[工学]微机原理与接口分析 第10章

图 10.2 IBM PC系列机I/O结构框图
在微机系统中，输入输出的操作是由复杂的I/O接口控制 实现的。输入输出接口一般都是由硬件和软件共同支持完成的。
•硬件：I/O接口包括主机板上的接口逻辑、 系统总线和具体外 设的接口逻辑。
•软件：接口与软件的关系有两方面的含义。一方面的含义是接 口的软件。接口的开发自然包括必要的软件开发。另一方面含 义是软件的接口。
接口开发设计的任务是在充分利用系统已经提供的I/O接口 的硬、软件资源的基础上，开发出专用设备的接口逻辑和应用 软件。
2. IBM PC
IBM PC/XT及其兼容机的基本配置包括主机箱、键盘、 CRT显示器、打印机和软、硬磁盘机。如图10.2。
系统总线是通过扩展插槽与外部设备的接口逻辑相接的。 所有插槽是并联的，即各插槽接点上的信号排列是相同的。 基本配置的系统为I/O接口即提供了硬件资源又提供了软件资 源。
系 统 为 I/O 接 口 提 供 的 软 件 资 源 包 括 DOS 的 功 能 调 用 和 BIOS(Basic Input/Output System)调用。
3. IBM PC/XT机的系统级总线
为任何外部设备开发接口，都必须依据系统总线提供的 信号。系统总线的全部信号都接在扩充插槽的接点上。
解决方法：必须以某种策略决定首先应该响应和处理哪个 设备的传输请求，然后响应和处理哪个设备的传输请求。
3. 数据输入输出的基本方式
有3种基本输入输出方式。
(1) 程序直接控制传送方式（查询方式）
程序直接控制输入输出方式就是完全通过执行程序来控制实现
主机与外部设备之间的数据交换。可以归纳为以下特点：
①
数据的传输靠执行指令实现
② 外部设备的状态信息用IN指令输入，然后测试
③ 这种输入输出方式的优点简单、实现容易。缺点：
第1，为了测试和等待外部设备作好传输数据的准备，要花费大 量的时间。
第2，CPU在一段时间里只能和一个外部设备之间传输数据，其 它设备只能等待。
第3，不能发现和处理预先无法估计的错误和异常现象。
扩充板上的存储器在这个信号控制下，把数据总线上的数据 写入选定的存储单元。
② I/O读写操作需要的控制信号线有：
IOR ， 方向为输出，I/O端口读操作控制信号，低电平
有效。在执行IN指令时，CPU发出这个信号；在DMA传送时， 由DMA控制器发出这个信号。 I/O接口设计时可以利用这个 信号控制把外设的数据置入D0~D7数据线。
准 备输 出 数 据
读 状态 端 口
Y
BUSY ？
N 读 出数 据
图 查询式输出数据的程序流程图
查询输出的程序段如下：
SCAN： IN AL， 状态口地址 ；
TEST AL， 01H
；
JNZ SCAN
； 忙，
MOV AL，
OUT 数据口地址， AL ；空闲，输出数据
(2)
程序中断就是主机在运行程序时出现了特殊的情况，暂 时停止执行正在运行的程序，转到另一段处理特殊情况的程 序，待特殊情况处理程序执行完后，返回到被暂时停止的程 序接着运行。
D0~D7，数据总线，是双向的。D0为低位，D7为高位， 高电平为数值1。
(3)
对控制总线， 按功能还可以分成以下几组：
① 扩充板上存储器操作需要的控制信号线有：
MEMR， 方向为输出，存储器读控制信号，低电平有效。
扩充板上的存储器在这个信号控制下，把选定单元的数据置 入数据总线。
MEMW ， 方向为输出，存储器与控制信号，低电平有效。
(3) 主机板上有以两片8259中断控制器为核心组成的中断 控制逻辑。
(4) 主机板上有以两片 8237DMA控制器为核心组成的 DMA传送控制逻辑，供协处理器接口以及CMOS等使用，其 余中断级留给其它外设接口使用。
(5) 主机板上有一片8254定时/计数器芯片，有 3 个功能： 第 1 个功能是用于当日计时，和CMOS共同组成定时计时系统。 第 2 个功能是为动态存储器刷新提供定时信号。第 3 个功能是 通过编程向扬声器提供声音信号。
(6) 基本(或常规)配置的系统微机包含的I/O接口卡可能有 不同的组合，但在功能上和编程上是兼容的。通常包括以下接 口逻辑：
·显示器接口。 由于现在很少用单色显示器， 所以现在显 示器接口虽有不同制式，但都支持彩色的字符和图形显示。
·两个标准(Centronics)的并行打印机接口，不仅支持并行 打印机工作，也支持任何遵守这种接口协议的输出设备，如绘 图仪等。
其次，在组成微机系统时，还必须配有DMA控制器，共 同组成DMA控制机构，实现DMA传输所需要的全部功能。
DMA的I/O方式的实现更加复杂，不仅要有DMA传输数 据的控制机构，还要有程序直接控制的输入输出方式或中断控 制输入输出方式的硬件和软件支持DMA的实现。
10.1.2
接口(Interface)一词的基本意思是交接界面，所以任何相 关的异体之间总存在着接口。在一个微机系统内，由于各部 分之间要交换信息，所以各部分之间也存在接口；在微机系 统内，微处理器与其它部分的接口就是体现在微处理器输入 输出引脚上的微处理器级总线。
这些逻辑，一侧与微处理器相连，受微处理器控制和管 理，另一侧则形成系统总线接到扩充插槽的接点上，成为与 输入输出接口板的物理连接点。
10.1输入输出接口基础
10.1.1输入输出的基本方式
1. 在输入输出地址空间中，占据一个输入输出地址的称为一 个输入输出端口或简称为端口(PORT)。 CPU可以从端口读入数据，也可以向端口输出数据。对 8086微处理器，输入输出指令的一般格式为：
(3)
存储器直接存取DMA(Direct Memory Access)方式的基本 思想是在外部设备和存储器之间开辟直接的数据传输通路， 数据传输不是靠执行I/O指令，数据不经过CPU内的任何寄存 器，而是在存储器和外部设备之间的通路上直接传输数据。
这种I/O方式的实现主要是靠硬件的功能。
首先，微处理器本身在设计时就能实现这种功能。
·两个标准(RS232)的串行异步通信接口。由于RS232串行 异步通信接口应用广泛，早期它是可选接口，现在已成为基本 配置的接口。借助电话网络实现微机之间通信时，基本方法是 微机的RS232接口经过一个Modem(调制解调器)与电话线相接。
·磁盘驱动器接口，通常能连接两个软盘驱动器和两个硬 盘驱动器。除此之外，系统总线中还提供了相当容量的+5 V、 -5 V、 +12 V和-12 V直流电源。
第 10 章输入输出接口(1)
10.1 输入输出接口基础 10.2 中断系统
10.3 DMA传送和DMA控制器8237
10.4 ISA系统总线
10.5 并行接口芯片8255
10.6 主机板上的计时计数逻辑
10.7
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第 10 章 输入输出接口(1)
•微处理器支持输入输出操作的逻辑和指令 •支持执行输入输出指令的逻辑 •8259芯片为核心组成的中断控制逻辑 •8237为核心组成的DMA控制逻辑
① 虽然程序中断功能参与了控制，但数据的传输仍然要 靠在程序中排入I/O指令完成。这一点和程序直接控制输入输 出方式是相同的。
② 外部设备要求与CPU传输数据的状态信息，是从CPU的 中断请求输入端直接加入的，从而使系统的时间利用率大大提 高了。
③ 中断控制输入输出是靠硬件和软件相配合实现的。这 种输入输出方式的主要优点是采用中断控制输入输出大大提高 了CPU的时间利用率。
IN DST， SRC
OUT DST， SRC
IN指令，目的地址DST的寻址方式为寄存器方式， 字 节输入时为AL，字输入时为AX。
源操作数的寻址方式有两种：
(1) 直接寻址方式，即在SRC的位置上直接写上代表端口地址 的数或能求出值的表达式。 对于直接寻址方式有一点限制， 就是端口地址不能大于255(0FFH)，因为直接寻址方式的 指令汇编后是两个字节的指令，第2个字节是端口地址的 二进制代码。
• EISA(Extended ISA)总线和MCA(Micro Channel Architecture) 总线等。
(1)
A0~A19，方向为输出，是系统存储器和I/O端口公用的地 址总线。在存储器地址选择时，20位地址总线全部采用， 但 I/O端口地址译码只用其中的A0~A9共10条线。
(2)
解决方法：主机和外部设备之间除传输数据之外，还需要 互相提供联络信息。 联络信息可以理解为状态信息，如向接 收方提供“数据已准备好”的状态，请对方取走；联终信息也 可理解为命令或请求， 如“把数据取走”。
(2) 一个微机系统中，如果有多个外部设备存在，也就存 在这种可能性：两个或多于两个设备同时要求与主机交换信息。
利用程序中断机制， 可以实现多种功能。
首先，外部设备要有接口逻辑， 能把外部设备的状态信息 变成中断请求信号，加入CPU的中断请求输入端。
然后，CPU接受(响应)中断请求， 转入中断处理程序(也称 中断服务程序)，输入输出数据的传输是在中断处理程序中用 输入输出指令实现的。
对于程序中断输入输出方式可以概括出以下特点：
系统级总线是I/O接口的重要组成部分，是讨论的重点之 一。
1. I/O 图10.2是IBM PC系列微机的组成框图。在主机板中，这些 I/O控制逻辑从功能上可以归纳出这些部分： (1) 为执行I/O指令服务的逻辑； (2) 实现中断控制功能的逻辑； (3) 实现DMA控制的逻辑； (4) 某些外设的接口逻辑。 系统级总线才是主机板与外界之间的最直接的界面。系统 总线体现为一组信号线。
2.
IN指令可以把外部数据输入CPU， OUT指令可以把CPU 的数据输出到外部，它们是实现数据输入输出传输的基础。
在实际数据传输过程中，有一个突出的必须解决的问题， 就是主机与外部设备之间时间同步的问题。表现在：
(1) 外部设备工作时有自己的定时机构，主机在运行程序、 执行指令时也有自己的定时系统，它们在时间上是不同步的。
有 8 位端口和 16 位端口两种端口。如表10.1所示。对于 8 位端口而言， 要用一条指令输入或输出 16 位数据将涉及两 个相邻的端口， 对于 16 位端口，用一条指令输入或输出 16 位数据只涉及一个端口。
输入输出指令的执行不影响任何标志位的状态。
80286及以后的微处理器增加了字符串输入输出指令。这 些指令既具有某些输入输出指令的特点又具有某些字符串操作 指令的特点。
• IBM PC/XT系统总线。PC/XT的微处理器是8088/8086，总线 的地址为20位，数据线为8位，称其为8位总线。
• 80286 微 处 理 器 组 成 的 IBM PC/AT 系 统 级 总 线 ， 称 为 ISA(Industry Standard Architecture)总线，又称PC/AT总线。 它 是在8位的PC/XT总线基础上扩展成为16位总线。
主 程 序 K
K＋ 1
中断 处理
返回 N＋ m
图 中断过程示意图
保 护现 场 为 外设 服 务
恢 复现 场
图 中断处理流程
内部中断Байду номын сангаас由于CPU内部操作或执行某些指令时引起的程 序中断。
外中断：由于CPU外部信号引起的程序中断。
借助于CPU响应外中断请求的能力，实现输入输出的控 制，简称为程序中断方式输入输出。
IOW ， 方向为输出，I/O端口写操作控制信号，低电平有 效。在执行OUT指令时由CPU发出；在DMA传送是由DMA控 制器发出。可以利用这个信号控制外设接收数据总线上的数据。
提供的硬件资源包括：
(1) 在扩充插槽上提供了系统级总线。 系统总线是主机板 与外部设备接口相连的唯一途径，任何外设接口的开发，必 须建立在系统总线的基础上。
(2) 主机板上有键盘接口逻辑和扬声器接口逻辑。键盘接 口逻辑的出口不接到系统总线上，而是接在机箱后的专用插 座上。扬声器接口与固定在机箱内的扬声器直接相接。
(2) 寄存器间接寻址。间址寄存器为DX，书写为IN AL，DX 或IN AX， DX。
采用DX寄存器，端口地址的大小没有限制，但必须在 合法的输入输出地址空间内(有效I/O地址范围为0~FFFFH)。 间接寻址指令经汇编为单字节指令。
对于OUT指令，源操作数的寻址方式和IN指令的目的操 作数的寻址方式相同，目的操作数寻址方式与IN指令的源操 作数寻址方式相同。