搜索
现代微机原理与接口技术(第3版)第5章输入输出与接口技术现代微机原理与接口技术(第3版)定义：接口是CPU与“外部世界”的连接电路，负责“中转”各种信息。分类：存储器接口和I/O接口。位置：介于系统总线与外部设备之间。1.接口的概念5.1.1I/O接口基本概念5.1接口概述现代微机原理与接口技术(第3版)为什么要引入接口•微机和I/O设备的信息类型和格式可能不一样。•微机和I/O设备信号传输处理的速度可能不匹配。•不用接口，I/O直接接CPU，随着外设增加，会大大降低CPU的效率。•I/O直接接CPU，会使外设硬件结构过于依赖CPU，对外设本身发展不利。现代微机原理与接口技术(第3版)接口与I/O设备不同I/O设备对应I/O接口不同。I/O接口受CPU控制，I/O设备受I/O接口控制。为增加通用性，I/O接口电路一般均具有可编程功能。微机的应用离不开外部设备接口的设计、选用和连接。CPU接口外设数据数据控制信号控制信号状态信号状态信号可能是单向的现代微机原理与接口技术(第3版)数据缓冲功能：通过寄存器或锁存器实现。接口中存放数据的寄存器或锁存器称之为数据口。接受和执行CPU命令功能：接口中存放CPU命令代码的寄存器称之为命令口，控制和监视设备执行功能：接口中存放执行状态信息的寄存器称之为状态口。设备选择功能：CPU通过地址译码选择不同外设。即CPU通过地址译码选择不同I/O接口和I/O接口中连接的不同的设备。信号转换功能：协调总线信号与I/O设备信号。转换包括信号的逻辑关系、时序配合和电平转换。可编程功能：增加接口的灵活性和智能性。5.1.2I/O接口功能现代微机原理与接口技术(第3版)接口由接口硬件和接口软件组成。1.接口硬件核心部分5.1.3、I/O接口组成现代微机原理与接口技术(第3版)系统总线侧引脚信号：外设侧引脚信号：数据信号：接口缓冲寄存器与外设间的数据交换；状态信号：外设工作状态送给接口的状态寄存器；控制信号：接口的内部控制逻辑控制外设工作的控制信号和同步信号。地址信号：选择I/O接口中的不同寄存器(端口)；数据信号：命令或数据写入到相应寄存器，或者从相关寄存器读出数据或状态；控制信号：控制命令的执行、时序、信号同步和片选；状态信号：接口的部分工作状态信号。内部控制逻辑：根据控制寄存器、状态寄存器、总线控制信号及外设状态信号控制I/O接口的工作。现代微机原理与接口技术(第3版)常见接口插槽1PS2鼠标PS2键盘千兆网10/100M网卡USB并行口MIDI/游戏接口VGA接口13941394a音箱/线入/麦克风接口串行口现代微机原理与接口技术(第3版)常见接口插槽2声道输入前置扬声器输出麦克风输入中置与重低音后置扬声器输出侧置扬声器输出现代微机原理与接口技术(第3版)接口软件（设备驱动程序）初始化程序段：设置接口工作方式及初始条件。传送方式处理程序段：CPU针对不同的I/O设备有不同的处理方式。如设置中断向量等。主控程序段：完成接口任务的程序。程序终止与退出程序段：对接口电路硬件保护及操作系统中数据恢复。辅助程序段：提供人-机对话手段。现代微机原理与接口技术(第3版)端口1.I/O端口I/O端口是供CPU直接存取访问的接口中的寄存器或电路。接口中的命令口、状态口和数据口均为I/O端口。2.I/O端口地址是对接口中的不同寄存器或电路的编号，该编号加上该接口的基地址称为该端口的I/O端口地址。CPU通过向命令端口发命令来对接口，最终对设备进行控制。访问设备实际上是访问相关的端口。3.命令、接口与I/O端口关系一个接口中有多个I/O端口；一个I/O端口可接受多种命令，对应多个寄存器。5.2I/O编址与访问现代微机原理与接口技术(第3版)统一编址（存储器映象I/O编址）一个I/O端口等同于一个存储器单元。存储单元和I/O端口统一编址。优点：对I/O端口的访问命令与对存储器单元访问相同，不必使用专用I/O指令；外设数目或I/O寄存器数几乎不受限制。系统读写控制逻辑较简单。缺点：I/O端口占用部分MEM空间，可用MEM空间减小；对MEM访问指令较长，执行速度较慢；I/O端口地址译码时间较长。MEM空间I/O空间N-1KK-10存储类指令应用：Motorola系列和Apple系列均采用此方式5.2.2I/O端口编址现代微机原理与接口技术(第3版)独立编址I/O端口地址空间与存储器地址空间相互独立。应用：Z-80系列和x86系列均采用此方式。优点：MEM地址空间不受I/O端口地址空间影响；I/O端口数量不多，占用地址线少，地址译码简单，速度较快，使得此类指令执行速度快；使用专用I/O命令(IN/OUT)，与MEM访问命令(LOAD/STORE、MOV)有明显区别,便于理解和检查。MEMI/O设备N-10存储类指令I/O类指令K-10现代微机原理与接口技术(第3版)缺点：3.Intel系列微机I/O编址Intel系列微处理器支持I/O独立编址方式和I/O统一编址（存储器映象编址）方式。Intel系列微机系统仅支持I/O独立编址方式。专用I/O指令增加指令系统复杂性，且I/O指令类型少，寻址方式也少，程序设计灵活性较差；要求处理器提供MEMR#/MEMW#和IOR#/IOW#两组控制信号，增加了控制逻辑的复杂性。现代微机原理与接口技术(第3版)端口地址空间I/O端口地址空间：有64K个独立编址的8位端口空间。两个连续8位端口可作为16位端口，4个连续的8位端口可作为32位端口处理。注意端口地址对齐。5.2.3IA-32系列微机I/O端口访问•00~0FFH（256个端口）地址用于主板•100~3FFH（768个端口）地址用于扩展板•400~0FFFFH地址用于I/O扩展设备（如PCI设备）源于IBMPCI/O端口地址信号：借用地址线信号和IOW#/IOR#信号线以及表示DMA正在工作的AEN的反相信号组成。现代微机原理与接口技术(第3版)芯片名称地址范围DMAC1DMAC2DMA页面寄存器0000-001FH00C0-00DFH0080-009FH中断控制器1中断控制器20020-003FH00A0-00BFH定时器并行接口芯片(键盘接口)RT/CMOSRAM协处理器（现保留）0040-005FH0060-006FH0070-007FH00F0-00FFH系统板I/O接口芯片口地址(0000H-00FFH)：返回地址译码现代微机原理与接口技术(第3版)扩展槽I/O接口卡端口地址(0100H-03FFH)：I/O接口名称地址范围游戏控制卡0200-020FH并行口控制卡1并行口控制卡20370-037FH0270-027FH串行口控制卡1串行口控制卡203F8-03FFH02F8-02FFH原型插件板(用户可用)0300-031FH同步通信卡1同步通信卡203A0-03AF0380-038FH单显MDA彩显CGA彩显EGA/VGA03B0-03BFH03D0-03DFH03C0-03CFH软驱控制卡硬驱控制卡03F0-03FFH01F0-01FFHPC网卡0360-036FH现代微机原理与接口技术(第3版)端口地址寻址方式I/O端口支持直接寻址和间接寻址方式。直接寻址是使用一字节立即数寻址，端口寻址范围为00H~FFH共256个。间接寻址是使用DX寄存器间接给出I/O端口地址，可寻址的范围是0000H~FFFFH共64K个端口。3.I/O端口与累加器间I/O指令——寄存器I/O指令格式：IN、OUT。结果：完成I/O端口和EAX、AX、AL之间的数据传送，可使用直接寻址和间接寻址方式。举例：movdx,3fdhmoval,36hinal,dxout43h,al现代微机原理与接口技术(第3版)端口与存储器间I/O指令——块I/O指令格式：INSB/W/D、OUTSB/W/D。参数：用DX指定I/O端口地址，输入/输出时的目的/源RAM地址用ES:DI(EDI)/DS:SI(ESI)指定。EFLAG寄存器中DF位来决定地址加和减。结果：通过前缀REP在I/O端口和连续的存储器空间之间传送数据。5.I/O端口访问CPU通过I/O指令对I/O接口进行访问。汇编语言指令：IN、OUT。C语言指令：inportb(inport)、outportb(outport)。VC++指令：_inp(_inpw)、_outp(_outpw)。现代微机原理与接口技术(第3版)例：读取CMOS信息。main(){shortinti,j;unsignedcharc_CmosMessage[64];for(i=0;i=63;i++){j=i|0x80outportb(0x70,j);c_CmosMessage[i]=inportb(0x71);}printf(CMOS信息读取完毕。\n);}；功能：读取CMOS信息；调用：AL=CMOS地址；返回：AL=CMOS内容proc_read_cmosprocclioral,80h;屏蔽NMIout70h,aljmp$+2;延迟inal,71h;读CMOS数据stiretproc_read_cmosendp现代微机原理与接口技术(第3版)或A19~A16/S6~S3CS8254#0H00H43H[AL]OUT43H,ALWR#(IOW#)IO/M#现代微机原理与接口技术(第3版)作业1请参照上页OUT43H,AL指令的时序图画出INAL，21H的时序图，假设从21H端口中读到的数据是02H，21H是8259芯片的一个端口地址。现代微机原理与接口技术(第3版)保护在保护模式下有效，在实地址模式下无效。1.I/O特权级IOPL保护保护通过比较当前任务的特权级CPL和标志寄存器的IOPL字段实现的。若CPL≤IOPL，可执行IN、OUT、INS、OUTS、CLI、STI等敏感指令(对IOPL敏感)；否则不行。每个任务都有自己的IOPL，用以表示指定的I/O操作处于特权级的哪一级。它在EFLAGS中。0级特权的过程可通过POPF和IRET指令修改任务的IOPL。5.2.4Pentium的I/O保护现代微机原理与接口技术(第3版)允许位映象保护I/O允许位映象用来修正IOPL对I/O敏感指令的影响，允许低特权的程序访问某些I/O端口。I/O允许位映象是一个位向量，每位对应一个端口的操作权限(0表示允许)。操作系统可通过改变任务TSS中的I/O允许映象来为某任务分配端口。（一定是在0级）现代