，地址空間分布情況如圖

1T0所示。8086/8088系統中就采用這種編址方式。

優點：不占用內存單元的有效地址空間，地址譯碼器

較簡單，端口操作指令長度較短，執行速度較快。

以上這兩種I/O編址方式各有利弊，不同類型的CPU可根

據外部設備特點采用不同的編制方式。

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6.CPU與接口數據的交換技術

在微機中，傳送數據一般有4種方式：無條件方式、查詢方式、中斷方式、

直接訪問存儲器（DMA）方式。

（1）無條件方式

無條件傳送是一種最簡單的傳送方式，適合于外部設備總是處于就緒狀態

的情況。CPU在開始數據傳送之前，不必關心外部設備的當前狀態，直接可

以對外部設備接口進行讀寫。也就是CPU在任何時候都可以向外部設備發送

信息或者從外部設備接收信息。在外設還沒處于就緒狀態或外設發生故障時,

就會產生數據錯誤或數據丟失。為了解決這一問題，人們考慮采用查詢傳送

方式。

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(2)查詢方式

查詢方式是CPU傳送數據(包括讀入和寫入)之前，主動去檢查外設是

否“準備好”若沒有準備好，則繼續查其狀態，直至外設準備好了，即確認

外部設備已具備傳送條件之后，才進行數據傳送。具體作法是在程序中安排

一段由輸入/輸出指令和測試指令以及轉移指令組成的程序段。CPU使用測試

指令和條件轉移指令循環檢測設備完成準備工作的狀態。一旦設備“準備

好”，CPU才執行傳送指令，實現CPU與接口之間的數據交換。在查詢傳送

方式中，CPU需要不斷地查詢外設的狀態，極大地降低了CPU的利用率。為

了提高CPU的利用率，提高輸入/輸出系統的可靠性以及實時性，可以采用中

斷傳送方式。

(3)中斷方式

為提高數據傳輸效率，需要改變CPU耗費大量時間查詢外部設備狀態的

工作方式變外部設備的被動接收為主動請求。當外部設備沒有做好數據傳輸

準備時，CPU可以執行與數據傳送無關的其他指令。一旦外部設備準備好，

主動通過硬件信號向CPU提出傳送請求的其他程序。

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在原來被執行的程序看來，一個正常的執行過程被打斷，因而稱為中斷傳送。中斷傳

送方式優點:當外設處于就緒狀態時才向CPU請求輸入或輸出服務，不需要CPU花費大

量時間去主動查詢外設的工作狀態，減少了大量的CPU等待時間。為了保證多個外部

設備能夠在需要時，準確及時地向CPU提出中斷請求，一般需要設置專門的硬件控制

電路，因此增加了硬件開銷。

（4）直接存儲器存取方式—DMA方式

直接存儲器存取方式（DirectMemoryAccess）,又稱為DMA傳送方式，對于高

速的外設，以及成塊交換數據的情況，例如，磁盤與內存之間交換信息，用程序或中

斷控制傳送數據的方式顯得速度太慢以及占用CPU大量時間。

采用DMA方式是用一個硬件DMAC（稱DMA控制器）芯片來完成軟件的工作。比

如，內存地址的修改，字節長度的控制等，在這種方式下，CPU放棄數據總線、地址

總線及控制總線的控制權，交給DMAC管理，使得外設和內存的信息傳送速度能達到

很高。

備＜AU

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1.3I/O端口地址分配與地址譯碼技術

131設計一個有6組I/O端口地址的譯碼電路

1.3.2知識講解

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1.3I/O端口地址分配與地址譯碼技術

1.3.1項目3：設計一個有6組I/O端口地址的譯碼電路

1.項目要求與目的

(1)項目要求：通過項目了解74LS138譯碼器進行地址譯碼的

方法和工作原理。

(2)項目目的：

?了解74LS138譯碼器的真值表。

?了解用譯碼器設計I/O端口地址的方法。

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)

2.項目說明

74LS138譯碼器有8個輸出，本項目只用其中6個。而地

址線的高5位A5?A9經過74LS138譯碼器，分別產生DMA

控制器8237A、中斷控制器8259A、定時/計數器8254、并

行接口8255A等接口芯片的片選信號，而地址線的低5位

A0?A4作為接口芯片內部寄存器的訪問地址。由74LS138

譯碼器真值表可知，當地址為000?01XH時，使輸出為低，

選中8237A,由于低位地址線A0?A3已接8237A,故8237A

的端口地址為000H?01FH。其他端口與此同理，如8259A

的片選地址是02X?03XH,端口地址為020?03FH。

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3.項目電路圖

一個有6組I/O端口地址的譯碼電路如圖1-9所示。電路由地址總線、控制

總線、74LS138譯碼器和門電路等組成。

15

A5AYO—曳(8237)

2

Y一X—受

A6B74LS138(8259)

3Y一2—叵(8253)

A7C

YWS一—CS(8255)

9

5

A8G?B-WRTDMAPG

Y5齒DM煩而寄存器)

410

Y6一

G熱

A9yY71374LS32

B仆

AENGi—WRTNMIREG

作出NMI屏蔽寄存器）

iow12

圖1-974LS138譯碼器端口地址譯碼電路

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1.3.2知識講解

1.I/O端口地址分配

不同類型的微機系統采用不同的I/O地址編排方式，I/O地址空間的

劃分也各不相同。對80x86而言，采用獨立編排方式，I/O端口地址的

16位，最大尋址范圍為64K個地址。但是，在舊M?PC機及其兼容機的

設計中，主板上只用了10位I/O端口地址線，因此支持的I/O端口數位

1024個，地址空間為0000H?03FFH,并且把前512個端口分配給了主

板，后512個端口分配給了擴展槽上的常規外設。后來在PC/AT系統中,

作了一些調整，其中前256個端口(000?0FFH)供系統板上的I/O接

口芯片使用，如表1-2所示。后768(100-3FFH)供擴展槽上的I/O接

口控制卡使用，如表1?2所示。按照I/O設備的配置情況，I/O接口的硬

件分為如下兩類。

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