微机原理(第六章 输入输出控制)
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070033《微机原理》第6章 输入输出技术
第6章 微型计算机接口技术
图6-2 I/O读写时序图 读写时序图
第6章 微型计算机接口技术
4．I/O端口地址译码 ． 端口地址译码
端口固定不变时， （ 1） 当接口电路的 ） 当接口电路的I/O端口固定不变时 ， 采用 端口固定不变时 固定式译码电路。 固定式译码电路。 （2）当端口地址可需适应不同的场合而改变时， ）当端口地址可需适应不同的场合而改变时， 采用可选式译码电路。 采用可选式译码电路。
0—禁止存储器→存储器 1—允许存储器→存储器 0—通道 0 地址不保持 1—通道 0 地址保持不变 ×—D0＝0 时该位无意义 0—允许 8237 操作 1—禁止 8237 操作 0—正常时序 1—压缩时序 ×—D0＝0 时该位无意义
图6-46 命令寄存器的命令格式
第6章 微型计算机接口技术
4．8237的初始化编程举例 ． 的初始化编程举例
00—请求传送方式 01—单次传送方式 10—成组传送方式 11—级联方式
01—写传送 I/O→M 10—读传送 M→I/O 11—无效 D7，D6 都为 1 时 D3，D2 无意义
图6-45 工作方式寄存器格式
第6章 微型计算机接口技术
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
0—固定优先权 1—循环优先权 0—滞后写 1—扩展写 ×—D3＝1 时,该位无意义 0—DREQ 高电平有效 1—DREQ 低电平有效 0—DACK 低电平有效 1—DACK 高电平有效
第6章 微型计算机接口技术
6.1 微型计算机接口技术概述
一个简单的微机系统需要CPU、 存储器 、 基 、 存储器、 一个简单的微机系统需要 本的输入／ 本的输入 ／ 输出系统以及将它们连接在一起的各 种信号线和接口电路。 种信号线和接口电路。 外部设备通过接口电路和系统总线相联，接 外部设备通过接口电路和系统总线相联， 口电路的作用是把计算机输出的信息变成外设能 够识别的信息， 够识别的信息，把外设输入的信息转化成计算机 所能接受的信息。 所能接受的信息。
微机原理 第06章 输入输出技术(车向泉版较老)
A[19..0]
D[7..0]
IOW
IOR
IOR
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A10
A11
A12
A13
A14
A15
IOW
0
1
2
3
4
5
6
7
9
8
+
5
1
1
1
1
1
2
1
6
5
4
3
2
1
2
1
0
9
5
4
3
2
SN74LS30N
U10
SN74HC4078AD
U
1
8
1
1
3
+
5
+
5
1
8 6
1
2
3
6
4
5
DM74LS138N
U11
G
VCC
IOW
G2A G2B
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 ≥1
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 CP
74LS273 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 74LS273 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7
330
＆
A0
74LS138
Y2
≥1 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15
3
6.1.1 I/O接口功能 一、为何引入I/O接口电路 I/O接口：把外设连接到总线上的一组逻辑电路的 总称。实现外设与主机间的信息交换。
AB
【微机原理】第6章. 输入与输出中断
其连接示意图如图6.1所示.
CPU对外设的输入输出操作类似于存储器的读写操作，即 I／O—读／写；但外设与存储器有许多不同点。其比较如表 6.1所示.
接口电路(即可编程接口芯片)种类很多，它的显著特点 是可编程性,即可以通过编程来 规定其功能及操作参数。
二、接口电路的基本结构
接口电路的基本结构同它传送的信息种类 有关。信息可分 为3类：数据信息；状态信息;控制信息。
目录
6.2 CPU与外设之间数据传送的方式
本节将以8086/8088为例,来说明CPU与外设之间数据 传送 的方式。为了实现CPU与外设之间的数据传送,通常采用 以下3 种I/O传送方式。 一、程序传送
程序传送是指CPU与外设间的数据交换在程序控制 （即IN 或OUT指令控制)下进行。
（一） 无条件传送（又称同步传送） 这种传送方式只对固定的外设（如开关、继电器、7
(三) 控制信息 它用于控制外设的启动或停止。接口电路基本结构及其连接如图
6.2所示。接口电路根据传送不同信息的需要，其基本结构安排有一 些特点。
(1) 3种信息（数据、状态、控制）的性质不同,应通过不 同的端口分别传送。如数据输入/输出寄存器(缓冲器）、状态 寄存器与命令控制寄存器各占一个端口，每个端口都有自己的 端口地址，故能用不同的端口地址来区分不同性质的信息。
段显 示器、机械式传感器等简单外设）在规定的时间用IN或 OUT指
一般，这些外设随时做好了数据传送的准备,而无须检测其状态。
这里先要弄清有关输入缓冲与输出锁存的基本概念。
输入数据时,因简单外设输入数据的保持时间相对于CPU的接收速
度来说较长，故输入数据通常不用加锁存器来锁存,而直接使用三态
缓冲器与CPU数据总线相连即可。
CPU对外设的输入输出操作类似于存储器的读写操作，即 I／O—读／写；但外设与存储器有许多不同点。其比较如表 6.1所示.
接口电路(即可编程接口芯片)种类很多，它的显著特点 是可编程性,即可以通过编程来 规定其功能及操作参数。
二、接口电路的基本结构
接口电路的基本结构同它传送的信息种类 有关。信息可分 为3类：数据信息；状态信息;控制信息。
目录
6.2 CPU与外设之间数据传送的方式
本节将以8086/8088为例,来说明CPU与外设之间数据 传送 的方式。为了实现CPU与外设之间的数据传送,通常采用 以下3 种I/O传送方式。 一、程序传送
程序传送是指CPU与外设间的数据交换在程序控制 （即IN 或OUT指令控制)下进行。
（一） 无条件传送（又称同步传送） 这种传送方式只对固定的外设（如开关、继电器、7
(三) 控制信息 它用于控制外设的启动或停止。接口电路基本结构及其连接如图
6.2所示。接口电路根据传送不同信息的需要，其基本结构安排有一 些特点。
(1) 3种信息（数据、状态、控制）的性质不同,应通过不 同的端口分别传送。如数据输入/输出寄存器(缓冲器）、状态 寄存器与命令控制寄存器各占一个端口，每个端口都有自己的 端口地址，故能用不同的端口地址来区分不同性质的信息。
段显 示器、机械式传感器等简单外设）在规定的时间用IN或 OUT指
一般，这些外设随时做好了数据传送的准备,而无须检测其状态。
这里先要弄清有关输入缓冲与输出锁存的基本概念。
输入数据时,因简单外设输入数据的保持时间相对于CPU的接收速
度来说较长，故输入数据通常不用加锁存器来锁存,而直接使用三态
缓冲器与CPU数据总线相连即可。
微机原理与接口技术-基本输入输出接口技术 (2)可编辑全文
四、I/O处理机控制方式
尽管DMA方式优点比较突出，但在DMA进行传 输之前，对DMA的初始操作、对数据的运算和处理 等都需要处理器事先干预。为了让处理器彻底摆脱管 理和控制I/O设备的负担，引入了I/O处理机控制方式。 这种方式下，由专用I/O协处理器负责I/O操作和处理。
6.3 I/O接口的读写技术
输出的一种方式。
特点：简单、经济，但可靠性差。
2.条件传送方式
含义：首先查询外设状态，满足条件时才进
行数据的传送，因此也叫查询传送方式。
特点：简单、可靠性高，但CPU效率低。 开始
输入状态信息
准备输出数据
输入
N READY=1?
Y 输入数据
后续处理
输出
读状态口的状态
Y
BUSY=1?
N
输出数据
二、中断控制方式
WRA13~A0 CS
OE D15~D8 16K个I/O
WE A13~A0 CS
OE D7~D0 16K个I/O
WEA13~A0 CS
64位I/O组织 -基于Pentium~ Core2
BE7 BE6 BE5 BE4 A15~A3 IO W C
IORC D63~D0
A15~A3 BE3 BE2 BE1 BE0
含义：在满足传输条件时，外设向CPU发请求传输
的中断信号，CPU接收请求后进入服务程序，在中断 服务程序中进行输入输出操作。
特点：无需查询等待，CPU利用率大大提高。 不足：中断控制方式仍需要一系列本与输入输出无
关的操作（如压栈保护等），因此对于高速I/O设备 效率仍不算快。
三、DMA控制方式
位地顺序传送的一种通信方式。 要点：按位传输，同一时刻仅传送一位。 特点：
《微机原理及应用》第六章-输入输出
中断服务程序是专门用来处理中断事件的程序，它会根据 中断类型进行相应的处理，例如读取输入设备的数据、处 理异常事件等。
中断返回
当中断服务程序执行完毕后，会恢复被中断程序的现场信 息，并返回到被中断的程序继续执行。
中断优先级和中断嵌套
中断优先级
当有多个中断源同时发出中断请求时，CPU会根据每个中断源的优先级高低来决定先响应哪个中断。 优先级高的中断会优先得到响应和处理。
中断源
引起中断的原因或发出中断请求的来源称为中断源。
03
中断向量
中断向量是指中断服务程序的入口地址，即中断服务程序第一条指令的
内存地址。
中断的处理过程
中断响应
CPU在收到中断请求后，会判断是否满足中断响应条件， 如果满足则会响应中断，保存当前程序的现场信息，并跳 转到相应的中断服务程序执行。
中断处理
停止CPU方式
在DMA传输期间，CPU停止执行程序，让出总线控制权给DMA控制器。这种方式下， DMA传输速度最快，但CPU利用率最低。
DMA与CPU交替方式
CPU执行程序时，DMA控制器准备数据；当CPU需要使用总线时，DMA控制器暂停传输 ，让出总线控制权给CPU。这种方式下，CPU和DMA协同工作，效率较高。
图形液晶显示模块接口
支持图形显示，接口电路负责传输图像数据和控制信号。
LED点阵显示器接口
控制LED点阵的亮灭，实现图像的显示。
打印机输出接口电路
并行接口
通过并行数据线与打印机连接，传输打印数据和 控制信号。
USB接口
采用通用串行总线协议，实现与打印机的数据传 输。
网络接口
通过网络协议与打印机通信，实现远程打印功能。
中断嵌套
中断返回
当中断服务程序执行完毕后，会恢复被中断程序的现场信 息，并返回到被中断的程序继续执行。
中断优先级和中断嵌套
中断优先级
当有多个中断源同时发出中断请求时，CPU会根据每个中断源的优先级高低来决定先响应哪个中断。 优先级高的中断会优先得到响应和处理。
中断源
引起中断的原因或发出中断请求的来源称为中断源。
03
中断向量
中断向量是指中断服务程序的入口地址，即中断服务程序第一条指令的
内存地址。
中断的处理过程
中断响应
CPU在收到中断请求后，会判断是否满足中断响应条件， 如果满足则会响应中断，保存当前程序的现场信息，并跳 转到相应的中断服务程序执行。
中断处理
停止CPU方式
在DMA传输期间，CPU停止执行程序，让出总线控制权给DMA控制器。这种方式下， DMA传输速度最快，但CPU利用率最低。
DMA与CPU交替方式
CPU执行程序时，DMA控制器准备数据；当CPU需要使用总线时，DMA控制器暂停传输 ，让出总线控制权给CPU。这种方式下，CPU和DMA协同工作，效率较高。
图形液晶显示模块接口
支持图形显示，接口电路负责传输图像数据和控制信号。
LED点阵显示器接口
控制LED点阵的亮灭，实现图像的显示。
打印机输出接口电路
并行接口
通过并行数据线与打印机连接，传输打印数据和 控制信号。
USB接口
采用通用串行总线协议，实现与打印机的数据传 输。
网络接口
通过网络协议与打印机通信，实现远程打印功能。
中断嵌套
微机原理_输入输出
中断传送方式 直接存储器存储方式
– DMA（Direct Memory Access) DMA（
数据不经过CPU， 数据不经过CPU，在存储器和外设间传送方式
（1）无条件传送 ①输入的例子：
D7～D0 A15～A1 地址 译码 器 0160H CS
三态 缓冲 器 OE
I/O 装置
A0 IOR
MOV DX, 160H IN AL, DX
解决 两个 基本 问题
输入输出接口的寻址方式
端口寻址电路与内部存储器寻址电路基本相同。 端口寻址电路与内部存储器寻址电路基本相同。 但地址线只有16根 只能访问64K个端口。 但地址线只有16根，只能访问64K个端口。 为高电平外， 寻址时序除引脚 IO/M 为高电平外，其它与存储器 的访问时序完全相同。 的访问时序完全相同。 为了配合CPU总线 每个端口包含8bit信息 总线， 信息。 为了配合CPU总线，每个端口包含8bit信息。 寻址指令只有两条： (输入 输入) OUT(输出 输出) 寻址指令只有两条：IN (输入) 、OUT(输出)。 寻址方式两种： 寻址方式两种： 直接给端口地址(必须位于[00H FFH]区间 区间) 直接给端口地址(必须位于[00H－FFH]区间) DX作端口指针 可位于[0000H FFFFH]区间 作端口指针( 区间) 用DX作端口指针(可位于[0000H-FFFFH]区间)
特 点：把一个外设端口作为存储器的一个单元对待， 把一个外设端口作为存储器的一个单元对待， 外设与存储器共用地址单元。 外设与存储器共用地址单元。 数据传送： 数据传送：使用存储器的操作指令
标准的I/O寻址方式 标准的 寻址方式
特 点：地址空间独立 数据传送：专门的输入/输出指令 数据传送：专门的输入 输出指令 IN OUT 寻址方式： 端口地址8位 范围[0， 寻址方式：直接寻址 端口地址 位 范围 ，255] 端口地址16位 范围[0， 间接寻址 端口地址 位 范围 ，0FFFFH]
第六章_基本输入输出接口技术
20
6.3 CPU与外设之间的数据传送方式
[例] 设状态端口地址为086H，数据端口地址为084H，外 设忙碌D7=1，请用查询方式写出CPU从存储器缓冲区 Buffer送出1KB的数据给外设的程序段。 LEA SI , Buffer ；取Buffer的有效地址送SI MOV CX , 1000 ；循环次数 W1: MOV DX, 086H ；状态端口地址送DX W2: IN AL , DX ；从状态端口读入状态信息 AND AL，80H ； BUSY=0? JNZ W2 ； BUSY=1，返回继续查询 MOV AL,[SI] ； BUSY=0，取数据 MOV DX, 084H ；数据端口地址送DX OUT DX,AL ；数据输出到数据端口 INC SI ；SI指向下一个字节数据 LOOP W1 ；CX-1送CX≠0，循环 HLT ；CX=0，传送结束
FFFFF
内存 空间 I/O 空间
10
§6-2 I/O端口的编址与访问
二、 I/O端口地址的译码方法：
I/O端口地址译码的一般原则是：把CPU用于I/O端口寻址 的地址线分为高位地址线和低位地址线两部分：
将低位地址线直接连到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。 将高位地址线与CPU的控制信号组合，经地址译码电 路产生I/O接口芯片的片选信号。 常见的译码器： 2/4线译码器74LS139 3/8线译码器74LS138
返回断点
6.3 CPU与外设之间的数据传送方式
关于中断的几点说明：
采用中断的数据传送方式时，外设处于主动申请地 位，CPU配合进行数据传送；CPU不必反复去查询 外设的状态，而是可以与外设“并行工作”，因此 提高了CPU的工作效率，并且更具有实时性。
微机原理 第6章 输入和输出
14
⒈无条件传送的输入方式
数据 三 来自 外设 态 缓冲器 8 数据总线DB 数据总线 地址译码器 地址总线
当执行： 当执行： IN AL , n
IO/M RD 图6-2 无条件传送的输入方式
15
⒉无条件传送的输出方式
74LS273 锁存器 到外设 CLK n IO/M WR 无条件传送的输出方式 8 数据总线DB 数据总线 地址译码器 地址总线
第6章 输入和输出
6.1 概述 6.2 输入和输出的寻址方式 6.3 CPU与I/O之间的接口信号 与 之间的接口信号 6.4 CPU与外设之间数据的传送方式 与外设之间数据的传送方式
1
6.1 概 述
输入和输出设备是计算机系统的重要 输入和输出设备是计算机系统的重要 组成部分。 组成部分。
程序 原始 数据 信息
25
1. 查询输入方式
数据口 • o 输 数据 入 > 装 +5V • oR
D 数据 M / IO
o
o o
CS
RD 地址译码
A7~ A0
数据端口
去DB 状态信息
Q
状态端口 地址 译码
Ready(D4) o 状态口 o CS o o
选通 信号
›
M / IO
RD
图6-5 查询式输入接口电路
26
当输入装置数据准备好① 当输入装置数据准备好①发出一个选通信 一面把数据锁存起来,一面送 号,一面把数据锁存起来 一面送 触发器的 一面把数据锁存起来 一面送D触发器的 CLK端,将D=1打入 端,使Q=1；②CPU读入状 打入Q端 使 端将 打入 ； 读入状 态信息READY(D4) ；③当READY=1,输入数据； 输入数据； 态信息 输入数据 读入数据同时,将状态信号清零 将状态信号清零。 ④读入数据同时 将状态信号清零。 程序段如下： 程序段如下：
84微机原理 第06章 微型计算机的输入输出PPT课件
➢ 要传递的信息有三方面内容：状态、数 据及控制信息。
地址总线
数据总线 CPU
控制总线
数据端口 状态端口 控制端口
数据信息
状态信息 外设
控制信息
1.数据信息 CPU和外设交换的基本信息是数据。数据信息大致可分
为数字量、模拟量和开关量三种类型。 2.状态信息
状态信息反映了外设当前所处的工作状态，是外设发送 给CPU的，用来协调CPU和外设之间的操作。 3.控制信息
1、I/O端口不占用存储器地址，故不会减少 用户的存储器地址空间；
2、采用单独的I/O指令，使程序中I/O操作和 其他操作层次清晰，便于理解。 这种编址方式的缺点是：
1、单独I/O指令的功能有限，只能对端口数 据进行输入/输出操作，不能直接进行移位、比 较等其他操作；
2、由于采用了专用的I/O操作时序及I/O控制 信号线，因而增加了微处理器本身控制逻辑的 复杂性。
(1) CPU从接口中读取状态字；
(2)CPU检测状态字的相应位是否满足“就绪”条 件，如果不满足，则转⑴；
(3) 如状态位表明外设已处于“就绪”状态，则 传输数据。
输入时，状态寄存器的状态指示要输入 的数据是否已经准备就绪；
读取状态信息
外设
数据线
否 准备好？
是
状态线
输入数据
常用的状态线有IBF，READY 功能：
状态信息的应答，以协调数据传送之前 的准备工作；
进行中断管理，提供中断信号；
进行数据格式转换，如正负逻辑的转换， 串行与并行数据转换等；
进行电平转换，如TTL电平与MOS电平 间的转换；
协调速度；
时序控制，提供实时时钟信号。
6.2 I/O端口及其寻址方式
地址总线
数据总线 CPU
控制总线
数据端口 状态端口 控制端口
数据信息
状态信息 外设
控制信息
1.数据信息 CPU和外设交换的基本信息是数据。数据信息大致可分
为数字量、模拟量和开关量三种类型。 2.状态信息
状态信息反映了外设当前所处的工作状态，是外设发送 给CPU的，用来协调CPU和外设之间的操作。 3.控制信息
1、I/O端口不占用存储器地址，故不会减少 用户的存储器地址空间；
2、采用单独的I/O指令，使程序中I/O操作和 其他操作层次清晰，便于理解。 这种编址方式的缺点是：
1、单独I/O指令的功能有限，只能对端口数 据进行输入/输出操作，不能直接进行移位、比 较等其他操作；
2、由于采用了专用的I/O操作时序及I/O控制 信号线，因而增加了微处理器本身控制逻辑的 复杂性。
(1) CPU从接口中读取状态字；
(2)CPU检测状态字的相应位是否满足“就绪”条 件，如果不满足，则转⑴；
(3) 如状态位表明外设已处于“就绪”状态，则 传输数据。
输入时，状态寄存器的状态指示要输入 的数据是否已经准备就绪；
读取状态信息
外设
数据线
否 准备好？
是
状态线
输入数据
常用的状态线有IBF，READY 功能：
状态信息的应答，以协调数据传送之前 的准备工作；
进行中断管理，提供中断信号；
进行数据格式转换，如正负逻辑的转换， 串行与并行数据转换等；
进行电平转换，如TTL电平与MOS电平 间的转换；
协调速度；
时序控制，提供实时时钟信号。
6.2 I/O端口及其寻址方式
微机原理第六章 输入输出和中断技术 part 2 (2)
回复断点和硬件现场
中断处理的一般过程
6.4.3 8088/8086中断系统
8086/8088为每个中断源分配 一个中断类型码（中断向量码），其取值范围为 0~255，实际可处理56种中断。其中包括软件中断，系统占用的中断，已经开放 给用户使用的中断。所有中断又可分为两大类：内部中断和外部中断。
内部中断
6.4.2 中断处理的一般过程
1. 中断请求 2. 中断源识别及中断判优 3. 中断响应 4. 中断处理（服务） 5. 中断返回
1. 中断请求 ➢ INTR中断请求信号应保持到中断被处理为止 ➢ CPU响应中断后，中断请求信号应及时撤销
2. 中断源识别 ➢ 软件判优：由软件来安排中断源的优先级别。顺序查询中断请求，先查询的
➢ （4）能向存储器或外设发出读/写命令。 ➢ （5）能决定传送的字节数，并判断DMA传送是否结束。 ➢ （6）在DMA过程结束后，能向CPU发出DMA结束信号，将总线控制权交
还给CPU。
2. DMA控制器的工作过程 ➢ （1）当外设准备好，可以进行DMA传送时，外设向DMA控制器发出
“DMA传送请求”信号DRQ ➢ （2）DMA控制器收到请求后，向CPU发出“总线请求”信号HOLD ➢ （3）CPU在完成当前总线周期后会立即发出HLDA信号，对HOLD信号进
➢ （2）单步中断——1型中断，标志寄存器中有一位陷阱标志TF。 ➢ （3）断点中断——3型中断，专用于设置断点的指令INT 3，用于程序中设
置断点来调试程序。
➢ （4）溢出中断——4型中断，在算数指令的执行过程发出溢出 ➢ （5）用户自定义的软件中断——n型中断，执行中断指令INT n引起内部中
断。
需要时，CPU回到原来被中断的地方继续执行自己的程序。 优点： ➢ CPU效率高，实时性好 缺点 ➢ 程序编制相对较为复杂
中断处理的一般过程
6.4.3 8088/8086中断系统
8086/8088为每个中断源分配 一个中断类型码（中断向量码），其取值范围为 0~255，实际可处理56种中断。其中包括软件中断，系统占用的中断，已经开放 给用户使用的中断。所有中断又可分为两大类：内部中断和外部中断。
内部中断
6.4.2 中断处理的一般过程
1. 中断请求 2. 中断源识别及中断判优 3. 中断响应 4. 中断处理（服务） 5. 中断返回
1. 中断请求 ➢ INTR中断请求信号应保持到中断被处理为止 ➢ CPU响应中断后，中断请求信号应及时撤销
2. 中断源识别 ➢ 软件判优：由软件来安排中断源的优先级别。顺序查询中断请求，先查询的
➢ （4）能向存储器或外设发出读/写命令。 ➢ （5）能决定传送的字节数，并判断DMA传送是否结束。 ➢ （6）在DMA过程结束后，能向CPU发出DMA结束信号，将总线控制权交
还给CPU。
2. DMA控制器的工作过程 ➢ （1）当外设准备好，可以进行DMA传送时，外设向DMA控制器发出
“DMA传送请求”信号DRQ ➢ （2）DMA控制器收到请求后，向CPU发出“总线请求”信号HOLD ➢ （3）CPU在完成当前总线周期后会立即发出HLDA信号，对HOLD信号进
➢ （2）单步中断——1型中断，标志寄存器中有一位陷阱标志TF。 ➢ （3）断点中断——3型中断，专用于设置断点的指令INT 3，用于程序中设
置断点来调试程序。
➢ （4）溢出中断——4型中断，在算数指令的执行过程发出溢出 ➢ （5）用户自定义的软件中断——n型中断，执行中断指令INT n引起内部中
断。
需要时，CPU回到原来被中断的地方继续执行自己的程序。 优点： ➢ CPU效率高，实时性好 缺点 ➢ 程序编制相对较为复杂
微机原理 第06章 微型计算机的输入输出
计算机科学与技术学院系统教研室
这种编址方式的优点是： 这种编址方式的优点是： 1、I/O端口不占用存储器地址，故不会减少 用户的存储器地址空间； 2、采用单独的I/O指令，使程序中I/O操作和 其他操作层次清晰，便于理解。 这种编址方式的缺点是： 这种编址方式的缺点是： 1、单独I/O指令的功能有限，只能对端口数 据进行输入/输出操作，不能直接进行移位、比 较等其他操作； 2、由于采用了专用的I/O操作时序及I/O控制 信号线，因而增加了微处理器本身控制逻辑的 复杂性。
计算机科学与技术学院系统教研室
2、I/O映像的 寻址 、 映像的 映像的I/O寻址 I/O端口地址与存储单元地址分开编址 端口地址与存储单元地址分开编址
存储单元
存储地址空 间
I/O 端口
I/O 地址空间
计算机科学与技术学院系统教研室
特点
1、地址线：A15……A0 、地址线：A15……A0 2、M/IO 3、用I/O指令 、用I/O指令
计算机科学与技术学院系统教研室
【例】硬件如下图所示，不断扫描开关Ki，当开关闭合时， 硬件如下图所示，不断扫描开关K 点亮相应的LED ，当地址为200H时，/Y为低电平。 点亮相应的LEDi，当地址为200H时，/Y为低电平。 分析：开关Ki闭合 时，输入为低电平 “0”，而点亮相应 LEDi，则输出为高 电平“1”，输入与 ” 输出的关系相反。 编写程序时，若采 取先读入开关状态， 再分析每一位的状 态，然后决定LED 的亮灭，则该程序 显得非常繁琐。
计算机科学与技术学院系统教研室
外设
1、CPU读状态端口，查BUSY线 、 读状态端口， 读状态端口 线 2、CPU写数据，(1)、数据进入数据锁存器；(2)、BUSY 、 写数据， 、数据进入数据锁存器； 、 写数据 有效 3、输出设备工作完毕，busy无效 、输出设备工作完毕， 无效
第6章 输入输出-西北工业大学微机原理PPT
第六章 微型计算机的输入/输出
2. 同步输入硬件接口电路
第六章 微型计算机的输入/输出
3. 不可编程输入接口芯片74LS244及一个例子
第六章 微型计算机的输入/输出
二、 同步输出方式 1. 同步输出过程
. 提供端口地址，以便CPU将数据送到指定的外设。
. 执行OUT指令或存储器写指令。
. 地址译码器输出，同时产生M/
6.2.1 程序控制传送方式(程序查询方式、纯软件) (适合慢速的外设) 1. 同步传送方式 (又称无条件传送方式) CPU直接与外设传送数据而不必预先检查外设状态， 因为这种外设的时序是已知的及固定的。
第六章 微型计算机的输入/输出
2. 异步查询方式 (又称条件传送方式)
CPU与外设传送数据之前，先检查外设状态，只 有在状态满足条件的情况下才可以传送数据。 6.2.2 中断控制传送方式
JZ TEST2 MOV AL,[BX] INC BX
；检查D0位
；D0=“0”，则等待
OUT DPORT，AL ；D0≠“0”，输出数据
第六章 微型计算机的输入/输出
6.3.3 查询方式应用举例(打印机)
DB0-DB7——数据传送线，输入。
——数据选通信号，输入。
BUSY——“忙”信号，输出。
——“应答”信号，输出。 低电平时，即打印机
存储器与CPU交换信息:它们在数据格式、存取速度 等方面基本是匹配的，也就是说CPU要从存储 器读入指令，数据或向存储器写入新的结果和 数据，只要一条存储器访问指令就可完成，在 硬件连接方面是芯片与芯片之间的管脚连接。 CPU与外部设备通讯的困难： 1.CPU的运行速度要比外设的处理速度高得多 2.一台打印机不能直接与CPU的管脚连接， 一个键盘或者其他外设也是如此。
微机原理(第六章 输入输出控制)
置中断屏蔽字，从而改变原有的中断优先级。中断控制器还支持中断
的嵌套。中断的嵌套是指，当CPU正在为一个中断源服务时，又有一 个高优先级的中断请求打断当前的中断服务，从而CPU进入一个新的
中断服务的情况。
微机上用的比较多的还是可编程中断控制器芯片 如 Intel 8259A。
2014-1-5
16
系统中采用可编程中断控制器以后，硬件的连线也发生了改变 。这时，CPU的INT和引脚不再与中断接口电路相连，而是与中断 控制器相连，来自外设的中断请求信号通过中断控制器的中断请求 输入引脚IRi进入中断控制器。CPU发出信号以后，由中断控制器将 送出的级别最高的中断请求的中断类型码送出，使CPU可以转向相 应的中断服务子程序。整个电路如图6-11所示。
输出时，则可提供“忙(BUSY)”信号， BUSY=1表示其正在忙，BUSY=0表示CPU 可以进行输出操作。 (1) 程序流程( 以输入为例 )
2014-1-5 7
(2) 接口电路
输 入接口 ：从 输入设备将 数据送入锁 存器 (STB=0)， 发选通信 号 (STB=0)作为D触发器的CLK，使其输出为高，经三态缓冲器后
2014-1-5
22
类型0
中断向量表
IP CS 类型1 IP CS 类型2 IP CS ┅ ┅ 类型30 IP CS 类型31 IP
0000：0000H 0000：0004H 0000：0008H
0000：0078H 0000：007CH 0000：0080H
2014-1-5
CS 类型32 IP CS ┅ ┅ 类型255 IP CS
14
(2) 简单硬件方式
我们以链式中断优先权排队电路为
例。它的基本设计思想是：将所有的
微机原理第6章输入和输出
第九页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第十页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第十一页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第十二页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第十三页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第十四页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第十五页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第十六页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第十七页，编辑Biblioteka 星期一：十五点 三十二分。第十八页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第十九页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第二十页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第二十一页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第二十二页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第一页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第二页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第三页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第四页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第五页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第六页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第七页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第八页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第三十七页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第三十八页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第三十九页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第四十页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第四十一页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第四十二页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第二十三页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第二十四页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
第二十五页，编辑于星期一：十五点 三十二分。
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⑴ 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 N ⑵ 传送环节 – 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
2013-8-10
输入状态 就绪？ Y 数据交换
12
2）查询输入接口
对应外设至少应有两个端口地址
译码 INTR
d
STB
1
中断允许触发器
中断向量号 中断请求触发器
2013-8-10
INTA D0～D7
三态缓冲器
c.当中断允许时向CPU提出中断请求 d.CPU响应中断回INTA*,获取中断向量号
18
（2）中断工作过程
中断请求
中断响应
关中断 断点保护 中断服务是进行数据交换的实质性环节 中断识别 现场保护
• 在CPU与慢速变化的设备交换数据时，可以 认为它们总是处于“就绪”状态，随时可以 进行数据传送，这就是无条件传送，或称立 即传送、同步传送 • 适合于简单设备，如LED数码管、按键或按 纽及拨码开关等 • 无条件传送的接口和操作均十分简单 • 这种传送有前提：外设必须随时就绪
2013-8-10 4
中断优先权排队
解答1：链式优先权排队电路 解答2：优先权编码电路
2013-8-10 24
问题3：中断处理过程中， 又有中断提出请求，怎么办？
中断嵌套
CPU正在执行低优先级的服务程序，又有高优先
解答1：链式优先权排队电路 解答2：优先权编码电路
2013-8-10 25
当CPU正在为一个中断源服务时，又有一个高优先级 的中断请求打断当前的中断服务，从而CPU进入一个 新的中断服务的情况。
输的要求。
CPU与外设之间传输数据的控制方式有三种：
程序方式
中断方式
2013-8-10
DMA方式
2
6.1.1 程序方式
程序方式就是指用程序来控制进行
信息传输的方式。很显然，这是一种软
件控制方式。
根据程序控制的方法不同，又可分为： 无条件传送方式 条件传送方式（查询方式）
2013-8-10 3
1．无条件传送方式
2013-8-10 17
（1）中断输入接口
a.输入设备准备好数据后送上端口数据线
b.外设发出STB*，将数据锁存并置位中断 请求 触发器
a
输入 设备
8D 锁存器 +5V
1 D RQ
8位 三态 缓冲器
e.CPU执行中断服 务程序读取数据同 D0～D7 时清除中断请求
e
b
8001H
c
IOR
A0～A15
状态端口 数据端口
8位 8D a mov dx,8000h 三态 ；DX指向状态端口 D0～D7 锁存器 缓冲器 status: in al,dx ；读状态端口 输入 d 设备 test al,01h IOR ；测试标志位D0 b +5V 8001H 1位 jz status ；D0＝0，未就绪，继续查询 RQ 1 三态 D0 译码 D A0～A15 inc dx ；D0＝1，就绪，DX指向数据端口 缓冲器 in al,dx ；从数据端口输入数据 8000H STB IOR
• CPU需要先了解（查询）外设的工作状 态，然后在外设可以交换信息的情况下 （就绪）实现数据输入或输出 • 对多个外设的情况，则CPU按一定顺序 依次查询（轮询）。先查询的外设将优 先进行数据交换 • 查询传送的特点是：工作可靠，适用面 宽，但传送效率低
2013-8-10 11
1)查询传送的两个环节
10k×8
+5V
数 据 总 线 CS RD
74LS244
G1 G 2
上拉电阻 8位拨码开关
拨码开关直接读取 按键则需消颤去抖释放
2013-8-10
MOV IN
DX, 160H AL, DX
6
无条件传送：输出示例
输出接口通常采用数据锁存器如：74LS273，373等
D7 ～ D0 A15 ～ A1 A0 IOW
在中断响应周期 CPU完成 CPU完成
在中断服务程序 CPU完成
中 断 服 务
2013-8-10
20
2.中断优先权
系统设计者事先根据轻重缓急，给每个中断源 确定的优先服务的级别----中断优先权
问题1：系统有多个中断请求， CPU如何识别中断源？
中断源的识别
解答1：向量中断 解答2：中断查询
2013-8-10 21
南京理工大学动力学院
2009年 11月
2013-8-10 2013-8-10 1
6.1 输入/输出数据的传输控制方式
输入／输出操作对一台计算机来讲是必不可少
的。由于外设的工作速度相差很大，对接口的要求 也不尽相同，因此，输入／输出数据的传输控制方
式对CPU来讲就是一个较复杂的问题，应根据不同
的外设要求选择不同的传输控制方式以满足数据传
无条件传送：输入示例
输入接口通常采用三态缓冲器如：74LS244等
D7～D0 A15～A1 A0 IOR
当地址译码选择和I/O读信号 同时有效时打开三态缓冲器
2013-8-10
地址 译码 器 0160H CS
三态 缓冲 器 OE
I/O 装置
MOV DX, 160H IN AL, DX
5
双四位单向缓冲器
G ；从输入端口读开关状态 K1 LS244 ；反相 三态 K7 缓冲器 ；送输出端口显示
；调子程序延时
CLK LS273 8D 锁存器
…
jmp next
D0～D7
；重复 LS06
反相 驱动器
LED0
+5V …
LED7
2013-8-10
从输入口读入开关状态,从输出口显示开关状态
10
2．条件传送方式
+5V
out dx,al
①CPU读取状态端口8000H
8000H
查询输出数据锁存器是否“空”
IOR
②若空则向输出数据锁存器输出一个数据，同时将输出数据锁存器标志置为满 ③当外设不忙时，将数据取走，同时发ACK*将“满”标志复位。
2013-8-10 14
3）优先级问题
当系统较大时，CPU需对多台设 备进行查询服务，就出现了设备的 优先级的问题，即究竟先为哪台设 备服务。 为了保证每台设备都有被查询服 务的可能，系统可以采用轮流查询 的方法来解决。先查询的设备具有 较高的优先级，可以得到较早的服 务，而后查询到的设备则具有较低 的优先级。
2013-8-10
地址 译码 器 0160H CS
数据 锁存 器
输出 设备
MOV MOV OUT
DX, 160H AL, [BX] DX, AL
7
通常用于驱动发光二极管 状态指示灯或八段数码管
共阳
300 x 8 数 据 总 线 CS WR
74LS373
+5V
十几毫安电流
LE OE
限流电阻
a
f e d
22
2013-8-10
中断查询
软件查询法只需有简单的
硬件电路。可以将多台设备
的中断请求信号相或作为中 断请求发向CPU，当CPU进入 中断服务子程序后首先读取 中断请求寄存器，然后用逐 位查询的方式来确定哪个中 断源提出了中断请求，并提 供相应的服务。
2013-8-10
23
（2）中断优先权
问题2：有多个中断同时请求， CPU如何应对？
2013-8-10
29
图6-11
中断控制器的系统连接
（5）中断优先权编码电路
当CPU正在执行中断服务程序时，正在服务的中断 源的优先权编码存于优先权寄存器，比较器失效 信号为“0”，封锁与门2 若有新中断源提出请求
中断控制器8259A
其优先权编码与优先权
寄存器比较，若比其少 则比较器输出为“1” 经与门2向CPU申请中断
可编程中断控制器设有中断屏蔽字寄存器，用户可以
通过编程设置中断屏蔽字，从而改变原有的中断优先级。 中断控制器还支持中断的嵌套。中断的嵌套是指，当CPU 正在为一个中断源服务时，又有一个高优先级的中断请求 打断当前的中断服务，从而CPU进入一个新的中断服务的
情况。
2013-8-10 28
系统中采用可编程中断控制器以后，硬件的连线也发生了改变 。这时，CPU的INT和引脚不再与中断接口电路相连，而是与中断控 制器相连，来自外设的中断请求信号通过中断控制器的中断请求输 入引脚IRi进入中断控制器。CPU发出信号以后，由中断控制器将送 出的级别最高的中断请求的中断类型码送出，使CPU可以转向相应的 中断服务子程序。
2013-8-10
g
b c
MOV MOV OUT
.h h g
DX, 160H AL, [BX] DX, AL
f e d c b a
8
共阴
GND
300 x 8
数 据 总 线 CS WR
f e d
2013-8-10
74LS373
LE OE
a
g b c
;显示数字2 MOV DX, 160H MOV AL, 5BH OUT DX, AL
.h 0 h 1 g 0 f 1 1 e d 0 1 c b 1 a5 IOR IOW 译码
输入和输出占用同一端口地址
next:8000H dx,8000h mov in al,dx not al
；DX指向数据端口
K0
+5V
out dx,al
call delay
a.输入设备准备好数据后送上端口数据线
c
b.外设发出STB*，将数据锁存并置输入锁存器满标志 c.CPU通过读取状态端口8000H查询满标志 d.如满则从数据端口8001H读取数据同时复位满标志
2013-8-10
输入状态 就绪？ Y 数据交换
12
2）查询输入接口
对应外设至少应有两个端口地址
译码 INTR
d
STB
1
中断允许触发器
中断向量号 中断请求触发器
2013-8-10
INTA D0～D7
三态缓冲器
c.当中断允许时向CPU提出中断请求 d.CPU响应中断回INTA*,获取中断向量号
18
（2）中断工作过程
中断请求
中断响应
关中断 断点保护 中断服务是进行数据交换的实质性环节 中断识别 现场保护
• 在CPU与慢速变化的设备交换数据时，可以 认为它们总是处于“就绪”状态，随时可以 进行数据传送，这就是无条件传送，或称立 即传送、同步传送 • 适合于简单设备，如LED数码管、按键或按 纽及拨码开关等 • 无条件传送的接口和操作均十分简单 • 这种传送有前提：外设必须随时就绪
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中断优先权排队
解答1：链式优先权排队电路 解答2：优先权编码电路
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问题3：中断处理过程中， 又有中断提出请求，怎么办？
中断嵌套
CPU正在执行低优先级的服务程序，又有高优先
解答1：链式优先权排队电路 解答2：优先权编码电路
2013-8-10 25
当CPU正在为一个中断源服务时，又有一个高优先级 的中断请求打断当前的中断服务，从而CPU进入一个 新的中断服务的情况。
输的要求。
CPU与外设之间传输数据的控制方式有三种：
程序方式
中断方式
2013-8-10
DMA方式
2
6.1.1 程序方式
程序方式就是指用程序来控制进行
信息传输的方式。很显然，这是一种软
件控制方式。
根据程序控制的方法不同，又可分为： 无条件传送方式 条件传送方式（查询方式）
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1．无条件传送方式
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（1）中断输入接口
a.输入设备准备好数据后送上端口数据线
b.外设发出STB*，将数据锁存并置位中断 请求 触发器
a
输入 设备
8D 锁存器 +5V
1 D RQ
8位 三态 缓冲器
e.CPU执行中断服 务程序读取数据同 D0～D7 时清除中断请求
e
b
8001H
c
IOR
A0～A15
状态端口 数据端口
8位 8D a mov dx,8000h 三态 ；DX指向状态端口 D0～D7 锁存器 缓冲器 status: in al,dx ；读状态端口 输入 d 设备 test al,01h IOR ；测试标志位D0 b +5V 8001H 1位 jz status ；D0＝0，未就绪，继续查询 RQ 1 三态 D0 译码 D A0～A15 inc dx ；D0＝1，就绪，DX指向数据端口 缓冲器 in al,dx ；从数据端口输入数据 8000H STB IOR
• CPU需要先了解（查询）外设的工作状 态，然后在外设可以交换信息的情况下 （就绪）实现数据输入或输出 • 对多个外设的情况，则CPU按一定顺序 依次查询（轮询）。先查询的外设将优 先进行数据交换 • 查询传送的特点是：工作可靠，适用面 宽，但传送效率低
2013-8-10 11
1)查询传送的两个环节
10k×8
+5V
数 据 总 线 CS RD
74LS244
G1 G 2
上拉电阻 8位拨码开关
拨码开关直接读取 按键则需消颤去抖释放
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MOV IN
DX, 160H AL, DX
6
无条件传送：输出示例
输出接口通常采用数据锁存器如：74LS273，373等
D7 ～ D0 A15 ～ A1 A0 IOW
在中断响应周期 CPU完成 CPU完成
在中断服务程序 CPU完成
中 断 服 务
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2.中断优先权
系统设计者事先根据轻重缓急，给每个中断源 确定的优先服务的级别----中断优先权
问题1：系统有多个中断请求， CPU如何识别中断源？
中断源的识别
解答1：向量中断 解答2：中断查询
2013-8-10 21
南京理工大学动力学院
2009年 11月
2013-8-10 2013-8-10 1
6.1 输入/输出数据的传输控制方式
输入／输出操作对一台计算机来讲是必不可少
的。由于外设的工作速度相差很大，对接口的要求 也不尽相同，因此，输入／输出数据的传输控制方
式对CPU来讲就是一个较复杂的问题，应根据不同
的外设要求选择不同的传输控制方式以满足数据传
无条件传送：输入示例
输入接口通常采用三态缓冲器如：74LS244等
D7～D0 A15～A1 A0 IOR
当地址译码选择和I/O读信号 同时有效时打开三态缓冲器
2013-8-10
地址 译码 器 0160H CS
三态 缓冲 器 OE
I/O 装置
MOV DX, 160H IN AL, DX
5
双四位单向缓冲器
G ；从输入端口读开关状态 K1 LS244 ；反相 三态 K7 缓冲器 ；送输出端口显示
；调子程序延时
CLK LS273 8D 锁存器
…
jmp next
D0～D7
；重复 LS06
反相 驱动器
LED0
+5V …
LED7
2013-8-10
从输入口读入开关状态,从输出口显示开关状态
10
2．条件传送方式
+5V
out dx,al
①CPU读取状态端口8000H
8000H
查询输出数据锁存器是否“空”
IOR
②若空则向输出数据锁存器输出一个数据，同时将输出数据锁存器标志置为满 ③当外设不忙时，将数据取走，同时发ACK*将“满”标志复位。
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3）优先级问题
当系统较大时，CPU需对多台设 备进行查询服务，就出现了设备的 优先级的问题，即究竟先为哪台设 备服务。 为了保证每台设备都有被查询服 务的可能，系统可以采用轮流查询 的方法来解决。先查询的设备具有 较高的优先级，可以得到较早的服 务，而后查询到的设备则具有较低 的优先级。
2013-8-10
地址 译码 器 0160H CS
数据 锁存 器
输出 设备
MOV MOV OUT
DX, 160H AL, [BX] DX, AL
7
通常用于驱动发光二极管 状态指示灯或八段数码管
共阳
300 x 8 数 据 总 线 CS WR
74LS373
+5V
十几毫安电流
LE OE
限流电阻
a
f e d
22
2013-8-10
中断查询
软件查询法只需有简单的
硬件电路。可以将多台设备
的中断请求信号相或作为中 断请求发向CPU，当CPU进入 中断服务子程序后首先读取 中断请求寄存器，然后用逐 位查询的方式来确定哪个中 断源提出了中断请求，并提 供相应的服务。
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（2）中断优先权
问题2：有多个中断同时请求， CPU如何应对？
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图6-11
中断控制器的系统连接
（5）中断优先权编码电路
当CPU正在执行中断服务程序时，正在服务的中断 源的优先权编码存于优先权寄存器，比较器失效 信号为“0”，封锁与门2 若有新中断源提出请求
中断控制器8259A
其优先权编码与优先权
寄存器比较，若比其少 则比较器输出为“1” 经与门2向CPU申请中断
可编程中断控制器设有中断屏蔽字寄存器，用户可以
通过编程设置中断屏蔽字，从而改变原有的中断优先级。 中断控制器还支持中断的嵌套。中断的嵌套是指，当CPU 正在为一个中断源服务时，又有一个高优先级的中断请求 打断当前的中断服务，从而CPU进入一个新的中断服务的
情况。
2013-8-10 28
系统中采用可编程中断控制器以后，硬件的连线也发生了改变 。这时，CPU的INT和引脚不再与中断接口电路相连，而是与中断控 制器相连，来自外设的中断请求信号通过中断控制器的中断请求输 入引脚IRi进入中断控制器。CPU发出信号以后，由中断控制器将送 出的级别最高的中断请求的中断类型码送出，使CPU可以转向相应的 中断服务子程序。
2013-8-10
g
b c
MOV MOV OUT
.h h g
DX, 160H AL, [BX] DX, AL
f e d c b a
8
共阴
GND
300 x 8
数 据 总 线 CS WR
f e d
2013-8-10
74LS373
LE OE
a
g b c
;显示数字2 MOV DX, 160H MOV AL, 5BH OUT DX, AL
.h 0 h 1 g 0 f 1 1 e d 0 1 c b 1 a5 IOR IOW 译码
输入和输出占用同一端口地址
next:8000H dx,8000h mov in al,dx not al
；DX指向数据端口
K0
+5V
out dx,al
call delay
a.输入设备准备好数据后送上端口数据线
c
b.外设发出STB*，将数据锁存并置输入锁存器满标志 c.CPU通过读取状态端口8000H查询满标志 d.如满则从数据端口8001H读取数据同时复位满标志