第二章 IO端口地址譯碼技術(shù)

第二章I/O端口地址譯碼技術(shù)2.1I/O端口及其編址方式2.2I/O端口地址分配2.3I/O端口地址譯碼3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院2.1I/O端口及其編址方式2.1.1I/O端口與I/O操作1.I/O端口

I/O端口I/O端口是接口電路中能被CPU直接訪(fǎng)問(wèn)的寄存器的地址

接口中的命令口、狀態(tài)口和數(shù)據(jù)口均為I/O端口。2.I/O操作I/O操作是CPU對(duì)I/O端口的操作，而不是I/O設(shè)備的操作3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院3.命令、接口與I/O端口關(guān)系

一個(gè)接口中有多個(gè)I/O端口；

一個(gè)I/O端口可接受多種命令。2.1.2I/O端口編址1.I/O統(tǒng)一編址（存儲(chǔ)器映射I/O編址）

一個(gè)I/O端口等同于一個(gè)存儲(chǔ)器單元。存儲(chǔ)單元和I/O端口統(tǒng)一編址。MEM空間I/O空間N-1KK-10存儲(chǔ)類(lèi)指令3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院對(duì)I/O端口的訪(fǎng)問(wèn)命令與對(duì)存儲(chǔ)器單元訪(fǎng)問(wèn)相同，不必使用專(zhuān)用I/O指令；能給端口較大的編址空間，利于大型控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。系統(tǒng)讀寫(xiě)控制邏輯較簡(jiǎn)單。

優(yōu)點(diǎn)：I/O端口占用部分MEM空間，可用MEM空間減??；對(duì)MEM訪(fǎng)問(wèn)指令較長(zhǎng)，執(zhí)行速度較慢，I/O端口地址譯碼時(shí)間較長(zhǎng)。缺點(diǎn)：3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院2.I/O獨(dú)立編址

I/O端口地址空間與存儲(chǔ)器地址空間相互獨(dú)立。

優(yōu)點(diǎn)：MEM地址空間不受I/O端口地址空間影響；I/O端口數(shù)量不多，占用地址線(xiàn)少，地址譯碼簡(jiǎn)單，速度較快，使得此類(lèi)指令執(zhí)行速度快；使用專(zhuān)用I/O命令(IN/OUT)，與MEM訪(fǎng)問(wèn)命令(LOAD/STORE、MOV)有明顯區(qū)別,便于理解和檢查。MEMI/O設(shè)備N(xiāo)-10存儲(chǔ)類(lèi)指令I(lǐng)/O類(lèi)指令K-10

缺點(diǎn)：

專(zhuān)用I/O指令增加指令系統(tǒng)復(fù)雜性，且I/O指令類(lèi)型少，尋址方式也少，程序設(shè)計(jì)靈活性較差；

3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院2.1.3獨(dú)立編址方式的端口訪(fǎng)問(wèn)1.IO指令中端口地址的寬度在I/O指令中可以采用單字節(jié)地址或雙字節(jié)地址尋址方式。格式：IN、OUT單字節(jié)地址舉例：

inal,60h out61h,al雙字節(jié)地址舉例：

mov

dx

，300h inal，dx

mov

dx

，301h outdx

，

al3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院2.I/O端口訪(fǎng)問(wèn)CPU通過(guò)向命令端口發(fā)命令來(lái)對(duì)接口，最終對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。訪(fǎng)問(wèn)設(shè)備實(shí)際上是訪(fǎng)問(wèn)相關(guān)的端口。CPU從端口讀數(shù)據(jù)或?qū)憯?shù)據(jù)，實(shí)際是I/O端口與CPU的累加器之間的數(shù)據(jù)傳送并沒(méi)設(shè)計(jì)到存儲(chǔ)器的問(wèn)題。端口存儲(chǔ)器錄入數(shù)據(jù)舉例：

MOVDX，300hINAL,DXMOV[DI],AL

3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院輸出數(shù)據(jù)舉例：

MOVDX，301hMOVAL,[SI]OUTDX，AL存儲(chǔ)器端口3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院2.2I/O端口地址分配1.I/O接口硬件分類(lèi)系統(tǒng)板上的I/O芯片（大多都是可編程芯片）例如：定時(shí)/計(jì)數(shù)器（8253）、中斷控制器（8259）、DMA控制器（8237）、并行接口（8255）等。I/O擴(kuò)展槽上的接口控制卡

由若干個(gè)集成電路按一定的邏輯組成的一個(gè)部件。例如：軟驅(qū)、圖形卡、聲卡、打印機(jī)、串行通信卡。

3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院2.2.2I/O端口地址分配

不同的微機(jī)系統(tǒng)對(duì)I/O端口地址的分配不同。PC根據(jù)I/O硬件分類(lèi)，把I/O空間分成兩部分。

PC系列I/O地址線(xiàn)有16根，對(duì)應(yīng)64K空間；

I/O端口譯碼只使用了A0-A9，共1024個(gè)端口，地址范圍為0000H~03FFH。

初期：A9=0端口(512個(gè))為系統(tǒng)板所用，其他端口(512個(gè))為擴(kuò)展槽所用。

PC/AT：A8=A9=0端口(256個(gè))為系統(tǒng)板所用，其他端口(768個(gè))為擴(kuò)展槽所用。3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院I/O芯片名稱(chēng)地址范圍DMAC1DMAC2DMA頁(yè)面寄存器0000-001FH00C0-00DFH0080-009FH中斷控制器1中斷控制器20020-003FH00A0-00BFH定時(shí)器并行接口芯片(鍵盤(pán)接口)RT/CMOSRAM協(xié)處理器0040-005FH0060-006FH0070-007FH00F0-00FFH

系統(tǒng)板I/O接口芯片端口地址(0000H-00FFH)：3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院

擴(kuò)展槽I/O接口卡端口地址(0100H-03FFH)：I/O接口名稱(chēng)地址范圍游戲控制卡0200-020FH并行口控制卡1并行口控制卡20370-037FH0270-027FH串行口控制卡1串行口控制卡203F8-03FFH02F8-02FFH原型插件板(用戶(hù)可用)0300-031FH同步通信卡1同步通信卡203A0-03AF0380-038FH單顯MDA彩顯CGA彩顯EGA/VGA03B0-03BFH03D0-03DFH03C0-03CFH軟驅(qū)控制卡硬驅(qū)控制卡03F0-03FFH01F0-01FFHPC網(wǎng)卡0360-036FH3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院

2.2.3I/O端口地址選用原則：1、凡是被系統(tǒng)配置所占用的地址一律不能使用2、對(duì)計(jì)算機(jī)廠(chǎng)家申明保留的地址，不宜使用，以免發(fā)生I/O端口地址重疊和沖突造成你開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品于系統(tǒng)不兼容而失去使用價(jià)值3、一般，用戶(hù)可以使用300H～31FH的地址，在這段地址范圍內(nèi)，為了避免與其它用戶(hù)開(kāi)發(fā)的插板發(fā)生地址沖突，最好采用地址開(kāi)關(guān)。3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院某臺(tái)PC機(jī)上的I/O端口的地址分配圖

3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院2.3I/O端口地址譯碼2.3.1I/O地址譯碼電路工作原理機(jī)作用1.譯碼電路的輸入信號(hào)地址信號(hào)，控制信號(hào)（例如：AEN信號(hào)控制非DMA傳輸，IOR和IOW控制讀/寫(xiě).）譯碼電路的作用是地址和控制信號(hào)進(jìn)行邏輯組合,根據(jù)CPU與I/O端口交換數(shù)據(jù)時(shí)的流向（讀寫(xiě)）、數(shù)據(jù)寬度、DMA方式等來(lái)引入控制信號(hào)，參加譯碼。2.譯碼電路的輸出信號(hào)譯碼電路把輸入的地址線(xiàn)和控制線(xiàn)經(jīng)過(guò)邏輯組合后，產(chǎn)生的輸出信號(hào)線(xiàn)就是一根選中線(xiàn)，低電平有效。3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院

在PC中，I/O端口操作和DMA操作使用相同的地址線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)和讀寫(xiě)控制信號(hào)(IOR和IOW)。區(qū)別這兩種操作的信號(hào)是AEN，在DMA操作周期時(shí)，AEN有效為高電平；而在I/O端口操作時(shí)，AEN有效為低電平。因此在I/O端口的譯碼與讀寫(xiě)控制電路中應(yīng)該使用AEN信號(hào)，只有AEN為低時(shí)的讀寫(xiě)才是I/O讀寫(xiě)。

有關(guān)AEN信號(hào)3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院外設(shè)數(shù)據(jù)線(xiàn)接口電路PC總線(xiàn)數(shù)據(jù)線(xiàn)片選譯碼

高位地址線(xiàn)控制線(xiàn)低位地址線(xiàn)控制線(xiàn)狀態(tài)線(xiàn)CPU輔助電路CPU3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院片選譯碼通常譯出的是一個(gè)地址范圍，常將低位地址線(xiàn)（1位或幾位直接連在芯片上，用于片內(nèi)譯碼，而其余的高位地址線(xiàn)用于片選譯碼。并行接口8255ACS外設(shè)數(shù)據(jù)線(xiàn)A0A1RDWRPC總線(xiàn)IORA0A1IOWA2A3A4A5A6A7A8A9AEN片選譯碼片內(nèi)譯碼端口A端口B端口C端口D串行接口8251數(shù)/模轉(zhuǎn)換0832模/數(shù)轉(zhuǎn)換0809218~21FH220~227H228~22FH230~237H3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院2.3.2I/O地址譯碼方法

IOW/IOR信號(hào)(低電平)、AEN信號(hào)(低電平)和I/O端口地址高位經(jīng)過(guò)譯碼得到。

I/O接口芯片內(nèi)部端口地址：

I/O端口地址低位直接組成。

I/O接口芯片片選(CS)信號(hào)：cpu地址譯碼器可編程接口芯片高位地址線(xiàn)控制線(xiàn)數(shù)據(jù)線(xiàn)片選信號(hào)線(xiàn)CS低位地址線(xiàn)片內(nèi)譯碼3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院2.3.3I/O端口地址譯碼電路譯碼電路可分為固定式譯碼和可選式譯碼。固定式譯碼:端口地址不變，可分為單端口地址譯碼和多端口地址譯碼。一般單端口譯碼習(xí)慣使用門(mén)電路；多端口地址譯碼可以使用譯碼器?？蛇x式譯碼：地址適應(yīng)不同地址分配場(chǎng)合，或?yàn)橄到y(tǒng)以后擴(kuò)充留有余地。一般采用地址開(kāi)關(guān)、譯碼器、比較器或異或門(mén)等。3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院I/O地址譯碼步驟列出I/O地址的真值表從A9A8…A0選擇需要進(jìn)行譯碼的信號(hào)并合并相同邏輯的信號(hào)運(yùn)用適當(dāng)?shù)拈T(mén)電路及譯碼電路實(shí)現(xiàn)地址譯碼并考慮I/O的讀或?qū)戨娐吩O(shè)計(jì)中有效邏輯盡可能采用“低電平”有效3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院補(bǔ)充例：

實(shí)現(xiàn)端口2E0H的輸入/輸出譯碼解1.列出真值表2E0H=001011100000B

A9

A8

A7A6A5

A4A3A2A1A0

1

0

111

000002.輸入信號(hào)中邏輯“1”的信號(hào)有A9A7A6A5

輸入信號(hào)中邏輯“0”的信號(hào)有A8A4A3A2A1

A03.選擇4輸入“與非”門(mén)實(shí)現(xiàn)4個(gè)輸入同時(shí)為“1”則輸出為“0”選擇6輸入“或”門(mén)實(shí)現(xiàn)6個(gè)輸入同時(shí)為“0”輸出成為“0”最后將二者在組合起來(lái)4.與M/IO、RD、

WR組合完成I/O端口的讀寫(xiě)譯碼3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院例1.使用74LS20/30/32和74LS04設(shè)計(jì)I/O端口地址2F8H的只讀譯碼電路解：1.列出真值表2F8H=0010,1111,1000BA

9

A

8A7A6

A

5

A4A3

A2A1A010111110002.輸入信號(hào)中邏輯“1”的信號(hào)有A9A7A6A5A4A3A1

輸入信號(hào)中邏輯“0”的信號(hào)有A8A2A1A03.選擇7輸入“與非”門(mén)實(shí)現(xiàn)7個(gè)輸入同時(shí)為“1”則輸出為“0”選擇4輸入“或”門(mén)實(shí)現(xiàn)4個(gè)輸入同時(shí)為“0”輸出成為“0”最后將二者在組合起來(lái)4.與AEN、IOR、IOW組合完成I/O端口的讀寫(xiě)譯碼1.固定式譯碼3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院例1使用一般方法的結(jié)果返回3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院例1教材的結(jié)果A9&1A81A7A6A5A4A31111&A2A1A0AENIOR1Y74LS3074LS2074LS323/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院例1引申.使用74LS20/30/32和74LS04設(shè)計(jì)I/O端口地址2E2H的讀/寫(xiě)譯碼電路解：1.列出真值表2E2H=0010,1110,0010BA9A8A7A6A5A4A3A2A1A010111000102.將地址按順序排列，A2～A9接74LS30，A0～A1與AEN接74LS20。3.IOR、IOW與2后的結(jié)果接74LS32，使得輸出結(jié)果為“0”一般方法設(shè)計(jì)圖示3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院?圖中譯碼輸出地址2F8H,試分析將圖中的A1、A0去掉后，譯碼輸出的地址地址范圍：2F8H～2FBH3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院

74LS138譯碼器：工作條件：

G1=1，G2A=G2B=0。工作原理：

將復(fù)合的輸入信號(hào)變?yōu)槊杜e的輸出信號(hào)。15Y0Y7ABCG2BG2AG114131211109712345674LS138例2：使用74LS138設(shè)計(jì)一個(gè)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(gè)接口芯片內(nèi)部的端口數(shù)目為32個(gè)。3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院輸入輸出G1G2AG2BCBAY7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0100000

11111110100001

11111101100010

11111011100011

11110111100100

11101111100101

11011111100110

10111111100111

011111110XXXXX

11111111X1XXXX

11111111XX1XXX

1111111174LS138真值表3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院補(bǔ)充例：

試實(shí)現(xiàn)IO端口2F0H~2F3H2F4H~2F7H2F8H~2FBH2FCH~2FFH共4組IO端口地址的譯碼解1列出真值表A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0IO地址10111100xx2F0~2F3H10111101xx2F4~2F7H10111110xx2F8~2FBH0111111xx2FC~2FFH2)A1A0不必參加譯碼A4A3A2可作為3-8譯碼器輸入A9A7~A5相“與”3）選4輸入“與”門(mén)接入74LS138的G1，A8直接接G23/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院解：

DMA控制器（8237）：00H～1FH

中斷控制器（8259）

:20H~3FH

定時(shí)/計(jì)數(shù)器（8253）

:40H~5FH

并行接口（8255）

:60H~7FHDMA頁(yè)面寄存器:80H~9FH列出真值表A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0IO地址

00000xxxxx00H～1FH00001xxxxx20H~3FH00010xxxxx40H~5FH00011xxxxx60H~7FH00100xxxxx80H~9FH3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院①由于要讓芯片內(nèi)擁有32個(gè)端口，只要留出5根地位地址線(xiàn)不參加譯碼（作為片內(nèi)譯碼）；②系統(tǒng)板上的I/O端口地址分配在000～0FFH范圍內(nèi)，只要低8位地址線(xiàn)，則A9＝A8＝0（作為76LS138控制線(xiàn)）；③其余的高位地址作為76LS138譯碼輸入線(xiàn)，或76LS138譯碼的控制線(xiàn)。3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院Y0Y7ABCG2BG2AG11514131211109712345674LS138A5A6A7A8A9AENDMACS(8237)INTRCS(8259)T/CCS(8253)PPICS(8255)WRTDMAPG≥1≥1WRTNMIREGIOW74LS138在PC機(jī)系統(tǒng)板端口譯碼的應(yīng)用：轉(zhuǎn)23頁(yè)3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院DMA825982538255系統(tǒng)…空閑00H20H40H60H3FFH1FH3FH5FH7FH：：：：數(shù)據(jù)總線(xiàn)地址總線(xiàn)控制總線(xiàn)CPUD7-D0CSA0WRRD設(shè)備側(cè)信號(hào)D7-D0CSA1A0WRRD設(shè)備側(cè)信號(hào)82598253MEMY0Y7ABCG2BG2AG115141312111097A5A6A7A9A8AEN74LS138A1A0A0A15-A0D7-D03/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院2.可選式端口地址譯碼(1)使用比較器+地址開(kāi)關(guān)方法①DIP開(kāi)關(guān)有兩種狀態(tài)：ON＝0；OFF＝1②對(duì)于比較器：從兩個(gè)方面看一是比較對(duì)象；二是比較的結(jié)果。將4根地址線(xiàn)和P組相接，B組4根線(xiàn)和DIP開(kāi)關(guān)相接，這樣就能使地址線(xiàn)與DIP開(kāi)關(guān)的狀態(tài)比較。如果相等使P＝Q輸出高電平?？刂艱IP開(kāi)關(guān)使得地址改變。3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院例3：設(shè)計(jì)擴(kuò)展板上的I/O端口地址譯碼電路，要求讓擴(kuò)展板上的每個(gè)接口芯片的內(nèi)部端口數(shù)目為4個(gè)，并且，端口地址可選。例如選擇范圍300H～31FH。解1列出真值表A9A8A7A6A5A4A3A2

A1A0IO地址11000xx

x

xx300H~31FH片選信號(hào)片內(nèi)選擇信號(hào)2)A1A0不必參加譯碼A4A3A2可作為3-8譯碼器輸入A9A7~A6由DIP開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制，A5接74LS138的G2A口。3）AEN信號(hào)接74LS138的G2B口。3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院

74LS85比較器：當(dāng)P0~4≠Q(mào)0~4時(shí)，

P=0，輸出低電平。當(dāng)P0~4=Q0~4時(shí)，

P=1，輸出高電平。

比較器和地址開(kāi)關(guān)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)參與片選。3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院S0S1S3S2DIPVccA=BB3B2B0B1A3A2A0A1A9A8A6A774LS85A=BA<BA>BABCG2AG2BG1Y0Y1Y6Y7(74LS138)…A4A3A2A5AEN譯碼輸出地址若要求Y3的地址為24CH～24FH，如何設(shè)置開(kāi)關(guān)；若要求為32CH～32FH呢？?S0、S2閉合時(shí)譯碼輸出地址?3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院S0、S2閉合時(shí)譯碼輸出地址……Y0：140H～143HY1：144H～147HY6：158H～15BHY7：15CH～15FH32CH～32FH：該電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)24CH～24FH：S0、S3斷開(kāi)；S1、S2閉合NOTE：由開(kāi)關(guān)控制的地址才能改變3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院(2)使用異或門(mén)+地址開(kāi)關(guān)方法

用異或門(mén)代替比較器和地址開(kāi)關(guān)比較。=1=1=1=11234567891011121314VCCGND74LS136

如用3片74LS136代替74LS85。

74LS136：邏輯：

3=1⊙2；6=4⊙5；

8=9⊙10；11=12⊙13；連線(xiàn)：

異或門(mén)的輸入端分別接地址線(xiàn)和開(kāi)關(guān)線(xiàn)。

片選：各異或門(mén)的輸出“或”的結(jié)果。3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院例4：采用異或門(mén)設(shè)計(jì)I/O端口地址譯碼電路1)74LS136的結(jié)果高電平接74LS138的G1。解1列出真值表A11

A10

A9A8A7A6A5A4A3A2

A1A0IO地址

01110001

0xxx710H~717H2)A3A1A0可作為3-8譯碼器輸入;A9A7~A3由異或門(mén)的輸入，由DIP開(kāi)關(guān)的狀態(tài)決定地址。3）AEN信號(hào)接74LS136的4口，低電平；74LS136的5口接高電平；IOR、IOW接74LS136的1、2口。3/23/2024西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院3116831168368A3…A6…A10A7AENA11IORIOW51213910411041131041225129259S0S1S2S3S4S5S6S7S8S9+5V74LS136ABCG2AG2BG1Y074LS138A2A1A0Y7…S0、S2、S5、S6、S9閉合

AEN；IOR、IOW要求Y0～Y7的地址為328H～32FH，如何設(shè)置開(kāi)關(guān)?