微機(jī)原理及接口

1、第第7章章 I/O接口總論接口總論7.1 I/O接口概述接口概述7.2 I/O端口端口7.3 CPU與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式7.1 I/O接口概述接口概述一、一、I/O接口及接口技術(shù)的概念接口及接口技術(shù)的概念接口：接口：指指CPU和存儲(chǔ)器、外部設(shè)備或者兩種外部設(shè)備之間，或和存儲(chǔ)器、外部設(shè)備或者兩種外部設(shè)備之間，或者兩種機(jī)器之間通過系統(tǒng)總線進(jìn)行連接的邏輯部件（或稱電路者兩種機(jī)器之間通過系統(tǒng)總線進(jìn)行連接的邏輯部件（或稱電路），它是），它是CPU與外界進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站。與外界進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站。接口技術(shù)：接口技術(shù)：是專門研究是專門研究CPU與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送方式、與外

2、部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送方式、接口電路工作原理和使用方法的一門技術(shù)，其采用硬件與軟件接口電路工作原理和使用方法的一門技術(shù)，其采用硬件與軟件相結(jié)合的方法，研究相結(jié)合的方法，研究CPU如何與外部設(shè)備進(jìn)行最佳耦合，以便如何與外部設(shè)備進(jìn)行最佳耦合，以便在在CPU與外部設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)高效、可靠的信息交換。與外部設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)高效、可靠的信息交換。7.1 I/O接口概述接口概述CPU與外部設(shè)備之間交換的信息類型：與外部設(shè)備之間交換的信息類型：1.數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息 數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)是CPU與外部設(shè)備之間交換最多的一類信息，微機(jī)中的與外部設(shè)備之間交換最多的一類信息，微機(jī)中的數(shù)據(jù)通常為數(shù)據(jù)通常為8位、位、16位或位或32位。

3、位。2.狀態(tài)信息狀態(tài)信息 狀態(tài)信息反映了當(dāng)前外部設(shè)備的工作狀態(tài)，是狀態(tài)信息反映了當(dāng)前外部設(shè)備的工作狀態(tài)，是CPU與外部設(shè)與外部設(shè)備之間進(jìn)行信息交換時(shí)的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。備之間進(jìn)行信息交換時(shí)的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。3.控制信息控制信息 控制信息是控制信息是CPU對(duì)外部設(shè)備發(fā)出的控制命令，以設(shè)置外部設(shè)對(duì)外部設(shè)備發(fā)出的控制命令，以設(shè)置外部設(shè)備的工作方式等。備的工作方式等。7.1 I/O接口概述接口概述二、二、I/O接口的主要功能接口的主要功能1地址譯碼或設(shè)備選擇功能地址譯碼或設(shè)備選擇功能 在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通常會(huì)有多個(gè)外部設(shè)備同時(shí)與主機(jī)相連在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通常會(huì)有多個(gè)外部設(shè)備同時(shí)與主機(jī)相連，而，而CPU在同一時(shí)刻只能

4、與一個(gè)外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。因此在同一時(shí)刻只能與一個(gè)外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。因此I/O接口電路應(yīng)該能夠通過地址譯碼選擇相應(yīng)設(shè)備，只有被選中接口電路應(yīng)該能夠通過地址譯碼選擇相應(yīng)設(shè)備，只有被選中的設(shè)備才能與的設(shè)備才能與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或通信。進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或通信。2數(shù)據(jù)緩沖功能數(shù)據(jù)緩沖功能 外部設(shè)備的數(shù)據(jù)處理速度通常都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于外部設(shè)備的數(shù)據(jù)處理速度通常都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CPU的數(shù)據(jù)處理速的數(shù)據(jù)處理速度，因此在度，因此在CPU與外部設(shè)備間進(jìn)行交換數(shù)據(jù)時(shí)，為了避免因速與外部設(shè)備間進(jìn)行交換數(shù)據(jù)時(shí)，為了避免因速度不匹配而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，在接口電路中一般都設(shè)有數(shù)據(jù)寄存度不匹配而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，在接口電路中一般都設(shè)有數(shù)據(jù)寄

5、存器或鎖存器來緩沖數(shù)據(jù)信息，同時(shí)還提供器或鎖存器來緩沖數(shù)據(jù)信息，同時(shí)還提供“準(zhǔn)備好準(zhǔn)備好”、“忙忙”、“閑閑”等狀態(tài)信號(hào)，以便向等狀態(tài)信號(hào)，以便向CPU報(bào)告外部設(shè)備的工作狀態(tài)。報(bào)告外部設(shè)備的工作狀態(tài)。7.1 I/O接口概述接口概述3輸入輸入/輸出功能輸出功能 外部設(shè)備通過外部設(shè)備通過I/O接口電路實(shí)現(xiàn)與接口電路實(shí)現(xiàn)與CPU之間的信息交換，之間的信息交換，CPU通過向通過向I/O接口寫入命令控制其工作方式，通過讀入命令可接口寫入命令控制其工作方式，通過讀入命令可以隨時(shí)監(jiān)測、管理以隨時(shí)監(jiān)測、管理I/O接口和外部設(shè)備的工作狀態(tài)。接口和外部設(shè)備的工作狀態(tài)。4信息轉(zhuǎn)換功能信息轉(zhuǎn)換功能 由于外部設(shè)備所需要

6、的信息格式往往與由于外部設(shè)備所需要的信息格式往往與CPU的信息格式不一的信息格式不一致，因此需要接口電路能夠進(jìn)行相應(yīng)的信息格式變換。如正負(fù)致，因此需要接口電路能夠進(jìn)行相應(yīng)的信息格式變換。如正負(fù)邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換、時(shí)序配合上的轉(zhuǎn)換、電平匹配轉(zhuǎn)換、串邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換、時(shí)序配合上的轉(zhuǎn)換、電平匹配轉(zhuǎn)換、串 并行并行轉(zhuǎn)換等。轉(zhuǎn)換等。7.1 I/O接口概述接口概述三、三、I/O接口的基本結(jié)構(gòu)與分類接口的基本結(jié)構(gòu)與分類1I/O接口的基本結(jié)構(gòu)接口的基本結(jié)構(gòu) I/O接口一般都由接口一般都由端口寄存器端口寄存器和和控制邏輯控制邏輯兩大部分組成，每兩大部分組成，每部分又包含幾個(gè)基本模塊，如圖部分又包含幾個(gè)基本模塊，如圖7.2

7、所示。所示。7.1 I/O接口概述接口概述2接口分類接口分類 I/O接口電路從不同角度可分為以下接口電路從不同角度可分為以下4種。種。（1）按數(shù)據(jù)傳送方式分類，可分為并行接口和串行接口；）按數(shù)據(jù)傳送方式分類，可分為并行接口和串行接口；（2）按功能選擇的靈活性分類，可分為可編程接口和不可編程）按功能選擇的靈活性分類，可分為可編程接口和不可編程接口；接口；（3）按通用性分類，可分為通用接口和專用接口；）按通用性分類，可分為通用接口和專用接口；（4）按數(shù)據(jù)控制方式分類，可分為程序型接口和）按數(shù)據(jù)控制方式分類，可分為程序型接口和DMA型接口。型接口。 近年來，由于大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，近年

8、來，由于大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，I/O接接口電路大多采用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，并向智能化、系口電路大多采用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，并向智能化、系列化和一體化方向發(fā)展。列化和一體化方向發(fā)展。7.2 I/O端口端口 每個(gè)接口電路內(nèi)部都有若干個(gè)寄存器，分別用來存儲(chǔ)不同每個(gè)接口電路內(nèi)部都有若干個(gè)寄存器，分別用來存儲(chǔ)不同類型的信息。一般稱這些寄存器為類型的信息。一般稱這些寄存器為I/O端口（端口（PORT），每個(gè)端），每個(gè)端口對(duì)應(yīng)一個(gè)口對(duì)應(yīng)一個(gè)I/O端口地址。端口地址。數(shù)據(jù)端口：數(shù)據(jù)端口：數(shù)據(jù)緩沖寄存器用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)緩沖寄存器用來存儲(chǔ)CPU與外部設(shè)備之間傳送與外部設(shè)備之間傳送的數(shù)據(jù)信息。的

9、數(shù)據(jù)信息。狀態(tài)端口：狀態(tài)端口：狀態(tài)寄存器用來存放外部設(shè)備或接口部件的狀態(tài)，狀態(tài)寄存器用來存放外部設(shè)備或接口部件的狀態(tài)，CPU通過狀態(tài)端口來檢測外部設(shè)備和接口部件的當(dāng)前工作狀態(tài)通過狀態(tài)端口來檢測外部設(shè)備和接口部件的當(dāng)前工作狀態(tài)。控制端口：控制端口：控制寄存器用于存放控制寄存器用于存放CPU發(fā)出的命令，以便控制接發(fā)出的命令，以便控制接口和外部設(shè)備的動(dòng)作?？诤屯獠吭O(shè)備的動(dòng)作。 CPU與外部設(shè)備之間的信息傳送就是通過對(duì)與外部設(shè)備之間的信息傳送就是通過對(duì)I/O接口的端口接口的端口地址進(jìn)行讀寫操作來完成的。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)這些端口的訪問，就地址進(jìn)行讀寫操作來完成的。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)這些端口的訪問，就是所謂是所謂I/O

10、端口尋址問題。端口尋址問題。7.2 I/O端口端口一、一、I/O端口的編址方式端口的編址方式1統(tǒng)一編址統(tǒng)一編址 統(tǒng)一編址就是將統(tǒng)一編址就是將I/O端口地址與存儲(chǔ)單元一起編址，端口地址與存儲(chǔ)單元一起編址，I/O端口端口占用部分內(nèi)存地址空間，占用部分內(nèi)存地址空間，I/O端口可看作是存儲(chǔ)器的一部分。端口可看作是存儲(chǔ)器的一部分。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：由于使用訪問存儲(chǔ)器的指令訪問由于使用訪問存儲(chǔ)器的指令訪問I/O端口，因而指令類型端口，因而指令類型多，功能齊全。多，功能齊全。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：端口占用了部分存儲(chǔ)器地址空間，使存儲(chǔ)器容量減少；端口占用了部分存儲(chǔ)器地址空間，使存儲(chǔ)器容量減少； 指令長度比專門的指令長度比專門

11、的I/O指令要長，因而執(zhí)行時(shí)間較長；指令要長，因而執(zhí)行時(shí)間較長； 由于訪問存儲(chǔ)器的指令和訪問由于訪問存儲(chǔ)器的指令和訪問I/O端口的指令形式上完全端口的指令形式上完全相同，也不易于程序的閱讀和理解。相同，也不易于程序的閱讀和理解。7.2 I/O端口端口2獨(dú)立編址獨(dú)立編址 獨(dú)立編址方式是指獨(dú)立編址方式是指I/O端口地址和存儲(chǔ)單元地址各自獨(dú)立編端口地址和存儲(chǔ)單元地址各自獨(dú)立編址，如址，如80 x86 CPU系統(tǒng)就是采用了這種編址方式。對(duì)系統(tǒng)就是采用了這種編址方式。對(duì)I/O端口的端口的操作使用輸入操作使用輸入/輸出指令輸出指令I(lǐng)N和和OUT。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：在于在于I/O端口地址不占用存儲(chǔ)器空間，而且有專

12、門的端口地址不占用存儲(chǔ)器空間，而且有專門的I/O指令對(duì)端口進(jìn)行操作，指令對(duì)端口進(jìn)行操作，I/O指令短，執(zhí)行速度快，同時(shí)指令短，執(zhí)行速度快，同時(shí)I/O指令指令與存儲(chǔ)器訪問指令有明顯的區(qū)別，便于程序的閱讀和理解。與存儲(chǔ)器訪問指令有明顯的區(qū)別，便于程序的閱讀和理解。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：是訪問是訪問I/O端口的指令功能較弱，一些操作必須由端口的指令功能較弱，一些操作必須由I/O設(shè)設(shè)備先輸入到備先輸入到CPU的寄存器后才能進(jìn)行。的寄存器后才能進(jìn)行。7.2 I/O端口端口二、二、I/O指令指令1輸入指令輸入指令（1）直接尋址的輸入指令指令格式及操作：IN AL/AX,PORT該指令把8位或16位的數(shù)據(jù)直接由輸入端口

13、PORT（地址為0255）輸入到AL或AX寄存器中。例如：IN AL,0FFH ; 從字節(jié)端口0FFH讀一個(gè)字節(jié)到AL中（2）間接尋址的輸入指令 指令格式及操作：IN AL/AX,DX該指令把8位或16位的數(shù)據(jù)由DX寄存器指定的端口地址輸入到AL或AX寄存器中。例如：MOV DX,300HIN AX,DX; 從字節(jié)端口300H讀一個(gè)字節(jié)到AX中7.2 I/O端口端口2輸出指令輸出指令（1）直接尋址的輸出指令指令格式及操作：OUT PORT,AL/AX該指令把AL（8位）或AX（16位）的數(shù)據(jù)直接輸出到PORT指定的輸出端口地址（0255）。例如：OUT 80H,AL ; 把AL的內(nèi)容寫到端口8

14、0H中（2）間接尋址的輸出指令 指令格式及操作：OUT DX,AL/AX該指令把AL（8位）或AX（16位）的數(shù)據(jù)送到由DX寄存器指定的輸出端口。例如：MOV DX,310HOUT DX,AL ; 把AL的內(nèi)容寫到端口310H中7.2 I/O端口端口四、四、I/O端口地址譯碼端口地址譯碼 I/O端口地址譯碼的方法有多種。一般譯碼原則是把地址分為兩部分： 一部分是高位地址線與CPU的控制信號(hào)組合，通過譯碼產(chǎn)生I/O接口芯片的片選信號(hào)，實(shí)現(xiàn)片間尋址； 另一部分是低位地址線直接連到I/O接口芯片，實(shí)現(xiàn)片內(nèi)尋址，即訪問片內(nèi)寄存器。片內(nèi)地址線片內(nèi)地址線的連接比較簡單，只需要將芯片的地址輸入線與系統(tǒng)地址總

15、線的相應(yīng)片內(nèi)地址線一一相連即可；片選地址線片選地址線的連接比較復(fù)雜，有多種地址譯碼方式。通常按譯碼電路的形式可分為固定式固定式和可選式可選式譯碼。7.2 I/O端口端口1. 固定式端口地址譯碼固定式端口地址譯碼固定式譯碼：是指接口中用到的端口地址由硬件連線決定，不能更改。這種譯碼方式多用于不需改變端口地址的場合，當(dāng)只需要一個(gè)端口地址時(shí)，可采用門電路構(gòu)成譯碼電路。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)“讀2F8H端口”的電路，其電路如圖7.3所示。7.2 I/O端口端口 當(dāng)接口電路中需要多個(gè)端口地址時(shí)，一般采用譯碼器進(jìn)行譯碼。譯碼器的種類很多，常用的譯碼器有2-4譯碼器74LS139、3-8譯碼器74LS138、4-1

16、6譯碼器74LS154等。如圖7.4所示的是IBM-PC機(jī)中采用74LS138譯碼產(chǎn)生I/O地址的邏輯圖。7.2 I/O端口端口2. 開關(guān)式可選地址譯碼開關(guān)式可選地址譯碼當(dāng)系統(tǒng)要求I/O接口芯片的地址能適應(yīng)不同場合的地址分配或需要為系統(tǒng)以后擴(kuò)展留有余地時(shí)，常常采用開關(guān)式可選地址譯碼方式。這種譯碼方式可以通過開關(guān)使接口卡的I/O端口地址根據(jù)要求加以改變而無需改動(dòng)線路，其電路結(jié)構(gòu)形式有兩種。7.2 I/O端口端口（1）直接使用撥動(dòng)開關(guān)或跳接開關(guān)在地址譯碼的基礎(chǔ)上，通過線路板上的微型撥動(dòng)開關(guān)DIP或跳接開關(guān)連接，使得某個(gè)特定的I/O端口在一組地址中選定當(dāng)前所使用的譯碼地址，從而增加地址譯碼的靈活性。

17、如圖7.5所示的是IBM-PC中兩個(gè)異步通信接口COM1和COM2的地址譯碼電路。當(dāng)跳接開關(guān)U15接4、8兩點(diǎn)時(shí)，地址范圍為3F8H3FFH，選中COM1為當(dāng)前串行口適配器；當(dāng)跳接開關(guān)U15接2、6兩點(diǎn)時(shí)，地址范圍為2F8H2FFH，選中COM2為當(dāng)前串行口適配器。7.2 I/O端口端口（2）使用地址開關(guān)加比較器在開關(guān)式可選地址譯碼電路中，一種更靈活的方法是采用地址開關(guān)加比較器的形式，如圖7.6所示。圖中由比較器74LS688和3-8譯碼器組成可選式譯碼電路。其中關(guān)鍵器件是比較器74LS688，它有兩組輸入端P7P0和Q7Q0，一個(gè)輸出端。其規(guī)則為：當(dāng)P7P0=Q7Q0時(shí)，輸出低電平 當(dāng)P7P

18、0Q7Q0時(shí)，輸出高電平7.3 CPU與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式一、一、程序控制傳送方式程序控制傳送方式 程序控制傳送方式是由程序直接控制外部設(shè)備與CPU之間的數(shù)據(jù)傳送過程，通常是在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)由用戶在程序中安排執(zhí)行一系列由I/O指令組成的程序段，直接控制外部設(shè)備的工作。由于數(shù)據(jù)的交換是由相應(yīng)程序段完成的，因此需要在編寫程序之前預(yù)先知道何時(shí)進(jìn)行這種數(shù)據(jù)交換工作。根據(jù)外部設(shè)備的特點(diǎn)，程序控制傳送方式又可以分為無條件傳送方式和條件傳送（程序查詢傳送）方式。7.3 CPU與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式1無條件傳送方式無條件傳送方式無條件傳送（又稱為同步傳送）是一

19、種最簡單的程序控制傳送方式。當(dāng)CPU能夠確信一個(gè)外部設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備就緒時(shí)，可以不必查詢外部設(shè)備的狀態(tài)而直接進(jìn)行信息傳送。這種方式較少使用，一般只用于如開關(guān)、數(shù)碼管等一些較簡單的外部設(shè)備控制。7.3 CPU與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式2條件傳送方式條件傳送方式條件傳送方式也稱為程序查詢傳送方式，在這種方式下，CPU在傳送數(shù)據(jù)之前，不斷讀取并檢測外部設(shè)備的狀態(tài)。當(dāng)外部設(shè)備的狀態(tài)信息滿足條件時(shí)才進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，否則CPU就一直等待直到外部設(shè)備的狀態(tài)條件滿足。7.3 CPU與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式采用查詢式輸入/輸出傳送數(shù)據(jù)一般需要以下三個(gè)步驟，其工作過程如圖7.10所

20、示。（1）從外部設(shè)備的狀態(tài)端口讀入狀態(tài)信息到CPU相應(yīng)寄存器；（2）通過檢測狀態(tài)信息中的相應(yīng)狀態(tài)位，判斷外部設(shè)備是否“準(zhǔn)備就緒”；（3）如果外部設(shè)備已經(jīng)“準(zhǔn)備就緒”，則開始傳送數(shù)據(jù)；如果外部設(shè)備沒有“準(zhǔn)備就緒”，則重復(fù)執(zhí)行（1）、（2）步，直到外部設(shè)備“準(zhǔn)備就緒”。7.3 CPU與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式二、二、中斷傳送方式中斷傳送方式 中斷方式基本思想中斷方式基本思想是當(dāng)外部設(shè)備準(zhǔn)備就緒（輸入設(shè)備將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好或輸出設(shè)備可以接收數(shù)據(jù)）時(shí)，就會(huì)主動(dòng)向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，使CPU中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行輸入/輸出中斷服務(wù)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，傳送完畢后再返回原來的斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)

21、行。 一定程度上實(shí)現(xiàn)了CPU與外部設(shè)備的并行工作并行工作，提高了CPU的利用率。同時(shí)，當(dāng)有多個(gè)外部設(shè)備時(shí)，CPU只需把它們依次啟動(dòng)，就可以使它們同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的準(zhǔn)備。若在某一時(shí)刻有多個(gè)外部設(shè)備同時(shí)向CPU提出中斷請(qǐng)求，則CPU按照預(yù)先規(guī)定好的優(yōu)先級(jí)順序，依次處理這幾個(gè)外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送請(qǐng)求，從而實(shí)現(xiàn)了外部設(shè)備的并行工作。7.3 CPU與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式7.3 CPU與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式三、三、DMA傳送方式傳送方式 所謂DMA（Direct Memory Access，直接存儲(chǔ)器訪問）傳送方式就是在不需要CPU參與的情況下，在外部設(shè)備與存儲(chǔ)器之間開辟直接的數(shù)據(jù)交換通路，由專門的硬件DMAC（DMA Controll