基本输入输出接口.课件

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1、 教学提示：教学提示：按照冯诺依曼对计算机的划分，计算机包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个大的部分。在前面的章节中，我们主要介绍了CPU与存储器之间的数据传送和数据处理。但是，计算机要与外界联系，就必须通过输入设备接收信息、通过输出设备发送信息，在本章中我们主要介绍这部分知识。教学要求：教学要求：通过这一章学习，需要掌握输入/输出接口的基本概念，掌握I/O接口的分类和基本功能，掌握CPU与外部设备数据传送的几种基本方式和相关的指令。基本输入基本输入/输出接口输出接口6.1 I/O接口概述接口概述 输入/输出设备(又称为I/O设备、外部设备、外设)的种类非常多，常见的有：键盘、鼠

2、标、串行口、显示器、U盘、硬盘。有的读者可能会认为U盘、硬盘等应该是属于存储器设备，而实际上CPU对于这类外部存储器是不能直接访问的，必须通过一定的接口电路进行访问操作，而这一点就与其他的输入/输出设备是一样的，所以我们把外部存储器归入输入/输出设备一类。由于输入/输出设备的种类十分繁杂，各自有着不同的电平信号、数据格式、传送速度等，通常与CPU的访问信号是不协调的，所以CPU一般不能直接访问这些输入/输出设备，而是要在CPU和输入/输出设备之间安置一个接口电路，通过接口电路的转换，使得来自输入设备的信号能够被CPU读取、CPU的输出信号能够被输出设备接受。概念：用于连接CPU和外部设备，并进

3、行相应信号转换的电路称为I/O接口电路(或接口电路)。6.1.1 I/O接口的主要功能接口的主要功能 I/O接口电路是CPU与I/O设备之间的中介，它需要完成以下任务。对输入对输入/输出的信号进行变换输出的信号进行变换 由于输入/输出设备的信号与CPU的信号在数据格式、电平高低、传送速度等方面有着很大的差别，所以接口电路就需要把这些信号变换成适合对方的形式。比如：串行接口电路，就要把CPU送来的并行数据，转换成串行的数据格式发送出去，还要把外电路传过来的串行数据转换成并行信号，供CPU读取。2.对输入对输入/输出的数据进行缓冲和锁存输出的数据进行缓冲和锁存 通常输入/输出设备的工作速度比CPU

4、都慢很多，而且CPU的工作非常繁忙，由于这个原因，所以要对输入/输出的数据进行缓冲和锁存，只有这样才能有效地提高整个计算机的工作效率。(1)在输出时，CPU输出某个数据后，马上就要进行后续的其他工作，而这时输出设备还没取走该数据，这就需要接口电路把CPU输出的数据锁存下来，供输出设备读取。通常采用锁存器进行数据锁存。如图6.1所示，由8个D触发器构成8位锁存器，当CPU向这个输出设备输出数据时，由数据总线输出数据信息，同时IOW和地址译码电路都输出低电平，使或门输出为低电平，把数据信息锁存下来，然后，CPU输出的数据就一直出现在OUT0OUT7线上，供给输出设备，直到下次CPU给该设备输出新的

5、数据，OUT0OUT7线上的内容才会改变。(2)在输入时，当输入设备向CPU传来一个数据时，此时CPU可能正在进行其他相关工作，正在使用数据总线，所以接口电路不能立刻把该数据放到数据总线 图图6.1 带锁存器的输出接口电路带锁存器的输出接口电路上，而是要进行缓冲隔离，当CPU对其选通时，再把该数据放到数据总线上，供CPU读取。进行数据缓冲，通常采用三态门。如图6.2所示，由8个三态门构成8位缓冲器，当输入设备向CPU发送数据时，是把这个数据通过IN0IN7共8条线送到三态门的输入端。但是这时三态门还没有打开，输入设备上传来的数据信息，还不能送到数据总线上传给CPU。只有CPU需要读取该设备的数

6、据时，它控制IOR和地址译码电路同时输出低电平，使或门输出为低电平，打开8个三态门，输入设备上传来的数据信息，通过数据总线上传给CPU。图图6.2 带缓冲器的输入接口电路带缓冲器的输入接口电路3.完成相应的寻址任务完成相应的寻址任务 在一个计算机系统中，需要连接许多外部设备，也就需要许多接口电路，当CPU访问到该接口电路中寄存器时，应该执行相应的读写操作，而当CPU访问到其他接口电路中寄存器时，则这个接口电路不做动作。6.1.2 I/O接口接口 如前所述，接口电路主要完成数据的变换，以及数据的缓冲和锁存。概念概念：在接口电路中通常有一些可以被CPU访问的寄存器，我们把这种寄存器叫做I/O接口。

7、把I/O接口按照存放的信息类型进行分类，可以分成数据端口、状态端口、控制端口3种。数据端口在输入时，接收存放外部设备传送来的数据，供CPU读取；在输出时，数据端口用于存放CPU输出的数据，并传送给外部设备。状态端口上的信息反映外部设备的工作状态，供CPU读取。比如：串行接口8250中有一个通信线状态寄存器，它反映了接收的串行数据是否有错误、是否收到了一个串行数据、是否可以发送一个字符等信息，CPU通过读取该端口的内容，就可以知道通信线路的基本状态了。控制端口用于接收CPU发送给外部设备的控制命令，并传送给外部设备。还以串行接口8250为例子，它有一个通信线控制寄存器，CPU向该寄存器写入不同的

8、信息，从而控制串行数据的格式等。如图6.3所示，接口电路中包含数据端口、状态端口和控制端口，CPU就是通过访问这些I/O接口，完成控制外部设备、了解外设的工作状态、与外设进行数据传送等操作的。图6.3 接口电路示意图6.1.3 I/O接口的编址方法接口的编址方法 既然计算机系统中，有很多个I/O接口，就需要给这些I/O接口进行编号，这也就是I/O接口编址的意思。I/O接口的编址方法有两种：一种方法是I/O接口与存储器统一编址；另一种是I/O接口独立编址。概念：I/O接口与存储器统一编址，就是存储器和I/O口都利用相同的地址范围(也称为地址空间)，在这个地址范围中，有些地址对应存储器，有些地址对

9、应I/O接口，这样CPU就不需要专门访问I/O接口的指令，而是利用访问存储器的指令访问I/O接口。例如在MCS-51系列单片机中，它要是扩充各种接口电路，就采用这样的编址方法。优缺点：统一编址的好处是指令灵活：这是因为CPU访问存储器有很多寻址方式，指令非常灵活，而这些指令也可以用于对I/O接口的访问；缺点是I/O接口占用存储器的空间，使得存储器的实际空间减少。图6.4所示是某个采用存储器与I/O接口统一编址的计算机系统的示意图，我们看到该系统中存储器单元和I/O接口一共有64K(地址是0000HFFFFH)，其中地址为3000H37FFH的部分是I/O接口，其余部分是存储器单元，实际存储器有

10、62K个单元。概念：独立编址就是存储器和I/O接口各自使用不同的地址空间，CPU利用专门的输入/输出指令访问I/O接口。在以8088/8086为CPU的计算机系统中，I/O接口就是采用这种编址方式：存储器的地址范围是FFFFFH00000H，I/O接口的地址范围是0000HFFFFH。优缺点：独立编址的缺点是指令不灵活：一般对I/O接口的访问只有少数几条指令，不能像访问存储器那样有多种寻址方式；好处是I/O接口不占用存储器的空间。图图6.4 存储器与存储器与I/O端口统一编址示意图端口统一编址示意图 如图6.5所示，表示了在8088/8086系统中存储器和I/O接口之间的关系。存储器和I/O接

11、口的地址是各自独立的，存储器的地址范围是00000HFFFFFH，I/O接口地址范围是0000HFFFFH，相互之间完全独立，系统中最多可以有64K个I/O接口。图6.5 8088/8086系统的存储器和I/O接口关系示意图6.1.4 8088/8086的输入的输入/输出指令输出指令 前面已经向大家介绍了，在8088/8086为CPU的计算机系统中，I/O接口的编址采用的是独立编址方法，系统中I/O接口的地址范围是FFFFH0000H。这也就是意味着系统中，在不共用地址(例如两个I/O接口一个只读，另一个只写，则它们可以共用同一个地址)的情况下，最多可以有65536个I/O接口，每个I/O接口

12、有8位信息。如果I/O接口采用独立编址方法，要求CPU利用专门的输入/输出指令访问I/O接口，而在前面介绍8088/8086指令系统的章节中我们没有涉及这部分指令，现在向大家介绍如下：1.输入指令输入指令(1)指令格式：IN AL，端口号。指令解释：把一个端口的信息传送给AL。指令示例：IN AL，20H。该指令把20H端口的内容送到AL寄存器中。常见错误1：IN DL，20H；该指令想输入20H号端口的内容，送入DL寄存器中。输入指令的数据传送目的地只能是累加器，不能是其他寄存器，而该指令的目的操作数是DL寄存器，所以出错。常见错误2：IN AL，200H；该指令想输入200H号端口的内容，

13、送入AL寄存器中。在输入/输出指令中出现的端口号必须小于100H，要访问高于100H的端口，需要使用下一条指令。(2)指令格式：指令格式：IN AL，DX。指令解释：把一个端口的信息传送给AL，该端口的地址是DX中的内容。指令示例：MOV DX，200H。IN AL，DX。利用这两条指令，可以输入200H号端口的内容，送入AL寄存器中，实际上是利用DX进行寄存器间接寻址。常见错误：IN AL，BX；该指令试图用BX进行寄存器间接寻址，访问I/O接口。在8088/8086指令系统中，只能用DX进行寄存器间接寻址，访问I/O接口，所以该指令错误。(3)指令格式：IN AX，端口号。指令解释：该指令

14、一次读入两个I/O接口的内容，分别送入AL和AH。指令示例：IN AX，20H；该指令一次输入20H、21H两个端口的内容，分别送入AL和AH中。该指令容易出现的错误与第1条指令类似。(4)指令格式：IN AX，DX。指令解释：该指令用DX间接寻址，一次输入两个端口的内容，分别送入AL和AH中。指令示例：MOV DX，200H IN AX，DX。利用这两条指令，输入200H和201H号端口的内容，分别送入AL和AH中。该指令容易出现的错误与第2条指令类似。2.输出指令 (1)指令格式：OUT 端口号，AL。指令解释：把AL的信息传送给一个端口。指令示例：OUT 20H，AL。该指令把AL寄存器

15、的内容送到20H端口中。常见错误1：OUT 20H，DL；该指令想把DL寄存器的内容，送入20H号端口中。输出指令的数据源只能是累加器，不能是其他寄存器，而该指令的源操作数是DL寄存器，所以出错。常见错误2：OUT 200H，AL；该指令想把AL寄存器的内容，送入200H号端口中。在输入/输出指令中出现的端口号必须小于100H，要访问高于100H的端口，需要使用下一条指令。(2)指令格式：OUT AL，DX。指令解释：把AL中的信息传送给一个端口，该端口的地址是DX中的内容。指令示例：MOV DX，200H。OUT DX，AL。利用这两条指令，可以把AL寄存器的内容，送入200H号端口，实际上

16、是利用DX进行寄存器间接寻址。常见错误1：OUT BX，AL；该指令试图用BX进行寄存器间接寻址，访问I/O接口。在8088/8086指令系统中，只能用DX进行寄存器间接寻址，访问I/O接口，所以该指令错误。常见错误2：OUT DX，AL；这种错误的出现，是受了访问存储器的寄存器间接寻址方式的影响。在访问I/O接口时，虽然用DX进行寄存器间接寻址，但是注意不要给DX加上方括号。(3)指令格式：OUT 端口号，AX。指令解释：该指令一次把AL和AH内容，分别送入两个I/O接口中。指令示例：OUT 20H，AX；该指令一次把AL和AH的内容，分别送入20H、21H两个端口中。该指令容易出现的错误与

17、第1条指令类似，在此就不多说了。(4)指令格式：OUT AX，DX。指令解释：该指令用DX间接寻址，一次把AL和AH中的内容，分别送入两个端口。指令示例：MOV DX，200H。OUT DX，AX。利用这两条指令，输入200H和201H号端口的内容，分别送入AL和AH中。常见错误：OUT AX，DX；在输入/输出指令中，DX对应的是I/O接口，而输出指令的传送方向，当然应该是从累加器到I/O接口，而该指令的传送方向是累加器，所以该指令是错误的。6.2 I/O6.2 I/O接口的数据传送方式接口的数据传送方式 由于I/O接口的工作速度和数据格式都有很大差别，所以CPU与I/O接口进行数据传送的方

18、式也有多种形式，常见的有：无条件传送方式、查询传送方式、中断传送方式、DMA传送方式，以下一一介绍：6.2.1 6.2.1 无条件传送方式及其接口无条件传送方式及其接口 概念：无条件传送方式是不检查外部设备的状态，直接进行数据传送的传送方式。因为有一些外部设备(一般是一些简单装置)总是处于“准备好”(这意味着可以随时进行数据传送)的状态，CPU可以随时给这种外部设备输出数据或从这种外部设备上输入数据。这种情况下，我们可以不检查设备的状态，直接进行输入或输出。【例6.1】LED发光二极管是一种用于输出的简单装置，它随时可以接收CPU传来的数据，所以我们总是用无条件传送方式，向LED发光二极管输出

19、数据。图6.6就是一个简单的发光二极管输出接口电路，图中D触发器负责锁存CPU输出的数据，如果某一位触发器输出为“1”，通过反向器的输出就是低电平(在这里反向器具有提高驱动能力的作用)，发光二极管得以导通发光；如果某一位触发器输出为“0”则发光二极管就不能发光。发光二极管右边是限流电阻，保证通过发光二极管的电流不会过大而损坏发光二极管。图6.6 发光二极管输出接口电路 【例6.2】跳线开关是常见的输入装置，常用于系统的设置，它也可以随时提供数据。我们也总是用无条件传送方式，访问跳线开关装置。图6.7就是一个跳线开关输入接口电路，IN0IN7每一位都通过上拉电阻接到电源上，所以如果这一位跳线开关

20、不短接，则该位是高电平，CPU读取该位时，读到是“1”；如果这一位跳线开关短接到地线上，则该位是低电平，CPU读取该位时，读到是“0”。图6.7 跳线开关输入接口电路6.2.2 6.2.2 查询传送方式及其接口查询传送方式及其接口 无条件传送方式是最简单的数据传送方式，多数外部设备无法做到总处于“准备好”的状态，所以就不能使用无条件传送方式，此时可以采用查询传送方式。概念：CPU在进行数据传送之前，先检查状态端口，如果外部设备当前处于“准备好”的状态，就进行数据传送；否则，再次检查状态端口，直至检测到外部设备“准备好”，再进行数据传送。这种数据传送方式就是查询传送方式。【例6.3】ADC080

21、9是常用的模拟接口芯片，它把模拟信号根据其电压的高低，转换成8位数字信号，供CPU读取。AD0809在得到CPU要求其进行转换的命令后，开始进行A/D转换(就是把模拟信号转换成数字信号)，经过一段时间后，才能完成这个任务，并用EOC引脚为高电平表示“准备好”。在此之前，EOC引脚为低电平，表示是不能向CPU提供数据的。对于0809芯片，我们常常采用查询传送方式。如图6.8是用查询方式访问ADC0809的接口电路，它占用2个I/O接口，在图中用a和b表示。0809工作时，首先向a端口写入要转换通道的地址，比如：要转换IN2通道的内容，就写入02H，0809内部将锁存该内容；同时这个写入动作也启动

22、了转换过程；接下去CPU将不断地读取b端口的内容，实际是要读取EOC的值，当发现该位是“1”时，表示转换已经完成了；这时CPU可以读取a端口，0809就可以把转换好的数据通过数据线送给CPU。以下一段程序，假定a端口的地址是1000H，b端口的地址是1001H，要读取IN2通道的内容，送入KIN2内存单元。图6.8 采用查询方式访问ADC0809的接口电路 MOV AL,02H MOV DX,1000H OUT DX,AL ;写入通道的地址，并启动转换的过程L0:MOV DX,1001H IN AL,DX ;读取状态端口 AND AL,01H JZ L0 ;如果EOC为0，则再次查询 MOV

23、DX,1000H IN AL,DX ;读取转换好的数据 MOV KIN2,AL6.2.3 中断传送方式及其接口 如前所述采用查询传送方式，CPU在进行数据传送之前，要反复查询状态端口。如果外部设备的速度比CPU慢很多，CPU可能要经过几万次、几十万次查询，才能进行一次数据传送，CPU的工作效率非常低。为了提高CPU的效率，对于慢速的外部设备应该采用中断传送方式。概念：外部设备“准备好”后，向CPU发出信号(该信号叫做中断申请信号)，CPU在条件允许的情况下，响应该信号：停止原来程序的执行，转而执行与I/O接口进行数据传送的程序，传送完成后，再返回原来的程序继续执行。对于慢速的外部设备来说，在它

24、进行(数据转换之类的)工作过程中，CPU运行其他程序，一旦外部设备工作完成(即“准备好”了)，CPU转而去运行一小段与I/O接口进行数据传送的中断服务程序，然后CPU又去执行原来的程序了。这样，CPU与外部设备基本上是并行工作的，于是就可以大大提高CPU的利用率。【例6.4】前面的AD0809芯片采用查询方式进行数据传送，也可以把该芯片的EOC信号作为中断申请信号，这样CPU的效率就可以大大提高。如图6.9所示是采用中断方式访问ADC0809的接口电路，0809的通道选择和转换启动与前面的查询传送方式是一样的，在此不再赘述。当转换完成后，EOC变成高电平，我们把这个信号作为中断申请信号，传送给

25、CPU，CPU响应中断后，在中断服务程序中，读取0809转换好的数据。图6.9 采用中断方式访问ADC0809的接口电路6.2.4 DMA6.2.4 DMA传送方式传送方式 前面介绍的中断传送方式，适用于CPU与慢速的外部设备之间的数据传送，对于快速的外部设备(读写速度接近于CPU的速度，如：硬盘、光驱之类)，使用这种方式进行数据传送，就不合适了。因为使用中断传送方式，如果外部设备要求进行数据传送，向CPU发出“准备好”的中断请求信号，CPU相应中断，进入中断服务程序时，需要进行保护断点、保护现场等一系列工作，进入中断服务程序后，才进行一次数据传送，在返回原来程序时，又要进行恢复现场、恢复断点

26、等一系列工作。完成这一系列工作，才进行了一次数据传送。这对于慢速外部设备来说算不了什么，因为它下次再发出中断请求，要很长时间之后，才会进行；可是对于快速外部设备来说，在这一系列工作完成前，就可能再次发出中断请求，显然，这时数据传送的速度，被这种传送方式制约了。对于快速外部设备，应该采用DMA传送方式。概念：DMA传送方式是不通过CPU，存储器和I/O接口之间直接进行数据传送的数据传送方式。如果系统需要进行DMA数据传送，在硬件上需要有一个DMA控制器，当外部设备需要进行数据传送时，它发出DMA请求信号，该信号首先传给DMA控制器，再由DMA控制器转发给CPU。如果情况允许，CPU会响应这个DM

27、A请求信号，这时，CPU将让出总线控制权，由DMA控制器接管，DMA控制器发出存储器地址信号、存储器读/写控制信号、I/O接口读/写控制信号，于是就完成了一次数据传送过程。然后，DMA控制器再把总线控制权交还给CPU。在这里没有保护断点、保护现场、恢复断点、恢复现场等工作，传输效率大大提高。1.1.填空题填空题(1)I/O接口可以分成 端口、状态端口、端口三种。(2).I/O接口 编址的好处是I/O接口不占用存储器的地址空间。(3)8088/8086 CPU系统中，最多可以有 个I/O接口。(4)快速I/O设备适用于采用 的数据传送方式。(5)中断传送方式适用于 的I/O设备。2.2.判断题判

28、断题(1)在8088/8086系统中，I/O接口与存储器采用统一编址的方式。(2)IN AH，DX是合法指令。(3)OUT DX，AL是合法的指令。(4)对任何I/O设备都可以使用无条件传送方式。(5)CPU与多个慢速I/O设备连接时，应该采用中断传送方式。3.3.问答题问答题 (1)什么是I/O设备？什么是I/O接口？什么是I/O接口？三者之间的关系是什么样的？(2)I/O接口分成哪几类？各自的作用是什么？(3)8088/8086系统中，I/O接口采用什么样的编址方式？这种方式的优缺点各是什么？(4)I/O接口为什么要进行数据的锁存和缓冲？(5)找出以下指令中的非法指令，并说明出错的原因：M

29、OV AL，DX IN AL，DX OUT 200，AL OUT 300，AL IN AX，DX MOV AX，DX (6)查询传送方式适用于什么样的I/O设备？(7)有一个用于连接输出设备的接口电路，其中有一个数据端口和一个状态端口，数据端口的地址是200H，状态端口的地址 是201H。状态端口的最低位为“1”，表示可以输出数据，要求把26个大写英语字母的ASCII码依次传送给输出设备，请用查询方式编写程序，完成以上任务。(8)利用图6.8的ADC0809接口电路图，如果要求依次读入IN0、IN1、IN2、IN7的数据，并依次放入一个8字节的缓冲区BUF中。请你编一段用查询方式工作的程序，完成以上任务。(9)对于慢速的外部设备，采用中断传送方式(与查询传送方式相比)有什么优点？(10)什么是DMA操作？它适用于什么样的外部设备？