第四章 微型计算机的输入输出接口

第四章·微型计算机的输入输出接口1.1外部设备及其信号：（1）外部设备：（a）输入设备。

（b）输出设备。

（c）复合输入输出设备（例如外存储设备）。

（2）外部设备的信号：（a）数据信号：数据信号是外部设备信号的主要部分。

按照信号的物理形态，可以分为以上几种：1）数字量：以二进制形式表述的数据、图形或文字信息。

2）模拟量：现场的物理量（温度、压力、流量、位移等）通过传感器件，转换为大小与之对应的电压或电流信号。

这些量呈连续变化的形态，称为模拟量。

3）开关量：只有0和1。

4）脉冲量：例如时钟信号。

（b）状态信号：状态信号表明外部设备当前的工作状态，用来协调CPU与外部设备之间的操作。

（c）控制信号：控制信号是CPU向外设发出的命令，它指定设备的工作方式，启动或停止设备。

数据信号、状态信号、控制信号都是以数据的形式，通过数据总线与CPU 进行传输的。

1.2I/O接口的功能：（1）设备选择功能（CPU通过地址代码来标识和选择不同的设备）（2）信息传输功能（3）数据格式转换功能（4）联络功能（通知CPU或外设取走数据，数据传输完成）（5）中断管理功能（向CPU申请中断，发送中断类型号，中断优先权的管理）（6）复位功能（7）可编程功能（8）错误检测功能（例如进行奇偶校验）一般错误有两种（a）物理信道上的传输错误（b）数据传输中的覆盖错误（即CPU还没有取走数据就被新来的数据冲掉）1.3 I/O端口的编址方法：（1）I/O端口与内存统一编址：把内存的一部分地址分配给I/0端口，一个8位端口占用一个内存单元。

优点：访问内存存储单元和I/O端口使用相同的指令，降低了CPU电路的复杂性。

缺点：I/O端口占用内存地址，相对减少了内存可用范围。

且难以区分访问内存和I/O的指令，降低了程序的可读性和可维护性。

（2）I/O端口独立编址：内存储器和I/O端口各自有自己独立的地址空间。

访问I/O端口需要独立的指令。

优点：拥有自己的地址空间。

缺点：需要独立的指令访问端口。

1.4 简单I/O接口的组成：（1）端口：接口内通常设置若干个寄存器，用来暂存CPU和外设之间传输的数据，状态和指令。

这些寄存器被称为端口。

端口被分为数据端口、命令端口（也称控制端口）和状态端口。

每一个端口有一个独立的地址，CPU可以用地址代码来区分各个不同的端口，对它们分别进行读、写操作。

CPU对状态端口进行一次读操作，就可以得到该段口暂存的状态代码，从而获得与这个接口相连接的外部设备的状态信息。

CPU对数据端口进行一次读或写操作，也就是与该外部设备发出一个控制命令。

CPU与外部设备的输入输出操作都是通过对相应端口的读写操作来完成的。

所谓的外部设备的地址，实际上是该设备接口内各端口的地址，一台外部设备可以拥有几个通常是相邻的端口地址。

（2）地址译码电路：地址译码是接口的基本功能之一。

CPU在执行输入输出指令时，向地址总线发送16位外部设备的端口地址。

（可以将16位地址码分解成两个部分，高位地址译码用作对接口的选择，低位地址译码用来选择接口内不同的端口）如下图所示为端口的译码电路设定端口地址时，注意不能和已有设备的端口地址重复。

为了避免重复的发生，许多接口电路准许使用跳线器改变端口地址（如上图）。

由于读、写操作不会同时进行，一个输入端口和另一个输出端口可以使用同一个地址编码。

例：可安排数据输入端口、数据输出端口和使用同一个地址330H，命令端口和状态端口共同使用地址331H。

数据输入端口和数据输出端口虽然使用相同的地址，但确是2个各自独立的不同端口。

（3）数据锁存器和缓冲器：为了使系统总线能够正常地进行数据传送，要求所有的这些连接到系统数据总线的设备具有三态输出的功能。

也就是说在CPU选中该设备时，他能像系统数据总线发送数据信号。

在其他时间，它的输出端必须呈高阻状态。

为此，所有的输入端口必须通过三态缓冲器与系统总线相连。

如下图：在上图中，输入设备在完成一次输入操作后，在输出数据的同时，产生数据选通信号，把数据打入8位锁存器74LS273。

锁存器的输出信号通过8位三态缓冲器74LS244连接到系统数据总线。

数据端口读信号由地址译码电路产生。

该信号为高电平（无效）时，缓冲器输出端呈高阻态。

一旦该端口被选中，数据端口读变为低电平（有效），已锁存的数据就可以通过74LS244送往系统数据总线继而被CPU所接收。

如果输入设备自身具有数据的锁存功能。

输入接口内可以不使用锁存器。

输入设备的数据线可通过三台缓冲器直接与系统数据总线相连接。

（注：由于系统总线的工作特点，输入接口中的三态缓冲器是绝对不可以省略的）CPU送往外设的数据或命令一般应由接口进行锁存，以便使外设有充足的时间接收和处理。

（如下图是一个8位输出锁存电路的例子）CPU通过对状态端口的读指令，在D7上可以获知它的状态。

在该位为1时，CPU不能向数据输出端口发送新的数据，否则将发生覆盖错误。

综上所述，把地之译码、数据锁存与缓冲、状态寄存器、命令寄存器各个电路组合起来，就构成了一个简单的输入输出接口。

（如下图）1.5 输入输出数据传输的控制方式：CPU与外部主要进行两种类型的数据传输：与内存储器的数据传输和外部设备的数据传输。

CPU与外部设备的数据传输有以下三种处理方式：（a）程序方式（又可分为无条件传送方式和条件传送方式两种）（b）中断方式（c）DMA方式（1）输入输出指令：8086CPU采用内存与I/O端口独立编址方式，设置了一套独立的输入输出指令。

输入指令IN把外部设备接口的输入端口（数据、状态）的信息读入累加器AL、AX。

输出指令OUT把累加器的内容向外部接口的输出端口（数据、命令）输出。

IN/OUT指令有两种寻址方式。

端口地址在0~255之间，可以用8位二进制数表示时，可以使用直接地址，端口地址以立即数的形式出现在指令中。

端口地址大于255时，必须把地址事先送入DX寄存器，通过该寄存器进行间接寻址。

例如：（a）输入指令：指令格式：IN ACC,PORTIN ACC,DX操作：AL/AX<-(PORT)AL/AX<-(DX)功能：把指定端口中的数据读入AL或AX中端口地址在0~255之间时，执行以下操作：IN AL,35H;将地址为35H的端口数据送AL,35H时8位端口地址IN AX,0A8H;将地址为0A8H的端口数据送AX,0A8H时16位端口地址端口地址在0~65535之间时，执行以下操作：MOV DX,21H;端口地址放入DXIN AL,DX;把地址为21H的端口数据（8位）送AL中MOV DX,312H;端口地址放入DXIN AX,DX;把地址为312H的端口数据（16位）送AX中（b）输出指令：指令格式：OUT PORT,ACCOUT DX,ACC操作：(PORT)<- AL/AX(DX)<- AL/AX功能：把AL或AX中的数据向指定端口输出。

端口地址在0~255之间时，执行以下操作：OUT 40H,AL;将AL中的数据送到地址为40H的8位端口中OUT 30H,AX;将AX中的数据送到地址为30H的16位端口中端口地址在0~65535之间时，执行以下操作：MOV DX,21HOUT DX,21H;将AL中数据向DX所指定的8位端口输出MOV DX,310HOUT DX,AX;将AX中数据向DX所指定的16位端口输出1.6程序查询方式：程序方式传送是指在程序控制下进行信息传送，具体实现又可分为无条件传送和条件传送两种方式：（1）无条件传送方式：一些简单的I/O设备，对它们的I/O操作可以随时进行。

（例如：开关，发光二极管）这一类简单设备的输入信号一般不需要锁存，可以通过三态缓冲器与系统数据总线直接相连。

（如下图）（2）条件传送方式：条件传送也称为查询式传送。

使用条件传送方式时，CPU通过程序不断读取并测试外设的状态。

如果输入设备处于准备的状态，或者输出设备处于空闲的状态。

则CPU执行输入指令或输出指令与外设交换数据。

为此，接口电路除了有传送数据的端口以外，还应有传送状态的端口。

对于条件传送而言，其工作过程可分为如下几步：（a）CPU从接口读入状态字（b）CPU检测状态字的对应为是否满足就绪条件，如果不满足，则回到前一步继续读取状态字。

（c）如状态字标明外设已准备就绪，则传送数据。

（如下图）1.7 开关量输入输出接口：（1）基本的开关量输入接口：常见的开关量有三种形态：单刀单掷开关，单刀双掷开关和按钮。

他们的基本连接见下图：开关量通过三态缓冲器与系统数据总线相连。

（2）矩阵式开关量输入接口（例如键盘）：如上图，一个8位数据输出端口的输出端连接了8根行线，另一个数据输入端口由8根列线输入。

在每个行线和列线的检查点上连接了一个按钮，共64个。

该电路有以下特点：（a）没有键按下时，输入端口输入全1。

（b）输出端口输出全1时，不论有无键按下，输入端口输入仍然全1。

（c）某一行线输出全0时，如果该行上有一个键按下，则输入端口代码为7个1和1个0,0的位置与被按下键的位置相对应。

根据以上的规则，可以通过程序对8根行线逐行扫描，识别按键的所在行，列，从而获得该键的代码。

1.8 开关量输出接口：（1）基本的开关量输出接口：常见的开关量输出接口有2种：LED发光二极管（用作状态指示灯）和执行元件驱动线圈。

他们的连接见下图：（由于一般的数字逻辑电路输出高电平时输出电路较小（微安级），输出低电平时吸收电流稍大（毫安级），所以逻辑电路输出均连接LED的阴极。

即输出0时，LED发光，输出1时LED熄灭。

）（2）LED七段数码显示管接口（由于还有小数点dp段所以有的书上也叫八段数码显示管）：它的内部由7个（8个）发光二极管按一定的顺序排列而成，见下图。

（当有多位数字需要同时显示时，最简单的办法是为每一位数字设置一个独立的输出端口。

但是，当数字个数较多时，使用的元器件较多。

由于LED显示具有余辉效应，可以通过共用端口的办法来简化电路。

）多位数码循环显示过程如下：（1）通过设置位码，熄灭所有数码管。

（2）将一个数码管的字形代码（段码）送入段码端口。

（3）设置位码，点亮一个数码管。

（4）准备下一个数字的段码和位码，适当延时。

重复以上过程，多位不同的数字旧同事显示在不同的数码管上。

送段码之前熄灭所有数码管可以消除段码和位码不同步产生的闪烁。

以下图为例：实现此过程的8086汇编语言源程序为：第3页第1页第2页第4页。