微机原理基本输入输出接口.ppt

《微机原理基本输入输出接口.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微机原理基本输入输出接口.ppt（65页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第5章章-1基本输入输出接口基本输入输出接口教学重点教学重点:n I/O接口电路的典型结构接口电路的典型结构n无条件传送方式无条件传送方式n查询传送方式查询传送方式n中断工作过程中断工作过程nDMA传送传送15.1I/O接口概述接口概述为什么需要为什么需要I/O接口（电路）？接口（电路）？n微机的外部设备多种多样；微机的外部设备多种多样；n工工作作原原理理、驱驱动动方方式式、信信息息格格式式以以及及工工作速度方面彼此差别很大；作速度方面彼此差别很大；n它们不能与它们不能与CPU直接相连直接相连；n必须经过必须经过中间电路中间电路再与系统相连；再与系统相连；n这部分电路被称为这部分电路被称为I

2、/O接口电路接口电路。多种外设多种外设25.1I/O接口概述接口概述（续（续1）什么是什么是I/O接口（电路）？接口（电路）？nI/O接接口口是是位位于于系系统统与与外外设设间间，用用来来协协助助完成数据传送和控制任务的完成数据传送和控制任务的逻辑电路逻辑电路nPC机机系系统统板板的的可可编编程程接接口口芯芯片片、I/O总总线线槽的电路板（适配器）都是接口电路槽的电路板（适配器）都是接口电路35.1I/O接口概述接口概述（续（续2）什么是微机接口技术？什么是微机接口技术？n处理微机系统与外设间联系的技术；处理微机系统与外设间联系的技术；n注意其注意其软硬结合软硬结合的特点；的特点；n根根据据应

3、应用用系系统统的的需需要要，使使用用和和构构造造相相应应的的接接口口电电路路，编编制制配配套套的的接接口口程程序序，支支持和连接持和连接有关的设备有关的设备。4常见接口插槽常见接口插槽PS2鼠标鼠标PS2键盘键盘千兆网千兆网10/100M网卡网卡USB并行口并行口MIDI/游戏接口游戏接口显示器接口显示器接口13941394a音箱音箱/线入线入接口接口/麦克麦克风风串行口串行口55.1.2I/O接口接口-I/O接口的主要功接口的主要功能能对输入输出数据进行缓冲和锁存；对输入输出数据进行缓冲和锁存；输出接口有输出接口有锁存、缓冲环节锁存、缓冲环节；输入接口有输入接口有锁存、缓冲环节锁存、缓冲环节

4、；对信号的形式和数据的格式进行变换对信号的形式和数据的格式进行变换微机直接处理：微机直接处理：数字量数字量、开关量开关量、脉冲量；脉冲量；对对I/O端口进行寻址；端口进行寻址；与与CPU和和I/O设备进行联络。设备进行联络。65.1.2I/O接口接口-I/O接口的典型结构接口的典型结构1.接口电路的内部结构接口电路的内部结构2.接口电路的外部特性接口电路的外部特性3.接口电路芯片的分类接口电路芯片的分类4.接口电路的可编程性接口电路的可编程性71.接口电路的内部结构nCPU与与外外设设主主要要有有数数据据、状状态态和和控控制制信信息息需要相互交换，于是从应用角度看内部：需要相互交换，于是从应用

5、角度看内部：数据寄存器数据寄存器n保存外设给保存外设给CPU和和CPU发往外设的数据发往外设的数据状态寄存器状态寄存器n保存外设或接口电路的状态保存外设或接口电路的状态控制寄存器控制寄存器n保存保存CPU给外设或接口电路的命令给外设或接口电路的命令理解端口理解端口82.接口电路的外部特性n主要体现在引脚上，分成两侧信号主要体现在引脚上，分成两侧信号面向面向CPU一侧的信号：一侧的信号：n用于与用于与CPU连接连接n主要是数据、地址和控制信号主要是数据、地址和控制信号面向外设一侧的信号：面向外设一侧的信号：n用于与外设连接用于与外设连接n提供的信号五花八门提供的信号五花八门n功能定义、时序及有效

6、电平等差异较大功能定义、时序及有效电平等差异较大93.接口电路芯片的分类n接接口口电电路路核核心心部部分分往往往往是是一一块块或或数数块块大大规规模集成电路芯片（模集成电路芯片（接口芯片接口芯片）：）：n通用接口芯片通用接口芯片n支持通用的数据输入输出和控制的接口芯片支持通用的数据输入输出和控制的接口芯片n面向外设的专用接口芯片面向外设的专用接口芯片n针对某种外设设计、与该种外设接口针对某种外设设计、与该种外设接口n面向微机系统的专用接口芯片面向微机系统的专用接口芯片n与与CPU和系统配套使用，以增强其总体功能和系统配套使用，以增强其总体功能104.接口电路的可编程性n许许多多接接口口电电路路

7、具具有有多多种种功功能能和和工工作作方方式式，可以通过编程的方法选定可以通过编程的方法选定其中一种其中一种；n接接口口需需要要进进行行物物理理连连接接，还还需需要要编编写写接接口口软件软件；n接口软件有两类：接口软件有两类：n初始化程序段初始化程序段设定芯片工作方式等；设定芯片工作方式等；n数数据据交交换换程程序序段段管管理理、控控制制、驱驱动动外外设设，负责外设和系统间信息交换。负责外设和系统间信息交换。115.1.3 I/O端口的编址接口电路占用的接口电路占用的I/O端口有两类编排形式端口有两类编排形式nI/O端口单独编址端口单独编址nI/O地址空间独立于存储地址空间；地址空间独立于存储地

8、址空间；n如如8086/8088；nI/O端口与存储器统一编址端口与存储器统一编址n它们共享一个地址空间；它们共享一个地址空间；n如如M68000。12I/O端口单独编址n优点：优点：nI/O端口的地址空间独立端口的地址空间独立n控制和地址译码电路相对简单控制和地址译码电路相对简单n专门的专门的I/O指令使程序清晰易读指令使程序清晰易读n缺点：缺点：nI/O指令没有存储器指令丰富指令没有存储器指令丰富内存内存空间空间I/O空间空间FFFFF0FFFF80 x86采用采用I/O端口独立编址端口独立编址13I/O端口与存储器统一编址n优点：优点：n不需要专门的不需要专门的I/O指令指令nI/O数数

9、据据存存取取与与存存储储器器数数据存取一样灵活据存取一样灵活n缺点：缺点：nI/O端端口口要要占占去去部部分分存存储储器地址空间器地址空间n程程序序不不易易阅阅读读（不不易易分分清清访存和访问外设）访存和访问外设）内存内存部分部分I/O部分部分存储器空间存储器空间00000FFFFF148088/8086的输入输出指令的输入输出指令n输入指令输入指令INAL,i8/DX;字节输入字节输入INAX,i8/DX;字输入字输入n输出指令输出指令OUTi8/DX,AL;字节输出字节输出OUTi8/DX,AX;字输出字输出功能演示功能演示功能演示功能演示15例:一个输入设备的简单接口电路该电路在该电路在

10、CPU执行指令执行指令MOVDX,284HINAL,DX将输入设备的数据读入将输入设备的数据读入CPU内内AL中中图中译码电路的作用：图中译码电路的作用：只当只当A15A0上出现上出现284H时，时，（即（即0000001010000100B）输出输出0，其他输出，其他输出1。IO总线总线三三 态态缓冲器缓冲器开关开关状态状态DBIOR地址地址译码译码AB284H000D7D0A15A0与与非非16例:一个输入设备的简单接口电路三三 态态缓冲器缓冲器开关开关输入输入数据线数据线IOR地址地址译码译码地址线地址线284H000D7D0A15A0与与非非IO总总线线D0D7K1:K8A15A0IO

11、RCLKD7D0T4T1T2T3Tw0000001010000100执行执行:MOVDX,284HINAL,DX01101101B=6DHIN指令时序指令时序问题问题:P290图图5.11K2,K5,K8闭合时闭合时DB=?,(AL)=?17例:一个输入设备的简单接口电路三三 态态缓冲器缓冲器输入输入设备设备数据线数据线IOR地址地址译码译码地址线地址线284H000D7D0A15A0与与非非IO总总线线MOVDX,284HINAL,DX输入设备接口电路，即硬件上保证输入设备接口电路，即硬件上保证:只在只在CPU执行从执行从284H端口端口输入数据时，三态门处于工作状态，使输输入数据时，三态门

12、处于工作状态，使输入设备的数据送上总线侧，而入设备的数据送上总线侧，而CPU执行其它指令时，三态门均处于高执行其它指令时，三态门均处于高阻状态，使输入设备的数据线与总线侧断开。阻状态，使输入设备的数据线与总线侧断开。思考：其他的指令为什么不可以？思考：其他的指令为什么不可以？例：例：INAL,50H;MOVAL,0284H18例:一个输出设备的简单接口电路该电路在该电路在CPU执行指令执行指令MOVAL,81HMOVDX,288HOUTDX,ALCPU内内AL中的数据中的数据81H送至输出设备送至输出设备IO总线总线锁存器锁存器输出输出设备设备数据线数据线IOW地址地址译码译码地址线地址线28

13、8H000D7D0A15A0与与非非例例:LED指示灯指示灯图中译码电路的作用：图中译码电路的作用：只当只当A15A0上出现上出现288H时，时，（即（即0000001010001000B）输出输出0，其他输出，其他输出1。参见参见P291图图5.1219例:一个输出设备的简单接口电路IO总线总线锁存器锁存器输出输出设备设备数据线数据线IOW地址地址译码译码地址线地址线288H000D7D0A15A0与与非非例例:LED指示灯指示灯OUT指令时序指令时序A15A0CLKIOWD7D0T4T1T2T3 Tw0000001010001000执行：执行：MOVAL,81HMOVDX,288HOUTD

14、X,AL20例:一个输出设备的简单接口电路PC总总线线锁存器锁存器输出输出设备设备数据线数据线IOW地址地址译码译码地址线地址线288H000D7D0A15A0与与非非例例:LED指示灯指示灯MOVDX,288HOUTDX,AL输出设备接口电路，即硬件上保证输出设备接口电路，即硬件上保证:只在只在CPU执行从执行从288H端口端口输出数据时，输出数据时，锁存器处于触发状态，其输出随输入变锁存器处于触发状态，其输出随输入变化，而化，而CPU执行其它指令时，锁存器均执行其它指令时，锁存器均处于锁存状态处于锁存状态,其输出不随输入变化，其输出不随输入变化，思考：其他的指令为什么不可以？思考：其他的指

15、令为什么不可以？例：例：OUT50H,AL;MOV0288H,AL问题：对本电路问题：对本电路MOVDX,288HINAL,DX结果如何？结果如何？21I/O端口的译码n译码电路的作用译码电路的作用n译码电路的构成译码电路的构成(与存储器译码相似）与存储器译码相似）n设计译码电路的方法设计译码电路的方法n片内译码和片选译码片内译码和片选译码22I/O译码电路的作用将将CPU执行执行IN/OUT指令发出的信号指令发出的信号,“翻译翻译”成欲操作端成欲操作端口的选通信号，此信号常作为接口内三态门或锁存器的控口的选通信号，此信号常作为接口内三态门或锁存器的控制信号，接通或断开接口数据线与系统的连接。

16、制信号，接通或断开接口数据线与系统的连接。A15A0IORCLKD7D0T4T1T2T3TwA15A0CLKIOWD7D0T4T1T2T3 TwIN指令时序指令时序OUT指令时序指令时序23设计译码电路的方法n根根据据端端口口地地址址确确定定地地址址信信号号A15A0的的条条件件取取值值，用用门门电电路路、译译码码器器及及组组合合、PLD/GAL实实现现满满足足条条件件情情况况的的电路电路n设设计计I/O译译码码电电路路时时：端端口口的的选选通通信信号号通通常常为为低低电电平平有有效效,除除端端口口的的地地址址信信号号参参加加译译码码外外，控控制制信信号号IOW、IOR (IO/M、AEN也可

17、参加译码也可参加译码)译译码码电电路路A0A1A14A15IORIOWAEN24例：设计端口地址为218H的译码电路分析分析CPU执行执行IN/OUT指令时，发出端口的地址信号指令时，发出端口的地址信号 MOV DX,218H IN AL,DX 或或 OUT DX,AL对应对应218H端口的地址信号为（只取端口的地址信号为（只取A9A0）：）：A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 (地址信号地址信号)1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 B 2 1 8 H只要满足此地址取值的译码电路均可只要满足此地址取值的译码电路均可25方法一、用门电路实现218H的地址译码数数据据线

18、线DBRDWRCS端口端口译码译码电路电路0A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0AENIORIOWI/O接接口口IO总总线线D0D7D0D710000110000&译码电路部分满足：译码电路部分满足：只当地址信号只当地址信号A9A0为：为：A9A8A7A6A5A4A3A2A1A01000011000即即218H时，输出时，输出“0”，使使I/O接口的接口的/CS有效，有效，否则输出否则输出“1”，使，使I/O接口接口的的/CS无效无效26地址重叠现象数数据据线线DBRDWRCS端口端口译码译码电路电路0A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0AENIORIOWI/O接接口口IO总总线线D0

19、D7D0D710000110000&注意译码电路中：注意译码电路中：由于高位地址线由于高位地址线A15A10未参与译码未参与译码,即即:地址地址A15A0为：为：1000011000均能输出均能输出“0”低电平低电平,所以该电路使：所以该电路使：一个端口对应多个地址一个端口对应多个地址共共26=64个个218，618，A18，E18，等等，等等27218H方法二、用译码器、门电路组合实现地址译码【问问1】Y1 Y7 译译出出的的端端口口地地址址各各是是多多少？少？【问问2】将将A0与与A2位位置置互互换换Y0Y7 译译出出的的端端口口地地址址各各是是多多少？少？28【答答1】Y0Y7译译出出的

20、的端端口口地地址址分分别别是是219H21FH。【答答2】将将A0与与A2位位置置互互换换Y1Y7译译出出的的端端口口 地地 址址 分分 别别 是是 218H、21CH、21AH、21EH、219H、21DH、21BH和和21FH。29I/O地址的译码小结nI/O地地址址的的译译码码方方法法与与存存储储器器地地址址的的译译码码方法一样方法一样，但有它的特点：，但有它的特点：n每每个个接接口口电电路路通通常常只只占占用用几几个个I/O地地址址，这这时时可以利用基本逻辑门电路进行地址译码可以利用基本逻辑门电路进行地址译码n除除采采用用译译码码器器、门门电电路路进进行行译译码码外外，I/O地地址址译

21、码还经常采用可编程逻辑器件译码还经常采用可编程逻辑器件PLD30IBM PC/XT主机板的I/O译码电路315.1.4数据传送方式数据传送方式n程程序序控控制制下下的的数数据据传传送送通通过过CPU执执行行程程序序中中的的I/O指指令令来来完完成成传传送送，又又分分为为：无无条条件件传传送送、查询传送查询传送、中断传送中断传送n直直接接存存储储器器存存取取（DMA）传传送送请请求求由由外外设设向向DMA控控制制器器（DMAC）提提出出，后后者者向向CPU申申请请总总线线，最最后后DMAC利利用用系系统统总总线线来来完完成成外外设设和存储器间的数据传送和存储器间的数据传送nI/O处处理理机机CP

22、U委委托托专专门门的的I/O处处理理机机来来管管理外设，完成传送和相应的数据处理理外设，完成传送和相应的数据处理321、无条件传送方式及其接口、无条件传送方式及其接口n在在CPU与与慢慢速速变变化化的的设设备备交交换换数数据据时时，可可以以认认为为它它们们总总是是处处于于“就就绪绪”状状态态，随随时时可可以以进进行行数数据据传传送送，这这就就是是无无条条件件传传送送，或称立即传送、同步传送或称立即传送、同步传送n适适合合于于简简单单设设备备，如如LED数数码码管管、按按键键或按纽等或按纽等n无条件传送的接口和操作均十分简单无条件传送的接口和操作均十分简单n这种传送有前提：外设必须随时就绪这种传

23、送有前提：外设必须随时就绪传送流程传送流程33无条件传送：输入示例34无条件传送：输出示例35简单输入接口举例MOVDX,218HINAL,DX36简单输出接口举例MOVDX,219HOUTDX,AL372、查询传送方式及其接口、查询传送方式及其接口nCPU需需要要先先了了解解（查查询询）外外设设的的工工作作状状态态，然然后后在在外外设设可可以以交交换换信信息息的的情情况况下下（就就绪绪）实现数据输入或输出实现数据输入或输出n对对多多个个外外设设的的情情况况，则则CPU按按一一定定顺顺序序依依次次查查询询（轮轮询询）。先先查查询询的的外外设设将将优优先先进进行数据交换行数据交换n查查询询传传送

24、送的的特特点点是是：工工作作可可靠靠，适适用用面面宽宽，但传送效率低但传送效率低就绪？就绪？38查询传送的两个环节查询环节查询环节n寻址状态口寻址状态口n读取状态寄存器的标志位读取状态寄存器的标志位n若不就绪就继续查询，直至就绪若不就绪就继续查询，直至就绪传送环节传送环节n寻址数据口寻址数据口n是输入，通过输入指令从数据端口读入数据是输入，通过输入指令从数据端口读入数据n是输出，通过输出指令向数据端口输出数据是输出，通过输出指令向数据端口输出数据输入状态输入状态就绪？就绪？数据交换数据交换YN传送流程传送流程接口实例接口实例39查询输入接口电路查询输入接口电路MOV DX,8000H ;DX指

25、向状态端口指向状态端口status:IN AL,DX ;读状态端口读状态端口TEST AL,01H ;测试标志位测试标志位D0JNZ status ;D00，未就绪，继续查询，未就绪，继续查询INC DX ;D01，就绪，就绪，DX指向数据端口指向数据端口IN AL,DX ;从数据端口输入数据从数据端口输入数据40查询输出接口电路查询输出接口电路MOV DX,8000H ;DX指向状态端口指向状态端口status:IN AL,DX ;读取状态端口的状态数据读取状态端口的状态数据TEST AL,80H ;测试标志位测试标志位D7,80H=10000000BJZ status ;D71,未就绪，继

26、续查询未就绪，继续查询INC DX ;D70,就绪就绪,DX指向数据端口指向数据端口MOV AL,BUF ;变量变量buf送送ALOUT DX,AL ;将数据输出给数据端口将数据输出给数据端口413、中断传送方式、中断传送方式断点断点主程序主程序中断服务程序中断服务程序中断请求中断请求对外设对外设进行处理进行处理继续执行继续执行返回断点返回断点nCPU在在执执行行程程序序中中，被被内内部部或或外外部部的的事事件件所所打打断断，转转去去执执行行一一段段预预先先安安排排好好的的中中断断服服务务程程序序；服服务务结结束束后后，又又返返回回原原来来的的断断点点，继继续续执执行行原原来来的的程程序序传送

27、流程传送流程42中断传送与接口中断传送与接口n中断传送是一种效率更高的程序传送方式；中断传送是一种效率更高的程序传送方式；n进行传送的中断服务程序是进行传送的中断服务程序是预先设计好的预先设计好的；n中断请求是外设随机向中断请求是外设随机向CPU提出的；提出的；nCPU对对请请求求的的检检测测是是有有规规律律的的：一一般般是是在在每每条条指指令的令的最后一个时钟周期最后一个时钟周期采样中断请求输入引脚；采样中断请求输入引脚；n下面讨论中断在输入和输出方面的应用；下面讨论中断在输入和输出方面的应用；n中断还有着非常广泛的应用，以后将详细介绍。中断还有着非常广泛的应用，以后将详细介绍。43中断传送

28、与接口中断传送与接口44中断工作过程中断工作过程n中断请求中断请求n中断响应中断响应n关中断关中断n断点保护断点保护n中断识别中断识别n现场保护现场保护n中断服务中断服务n恢复现场恢复现场n开中断开中断n中断返回中断返回中断服务是进行数据交换的实质性环节中断服务是进行数据交换的实质性环节45中断源的识别中断源的识别中断优先权中断优先权问题问题1：系统有多个中断请求，系统有多个中断请求，CPU如何识别中断源？如何识别中断源？解答：解答：中断查询中断查询46中断查询接口47中断优先权排队中断优先权排队中断优先权中断优先权（续（续1）问题问题2：有多个中断同时请求，有多个中断同时请求，CPU如何应对

29、？如何应对？解答：解答：链式优先权排队电路链式优先权排队电路48链式中断优先权排队电路49中断嵌套中断嵌套中断优先权中断优先权（续（续2）问题问题3：中断处理过程中，中断处理过程中，又有中断提出请求，怎么办？又有中断提出请求，怎么办？解答：解答：链式优先权排队电路链式优先权排队电路50n希望克服程序控制传送的不足：希望克服程序控制传送的不足：外设外设CPU存储器存储器外设外设CPU存储器存储器n直接存储器存取直接存储器存取DMA：外设外设存储器存储器外设外设存储器存储器nCPU释放总线，由释放总线，由DMA控制器管理。控制器管理。4、DMA传送方式传送方式51DMA传送的工作过程传送的工作过程

30、CPU对对DMA控制器进行初始化设置控制器进行初始化设置外外设设、DMAC和和CPU三三者者通通过过应应答答信信号号建立联系：建立联系：CPU将总线交给将总线交给DMAC控制控制DMA传送传送nDMA读存储器：存储器读存储器：存储器外设外设nDMA写存储器：存储器写存储器：存储器外设外设自动增减地址和计数，判断传送完成否自动增减地址和计数，判断传送完成否传送流程传送流程52DMA传送流程53小结传送方式的比较n无条件传送无条件传送：慢速外设需与：慢速外设需与CPU保持同步；保持同步；n查询传送查询传送：简单实用，效率较低；简单实用，效率较低；n中中断断传传送送：外外设设主主动动，可可与与CPU并并行行工工作作，但每次传送需要大量额外时间开销但每次传送需要大量额外时间开销；nDMA传传送送：DMAC控控制制，外外设设直直接接和和存存储储器器进进行行数数据据传传送送，适适合合大大量量、快快速速数数据据传传送。送。54