微机原理基本IO接口

第五章 输入/输出接口本章主要知识点:1、输入/输出接口作用;2、I/O接口的基本结构;3、I/O端口的编址4、输入/输出指令及其寻址方式5、CPU与外设之间数据传送方式本章学习的重点：1、I/O端口的编址2、CPU与外设之间数据传送方式5.1输入/输出接口概述问题的提出:输入/输出接口在计算机系统中起什么作用?图5-1微型计算机的基本组成原理结构图输入/输出接口： CPU完成各种运算的原始数据如果要 求由外部设备提供，CPU是如何从外部设备取回数据? 如果CPU运算的结果要传送给外部设备，CPU如何传 送？解决的方法就是在外部设备与CPU之间架设一个“桥”，这个“桥”的作用就是把外部设备的数据和 运算方式与命令传递给中央处理器，等中央处理器完 成了给定的运算后按给定的要求再把结果传递外部设=n备。计算机通过这个“桥”-输入/输出接口与外部实 现信息或数据的交换。把介于主机和外设之间的电路称为I/O接口电路, 简称I/O接口。5. 1.1 I/O接口的作用主机与外界交换信息的中间电路称为输入/输出 (I/O) o主机与外界的信息交换是通过输入/输出设备进 行的。比如常规的外设有键盘、显示器、打印机、扫描 仪、磁盘机、鼠标器等。不同外设的信号形式、数据格式、运行速度也各不 相同。因此，外部设备不能与CPU直接相连，需要通过 相应的电路来完成它们之间的速度匹配、信号转换，并 完成某些控制功能。I/O接口与处理器和外部设备的连 接如图5. 2所示。图5.2主机与外设的连接5. 1.2 CPU与外设交换的信息主机与I/O设备之间交换的信息可分为数据信息、状 态信息和控制信息三类。1. 数据信息数据信息又分为数字量、模拟量和开关量三种形式。1）数字量数字量是计算机可以直接发送、接收和处理的数据。 例如，由键盘、显示器、打印机及磁盘等I/O外设与CPU 交换的信息，它们是以二进制形式表示的数或以ASCII码 表示的数符。2）模拟量当计算机应用于控制系统中时，输入的信息一般 为来自现场的连续变化的物理量，如温度、压力、流 量、位移、湿度等，这些物理量通过传感器并经放大 处理得到模拟电压或电流，这些模拟量必须先经过模 拟量到数字量的转换（A/D转换）后才能输入计算机。 反过来，计算机输出的控制信号都是数字量，也必须 先经过数字量到模拟量的转换（D/A转换），把数字量 转换成模拟量才能去控制现场。3）开关量开关量可表示两个状态，如开关的断开和闭合，I机器的运转与停止，阀门的打开与关闭等。这些开关 量通常要经过相应的电平转换才能与计算机连接。开 关量只用一位二进制数即可表示,也是数字量的一种形 式。2. 状态信息状态信息作为CPU与外设之间交换数据时的联络信 息，反映了当前外设所处的工作状态，是外设通过接 口送往CPU的。CPU通过对外设状态信号的读取，可得 知输入设备的数据是否准备好、输出设备是否空闲等 情况。因此，状态信息能够保障CPU与外设正确地进行 数据交换。3. 控制信息控制信息由CPU通过接口传送给外设，控制信息设 置外设（包括接口）的工作模式、控制外设的工作。如 外设的启动信号和停止信号就是常见的控制信息。控 制信息随外设的具体工作原理不同而含义不同。数据信息、状态信息和控制信息含义各不相同,但在微型计算机系统中，CPU通过接口和外设交换信息 时，只能用输入指令（IN）和输出指令（OUT）传送数据, 所以状态信息、控制信息也是被作为数据信息来传送 的，把状态信息作为一种输入数据，而把控制信息作 为一种输出数据。5. 1.3 I/O接口的基本结构I/O接口的基本结构如图5. 3所示。每个接口电路中 都包含一组寄存器，CPU与外设进行信息交换时，各类 信息在接口中存入不同的寄存器，一般称这些寄存器为 I/O端口，简称为口 (Port) o图5.3个典型的I/O接口、用来保存CPU和外设之间传送数据的数据寄存器称 为数据端口；用来存放外设或者接口部件本身状态的状 态寄存器称为状态端口；用来存放CPU发往外设的捽制 命令的控制寄存器称为控制端口。图5.3 个典型的I/O接口5.1.4 I/O接口的种类:1并行接口在计算机的I/O接口中满足多位数据同时 输入或输岀的接口称为并行接口。常见的并行 接口有8位或16位。基本结构如下图。外部信号/输出线典型的并行接口电路有8255、81552、串行接口计算机与外设的数 据交换一位一彳立地顺序传 送，只占用一条传输殘， 它可由两种方式来实现： 一种是将8位通道中的一 位依靠软件来实现串行数 据传送（如图中的D0-D7 中的某一位，按一定的时 间间隔来扌巴薮据转变成序 列脉冲的形式）；另一种 是通过专用的通讯接口， 蔣并行数转换串行数 据。典型的串行接口电路 有8251。接收方 o 1 6 7 DD D D118位数据线/X01DD :67DD发送方DYTBRS并行传送方式接收方OJTIWUQTno发送方图54串行传送方式3、脉冲/计数器（定时器）接口实现对外部事件的计数或要求对时间进行精确定 时 计数/定时器。计数由外部脉冲信号提供，当达 到设定的计数值时，输岀一个电平信号，告知外部设备 已经计满。定时可由计算机内部或外部提供一个标准的时钟 信号，当达到设定的定时时间后,输岀一个电平信号, 告知外部设备已经到时。典型的串行接口电路有8251。4、A/D (模/数)、D/A (数/模)转换器在工业过程控制中，经常要对温度、压力、流 量、浓度及位移等物理量进行计算机控制。通常， 先用传感器测量这些物理量，得到与之相应的模拟 电流或模拟电压，再通过A/D转换器(ADC)转换为相 应的数字信号，送入数字计算机处理。计算机处理 后的结果是数字量，若用它去控制外部模拟量执行 机构，则需通过D/A转换器(DAC)转换为相应的模拟 信号，去驱动执行机构工作。5、专用接口：不可编程，专用于一个目的 的接口电路；6、通用接口：可编程，通过编程可以实现多种功能和目的的接口电路;5.1.5微机外设对接口的要求：1、速度 数据位数3、是否可编程，通用还是专用5.1.6接口需满足的功能：1、选址功能:实现地址唯一性的要求；2、数据传输功能:实现CPU与接口之间的数据交换；3、传送命令的功能:实现CPU与向接口发出命令和接 口工作状态传送到CPU；5.2 I/O端口的编址（重点内容）I/O端口编址方式有两种：I/O端口与内存单元统一编址和I/O端口与内存单元独立编址。5. 2. 1 I/O端口与内存单元统一编址I/O端口按照存储单元的编址方法统一编排地址号I/O端口地址和存储单元地址共同构成一个统一的地址 空间。例如，对于一个有16根地址线的微机系统，若采 用统一编址方式，其地址空间的结构如图5. 5所示。OOOOHI XXXXHr (XXXX+1)H FFFFH存储器I/O 端口整个地 址空间图5.5 I/O端口与内存单元统一编址采用统一编址方式下，CPU对I/O端口的输入/输出 操作如同对存储单元的读/写操作一样，所有访问内存 的指令同样都可用于访问I/O端口，因此无需专门的 I/O指令，从而简化了指令系统的设计；同时，对存储 器的各种寻址方式也同样适用于对I/O端口的访问，给 使用者提供了很大的方便。但由于I/O端口占用了一部 分存储器地址空间，因而相对减少了内存的地址可用 范围。5. 2.2 I/O端口与内存单元独立编址（重点内容）在这种编址方式中，建立了两个地址空间，一个 为内存地址空间，一个为I/O地址空间。内存地址空间和I/O地址空间是相互独立的，通过控制线M/IQ来确定CPU到底要访问内存还是I/O端口。这种编址要求CPU与I/O端口之间进行数据传输时 使用专用的输入指令IN A, PORT和输出指令OUT PORT, Ao086微机系统采用独立编址方式在8086/8088系统中，共有20根地址线对内存寻址，内存的地址范围是00000HFFFFFH；用地址总线的低16位对I/O端口寻址，所以I/O端口的地址范围是0000HFFFFH,如图5. 6所示。00000H存储器0000HI/OFFFFHFFFFFH图5.6 I/O端口与内存单元独立编址OOOOH存储器FFFFFH I/OFFFFHOOOOOHI/O地址与内存地址的区分方法（重要概念）CPU在访问内存和外设时，M/IQ信号为1时，表示地址 总线上的地址是一个内存地址；为0时，则表示地址总 线上的地址是一个I/O端口地址。采用独立编址方式下，存储器地址与I/O可以重叠，由 M/IQ信号区别是访问的那个地址。5. 2.3 I/O端口的地址译码微机系统常用的I/O接口电路都被设计成通用的I/O接口芯片，都有一个片选信号线，如果片内有若干可寻 址的端口，则还需有地址线用于片内端口寻址的地址线。I/O端口地址译码的常见设计方法是用74LS138译码 器实现地址译码，将地址总线低位直接连到I/O接口芯片的相应地址引脚，实现片内寻址，即选中片内的端口 这样可以使片内端口地址号连续；而将地址总线高位接 译码器的控制端，实现地址的唯一性要求。5.3 CPU与外设之间数据传送方式5. 3.1程序控制方式1无条件传送无条件传送是一种最简单的输入/输出控制方法,用于控制CPU与低速I/O接口之间的信息交换，例如, 开关、继电器和速度、温度、压力、流量等变送器（即A/D转换器）。由于这些信号变化很缓慢，当需要 釆集这些数据时，外部设备已经把数据准备就绪，无需检查端口的状态，就可以立即采集数据。无条件传送：输入输出接口编程NEXT: MOV DX, 8000H;DX指向数据端口IN AL, DX;从输入端口读开关状态NOT AL;反相OUT DX, AL；送输出端口显示CALL DEALY;调子程序延时JMP NEXT;重复2.有条件（查询）传送有条件传送方式又称为程序查询方式。这种传送方式 在接口电路中，除具有数据缓冲器或数据锁存器外， 还应具有外设状态标志位，用来反映外部设备数据的 情况。比如，在输出时，若数据已准备好，则将该标 志位置位；输入时，若数据已空（数据已被取走），则 将标志位置位。在接口电路中，状态寄存器也占用端 口地址号。EJ有条件传送的优点是：能较好地协调外设与CPU之间的 定时关系；缺点是：CPU需要不断查询标志位的状态， 这将占用CPU较多的时间。为克服这一缺点，可以采用 中断控制方式。有条件(查询)传送的两个环节(1) 查询环节-寻址状态口-读取状态寄存器的标志位-若不就绪就继续查询，直至就绪(2) 传送环节输入状态数据交换-寻址数据口-是输入，通过输入指令从数据端口读入数据-是输出，通过输出指令向数据端 口输出数据查询输入接口例程MOV DX, S_PORTSTA: IN AL, DXTEST AL, 80HJZ STA;DX指向状态端口;读状态端口；测试标志位D7;D7=0,未就绪，继续査询MOV DX, D_PORT ； D7 = l,就绪,DX指向数据端口 IN AL, DX ；从数据端口输入数据查询输出接口例程MOV DX, S_PORT;DX指向状态端口STA: IN AL, DX;读取状态端口的状态数据TEST AL, 80H;测试标志位D7JNZ STA；D7 = l,未就绪，继续查询MOV DX, D_PORT;D7 = 0,就绪,DX指向数据端口MOV AL, BUF;变量bu储ALOUT DX, AL;将数据输出给数据端口3、中断控制方式（重点内容）有条件和无条件传送都难以满足实时控制系统对 I/O工作的要求。因为在查询方式中，CPU处于主动地 位，外设接口处于消极被查询的被动地位。而在一般实时控制系统中，外设要求CPU为它服务 是随机的，而且外设可有几个甚至几十个，若采用查 询方式工作，很难实现系统中每一个外设都工作在最 佳工作状态。中断是指：如果外部某一个接口或设备有 紧急的事务要求CPU暂 时中止处理当前的事 务，它就可以立刻向 CPU发出中断请求，主程序中断服务程序CPU而转去执行优先的中断服务程序，等处中断请求继续执行对中断进行处理理完这个紧急事务后CPU再回到刚才被打断的位置继续顺序执行。返回断点1)2)3)4)中断的特点:中断传送是一种效率更高的程序传送方式 进行传送的中断服务程序是预先设计好的 中断请求是外设随机向CPU提出的CPU对请求的检测是有规律的：一般是在每条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输入引脚5) 在一个具有多个外设的系统中，在同一时刻就 往往不止一个外设提出中断请求时，有中断优先权 管理和中断嵌套等问题。本课主要论述中断在输入和输出方面的应用5. 3. 2直接存储器存取(DMA)控制方式(了解内容)采用上述三种方式，传送信息需CPU执行传输程序来完成，都需CPU暂停执行当前程序。如果传输的1=数据量大，需占用大量的CPU时间如何处理?希望克服程序控制传送的不足:外设一CPU-存储器外设CPU存储器为了解决这个矛盾，微机都有不经CPU的干预，在专 用硬件电路的控制下实现数据在I/O接口与存储器之 间的直接高速传送数据功能。这种方法称为直接存储 器存取(Direct Meinory Access)。实现这种工作方 式的专用接口电路，称为DMA控制器(DMAC)。例如， Intel公司的8237, Motorola公司的MC6844等，都是 实现DMA方式的可编程DMA芯片。直接存储器存取DMA：外设一存储器 外设.存储器CPU释放总线(LOCH、ESC指令),由DMA控制器管理用DMA方式传送数据时，在存储器和外部设备之间, 直接开辟高速的数据传送通路。数据传送过程不要CPU 介入，只用一个总线周期，就能完成存储器和外部设 备之间的数据传送。因此，数据传送速度仅受存储器 的存取速度和外部设备传输特性的限制。DMA方式主要用于:(1)硬盘和软盘I/O。(2)快速通信通道I/O。(3)多处理机和多程序数据块传送。