北方工業(yè)大學(xué)微機(jī)原理第5講 輸入輸出接口與中斷

第5講輸入/輸出接口與中斷5.1I/O接口概述什么是I/OI/O接口是位于系統(tǒng)與外設(shè)間、用來(lái)協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的邏輯電路（如：PC機(jī)的可編程接口芯片、I/O總線槽的電路板）為什么需要I/O接口微機(jī)的外部設(shè)備多樣性工作原理、驅(qū)動(dòng)方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差別很大它們不能與CPU直接相連,必須經(jīng)過(guò)中間電路再與系統(tǒng)相連25.1I/O接口概述I/O接口的主要功能(1)對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和鎖存,輸出接口有鎖存環(huán)節(jié)，輸入接口有緩沖環(huán)節(jié)(2)對(duì)信號(hào)的形式和數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行變換(3)反映外設(shè)當(dāng)前的工作狀態(tài)，接受CPU的控制信號(hào)I/O接口的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成滿足CPU與外設(shè)信息相互交換的要求數(shù)據(jù)信息接口狀態(tài)信息接口控制信息接口3CPU數(shù)據(jù)狀態(tài)控制外設(shè)I/O接口DBI/O接口基本結(jié)構(gòu)4接口和端口┅┅┅┅接口1接口2接口N端口1端口2端口m端口1端口1端口2端口2端口m端口m端口編址端口地址=芯片地址（高位地址）+片內(nèi)地址5I/O端口的編址方式為了讓CPU能夠訪問(wèn)這些I/O端口，每個(gè)I/O端口都要有自己的端口地址(或端口號(hào))。在一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，如何編排這些I/O接口的端口地址，即所謂I/O端口的編址方式。8086/8088的尋址能力：內(nèi)存：1MB端口：64K個(gè)6I/O端口的編址方式I/O端口編址方式有兩種:

存儲(chǔ)器映射：I/O端口和存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址；I/O映射：I/O端口和存儲(chǔ)器分開編址。尋址端口的信號(hào)：IOR、IOWA15

～A07I/O端口的編址方式存儲(chǔ)器映射：I/O端口和存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址；特點(diǎn)：指令及控制信號(hào)統(tǒng)一；內(nèi)存地址資源減少內(nèi)存地址960KBI/O地址64KB00000HF0000HFFFFFH8I/O端口的編址方式I/O映射：I/O端口和存儲(chǔ)器分開編址。特點(diǎn)：內(nèi)存地址資源充分利用能夠應(yīng)用于端口的指令較少內(nèi)存地址I/O地址00000HFFFFFHFFFFH0000H98088/8086的I/O端口編址采用I/O獨(dú)立編址方式(但地址線與存儲(chǔ)器共用)地址線上的地址信號(hào)用IO/M來(lái)區(qū)分I/O操作只使用20根地址線中的16根：A15～A0可尋址的I/O端口數(shù)為64K(65536)個(gè)I/O地址范圍為0～FFFFHIBMPC只使用了1024個(gè)I/O地址(0～3FFH)105.2I/O地址的譯碼目的：確定端口的地址參加譯碼的信號(hào)：IOR，IOW，高位地址信號(hào)OUT指令將使總線的IOW信號(hào)有效IN指令將使總線的IOR信號(hào)有效11I/O譯碼的地址信號(hào)當(dāng)接口只有一個(gè)端口時(shí)，16位地址線一般應(yīng)全部參與譯碼，譯碼輸出直接選擇該端口；當(dāng)接口具有多個(gè)端口時(shí)，則16位地址線的高位參與譯碼（決定接口的基地址），而低位則用于確定要訪問(wèn)哪一個(gè)端口。12I/O地址譯碼例某外設(shè)接口有4個(gè)端口，地址為2F0H——2F3H，由A15～A2譯碼得到，而A1、A0用來(lái)區(qū)分接口中的4個(gè)端口。試畫該接口與系統(tǒng)的連接圖。地址范圍：××××001011110000××××001011110011任意狀態(tài)A11片內(nèi)地址地址線不用接A1A013I/O地址譯碼例譯碼電路圖：≥1A11A10A8A3A2A9A7A4┇&CEA1A0接口芯片IORIOW&145.3、接口電路數(shù)據(jù)線控制線狀態(tài)線DBCBAB數(shù)據(jù)輸入寄存器(or三態(tài)門)數(shù)據(jù)輸出寄存器(鎖存器)狀態(tài)寄存器(or三態(tài)門)命令寄存器譯碼電路控制邏輯接口電路的基本構(gòu)成數(shù)據(jù)輸入/輸出寄存器：暫存輸入/輸出的數(shù)據(jù)狀態(tài)寄存器：暫存外設(shè)當(dāng)前狀態(tài)送CPU存放控制命令，設(shè)定接口功能、參數(shù)、工作方式15接口的類型按傳輸信息的方向分類：輸入接口要求對(duì)數(shù)據(jù)具有控制能力常用三態(tài)門實(shí)現(xiàn)輸出接口要求對(duì)數(shù)據(jù)具有鎖存能力常用鎖存器實(shí)現(xiàn)按傳輸信息的類型分類：數(shù)字接口模擬接口按傳輸信息的方式分類：并行接口串行接口16三態(tài)門與鎖存器三態(tài)：高電平1低電平0高阻態(tài)（電阻很高==斷開）鎖存器通常由D觸發(fā)器構(gòu)成；特點(diǎn)：具有對(duì)數(shù)據(jù)的鎖存能力；不具備對(duì)數(shù)據(jù)的控制能力DCLKQQN0時(shí)鐘上升沿011時(shí)鐘上升沿10×0lastQlastQN×1lastQLastQN[1]

D觸發(fā)器真值表17簡(jiǎn)單接口芯片74LS244含8個(gè)三態(tài)門的集成電路芯片在外設(shè)具有數(shù)據(jù)保持能力時(shí)用來(lái)輸入接口74LS2738個(gè)D觸發(fā)器，不具備數(shù)據(jù)的控制能力，鎖存用74LS373含三態(tài)的8個(gè)D觸發(fā)器，具有對(duì)數(shù)據(jù)的控制能力。既可以做輸入接口，也可以做輸出接口。均已較少用到，通常器件接口自帶鎖存三態(tài)接口，接口原理相同18簡(jiǎn)單I/O接口例根據(jù)開關(guān)狀態(tài)在7段數(shù)碼管上顯示數(shù)字或符號(hào)設(shè)輸出接口的地址為F0H設(shè)輸入接口地址為F1H當(dāng)開關(guān)的狀態(tài)分別為0000～1111時(shí)，在7段數(shù)碼管上對(duì)應(yīng)顯示’0’～’F’19O1I1O2I2O3I3O4I4E1K0～K3+5VGG2AG2BCBA≥174LS244D0Q0|Q1D7Q2Q3Q4CPQ5Q6Q7

abcdefgDP7406反相器74LS273Rx8≥174LS138D0～D7IOWIORY0Y1F0H=11110000F1H=11110001&A6～A4A3A2A1A0D0D1D2D3譯碼器A7A01符號(hào)形狀7段碼.gfedcba符號(hào)形狀7段碼.gfedcba’0’00111111’8’01111111’1’00000110’9’01100111’2’01011011’A’01110111’3’01001111’B’01111100’4’01100110’C’00111001’5’01101101’D’01011110’6’01111101’E’01111001’7’00000111’F’01110001

……Seg7

DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,67H,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H……LEABX,Seg7 MOVAH,0

GO:

INAL,0F1H;讀入按鍵狀態(tài)

ANDAL,0FH;取低4位

MOVSI,AX

;AX作為偏移地址

MOVAL,［BX+SI］

OUT0F0H,AL;輸出至7seg

JMP

GO;重復(fù)讀入按鍵狀態(tài)簡(jiǎn)單I/O接口例——程序段225.4CPU與外設(shè)數(shù)據(jù)傳送方式CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送控制方式，即I/O控制方式，主要有三種：程序傳送程序控制方式是指在程序控制下進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳送方式無(wú)條件傳送條件傳送中斷傳送依靠外設(shè)與CPU之間的中斷控制信號(hào)的控制方式DMA傳送不經(jīng)過(guò)CPU，而直接在存儲(chǔ)器與外設(shè)之間存取23無(wú)條件傳送(1)程序傳送——無(wú)條件傳送無(wú)條件傳送：在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，定時(shí)同步傳送數(shù)據(jù)。適用于對(duì)開關(guān)、繼電器等實(shí)時(shí)性要求不高的、簡(jiǎn)單外設(shè)的狀態(tài)控制DCPQD0D1輸出口地址38F3H輸入口地址38F0H+5V1例：

讀取開關(guān)的狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，輸出編碼使發(fā)光二極管亮。24條件傳送（查詢方式）(2)程序傳送-條件傳送（查詢方式）條件傳送：在傳送數(shù)據(jù)前，先進(jìn)行端口狀態(tài)寄存器查詢，只有端口“準(zhǔn)備就緒”或“空閑”時(shí)才能夠傳輸。適用場(chǎng)合：外設(shè)并不總是準(zhǔn)備好對(duì)傳送速率和效率要求不高工作條件：外設(shè)應(yīng)提供設(shè)備狀態(tài)信息接口應(yīng)具備狀態(tài)端口25條件傳送（查詢方式）程序查詢輸入/輸出傳送方式的執(zhí)行步驟是：從I/O接口的狀態(tài)端口中讀入所尋址的外設(shè)的狀態(tài)信息“READY”或“BUSY”。根據(jù)讀入的狀態(tài)信息進(jìn)行判斷。程序查詢輸入時(shí)，若狀態(tài)信息READY＝0，則外設(shè)數(shù)據(jù)未準(zhǔn)備好，CPU繼續(xù)等待查詢,直至READY＝１，程序查詢輸出時(shí)，若狀態(tài)信息BUSY＝１，則外設(shè)“忙”,CPU繼續(xù)等待,直至外設(shè)“空閑”,BUSY＝0時(shí)，執(zhí)行下一操作。26READY?進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交換讀入并測(cè)試外設(shè)狀態(tài)YN傳送完？Y結(jié)束N每滿足一次條件只能進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送開始查詢工作方式流程圖超時(shí)?READY?與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換超時(shí)錯(cuò)讀入并測(cè)試外設(shè)狀態(tài)YNYN傳送完？防止死循環(huán)復(fù)位計(jì)時(shí)器NY結(jié)束N開始查詢工作方式例外設(shè)狀態(tài)端口地址為03FBH，第5位(bit5)為狀態(tài)標(biāo)志（=1忙，=0準(zhǔn)備好）外設(shè)數(shù)據(jù)端口地址為03F8H，寫入數(shù)據(jù)會(huì)使?fàn)顟B(tài)標(biāo)志置1；外設(shè)把數(shù)據(jù)讀走后又把它置0。試畫出其電路圖，并將DATA下100B數(shù)據(jù)輸出。

29狀態(tài)端口D5D7-D0A9|A3≥1&A15|A10≥13F8HA2A1A0GG2AG2BCBA74LS138Y0≥1D7-D0CPQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q074LS273外設(shè)D7D6D5D4D3D2D1D0BUSYY33FBHIOWIOR狀態(tài)端口地址：0000001111111011數(shù)據(jù)端口地址：0000001111111000三態(tài)門：地址選通后，BUSY與D5聯(lián)通讀取的數(shù)據(jù)只關(guān)心D5位狀態(tài)讀狀態(tài)進(jìn)行一次傳送Bit5=1?傳送完否?CX=0?修改地址指針SI+1初始化YNNY結(jié)束控制程序LEASI,DATA

MOVCX,100AGAIN:

MOVDX,03FBHWAITT:INAL,DX

TESTAL,20H

JNZ

WAITT

MOVDX,03F8H

MOVAL，[SI]OUTDX,AL

INCSI

LOOPAGAINHLT查詢工作方式優(yōu)點(diǎn)：軟硬件比較簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：CPU效率低，數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時(shí)性差，速度較慢32中斷傳送方式利用CPU和外設(shè)之間的中斷信號(hào)確定傳輸時(shí)機(jī)CPU開中斷；外部設(shè)備數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成后，發(fā)送外部中斷；CPU響應(yīng)中斷，執(zhí)行中斷服務(wù)程序（讀入數(shù)據(jù)）。采用程序控制方式以及中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，都是靠CPU執(zhí)行程序指令來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出的。采用程序控制方式及中斷方式時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸率不會(huì)很高。對(duì)于高速外設(shè)，如高速磁盤裝置或高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，采用這樣的傳送方式，往往滿足不了其數(shù)據(jù)傳輸率的要求。例如，對(duì)于磁盤裝置，其數(shù)據(jù)傳輸率通常在