1、第5章 輸入輸出接口,5.1 微機(jī)接口及接口技術(shù) 5.2 I/O端口及其編址方式 5.3 端口地址譯碼 5.4 CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式,5.1 微機(jī)接口及接口技術(shù),5.1.1.為什么要設(shè)置接口電路 5.1.2 接口電路中的信息 5.1.3 接口的基本功能 5.1.4 接口的基本結(jié)構(gòu),返 回,5.1.1.為什么要設(shè)置接口電路,CPU與外設(shè)兩者的信號線不兼容，在信號線功能定義、邏輯定義和時序關(guān)系上都不一致 兩者的工作速度不兼容，CPU速度高，外設(shè)速度低 若不通過接口，而由CPU直接對外設(shè)的操作實施控制，就會使CPU處于窮于應(yīng)付與外設(shè)打交道之中，大大降低CPU的效率 若外部設(shè)備直接由CPU控

2、制，也會使外設(shè)的硬件結(jié)構(gòu)依賴于CPU，對外設(shè)本身的發(fā)展不利。,DB AB CB,圖1-1微機(jī)系統(tǒng)各類接口框圖,返 回,5.1.2 接口電路中的信息,數(shù)據(jù)信息 狀態(tài)信息 控制信息 習(xí)慣上把分別傳送這三種信息的端口稱為數(shù)據(jù)口、狀態(tài)口、控制口,1數(shù)據(jù)信息,（1）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、磁盤、光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。 （2）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。 （3）開關(guān)量： 用“0”

3、和“1”來表示兩種狀態(tài)，如開關(guān)的通/斷、電機(jī)的轉(zhuǎn)/停、閥門的開/關(guān)等。,2狀態(tài)信息,CPU在傳送數(shù)據(jù)信息之前，經(jīng)常需要先了解外設(shè)當(dāng)前的狀態(tài)。如輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好、輸出設(shè)備是否忙等。 用于表征外設(shè)工作狀態(tài)的信息就叫做狀態(tài)信息，它總是由外設(shè)通過接口輸入給CPU的。 狀態(tài)信息的長度不定，可以是1個二進(jìn)制位或多個，含義也隨外設(shè)的具體情況不同而不同。,3控制信息,用來發(fā)布控制命令、控制外設(shè)工作的信息，例如A/D轉(zhuǎn)換器的啟停信號。 控制信息總是CPU通過接口發(fā)出的。,返 回,5.1.3 接口的基本功能,1 數(shù)據(jù)緩沖功能 2 端口選擇功能 3. 信號轉(zhuǎn)換功能 4 接收和執(zhí)行CPU命令的功能 5. 中斷

4、管理功能 6 可編程功能 7. 返回外設(shè)狀態(tài)的功能 8. 數(shù)據(jù)寬度與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的功能,1. 數(shù)據(jù)緩沖功能,接口電路中一般都設(shè)置有數(shù)據(jù)寄存器或鎖存器數(shù)據(jù)口，以解決高速的主機(jī)與低速的外設(shè)之間的速度匹配問題，避免因主機(jī)與外設(shè)的速度不匹配而丟失數(shù)據(jù)。,2 端口選擇功能,微機(jī)系統(tǒng)中常有多個外設(shè)，而CPU在任一時刻只能與一個端口交換信息，因此需要通過接口的地址譯碼電路對端口進(jìn)行尋址。,3. 信號轉(zhuǎn)換功能,外設(shè)所提供的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信號可能與微機(jī)的總線信號不兼容，所以接口電路應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換。,4 接收和執(zhí)行CPU命令的功能,CPU對外設(shè)的控制命令一般以代碼形式輸出到接口電路的控制端口，接口電路對命

5、令代碼進(jìn)行識別、分析，分解成若干控制信號，傳送到I/O設(shè)備，并產(chǎn)生相應(yīng)的具體操作。,5. 中斷管理功能,當(dāng)外設(shè)需要及時得到CPU的服務(wù)，特別是出現(xiàn)故障需要CPU立即處理時，就要求接口中設(shè)置中斷控制器，以便于CPU處理有關(guān)中斷事務(wù)（如中斷請求、中斷優(yōu)先級排隊、提供中斷向量等）。,6 可編程功能,由于I/O接口電路大多由可編程接口芯片組成，因此就有可能在不改變硬件電路的情況下，只要修改接口驅(qū)動程序就可以改變接口的工作方式，提高了接口的靈活性和可擴(kuò)充性，使接口向智能化方向發(fā)展。,7. 返回外設(shè)狀態(tài)的功能,接口電路在執(zhí)行命令之前、執(zhí)行命令過程中和執(zhí)行命令之后，外部設(shè)備及接口電路都會有一些情況發(fā)生，包括

6、正常工作狀態(tài)和故障狀態(tài)。 “忙”、“閑”、“準(zhǔn)備就緒”、“未準(zhǔn)備就緒”、“滿”、“空”、“溢出錯”、“格式錯”等 接口中一般都設(shè)置狀態(tài)寄存器，稱“狀態(tài)口”。狀態(tài)信號以狀態(tài)代碼形式存放在接口電路的狀態(tài)寄存器中。 CPU從狀態(tài)口讀取狀態(tài)信息，供CPU作出判斷與處理。,8. 數(shù)據(jù)寬度與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的功能,CPU所處理的是并行數(shù)據(jù)，而有的外設(shè)只能處理串行數(shù)據(jù)，接口應(yīng)具有數(shù)據(jù)“并串”、 “串并”的轉(zhuǎn)換能力。 CPU與有些外設(shè)交換數(shù)據(jù)時，要求按照一定的數(shù)據(jù)格式傳送，所以在CPU與通信設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。,返 回,5.1.4接口的基本結(jié)構(gòu),1端口 2地址譯碼電路 3數(shù)據(jù)緩沖器與鎖存器,1端口,I/O接

7、口通常設(shè)置有若干個寄存器，用來暫存CPU和外設(shè)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息。 一般有三類寄存器，分別是數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器、控制寄存器。 接口內(nèi)的寄存器通常被稱為端口。根據(jù)寄存器內(nèi)暫存信息的類型，分別稱為數(shù)據(jù)端口、控制端口和狀態(tài)端口。 每個端口有一個獨立的地址，CPU可以用端口地址代碼來區(qū)別各個不同的端口，并對它們分別進(jìn)行讀/寫操作。,2地址譯碼電路,它由譯碼器或能實現(xiàn)譯碼功能的其它芯片構(gòu)成。 它的作用是進(jìn)行設(shè)備選擇，是接口中不可缺少的部分。這部分電路不包含在集成接口芯片中，要由用戶自行設(shè)計。,3數(shù)據(jù)緩沖器與鎖存器,在微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線上，連接著許多能夠向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備，如內(nèi)存儲器、

8、外設(shè)的數(shù)據(jù)輸入端口等。 為了不使系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的信號傳輸發(fā)生“信息沖突”，要求所有的這些連接到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的設(shè)備具有三態(tài)輸出的功能。 也就是說，在CPU選中該設(shè)備時，它能向系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線發(fā)送數(shù)據(jù)信號，而在其它時刻，它的輸出端必須呈高阻狀態(tài)。為此，所有接口的輸入端口必須通過三態(tài)緩沖器與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。,返 回,5.2 I/O端口及其編址方式,5.2.1 I/0端口 5.2.2 I/O端口的編址方式 5.2.3 I/O端口地址分配,返 回,5.2.1 I/0端口,端口（port）是接口電路中能被CPU直接訪問的寄存器的地址。 計算機(jī)給接口電路中的每個寄存器分配一個端口，因此,CPU在訪問這些寄存器時

9、，只需指明它們的端口，不需指出是什么寄存器。 CPU對數(shù)據(jù)端口進(jìn)行一次讀或?qū)懖僮?，也就是與該接口連接的外設(shè)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸 CPU對狀態(tài)端口進(jìn)行一次讀操作，就可以獲得外設(shè)或接口自身的狀態(tài)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設(shè)發(fā)出一個控制命令，要求該接口或外設(shè)按規(guī)定的要求工作,返 回,5.2.2 I/O端口的編址方式,1 端口地址和存儲器地址統(tǒng)一編址，也稱存儲器映射方式 2 I/O端口地址和存儲器地址分開獨立編址，也稱I/O映射方式,1 統(tǒng)一編址方式,從存儲器空間劃出一部分地址空間給I/O設(shè)備，把I/O接口中的端口當(dāng)作存儲器單元一樣進(jìn)行訪問，不設(shè)置專門的I/O指令 優(yōu)點

10、： 訪問I/O端口可實現(xiàn)輸入/輸出操作，還可以對端口內(nèi)容進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算、移位等等； 能給端口有較大的編址空間，這對大型控制系統(tǒng) 和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是很有意義的； 缺點： 端口占用了存儲器的地址空間，使存儲器容量減?。?指令長度比專門I/O指令要長，因而執(zhí)行速度較慢；,2 獨立編址方式,I/O端口地址空間和存儲器地址空間是獨立的、分開的，即I/O端口地址不占用存儲器地址空間。 優(yōu)點 I/O端口地址不占用存儲器空間； 使用專門的I/O指令對端口進(jìn)行操作，I/O指令短、執(zhí)行速度快； 并且由于專門I/O指令與存儲器訪問指令有明顯的區(qū)別，使程序中I/O操作和存儲器操作層次清晰，程序的可讀性強(qiáng)。 缺點 這種

11、編址方式中，微處理器對存儲器及I/O端口是采用不同的控制線進(jìn)行選擇的，因而接口電路比較復(fù)雜。,圖解,訪問存儲單元用地址總線A19A0，全譯碼后得到00000HFFFFFH共1MB地址空間. I/O端口只利用其中的一部分地址線，即A15A0地址線，可譯出0000HFFFFH共64KB個I/O端口地址. 由于端口是與存儲器隔離的，所以用戶可擴(kuò)展存儲器到最大容量，而不必為I/O端口留出地址空間.,返 回,5.2.3 I/O端口地址分配,表5-1中分配給每個接口芯片的I/O端口地址，在實際使用中并未全部用完。 中斷控制器8259A，只使用了前面2個端口地址，20H、21H（主片）和A0H，A1H（從片

12、）。 并行接口芯片8255A，只使用了前面4個端口地址60H63H。 使用端口地址最多的DMA控制芯片8237A，也只用了前面的16個地址（0FH）。,表5-2擴(kuò)展槽上接口控制卡的端口地址,從表5-2中，可以看到允許用戶使用的端口地址是300H31FH。這一段地址是留給用戶在開發(fā)IBM-PC系列機(jī)功能模塊（插板）時使用的端口地址，系統(tǒng)是不會占用它的。 除在表5-1和表5-2中已經(jīng)分配了的I/O地址之外，其余的地址均由廠商保留使用。,I/O端口地址選用的原則,凡是被系統(tǒng)配置所占用了的地址一律不能使用 原則上講，未被占用的地址，用戶可以選用，但對計算機(jī)廠家申明保留的地址，不要使用，否則會發(fā)生I/O

13、地址重疊和沖突，造成用戶開發(fā)的產(chǎn)品與系統(tǒng)不兼容而失去使用價值 一般，用戶可使用30031FH地址,返 回,5.3 端口地址譯碼,5.3.1 門電路譯碼 5.3.2 譯碼器譯碼 5.3.3 比較器譯碼,返 回,5.3.1 門電路譯碼,這是最基本的也是最簡單的地址譯碼方法通常采用各種門電路，如與門、或門、非門等電路的組合。 設(shè)計時首先分配好地址，然后寫成二進(jìn)制形式，再根據(jù)地址總線數(shù)分配各與非門輸入管腳地址。 門電路譯碼需要芯片種類較多，且譯出的端口地址單一，接口中用到的端口地址不能更改。,例5-1,例5-1使用74LS20/30/32和74LS04設(shè)計I/O端口地址為3D8H的只讀譯碼電路。 若要

14、產(chǎn)生3D8H端口地址，則譯碼電路的輸入地址線就應(yīng)具有如表5-3所示的值。,表5-3 譯碼電路輸入地址線的值,例5-1設(shè)計,按照表5-3中地址線的值，采用門電路就可以設(shè)計出譯碼電路，如圖5-3所示。,圖5-3 簡單譯碼電路,更改例5-3端口地址為2E2H的譯碼電路,Y（讀） Y（寫）,0010 1110 0010,返 回,5.3.2 譯碼器譯碼,若接口電路中需使用多個端口地址，則采用譯碼器譯碼比較方便。 譯碼器的型號很多，如38譯碼器74LS138；416譯碼器74LS154；雙24譯碼器74LS139、74LS155等。 這些譯碼器通常由三個部分組成：譯碼控制端，選擇輸入端，譯碼輸出端。,74

15、LS137管腳定義,表5-4 74LS138的真值表,當(dāng)G1=1、G2A+G2B=0時，譯碼器處于工作狀態(tài)，否則譯碼器被禁止，所有的輸出端被封鎖在高電平。這三個控制端也叫片選輸入端，利用片選的作用可以將多片連接起來以擴(kuò)展譯碼器的功能。,74LS138,例5-2,使用74LS138設(shè)計一個系統(tǒng)板上接口芯片的I/O端口地址譯碼電路，并且讓每個接口芯片內(nèi)部的端口數(shù)目為32個。 分析： 由于系統(tǒng)板上的I/O端口地址分配在0000FFH范圍內(nèi)，故只使用低8位地址線，這意味著A9和A8兩位應(yīng)賦0值。為了讓每個被選中的芯片內(nèi)部擁有32個端口，只要留出5根低位地址線不參加譯碼，其余的高位地址線作為74LS13

16、8的輸入線，參加譯碼，或作為74LS138的控制線與AEN一起，控制74LS138的譯碼是否有效。由上述分析，可以得到譯碼電路輸入地址線的值，如表5-5所示。 設(shè)計： 采用74LS138譯碼器，可設(shè)計PC機(jī)系統(tǒng)板上的端口地址譯碼電路，如圖5-5所示。圖中地址線的高5位參加譯碼，其中A5A7經(jīng)譯碼器，分別產(chǎn)生 (8237)、 (8259)、 (8253)、 (8255A)的片選信號，而地址線的低5位A0A4作芯片內(nèi)部寄存器的訪問地址。從74LS138譯碼器的真值表可知，8237A的端口地址范圍是00001FH，8259A的端口地址范圍是02003FH等等，正好和前面表5-1所列出的端口地址分配表

17、一致。,表5-5 譯碼電路輸入地址線的值,例5-2電路,返 回,5.3.3 比較器譯碼,將比較器的A(或B)輸入端輸入地址信號，B(或A)端接一組DIP(Dual In-line Package)開關(guān)。地址總線所送的地址與DIP所設(shè)置的地址相等時，產(chǎn)生一選通信號輸出。 特點 可以通過改變DIP開關(guān)的設(shè)置，很容易地改變接口的地址。 不但同一功能的模塊在不同微型計算機(jī)應(yīng)用中可以被分配不同的地址，而且即使在同一微型計算機(jī)系統(tǒng)中，也可通過改變DIP開關(guān)的設(shè)置而控制不同的設(shè)備.。 這種譯碼電路應(yīng)用非常廣泛，常用的比較器有四位比較器74LS85和八位比較器74LS688。,四位比較器譯碼電路,返 回,5.

18、4 CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式,5.4.1 程序控制方式 5.4.2 中斷傳送方式 5.4.3 直接存儲器存取方式,返 回,5.4.1 程序控制方式,程序控制方式是指CPU與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送是在程序的控制下完成的一種數(shù)據(jù)傳送方式。 分為兩種 1. 無條件傳送方式 2. 查詢傳送方式,1. 無條件傳送方式,所謂無條件，就是假設(shè)外設(shè)已處于就緒狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳送時，程序就不必再去查詢外設(shè)的狀態(tài)，而直接執(zhí)行I/O指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 當(dāng)簡單外設(shè)作為輸入設(shè)備時，其輸入數(shù)據(jù)的保持時間相對于CPU的處理時間要長得多，所以可直接使用三態(tài)緩沖器與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。 當(dāng)簡單外設(shè)作為輸出設(shè)備時，由于外設(shè)的速度較慢，C

19、PU送出的數(shù)據(jù)必須在接口中保持一段時間，以適應(yīng)外設(shè)的動作，因此輸出采用鎖存器。,無條件傳送方式的接口電路,2查詢傳送方式,查詢傳送方式在傳送數(shù)據(jù)前先查詢外設(shè)的狀態(tài)，當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好時，CPU執(zhí)行I/O指令傳送數(shù)據(jù)；若未準(zhǔn)備好時，則CPU等待。 要求CPU與外設(shè)間的接口電路需要兩個端口：數(shù)據(jù)端口和狀態(tài)端口。 優(yōu)點：能較好地協(xié)調(diào)外設(shè)與CPU之間的定時關(guān)系，因而比無條件傳送方式容易實現(xiàn)準(zhǔn)確傳送。 缺點:該方式需要不斷查詢外設(shè)的狀態(tài)，大量時間花在等待循環(huán)中，當(dāng)主機(jī)與中、低速外設(shè)交換信息時，大大降低了CPU利用率。,數(shù)據(jù)端口譯碼輸出,DB,M/IO,查詢傳送方式輸入接口電路,例5-3,設(shè)接口電路中狀態(tài)端口的地址為STATUS，數(shù)據(jù)端口的地址為DATA，則CPU讀取輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)應(yīng)執(zhí)行下列程序段： POLL: IN AL, STATUS ； TE