12第6章基本輸入輸出接口教學(xué)重點(diǎn)

I/O接口電路的典型結(jié)構(gòu)無(wú)條件傳送方式查詢(xún)傳送方式中斷工作過(guò)程36.1I/O接口概述I/O設(shè)備有哪些？為什么需要I/O接口（電路）？微機(jī)的外部設(shè)備多種多樣工作原理、驅(qū)動(dòng)方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差別很大它們不能與CPU直接相連，必須經(jīng)過(guò)中間電路再與系統(tǒng)相連46.1I/O接口概述（續(xù)1）什么是I/O接口（電路）？I/O接口是位于系統(tǒng)與外設(shè)間、用來(lái)協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的邏輯電路主板上的可編程接口芯片、I/O總線(xiàn)插槽的接口卡電路板（適配器adapter）都是接口電路接口一般還需要軟件支持（編程）：初始設(shè)置，工作驅(qū)動(dòng)CPU接口電路I/O設(shè)備56.1I/O接口概述（續(xù)2）什么是微機(jī)接口技術(shù)？處理微機(jī)系統(tǒng)與外設(shè)間聯(lián)系的技術(shù)根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要，使用或構(gòu)造相應(yīng)的接口電路，編制配套的接口程序66.1.1I/O接口的主要功能⑴對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖

驅(qū)動(dòng)、隔離和鎖存⑵對(duì)信號(hào)的形式和數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行變換微機(jī)直接處理：數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量、脈沖量，而外設(shè)工作信號(hào)可能是如高電壓、大電流的模擬信號(hào)，需要進(jìn)行信號(hào)變換。⑶對(duì)I/O端口進(jìn)行尋址

一個(gè)外設(shè)可以有多個(gè)端口⑷與CPU和I/O設(shè)備進(jìn)行聯(lián)絡(luò)

外設(shè)狀態(tài)，控制信號(hào)，外設(shè)請(qǐng)求76.1.2I/O接口的典型結(jié)構(gòu)控制總線(xiàn)CB地址總線(xiàn)ABI/O接口電路數(shù)據(jù)控制狀態(tài)數(shù)據(jù)總線(xiàn)DBCPU外設(shè)控制寄存器狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)寄存器8I/O接口的典型結(jié)構(gòu)1.接口電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.接口電路的外部特性3.接口芯片的分類(lèi)4.接口芯片的可編程性91.接口電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)CPU與外設(shè)主要有數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息需要相互交換，于是從應(yīng)用角度看內(nèi)部： ⑴數(shù)據(jù)寄存器保存外設(shè)給CPU和CPU發(fā)往外設(shè)的數(shù)據(jù) ⑵狀態(tài)寄存器保存外設(shè)或接口電路的狀態(tài) ⑶控制寄存器保存CPU給外設(shè)或接口電路的命令102.接口電路的外部特性面向CPU一側(cè)的信號(hào)（比較統(tǒng)一）：用于與CPU連接主要是數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)（與M類(lèi)似）面向外設(shè)一側(cè)的信號(hào)(各不相同）：用于與外設(shè)連接提供的信號(hào)五花八門(mén)功能定義、時(shí)序及有效電平等差異較大113.接口芯片的分類(lèi)接口電路核心部分往往是一塊或數(shù)塊大規(guī)模集成電路芯片（接口芯片）：通用接口芯片支持通用的數(shù)據(jù)輸入輸出和控制的接口芯片，如8255面向外設(shè)的專(zhuān)用接口芯片針對(duì)某種外設(shè)設(shè)計(jì)、與該種外設(shè)接口，如8279（鍵盤(pán)/顯示器接口芯片

面向微機(jī)系統(tǒng)的專(zhuān)用接口芯片與CPU和系統(tǒng)配套使用，以增強(qiáng)其總體功能，如8259(中斷控制器），8237（DMA控制器），8253（定時(shí)/計(jì)數(shù)器）124.接口電路的可編程性（Programmable）許多接口電路具有多種功能和工作方式，可以通過(guò)編程的方法選定其中一種；多數(shù)接口不僅需要進(jìn)行物理連接，還需要編寫(xiě)接口軟件；其工作方式和內(nèi)部資源可通過(guò)編程加以控制，因此為接口設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了更大的靈活性。136.1.3I/O端口的編址接口電路占用的I/O端口有兩類(lèi)編排形式I/O端口單獨(dú)編址I/O地址空間獨(dú)立于存儲(chǔ)地址空間如8086/8088I/O端口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址它們共享一個(gè)地址空間如M6800（Motrola）14I/O端口單獨(dú)編址優(yōu)點(diǎn)：I/O端口的地址空間獨(dú)立控制和地址譯碼電路相對(duì)簡(jiǎn)單專(zhuān)門(mén)的I/O指令使程序清晰易讀缺點(diǎn)：I/O指令沒(méi)有存儲(chǔ)器指令豐富80x86采用I/O端口獨(dú)立編址，參見(jiàn)P14內(nèi)存空間I/O空間FFFFF0FFFF015I/O端口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址優(yōu)點(diǎn)：不需要專(zhuān)門(mén)的I/O指令I(lǐng)/O數(shù)據(jù)存取與存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存取一樣靈活缺點(diǎn)：I/O端口要占去部分存儲(chǔ)器地址空間程序不易閱讀（不易分清訪(fǎng)存和訪(fǎng)問(wèn)外設(shè)）內(nèi)存部分I/O部分存儲(chǔ)空間0FFFFF166.1.48088/8086的輸入輸出指令輸入指令I(lǐng)NAL,i8/DX ;字節(jié)輸入INAX,i8/DX ;字輸入輸出指令OUTi8/DX,AL ;字節(jié)輸出OUTi8/DX，AX ;字輸出176.1.5I/O地址的譯碼I/O地址的譯碼方法與存儲(chǔ)器地址的譯碼方法一樣，但有它的特點(diǎn)：允許“浪費(fèi)”不強(qiáng)調(diào)地址的連續(xù)性，因?yàn)楦魍庠O(shè)的操作相對(duì)獨(dú)立，且訪(fǎng)問(wèn)頻率遠(yuǎn)低于存儲(chǔ)器例：書(shū)P157，圖6-218用門(mén)電路實(shí)現(xiàn)I/O地址譯碼A9A8A7A6A5A2A4A3AENA1A074LS30(8輸入與非門(mén)）I/O地址3E7HA9-A0：1111100111B19用跳線(xiàn)和撥動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)置接口地址的例子（P158）20IBMPC/XT主機(jī)板的I/O譯碼電路Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7A5A6A7A8A9-AEN-IOWAB

C-E1-E2E374LS138-DMACS（8237）-INTRCS（8259）-T/CCS（8253）-PPICS（8255）-WRTDMAPG（寫(xiě)DMA頁(yè)面寄存器）-WRTNMIREG（寫(xiě)NMI屏蔽寄存器）接口芯片內(nèi)部譯碼A0～A4-AEN:DMA地址有效21IBMPC/AT主機(jī)板的I/O譯碼電路接口芯片內(nèi)部譯碼A0～A4DMA控制器1中斷控制器1定時(shí)計(jì)數(shù)器并行接口電路DMA頁(yè)面寄存器中斷控制器2DMA控制器2協(xié)處理器A5A6A7A8A9138譯碼器HLDAMASTERABCE1-E2-E3Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7HLDA和MASTER有效，表示別的設(shè)備控制總線(xiàn)，CPU不能尋址I/O226.1.6CPU與外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送方式程序控制下的數(shù)據(jù)傳送——通過(guò)CPU執(zhí)行程序中的I/O指令來(lái)完成傳送，又分為：無(wú)條件傳送查詢(xún)傳送中斷傳送直接存儲(chǔ)器存?。―MA）——傳送請(qǐng)求由外設(shè)向DMA控制器（DMAC）提出，后者向CPU申請(qǐng)總線(xiàn)，最后DMAC利用系統(tǒng)總線(xiàn)來(lái)完成外設(shè)和存儲(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳送I/O處理機(jī)——CPU委托專(zhuān)門(mén)的I/O處理機(jī)來(lái)管理外設(shè)，完成傳送和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理236.2無(wú)條件傳送方式及其接口在CPU與慢速變化的設(shè)備交換數(shù)據(jù)時(shí)，可以認(rèn)為它們總是處于“就緒”狀態(tài)，隨時(shí)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，這就是無(wú)條件傳送，或稱(chēng)立即傳送、同步傳送適合于簡(jiǎn)單設(shè)備，如LED數(shù)碼管、按鍵/按鈕等無(wú)條件傳送的接口和操作均十分簡(jiǎn)單這種傳送有前提：外設(shè)必須隨時(shí)處于就緒狀態(tài)傳送流程接口實(shí)例24無(wú)條件傳送：輸入示例IOR三態(tài)緩沖器OEI/O裝置地址譯碼器CSD7～D0A15～A1A00160HMOVDX,160HINAL,DX25無(wú)條件傳送：輸入示例MOVDX,160HINAL,DX74LS244+5V10Kx8G1G2數(shù)據(jù)總線(xiàn)CSRD26無(wú)條件傳送：輸出示例地址譯碼器數(shù)據(jù)鎖存器A15A0～A14-IOWCS0160H輸出設(shè)備D7～D0MOVDX,160HMOVAL,[BX]OUTDX,AL27無(wú)條件傳送：輸出實(shí)例MOVDX,160HMOVAL,[BX]OUTDX,AL+5V74LS373300

x8LEOE數(shù)據(jù)總線(xiàn)CSWR28無(wú)條件傳送：輸入輸出接口K7K1K0+5VD0～D7A0～A15CLK74LS06反相驅(qū)動(dòng)器74LS2738D鎖存器74LS244三態(tài)緩沖器8000H譯碼+5VLED0LED7……-G-IOW-IOR兩個(gè)端口地址共用8000H，怎么區(qū)分？29無(wú)條件傳送：輸入輸出接口 movdx,8000h ;DX指向數(shù)據(jù)端口next:

inal,dx

;從輸入端口讀開(kāi)關(guān)狀態(tài)

notal ;反相

outdx,al

;送輸出端口顯示

calldelay ;調(diào)子程序延時(shí)

jmpnext ;重復(fù)程序執(zhí)行效果？K0閉合，LED0亮還是滅？306.3查詢(xún)傳送方式及其接口CPU先了解（查詢(xún)）外設(shè)的工作狀態(tài)，在外設(shè)就緒（可以交換信息）的情況下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入或輸出對(duì)多個(gè)外設(shè)的情況，則CPU按一定順序依次查詢(xún)（輪詢(xún)）。先查詢(xún)的外設(shè)將優(yōu)先進(jìn)行數(shù)據(jù)交換查詢(xún)傳送的特點(diǎn)是：工作可靠，適用面寬，但傳送效率低31查詢(xún)傳送的兩個(gè)環(huán)節(jié)查詢(xún)環(huán)節(jié)尋址狀態(tài)口讀取狀態(tài)寄存器的標(biāo)志位若不就緒就繼續(xù)查詢(xún)，直至就緒傳送環(huán)節(jié)尋址數(shù)據(jù)口是輸入，通過(guò)輸入指令從數(shù)據(jù)口讀入數(shù)據(jù)是輸出，通過(guò)輸出指令向數(shù)據(jù)口輸出數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)就緒？數(shù)據(jù)交換YN傳送流程接口實(shí)例326.3.1查詢(xún)輸入接口-IOR+5V8D鎖存器8位三態(tài)緩沖器譯碼1位三態(tài)緩沖器

A0～A158000H8001HD0～D7D0輸入設(shè)備-IOR-STB-RQD兩次讀入數(shù)據(jù)：1、D0（狀態(tài)口），

2、D0-D7（數(shù)據(jù)口）33查詢(xún)輸入接口

movdx,8000h ;DX指向狀態(tài)端口status:inal,dx

;讀狀態(tài)端口

testal,01h

;測(cè)試標(biāo)志位D0（al&01h)

jzstatus;D0＝0，未就緒，繼續(xù)查詢(xún)

incdx;D0＝1，就緒，DX指向數(shù)據(jù)端口

inal,dx

;從數(shù)據(jù)端口輸入數(shù)據(jù)346.3.2查詢(xún)輸出接口8D鎖存器譯碼1位三態(tài)緩沖器RQ

A0～A158000H8001HD0～D7D7D+5V-ACK-IOW-IOR輸出設(shè)備狀態(tài)口35查詢(xún)輸出接口 movdx,8000h ;DX指向狀態(tài)端口status: inal,dx ;讀取狀態(tài)端口的狀態(tài)數(shù)據(jù)

testal,80h ;測(cè)試標(biāo)志位D7 jnzstatus ;D7＝1，未就緒，繼續(xù)查詢(xún)

incdx ;D7＝0，就緒，DX指向數(shù)據(jù)端口

moval,buf ;變量buf送AL outdx,al ;將數(shù)據(jù)輸出給數(shù)據(jù)端口366.4中斷傳送方式程序斷點(diǎn)主程序中斷請(qǐng)求為外設(shè)繼續(xù)執(zhí)行返回?cái)帱c(diǎn)傳送流程CPU在執(zhí)行程序中，被內(nèi)部或外部的事件所打斷，轉(zhuǎn)去執(zhí)行一段預(yù)先安排好的中斷服務(wù)程序；服務(wù)結(jié)束后，又返回原來(lái)的斷點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序提供服務(wù)中斷服務(wù)程序

入口376.4.1中斷傳送與接口中斷傳送是一種效率更高的程序傳送方式；中斷過(guò)程的完成由中斷系統(tǒng)（硬件，如8259和CPU）和中斷服務(wù)程序（軟件）共同控制完成；進(jìn)行傳送的中斷服務(wù)程序是預(yù)先設(shè)計(jì)好的，其入口地址已知；中斷請(qǐng)求是外設(shè)隨機(jī)向CPU提出的（時(shí)間隨機(jī)）；程序執(zhí)行到何位置（斷點(diǎn)）也是隨機(jī)的（地點(diǎn)隨機(jī)）；38中斷可能來(lái)自CPU內(nèi)部，也可能來(lái)自CPU外部外部中斷可分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷

可屏蔽中斷：INTR引入；-INTA響應(yīng)。CPU可通過(guò)設(shè)置IF=1（開(kāi)中斷）和IF=0（關(guān)中斷）決定是否響應(yīng)。

不可屏蔽中斷：NMI。必須響應(yīng)，直接激活中服，如電源掉電、奇偶校驗(yàn)出錯(cuò)、浮點(diǎn)運(yùn)算出錯(cuò)等。39CPU對(duì)中斷請(qǐng)求的檢測(cè)是有規(guī)律的：一般是在每條指令的最后一個(gè)時(shí)鐘周期采樣中斷請(qǐng)求輸入引腳本章主要論述中斷在輸入和輸出方面的應(yīng)用：即中斷傳送中斷還有著非常廣泛的應(yīng)用，如程序調(diào)試（軟中斷）等；時(shí)鐘中斷：多道程序并發(fā)執(zhí)行的推動(dòng)力40三態(tài)緩沖器中斷輸入接口（向量中斷）D0～D7+5V8D鎖存器8位三態(tài)緩沖器RQ

譯碼8001H中斷向量號(hào)（8259提供）D0～D7INTRD輸入設(shè)備中斷允許觸發(fā)器A0～A15中斷請(qǐng)求觸發(fā)器-IOR-INTA-STB數(shù)據(jù)口1、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)2、CPU響應(yīng)中斷，接收中斷向量號(hào)3、根據(jù)中斷向量，找到中服程序，讀取數(shù)據(jù)41？中斷向量如何獲取中斷向量表：在內(nèi)存的前1K字節(jié)，可容納256個(gè)中斷向量；每個(gè)中斷向量占用4個(gè)字節(jié)，用于存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)中斷源的服務(wù)程序入口地址。一部分為系統(tǒng)保留，其余用戶(hù)可用，可作為外部中斷源向量。每個(gè)中斷向量，即一個(gè)1字節(jié)的中斷類(lèi)型碼（00H~FFH），比如88H。426.4.2中斷工作過(guò)程（可屏蔽）中斷請(qǐng)求（外設(shè)）中斷響應(yīng)（CPU）關(guān)中斷（CPU）斷點(diǎn)保護(hù)（CPU）中斷識(shí)別（硬件/軟件）現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)（用戶(hù)）中斷服務(wù)（用戶(hù)）恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)（用戶(hù)）開(kāi)中斷（CPU/用戶(hù)）中斷返回（IRET，用戶(hù)）中斷服務(wù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的實(shí)質(zhì)性環(huán)節(jié)43CPU響應(yīng)中斷的條件中斷請(qǐng)求時(shí)，沒(méi)有更高級(jí)別的請(qǐng)求發(fā)生，如RESET、HOLD、NMI等；中斷請(qǐng)求應(yīng)保持到它被響應(yīng)為止；44斷點(diǎn)保護(hù)與現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)的不同斷點(diǎn)保護(hù)是CPU自動(dòng)完成的，保護(hù)內(nèi)容有：FLAGS、CS、IP等；現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)：用戶(hù)根據(jù)需要在程序中施行，用PUSH。456.4.3中斷識(shí)別和中斷優(yōu)先權(quán)處理問(wèn)題1：CPU如何識(shí)別中斷源？一個(gè)中斷源： 向量中斷（硬件）P164，圖6-12多個(gè)中斷源： 中斷查詢(xún)（軟/硬件結(jié)合）中斷源的識(shí)別46中斷查詢(xún)接口A0～A15鎖存器INTR三態(tài)緩沖器譯碼

8001HD0～D7中斷A中斷B中斷C中斷H……-IOR軟件流程見(jiàn)圖6-14中服程序依次查詢(xún)中斷A-H，看有否發(fā)出申請(qǐng)，先查的優(yōu)先級(jí)高476.4.3中斷優(yōu)先權(quán)（續(xù)1）問(wèn)題2：有多個(gè)中斷同時(shí)請(qǐng)求，CPU如何應(yīng)對(duì)？硬件方案1：鏈?zhǔn)絻?yōu)先權(quán)排隊(duì)電路2：優(yōu)先權(quán)編碼電路中斷優(yōu)先級(jí)排隊(duì)48鏈?zhǔn)街袛鄡?yōu)先權(quán)排隊(duì)電路A2A1C2C1D2D1B2B1中斷源A觸發(fā)器中斷源B觸發(fā)器中斷源C觸發(fā)器中斷矢量D中斷矢量C中斷矢量B中斷矢量A中斷源D觸發(fā)器緩沖器緩沖器緩沖器緩沖器-INTA高優(yōu)先級(jí)INTRD0～D71、產(chǎn)生請(qǐng)求信號(hào)2、關(guān)閉B23、送出中斷矢量49中斷優(yōu)先權(quán)編碼電路比較器失效信號(hào)（當(dāng)前無(wú)中斷服務(wù)時(shí)有效）比較器8:3優(yōu)先權(quán)編碼器優(yōu)先權(quán)寄存器D0～D721A＜B中斷請(qǐng)求0中斷請(qǐng)求1中斷請(qǐng)求2A0A1A2INTRB0B1B2…有中斷請(qǐng)求中斷請(qǐng)求7低優(yōu)先權(quán)記錄正在服務(wù)的中斷編碼，若無(wú)，則輸出比較器失效信號(hào)50

設(shè)中斷源2有中斷請(qǐng)求，1、若當(dāng)前沒(méi)有中斷服務(wù)…2、當(dāng)前正在服務(wù)的是中斷源1（優(yōu)先級(jí)高于2）…3、當(dāng)前正在服務(wù)的是中斷源5（優(yōu)先級(jí)低于2）…516.4.3中斷優(yōu)先權(quán)（續(xù)2）問(wèn)題3：中斷處理過(guò)程中，又有中斷提出請(qǐng)求，怎么辦？辦法1：鏈?zhǔn)絻?yōu)先權(quán)排隊(duì)電路辦法2：優(yōu)先權(quán)編碼電路中斷嵌套526.5DMA傳送方式希望克服程序控制傳送的不足： 外設(shè)→CPU→存儲(chǔ)器 外設(shè)←CPU←存儲(chǔ)器直接存儲(chǔ)器存取DMA：不經(jīng)CPU，不用指令

外設(shè)→存儲(chǔ)器（DMA寫(xiě)）

外設(shè)←存儲(chǔ)器（DMA讀）CPU出讓系統(tǒng)總線(xiàn)（輸出高阻），由DMA控制器（DMAC）接管系統(tǒng)總線(xiàn)53DMA傳送特點(diǎn)：DMAC同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備；對(duì)一個(gè)對(duì)象讀，必然對(duì)另一個(gè)對(duì)象寫(xiě)；只對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行尋址，對(duì)I/O端口不尋址。54DMA傳送的工作過(guò)程⑴CPU對(duì)DMA控制器進(jìn)行初始化設(shè)置⑵外設(shè)、DMAC、CPU，3者通過(guò)應(yīng)答信號(hào)建立聯(lián)系：CPU將總線(xiàn)暫交DMAC控制，事后再將控制權(quán)收回。⑶DMA傳送DMA讀：存儲(chǔ)器→外設(shè)DMA寫(xiě)：存儲(chǔ)器←外設(shè)⑷DMAC的功能：對(duì)存儲(chǔ)器尋址地址動(dòng)加1/減1計(jì)數(shù)器減1判斷傳送是否完成傳送流程55DMA傳送（以DMA寫(xiě)為例）-MEMW-IOR數(shù)據(jù)總線(xiàn)地址總線(xiàn)輸入設(shè)備存儲(chǔ)器DMACCPU②③④①HOLDHLDA56DMA傳送流程HLDA發(fā)存儲(chǔ)器地址傳送數(shù)據(jù)傳送結(jié)束？DMA結(jié)束修改地址指針57傳送方式的比較無(wú)條件傳送：慢速外設(shè)需與CPU保持同步查詢(xún)傳送：簡(jiǎn)單實(shí)用，效率較低中斷傳送：外設(shè)主動(dòng)，可與CPU并行工作，但每次傳送需要大量額外時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)DMA傳送：DMAC控制，外設(shè)直接和存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，適合大量、快速數(shù)據(jù)傳送58第