单片机的输入输出与接口技术

CPU对接口的控制与接口对外设的控制是独立的！ 例：并行接口8255有三个设备端8位口，如何设计
其外部接口？如何节省端口数量？
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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2、接口软件（设备驱动程序） 初始化程序段：设置接口工作方式及初始条件。 传送方式处理程序段：CPU针对不同的I/O设备有不
同的处理方式。
主控程序段：完成接口任务的程序。 程序终止与退出程序段：接口电路硬件保护及操作 系统中数据恢复。 辅助程序段：提供人-机对话手段。
OUT 60H，AL
OUT DX，34H
；
；
3、I/O端口与CPU的REG间I/O指令 种类：IN、OUT。 格式：IN AL,DX
OUT DX,AL
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4、I/O端口与MEM间I/O指令 种类：INSB(W、D)、OUTSB(W、D)。 参数：用DX指定I/O端口地址，I/O时的目的/源RAM
地址用ES：DI(EDI)/DS：SI(ESI)指定。
地址总线
A1
A0
A1
A0
思考：多个接口同时存在时，如何简化译码电路？
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例2：多个接口的集中译码。
CPU
数据总线 地址总线 控制总线
MEM
DMA 8259
8253
8255
设 备 侧 信 号
1 2 3 5 4 6
A 14 B 74LS138 13 C
G2B G2A G1 Y7
12 11 10 9 7
3
二、I/O接口功能
数据缓冲功能：通过寄存器或锁存器实现。
存放数据的寄存器或锁存器称之为数据口。
接受和执行CPU命令功能：
存放CPU命令代码的寄存器称之为命令口，
存放执行状态信息的寄存器称之为状态口。
信号转换功能：协调总线信号与I/O设备信号。
转换包括信号的逻辑关系、时序配合和电平转换。
可编程功能：增加接口的灵活性和智能性。
结果：通过前缀REP连续传送。
5、I/O端口与存储器端口访问的区别
命令类型：IN/OUT与MOV 寻址方式：直接、间接与多种方式
控制信号线：IOW/IOR与MEMW/MEMR
地址信号线：A0-A15与A0-A31
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6、I/O端口访问例题
写出向8255A第2和第3个端口写数据的 指令，说明接口CPU侧信号变化过程。
0300-031FH
03A0-03AF 0380-038FH 03B0-03BFH 03D0-03DFH 03C0-03CFH 03F0-03FFH 01F0-01FFH 0360-036FH 返回17页
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用户扩展卡I/O端口地址选用原则： 系统配置占用的端口地址一律不能用； 厂家声明保留的端口地址不要用； 其余端口地址可用，为避免冲突最好采用DIP。 3、I/O端口地址分配的实现
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四、Pentium的I/O保护
I/O保护在保护模式下有效，在实地址模式下无效。 1、I/O特权级IOPL保护 保护通过比较当前任务的特权级CPL和标志REG(当前 任务的标志REG副本)的IOPL字段实现的。 若CPL≤IOPL，可执行IN、OUT、INS、OUTS、CLI、 STI等敏感指令(对IOPL敏感)；否则不行。 每个任务都有自己的IOPL，0级特权的过程可通过 POPF和IRET指令修改任务的IOPL。
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3、Intel系列微机I/O编址
Intel系列微处理器支持I/O独立编址方式和I/O统一 编址（存储器映象I/O编址）方式。 I/O统一编址时，I/O地址不能缓存。 Intel系列微机系统仅支持I/O独立编址方式。
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三、PC系列微机I/O端口访问
1、I/O端口地址空间 I/O端口地址空间：64K个8位端口空间。
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(2)外设侧引脚信号
数据信号：接口的缓冲REG与外设间的数据交换信 号，缓冲REG分输入和输出缓冲； 状态信号：外设工作状态送给接口的状态REG； 控制信号：接口的内部控制逻辑控制外设工作的控 制、时序和同步信号。 思考1：从哪些方面实现CPU侧数据与外设侧数据的 转换？ 思考2：外设侧信号及时序的源头在哪里？
I/O芯片名称 DMAC1 DMAC2 DMA页面寄存器 中断控制器1 中断控制器2 定时器 并行接口芯片(键盘接口) RT/CMOS RAM 协处理器 返回35页 地址范围 0000-001FH 00C0-00DFH 0080-009FH 0020-003FH 00A0-00BFH 0040-005FH 0060-006FH 0070-007FH 00F0-00FFH
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(3)内部控制逻辑 根据总线信号完成与CPU的通讯（CS#有效时）； 根据控制/状态REG、数据缓冲器控制外设侧信号。
CPU
I/O接口 CPU侧 外设侧
OUT DX,AL 接收新命令 按旧命令控制外设 按I/O接口信号处理
I/O设备
其它与接口无关指令 不与CPU通信 按新命令控制外设 按I/O接口信号处理
MOV OUT MOV OUT DX，21H DX，XXH DX，22H DX，YYH
DMA
8255 空闲
00H ： 1FH 20H ： 3FH 40H ： 3FFH
思考1：为何8255A的地址从20H开始？ 系统设计时约定8255A的地址从20H开始。 思考2：如何实现8255A的地址从20H开始？ 系统实现：当命令为IN/OUT、地址为20H~23H时，
指令长度
指令执行速度 存储 空间 大小 相互影响 可扩展性
长
慢 略小 MEM受I/O影响 MEM可扩展性差 较长 简单
短
快 较好 MEM、I/O相互不影响 均较好 较短 复杂(控制信号种类多)
地址译码时间 总线控制复杂性
接口电路复杂性
复杂
简单
应用：Z-80系列和x86系列均采用独立编址方式； 68000系列和Apple 6502均采用统一编址方式。
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第二节
一、程序控制方式
1、无条件传送方式
数据传输控制方式
特点：I时假设外设已准备好，O时假设外设空闲。 要求：接口I时加缓冲器，O时加锁存器。
应用：对简单外设的操作。
2、条件传送方式（查询方式） 工作原理：CPU查询外设已准备好后，才传送数据。 特点：CPU与外设间自然同步、串行工作。 要求：不需要增加额外的硬件电路。 应用：适用在CPU不太忙且传输速度要求不高时。
使8255A的CS#有效。
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命令
MOV
T1
OUT DX，XXH
T2 T3 T4 T5
MOV
T6 T7
OUT DX，YYH
T8 T9 T10
CLK A15-A8 AD7-AD0 21H 00H XXH 22H 00H YYH
ALE
IO/M WD RD CS8255A CS其他
注意：CS#无效期间，接口与外设间仍在工作。
约定：一个I/O接口对应多个连续的I/O端口。
I/O接口芯片片选（CS）译码： IO/M信号(高电平)、AEN信号(无效)和I/O端口地 址高位。 I/O接口芯片内部端口译码： I/O端口地址低位。
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例1：并行接口使用8255A芯片，地址空间60H-63H。
数据总线 RD WR 控制总线 RESET IO/M AEN A9-A2 D0-D7 PA0-7 RD WR RESET 8255A CS PB0-7 PC0-7
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2、I/O允许位映像保护 I/O允许位映像用来修正IOPL对I/O敏感指令的影响， 允许低特权的程序访问某些I/O端口。
I/O允许位映像是一个位向量，每位对应一个端口的
操作权限(0表示允许)。 操作系统可通过改变任务TSS中的I/O允许映像来为
某任务分配端口。
思考：如何让普通任务访问I/O端口？ 通过操作系统提供的接口函数； 通过设备驱动程序（其运行在0级上）；
1、I/O统一编址（存储器映象I/O编址） 一个I/O端口等同于一个存储器单元。
N
I/O设备
X X-1 X-1
MEM
0 0
MEM
MOV指令
N-X
I/O设备
0
MOV指令
IN/OUT指令
2、I/O独立编址 I/O端口地址空间与存储器地址空间相互独立。
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3、I/O两种编址方式比较
统一编址 指令种类 MOV 独立编址 MOV和IN/OUT
Y0 15
D7-D0
D7-D0 设 备 侧 信 号
WR
RD CS Ax-A0
WR
RD CS Ax-A0
00H ： 1FH 20H ： 3FH 40H ： 5FH 60H ： 7FH
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三、I/O接口组成
I/O接口由接口硬件和接口软件组成。 1、接口硬件
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(1)CPU侧引脚信号 思考1：CPU对接口有哪些操作？如何表示？ 思考2：CPU对接口的软件命令如何分解的？
思考3：接口如何识别已分解的软件命令？
地址总线信号(I)：区分接口的不同端口或CPU命令； 数据总线信号(I/O)：根据端口或命令类型，送数 据到对应的REG中，或从REG中取得数据或状态； 控制总线信号(I)：接口识别总线命令并控制执行； 状态总线信号(O)：接口为完成总线命令所需的响 应信号。
通过操作系统的漏洞。
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几种模式下I/O保护示意图：
I/O指令 实模式 Y 保护模式 N 虚拟8086模式
CPL≤IOPL
Y
I/O允许位映象 允许
N
允许访问
不允许访问
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第四节
接口分析与设计方法
一、X86系列微机接口分析
1、I/O接口硬件分类 系统板上I/O芯片和I/O扩展槽接口卡。 2、I/O端口地址分配
I/O端口地址空间划分：
约定不同的接口占有不同的空间； 约定同一接口不同端口是连续的。 I/O端口地址空间实现： 由A0-A15、IOW/IOR及IO/M(高电平)信号组成。 不同接口端口地址不同的实现： 通过门、译码电路等方法实现。 思考：MEM的地址空间及实现如何？
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2、I/O端口地址寻址方式 I/O端口支持直接寻址和间接寻址方式。 直接寻址时地址仅8位，间接寻址时可支持16位。
PC系列I/O地址线有16根，对应64K空间； PC/XT的I/O端口译码只使用了A0-A9，共1024个端口，
地址范围为0000H~03FFH。
不同的微机系统对I/O端口地址的分配不同。
初期：A9=0端口(512个)为系统板所用，其他端口
(512个)为扩展槽所用。
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PC/AT：A8=A9=0端口(256个)为系统板所用，其他端 口(768个)为扩展槽所用。 系统板I/O接口芯片端口地址(0000H-00FFH)：
接口中的命令口、状态口和数据口均为I/O端口。
2、I/O端口地址
接口中的不同REG或电路的编号。 CPU通过命令中地址对接口中不同端口进行访问。 3、命令、接口与I/O端口关系 接口:I/O端口:命令----1:n:m*n。 CPU通过I/O端口地址(已约定)区分不同的接口。
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二、I/O端口编址
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扩展槽I/O接口卡端口地址(0100H-03FFH)：
I/O接口名称 游戏控制卡 并行口控制卡1 并行口控制卡2 串行口控制卡1 串行口控制卡2 地址范围 0200-020FH 0370-037FH 0270-027FH 03F8-03FFH 02F8-02FFH
原型插件板(用户可用)
同步通信卡1 同步通信卡2 单显MDA 彩显CGA 彩显EGA/VGA 软驱控制卡 硬驱控制卡 PC网卡
第二章
输入输出与接口技术
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第一节
一、I/O接口基本概念
1、接口定义
接口概述
定义：是CPU与“外部世界”的连接电路，负责“中
转”各种信息。
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分类：存储器接口和I/O接口。 位置：介于系统总线与外部设备之间。 2、I/O接口与I/O设备
不同I/O设备对应I/O接口不同。
I/O接口受CPU控制，I/O设备受I/O接口控制。 为增加通用性，I/O接口的接口电路一般均具有可编 程功能。 微机的应用离不开与外部设备接口的设计、选用和 连接。 微机接口技术是编程人员的一项基本技能。
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3、中断传送方式 特点：CPU与外设可同时工作。 要求：接口中需要中断控制逻辑支持。
应用：适用于非高速度大量数据传输时。
二、直接存储器存取(DMA)方式
特点：数据传输不经过CPU，I/O设备管理由CPU控制，
简化CPU对I/O的控制。 要求：需要DMA控制器及相关逻辑支持。 应用：适用与高速度大量数据传输时。
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三、I/O处理机（IOP）方式
特点： I/O处理机接管了CPU的各种I/O操作及I/O控 制功能，CPU能与IOP并行工作。
要求：需要IOP支持。
应用：高速I/O归IOP管理，低速I/O设备归CPU管理。
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第三节
一、I/O端口
1、I/O端口
I/O编址与访问
供CPU直接访问的接口中的REG或电路。