1、第六章 输入/输出接口,7学时 6.1 输入/输出接口概述 6.2 I/O端口的编址方式 6.3 I/O接口的访问控制 6.4 I/O接口的数据传输控制方式 6.5 基本输入输出接口,6.1 输入/输出接口概述,接口解决微处理器与外设之间的差异 外设种类多 信号类型有机械的、物理的、电信号等 信号形式有脉冲、模拟量或数字量 数据传输率不同 数据格式不同 数据传输方式不同，有并行、串行之分 CPU与外设都是面向接口而非直接联络,接口电路中的信息,数据信息、状态信息及控制信息,数据信息,数据信息：要交换的数据本身。 数字量：通常以8位或16位的二进制数以及ASCII码的形式传输，主要指由键盘、磁带
2、机、磁盘等输入的信息或主机送给打印机、显示器、绘图仪等的信息 开关量：用“0”和“1”来表示两种状态，如开关的通/断 模拟量：模拟的电压、电流或者非电量。对模拟量输入而言，需先经过传感器转换成电信号，再经A/D转换器变成数字量；如果需要输出模拟控制量的话，就要进行上述过程的逆转换 数据传输方向：CPU I/O接口外设,控制信息,控制信息：控制外设工作的命令，CPU通过接口发出，如A/D转换器的启/停信号数据传输方向：CPUI/O接口处设,状态信息,状态信息：表征外设工作状态的信息 对输入接口, CPU是否准备好接收数据，READY” 准备好吗? 对输出接口, 外设是否准备好接收数据，“BUSY
3、” 外设忙吗?数据传输方向：CPUI/O接口外设,I/O端口,传送这三种信息的接口电路中的寄存器称为数据、状态和控制端口 不同的寄存器有不同的端口地址，即用地址访问 端口由一个或多个寄存器组成 接口由若干个端口加上相应的控制逻辑组成,接口的基本功能,数据缓冲功能 设备选择功能 信号转换功能 接收、解释并执行CPU命令的功能 中断管理功能 可编程功能,接口电路的结构,实现对CPU数据总线速度和驱动能力的匹配,实现各寄存器端口寻址操作,实现接口电路中的各寄存器端口的读/写操作和时序控制,接口电路的分类,数据传送方式： 并行接口 串行接口 功能选择的灵活性： 可编程接口 不可编程接口 数据传送操作的
4、同步方式： 同步接口 异步接口 通用性： 通用接口 专用接口,6.2 I/O端口的编址方式,为了区分接口电路的各个寄存器，系统为它们各自分配了一个地址，称为I/O端口地址，以便对它们进行寻址并与存储器地址相区别 I/O端口有两种编址方式：存储器映像方式、I/O独立编址方式,1、存储器映像编址,指I/O端口与存储器共享一个寻址空间，又称为统一编址。在这种系统中，CPU可以用同样的指令对I/O端口和存储器单元的进行访问。 优点：对I/O口的访问灵活方便，有利于提高端口数据的处理能力。 缺点：I/O端口占用了主存地址，相对减少了主存的可用范围。,2、I/O独立编址（一）,指主存地址空间和I/O端口地
5、址空间相互独立，分别编址。CPU通过指令来区分是访问I/O口还是存储单元 优点：主存和I/O端口的地址可用范围都比较大； 缺点：I/O指令的功能一般比较弱，在I/O操作中必须借助CPU的寄存器进行中转,2、I/O独立编址（二）,80X86系列微处理器采用独立的I/O编址方式 CPU使用地址总线中的A0A15来寻址I/O口，故最大I/O空间是64K个字节端口（或32K个字端口）,两种编址方式比较（一）,分别是分离编址？还统一编址？,两种编址方式比较（二）,6.3 I/O接口的访问控制,微机系统的每个端口都有惟一的端口地址端口地址：经译码电路译码后产生端口选通信号，控制端口的读/写操作,I/O端口
6、的地址分配,80X86系列微处理器提供16条地址线访问I/O端口,编址可达64K个字节端口或者32K个字端口。 IBM系列采用非完全译码方式，即只考虑了低10位地址线A0-A9，I/O端口地址范围是0000H-03FFH，总共只有1024个字节端口 80386微处理器或此后的微处理器构成的微机系统，采用全译码的方法，端口为64K个字节端口或32K个字端口,I/O端口地址选用的原则,自行设计接口电路或给微机系统添加接口卡时，必须避免端口地址发生冲突 申明保留的地址，不要使用 用户可使用300H-31FH地址,I/O端口的地址译码,将来自地址总线上的地址代码翻译成为所需要访问端口的选通信号 I/O
7、端口地址译码电路结构 译码电路的输入信号 地址信号：由地址范围决定 控制信号：数据流向（读/写）、数据宽度（8位/16位）、是否采用奇/偶地址和DMA传送方式 译码电路的输出信号：接口芯片的片选信号 端口的读写控制：输入需要缓冲，输出需要锁存,输入缓冲电路,当读有效时，才将缓冲器中的三态门打开，使外设的数据进入系统的数据总线 其它时间，三态门处于高阻状态，不影响总线上的其它操作,微处理,器系统,外部输,入设备,A,0,B,0,A,1,B,1,A,2,B,2,A,3,B,3,A,4,B,4,A,5,B,5,A,6,B,6,A,7,B,7,E,DIR,2,3,4,5,6,7,8,9,18,17,1
8、6,15,14,13,12,11,1,19,DIR=1,，,A,B,DIR=0,，,B,A,74LS245,输出锁存,选中锁存器时，总线上的数据才能进入锁存器 此后不管总线上的数据（锁存器输入端）如何变化，只要没有再次使锁存器的信号有效，锁存器的输出端就一直保持原来锁存的信息不变。,微处理,器系统,外部输,出设备,D,0,Q,0,D,1,Q,1,D,2,Q,2,D,3,Q,3,D,4,Q,4,D,5,Q,5,D,6,Q,6,D,7,Q,7,CLK,CL,R,3,4,7,8,13,14,17,18,2,5,6,9,12,15,16,19,74LS273,11,74LS32,+5V,1,I/O地址
9、译码方法,地址译码的方法灵活多样 高位地址线与CPU的控制信号进行组合，经译码电路产生I/O接口芯片的片选信号CS，实现系统中的接口芯片寻址 低位地址线直接接到I/O接口芯片的地址引脚，进行I/O接口芯片的片内端口寻址,I/O端口地址译码电路设计,译码电路的形式 固定式译码：接口中用到的端口地址不能更改 可选式译码： 译码电路采用的元器件来分 门电路译码 译码器译码 可编程逻辑器件译码,读077AH端口地址译码电路,端口地址的二进制形式,A15 A14 A1 A0,0000 0111 0111 1010,执行 MOV DX，77AH IN AL，DX,读/写操作77AH端口地址的译码电路,IO
10、W,W,77AH,74LS,32,1,1,1,R,77AH,1,译码器译码,A15A8为 译码器使能,A7A5决定 芯片端口范围,A4A0选择 芯片片内端口,2A,G,G,DMACS,A,A,5,B,A,6,C,A,7,1,AEN,0,Y,INTRCS,1,Y,T/CCS,2,Y,PPICS,3,Y,4,Y,5,Y,6,Y,7,Y,2B,G,A,10,A,9,&,A,11,A,8,A,14,A,13,&,A,15,A,12,74LS20,74LS138,74LS06,可选式端口地址译码器,通过开关使接口卡的I/O端口地址根据需要加以改变而无需改动硬件电路，能适应不同的地址分配场合 其电路可由地
11、址开关、译码器、比较器和基本门电路等组成,用比较器组成的可选式译码电路,A9A6=开关状态时，比较器才输出高电平，译码器才能工作,通过设置不同的开关状态，就可以选择不同的地址范围,2A,G,G,B,C,1,1,Y,2,Y,3,Y,4,Y,5,Y,6,Y,7,Y,2B,G,A,12,A,3,1,可编程逻辑器件作译码电路,可编程逻辑器件包括GAL、CPLD和FPGA 通常一片GAL器件的电路规模可达几百门，而FPGA可达几百万门 这些器件可以被多次修改和反复使用 只需要修改软件，就可以改变译码电路,6.4 I/O接口的数据传输控制方式,外设的速度与CPU相比要慢好几个数量级，且不同外设之间的速度也
12、相差很大，为了保证数据传输的可靠性，CPU一定要等外设准备就绪之后才能执行输入/输出操作，而外设就绪的时刻对CPU而言是随机的，因此需要同步。 三种I/O同步控制方式： 程序控制方式：无条件程序控制和程序查询 中断控制方式 直接存储器存取方式，DMA方式,无条件程序控制方式（一）,最简单的I/O控制方式，CPU可以随时根据需要无条件地读写I/O端口 外设要求：简单，数据变化缓慢，操作时间固定，如一组开关或LED显示管。外设被认为始终处于就绪状态 接口特点 CPU的DBI/O接口(输出锁存器)外设 CPU的DBI/O接口(输入缓冲器)外设,无条件程序控制方式（二）,无条件程序控制方式（三）,例6
13、.5 START: MOV DX，INPORT IN AL，DX；读入按键状态 TEST AL，01H；判断最低位按键 JNZ K1；最低位按键没闭合，转 MOV AL，01H；最低位发光 JMP DISP K1：TEST AL，02H； JNZ K2；次低位按键没闭合，转 MOV AL，03H；最低2位发光 JMP DISP .,DISP: MOV DX，OUTPORT OUT DX，AL； JMP START,程序查询输入方式(条件传送方式 ),接口特点：避免了对端口的“盲读”、“盲写” ，数据传送的可靠性高，并且硬件接口相对简单。缺点是CPU工作效率低，I/O响应速度慢；,外设要求：状态
14、口和数据口,在有多个外设的系统中，CPU的查询顺序由外设的优先级确定,一种CPU主动、外设被动的I/O操作方式，很好地解决了CPU与外设之间的同步问题,查询控制的程序流程,程序查询方式的输入接口电路,数据端口(8位),状态端口(1位),状态信息占用数据线的D0位，查询程序如下： QUERY:IN AL，S_PORT；状态口地址 SAR AL，1 JNC QUERY IN AL，D_PORT；D_PORT是数据口地址,查询输入程序,查询方式的A/D采样（例6.6）,WAIT：IN AL，51H；读状态端口的值TEST AL，10H；判断D4是否为1？JZ WAIT；不是1，等待IN AL，50H
15、；读数据端口的值MOV BUF，AL；将数据送到数据缓冲单元,程序查询输出方式,数据端口(8位),状态端口(1位),BUSY,输入状态信息,BUSY?,输出数据信息,N,Y,QUERY：IN AL，S_PORT；状态口地址 SAR AL，1 JC QUERY OUT D_PORT，AL；D_PORT数据口地址,查询输出程序,查询方式的打印机接口（例6.7）,WAIT：IN 7AH，AL ；读状态端口TEST AL，04H ；判断D2是否为0？JNZ WAIT ；不是0，等待MOV AL，BUF ；取数据OUT 78H，AL ；将数据送到打印机接口,多个外设的查询,CPU周期性地依次查询每个外设
16、的状态 优先权决定了查询次序 不具有实时性,例：查询式8路模拟数据采集系统,D0 D1 D2,A/D转换器,D3,中断控制方式,接口特点：避免了CPU 反复低效率的查询，适用于CPU任务繁忙、而数据传送不太频繁的系统中。缺点是硬件电路和处理过程都比较复杂;（中断控制芯片）,CPU被动而外设主动的I/O操作方式，较大地提高了CPU的工作效率，并使系统具有了实时处理功能,中断控制方式,数据缓冲,控制端口,外设,INTR,中断可被响应的条件： 中断请求触发器置位；中断屏蔽触发器清零；CPU内部开放中断；CPU未处理更高级中断；CPU现行指令执行完,中断工作过程,外设需要CPU服务时 外设I/O接口向
17、CPU发中断请求，INTR=H(中断请求有效)CPU执行完当前指令后, (注: 若IF = 1) CPU I/O接口 外设发中断响应，/INTA = LCPU执行中断服务程序, CPUI/O接口外设读写数据,DMA控制方式(存储器直接存取),内存与外设间有大量数据交换时，采用中断方式，每传送一次数据，就必须经历中断处理的全部步骤，而且一般需要借助CPU内部的寄存器作为中介 DMA方式：不用CPU的寄存器作传数中介, 完成存储器和外设间的直接传数，CPU必须将系统总线的控制权让给DMAC,DMA方式原理方框图,DBHOLD CPU HLDAAB,DMAC,MEM,I/O,DMA的工作流程,DMA
18、C发存储器地址,在总线上传送数据,传送结束？,修改地址指针,DMA结束，交还总线权,Y,N,6.5 基本输入输出接口,键盘/鼠标接口 数码管显示接口 并行打印机接口,键盘接口,线性键盘：按键并联方式与I/0端口连接 每一个按键需要占用I/O端口的一根口线 由程序处理按键的操作情况 矩阵键盘：按键按照行、列方式排列 比线性键盘节约I/0口线 非编码键盘：CPU处理按键的操作，减低了CPU的效率 编码键盘 ：专用的单片机处理按键操作，缓减了CPU的负担,矩阵键盘结构,8,位,并行,输入,端口,8,位,并行,输出,端口,+5V,10k,10k,10k,10k,第,0,行,第,1,行,第,2,行,第,
19、7,行,第,0,列,第,1,列,第,2,列,第,3,列,第,7,列,行扫描法（一）,第一步：判断是否有键按下 输出端口的各位都为低电平，即各列都为0 读取输入端口数据，如果输入不等于FFH，则有键被按下,MOV AL，00H； MOV DX，OUTPORT； OUT DX，AL MOV DX，INPORT； IN AL，DX； CMP AL，0FFH,行扫描法(二）,第二步：确定按键号 确定按键的列数：输出扫描值，使某一列为低电平，其它列为高电平；读取行值，看是否有行线处于低电平 确定按键的行数：循环右移行值，直到为0,行扫描法程序流程,是否有一行接地？,键盘,命令,处理,是,MOV BL，0
20、 MOV DL，8 MOV CL，0FEH,MOV AL，CL OUT OUTPORT，AL,IN AL，INPORT CMP AL，0FFH,ROL AL，1 MOV CL，AL,RCR AL，1 JNC PROC INC BL,键值+1,微机键盘接口,最早的键盘接口是用8255实现的，而鼠标则通过RS-232串口实现 目前微机系统的键盘/鼠标是PS/2接口。 微机键盘单片机 自动地识别键的按下与释放，自动生成相应的扫描码 并以串行方式发送扫描码到主机 主机根据扫描码转换为反映键功能的ASCII码,键盘/鼠标接口引脚定义,通过数据线DATA和时钟线CLK两根线， 就可以实现主机和PS/2设备
21、之间的通信,PS/2键盘接口时序,（a）是键盘向主机发送数据时的PS/2接口时序图 （b）是主机向PS/2键盘发送数据的时序图,CLK,DATA,D,0,D,1,D,2,D,3,D,4,D,5,D,6,D,7,P,S,E,起始,校验,停止,(a),(b),S,DATA,D,0,D,1,D,2,D,3,D,4,D,5,D,6,D,7,P,起始,校验,停止,主机,CLK,键盘,键盘的BIOS调用,DOS的1H、6H、7H、8H、0AH、0BH、0CH功能接收单个字符或字符串，比INT 16H更方便 但INT 16H一次可读取一个字符的扩充ASCII码，而DOS功能调用需要两次才能读取1个字符的扩充
22、ASCII码,INT 16H功能调用,MOV AH，0HINT 16HCMP AL，0H；AL如果为0，AH为键盘扩充ASCII码JE EXCDJMP ERR EXCD：CMP AH，3BHJE OPT1CMP AH，3CHJE OPT2CMP AH，3DHJE OPT3 ERR： OPT1: OPT2: OPT3: ,数码管显示接口,共阴结构 阴极控制端为低电平时，LED工作 输入控制端为高电平时，对应的发光管亮 共阳结构 阳极控制端为高电平时，LED工作 输入控制端为低电平时，对应的发光管亮 段选码,显示译码器,七段显示数码管是由发光二极管按照一定的规则排列而成的,8421 BCD码-七段
23、显示码表,静态显示,段（发光二极管）恒定地导通或截止，直到显示另一个字符为止 各个数码管的输入控制端相互独立，并与接口电路的输出端口相连 占用I/O端口资源多：数码管的个数为M时，需要的接口口线数目为8M。所以显示位数较多时，需要采用动态显示方式,动态显示,所有数码管共享输入控制端 需要的口线数8+数码管的个数M 工作原理：动态地轮流点亮各个LED 位选码：选择被点亮的LED 段选码：显示什么字符 通常通过查找表的方式实现,动态显示例子,MOV DI，OFFSET DISDAT,MOV AL,DI; AL=17,LEA BX,TABLE,XLAT ; AL=76H “H”,OUT SEGPOR
24、T,AL ; AL=76H “H”,MOV AL,0DFH ; CL=1101,1111,76H,OUT BITPORT,AL ; AL=CL=1101,1111,0 1 1 1 1 1,INC DI MOV AL,DI ; AL=79H,H,79H,1 0 1 1 1 1,E,OUT SEGPORT,AL ; AL=79H “E”,ROR CL ; CL=1110,1111,OUT BITPORT,AL ; AL=CL=1110,1111,并行打印机接口,打印机提供了与微机系统相连的36芯Centronics连接器 微机上的并口采用的是DB25 最主要的信号：8根数据线，2根握手联络信号线/
25、STROB和/ACK、1根状态信号线BUSY,Centronics标准时序图,BUSY,数据有效,DATA,数据有效,ACK,5,s,STROB,5,s,并行打印机接口框图,D,0,D,7,DIR,AEN,IOR,A,0,A,9,IOW,IRQ,复位,写数据,读数据,写控制,读控制,读状态,数据线,控制,线,状态线,5,4,8,4,输出数据,寄存器,数,据,收,发,器,命,令,译,码,器,输入数据,缓冲器,控制寄存器,状态寄存,器,(2),状态寄存,器,(1),集,电,极,驱,动,器,打,印,机,打印机端口,三个打印机接口，使用的起始端口地址分别为278H、378H、3BCH，每个打印机接口工
26、作在基本模式时，各占用起始端口地址开始的3个连续端口地址 当只配置一个打印机接口时，默认的端口地址为378H-37FH，且378H为数据端口地址、379H为状态端口地址、37AH为控制端口地址,控制寄存器格式,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,未定义,1,：有效,1,：数据口输入模式,0,：数据口输出模式,中断允许信号,打印机允许信号,SLCTIN,初始化信号,INIT,自动换行信号,AUTOLF,选通信号,STROB,状态寄存器格式,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,0,：收到数据,1,：无纸,1,：打印机在线,0,：发生错误,1,
27、：未发生中断,1,：不忙,1,：,EPP,模式超时,未定义,打印机接口编程（一）,直接对端口地址进行编程操作 MOV DX，378H；指向输出数据口 OUT DX，AL；输出字符（ASCII码） MOV DX，379H；指向状态端口 WAIT： IN AL，DX；读打印机状态TEST AL，10000000B；检查打印机是否忙？JE WAIT；忙，继续等待MOV AL，00001001B；发送选通信号MOV DX，37AH；控制端口OUT DX，ALMOV AL，00001000B；选通信号复位OUT DX，AL,打印机接口编程（二）,BIOS中断功能调用，中断类型号是17H MOV AH，0；功能号0 MOV AL，P ；待打印字符 MOV DX，0 ；打印机接口号 INT 17H；中断功能调用 TEST AH，01H；检测是否超时JNZ ERROR ；超时，转出错处理,IEEE1284并行接口工作模式,硬件上完全与原打印机接口标准兼容 传输速率有较大提高，而且为双向传输。 定义了兼容模式、半字节模式、字节模式、ECP(Extended Capabilities Port )模式和EPP(Enhanced Parallel Port)模式等五种传输模式,
