1、第六章 輸入/輸出接口,7學(xué)時 6.1 輸入/輸出接口概述 6.2 I/O端口的編址方式 6.3 I/O接口的訪問控制 6.4 I/O接口的數(shù)據(jù)傳輸控制方式 6.5 基本輸入輸出接口,6.1 輸入/輸出接口概述,接口解決微處理器與外設(shè)之間的差異 外設(shè)種類多 信號類型有機(jī)械的、物理的、電信號等 信號形式有脈沖、模擬量或數(shù)字量 數(shù)據(jù)傳輸率不同 數(shù)據(jù)格式不同 數(shù)據(jù)傳輸方式不同，有并行、串行之分 CPU與外設(shè)都是面向接口而非直接聯(lián)絡(luò),接口電路中的信息,數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息及控制信息,數(shù)據(jù)信息,數(shù)據(jù)信息：要交換的數(shù)據(jù)本身。 數(shù)字量：通常以8位或16位的二進(jìn)制數(shù)以及ASCII碼的形式傳輸，主要指由鍵盤、磁帶

2、機(jī)、磁盤等輸入的信息或主機(jī)送給打印機(jī)、顯示器、繪圖儀等的信息 開關(guān)量：用“0”和“1”來表示兩種狀態(tài)，如開關(guān)的通/斷 模擬量：模擬的電壓、電流或者非電量。對模擬量輸入而言，需先經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量；如果需要輸出模擬控制量的話，就要進(jìn)行上述過程的逆轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)傳輸方向：CPU I/O接口外設(shè),控制信息,控制信息：控制外設(shè)工作的命令，CPU通過接口發(fā)出，如A/D轉(zhuǎn)換器的啟/停信號 數(shù)據(jù)傳輸方向：CPUI/O接口處設(shè),狀態(tài)信息,狀態(tài)信息：表征外設(shè)工作狀態(tài)的信息 對輸入接口, CPU是否準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，READY” 準(zhǔn)備好嗎? 對輸出接口, 外設(shè)是否準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，“BUS

3、Y” 外設(shè)忙嗎? 數(shù)據(jù)傳輸方向：CPUI/O接口外設(shè),I/O端口,傳送這三種信息的接口電路中的寄存器稱為數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制端口 不同的寄存器有不同的端口地址，即用地址訪問 端口由一個或多個寄存器組成 接口由若干個端口加上相應(yīng)的控制邏輯組成,接口的基本功能,數(shù)據(jù)緩沖功能 設(shè)備選擇功能 信號轉(zhuǎn)換功能 接收、解釋并執(zhí)行CPU命令的功能 中斷管理功能 可編程功能,接口電路的結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)對CPU數(shù)據(jù)總線速度和驅(qū)動能力的匹配,實(shí)現(xiàn)各寄存器端口尋址操作,實(shí)現(xiàn)接口電路中的各寄存器端口的讀/寫操作和時序控制,接口電路的分類,數(shù)據(jù)傳送方式： 并行接口 串行接口 功能選擇的靈活性： 可編程接口 不可編程接口 數(shù)據(jù)傳送操

4、作的同步方式： 同步接口 異步接口 通用性： 通用接口 專用接口,6.2 I/O端口的編址方式,為了區(qū)分接口電路的各個寄存器，系統(tǒng)為它們各自分配了一個地址，稱為I/O端口地址，以便對它們進(jìn)行尋址并與存儲器地址相區(qū)別 I/O端口有兩種編址方式：存儲器映像方式、I/O獨(dú)立編址方式,1、存儲器映像編址,指I/O端口與存儲器共享一個尋址空間，又稱為統(tǒng)一編址。在這種系統(tǒng)中，CPU可以用同樣的指令對I/O端口和存儲器單元的進(jìn)行訪問。 優(yōu)點(diǎn)：對I/O口的訪問靈活方便，有利于提高端口數(shù)據(jù)的處理能力。 缺點(diǎn)：I/O端口占用了主存地址，相對減少了主存的可用范圍。,2、I/O獨(dú)立編址（一）,指主存地址空間和I/O端

5、口地址空間相互獨(dú)立，分別編址。CPU通過指令來區(qū)分是訪問I/O口還是存儲單元 優(yōu)點(diǎn)：主存和I/O端口的地址可用范圍都比較大； 缺點(diǎn)：I/O指令的功能一般比較弱，在I/O操作中必須借助CPU的寄存器進(jìn)行中轉(zhuǎn),2、I/O獨(dú)立編址（二）,80X86系列微處理器采用獨(dú)立的I/O編址方式 CPU使用地址總線中的A0A15來尋址I/O口，故最大I/O空間是64K個字節(jié)端口（或32K個字端口）,兩種編址方式比較（一）,分別是分離編址？還統(tǒng)一編址？,兩種編址方式比較（二）,6.3 I/O接口的訪問控制,微機(jī)系統(tǒng)的每個端口都有惟一的端口地址 端口地址：經(jīng)譯碼電路譯碼后產(chǎn)生端口選通信號，控制端口的讀/寫操作,I/

6、O端口的地址分配,80X86系列微處理器提供16條地址線訪問I/O端口,編址可達(dá)64K個字節(jié)端口或者32K個字端口。 IBM系列采用非完全譯碼方式，即只考慮了低10位地址線A0-A9，I/O端口地址范圍是0000H-03FFH，總共只有1024個字節(jié)端口 80386微處理器或此后的微處理器構(gòu)成的微機(jī)系統(tǒng)，采用全譯碼的方法，端口為64K個字節(jié)端口或32K個字端口,I/O端口地址選用的原則,自行設(shè)計(jì)接口電路或給微機(jī)系統(tǒng)添加接口卡時，必須避免端口地址發(fā)生沖突 申明保留的地址，不要使用 用戶可使用300H-31FH地址,I/O端口的地址譯碼,將來自地址總線上的地址代碼翻譯成為所需要訪問端口的選通信號

7、I/O端口地址譯碼電路結(jié)構(gòu) 譯碼電路的輸入信號 地址信號：由地址范圍決定 控制信號：數(shù)據(jù)流向（讀/寫）、數(shù)據(jù)寬度（8位/16位）、是否采用奇/偶地址和DMA傳送方式 譯碼電路的輸出信號：接口芯片的片選信號 端口的讀寫控制：輸入需要緩沖， 輸出需要鎖存,輸入緩沖電路,當(dāng)讀有效時，才將緩沖器中的三態(tài)門打開，使外設(shè)的數(shù)據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線 其它時間，三態(tài)門處于高阻狀態(tài)，不影響總線上的其它操作,微處理,器系統(tǒng),外部輸,入設(shè)備,A,0,B,0,A,1,B,1,A,2,B,2,A,3,B,3,A,4,B,4,A,5,B,5,A,6,B,6,A,7,B,7,E,DIR,2,3,4,5,6,7,8,9,18,

8、17,16,15,14,13,12,11,1,19,DIR=1,，,A,B,DIR=0,，,B,A,74LS245,輸出鎖存,選中鎖存器時，總線上的數(shù)據(jù)才能進(jìn)入鎖存器 此后不管總線上的數(shù)據(jù)（鎖存器輸入端）如何變化，只要沒有再次使鎖存器的信號有效，鎖存器的輸出端就一直保持原來鎖存的信息不變。,微處理,器系統(tǒng),外部輸,出設(shè)備,D,0,Q,0,D,1,Q,1,D,2,Q,2,D,3,Q,3,D,4,Q,4,D,5,Q,5,D,6,Q,6,D,7,Q,7,CLK,CL,R,3,4,7,8,13,14,17,18,2,5,6,9,12,15,16,19,74LS273,11,74LS32,+5V,1,I

9、/O地址譯碼方法,地址譯碼的方法靈活多樣 高位地址線與CPU的控制信號進(jìn)行組合，經(jīng)譯碼電路產(chǎn)生I/O接口芯片的片選信號CS，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的接口芯片尋址 低位地址線直接接到I/O接口芯片的地址引腳，進(jìn)行I/O接口芯片的片內(nèi)端口尋址,I/O端口地址譯碼電路設(shè)計(jì),譯碼電路的形式 固定式譯碼：接口中用到的端口地址不能更改 可選式譯碼：接口中用到的端口地址可以更改 譯碼電路采用的元器件來分 門電路譯碼 譯碼器譯碼 可編程邏輯器件譯碼,讀077AH端口地址譯碼電路,端口地址的二進(jìn)制形式,A15 A14 A1 A0,0000 0111 0111 1010,執(zhí)行 MOV DX，77AH INAL，DX,讀/寫操

10、作77AH端口地址的譯碼電路,IOW,W,77AH,74LS,32,1,1,1,R,77AH,1,譯碼器譯碼,A15A8為 譯碼器使能,A7A5決定 芯片端口范圍,A4A0選擇 芯片片內(nèi)端口,2A,G,G,DMACS,A,A,5,B,A,6,C,A,7,1,AEN,0,Y,INTRCS,1,Y,T/CCS,2,Y,PPICS,3,Y,4,Y,5,Y,6,Y,7,Y,2B,G,A,10,A,9,（中斷控制芯片）,CPU被動而外設(shè)主動的I/O操作方式，較大地提高了CPU的工作效率，并使系統(tǒng)具有了實(shí)時處理功能,中斷控制方式,數(shù)據(jù)緩沖,控制端口,外 設(shè),INTR,中斷可被響應(yīng)的條件： 中斷請求觸發(fā)器置

11、位；中斷屏蔽觸發(fā)器清零；CPU內(nèi)部開放中斷；CPU未處理更高級中斷；CPU現(xiàn)行指令執(zhí)行完,中斷工作過程,外設(shè)需要CPU服務(wù)時 外設(shè)I/O接口向CPU發(fā)中斷請求，INTR=H(中斷請求有效) CPU執(zhí)行完當(dāng)前指令后, (注: 若IF = 1) CPU I/O接口 外設(shè)發(fā)中斷響應(yīng)，/INTA = L CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序, CPUI/O接口外設(shè)讀寫數(shù)據(jù),DMA控制方式(存儲器直接存取),內(nèi)存與外設(shè)間有大量數(shù)據(jù)交換時，采用中斷方式，每傳送一次數(shù)據(jù)，就必須經(jīng)歷中斷處理的全部步驟，而且一般需要借助CPU內(nèi)部的寄存器作為中介 DMA方式：不用CPU的寄存器作傳數(shù)中介, 完成存儲器和外設(shè)間的直接傳數(shù)，CP

12、U必須將系統(tǒng)總線的控制權(quán)讓給DMAC,DMA方式原理方框圖,DB HOLD CPU HLDA AB,DMAC,MEM,I/O,DMA的工作流程,DMAC發(fā)存儲器地址,在總線上傳送數(shù)據(jù),傳送結(jié)束？,修改地址指針,DMA結(jié)束，交還總線權(quán),Y,N,6.5 基本輸入輸出接口,鍵盤/鼠標(biāo)接口 數(shù)碼管顯示接口 并行打印機(jī)接口,鍵盤接口,線性鍵盤：按鍵并聯(lián)方式與I/0端口連接 每一個按鍵需要占用I/O端口的一根口線 由程序處理按鍵的操作情況 矩陣鍵盤：按鍵按照行、列方式排列 比線性鍵盤節(jié)約I/0口線 非編碼鍵盤：CPU處理按鍵的操作，減低了CPU的效率 編碼鍵盤 ：專用的單片機(jī)處理按鍵操作，緩減了CPU的負(fù)

13、擔(dān),矩陣鍵盤結(jié)構(gòu),8,位,并行,輸入,端口,8,位,并行,輸出,端口,+5V,10k,10k,10k,10k,第,0,行,第,1,行,第,2,行,第,7,行,第,0,列,第,1,列,第,2,列,第,3,列,第,7,列,行掃描法（一）,第一步：判斷是否有鍵按下 輸出端口的各位都為低電平，即各列都為0 讀取輸入端口數(shù)據(jù)，如果輸入不等于FFH，則有鍵被按下,MOVAL，00H； MOVDX，OUTPORT； OUTDX，AL MOVDX，INPORT； IN AL，DX； CMPAL，0FFH,行掃描法(二）,第二步：確定按鍵號 確定按鍵的列數(shù)：輸出掃描值，使某一列為低電平，其它列為高電平；讀取行值

14、，看是否有行線處于低電平 確定按鍵的行數(shù)：循環(huán)右移行值，直到為0,行掃描法程序流程,是否有一行接地？,鍵盤,命令,處理,是,MOVBL，0 MOVDL，8 MOVCL，0FEH,MOV AL，CL OUT OUTPORT，AL,IN AL，INPORT CMPAL，0FFH,ROLAL，1 MOVCL，AL,RCR AL，1 JNC PROC INC BL,鍵值+1,微機(jī)鍵盤接口,最早的鍵盤接口是用8255實(shí)現(xiàn)的，而鼠標(biāo)則通過RS-232串口實(shí)現(xiàn) 目前微機(jī)系統(tǒng)的鍵盤/鼠標(biāo)是PS/2接口。 微機(jī)鍵盤單片機(jī) 自動地識別鍵的按下與釋放，自動生成相應(yīng)的掃描碼 并以串行方式發(fā)送掃描碼到主機(jī) 主機(jī)根據(jù)掃描

15、碼轉(zhuǎn)換為反映鍵功能的ASCII碼,鍵盤/鼠標(biāo)接口引腳定義,通過數(shù)據(jù)線DATA和時鐘線CLK兩根線， 就可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)和PS/2設(shè)備之間的通信,PS/2鍵盤接口時序,（a）是鍵盤向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時的PS/2接口時序圖 （b）是主機(jī)向PS/2鍵盤發(fā)送數(shù)據(jù)的時序圖,CLK,DATA,D,0,D,1,D,2,D,3,D,4,D,5,D,6,D,7,P,S,E,起始,校驗(yàn),停止,(a),(b),S,DATA,D,0,D,1,D,2,D,3,D,4,D,5,D,6,D,7,P,起始,校驗(yàn),停止,主機(jī),CLK,鍵盤,鍵盤的BIOS調(diào)用,DOS的1H、6H、7H、8H、0AH、0BH、0CH功能接收單個字符或字符

16、串，比INT 16H更方便 但I(xiàn)NT 16H一次可讀取一個字符的擴(kuò)充ASCII碼，而DOS功能調(diào)用需要兩次才能讀取1個字符的擴(kuò)充ASCII碼,INT 16H功能調(diào)用,MOV AH，0H；功能0，AX裝入字符代碼 INT16H；鍵盤BIOS中斷 CMPAL，0H；AL如果為0，AH為鍵盤擴(kuò)充ASCII碼 JE EXCD；是，轉(zhuǎn) JMPERR；否，轉(zhuǎn)錯誤處理 EXCD：CMP AH，3BH JEOPT1；轉(zhuǎn)F1鍵處理程序 CMPAH，3CH JEOPT2；轉(zhuǎn)F2鍵處理程序 CMPAH，3DH JE OPT3；轉(zhuǎn)F3鍵處理程序 ERR： OPT1: OPT2: OPT3:,數(shù)碼管顯示接口,共陰結(jié)構(gòu)

17、陰極控制端為低電平時，LED工作 輸入控制端為高電平時，對應(yīng)的發(fā)光管亮 共陽結(jié)構(gòu) 陽極控制端為高電平時，LED工作 輸入控制端為低電平時，對應(yīng)的發(fā)光管亮 段選碼,顯示譯碼器,七段顯示數(shù)碼管是由發(fā)光二極管按照一定的規(guī)則排列而成的,8421 BCD碼-七段顯示碼表,靜態(tài)顯示,段（發(fā)光二極管）恒定地導(dǎo)通或截止，直到顯示另一個字符為止 各個數(shù)碼管的輸入控制端相互獨(dú)立，并與接口電路的輸出端口相連 占用I/O端口資源多：數(shù)碼管的個數(shù)為M時，需要的接口口線數(shù)目為8M。所以顯示位數(shù)較多時，需要采用動態(tài)顯示方式,動態(tài)顯示,所有數(shù)碼管共享輸入控制端 需要的口線數(shù)8+數(shù)碼管的個數(shù)M 工作原理：動態(tài)地輪流點(diǎn)亮各個LE

18、D 位選碼：選擇被點(diǎn)亮的LED 段選碼：顯示什么字符 通常通過查找表的方式實(shí)現(xiàn),動態(tài)顯示例子,MOV DI，OFFSET DISDAT,MOV AL,DI; AL=17,LEA BX,TABLE,XLAT ; AL=76H “H”,OUT SEGPORT,AL ; AL=76H “H”,MOV AL,0DFH ; CL=1101,1111,76H,OUT BITPORT,AL ; AL=CL=1101,1111,0 1 1 1 1 1,INC DI MOV AL,DI ; AL=79H,H,79H,1 0 1 1 1 1,E,OUT SEGPORT,AL ; AL=79H “E”,ROR CL

19、 ; CL=1110,1111,OUT BITPORT,AL ; AL=CL=1110,1111,并行打印機(jī)接口,打印機(jī)提供了與微機(jī)系統(tǒng)相連的36芯Centronics連接器 微機(jī)上的并口采用的是DB25 最主要的信號：8根數(shù)據(jù)線，2根握手聯(lián)絡(luò)信號線/STROB和/ACK、1根狀態(tài)信號線BUSY,Centronics標(biāo)準(zhǔn)時序圖,BUSY,數(shù)據(jù)有效,DATA,數(shù)據(jù)有效,ACK,5,s,STROB,5,s,并行打印機(jī)接口框圖,D,0,D,7,DIR,AEN,IOR,A,0,A,9,IOW,IRQ,復(fù)位,寫數(shù)據(jù),讀數(shù)據(jù),寫控制,讀控制,讀狀態(tài),數(shù)據(jù)線,控制,線,狀態(tài)線,5,4,8,4,輸出數(shù)據(jù),寄存器,數(shù),據(jù),收,發(fā),器,命,令,譯,碼,器,輸入數(shù)據(jù),緩沖器,控制寄存器,狀態(tài)寄存,器,(2),狀態(tài)寄存,器,(1),集,電,極,驅(qū),動,器,打,印,機(jī),打印機(jī)端口,三個打印機(jī)接口，使用的起始端口地址分別為278H、378H、3BCH，每個打印機(jī)接口工作在基本模式時，各占用起始端口地址開始的3個連續(xù)端口地址 當(dāng)只配置一個打印機(jī)接口時，默認(rèn)的端口地址為378H-37FH，且378H為數(shù)據(jù)端口地址、379H為狀態(tài)端口地址、37AH為控制端口地址,控制寄存器格式,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,未定義,1,：有效,1,：數(shù)據(jù)口輸入模式,0,：數(shù)據(jù)口輸