第 6 章

1. 第 6 章

2. 第6章 输入输出和接口技术 教学重点 接口与接口控制原理 I/O端口地址的译码方法 数字通道接口及其应用 模拟通道接口

3. 6.1 接口基本概念 为什么需要I/O接口（电路）？ • 微机的外部设备多种多样 • 工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大 • 它们不能与CPU直接相连 • 必须经过中间电路再与系统相连 • 这部分电路被称为I/O接口电路 多种外设

4. CPU 接口 电路 I/O 设备 6.1接口基本概念（续1） 什么是I/O接口（电路）？ • I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路 • PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板（适配器）都是接口电路

5. 数据寄存器 I/O接口电路 数据总线DB CPU 外设 数据 地址总线AB 状态 控制总线CB 控制 状态寄存器 控制寄存器 6.1.2 I/O接口的典型结构 1. 接口电路的内部结构 2. 接口电路的外部特性 3. 接口电路芯片的分类 4. 接口电路的可编程性

6. 1. 接口电路的内部结构 • CPU与外设主要有数据、状态和控制信息需要相互交换，于是从应用角度看内部： ⑴ 数据寄存器 • 保存外设给CPU和CPU发往外设的数据 ⑵ 状态寄存器 • 保存外设或接口电路的状态 ⑶ 控制寄存器 • 保存CPU给外设或接口电路的命令 理解端口

7. 2. 接口电路的外部特性 • 主要体现在引脚上，分成两侧信号 面向CPU一侧的信号： • 用于与CPU连接 • 主要是数据、地址和控制信号 面向外设一侧的信号： • 用于与外设连接 • 提供的信号五花八门 • 功能定义、时序及有效电平等差异较大

8. 3. 接口电路芯片的分类 • 接口电路核心部分往往是一块或数块大规模集成电路芯片（接口芯片）： • 通用接口芯片 • 支持通用的数据输入输出和控制的接口芯片 • 面向外设的专用接口芯片 • 针对某种外设设计、与该种外设接口 • 面向微机系统的专用接口芯片 • 与CPU和系统配套使用，以增强其总体功能

9. 4. 接口电路的可编程性 • 许多接口电路具有多种功能和工作方式，可以通过编程的方法选定其中一种 • 接口需要进行物理连接，还需要编写接口软件 • 接口软件有两类： • 初始化程序段——设定芯片工作方式等 • 数据交换程序段——管理、控制、驱动外设，负责外设和系统间信息交换

10. 6.1.3 接口控制原理 • 1. I/O数据的传送方式 • 并行 • 一个数据单位(通常为字节)的各位同时传送 • 速度快、距离短、成本高 • 例：PC机的并行接口(通常用于连接打印机) • 串行 • 数据按位进行传送 • 速度慢、距离远、成本低 • 例： PC机的串行接口(通常用于串行通信)

11. 串行通信 • 串行通信：将数据分解成二进制位用一条信号线，一位一位顺序传送的方式 • 串行通信的优势：用于通信的线路少，因而在远距离通信时可以极大地降低成本 • 串行通信适合于远距离数据传送，也常用于速度要求不高的近距离数据传送 • PC系列机上有两个串行异步通信接口、键盘、鼠标器与主机间采用串行数据传送

12. 异步串行通信 • 串行通信时的数据、控制和状态信息都使用同一根信号线传送 • 收发双方必须遵守共同的通信协议（通信规程），才能解决传送速率、信息格式、位同步、字符同步、数据校验等问题 • 串行异步通信以字符为单位进行传输，其通信协议是起止式异步通信协议

13. 字符 起始位 数据位 校验位 停止位 空闲位 … 1 0 1 1 1 高位 低位 0/1 0/1 0/1 0/1 起止式异步通信协议 • 起始位——每个字符开始传送的标志，起始位采用逻辑0电平 数据位——数据位紧跟着起始位传送。由5～8个二进制位组成，低位先传送 校验位——用于校验是否传送正确；可选择奇检验、偶校验或不传送校验位 停止位——表示该字符传送结束。停止位采用逻辑1电平，可选择1、1.5或2位 空闲位——传送字符之间的逻辑1电平，表示没有进行传送

14. 数据传输速率 • 数据传输速率也称比特率（Bit Rate） • 每秒传输的二进制位数bps • 字符中每个二进制位持续的时间长度都一样，为数据传输速率的倒数 • 当进行二进制数码传输，且每位时间长度相等时，比特率还等于波特率（Baud Rate） • 过去，串行异步通信的数据传输速率限制在50 bps到9600 bps之间。现在，可以达到115200 bps或更高

15. 2. 数据传送方式 • 查询方式——通过CPU执行程序中的I/O指令来完成传送，又分为：无条件传送、查询传送 • 中断方式－－外设要与CPU传送数据时，向CPU发送请求，CPU响应后再传送数据 • 直接存储器存取（DMA）——传送请求由外设向DMA控制器（DMAC）提出，后者向CPU申请总线，最后DMAC利用系统总线来完成外设和存储器间的数据传送 • I/O处理机——CPU委托专门的I/O处理机来管理外设，完成传送和相应的数据处理

16. （1）无条件传送方式及其接口 • 在CPU与慢速变化的设备交换数据时，可以认为它们总是处于“就绪”状态，随时可以进行数据传送，这就是无条件传送，或称立即传送、同步传送 • 适合于简单设备，如LED数码管、按键或按纽等 • 无条件传送的接口和操作均十分简单 • 这种传送有前提：外设必须随时就绪

17. （2）查询传送方式及其接口 • CPU需要选了解（查询）外设的工作状态，然后在外设可以交换信息的情况下（就绪）实现数据输入或输出 • 对多个外设的情况，则CPU按一定顺序依次查询（轮询）。先查询的外设将优先进行数据交换 • 查询传送的特点是：工作可靠，适用面宽，但传送效率低 就绪？

18. 输入状态 N 就绪？ Y 数据交换 查询传送的两个环节 ⑴ 查询环节 • 寻址状态口 • 读取状态寄存器的标志位 • 若不就绪就继续查询，直至就绪 ⑵ 传送环节 • 寻址数据口 • 是输入，通过输入指令从数据端口读入数据 • 是输出，通过输出指令向数据端口输出数据 传送流程

19. 主程序 中断服务程序 中断请求 对外设 进行处理 断点 继续执行 返回断点 （3） 中断传送方式 • CPU在执行程序中，被内部或外部的事件所打断，转去执行一段预先安排好的中断服务程序；服务结束后，又返回原来的断点，继续执行原来的程序 传送流程

20. 中断传送与接口 • 中断传送是一种效率更高的程序传送方式 • 进行传送的中断服务程序是预先设计好的 • 中断请求是外设随机向CPU提出的 • CPU对请求的检测是有规律的：一般是在每条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输入引脚 • 中断除了在输入和输出方面的应用外，中断还有着非常广泛的应用

21. （4）DMA传送方式 • 希望克服程序控制传送的不足： 外设→CPU→存储器 外设←CPU←存储器 • 直接存储器存取DMA： 外设→存储器 外设←存储器 • CPU释放总线，由DMA控制器管理

22. DMA传送的工作过程 ⑴ CPU对DMA控制器进行初始化设置 ⑵ 外设、DMAC和CPU三者通过应答信号建立联系：CPU将总线交给DMAC控制 ⑶ DMA传送 • DMA读存储器：存储器 → 外设 • DMA写存储器：存储器 ← 外设 ⑷ 自动增减地址和计数，判断传送完成否 传送流程

23. HLDA 发存储器地址 修改地址指针 传送数据 传送结束？ DMA结束 DMA传送流程

24. 传送方式的比较 • 无条件传送：慢速外设需与CPU保持同步 • 查询传送： 简单实用，效率较低 • 中断传送：外设主动，可与CPU并行工作，但每次传送需要大量额外时间开销 • DMA传送：DMAC控制，外设直接和存储器进行数据传送，适合大量、快速数据传送

25. 6.1.4 接口控制信号 • 两类：总线控制信号、输入输出控制信号 总线控制信号：数据线、地址线、IOW*、IOR*等 输入输出控制信号：数据线、输入输出应答信号等 • 现代微机系统都是采用总线接口方式

26. 6.2 I/O指令和I/O地址译码 • 微处理器进行I/O操作时完成两种选择：片选、字选； • 两种I/O接口结构：标准的I/O接口、存储器映射I/O结构。

27. 6.2.1 I/O端口的编址 • 接口电路占用的I/O端口有两类编排形式 • I/O端口单独编址（标准的I/O接口） • I/O地址空间独立于存储地址空间 • 如8086/8088 • I/O端口与存储器统一编址（存储器映射I/O结构） • 它们共享一个地址空间 • 如M6800

28. FFFFF 内存 空间 FFFF I/O 空间 0 1. I/O端口单独编址 • 优点： • I/O端口的地址空间独立 • 控制和地址译码电路相对简单 • 专门的I/O指令使程序清晰易读 • 缺点： • I/O指令没有存储器指令丰富 80x86采用I/O端口独立编址

29. FFFFF 内存 部分 存储器空间 I/O 部分 00000 2. I/O端口与存储器统一编址 • 优点： • 不需要专门的I/O指令 • I/O数据存取与存储器数据存取一样灵活 • 缺点： • I/O端口要占去部分存储器地址空间 • 程序不易阅读（不易分清访存和访问外设）

30. 6.2.2 8088/8086的输入输出指令 • 输入指令 IN AL,i8 ;字节输入 IN AX,DX ;字输入 • 输出指令 OUT i8,AL ;字节输出 OUT DX,AX ;字输出 功能演示 功能演示

31. 控制总线：IOW有效、IOR无效、MEMR/MEMW无效、 AEN无效。 译 码 器：根据DX高位译码，Y2有效，其他Yx无效。 I/O指令与接口实现 执行CPU指令：MOV DX，42H OUT DX，8AH 地址总线：将42H写入A9～A0。 接口芯片：8253工作，其他接口芯片不工作。 接口电路：8253对应接口电路应答选中信号，8253根据DX低位选择相应的寄存器。 8253： 接受数据总线(D7～D0)数据(8AH)，写入所选寄存器。

32. 6.2.3 I/O地址的译码 • 因为对I /O端口的寻址与存贮器寻址相似，即必须进行片选和字选。所以其译码方法也相似。通常采用两级译码方法，译码地址的高位作为片选，以选择某一组（某一片 I /O）。低位组地址直接接到I /O接口芯片的地址输入端，以选择片内寄存器（即具体端口）或低位再译码，以选择多个寄存器。 • PC机的I /O端口地址译码只用低10位地址（A0~A9）。210 = 1024 个口地址，而实际上并未配上1K个外设端口，所以常采用部分译码法对10位地址的高位译码作为片选信号，片内对低位地址译码以选择具体寄存器端口。

33. 1. 直接地址译码

34. ALS138译码器 DMA控制器1（00H~1FH） 中断控制器1 （20H~3FH） 定时计数器（40H~5FH） 并行接口电路（60H~7FH） DMA页面寄存器（80H~9FH） 中断控制器2 （A0H~BFH） DMA控制器2 （C0H~DFH） 协处理器（E0H~FFH） A5 A6 A7 A8 A9 A B C G2A G2B G1 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 AEN A0～A4 接口芯片内部译码 IBM PC/AT主机板的I/O译码电路

35. 完

36. IBM PC/AT主机板的I/O译码(续) * 所有I /O译码必须有AEN（Address Enable 地址允许） 参与译码，此信号用来隔离处理器，其他装置与I /O通道，而使DMA传送得以进行。即AEN=1，DMA控制三总线，进行DMA传送。 在此AEN=1，即AEN=0开启I /O系统，并非DMA周期。 * 部分译码，如 y0DMA的CS , 地址000~01FH，而A3~A0 DMA的A3~A0端片内译码，而A4并未参与译码，所以地址有重叠。

37. 以上都是直接利用低位AB线参与再次译码直接地址译码；实际应用中，当端口地址不够用时，可利用低位DB线参与再次译码间接端口地址译码；以选择多个I/O端口地址，如下面图 所示 。 这种电路可节省系统地址空间，但必须把地址作为DB输出寄存，所以多使用一条OUT指令输出DB做地址。即由 D1、D0及IOR、IOW译码8个I /O端口。

38. 2. 间接地址译码

39. 6.3 IBM PC的输入／输出系统 • 主机和外设交换数据即输入/输出；利用DOS系统功能INT 21H,和BIOS功能调用，可实现对各种标准外设的 输入/输出。此时，可不考虑输入/输出设备的 特性，也不必了解数据的 传送方式，只要按子程序的约定方法调用标准子程序即可。但实际应用上往往不全是标准的 接口设备，而是自行设计接口。此时则利用I/O指令实现输入/输出操作，则应了解内部细节，内部结构。

40. PC机的输入/输出能力强，主要表现在其输入/输出的地址空间的分配和I/O通道的 设计上。 • PC系统结构可描述为： • 总线接口——即时序中的CPU系统，地址锁存器373，双向数据收发器245，总线控制器8288，产生系统三总线。 • I/O通道（扩展槽）——外设和主机连接的通道，每个槽均为62个插脚的插座，本质就是提供了系统总线——PC总线。用户开发接口，就是利用该总线。

41. 1．系统I/O端口地址分配 • 本来8088的AB的低16位都可作为I/O端口地址， 216＝64K个端口地址，但实际上PC设计中仅使用A9-A0低10位AB作为I/O端口地址, 210＝1024个端口地址，即0～3FFH，但实际上PC系统已占用大部分地址，用户自己开发接口时，一定要避口已用地址，以免发生地址冲突。

42. ∴ 设计前应了解系统I/O端口分配。详细分配查手册。具体机器有些区别。 大致： 000～ 1FFH（ A9=0）512口地址为系统板占用。 (包括8237DMA控制器，8259中断控制器，8253定时/计数器，8258并行接口）。 200～3FFH（ A9=1 ） 512个口地址为I/O扩展槽占用。 自行开发接口在此部分寻找空闲地址。

43. 2. 系统总线 • PC机有极强的扩充能力，主要表现在其系统总线的设计上。系统总线是把微机各部分连接起来的公共通道。系统总线的性能直线关系到计算机的总体性能，系统总线也随着CPU的不断升级发展也在不断更新和发展。 • IBM PC机的I／O扩展槽的62个信号线，本质上就是系统总线PC总线，后修改为80286微机的系统总线，即PC AT总线，后定名为（16位）ISA总线，后继续发展为80386／80486的系统总线EISA总线（32位ISA总线）。 • ISA总线，结构简单，成本低，价格便宜，主要用于低速外设。随着高速外设的发展，92年都推出了PCI总线外部设备互连局部总线，它是介于CPU总线和系统总线之间的一级总线。它一则直接面向CPU总线，另一则面向系统总线。局部总线离CPU更近，所以通过它与CPU之间的数据传送速率大大加快。

44. PCI总线传输速率高，多总线共存（通过 • PCI-ISA／EISA桥接组件芯片，将PCI总线与 • ISA／EISA总线桥接，构成一个分层次的多总线 • 系统），独立于CPU，自动识别与配置的外设。

45. 3. I/O通道及总线信号 • 即I/O扩展槽，即有5个（PC机）或8个（XT机）62芯插座，它适用于未来的发展，便于扩展开发系统。连到插座上的即62个信号线PC系统总线。 • 用户自己开发接口，即插入此扩展槽即可。 • 62根信号线。注意：元件面为A面，A1～A31. 焊接面为B面，B1～B31. 可分为五类信号： ①地址总线: 20位地址。 ②数据总线 : 8位数据线。 ③控制总线：22根。 ④时钟与复位：3根。 ⑤地源与地线：8根＋保留1根。 • 一般用户接口设计最常用的是：地址线﹑数据线﹑AEN（地址允许）、IOR﹑IOW﹑RESET﹑CLK﹑IRQ9（中断请求）、电源。

47. 常见系统总线 图示 • 在微机发展和应用中出现了许多种内、外总线标准 • 第一个标准化的微机总线S-100总线 • 面向工业控制领域的STD总线 • 32位PC机上的ISA系统总线、EISA总线、VESA总线、PCI总线、USB总线等

48. 4. 简易通用I/O接口保护卡 • 为了在PC系列微机上学习，扩展用户的接口，我们设计了一通用型接口保护卡。因为在实验中接口错误可能损坏主机。将简易保护口插入扩展槽，通过扁平电缆将系统三总线引到主机机箱的实验装 置即可实验。

50. 保护卡由三部分组成： ①地址译码PS低有效。地址范围：380H～39FH。注意：IOR和IOW参与译码控制。 ②数据线隔离（由数据收发接收器245，由PS控制允许端G，PS为高则隔离；由IOR控制传送方向，IOR有效时，B→A（即输入），IOR无效时，A→B（即输出）。 ③部分地址与控制线隔离电路由三态缓冲器74LS244组成，它是单向传送A→Y，G为输出控制，8个三态门分成两组。因为地址线在此使用的控制线都是单向传送。 ④还直接引出＋5V，地，CLK，共20个信号至实验板。