第7章 输入输出系统与接口
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端口的读、写操作由IOR和IOW信号控制，用IN指 令和OUT指令操作 存储器的读、写操作由MEMR和MEMW信号控制
存储器访问和I/O端口访问不会发生冲突
第13页 2013年8月1日星期四
•
• •
第7章
输入输出系统及接口 接口与存储器 空间相互独立
AB DB
地址空间的分配
CPU 存储器 CB I/O 端口
≥1
A15～A3的地址 组合为 0000001110000 时选中74LS138
≥1
&
第22页 2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
7.2.4 8086 I/O端口的指令操作
采用I/O端口独立编址方式时，使用专用I/O指令
1．输入指令 从指定端口输入数据到累加器AL或AX中 目标寄存器为AL时，读取8位数据
第8页 2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
7.1.3 接口信号
与计算机交换的信息 数据信息、状态信息和控制信息 。 1．数据信息
数字量 、模拟量 、开关量 2．状态信息
外设发送给计算机，反映外设工作状态 有BUSY和READY
3．控制信息 计算机发送给外设，控制外设的工作
&
输锁 存 出器
则输入/输出程序段为： 地址301H
CONTR:WR MOV IN RD MOV D7~D0 OUT DX,301H AL,DX DX,300H DX,AL
接开关 ;输入端口地址送入DX & 输缓 ;读取开关状态 冲 ;输出端口地址送入DX 入器 ;控制发光二极管亮灭
第27页
2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
全 译 码： 全部地址信号参与译码 部分译码： 部分地址信号参与译码 部分译码方式
•
多个地址对应一个端口，因为未参与译码的地 址线的信号可以为任意值 当系统中端口较多时，为避免地址的冲突，采用 全部地址译码 当系统中端口较少，为减少译码电路的复杂性， 可采用部分地址译码
第20页 2013年8月1日星期四
第5页 2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
7.1.2 接口电路的功能
外部设备的多样性，导致接口电路多样性。 接口的基本功能 传输信号 提供缓冲功能 满足接口两边的时序要求 外设接口电路应具有的功能 1．数据格式转换 3．数据缓冲功能 5．实现电平转换及驱动 7．可编程序功能 2．提供联络信号 4．译码选址 6．具备时序控制 8．错误检测功能
控制端口：存放CPU发往接口的控制信息，以控制 接口和外部设备工作
第10页 2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
输入设备 具备数据输入端口，状态端口，控制端口 输出设备 具备数据输出端口，状态端口，控制端口 输入输出设备 具备数据输入和输出端口，状态端口，控制端口 典型的外设接口：
•
•
第7章
输入输出系统及接口
1．门电路译码
此为部分地址译码（由于A 当接口电路中需要端口较少时采用此方式 10～ A15信号任意，则34EH、74EH、 如图示：I/O端口独立编址时的译码电路，对A0～A9 B4EH…等都有效） 地址信号进行译码，信号为1101001110B，即34EH。
第7章
输入输出系统及接口
采用无条件传送的数据采集系统
数据总线 M/IO·WR·12
第4页 2013年8月1日星期四
第7章
•
输入输出系统及接口
计算机如何和这些电气性能不同、速度不同以及所 处理的信息格式不同的设备连接，以便能够正确地 输入/输出信息，而不造成信息的混乱、丢失呢？
外设接口电 解决的办法：加入转换及控制电路，实现信 路必然是多 号的转换及传输速度的匹配 样化的
定义：把外部设备同计算机连接起来实现数 据传送的转换和控制电路称为外设接口电路， 简称外设接口。
计算机通过输入设备获取来自外部的信息。 计算机通过输出设备把处理结果显示出来。
第2页
2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
7.1 接口电路概述 7.1.1 接口基本概念
输入设备：输入信息 输出设备：送出结果 输入设备
各设备的组成 结构、电气性 能和工作原理 各不相同
键盘、鼠标、扫描仪、磁带机、磁盘机、光盘机、 解调器、A/D转换器 输出设备 显示器、打印机、绘图仪、磁带机、磁盘机、光盘 机、调制器、D/A转换器
2．提供联络信号
3．数据缓冲功能
具有输入缓冲、输出锁存的功能
第7页 2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
4．译码选址 根据地址信号提供地址译码的功能 5．实现电平转换及驱动 计算机与外设的电源可能不同 数据总线的驱动能力有限 6．具备时序控制 对于工作同步，提供复位电路 对于信号同步，具有时钟发生器 7．可编程序功能 编程决定接口的功能 8．错误检测功能 检测数据传输错误和覆盖错误
当接口电路中需多个端口地址时，采用专用译码器 译码。
A0 A1 A2 A B C G2A G2B G1 74LS138 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 380H 381H 382H 383H 384H 385H 386H 387H
IOR IOW
&
AEN A15 A14 A13 A12 A11 A10 A6 A5 A4 A3 A9 A8 A7
I/O接口 数据信息
数据输出端口
CPU
DB
数据输入端口 状态端口 控制端口
第11页
外部 输入 设备 或输 出设 备
AB
AB
状态信息 控制信息
CB
CB
2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
7.2.2 输入输出端口编址方式
对外设的访问实质上是对端口的访问
外设I/O端口的地址安排 I/O端口独立编址
硬件 不需要状态端口和控制端口
软件 只需等待一段时间后进行输入/输出即可 使用场合 用于对一些简单外设的操作，如读取 开关状态、驱动七段数码管显示
第26页 2013年8月1日星期四
第7章 输入输出系统及接口 无条件传送的接口电路： 接发光二极管
地址总线 端译 码 口器 M/IO
地址300H
第24页 2013年8月1日星期四
2．输出指令
第7章
输入输出系统及接口
7.3 输入输出的数据传送方式
计算机与I/O接口间的数据传送即数据交换。 数据传送的控制方式 程序直接控制传送方式、中断方式、DMA方式和 I/O处理机方式
7.3.1 程序直接控制传送方式
定义：是指在程序控制下进行的数据传送，通常是 在用户程序中安排一段由I/O指令和其它指令组成的 程序段，直接控制I/O接口的输入/输出操作。
I/O端口独立编址方式的缺点
需要专门的I/O指令，且只有IN和OUT两类指令 只能对I/O端口进行输入和输出操作，不能进行其 它运算处理 所以程序设计的灵活性较差
第15页 2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
2．I/O端口与存储器统一编址(存储器映像编址)
端口被看作存储器单元，分配给一个地址
CPU 存储器与 I/O 端口 CB M EM R 控制逻辑 M EM W
第17页
2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
I/O端口与存储器统一编址的优点 所有指令都可用于I/O端口
从而编程灵活，操作方便 I/O端口与存储器统一编址的缺点
端口地址占用了存储器地址，使得存储器的地址空 间相对减少 受地址空间的限制，不利于系统扩展 由于地址位数长，指令码相对增长，使得指令执行 速度较慢
A9 A8 A7 A5 A4 A0 A6 A3 A2 A1 AEN 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 U4
第21页 2013年8月1日星期四
≥1 U1
1 1 1 1 1
IOW 0
&
U3
0 34E 0
≥1 ≥1 U6
写 34E U5 读 34E
IOR
&
U2
第7章
输入输出系统及接口
2．译码器译码
第3页 2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
外部设备需要接口电路与计算机相连，
而为什么不能象存储器那样直接连接到数 据总线、地址总线和控制总线呢？
外部设备种类繁多，输入/输出的信号各不相同
计算机只能处理数字信号，外设提供的是模拟信号 或数字信号 外设的数字信号可以是并行信号或串行信号，而计 算机只能接收和发送并行信号 外设的输入/输出速度有很大差别。 计算机与外部设备之间传送的信息格式和电平高低 也是多种多样
MEMR MEMW IOW IOR 控制逻辑
第14页
2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
I/O端口独立编址方式的优点
端口地址码短，译码电路简单，指令执行速度快 存储器与端口操作指令不同，程序清晰，便于理解 存储器地址和端口地址独立，端口地址空间不占用 存储器地址空间 存储器和端口的控制结构相互独立，可分别设计， 且利于系统扩展
第18页
2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
7.2.3 输入输出端口的地址译码
通过CPU给出的地址信号选定一个端口 可附加控制信号参与地址译码 按照译码电路采用的元器件的不同，分为门 电路译码与专用译码器译码 据使用的地址信号多少，分为全译码方式和 部分译码方式
第19页
2013年8月1日星期四
目标寄存器为AX时，读取16位数据 直接寻址 端口地址n只能为8位地址信号，最多可以访问 28=256个不同的端口。对应指令有： IN AL, n ;AL←(n) IN AX, n ;AX←(n)
第23页 2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
寄存器间接寻址 间接寻址寄存器只能使用DX寄存器，最多可访问 216=65536个不同的端口 IN AL, DX ;AL←((DX)) IN AX, DX ;AX←((DX)) 把累加器的数据输出到指定端口 输出指令也有直接寻址方式和寄存器间接寻址方式 OUT n, AL ;(n)←AL OUT n, AX ;(n)←AX OUT DX, AL ;((DX))←AL OUT DX, AX ;((DX))←AX
存储器和I/O端口共用一个地址空间，两者的 地址是连续的，大小总共为2n字节
CPU把I/O端口当作存储单元一样进行访问， 不再需要专门的I/O指令对I/O端口操作，可 使用所有的存储器指令
第16页
2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口 接口与存储器 空间合而为一
AB DB
地址空间的分配
又分为无条件传送方式和程序查询传送方式
第25页 2013年8月1日星期四
第7章 1．无条件传送方式
输入输出系统及接口
又称同步传送方式。传送时无需查询外设的状态， 而直接使用I/O指令进行数据传送。 外设的状态固定、事先已知其状态，不需进行查询 判断，直接利用I/O指令进行数据的传送
优点 硬件、软件开销小
第6页 2013年8月1日星期四
第7章 1．数据格式转换
输入输出系统及接口
接口与系统总线之间，采用并行传送 接口与外设之间，采用并行传送或串行传送
串行外设，接口具有串/并转换、并/串转换能力
并行外设，接口具有拼装和分解的能力 接口产生校验位及对数据进行校验的功能 即状态信息：协调数Leabharlann Baidu传送
随着外设的具体工作原理不同而具有不同含义
第9页 2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
7.2 输入输出端口 7.2.1 输入输出端口的概念
数据信息、状态信息和控制信息都是信息，存放在 接口的不同寄存器（端口，Port）中 ，每个端口有 端口地址。 数据端口：存放数据信息。输入端口、输出端口 状态端口：存放外设或接口部件本身的状态信息
I/O端口与存储器统一编址
独立编址的I/O端口，用I/O指令操作 I/O端口与存储器统一编址，用通用数据传送等指 令操作
第12页
2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
1．I/O端口独立编址方式（I/O指令寻址）
• •
两个独立的地址空间，地址空间重叠 存储器的地址空间为2n字节，地址范围为 0~2n-1；若I/O寻址为16位，则I/O端口地址空 间为216=65536字节，地址范围为0~65535
第7章
输入输出系统及接口
本章内容 7.1 接口电路概述 7.2 输入输出端口 7.3 输入输出的数据传送方式
第1页
2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
本章内容：
外设接口的一般结构，端口编址方式， 数据传送的控制方式。
输入输出系统是计算机同外部世界交往的重要 通道，是计算机的重要组成部分。
存储器访问和I/O端口访问不会发生冲突
第13页 2013年8月1日星期四
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• •
第7章
输入输出系统及接口 接口与存储器 空间相互独立
AB DB
地址空间的分配
CPU 存储器 CB I/O 端口
≥1
A15～A3的地址 组合为 0000001110000 时选中74LS138
≥1
&
第22页 2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
7.2.4 8086 I/O端口的指令操作
采用I/O端口独立编址方式时，使用专用I/O指令
1．输入指令 从指定端口输入数据到累加器AL或AX中 目标寄存器为AL时，读取8位数据
第8页 2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
7.1.3 接口信号
与计算机交换的信息 数据信息、状态信息和控制信息 。 1．数据信息
数字量 、模拟量 、开关量 2．状态信息
外设发送给计算机，反映外设工作状态 有BUSY和READY
3．控制信息 计算机发送给外设，控制外设的工作
&
输锁 存 出器
则输入/输出程序段为： 地址301H
CONTR:WR MOV IN RD MOV D7~D0 OUT DX,301H AL,DX DX,300H DX,AL
接开关 ;输入端口地址送入DX & 输缓 ;读取开关状态 冲 ;输出端口地址送入DX 入器 ;控制发光二极管亮灭
第27页
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第7章
输入输出系统及接口
全 译 码： 全部地址信号参与译码 部分译码： 部分地址信号参与译码 部分译码方式
•
多个地址对应一个端口，因为未参与译码的地 址线的信号可以为任意值 当系统中端口较多时，为避免地址的冲突，采用 全部地址译码 当系统中端口较少，为减少译码电路的复杂性， 可采用部分地址译码
第20页 2013年8月1日星期四
第5页 2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
7.1.2 接口电路的功能
外部设备的多样性，导致接口电路多样性。 接口的基本功能 传输信号 提供缓冲功能 满足接口两边的时序要求 外设接口电路应具有的功能 1．数据格式转换 3．数据缓冲功能 5．实现电平转换及驱动 7．可编程序功能 2．提供联络信号 4．译码选址 6．具备时序控制 8．错误检测功能
控制端口：存放CPU发往接口的控制信息，以控制 接口和外部设备工作
第10页 2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
输入设备 具备数据输入端口，状态端口，控制端口 输出设备 具备数据输出端口，状态端口，控制端口 输入输出设备 具备数据输入和输出端口，状态端口，控制端口 典型的外设接口：
•
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第7章
输入输出系统及接口
1．门电路译码
此为部分地址译码（由于A 当接口电路中需要端口较少时采用此方式 10～ A15信号任意，则34EH、74EH、 如图示：I/O端口独立编址时的译码电路，对A0～A9 B4EH…等都有效） 地址信号进行译码，信号为1101001110B，即34EH。
第7章
输入输出系统及接口
采用无条件传送的数据采集系统
数据总线 M/IO·WR·12
第4页 2013年8月1日星期四
第7章
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输入输出系统及接口
计算机如何和这些电气性能不同、速度不同以及所 处理的信息格式不同的设备连接，以便能够正确地 输入/输出信息，而不造成信息的混乱、丢失呢？
外设接口电 解决的办法：加入转换及控制电路，实现信 路必然是多 号的转换及传输速度的匹配 样化的
定义：把外部设备同计算机连接起来实现数 据传送的转换和控制电路称为外设接口电路， 简称外设接口。
计算机通过输入设备获取来自外部的信息。 计算机通过输出设备把处理结果显示出来。
第2页
2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
7.1 接口电路概述 7.1.1 接口基本概念
输入设备：输入信息 输出设备：送出结果 输入设备
各设备的组成 结构、电气性 能和工作原理 各不相同
键盘、鼠标、扫描仪、磁带机、磁盘机、光盘机、 解调器、A/D转换器 输出设备 显示器、打印机、绘图仪、磁带机、磁盘机、光盘 机、调制器、D/A转换器
2．提供联络信号
3．数据缓冲功能
具有输入缓冲、输出锁存的功能
第7页 2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
4．译码选址 根据地址信号提供地址译码的功能 5．实现电平转换及驱动 计算机与外设的电源可能不同 数据总线的驱动能力有限 6．具备时序控制 对于工作同步，提供复位电路 对于信号同步，具有时钟发生器 7．可编程序功能 编程决定接口的功能 8．错误检测功能 检测数据传输错误和覆盖错误
当接口电路中需多个端口地址时，采用专用译码器 译码。
A0 A1 A2 A B C G2A G2B G1 74LS138 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 380H 381H 382H 383H 384H 385H 386H 387H
IOR IOW
&
AEN A15 A14 A13 A12 A11 A10 A6 A5 A4 A3 A9 A8 A7
I/O接口 数据信息
数据输出端口
CPU
DB
数据输入端口 状态端口 控制端口
第11页
外部 输入 设备 或输 出设 备
AB
AB
状态信息 控制信息
CB
CB
2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
7.2.2 输入输出端口编址方式
对外设的访问实质上是对端口的访问
外设I/O端口的地址安排 I/O端口独立编址
硬件 不需要状态端口和控制端口
软件 只需等待一段时间后进行输入/输出即可 使用场合 用于对一些简单外设的操作，如读取 开关状态、驱动七段数码管显示
第26页 2013年8月1日星期四
第7章 输入输出系统及接口 无条件传送的接口电路： 接发光二极管
地址总线 端译 码 口器 M/IO
地址300H
第24页 2013年8月1日星期四
2．输出指令
第7章
输入输出系统及接口
7.3 输入输出的数据传送方式
计算机与I/O接口间的数据传送即数据交换。 数据传送的控制方式 程序直接控制传送方式、中断方式、DMA方式和 I/O处理机方式
7.3.1 程序直接控制传送方式
定义：是指在程序控制下进行的数据传送，通常是 在用户程序中安排一段由I/O指令和其它指令组成的 程序段，直接控制I/O接口的输入/输出操作。
I/O端口独立编址方式的缺点
需要专门的I/O指令，且只有IN和OUT两类指令 只能对I/O端口进行输入和输出操作，不能进行其 它运算处理 所以程序设计的灵活性较差
第15页 2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
2．I/O端口与存储器统一编址(存储器映像编址)
端口被看作存储器单元，分配给一个地址
CPU 存储器与 I/O 端口 CB M EM R 控制逻辑 M EM W
第17页
2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
I/O端口与存储器统一编址的优点 所有指令都可用于I/O端口
从而编程灵活，操作方便 I/O端口与存储器统一编址的缺点
端口地址占用了存储器地址，使得存储器的地址空 间相对减少 受地址空间的限制，不利于系统扩展 由于地址位数长，指令码相对增长，使得指令执行 速度较慢
A9 A8 A7 A5 A4 A0 A6 A3 A2 A1 AEN 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 U4
第21页 2013年8月1日星期四
≥1 U1
1 1 1 1 1
IOW 0
&
U3
0 34E 0
≥1 ≥1 U6
写 34E U5 读 34E
IOR
&
U2
第7章
输入输出系统及接口
2．译码器译码
第3页 2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
外部设备需要接口电路与计算机相连，
而为什么不能象存储器那样直接连接到数 据总线、地址总线和控制总线呢？
外部设备种类繁多，输入/输出的信号各不相同
计算机只能处理数字信号，外设提供的是模拟信号 或数字信号 外设的数字信号可以是并行信号或串行信号，而计 算机只能接收和发送并行信号 外设的输入/输出速度有很大差别。 计算机与外部设备之间传送的信息格式和电平高低 也是多种多样
MEMR MEMW IOW IOR 控制逻辑
第14页
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第7章
输入输出系统及接口
I/O端口独立编址方式的优点
端口地址码短，译码电路简单，指令执行速度快 存储器与端口操作指令不同，程序清晰，便于理解 存储器地址和端口地址独立，端口地址空间不占用 存储器地址空间 存储器和端口的控制结构相互独立，可分别设计， 且利于系统扩展
第18页
2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
7.2.3 输入输出端口的地址译码
通过CPU给出的地址信号选定一个端口 可附加控制信号参与地址译码 按照译码电路采用的元器件的不同，分为门 电路译码与专用译码器译码 据使用的地址信号多少，分为全译码方式和 部分译码方式
第19页
2013年8月1日星期四
目标寄存器为AX时，读取16位数据 直接寻址 端口地址n只能为8位地址信号，最多可以访问 28=256个不同的端口。对应指令有： IN AL, n ;AL←(n) IN AX, n ;AX←(n)
第23页 2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
寄存器间接寻址 间接寻址寄存器只能使用DX寄存器，最多可访问 216=65536个不同的端口 IN AL, DX ;AL←((DX)) IN AX, DX ;AX←((DX)) 把累加器的数据输出到指定端口 输出指令也有直接寻址方式和寄存器间接寻址方式 OUT n, AL ;(n)←AL OUT n, AX ;(n)←AX OUT DX, AL ;((DX))←AL OUT DX, AX ;((DX))←AX
存储器和I/O端口共用一个地址空间，两者的 地址是连续的，大小总共为2n字节
CPU把I/O端口当作存储单元一样进行访问， 不再需要专门的I/O指令对I/O端口操作，可 使用所有的存储器指令
第16页
2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口 接口与存储器 空间合而为一
AB DB
地址空间的分配
又分为无条件传送方式和程序查询传送方式
第25页 2013年8月1日星期四
第7章 1．无条件传送方式
输入输出系统及接口
又称同步传送方式。传送时无需查询外设的状态， 而直接使用I/O指令进行数据传送。 外设的状态固定、事先已知其状态，不需进行查询 判断，直接利用I/O指令进行数据的传送
优点 硬件、软件开销小
第6页 2013年8月1日星期四
第7章 1．数据格式转换
输入输出系统及接口
接口与系统总线之间，采用并行传送 接口与外设之间，采用并行传送或串行传送
串行外设，接口具有串/并转换、并/串转换能力
并行外设，接口具有拼装和分解的能力 接口产生校验位及对数据进行校验的功能 即状态信息：协调数Leabharlann Baidu传送
随着外设的具体工作原理不同而具有不同含义
第9页 2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
7.2 输入输出端口 7.2.1 输入输出端口的概念
数据信息、状态信息和控制信息都是信息，存放在 接口的不同寄存器（端口，Port）中 ，每个端口有 端口地址。 数据端口：存放数据信息。输入端口、输出端口 状态端口：存放外设或接口部件本身的状态信息
I/O端口与存储器统一编址
独立编址的I/O端口，用I/O指令操作 I/O端口与存储器统一编址，用通用数据传送等指 令操作
第12页
2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
1．I/O端口独立编址方式（I/O指令寻址）
• •
两个独立的地址空间，地址空间重叠 存储器的地址空间为2n字节，地址范围为 0~2n-1；若I/O寻址为16位，则I/O端口地址空 间为216=65536字节，地址范围为0~65535
第7章
输入输出系统及接口
本章内容 7.1 接口电路概述 7.2 输入输出端口 7.3 输入输出的数据传送方式
第1页
2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
本章内容：
外设接口的一般结构，端口编址方式， 数据传送的控制方式。
输入输出系统是计算机同外部世界交往的重要 通道，是计算机的重要组成部分。