第六章 微机接口基础

微机系统原理及接口技术电子科技大学第六章输入/输出接口7学时6.1输入/输出接口概述6.2I/O端口的编址方式6.3I/O接口的访问控制6.4I/O接口的数据传输控制方式6.5基本输入输出接口微机系统原理及接口技术电子科技大学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微机系统原理及接口技术电子科技大学接口电路中的信息数据信息、状态信息及控制信息主机外设接口电路DBABCB数据信息控制信息状态信息微机系统原理及接口技术电子科技大学数据信息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←→外设微机系统原理及接口技术电子科技大学控制信息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：CPU→I/O接口→处设微机系统原理及接口技术电子科技大学状态信息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”外设忙吗?数据传输方向：CPU←I/O接口←外设微机系统原理及接口技术电子科技大学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微机系统原理及接口技术电子科技大学接口的基本功能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可编程功能微机系统原理及接口技术电子科技大学接口电路的结构数据缓冲器状态寄存器控制寄存器接外设一侧主机外设总线驱动地址译码控制逻辑接CPU一侧DBABCB数据信息控制信息状态信息端口接口实现对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/写操作和时序控制微机系统原理及接口技术电子科技大学接口电路的分类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数据传送操作的同步方式：同步接口异步接口通用性：通用接口专用接口微机系统原理及接口技术电子科技大学6.2I/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独立编址方式微机系统原理及接口技术电子科技大学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。微机系统原理及接口技术电子科技大学2、I/O独立编址（一）指主存地址空间和I/O端口地址空间相互独立，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的寄存器进行中转微机系统原理及接口技术电子科技大学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A0～A15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）微机系统原理及接口技术电子科技大学两种编址方式比较（一）I/O空间内存空间I/O空间内存空间分别是分离编址？还统一编址？微机系统原理及接口技术电子科技大学两种编址方式比较（二）存储器CPUABDBCB接口外设接口外设CPUABDBCB存储器存储器读写I/O读写微机系统原理及接口技术电子科技大学6.3I/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/写操作微机系统原理及接口技术电子科技大学I/O端口的地址分配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个字端口微机系统原理及接口技术电子科技大学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地址微机系统原理及接口技术电子科技大学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，输出需要锁存微机系统原理及接口技术电子科技大学输入缓冲电路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A0B0A1B1A2B2A3B3A4B4A5B5A6B6A7B7EDIR234567891817161514131211119译码片选IORDIR=1，A→BDIR=0，B→A74LS245微机系统原理及接口技术电子科技大学输出锁存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D0Q0D1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q6D7Q7CLKCLR34781314171825691215161974LS27311译码片选IOW74LS32+5V1微机系统原理及接口技术电子科技大学I/O地址译码方法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微机系统原理及接口技术电子科技大学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微机系统原理及接口技术电子科技大学读077AH端口地址译码电路端口地址的二进制形式A15A14…A1A00000011101111010端口读：IOR，AEN译码输出：/R77AH执行MOVDX，77AHINAL，DX74LS32&A10A9A874LS30A6A5A4AENA1A3A14A13&A15A12A7A2&A11A0≥174LS2074LS04≥1≥11R77AH≥IOR微机系统原理及接口技术电子科技大学读/写操作77AH端口地址的译码电路IOWW77AH&A10A9A874LS30A6A5A4AENA1A3A14A13&A15A12A7A2&A11A0≥174LS2074LS04IOR74LS32≥1≥1≥1R77AH≥1微机系统原理及接口技术电子科技大学译码器译码A15～A8为译码器使能A7～A5决定芯片端口范围A4～A0选择芯片片内端口2AGGDMACSAA5BA6CA71AEN0YINTRCS1YT/CCS2YPPICS3Y4Y5Y6Y7Y2BGA10A9&A11A8A14A13&A15A1274LS2074LS13874LS06微机系统原理及接口技术电子科技大学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其电路可由地址开关、译码器、比较器和基本门电路等组成微机系统原理及接口技术电子科技大学用比较器组成的可选式译码电路A9~A6=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2AGGBC11Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y2BGA12A3≥1A0Y74LS13874LS08&AENA4A5A15A14A13A11A10≥1≥1≥174LS32CCA6A7A8A9VA0A1A2IA=B74LS85A3B0B1B2B3IABIABOABOABOA=BDIPS0S1S2S3VCC微机系统原理及接口技术电子科技大学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微机系统原理及接口技术电子科技大学6.4I/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方式微机系统原理及接口技术电子科技大学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DB→I/O接口(输出锁存器)→外设CPU的DB←I/O接口(输入缓冲器)←外设微机系统原理及接口技术电子科技大学无条件程序控制方式（二）数据输入缓冲器端口数据输出锁存器端口输入数据输出数据端口译码器RDABDBWRM/IO微机系统原理及接口技术电子科技大学无条件程序控制方式（三）例6.5START:MOVDX，INPORTINAL，DX；读入按键状态TESTAL，01H；判断最低位按键JNZK1；最低位按键没闭合，转MOVAL，01H；最低位发光JMPDISPK1：TESTAL，02H；JNZK2；次低位按键没闭合，转MOVAL，03H；最低2位发光JMPDISP………………….DISP:MOVDX，OUTPORTOUTDX，AL；JMPSTART微机系统原理及接口技术电子科技大学程序查询输入方式(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微机系统原理及接口技术电子科技大学查询控制的程序流程READY?读取状态端口读/写数据端口YN状态端口复位微机系统原理及接口技术电子科技大学程序查询方式的输入接口电路数据缓冲器(输入端口)状态缓冲器（输入端口）输入设备数据端口读选通状态端口读选通DB(数据、状态)锁存器输入数据输入选通RQD＋5V①②READYD0③④⑤微机系统原理及接口技术电子科技大学数据端口(8位)状态端口(1位)READYREADY?输入状态信息输入数据信息YN状