微机原理基本输入输出接口.ppt

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1、1,第5章-1 基本输入输出接口,教学重点:I/O接口电路的典型结构 无条件传送方式 查询传送方式 中断工作过程 DMA传送,2,5.1 I/O接口概述,为什么需要I/O接口（电路）？微机的外部设备多种多样；工作原理、驱动方式、信息格式以及工作速度方面彼此差别很大；它们不能与CPU直接相连；必须经过中间电路再与系统相连；这部分电路被称为I/O接口电路。,多种外设,3,5.1 I/O接口概述（续1）,什么是I/O接口（电路）？I/O接口是位于系统与外设间，用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板（适配器）都是接口电路,4,5.1 I/O接口概述（

2、续2）,什么是微机接口技术？处理微机系统与外设间联系的技术；注意其软硬结合的特点；根据应用系统的需要，使用和构造相应的接口电路，编制配套的接口程序，支持和连接有关的设备。,5,常见接口插槽,PS2鼠标,PS2键盘,千兆网,10/100M网卡,USB,并行口,MIDI/游戏接口,显示器接口,1394,1394a,音箱/线入接口/麦克风,串行口,6,5.1.2 I/O接口-I/O接口的主要功能,对输入输出数据进行缓冲和锁存；输出接口有锁存、缓冲环节；输入接口有锁存、缓冲环节；对信号的形式和数据的格式进行变换微机直接处理：数字量、开关量、脉冲量；对I/O端口进行寻址；与CPU和I/O设备进行联络。,

3、7,5.1.2 I/O接口-I/O接口的典型结构,1.接口电路的内部结构2.接口电路的外部特性3.接口电路芯片的分类4.接口电路的可编程性,8,1.接口电路的内部结构,CPU与外设主要有数据、状态和控制信息需要相互交换，于是从应用角度看内部：数据寄存器保存外设给CPU和CPU发往外设的数据 状态寄存器保存外设或接口电路的状态 控制寄存器保存CPU给外设或接口电路的命令,理解端口,9,2.接口电路的外部特性,主要体现在引脚上，分成两侧信号面向CPU一侧的信号：用于与CPU连接主要是数据、地址和控制信号面向外设一侧的信号：用于与外设连接提供的信号五花八门功能定义、时序及有效电平等差异较大,10,3

4、.接口电路芯片的分类,接口电路核心部分往往是一块或数块大规模集成电路芯片（接口芯片）：通用接口芯片支持通用的数据输入输出和控制的接口芯片面向外设的专用接口芯片针对某种外设设计、与该种外设接口 面向微机系统的专用接口芯片与CPU和系统配套使用，以增强其总体功能,11,4.接口电路的可编程性,许多接口电路具有多种功能和工作方式，可以通过编程的方法选定其中一种；接口需要进行物理连接，还需要编写接口软件；接口软件有两类：初始化程序段设定芯片工作方式等；数据交换程序段管理、控制、驱动外设，负责外设和系统间信息交换。,12,5.1.3 I/O端口的编址,接口电路占用的I/O端口有两类编排形式I/O端口单独

5、编址I/O地址空间独立于存储地址空间；如8086/8088；I/O端口与存储器统一编址它们共享一个地址空间；如M68000。,13,I/O端口单独编址,优点：I/O端口的地址空间独立控制和地址译码电路相对简单专门的I/O指令使程序清晰易读缺点：I/O指令没有存储器指令丰富,80 x86采用I/O端口独立编址,14,I/O端口与存储器统一编址,优点：不需要专门的I/O指令I/O数据存取与存储器数据存取一样灵活缺点：I/O端口要占去部分存储器地址空间程序不易阅读（不易分清访存和访问外设）,15,8088/8086的输入输出指令,输入指令IN AL,i8/DX;字节输入IN AX,i8/DX;字输入

6、输出指令OUT i8/DX,AL;字节输出OUT i8/DX,AX;字输出,功能演示,功能演示,16,例:一个输入设备的简单接口电路,该电路在CPU执行指令 MOV DX,284H IN AL,DX将输入设备的数据读入CPU内AL中,图中译码电路的作用：只当A15A0上出现284H时，（即0000 0010 1000 0100B）输出0，其他输出1。,IO总线,三 态缓冲器,开关状态,DB,IOR,地址译码,AB,284H,0,0,0,D7 D0,A15A0,与非,17,例:一个输入设备的简单接口电路,三 态缓冲器,开关输入,数据线,IOR,地址译码,地址线,284H,0,0,0,D7 D0,

7、A15A0,与非,IO总线,D0,D7,K1:K8,A15A0,IOR,CLK,D7 D0,T4,T1,T2,T3,Tw,0000 0010 1000 0100,执行:MOV DX,284HIN AL,DX,01101101B=6DH,IN指令时序,问题:P290图5.11 K2,K5,K8闭合时DB=?,(AL)=?,18,例:一个输入设备的简单接口电路,三 态缓冲器,输入设备,数据线,IOR,地址译码,地址线,284H,0,0,0,D7 D0,A15A0,与非,IO总线,MOV DX,284HIN AL,DX,输入设备接口电路，即硬件上保证:只在CPU执行从284H端口输入数据时，三态门处

8、于工作状态，使输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？,例：IN AL,50H;MOV AL,0284H,19,例:一个输出设备的简单接口电路,该电路在CPU执行指令 MOV AL,81H MOV DX,288H OUT DX,AL CPU内AL中的数据81H送至输出设备,IO总线,锁存器,输出设备,数据线,IOW,地址译码,地址线,288H,0,0,0,D7 D0,A15A0,与非,例:LED指示灯,图中译码电路的作用：只当A15A0上出现288H时，（即0000 0010 1000 1000B）

9、输出0，其他输出1。,参见P291图5.12,20,例:一个输出设备的简单接口电路,IO总线,锁存器,输出设备,数据线,IOW,地址译码,地址线,288H,0,0,0,D7 D0,A15A0,与非,例:LED指示灯,OUT指令时序,A15A0,CLK,IOW,D7D0,T4,T1,T2,T3,Tw,0000 0010 1000 1000,执行：MOV AL,81H MOV DX,288HOUT DX,AL,21,例:一个输出设备的简单接口电路,PC总线,锁存器,输出设备,数据线,IOW,地址译码,地址线,288H,0,0,0,D7 D0,A15A0,与非,例:LED指示灯,MOV DX,288

10、HOUT DX,AL,输出设备接口电路，即硬件上保证:只在CPU执行从288H端口输出数据时，锁存器处于触发状态，其输出随输入变化，而CPU执行其它指令时，锁存器均处于锁存状态,其输出不随输入变化，,思考：其他的指令为什么不可以？例：OUT 50H,AL;MOV 0288H,AL,问题：对本电路MOV DX,288HIN AL,DX结果如何？,22,I/O端口的译码,译码电路的作用译码电路的构成(与存储器译码相似）设计译码电路的方法片内译码和片选译码,23,I/O译码电路的作用,将CPU执行IN/OUT指令发出的信号,“翻译”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制信号，

11、接通或断开接口数据线与系统的连接。,A15A0,IOR,CLK,D7 D0,T4,T1,T2,T3,Tw,A15A0,CLK,IOW,D7D0,T4,T1,T2,T3,Tw,IN指令时序,OUT指令时序,24,设计译码电路的方法,根据端口地址确定地址信号A15A0的条件取值，用门电路、译码器及组合、PLD/GAL实现满足条件情况的电路设计I/O译码电路时：端口的选通信号通常为低电平有效,除端口的地址信号参加译码外，控制信号IOW、IOR(IO/M、AEN也可参加译码),译码电路,A0A1A14A15IORIOWAEN,25,例：设计端口地址为218H的译码电路,分析CPU执行IN/OUT指令时

12、，发出端口的地址信号 MOV DX,218H IN AL,DX 或 OUT DX,AL对应218H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)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,26,方法一、用门电路实现218H的地址译码,数 据 线 DB,RD,WR,CS,端口译码电路,0,A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0AENIORIOW,I/O接口,IO总线,D0D7,D0D7,10000110000,译码电路部分满足：只当地址信号A9 A0为：A9A8A7A6A5A4A3A2A1

13、A01 0 0 0 0 1 1 0 0 0即218H时，输出“0”，使I/O接口的/CS有效，否则输出“1”，使I/O接口的/CS无效,27,地址重叠现象,数 据 线 DB,RD,WR,CS,端口译码电路,0,A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0AENIORIOW,I/O接口,IO总线,D0D7,D0D7,10000110000,注意译码电路中：由于高位地址线A15A10未参与译码,即:地址A15A0为：10 0001 1000均能输出“0”低电平,所以该电路使：一个端口对应多个地址 共26=64个 218，618，A18，E18，等等,28,方法二、用译码器、门电路组合实现地址译码,【问

14、1】Y1 Y7 译出的端口地址各是多少？【问2】将A0与A2位置互换Y0Y7 译出的端口地址各是多少？,29,【答1】Y0Y7译出的端口地址分别是219H21FH。【答2】将A0与A2位置互换Y1 Y7译出的端口地址分别是218H、21CH、21AH、21EH、219H、21DH、21BH和21FH。,30,I/O地址的译码小结,I/O地址的译码方法与存储器地址的译码方法一样，但有它的特点：每个接口电路通常只占用几个I/O地址，这时可以利用基本逻辑门电路进行地址译码除采用译码器、门电路进行译码外，I/O地址译码还经常采用可编程逻辑器件PLD,31,IBM PC/XT主机板的I/O译码电路,32

15、,5.1.4 数据传送方式,程序控制下的数据传送通过CPU执行程序中的I/O指令来完成传送，又分为：无条件传送、查询传送、中断传送直接存储器存取（DMA）传送请求由外设向DMA控制器（DMAC）提出，后者向CPU申请总线，最后DMAC利用系统总线来完成外设和存储器间的数据传送I/O处理机CPU委托专门的I/O处理机来管理外设，完成传送和相应的数据处理,33,1、无条件传送方式及其接口,在CPU与慢速变化的设备交换数据时，可以认为它们总是处于“就绪”状态，随时可以进行数据传送，这就是无条件传送，或称立即传送、同步传送适合于简单设备，如LED数码管、按键或按纽等无条件传送的接口和操作均十分简单这种

16、传送有前提：外设必须随时就绪,传送流程,34,无条件传送：输入示例,35,无条件传送：输出示例,36,简单输入接口举例,MOVDX,218HINAL,DX,37,简单输出接口举例,MOVDX,219HOUTDX,AL,38,2、查询传送方式及其接口,CPU需要先了解（查询）外设的工作状态，然后在外设可以交换信息的情况下（就绪）实现数据输入或输出对多个外设的情况，则CPU按一定顺序依次查询（轮询）。先查询的外设将优先进行数据交换查询传送的特点是：工作可靠，适用面宽，但传送效率低,就绪？,39,查询传送的两个环节,查询环节寻址状态口读取状态寄存器的标志位若不就绪就继续查询，直至就绪 传送环节寻址数

17、据口是输入，通过输入指令从数据端口读入数据是输出，通过输出指令向数据端口输出数据,传送流程,接口实例,40,查询输入接口电路,MOV DX,8000H;DX指向状态端口status:IN AL,DX;读状态端口TEST AL,01H;测试标志位D0JNZ status;D00，未就绪，继续查询INC DX;D01，就绪，DX指向数据端口IN AL,DX;从数据端口输入数据,41,查询输出接口电路,MOV DX,8000H;DX指向状态端口status:IN AL,DX;读取状态端口的状态数据TEST AL,80H;测试标志位D7,80H=10000000BJZ status;D71,未就绪，继

18、续查询INC DX;D70,就绪,DX指向数据端口MOV AL,BUF;变量buf送ALOUT DX,AL;将数据输出给数据端口,42,3、中断传送方式,CPU在执行程序中，被内部或外部的事件所打断，转去执行一段预先安排好的中断服务程序；服务结束后，又返回原来的断点，继续执行原来的程序,传送流程,43,中断传送与接口,中断传送是一种效率更高的程序传送方式；进行传送的中断服务程序是预先设计好的；中断请求是外设随机向CPU提出的；CPU对请求的检测是有规律的：一般是在每条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输入引脚；下面讨论中断在输入和输出方面的应用；中断还有着非常广泛的应用，以后将详细介绍。,44

19、,中断传送与接口,45,中断工作过程,中断请求,中断响应,关中断,断点保护,中断识别,现场保护,中断服务,恢复现场,开中断,中断返回,中断服务是进行数据交换的实质性环节,46,中断源的识别,中断优先权,问题1：系统有多个中断请求，CPU如何识别中断源？,解答：中断查询,47,中断查询接口,48,中断优先权排队,中断优先权（续1）,问题2：有多个中断同时请求，CPU如何应对？,解答：链式优先权排队电路,49,链式中断优先权排队电路,50,中断嵌套,中断优先权（续2）,问题3：中断处理过程中，又有中断提出请求，怎么办？,解答：链式优先权排队电路,51,希望克服程序控制传送的不足：外设CPU存储器外

20、设CPU存储器直接存储器存取DMA：外设存储器外设存储器CPU释放总线，由DMA控制器管理。,4、DMA传送方式,52,DMA传送的工作过程,CPU对DMA控制器进行初始化设置 外设、DMAC和CPU三者通过应答信号建立联系：CPU将总线交给DMAC控制 DMA传送DMA读存储器：存储器 外设DMA写存储器：存储器 外设 自动增减地址和计数，判断传送完成否,传送流程,53,DMA传送流程,54,小结传送方式的比较,无条件传送：慢速外设需与CPU保持同步；查询传送：简单实用，效率较低；中断传送：外设主动，可与CPU并行工作，但每次传送需要大量额外时间开销；DMA传送：DMAC控制，外设直接和存储

21、器进行数据传送，适合大量、快速数据传送。,55,多种多样的外设,工作原理不同机械、电子、机电、电磁传送信息类型多样数字量、模拟量、开关量传送速度差别极大传送方式不尽相同串行、并行编码方式不同二进制、BCD码、ASCII码,56,输出接口的锁存、缓冲环节,57,输入接口的锁存、缓冲环节,58,端口（PORT）,端口泛指I/O地址，通常对应寄存器；一个接口电路可以具有多个I/O端口，每个端口用来保存和交换不同的信息；数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器占有的I/O地址常依次被称为数据端口、状态端口和控制端口，用于保存数据、状态和控制信息；输入、输出端口可以是同一个I/O地址。,一定要理解,59,IN AL,21H,60,OUT 43H,AL,61,无条件传送流程,62,就绪（Ready）,在输入场合“就绪”说明输入接口已准备好送往CPU的数据，正等着CPU来读取该状态也可用接口中数据缓冲器已“满”来描述 在输出场合“就绪”说明输出接口已做好准备，等待接收CPU要输出的数据该状态也可用接口数据缓冲器已“空”、或者用接口（外设）“闲”或不“忙（Busy）”来描述,就绪：满，空、闲、不忙,63,查询传送流程,64,中断传送流程,65,DMA传送流程,