第8章 微型計(jì)算機(jī)輸入/輸出接口技術(shù),8.1 概述 8.2 CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式 8.3 I/O接口的基本結(jié)構(gòu)及讀寫技術(shù),8.1 概述,8.1.1 輸入/輸出接口的概念與功能 8.1.2 CPU與外設(shè)之間的接口信息 8.1.3 I/O端口的編址方法 8.1.4 I/O端口的地址分配 8.1.5 I/O端口的譯碼,8.1.1 輸入/輸出接口的概念與功能,I/O接口 I/O接口與系統(tǒng)和外設(shè)的連接 采用I/O接口的必要性 I/O接口的功能 I/O接口的類型,1. I/O接口,I/O接口是位于系統(tǒng)與外設(shè)間，協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送的電路。 I/O接口是連接外設(shè)和主機(jī)的一個(gè)“橋梁”。I/O接口的外設(shè)側(cè)、主機(jī)側(cè)各有一個(gè)接口。主機(jī)側(cè)的接口稱為內(nèi)部接口，外設(shè)側(cè)的接口稱為外部接口。 內(nèi)部接口通過(guò)系統(tǒng)總線與內(nèi)存和CPU相連；外部接口則通過(guò)各種接口電纜(如串行電纜、并行電纜、網(wǎng)線或SCSI電纜等)與外設(shè)相連。,接口技術(shù) 是研究CPU如何與外部世界進(jìn)行最佳耦合與匹配，實(shí)現(xiàn)雙方高效、可靠地交換信息的一門技術(shù)，是軟件、硬件結(jié)合的體現(xiàn)，是微機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵。,IBM PC總線是在IBM PC/XT個(gè)人計(jì)算機(jī)上使用的總線，它是針對(duì)Intel 8088CPU設(shè)計(jì)的，有62條信號(hào)線，以適應(yīng)8088的8位數(shù)據(jù)線和20條地址線的要求。這種總線是用戶在IBM PC/XT機(jī)器的主板上擴(kuò)展I/O板的I/O總線。 在IBM PC/XT微型計(jì)算機(jī)中有8個(gè)62線的擴(kuò)展槽，這8個(gè)擴(kuò)展槽是擴(kuò)充系統(tǒng)的通道，擴(kuò)展槽上可以插入不同功能的插件板，如內(nèi)存擴(kuò)展板、顯示適配器、磁盤控制器、打印適配器、串行口適配器、網(wǎng)絡(luò)適配器等。,2. I/O接口與系統(tǒng)和外設(shè)的連接,1、速度的不匹配 2、信號(hào)電平不匹配 3、信號(hào)格式不匹配 4、時(shí)序不匹配,3. 采用I/O接口的必要性,4. I/O接口的功能,1、數(shù)據(jù)緩沖； 2、信號(hào)格式轉(zhuǎn)換，例如：串并/并串轉(zhuǎn)換； 3、電平轉(zhuǎn)換、數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換等； 4、協(xié)調(diào)時(shí)序，同步CPU與外設(shè)的工作； 5、端口譯碼； 6、提供聯(lián)絡(luò)信號(hào)； 7、提供中斷和DMA控制。,1、按數(shù)據(jù)傳送方式分為并行接口與串行接口兩類。 主機(jī)側(cè)的內(nèi)部接口，數(shù)據(jù)在接口與主機(jī)之間總是通過(guò)系統(tǒng)總線按字節(jié)或字或多字進(jìn)行并行傳輸；外設(shè)側(cè)的外部接口，數(shù)據(jù)在接口與外設(shè)之間有串行和并行兩種傳送方式。例如：并行接口Intel 8255，串行接口Intel 8250，主要用于連接顯示終端等慢速設(shè)備。 2、按功能選擇的靈活性分為可編程接口與不可編程接口兩類。 例如：可編程接口 Intel 8255、Intel 8250；不可編程接口Intel 8212。 3、按通用性分為通用接口與專用接口。 例如：通用接口Intel 8255；專用接口Intel 8279可編程鍵盤、顯示接口器件。 4、按數(shù)據(jù)傳送的控制方式分為程序式接口與DMA式接口。 5、按設(shè)備的連接方式分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口與多點(diǎn)接口。,5. I/O接口的類型,圖 微機(jī)常見(jiàn)外部接口,8.1.2 CPU與外設(shè)之間的接口信息,數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。,端口:接口電路中的寄存器,包括數(shù)據(jù)端口、控制端口和狀態(tài)端口。,接口和端口的區(qū)別： 端口：是指接口電路中能被CPU直接訪問(wèn)的寄存器或某些特定的器件，分別用來(lái)存放數(shù)據(jù)信息，控制信息和狀態(tài)信息，相應(yīng)的端口就是數(shù)據(jù)端口、控制端口和狀態(tài)端口。CPU通過(guò)這些端口來(lái)發(fā)送命令、讀取狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)。 接口：若干個(gè)端口加上相應(yīng)的控制邏輯才能組成。,數(shù)據(jù)信息：通常包括數(shù)字量、模擬量和開(kāi)關(guān)量三種基本形式 狀態(tài)信息：主要用來(lái)指示輸入/輸出設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，CPU根據(jù)這些狀態(tài)信息適時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)傳送。 控制信息：主要是用來(lái)控制輸入/輸出設(shè)備的一類接口信息，它能控制設(shè)備的啟動(dòng)與停止,8.1.3 I/O端口的編址方法,I/O端口的編址方式通常有兩種：統(tǒng)一編址方式和獨(dú)立編址方式。 1、統(tǒng)一編址（存儲(chǔ)器映射編址），將I/O端口地址與存儲(chǔ)器地址統(tǒng)一分配，即將I/O端口看作一個(gè)存儲(chǔ)單元。 I/O端口相當(dāng)于內(nèi)存的一部分,使內(nèi)存容量減小 對(duì)I/O端口的讀/寫與對(duì)存儲(chǔ)器的讀/寫相同， 所有可對(duì)內(nèi)存操作的指令對(duì)I/O端口均可使用，指令多。 指令系統(tǒng)中不專設(shè)I/O指令，尋址速度慢 2、獨(dú)立編址，將I/O端口和存儲(chǔ)器分開(kāi)獨(dú)立編址，即I/O端口和存儲(chǔ)器的地址空間是相互獨(dú)立的。,特點(diǎn)： 端口與存儲(chǔ)器分別獨(dú)立編址 端口不占用內(nèi)存空間 設(shè)有專門的 I/O指令對(duì)端口進(jìn)行讀寫，指令執(zhí)行速度快 對(duì)內(nèi)存操作的指令不能用于I/O端口,例 MOV 10H, AL 對(duì)內(nèi)存操作 IN 10H, AL 對(duì)端口操作,可尋址220= 1M個(gè)內(nèi)存單元 內(nèi)存范圍00000 FFFFFh 內(nèi)存單元的地址有5種尋址 可尋址216= 64 K個(gè)I/O端口 I/O端口范圍0000 FFFFH I/O端口的地址由 一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)直接尋址 或DX寄存器間接尋址,8.1.4 I/O端口的地址分配,表8.1 主板上接口芯片的端口地址,表8.2 擴(kuò)展槽上接口控制卡的端口地址,8.1.5 I/O端口的譯碼,【例8.1】設(shè)計(jì)端口地址為218H的譯碼電路。 解：218H端口地址A9A0依次為1000011000，據(jù)此設(shè)計(jì)譯碼電路。 1、采用門電路：圖8.3。 2、采用門電路（實(shí)際芯片）：圖8.4。 3、采用譯碼器：圖8.5。,方法一、用門電路實(shí)現(xiàn)218H的地址譯碼,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： 10 0001 1000均能輸出0, 所以該電路使：一個(gè)端口對(duì)應(yīng)多個(gè)地址,共26=64個(gè) 218，618, A18，E18等等,采用實(shí)際芯片：,PC總線,CS,I/O口,D0 D7,數(shù) 據(jù) 線 DB,端 口 譯碼電路,0,A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 AEN +5V IOR IOW,D0 D7,1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0,1,0,0,74LS30,74LS20,74LS32,方法二、用譯碼器、門電路組合實(shí)現(xiàn)218H的地址譯碼,74LS138 3-8譯碼器,218H,A Y0 B Y1 C Y2 E3 Y3 Y4 E1 Y5 Y6 E2 Y7,0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0,&,A0 A1 A2 AEN A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 IOR IOW,CS,D0 D7,&,數(shù) 據(jù) 線 DB,D0 D7,端 口 譯碼電路,8.2 CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式,8.2.1 直接程序控制方式 8.2.2 中斷傳送方式 8.2.3 直接存儲(chǔ)器存取方式,8.2.1 直接程序控制方式,直接程序控制方式：通過(guò)程序直接控制CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送。直接程序控制方式分為無(wú)條件傳送方式和條件傳送方式兩種。 無(wú)條件傳送方式：外部設(shè)備必須已準(zhǔn)備好，系統(tǒng)不需要查詢外設(shè)的狀態(tài)。接口示意如圖8.7所示。 條件傳送方式（查詢傳送方式）：在執(zhí)行輸入/輸出操作之前，需通過(guò)測(cè)試程序?qū)ν獠吭O(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行檢查。當(dāng)所選定的外設(shè)已準(zhǔn)備“就緒”后，才開(kāi)始進(jìn)行輸入/輸出操作。查詢傳送方式的程序流程如圖8.8所示。,圖8.7 無(wú)條件傳送接口示意圖,例：一個(gè)采用無(wú)條件傳送方式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 這是一個(gè)16位精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。被采集的數(shù)據(jù)是8個(gè)模擬量，由繼電器繞組P0、P1、P7分別控制觸點(diǎn)K0、K1K7逐個(gè)接通。 每次采樣用一個(gè)4位（十進(jìn)制數(shù)）數(shù)字電壓表測(cè)量，把被采樣的模擬量轉(zhuǎn)換成16位BCD代碼，高8位和低8位通過(guò)兩個(gè)不同的端口（其地址分別為10H和11H）輸入。 CPU通過(guò)端口20H輸出控制信號(hào)，以控制某個(gè)繼電器的吸合，實(shí)現(xiàn)采集不同通道的模擬量。,1.無(wú)條件傳送方式：,8個(gè)模擬量,16位精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),繼電器繞組,觸點(diǎn),控制端口,數(shù)據(jù)端口,采集過(guò)程要求： （1） 先斷開(kāi)所有的繼電器線圈及觸頭，不采集數(shù)據(jù)。 （2） 延遲一段時(shí)間后，使K0閉合，采集第1個(gè)通道的模擬量，并保持一段時(shí)間，以使數(shù)字電壓表能將模擬電壓轉(zhuǎn)換為16位BCD碼。 （3） 分別將高8位與低8位BCD碼存入內(nèi)存，完成第1個(gè)模擬量的輸入與轉(zhuǎn)存。 （4） 利用移位與循環(huán)實(shí)現(xiàn)8個(gè)模擬量的依次采集、輸入與轉(zhuǎn)存。,數(shù)據(jù)采集程序： START：MOV DX，0100H；01HDH,置吸合第1個(gè)繼電器代碼 ；00HDL,置斷開(kāi)所有繼電器代碼 LEA BX，DSTOR；置輸入數(shù)據(jù)緩沖器的地址指針 XOR AL，AL；清AL及進(jìn)位位CF AGAIN： MOV AL，DL OUT 20H，AL；斷開(kāi)所有繼電器線圈 CALL NEAR DELAY1；模擬繼電器觸點(diǎn)的釋放時(shí)間 MOV AL，DH OUT 20H，AL；先使P0吸合 CALL NEAR DELAY2；模擬觸點(diǎn)閉合及數(shù)字電壓表的轉(zhuǎn)換時(shí)間 IN AX，10H；輸入 MOV BX，AX；存入內(nèi)存 INC BX INC BX RCL DH,1；DH左移（大循環(huán)）1位，為下一個(gè)觸點(diǎn)吸合作準(zhǔn)備 JNC AGAIN； 8個(gè)模擬量已經(jīng)全部輸入了？沒(méi)有，則循環(huán) DONE： ；輸入結(jié)束，執(zhí)行別的程序段,圖8.8 查詢傳送方式流程,【例8.2】如圖所示，I/O接口的狀態(tài)端口為地址為21CH，當(dāng)D4=1時(shí)，表示外設(shè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好；I/O接口的的數(shù)據(jù)端口為218H。完成程序段：從外設(shè)讀入50H個(gè)字節(jié)到內(nèi)存緩沖區(qū)buffer中。,相應(yīng)程序段為： MOV AX, SEG buffer ；取緩沖區(qū)首地址 MOV DS, AX LEA DI, buffer MOV CX, 50H ；傳送個(gè)數(shù) NEXT: MOV DX, 21CH ASK： IN AL, DX ；從狀態(tài)端口讀入狀態(tài)信息 TEST AL, 00010000B；檢測(cè)D4位 JZ ASK；D4=0,繼續(xù)查詢 MOV DX, 218H IN AL, DX；從數(shù)據(jù)端口讀入數(shù)據(jù) MOV DI, AL；送緩沖區(qū) INC DI；修改緩沖區(qū)指針 LOOP NEXT；傳送下一個(gè) ,8.2.2 中斷傳送方式,在中斷傳送方式中，CPU和外設(shè)并行工作，當(dāng)外設(shè)有需要時(shí)可向CPU提出服務(wù)請(qǐng)求，CPU接到中斷申請(qǐng)后，暫時(shí)停止當(dāng)前程序的執(zhí)行，響應(yīng)外設(shè)的中斷請(qǐng)求，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，中斷服務(wù)子程序執(zhí)行完畢后，CPU返回主程序繼續(xù)執(zhí)行。,8.2.3 直接存儲(chǔ)器存取方式,直接存儲(chǔ)器存取方式（Direct Memory Access，DMA）方式：在外設(shè)與存儲(chǔ)器之間傳送數(shù)據(jù)時(shí)，不需要通過(guò)CPU中轉(zhuǎn)，由專門的硬件裝置DMA控制器（DMAC）即可完成。,8.3 I/O接口的基本結(jié)構(gòu)及讀寫技術(shù),8.3.1 I/O接口的基本結(jié)構(gòu) 8.3.2 I/O接口的讀寫技術(shù),8.3.1 I/O接口的基本結(jié)構(gòu),8.3.2 I/O接口的讀寫技術(shù),1. 簡(jiǎn)單的輸入輸出接口 2. 端口的讀/寫控制,1. 簡(jiǎn)單的輸入輸出接口,輸入采用緩沖器,輸出采用鎖存器。 （1）常用緩沖器：,74LS240 74LS244 74LS245 8位單向負(fù)邏輯 8位單向正邏輯 8位雙向正邏輯,240為三態(tài)輸出的八組反向緩沖器和總線驅(qū)動(dòng)器,244為三態(tài)輸出的八組緩沖器和總線驅(qū)動(dòng)器,（2）常用鎖存器,74LS273是帶清除端的8D觸發(fā)器。 74LS373是三態(tài)輸出的8D透明鎖存器(不鎖存數(shù)據(jù)時(shí)，輸出隨輸入 變化)。 74LS374是三態(tài)輸出的8D邊沿觸發(fā)器。,2. 端口的讀/寫控制,MOV DX, 200H IN AL, DX,2. 端口的讀/寫控制,MOV DX, 300H OUT DX, AL,作業(yè),P172 8.5,