第六章 微型计算机输入输出接口技术

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无条件传送
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例子：控制LED灯
用锁存器构成的输出端口控 制LED灯的亮和灭
点亮LED灯的位是1，灭的位 是0
输出指令使M/IO、 WR和片 选信号CS同时变低，相与后 的低电平信号经反相后触发 锁存器。 由于锁存器的作用，输出值 能一直保持到下一个输出指 令到达为止，这段时间内， LED灯的状态也将保持不变 。
– 专用接口通常制造成接口卡，插在主板总线插槽上使用。
通用接口和专用接口的界限并不严格。
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接口举例
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6.2 接口信号分类及I/O端口
接口电路通常包含一组能够与处理器交换信息的寄存器，称 为I/O端口寄存器，简称为I/O端口； 信号分类： 1）数据信息：数字量、模拟量、开关量；
2）状态信息：即反映外设当前工作状态的信息，输入装置是否 准备好的信息(READY)；在输出时，输出装置是否空闲等状 态信息(BUSY)；
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程序查询传送：查询输出
设状态口的地址是PORT_S2, 输出数据口的地 址是PORT_OUT,传送数据的总字节数为 COUNT_2: MOV BX,0；初始化地址指针BX MOV CX,COUNT_2；字节数
WRITE_S2:IN AL,PORT_S2；读入状态位
TEST AL,01H；忙否？ JNZ WRITE_S2；忙，循环检测
接口的数据总线一般为8位； 通常连接在低8位数据总线上；
2. 接口部件和地址总线的连接
接口部件在系统中的地址和部件内部地址的区分； 保证数据在低8位数据总线上传输；
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6.3 CPU和外设之间的数据传送方式
主机与外设之间传送数据的方式大致可分为如下几种： （1）程序控制方式 分为：无条件传送和条件传送方式（查询方式） （2）中断传送方式 （3）直接数据传送方式（DMA）
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DMA传送方式
特点：
（1）在获得总线 控制权后，能够 控制系统总线；
（2）不需要执行 象CPU那样的输 入输出指令来交 换数据，用硬件 逻辑电路产生地 址和读写信号。
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பைடு நூலகம்题与作业
1.微机系统输入输出接口的用途是什么，一般实现 哪些基本功能?
2.在输入/输出接口中通常具有三个端口,这三个端口 的各自功能是什么?
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（1）程序控制方式
CPU与外设间的数据交换在程序控制下进行 （一）无条件传送 不查询外设状态，认为外设已准备就绪，直接与外设传送数 据； 外设准备就绪：对于输入设备，已经把数据放入接口电路的 数据输入寄存器，CPU可以读取；对于输出设备，已经准备 好接收数据（接口电路的数据输出寄存器已空），CPU可以 向它输出数据； 由于不查询外设状态，接口电路不需要状态寄存器。
3.什么是“I/O端口编址方式”？ 什么是“存储器 映射的I/O编址方式”？这两种编址方式各有什么特 点？
4. CPU与外设交换信息有哪几种方式？
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C „PU先执行IN指令读状态口的信息，三态门开启，Q端的1送到D0位，并被 读入累加器。 „ 程序检测到D0为1后，便执行IN指令读数据口。
– „ 开启数据缓冲器，将外设送到锁存器中的数据经缓冲器送到数据总线后进累加器。 – „ 将D触发器清0，一次数据传送完毕
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程序查询传送：查询输入
„ 程序检测到D1(BUSY)为0后，便执行OUT指令输出数据。
– „ 选通数据锁存器，将数据送向外设。 – „ 选通信号的后沿使D触发器翻转，置Q为高电平，将状态口的BUSY置1。
输 „ 出设备从接口中取出数据后，就送回一个应答信号ACK，将D触发器清0，即 置BUSY为0，允许CPU送出下一个数据
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端口编址方式
PC系列机采用I/O端口独立编址方式
Port 65535
Port 255
Port 3 Port 2 Port 1 Port 0
Port 1(16位)
Port 0 (32位)
Port 0(16位)
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PC机的端口表
在设备管理器中查看I/O资源
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接口部件和数据、地址线的连接
1. 接口部件和多字节数据总线的连接
3）控制信息：控制输入输出装置的启动或停止等。 状态信息、控制信息与数据是不同性质的信息，但也可以广 义地看作数据信息，因此可以通过数据总线传送；但在外设 接口中，数据寄存器、状态寄存器和控制命令寄存器各占一 个端口。
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接口信号连接
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端口编址方式
1．存储器映射方式 把系统中的每一个 I/O 端口看作一个存储单元，并 与存储单元一样统一编址。访问存储器的所有指 令均可用来访问I/O端口，不用设置专门的I/O指 令。 – 优点：由于访问存储器的指令类型多，功能齐全， 也方便了访问外设端口的操作，不仅对端口进行 数据传送，还可以对端口内容进行算术逻辑运算、 位移等，同时也为端口提供了较大的编址空间。 – 缺点： I/O 端口占用存储器的地址空间；译码电 路复杂；指令较长，延长了输入输出的操作时间。
计算机原理与应用
第六章 微型计算机输入输出接口技术
李海 haili@
北京理工大学 信息与电子学院
第六章 微型计算机输入输出接口技术
6.1 接口的基本概念 6.2 接口信号分类及I/O端口 6.3 CPU和外设之间的数据传送方式
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6.1 接口的基本概念
为什么要用接口？ 接口的用途： 1．信号电平的转换 2．数据格式的转换 3．数据的锁存和缓冲 4．对外部设备的控制与检测 5．产生中断请求及DMA请求
程序查询传送
（二）程序查询传送
在执行输入输出前，要先查询接口中状态寄存器的 状态。 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； 输出时，状态寄存器的状态指示输出设备是否空闲。
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程序查询传送：查询输入
当输入设备准备好数据后，就向I/O接口电路发一个选通信号。
– „ 将外设的数据打入数据锁存器中。 – „ 使D触发器的Q端置1，表明数据准备好。
中断方式：当外设作好传送准备后，主动向CPU请 求中断，CPU响应中断后在中断处理程序中与外设 交换数据。若外设未准备好，CPU可以执行其他程 序，提高了CPU的利用率； 每条指令完成后，CPU均可响应中断，因此当设备 准备好时，可及时与CPU交换数据，提高了实时性 。
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中断传送方式
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接口的基本概念
接口的功能： 1．寻址功能 2．输入输出功能 3．数据转换功能 4．联络功能 5．中断管理功能 6．复位功能 7．可编程功能 8．错误检测功能
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接口分类
接口电路按通用性分为两类：通用接口和专用接口
通用接口：可供多种外部设备使用的标准接口，目 的是使微机正常工作；
– 通用接口通常制造成集成电路芯片，称为接口芯片。
MOV AL, [BX]；存到内存缓冲区
OUT PORT_OUT, AL；已准备好，读数据 INC BX；修改地址指针
LOOP WRITE_S2；未传送完，继续传送
（2）中断传送方式
使用查询方式，CPU必须检测接口电路的状态寄存 器，如果设备未准备好，CPU就要不断地查询，降 低了CPU的运行效率；
IN AL,PORT_IN；已准备好，读数据
MOV [BX],AL；存到内存缓冲区 INC BX；修改地址指针
LOOP READ_S1；未传送完，继续传送
程序查询传送：查询输出
当CPU准备向外设输出数据时，先执行IN指令读状态口的信息。三态门开启， 从数据总线D1位读入BUSY状态。
– „ 若BUSY=1，表示外设在接收上一个数据的忙碌状态。 – „ 只有在BUSY=0时，CPU才能向外设输出新的数据。
– 最初的IBM-PC使用了6块接口芯片：8284、8288、8255、8259、 8237、8253；后来的微机将这些芯片集成为大规模集成电路芯片， 称为芯片组。
– 如82430TX芯片组，由两片芯片组成：
北桥：82439TX
南桥：82371AB
专用接口：为某种用途或某类外设而专门设计的接 口电路，目的在于扩充微机系统的功能。
（3）DMA传送方式
DMA=Direct Memory Access—直接存储器访问
对于高速外设（如磁盘、高速A/D），中断方式 不能满足数据传输速度的要求；

DMA方式是一种由专门的硬件电路执行I/O的数 据传送方式，它可以让外设接口直接与内存进行高 速的数据传送，而不必经过CPU。这种专门的硬件 电路称为DMA控制器，简称DMAC。
设状态口的地址是PORT_S1, 输入数据口的地 址是PORT_IN,传送数据的总字节数为 COUNT_1: MOV BX,0；初始化地址指针BX MOV CX,COUNT_1；字节数
READ_S1:IN AL,PORT_S1；读入状态位
TEST AL,01H；数据准备好否？ JZ READ_S1；否，循环检测
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端口编址方式
2．I/O映射方式 这种方式的端口地址采用单独编址,构成一个I/O 空间，微处理器设置了专用的输入输出指令来访问 端口，这种方式也常称为数据通道式的输入输出。
– 优点：将I/O指令和访存指令区分开，使程序清晰， 可读性好；I/O指令较短，执行速度快，也不占用 内存空间；I/O译码电路较简单。 – 缺点：CPU指令系统必须有专门的IN和OUT指令， 没有访存指令的功能强。CPU必须提供区分存储 器和I/O读写的控制信号（如8086的M/IO信号 等）。