微机原理第8章 输入／输出接口基础与总线

3、8086 CPU与端口之间的硬件接口 硬件接口三种方法： （1） 仅使用8086CPU偶地址的接口技术 例8-2 设有某8位I／O接口电路芯片，其内部有 4个可寻址的 端口，并已知该I／O接口电路芯片的起始地址为328H，仅使用 8086CPU中偶地址的接口技术，试求出该I／O接口电路芯片的其余 地址并设计出该接口电路。
输入／ 8.1.2 输入／输出接口的功能 应具有以下基本功能： （l）解决CPU与外设之间速度不匹配问题 （2）实现信号电平的转换 （3）实现信号格式的转换 实现信号格式转换的情况可分成以下三种： 1）模／数与数／模转换 2）开关量转换 3）并行—串行转换 （4）实现CPU与外设之间同步工作 （5）实现CPU对端口的选择
教学目标 1 2 3 4 理解输入/输出接口的功能。 了解端口的编址方法。 掌握四种传送方式的特点。 了解总线技术。 重点内容 1 输入/输出接口的功能。 2 端口的编址方法。 3 端口与CPU之间的接口。 4 CPU与端口之间的数据传送方式（无条件传送方式、条件或 查询传送方式、中断传送方式、DMA传送方式）。 难点内容 1 CPU与端口之间的数据传送方式（无条件传送方式、条件或 查询传送方式、中断传送方式、DMA传送方式）。 学时数 4学时
8.1 概述 输入/输出接口是主机与外围设备之间的缓冲电路。
8.1.1 外部设备及其信号 1、外部设备 （1）输入设备 键盘、鼠标、扫描仪等。 （2）输出设备 显示器、打印机、绘图仪等。 （3）I／O复合设备 硬盘、光驱等。
2、外部设备的信号 （1）数据信号（主要部分） 按照其物理形态可分： 1）数字量：以二进制形式表示的数据、图形或文字信息。 2）模拟量：指那些以连续形态出现的物理量。 3）开关量：只有两种状态（0，1）的量。 4）脉冲量 （2）状态信号 作用：指示外部设备当前的工作状态，协调CPU与外部设备之 间的操作。 （3）控制信号 作用：CPU向外设发出的命令。
8.3.2 中断技术传送方式 查询方式的主要不足之处： （1）CPU的使用效率低 CPU将大量时间用在查询和等待外设状态上。 （2）实时性差 查询间隔时间中不能及时处理外部设备的服务请求。 中断技术的特点——在外部设备没有传送数据的要求时，CPU 进行正常的工作，即执行主程序；当设备满足传送条件时，向CPU 发出中断请求，CPU响应中断请求，暂停执行主程序，转而进行中 断处理，进行数据传送，传送完毕后，再返回到主程序中。 中断传送方式能够实现并行操作，CPU使用效率高，实时性好。 软件和硬件结构都较复杂。
2、条件传送方式（查询式传送 ） 一个数据传送的过程软件必须由以下三个环节组成： ① CPU从状态端口中读取一个状态字。 ② CPU检测状态字的某对应位是否满足“就绪”的条件，如果 不满足，则回到前一步重新读取状态字。 ③ 如果状态字表明该外设已处于“就绪”状态，则进行数据 的传送。 硬件须具备两个端口：数据口和状态口。 （1）查询方式下的输入接口 1）输入接口硬件 电路包括状态端口和数据端口。当输入设备将数据锁存到数据 锁存器时，同时使状态寄存器置位；CPU读数据时，同时清除状态 寄存器。 M/ IO低电平有效。
第8 章
输入／ 输入／输出接口基础与总线
教学内容
8.1 概述 8.1.1 外围设备及其信号 8.1.2 输入/输出接口的功能 8.2 CPU与端口之间的接口技术 8.2.1 最常用的简单输入/输出接口芯片 8.2.2 端口的编址方式 8.2.3 端口与CPU之间的接口 8.3 CPU与端口之间的数据传送方式 8.3.1程序控制方式 8.3.2 中断技术传送方式 8.3.3 DMA传送方式 8.4 总线技术 8.4.1 概述 8.4.2 PC总线
（2）独立编址方式 优点： 1）可读性好，输入输出指令和访问存储器的指令有明显的区 别，使程序清晰； 2）I／O指令长度短，执行的速度快，占用内存空间少； 3）I／O地址译码电路较简单。 缺点：CPU指令系统中必须有专门的IN和OUT指令，而且这些指 令的功能没有访问存储器的指令强。 端口与CPU CPU之间的接口 8.2.3 端口与CPU之间的接口 1、简单I／O接口的组成 简单I／O接口的组成：由地址译码、数据锁存与缓冲器、状态 寄存器、命令寄存器等 。 2、地址译码电路 地址译码电路是接口的重要组成部分。 地址译码电路分为两个部分：接口的选择和端口的选择。
2、I／O端口的寻址方法 I／O端口的编址方式有两种：统一编址方式和独立编址方式。 （1）统一编址方式(存储器映像寻址) 优点： 1）简化了指令系统的设计，在微处理器指令集中不必包含I／ O操作指令； 2）访问I／O设备的指令类型多、功能强，能用访问存储器指 令，对 I／O设备进行方便、灵活的操作； 3）I／O地址空间可大可小，能根据实际系统上的外设数目来 调整。 缺点：I／O端口占用了存储单元的地址空间，且I／O译码电路 变得较复杂。 其次，访问存储器的指令一般要比较长，这样延长了输入输出 操作时间。
解： I/O接口电路的8位数据线只与CPU数据总线的低8位相连， 只有A0为0时接口电路才会被选中。用CPU的二位地址线A2和A1作为 I／O接口电路芯片内部寻址，其余地址线经译码后可求得该芯片的 片选信号，译码地址应为328H。其接口电路芯片内部的 4个可寻址 的端口地址应为328H、32AH、32CH、32EH。该接口电路如图8-6所 示。
例8-1 某接口有四个端口分别为数据端口A、数据端口B、数据 端口C和控制端口。数据端口A和数据端口C为输入口，数据端口B和 控制端口为输出口，系统分配给接口的地址是378H、379H、37AH、 37BH。设系统为最小工作模式，试设计接口的译码电路。 解：该接口共有四个端 口地址，取地址码最低两位 A1、A0作为接口内不同端口 的选择，即：数据端口A、数 据端口B、数据端口C和控制 端口分别对应四种组合00、 01、10、11，高14位地址码 译出本接口的选择地址378H （也是数据端口A的地址）。
DMA传送方式 8.3.3 DMA传送方式 DMA——即直接存储器传送。将外设的数据不经过CPU直接送入 内存储器，或者从内存储器不经过CPU直接送往外部设备。 DMAC——DMA控制器。 对于大量的数据，CPU内是无法保存的，只能保存在存储器中。 这样，存储器→CPU→外设会降低传送的速度。 1、DMA控制器的功能 （1）能向CPU发出总线请求信号。 （2）能实现对总线的控制。 （3）能发送地址信号并对内存储器寻址。 （4）能修改地址指针。 （5）能向存储器和外设发出读／写控制信号。 （6）能判断DMA传送是否结束。 （7）能发出DMA过程结束信号，使CPU能正常工作 。
4、总线标准 总线标准——指在计算机界承认或推荐的系统中互连各个模块 的标准。 常用的总线标准可分为两大类：系统总线和外部总线。 （1）常用的标准系统总线 ① PC总线 ② ISA总线 ③ PCI总线 ④ S－100总线 ⑤ STD总线 （2）常用的标准外部总线 ① IEEE—488总线。 ② EIA RS—232总线
（3）电气特性 电气特性定义总线中的每一根线上信号的传送方向、有效电平 范围。一般规定送入CPU的信号叫输入信号，从CPU送出的信号叫输 出信号。 （4）时序特性 时序特性定义总线中的每一根线在哪个时钟周期有效，即每根 线的时序。 3、总线的操作过程 总线完成一次数据传输的操作过程可分为四个阶段。 （1）总线请求阶段 总线上同一时刻只能有一个主器件使用总线，当系统中有多个 主器件时，需要使用总线的主器件必须提出申请。 （2）寻址阶段 主器件取得总线使用权后，通过地址总线发出本次访问的从器 件的地址。 （3）传输阶段：传送数据。 （4）结束阶段：当前主器件让出总线使用权。
2、总线的特性 （1）物理特性 这里的物理特性是指总线的物理连接方式(总线的根数、插头 插座形状、引脚排列等)。 （2）功能特性 功能特性描写的是总线中的每一根线所起的作用。三种功能： 1）地址总线 它们是微型计算机用来传送地址的单向、三态总线。 2）数据总线 它们是传送数据或代码的双向、三态总线。 3）控制总线 用来实现控制信号传送的总线。
（2）查询方式下的输出接口 1）输出接口硬件 CPU将数据送到数据锁存器时，同时置位状态寄存器输出设备 读取数据后用 A CK 清除状态寄存器。
2）输出接口软件（如图8-12） 例8-4 设某接口的状态端口地址为 STATE，状态位从D7位输入，数据端口 的地址为OUTPORT，输出数据的总字节 数为OUTCOUNT，试编制查询式输出数据 的程序段。 解：设输出数据段在内存单元的首地址 为BUFF MOV SI，BUFF MOV CX，OUTCOUNT OUTPUT： IN AL，STATE TEST AL，80H OUTPUT JNZ MOV AL，[SI] OUT OUTPORT，AL INC SI LOOP OUTPUT
CPU与端口之间的接口技术 8.2 CPU与端口之间的接口技术 最常用的简单输入／ 8.2.1 最常用的简单输入／输出接口芯片 主要有缓冲器、锁存器和译码器。 （1）单向缓冲器74LS244 （（4）译码器74LS138
8.2.2 端口的编址方式 1、端口 接口内部通常设置有若干个寄存器，用来暂存CPU和外设之间 传输的数据、状态和命令，这些寄存器被称为端口。 端口根据寄存器内暂存的信息可分为：数据端口、命令端口和 状态端口。 状态信息的获取：CPU对 状态端口进行一次读操作。 数据的输入／输出：CPU 对数据端口进行一次读或写 操作。 控制命令的输出：CPU把 若干位代码写入命令端口。
（2）仅使用8086CPU奇地址的接口技术 I/O接口电路的8位数据线只与CPU数据总线的高8位相连，只有 A0为1时接口电路才会被选中。 （3）使用8086CPU连续地址的接口技术 I/O接口电路的同时连接CPU数据总线的高8位和低8位，使用A0 和 BHE 来决定使用高8位、低8位或同时使用高、低8位。 如图8-7所示。
2）输入接口软件（如图8-10） 例8-3 设某接口的状态端口地址为 STATE，状态位从D7位输入，数据端口的地 址为INPORT，输入数据的总字节数为 INCOUNT，试编制查询式输入数据的程序段。 解： 设输入数据存放在内存单元的首地址 为BUFF MOV SI， BUFF MOV CX， INCOUNT INPUT： IN AL， STATE TEST AL， 80H JZ INPUT IN AL， INPORT MOV [SI]，AL INC SI LOOP INPUT