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,PORT

IN 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DX

IN 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DX

IN 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,ACC

OUT 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,21H

OUT DX,21H;将AL中数据向DX所指定的8位端口输出

MOV DX,310H

OUT 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：

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