第九章輸入輸出方法及常用的接口電路

9.1I/O接口的概念與功能

1.概述

CPURAM/ROM總線接口接口接口接口

磁盤(pán)鍵盤(pán)打印機(jī)顯示器接口和接口技術(shù)接口指CPU、存儲(chǔ)器、外設(shè)之間通過(guò)總線進(jìn)行連接的電路部分，是CPU與外界進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站。接口技術(shù)是研究CPU如何與外部世界進(jìn)行最佳耦合與匹配，實(shí)現(xiàn)雙方高效、可靠地交換信息的一門(mén)技術(shù)，是軟件、硬件結(jié)合的體現(xiàn)，是微機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵。外設(shè)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的一些機(jī)電設(shè)備。外設(shè)處理信息的類型、速度、通信方式與CPU不匹配,不能直接掛在總線上，必須通過(guò)接口和系統(tǒng)相連為什么要用接口電路？接口電路的典型結(jié)構(gòu)從編程角度看，接口內(nèi)部主要包括一個(gè)或多個(gè)

CPU可以進(jìn)行讀/寫(xiě)操作的寄存器，又稱為I/O端口。各I/O端口由端口地址區(qū)分。I/O端口1I/O端口2I/O端口3地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖控制電路外設(shè)ABDBCBCPU按存放信息的不同，I/O端口可分為三種類型數(shù)據(jù)端口：用于存放CPU與外設(shè)間傳送的數(shù)據(jù)信息狀態(tài)端口：用于暫存外設(shè)的狀態(tài)信息控制端口：用于存放CPU對(duì)外設(shè)或接口的控制信息，控制外設(shè)或接口的工作方式。10010101(狀態(tài)端口)01101010(數(shù)據(jù)端口)11000110(控制端口)地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖控制電路外設(shè)ABDBCBCPUCPU對(duì)外設(shè)輸入/輸出的控制，是通過(guò)對(duì)接口電路中各I/O端口的讀/寫(xiě)操作完成。I/O端口1I/O端口2I/O端口3地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖控制電路外設(shè)ABDBCBCPU2.I/O接口電路的基本功能對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖、隔離和鎖存對(duì)信號(hào)的形式和數(shù)據(jù)格式進(jìn)行交換與匹配提供信息相互交換的應(yīng)答聯(lián)絡(luò)信號(hào)根據(jù)尋址信息選擇相應(yīng)的外設(shè)CPU與外設(shè)交換的信息大致可分為數(shù)據(jù)信息

狀態(tài)信息

控制信息I/O接口電路芯片主要由以下幾部分組成：數(shù)據(jù)端口

控制端口

狀態(tài)端口地址譯碼電路控制邏輯電路數(shù)據(jù)緩沖電路I/O接口電路按不同方式分類主要有以下幾種：按數(shù)據(jù)傳送方式分類，可分為并行接口和串行接口；按功能選擇的靈活性分類，可分為可編程接口和不可編程接口；按通用性分類、可分為通用接口和專用接口按數(shù)據(jù)控制方式分類，可分為程序型接口和DMA（DirectMemoryAccess）型接口。

9.2I/O端口的編址及基本的輸入/輸出方法

I/O端口的編址和譯碼一、

I/O端口的編址方式二、8088的輸入/輸出指令和時(shí)序三、I/O端口的譯碼一、I/O端口的編址方式1、端口與存儲(chǔ)器分別獨(dú)立編址2、端口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址特點(diǎn)：端口與存儲(chǔ)器分別獨(dú)立編址端口不占用內(nèi)存空間設(shè)有專門(mén)的I/O指令對(duì)端口進(jìn)行讀寫(xiě)，對(duì)內(nèi)存操作的指令不能用于I/O端口例Intel的80X86系列、Z80系列I/O空間內(nèi)存空間1、端口與存儲(chǔ)器分別獨(dú)立編址（I/O映射方式）例MOV[10H],AL

對(duì)內(nèi)存操作

IN10H,AL對(duì)端口操作

2、端口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址（存儲(chǔ)器映射方式）特點(diǎn):I/O端口相當(dāng)于內(nèi)存的一部分,

使內(nèi)存容量減小對(duì)I/O端口的讀/寫(xiě)與對(duì)存儲(chǔ)器的讀/寫(xiě)相同，所有可對(duì)內(nèi)存操作的指令對(duì)I/O端口均可使用，

指令系統(tǒng)中不專設(shè)I/O指令。例

motorola的M6800系列日立H8S單片機(jī)系列內(nèi)存空間I/O空間二、8088的輸入/輸出指令和時(shí)序1.輸入指令I(lǐng)N2.輸出指令OUT3.輸入/輸出指令時(shí)序輸入/輸出指令實(shí)現(xiàn)I/O端口與CPU之間的數(shù)據(jù)傳送I/O端口1I/O端口2I/O端口3地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖控制電路外設(shè)ABDBCBCPU可尋址220=1M個(gè)內(nèi)存單元內(nèi)存范圍00000~FFFFFh

內(nèi)存單元的地址有5種尋址

可尋址216=64K個(gè)I/O端口I/O端口范圍0000~FFFFHI/O端口的地址由一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)直接尋址或DX寄存器間接尋址

8088CPU采用I/O端口與存儲(chǔ)器分別獨(dú)立編址I/O空間內(nèi)存空間1.輸入指令I(lǐng)N格式執(zhí)行操作INAL,port(AL)←

(port端口)INAX,port(AL)←

(port端口)(AH)←

(port+1端口)

INAL,DX(AL)←

((DX)端口)

INAX,DX(AL)←

((DX)端口)(AH)←

((DX)+1端口)port為數(shù)字形式的端口地址,大小為0~255或0~FFH例(1)INAL，28H

若(28H端口)=10101111B

執(zhí)行后(AL)=(28H端口)=0AFH(2)INAX，28H

若(28H端口)=10101111B

(29H端口)=01010000B

執(zhí)行后(AL)=(28H端口)=0AFH

(AH)=(29H端口)=50H(3)MOVDX，300HINAL，DX

若(300H端口)=69H

執(zhí)行后(AL)=(300H端口)=69H2.輸出指令OUTport為數(shù)字形式的端口地址,大小為0~255或0~FFH格式執(zhí)行操作OUTport,AL

(port端口)

←(AL)OUTport,AX

(port端口)

←(AL)

(port+1端口)

←(AH)OUTDX,AL((DX)端口)←(AL)OUTDX,AX

((DX)端口)

←

(AL)((DX)+1端口)

←(AH)(1)OUT21H,AL

若(AL)=11001100B

執(zhí)行后（21H端口)=0CCH(2)MOVDX，21BH

OUTDX，AL

若（AL）=10100110B

執(zhí)行后(21BH端口)=(AL)=0A6H例(1)累加器AL、AX的專用指令

對(duì)輸入指令I(lǐng)N，目的操作數(shù)只能為AL,或AX

INAL,21HINAX,DXINBX,21H 錯(cuò)

對(duì)輸出指令OUT，源操作數(shù)只能為AL,或AXOUT20H,ALOUTDX,AXOUTDX,CX 錯(cuò)

輸入/輸出指令（IN、OUT）特點(diǎn)：（2）端口地址可由直接方式或間接方式給出

例

OUT219H,AL

錯(cuò)

MOVDX,219HOUTDX,AL例

INAL,218H

錯(cuò)

MOVDX,218HINAL,DX當(dāng)端口號(hào)>FFH，即>255時(shí),

需把端口號(hào)放在DX寄存器中，

DX是一個(gè)16位寄存器，范圍在0~FFFFh之間。當(dāng)端口號(hào)在0~FFH，即0~255時(shí)，可在指令中直接指定端口號(hào)例

INAL,21HOUT20H,AL當(dāng)端口號(hào)在0~FFH，即0~255時(shí)，可在指令中直接指定端口號(hào)，稱長(zhǎng)格式指令當(dāng)端口號(hào)>FFH，即>255時(shí),

需把端口號(hào)放在DX寄存器中，稱短格式指令原因是使用直接端口方式的指令機(jī)器碼相對(duì)長(zhǎng)例指令機(jī)器碼

INAL,21HE421;兩個(gè)字節(jié)OUT20H,ALE620INAL,DXEC;一個(gè)字節(jié)OUTDX,ALEE(3)可進(jìn)行字節(jié)或字傳送

由指令中AL或AX的類型決定(4)注意端口地址與端口內(nèi)容的區(qū)別

INAL,21H不等于(AL)←21HOUTDX,AL不等于(DX)←(AL)INAL,20H;字節(jié)傳送INAX,20H;字傳送INAL,DX;字節(jié)傳送INAX,DX;字傳送OUT20H,AL;字節(jié)傳送OUT

20H,AX;字傳送OUTDX,AL;字節(jié)傳送OUTDX,AX;字傳送

3.輸入/輸出指令時(shí)序當(dāng)CPU執(zhí)行IN指令時(shí)，進(jìn)入I/O端口讀周期當(dāng)CPU執(zhí)行OUT指令時(shí)，進(jìn)入I/O端口寫(xiě)周期 （1）在最小模式下，I/O端口的讀、寫(xiě)周期。（2）IBMPC/XT總線上I/O端口的讀、寫(xiě)周期。(1)在最小模式下，I/O端口的讀、寫(xiě)周期

與讀、寫(xiě)存儲(chǔ)器的過(guò)程相似，不同之處：1．IO/M變高，CPU操作I/O端口。2．端口的地址信號(hào)出現(xiàn)在A15~A0上，

A19~A16全為低電平。T1T2T3T4IO/MA15~A8A19~A16/S6~S3ALERDDT/RDENCLKA7~A0

D7~D0AD7~AD08088GNDA14A13A12A11A10A9A8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLKGNDVCCA15A16/S3A17/S4A18/S5A19/S6SSOMN/MXRDHOLDHLDAWRIO/MDT/RDENALEINTATESTREADYRESET8088CPU最小模式下,I/O端口讀周期時(shí)序8088CPU最小模式下,I/O端口寫(xiě)周期時(shí)序T1T2T3T4IO/MA15~A8AD7~AD0ALEWRDT/RDENCLKA7~A0

D7~D08088GNDA14A13A12A11A10A9A8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLKGNDVCCA15A16/S3A17/S4A18/S5A19/S6SSOMN/MXRDHOLDHLDAWRIO/MDT/RDENALEINTATESTREADYRESETA19~A16/S6~S3(2)IBMPC/XT總線上I/O端口的讀、寫(xiě)周期

與讀、寫(xiě)存儲(chǔ)器的過(guò)程相似，不同之處：1．IOR、IOW變低，CPU操作I/O端口。2．端口的地址信號(hào)出現(xiàn)在A15~A0上，

A19~A16全為低電平。3.增加了一個(gè)TW等待周期

IBMPC/XT總線上I/O端口讀周期當(dāng)CPU執(zhí)行IN指令時(shí)，進(jìn)入I/O端口讀周期,從指定的端口讀入數(shù)據(jù)到CPU中。I/O端口1I/O端口2I/O端口3地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖控制電路外設(shè)ABDBCBCPU

I/O端口讀周期時(shí)序D7~D0IORA15~A0ALECLKT4T1T2T3TwGNDRESET+5VIRQ2-5VDRQ2-12V+12VGNDMEMWMEMRIOWIORDACK3DRQ3DACK1DRQ1DACK0CLOCKIRQ7IRQ6IRQ5IRQ4IRQ3DACK2T/CALE+5VOSCGNDI/OCHCKD7D6D5D4D3D2D1D0I/OCHRDYAENA19A18A17A16A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0

IBMPC/XT總線插槽引腳信號(hào)例

假設(shè)端口218H的內(nèi)容為7BHMOVDX，218HINAL,DX信號(hào)變化過(guò)程：①A15~A0上出現(xiàn)地址信號(hào)

0000001000011000B(由CPU發(fā)出)②ALE上出現(xiàn)正脈沖信號(hào)③IOR變低④D7~D0上出現(xiàn)有效信號(hào)

01111011B(由端口送出)⑤IOR變高，數(shù)據(jù)進(jìn)入ALD7~D0IORA15~A0ALECLKT4T1T2T3Tw

IBMPC/XT總線上I/O端口寫(xiě)周期當(dāng)CPU執(zhí)行OUT指令時(shí)，進(jìn)入I/O端口寫(xiě)周期,將數(shù)據(jù)寫(xiě)入指定的端口。I/O端口1I/O端口2I/O端口3地址譯碼數(shù)據(jù)緩沖控制電路外設(shè)ABDBCBCPU

I/O端口寫(xiě)周期時(shí)序A15~A0ALEIOWCLKD7~D0T4T1T2T3TwGNDRESET+5VIRQ2-5VDRQ2-12V+12VGNDMEMWMEMRIOWIORDACK3DRQ3DACK1DRQ1DACK0CLOCKIRQ7IRQ6IRQ5IRQ4IRQ3DACK2T/CALE+5VOSCGNDI/OCHCKD7D6D5D4D3D2D1D0I/OCHRDYAENA19A18A17A16A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0

IBMPC/XT總線插槽引腳信號(hào)例

假設(shè)(AL)=92HMOVDX，319HOUTDX，AL

信號(hào)變化過(guò)程：①A15~A0上出現(xiàn)地址信號(hào)

0000001100011001B(由CPU發(fā)出)②ALE上出現(xiàn)正脈沖信號(hào)③IOW變低④D7~D0上出現(xiàn)有效信號(hào)

10010010B(由CPU送出)⑤IOW變高，數(shù)據(jù)寫(xiě)入319H端口A15~A0ALEIOWCLKD7~D0T4T1T2T3Tw三、I/O端口的譯碼

1.

譯碼電路的作用

2.譯碼電路的構(gòu)成

3.設(shè)計(jì)譯碼電路的方法

4.片內(nèi)譯碼和片選譯碼1、譯碼電路的作用將CPU執(zhí)行IN/OUT指令發(fā)出的地址信號(hào),“翻譯”成欲操作端口的選通信號(hào)，解決存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備與CPU連接時(shí)地址總線失配問(wèn)題。

此信號(hào)常作為接口內(nèi)三態(tài)門(mén)或鎖存器的控制信號(hào)，接通或斷開(kāi)接口數(shù)據(jù)線與系統(tǒng)的連接。IN指令時(shí)序A15~A0IORCLKD7~D0T4T1T2T3TwA15~A0CLKIOWD7~D0T4T1T2T3TwOUT指令時(shí)序該電路在CPU執(zhí)行指令

MOVDX,200HINAL,DX將輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)讀入CPU內(nèi)AL中圖中譯碼電路的作用：只當(dāng)A15~A0上出現(xiàn)200H時(shí)，（即0000001000000000B）輸出0，其他輸出1。例

一個(gè)輸入設(shè)備的簡(jiǎn)單接口電路三態(tài)緩沖器輸入設(shè)備數(shù)據(jù)線IOR地址譯碼地址線

200H000D7~D0A15~A0與非PC總線執(zhí)行:MOVDX,200H

INAL,DX

三態(tài)緩沖器輸入設(shè)備數(shù)據(jù)線IOR地址譯碼地址線

200H000D7~D0A15~A0與非PC總線IN指令時(shí)序A15~A0IORCLKD7~D0T4T1T2T3Tw0000001000000000輸入設(shè)備接口電路，即硬件上保證:只在CPU執(zhí)行從200H端口輸入數(shù)據(jù)時(shí)，三態(tài)門(mén)處于工作狀態(tài)，使輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)送上總線側(cè)，而CPU執(zhí)行其它指令時(shí),

三態(tài)門(mén)均處于高阻狀態(tài),使輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)線與總線側(cè)斷開(kāi)三態(tài)緩沖器輸入設(shè)備數(shù)據(jù)線IOR地址譯碼地址線

200H000D7~D0A15~A0與非PC總線MOVDX,200HINAL,DX該電路在CPU執(zhí)行指令

MOVDX,300HOUTDX,AL

將CPU內(nèi)AL中的數(shù)據(jù)送至輸出設(shè)備圖中譯碼電路的作用：只當(dāng)A15~A0上出現(xiàn)300H時(shí)，（即0000001100000000B）輸出0，其他輸出1。例一個(gè)輸出設(shè)備的簡(jiǎn)單接口電路PC總線鎖存器輸出設(shè)備數(shù)據(jù)線IOW地址譯碼地址線

300H000D7~D0A15~A0與非OUT指令時(shí)序執(zhí)行：

MOVDX,300HOUTDX,AL

A15~A0CLKIOWD7~D0T4T1T2T3TwPC總線鎖存器輸出設(shè)備數(shù)據(jù)線IOW地址譯碼地址線

300H000D7~D0A15~A0與非0000001100000000輸出設(shè)備接口電路，即硬件上保證:只在CPU執(zhí)行從300H端口輸出數(shù)據(jù)時(shí)，鎖存器處于觸發(fā)狀態(tài)，其輸出隨輸入變化，而CPU執(zhí)行其它指令時(shí),

鎖存器均處于鎖存狀態(tài),其輸出不隨輸入變化，PC總線鎖存器輸出設(shè)備數(shù)據(jù)線IOW地址譯碼地址線

300H000D7~D0A15~A0與非MOVDX,300HOUTDX,AL2、譯碼電路的構(gòu)成74LS138譯碼器門(mén)電路：與門(mén)、非門(mén)、或門(mén)、與非門(mén)、或非門(mén)等譯碼器：

2-4線譯碼器74LS1393-8線譯碼器74LS1384-16線譯碼器74LS154等可用門(mén)電路、譯碼器或者兩者的組合實(shí)現(xiàn)。AY0BY1CY2Y3G1Y4G2AY5G2BY6Y7據(jù)端口地址確定地址信號(hào)A15~A0的取值，用門(mén)電路、譯碼器或兩者組合實(shí)現(xiàn)滿足此取值情況的電路。3、設(shè)計(jì)譯碼電路的方法設(shè)計(jì)譯碼電路時(shí)：

1.端口的選通信號(hào)通常為低電平有效

2.除端口的地址信號(hào)參加譯碼外，控制信號(hào)IOW、IOR(IO/M、AEN也可參加譯碼)譯碼電路A0A1A14A15IORIOWAEN譯碼電路示意圖例設(shè)計(jì)端口地址為218H的譯碼電路分析

CPU執(zhí)行IN/OUT指令時(shí)，發(fā)出端口的地址信號(hào)

MOVDX,218HINAL,DX或

OUTDX,AL對(duì)應(yīng)218H端口的地址信號(hào)為（取A9~A0）：

A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0(地址信號(hào))

1000011000B218H只要滿足此地址取值的譯碼電路均可方法一、用門(mén)電路實(shí)現(xiàn)218H的地址譯碼數(shù)據(jù)線DBRDWRCS端口譯碼電路0A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0AENIORIOWI/O接口PC總線D0~D7D0~D710000110000&譯碼電路部分滿足：只當(dāng)?shù)刂沸盘?hào)A9~A0為：A9A8A7A6A5A4A3A2A1A01000011000即218H時(shí)，輸出0，使I/O接口的CS有效否則輸出1

使I/O接口的CS無(wú)效數(shù)據(jù)線DBRDWRCS端口譯碼電路0A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0AENIORIOWI/O接口PC總線D0~D7D0~D710000110000&注意譯碼電路中：由于高位地址線A15~A10未參與譯碼,即:地址A15~A0為：××××××1000011000均能輸出0,所以該電路使：一個(gè)端口對(duì)應(yīng)多個(gè)地址

共26=64個(gè)

218，618,

A18，E18等等采用實(shí)際芯片PC總線RDWRCSI/O接口D0~D7數(shù)據(jù)線DB端口譯碼電路0A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0AEN+5VIORIOWD0~D710000110000&&≥10074LS3074LS2074LS3274LS30為8輸入與非門(mén)74LS20為4輸入與非門(mén)74LS32為2輸入或門(mén)當(dāng)?shù)刂沸盘?hào)為：A9A8A7A6A5A4A3A2A1A01000011000即地址為218H或門(mén)74LS32輸出0，使I/O接口的CS有效。當(dāng)端口地址信號(hào)為：A9A8A7A6A5A4A3A2A1A01000011000即218H時(shí),Y0輸出0，使I/O接口的CS有效方法二、用譯碼器、門(mén)電路組合實(shí)現(xiàn)218H的地址譯碼74LS1383-8譯碼器218HAY0BY1CY2G1Y3Y4G2AY5Y6G2BY70000110000100&A0A1A2AENA3A4A5A6A7A8A9IORIOWPC總線CSI/O接口D0~D7&RDWR數(shù)據(jù)線DBD0~D7端口譯碼電路片內(nèi)譯碼:在芯片內(nèi)部的譯碼電路用于區(qū)分芯片內(nèi)部不同的端口片選譯碼:在芯片外部的譯碼電路用于選擇不同的芯片或端口4、片內(nèi)譯碼和片選譯碼片選譯碼通常譯出的是一個(gè)地址范圍并行接口8255ACS外設(shè)數(shù)據(jù)線A0A1RDWRPC總線IORA0A1IOWA2A3A4A5A6A7A8A9AEN片選譯碼片內(nèi)譯碼端口A端口B端口C端口D串行接口8251

數(shù)/模轉(zhuǎn)換0832模/數(shù)轉(zhuǎn)換0809218