第六章 输入输出接口技术

SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程第六章输入输出接口技术SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程本章内容§6.1接口技术概述§6.2可编程DMA控制器8237ASchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程§6.1接口技术概述主机将数据送到外设，称为输出外设将数据送到主机，称为输入简称I/O操作接口——“桥梁”，主机与外设进行数据传输，必须经过接口。1.I/O接口的信号接口电路与外部设备间交换的信号，通常有以下4种类型：SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程①数字量：二进制表示一个数据（字节、ASCII码）②模拟量：随时间连续变化的物理量（电压、电流、湿度、压力、流量……）③开关量：二进制“0”和“1”描述外设的状态（开关、启停、通断……）④脉冲信号：上下沿跳变信号。2.I/O接口1).I/O接口的功能(1)信号的形式变换接口可将I/O设备非数字信号变换成微机中统一的二进制数字信号。SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程(2)电平转换和放大微机内部使用TTL电平，只有0~＋5V的变化范围。而I/O设备信号电平可能不一样，则需要进行电平转换。(3)锁存及缓冲(4)I/O定向(5)并行及串行I/O的转换并行接口：多以字节为单位输入/出。特点：传输距离近（一般不超过两米），传输速度快。SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程串行接口：以位（Bit）为单位进行数据传输。特点：传输距离相对较远，速率较慢，常用于通讯、网络等。2).I/O接口传送的信息分类(1)数据信息(2)状态信息(3)控制信息SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程3).I/O接口的构成I/O接口除了地址译码和控制逻辑之外，主要由传送数据、状态及控制三类信息的通道构成，称之为“端口”。端口是构成I/O接口的基本单元，端口有自己的地址（称为端口地址），CPU用地址对每个端口进行读写操作。(1)端口(2)端口的分类SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程①数据端口数据端口是CPU与I/O设备传送数据信息中转站。数据端口是接口中最重要的部分，一个接口至少有一个数据端口，其他端口往往是为了配合数据端口更好的工作而设置的。从CPU输出的数据到数据端口锁存，I/O设备再从数据端口获得数据；输入时，I/O设备先将数据送入数据端口，这时数据端口接计算机总线的一侧是高阻态（用三态缓冲门）。CPU读该数据端口时，三态门打开，接收I/O设备的数据。数据端口根据I/O设备的需要，可能单向输出、单向输入或是双向的，双向数据端口往往同时具有锁存及三态缓冲功能。SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程②状态端口CPU通过读状态端口了解I/O设备的工作状态，这些状态决定是否进行数据传送。这些状态信息多数是一些开关信号。硬件上可以将多个开关类型的状态信号组织成字节，分配一个共同的端口地址，构成状态端口。状态端口是只读端口，一般包含三态缓冲器。③控制端口对I/O设备的控制命令通过写控制端口发出，写到控制端口一个字节中的每一位都可以表示一个开关控制信号。如D0=1时，使设备“上电”，D1=1时使设备“运行”等等。控制端口是只写端口，一般都具有锁存功能。SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程执行输入指令时，无论对数据端口还是状态端口，读入的内容都送到数据总线DB上，进而到达CPU；执行输出指令时，无论是对数据端口还是控制端口，写出的内容也都经过数据总线DB输出。所以对I/O指令而言，三类端口仅地址不同而已，其内容全都可以看成是“数据”在数据总线上传输。4）.I/O接口的分类(1).不可编程接口通常用三态门缓冲器(如74LS244和74LS245)做输入接口，用锁存器（74LS273和74LS373）做输出接口。SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程(2).可编程接口是指接口的功能和工作方式可由程序设定，常用的典型可编程并行接口有8255A、8155A、8253A、8237等，典型的可编程串行接口有8250和8251等。3I/O编址1）.存储器映像编址（统一编址）从存储器地址中分出一部分给I/O端口使用，每个I/O端口被看成一个存储器单元，于是可以用访问存储器的方法来访问I/O端口，即I/O的存储器映像编址又称为统一编址。SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程2）.I/O单独编址I/O端口单独编址是指CPU使用专门的I/O指令及控制信号进行I/O操作。优点是：I/O端口和存储器分别编址，各自都有完整的地址空间。I/O地址一般都小于存储器地址，所以I/O指令可以比存储器访问指令更短小、执行起来更快，并且专用的I/O指令在程序清单中。使I/O操作非常明晰。优点是：无需专用的I/O指令及专用的I/O控制信号也能完成I/O操作；且由于CPU对存储器数据的处理指令非常丰富，可全部用于I/O操作，使I/O功能更加灵活。SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程8086有专用的I/O指令（IN、OUT）IN—产生IORD信号（或IOR）—读操作OUT—产生IOWR信号（或IOW）—写操作在8086系统中，端口地址范围：0000H~FFFFH——64K个端口，只用AB的A15~A0，A19~A16一般取“0”。注：端口地址在0~FFH(0~255)之间，采用直接寻址或间接寻址，地址超过FFH，必须采用间接寻址。SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程OUT2080H，AL→错误！例.INAL，80H正确！→MOVDX，0080H；INAL，DX；将80H端口中的数→AL正确！→MOVDX，2080H；OUTDX，AL；将（AL）→2080H端口正确！→4I/O接口的控制方式程序控制方式、中断控制方式、直接存储器存取方式（DMA方式）和输入/输出处理机方式。SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程程序控制方式是指在程序控制下进行信息传送。分为无条件传送方式和有条件传送方式。1).程序控制方式①无条件传送方式当外设已准备就绪，那就不必查询外设的状态而进行信息传输，称为无条件传送。端口译码器输出锁存器三态缓冲器&&至输出设备自输入设备来数据总线D7~D0地址总线M/IOWRRDSchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程三态门缓冲器做输入接口（74LS244、74LS245）单向双向锁存器作输出接口（74LS273（0）、74LS373）步骤：构造总线系统将接口挂在总线上按题意要求设置接口电路例：设有一个总线系统：DB（D7~D0），AB（A15~A0）IORD、IOWR，要求用74LS244与输入设备连接，用74LS373与输出设备相连接，端口地址分别为80H和81H，要求用74LS138译码。SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程②有条件传送方式：CPU通过执行程序不断读取并测试外部设备状态，如果输入外部设备处于已准备好状态或输出外部设备为空闲状态时，则CPU执行传送信息指令。由于条件传送方式是CPU在不断调查外部设备的当前状态后才进行信息传送，所以也称为“查询式传送”。因此，条件传送方式的接口电路应包括：传送数据端口及传送状态端口。当输入信息时，查询到的外部设备准备好后，则使接口的“准备好”标志位置1。当输出信息时，外部设备取走一个数据后，传送状态端口使标志为“空闲”状态，可以接收下一个数据。SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程RD输入设备锁存器数据缓冲器三态缓冲器地址译码数据RDQ选通+5V&&地址总线数据M/IOWRREADY查询式输入接口电路SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程RD输出设备状态寄存器数据锁存器端口译码数据+5V&&地址总线RQDACKM/IOBUSY数据总线选通信号WR查询式输出接口电路SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程2).中断控制方式中断控制方式一般用于低速外部设备与CPU之间的信息交换。当外部设备需要与CPU进行数据交换时，由接口部件的CPU发出一个中断请求信号，CPU响应这一中断请求，便可在中断服务程序中完成一个字节或一个字的信息交换。这样每操作一次，CPU要打断原来执行的程序去执行中断服务程序，对速度较高的外部设备会产生信息丢失，因此不能采用。3).DMA控制方式DMA控制方式是一种块传送数据的方式。SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程当某一外部设备需要输入/输出一批数据时，向DMA控制器发出请求，DMA控制器接收到这一请求后，向CPU发出总线请求；若CPU响应DMA的请求把总线使用权赋给DMA控制器，数据传送不通过CPU，可直接在DMA控制器操纵下进行。当这批数据传送完毕后，DMA控制器再向CPU发出“结束中断请求”，CPU响应这一中断请求，即可收回总线使用权。因此，采用DMA控制方式，CPU只需在数据传送结束时响应一次中断，减轻了CPU的负担，但DMA控制器一般只能对一台或几台同类型的外部设备完成控制功能。SchoolofEngineering&Automation·TianjinPolytechnicUniversity微机原理课程4).输入/输出处理机方式对于大量输入/输出设备的微机系统，DMA控制方式已不能满足这种需要。Intel公司生产与86系列配套的输入/输出处理机（IOP）8089。系统中设置了IOP后，86系列CPU必须工作在最大工作模式。当CPU需要进行输入或输出操作时，只需在存储器中建立一个规定格式的信息块，设置好需要执行的操作和有关参数，然后把这些参数送入8089，IOP即会执行输入/输出操作。如果在数据传送过程出现差错，8089会进行重复传送或做必要的处理。在整个数据块的传送过程中，CPU可去完成其他作业。SchoolofEngineering&