数字量输入输出接口

； I/O端口 ；从端口读数据到AL ；将数据从AL存储器 ； I/O端口 ；从内存取数到AL ；数据从Al送端口
I／O端口地址分配 对于接口设计者来说，搞清楚系统I/O端口 地址分配十分重等。因为要把新的I/O设 备加入到系统中去就要在I/O地址空间中 占一席之地。哪些地址已分配给了别的设 备，哪些是计算机制造商为今后的开发而 保留的，哪些地址是空闲的，了解了这些 信息才能为我所用。下面以IBM－PC系列 为例来分析I/O端口地址分配情况。
不同的微机系统对I/O端口地址的分配是不同的 。PC微机是根据上述I／O接口的硬件分类，把 I/O空间分成两部分。 虽然，PC微机I/O地址线可有16根，对应 的I／O端口编址可达64K，但由于IBM公司当初 设计微机主板及规划接口卡时，其端口地址译码 是采用非完全译码方式，即只考虑了低10位地址 线AOA9，而没有考虑高6位地址线A10A15，故 其I/O端口地址范围是0000H03FFH，总共只有 1024个端口，并且把前512个端口分配给了主板， 后512个端口分配给了扩展槽上的常规外设。
输入方式 IN AL, 0A0H
A0 CE
输出方式
OUT 0A1H, AL
A1
例：采用同步传送系统
控制线
（二）条件传送
• 查询式输入接口电路
I/O
数据口
Poll: In al, S_port Test al, 80h Jz poll In al, D _port
数据端口
状态口
控制线
状态端口
D7 D6 8位
接口电路组成
5.1.3I/O端口及其编址方式 一、I／O端口和I／O操作 1.I/O端口 端口（port）是接口电路中能被CPU直接访 问的寄存器的地址。CPU通过这些地址即端口 向接口电路中的寄存器发送命令，读取状态和 传送数据，因此，一个接口可以有几个端口， 如命令口、状态口和数据口，分别对应于命令 寄存器、状态寄存器和数据寄存器。
第5章 数字量输入/输出接口
5.1 概述
一、接口电路的分类和功能
外设必须通过接口电路与CPU相连接
数据线
数 据 总 线 控 制 总 线 地 址 总 线 控制线 接口电路 状态线 外 部 设 备
5.1.2I/O接口
接口电路的功能： 1）缓冲锁存数据 2）地址译码 3）传递命令 4）码制转换 5）电平转换
独立编址主要优点是： 1、I/O端口地址不占用存储器空间；使 用专门的I／O指令对端口进行操作，I/O指 令短，执行速度快。 2 、并且由于专门 I/O 指令与存储器访 问指令有明显的区别，使程序中I/O操作和 存储器操作层次清晰，程序的可读性强。 3、同时，由于使用专门的I/O指令访问 端口，并且I/O端口地址和存储器地址是分 开的，故I/O端口地址和存储器地址可以重 叠，而不会相互混淆。
若用双字节地址作为端口地址，则最多可寻址 216＝64K个端口。 采用双字节地址，并且是用寄存器间接给 出端口地址，地址总是放在寄存器 DX 中。其指 令格式为 MOV DX， xxxxH IN AL，DX ；8位传送 MOV DX， xxxxH OUT DX，AL ；8位传送 这里，xxxxH为 16位的两字节地址。
查询式输入输出方式是通过对外设的状态查 询，实现CPU与外设间的正确的输入输出操作， 从而使不同工作速度的外设可以和 CPU协调工作 。由于查询过程中，CPU实际上处于等待状态， 不能进行其它操作，降低了CPU的效率。 特别是当外部设备输入输出速度较低时 ( 如 键盘、 打印机等 ) ， CPU 为了完成一次输入输出 操作，用于查询的时间要比实际用于输入输出指 令的执行时间要长得多，从而造成 CPU的极大的 浪费。因此，提出了中断传送方式。
I/O端口访问 所谓对端口的访问就是CPU对端口 的读／写。 而通常所说的微处理器CPU从 端口读数据或向端口写数据，仅仅 是指I/O端口与CPU的累加器之间的 数据传送，并未涉及数据是否传送 到存储器（RAM）的问题。
例如： 输入时 MOV DX，300H IN AL，DX MOV ［DI］，AL 输出时 MOV DX，301H MOV AL，[SI] OUT DX，AL
I/O端口与存储单元统一编址（51单片机）
1、地址相互独立
•I/O端口独立编址（INTEL 86 系列）
2、控制信号不同
独立编址方式的端口访问 1．I/O指令中端口地址的宽度 IBM－PC系列采用I/O指令访问端口。实现数据 的 I ／ O 传送。在 I/O 指令中可采用单字节地址或 双字节地址寻址方式。若用单字节地址作为端口 地址，则最多可访问 256 个端口。是直接在指令 中给出端口地址，其指令格式为 IN AL，PORT ；输入 OUT PORT，AL ；输出 这里，PORT是一个8位的字节地址。
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。 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
三、DMA传送方式
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=Direct Memory Access——直接存储器访问 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
I／O操作 通常所说的I／O操作是指对I ／O端口的操作，而不是对I／O设 备的操作，即CPU所访问的是与 I/O设备相关的端口，而不是I/O设 备本身。
端口地址编址方式
对上述端口有两种编址方式: 一种是端口地址和存储器地址统 一编址，即存储器映射方式； 另一种是I/O端口地址和存储器 地址分开独立编址，即I／O映射方 式。
；输入状态信息 ； ；若未Ready,等待
；否则，输入数据
；将数据存入内存 ；取下一个模拟量 ；
程序查询传送的小结
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
程序查询开始 读输入状态寄存器 N 准备就绪？ Y 对接口进行控制 与接口交换数据 Y 超时？ Y 置超时错标志 置正常标志值 Y 返回状态结束 N
几种传送方式的比较：
1.无条件传送：只能用于外部设备与CPU 动作同步时，否则出错。这种方式已 较少使用。
2.查询传送： • 接口简单，
I/O端口地址译码
CPU为了对I/O端口进行读写操作，就 需确定与自己交换信息的端口（寄存 器），那么，是通过什么媒介把来自 地址总线上的地址代码翻译成为所需 要访问的端口（寄存器）的，这就是 所谓的端口地址译码问题。这个“媒 介”就是I/O地址译码电路。
5.1.4 I/O的控制方式 1.程序传送方式 2.中断传送方式 3.DMA传送方式
中断输入输出方式可以大大提高CPU的 效率，但仍需要CPU通过程序进行传送。每 次中断处理需要保护断点、 保护现场及恢复 现场恢复断点，这些操作都要占用CPU的额 外时间。这对于高速的外部设备在成批地交 换数据时，这种中断传送方式，就显得太慢 ，因而不能满足高速交换数据的要求。DMA 方式能摆脱CPU的直接干预，利用硬件控制 设备DMA控制器(DMAC)，实现外部设备与 内存间的直接数据传送。
；1111,1000 启动A/D转换
；输入数据存放地址 ； ； ∧ 1110,1111，AL=1110,1000
；停止A/D转换，并选择模拟量A0
； ； AL=1111,1000 ；启动A/D转换
poll: in al, [2] shr al, 1 jnc poll in al, [3] stosb inc dl jne again
D0
D7 1位
• 查ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ式输出接口电路
数据口
控制线
I/O
控制线 状态口
Poll: In al, S_port Test al, 80h Jnz poll mov al, store Out D_port, al
例：采用查询方式传送的数据采集系统
状态端口
D0
数据口
状态口
控制口
A7 ~ A0
Start: mov dl, 0f8h lea di, detor Again: mov al, dl and al, 0efh out [4], al call delay mov al, dl out [4], al
中断输入输出方式的思想是： 当CPU 需要输入输出数据时，先执行启动外设工 作的指令，然后CPU继续执行原程序。如 果是输入操作，当输入数据已存入外设接 口的输入寄存器中时； 或是输出操作，当 外设已经把前一个输出数据从接口寄存器 中取走，就由外设向 CPU发出中断请求， CPU在收到中断请求信号后，就暂时停止 原来执行的程序 ( 即实现中断 ) ，转去执行 输入或输出处理程序。
接口电路的基本结构
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 1）数据端口——存放数据信息 2）状态端口——存放状态信息，（忙、空闲、准备好等机器状态） 即反映外设当前工作状态的信息 3）控制端口——存放控制信息（启动、停止等动作） 状态信息与控制信息可以广义地看作数据信息，因此可以通过 数据总线传送 数据信息分数据量、模拟量和开关量三类。
1.统一编址 这种方式，是从存储器空间划出一部分地址 空间给I/O设备，把I／O接口中的端口当作存储 器单元一样进行访问，不设置专门的I/O指令， 有一部分对存储器使用的指令也可用于端口。 2．独立编址 这种方式是接口中的端口地址单独编址而不 和存储空间合在一起，大型计算机通常采用这种 方式，
统一编址优点： 1、由于对I／O设备的访问是使用访问存储 器的指令，所以指令类型多，功能齐全，这不 仅使访问I/O端口可实现输入／输出操作，而且 还可对端口内容进行算术逻辑运算，移位等等 ； 2、另外，能给端口有较大的编址空间，这 对大型控制系统和数据通信系统是很有意义的 。 这种方式的缺点是端口占用了存储器的地 址空间，使存储器容量减小，另外指令长度比 专门I／O指令要长，因而执行速度较慢。
图1.6 程序查询方式流程图
二、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 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
无条件传送
程序查询传送（条件传送）
一、程序传送方式
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，认为外设已经准备就绪，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
I/O端口地址选用的原则
只要设计I/O接口电路，就必然要使用端口地址。为了避 免端口地址发生冲突，在选用I/O端口地址时要注意： ①凡是被系统配置所占用了的地址一律不能使用； ②原则上讲，未被占用的地址，用户可以使用，但对 计算机厂家申明保留的地址，不要使用，否则，会发生I ／O 端口地址重叠和冲突，造成用户开发的产品与系统不 兼容而失去使用价值； ②一般，用户可使用300～31FH地址，用户可以使用。 但是，由于每个用户都可以使用，所以在用户可用的这段 I/O地址范围内，为避免与其他用户开发的插板发生地址 冲突，最好采用地址开关。