数据总线缓冲器

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I/O译码方法

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同存储器译码方法，有线性、局部和全译码 三种方式。 下面是一种局部译码：

例如，图5.6是一个程序查询传送方式的典型例子。锁存器 74LS273构成一个8位的输出接口，其外部接有驱动电路。 8个发光二极管是一个简单的输出设备，根据读取开关K的 状态，可改变发光二极管的显示状态。
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5.3.1 程序控制方式接口设计
1 、 程 序 控 制 方 式 的 工 作 过
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程
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2、程序控制的接口电路

程序控制接口通常使用数据锁存器、三态缓冲器实现数据、 状态和控制信号的输入、输出或保存。


对于外部开关和实时数据，一般使用三态缓冲器（如74LS244、 240、245等）进行读入； 对于对外输出，则一般使用数据锁存器（如74LS373、273等）进 行输出。
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（1）程序控制输出接口


图5.6的译码器和74LS273构成了一个程序控制的 输出接口。 下面程序按次序使每个发光二极管点亮，延迟一段 时间后再熄灭。
220H
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（1）程序控制输出接口
220H
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（2）程序控制输入接口

输入接口一般用来读取开关量。图5.6的译码器和 74LS244构成了一个程序控制的输入接口。
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5.3.3 DMA控制方式接口设计




DMA是直接存储器存取（Direct Memory Access）的英 文缩写，是在存储器和Ｉ/Ｏ设备之间建立数据通路，让Ｉ/ Ｏ设备和内存通过该数据通路直接交换数据，不经过CPU的 干预，实现内存与外设，或外设与外设之间的快速数据传送。 DMA控制器（DMAC）是为这种工作方式而设计的专用接 口电路，它与处理器配合实现系统的DMA功能。 DMA控制器可从CPU那里接管系统总线的控制权，并且由 本身发出存储器地址信号以及访问存储器和I/O设备的读/ 写脉冲等控制信号，使得数据通过总线，直接在存储器和 I/O设备之间（或I/O设备与存储器之间，存储器与存储器 之间）进行传送。 DMA有3种访问内存的方式:CPU停止访问内存方式、存储 器分时传送方式和周期窃取方式。
第5章 输入/输出控制接口
西安交通大学计算机系 桂小林 2012年9月25日
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目录



5.1输入/输出接口的基本概念(1/2) 5.2 输入/输出端口地址及编址方法(1/2) 5.3 输入/输出控制的接口设计(重点1) 5.3 中断控制接口芯片8259A(2) 5.4 DMA控制接口芯片8237A (2) 5.5 定时器/计数器接口芯片8253(重点4)

通道结构的输入/出处理机，称为I/O处理机(I/OP)。 外围处理器(PPU)方式的输入/出处理机系统结构 28
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5.4 中断控制接口芯片8259A
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概述



外设是通过输入/输出接口（简称I/O接口）与CPU（或主 机）交换数据信息。 输入/输出接口是连接外设与微处理器或单片机的桥梁，在 一个完整的计算机系统中，其作用和地位必不可少、非常重 要。 本章首先介绍计算机系统的输入/输出接口的基本概念、作 用，然后阐述输入/输出端口（简称I/O端口）的编址方式， 最后介绍输入/输出的传输控制方式及其常用芯片的原理与 方法。



端口地址（俗称I/O端口）是I/O接口电路中能被 CPU直接访问的寄存器的地址。 根据存放信息种类的不同，这些端口又分别称为数 据端口、控制端口和状态端口。 每个端口通常对应一个寄存器。
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由于有的端口寄存器存放的二进制信息专门用来被 CPU读取，有的寄存器用于专门接收CPU发出来的 数据，因此，被CPU访问的寄存器端口地址又分为 输入端口和输出端口，故称为I/O端口。 计算机系统给I/O接口电路中的每个寄存器分配一 个端口，即给每个寄存器分配一个地址。当CPU访 问这些寄存器时，就执行I/O指令。
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输入/输出端口的编址方式

MOV AL,[28H] IN AL,28H 不是同一个单元

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输入/输出端口的编址方式


（2）统一编址方式 统一编址方式又称为存储器映射编址，是指I/O端口与存储 器共享同一个地址空间，所有的存储单元只占用其中一部分 地址，而I/O端口则占用另一部分地址。 由于两者使用同一个地址空间，所以访问I/O端口和存储器 可以使用相同的读写信号，在这种情况下，要求给各个存储 单元和各个I/O端口分配互不相同的地址，CPU通过不同地 址来选择某一个存储单元或I/O端口进行访问。


比如，在8086中，其内存地址范围是从00000H— FFFFFH连续的1MB，其Ｉ/Ｏ端口地址范围从0000H— FFFFH，它们互相独立，互不影响。 独立编址需要CPU用不同于内存读写操作的命令控制外 部设备，因此在单独编址方式中有专门的外部设备输入/ 输出指令， 如IN， OUT指令。
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5.1.3 输入/输出接口的分类
（1）按照与I/O设备的数据传送方式，可以分为并行接口和 串行接口，它们与I/O设备之间分别以并行和串行方式进行 数据传送； （2）按照通用性可以分为通用接口和专用接口。通用接口可 以适用于多种I/O设备，比如Intel 8255A、Intel 8251A 等接口电路。专用接口如Intel 8279专门用于键盘和数码 管的接口电路，而Intel 8275专门用于CRT显示器的接口 电路，实现刷新操作的定时控制； （3）按照可编程性可以分为可编程接口和不可编程接口。可 编程接口能够提供多种工作方式，根据具体应用通过软件编 程进行选择，适用范围较广，而不可编程接口则不具备这样 的性质。 （4）按数据传送的控制方式来分有程控式接口、中断式接口 和DMA式接口。
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5.2.2 输入/输出端口的编址方式



在计算机系统中，根据I/O端口地址与存储单元地 址之间的关系，I/O端口编址方式可以分为独立编 址和统一编址两种方式。 （1）独立编址方式 独立编址方式又称单独编址方式，给外部设备分配 专用的端口地址，进行独立编址，使它们成为一个 独立的I/O地址空间，与内存编址无关，
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2、I/O接口的功能
（1）数据缓冲：

主存和CPU寄存器的存取速度非常快，而外设速度则较低，所以在 I/O接口中引入数据缓冲寄存器，以达到主机和外设工作速度的匹配。 提供状态寄存器，以保存各种状态信息供CPU查用。 提供控制和定时逻辑，以接受从系统总线来的控制和定时信号。以 协调内部资源与外设间动作的先后关系，控制数据通信过程。 提供数据格式转换部件（如：进行串-并转换的移位寄存器），使通 过外部接口得到的数据转换为内部接口需要的格式，或反之。 CPU与I/O设备可能采用不同的电平，I/O接口则需要实现不同电平 之间的转换。 5
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5.1输入/输出接口的基本概念
1、I/O接口的定义 完成各个外设和主机之间的同步与协调、工作速度的匹配和 数据格式转换的逻辑部件称为I/O接口(I/O Interface)。 从功能上来说，微型计算机中的各种I/O控制器或设备控制 器（包括适配器或适配卡）都是I/O接口； 在大型机中的I/O模块就是担负大量复杂的外设控制任务的 通道或I/O处理器。 I/O接口是连接外设和主机的一个“桥梁”。I/O接口的外 设侧、主机侧各有一个接口。 主机侧的接口称为内部接口，外设侧的接口称为外部接口， 内部接口通过系统总线和内存、CPU相连，而外部接口则通 过各种接口电缆（如，串行电缆、并行电缆、网线或SCSI 电缆等）将其连到外设上。
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5.3.4 通道和I/O处理器方式接口设计




通道(Channel，简写为CH)是一种专门的I/O控制器，它有 自己的指令和程序专门负责数据输入/输出的传输控制， CPU将“传输控制”的功能下放给通道后之负责“数据处理” 功能。 通道控制器和I/O处理器可以独立地执行一系列的I/O操作， 这些I/O操作序列通常被称为I/O通道程序；操作系统要为 I/O读写操作组织相应的传送参数或I/O通道程序，通道或 I/O处理器通过I/O通道程序执行相应的操作。 按数据传送方式来分，通常将通道分为以下三种：字节多路 通道、选择通道和成组多路通道。 输入/出处理机方式是通道方式的进一步发展，有两种输入/ 出处理机系统结构。
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5.3.2 中断控制方式接口设计




中断控制方式有时也归结为程序控制的一种，本书 将其单独列出，方便讲解。 中断控制相比上节介绍的程序控制，需要更多的硬 件参与，因而电路更加复杂，需要专门的芯片来完 成中断系统的控制功能。 在8086系统中，典型的中断控制芯片为Intel 8259A。 中断控制的基本思想是：当CPU需要进行输入/输 出时，CPU暂停正在执行的程序，转至另一服务程 序去处理这一输入/输出操作，待处理完毕后返回 原程序继续执行。
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5.2 输入/输出端口地址及编址方法

通常，I/O接口中三种信息由不同的寄存器传送， 如数据输入寄存器、数据输出寄存器、状态寄存器 和控制寄存器（或命令寄存器），这些寄存器的读 写是通过不同的“端口地址”来区分的。 下面重点讲述端口地址的概念和编址方法。

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5.2.2 输入/输出端口地址的概念

MOV AL,38H MOVX A,@DPTR
；38H为内部RAM空间 ；DPTR指向I/O空间

图5.3说明了两种编址方式中地址空间的关系。
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输入/输出端口的编址方式
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5.3 输入/输出控制的接口设计

主机和外设之间的信息传送控制方式，经历了由低级到高级、 由简单到复杂、由集中管理到各部件分散管理的发展过程， 它们之间信息传送的方式有程序控制方式、中断控制方式、 直接存储器访问DMA方式、通道或Ｉ/Ｏ处理机方式。

下面程序读取开关K的状态。如果开关闭合转 CLOSE，开关开放转OPEN。
220H
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（2）程序控制输入接口
MOV DX，221H ；开关K的端口号 IN AL，DX ；检测开关K的状态 TEST AL，1000 0000B ；比较D7位 JNZ OPEN ；D7位不为零，未闭合，转OPEN JMP CLOSE ；开关闭合，转CLOSE
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程序直接控制方式：通过程序来控制主机和外设的数据交换。 程序中断控制方式：程序中断控制方式的基本思想是，当 CPU需要进行输入/输出时，先执行相应的I/O指令，将启 动命令发送给相应的I/O接口和外设，然后CPU继续执行其 他程序。 直接存储器存取方式：DMA（Direct Memory Access） 方式主要用于高速设备（如：磁盘、磁带等）和主机的数据 传送，这类高速设备采用成批数据交换方式，且单位数据之 间的时间间隔较短。用专门的硬件（DMA控制器）来控制 总线进行数据交换。 通道和I/O处理器方式：对于大型计算机系统，通常采用自 成独立体系的通道结构或I/O处理器。在进行主存和外设之 间的信息传送时，CPU执行自己的程序，两者完全并行。
（3）程序控制输入、输出接口 对于上面的例子，开关电路（开关K）通过74LS244连接到数据总线D7上。如 果当开关闭合时，才点亮所有的LED，则完成上述功能的具体8086程序段如下：
MOV DX，221H IN AL，DX TEST AL，1000 0000B JNZ QUIT MOV DX，220H MOV AL，1111 1111B OUT DX，AL ；开关K的端口号 ；检测开关K的状态 ；比较D7位 ；D7位不为零，未闭合，退出 ；D7位为零，开关闭合 ；高电平点亮发光二极管 ；点亮所有发光二极管
（2）错误或状态检测：

（3）控制和定时：

（4）数据格式转换：

（5）电平转换：

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5.1.2 输入/输出接口的逻辑结构


I/O接口一方面通过系统总线与CPU连接，另一方面又通过 通信总线与I/O设备连接，成为CPU与I/O设备之间交换信 息的桥梁。 CPU与I/O设备之间交换的有数据、控制、状态三种信息。 分别通过I/O接口内部的三种寄存器来完成。