第5章 输入输出与接口技术

5.1 接口概述 5.1.1 I/O接口基本概念 整机结构与接口

1.接口的概念 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。

2.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。

3.I/O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。 微机的应用离不开外部设备接口的设计、选用和连接。 可能是单向的 数据 数据 控制信号 控制信号 外设 CPU 接口 状态信号 状态信号

5.1.2、I/O接口功能 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： 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。 数据缓冲包含数据宽度转换 一个接口一般有多个数据口、命令口和状态口，CPU通过地址译码寻址接口。 接口内部逻辑寻址这些口。 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。

5.1.3、I/O接口组成 接口由接口硬件和接口软件组成。 核心部分 1.接口硬件 控制信号主要用于控制时序

CPU侧引脚信号： 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。 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。 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。

常见接口插槽 串行口 10/100M网卡 PS2鼠标 MIDI/游戏接口 并行口 PS2键盘 音箱/线入接口/麦克风 1394a USB 显示器接口 千兆网 1394

2.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。

5.2 数据传输控制方式 5.2.1 程序控制方式 1. 无条件传送方式 特点：In时假设外设已准备好，Out时假设外设空闲。 5.2 数据传输控制方式 5.2.1 程序控制方式 1. 无条件传送方式 特点：In时假设外设已准备好，Out时假设外设空闲。 要求：接口In时加缓冲器，Out时加锁存器。 应用：对简单外设的操作。 软件：直接对端口地址进行读写 2.条件传送方式（查询方式） 工作原理：CPU查询外设已准备好后，才传送数据。 特点：CPU与外设间自然同步。 要求：需要增加表示外部设备状态的简单硬件电路。 应用：适用在CPU不太忙且传送速度要求不高时。 软件：通过一个循环不断查询接口状态，待接口准备好后在对端口进行读写

查询方式的流程图

5.2.2 直接存储器存取(DMA)方式 3.中断传送方式 特点：CPU与外设可同时工作。 要求：接口中需要中断控制逻辑支持。 应用：适用与非高速度大量数据传送时。 软件：要编写中断初始化程序和中断处理程序，中断处理程序会在中断到来的时候自动被调用。 5.2.2 直接存储器存取(DMA)方式 特点：数据的传送不经过CPU而由DMA负责，但I/O设备管理由CPU控制，简化CPU对I/O的控制。 要求：需要DMA控制器及相关逻辑支持。 应用：适用与高速度大量数据传送时。

5.2.3 I/O处理机方式 特点： I/O处理机接管了CPU的各种I/O操作及I/O控制功能，CPU能与IO处理机并行工作。I/O处理机有自己的指令系统，能独立地直接存取主存储器、对外设和I/O过程进行管理。 要求：需要IO处理机支持。 应用：高速I/O归IO处理机管理，低速I/O设备归CPU管理。

5.3 I/O编址与访问 5.3.1 I/O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。

5.3.2 I/O端口编址 1.I/O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。 MEM空间 I/O空间 N-1 K K-1 存储类指令 5.3.2 I/O端口编址 1.I/O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。 应用：Motorola系列和Apple 系列均采用此方式 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。

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。 N-1 MEM K-1 I/O设备 存储类指令 I/O类指令

Intel系列微机系统仅支持I/O独立编址方式。 缺点： 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。 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。

5.3.3 PC系列I/O端口访问 1.I/O端口地址空间 I/O端口地址空间：理论上有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。 I/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。 2.I/O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：mov dx, 3fdh mov al, 36h in al, dx out 43h, al 4.I/O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。

OUT 43H, AL A19~A16/S6~S3 IO/M# 或 WR #( IOW# ) CS8254 # 0H 00H 43H

作业1 请参照课件P20上OUT 43H, AL 指令的时序图画出IN AL，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。

5.3.4 Pentium的I/O保护 I/O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。

2.I/O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）

2.I/O允许位映象保护 思考：如何让普通任务访问I/O端口？ 思路：设法进入到0级 通过操作系统提供的接口函数； 通过设备驱动程序（其运行在0级上）； 通过操作系统的漏洞。

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。 CPL当前段的I/O优先级，它实际上是CS段选择符的第0~第1位。 执行in, out指令 是 CPL ≤ IOPL？ 否 是 IOPM是对所有VM都起作用的权限机制，它以位（bit）来代表每个端口。某位为1，则该代表的端口被禁止访问；某位为0；则允许访问该位所代表的端口。 IOPM相关位=0？ 否 产生一个一般保护异常 进行I/O操作

V86模式下（DOSVM）的I/O端口访问 执行in, out指令 是 IOPM相关位=0？ 否 进行I/O操作 产生一个一般保护异常

5.4 接口分析与设计方法 4.4.1 x86系列微机接口分析 1.I/O接口硬件分类 系统板上I/O芯片和I/O扩展槽接口卡。 5.4 接口分析与设计方法 4.4.1 x86系列微机接口分析 1.I/O接口硬件分类 系统板上I/O芯片和I/O扩展槽接口卡。 2.I/O端口地址分配 PC系列I/O地址线有16根，对应64K空间； I/O端口译码只使用了A0-A9，共1024个端口，地址范围为0000H~03FFH。 不同的微机系统对I/O端口地址的分配不同。 初期：A9=0端口(512个)为系统板所用，其他端口(512个)为扩展槽所用。

PC/AT/Pentium：A8=A9=0端口(256个)为系统板所用，其他端口(768个)为扩展槽所用。 系统板I/O接口芯片端口地址(0000H-00FFH)： I/O芯片名称 地址范围 DMAC1 DMAC2 DMA页面寄存器 0000-001FH 00C0-00DFH 0080-009FH 中断控制器1 中断控制器2 0020-003FH 00A0-00BFH 定时器 并行接口芯片(键盘接口) RT/CMOS RAM 协处理器 0040-005FH 0060-006FH 0070-007FH 00F0-00FFH 返回36页

扩展槽I/O接口卡端口地址(0100H-03FFH)： 地址范围 游戏控制卡 0200-020FH 并行口控制卡1 并行口控制卡2 0370-037FH 0270-027FH 串行口控制卡1 串行口控制卡2 03F8-03FFH 02F8-02FFH 原型插件板(用户可用) 0300-031FH 同步通信卡1 同步通信卡2 03A0-03AF 0380-038FH 单显MDA 彩显CGA 彩显EGA/VGA 03B0-03BFH 03D0-03DFH 03C0-03CFH 软驱控制卡 硬驱控制卡 03F0-03FFH 01F0-01FFH PC网卡 0360-036FH

用户I/O端口地址选用原则： 系统配置占用的端口地址一律不能用； 厂家声明保留的端口地址不要用； 其余端口地址可用，为避免冲突最好采用DIP。 3.I/O端口地址译码方法 一个I/O接口中的多个端口地址是连续的。 I/O接口芯片片选(CS#)信号： IOW#/IOR#信号(有效)、AEN信号(无效)和I/O端口地址高位经过译码得到。 I/O接口芯片内部端口地址： I/O端口地址低位直接组成。

4.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)。

例：读取CMOS信息。 ；功能：读取CMOS信息 main() ；调用：AL=CMOS地址 { ；返回：AL=CMOS内容 proc_read_cmos proc cli or al,80h ;屏蔽NMI out 70h,al jmp $+2 ;延迟 in al,71h ;读CMOS数据 sti ret proc_read_cmos endp main() { short int i, j; unsigned char c_CmosMessage[64]; for (i=0;i<=63;i++) j=i|0x80 outportb(0x70,j); c_CmosMessage[i]=inportb(0x71) ; } printf("CMOS信息读取完毕。\n");

5.4.2 I/O端口地址译码电路的几种形式 1.固定式端口地址译码 接口中只有一个端口时可采用门电路构成。 接口中有多个端口时一般采用译码器电路构成，常见的译码器有74LS138、74LS154等。 74LS138译码器： 15 Y0# Y7# A B C G2B# G2A# G1 14 13 12 11 10 9 7 1 2 3 4 5 6 74LS138 工作条件： G1=1，G2A # =G2B # =0。 工作原理： 将复合的输入信号变为枚举的输出信号。

74LS138真值表 输 入 输 出 G1G2A#G2B# C B A Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 X X X X X 1 1 1 1 1 1 1 1 X 1 X X X 1

软件上和信号上如何区别访问I/O还是MEMORY? 74LS138在PC机系统板端口译码的应用： 15 1 A5 A Y0# DMACS#(8237) 14 2 A6 INTRCS#(8259) B 74LS138 13 3 A7 T/C CS#(8253) C 12 PPICS#(8255) 5 11 A8 G2B# WRTDMAPG# ≥1 4 10 A9 G2A# WRTNMIREG# 6 9 ≥1 G1 AEN# 7 Y7# IOW# 软件上和信号上如何区别访问I/O还是MEMORY? 为何中断控制1端口地址为0020H-003FH？ 转29页

CPU MEM 8259 8253 DMA 00H ： 8259 1FH 20H 数据总线 8253 地址总线 3FH 控制总线 40H 8255 系统… 空闲 00H 20H 40H 60H 3FFH 1FH 3FH 5FH 7FH ： CPU MEM D7-D0 数据总线 A15-A0 地址总线 控制总线 IOR# IOW# IOR# IOW# D7-D0 D7-D0 A5 15 Y0 A 设 备 侧 信 号 A6 14 设 备 侧 信 号 B A7 74LS138 13 WR# WR# C 12 RD# RD# A8 G2B# 11 A9 10 CS# CS# G2A# 8259 9 A0 A0 AEN# G1 Y7 7 A1 A0 A1 A0 8253

2.可选式端口地址译码 (1)使用比较器+地址开关方法 比较器和地址开关产生一个信号参与片选。 74LS688比较器： 当P0~7≠Q0~7时， P=1，输出高电平。 当P0~7=Q0~7时， P=0，输出低电平。 系统时钟频率很高的时候，IOR’#H和IOW#会很窄，译码电路延迟太大的话，等到译码结果出来，IOW#和IOR#可能已经撤销。 注意：当系统时钟频率很高的时候，译码电路的延迟不能太大

(2)使用异或门+地址开关方法 用异或门代替比较器和地址开关比较。 如用3片74LS136代替74LS688。 74LS136： 逻辑： 3=1⊕2；6=4⊕5； 8=9⊕10；11=12⊕13； =1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 VCC GND 74LS136 连线： 异或门的输入端分别接地址线和开关线。 片选：各异或门的输出“或”的结果。

思考题1 ?

思考题1 的答案 300H 301H 302H 303H 304H 305H 306H 307H

__ 00~1FH 40~5FH __ 80~9FH _________ __ 100~11FH __ __ 思考题2 15 1 __ Y0 00~1FH 40~5FH 80~9FH _________ 100~11FH A 14 2 __ B 74LS138 13 3 __ C 12 5 11 __ G2B 4 10 __ G2A 6 9 G1 AEN# 7 Y7 A9~A0共10根线参与地址译码，请将上图的空填对。

A6 00~1FH 40~5FH A7 80~9FH A8 100~11FH C0~DFH A5 A9 140~15HH AEN# 思考题2的答案 A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0 第一步 ? ? ? ? ? ×× ××× 第二步 0 ? ? ? 0 ×× ××× 第三步 0 C B A 0 × × ××× Y0 Y7 A B C G2B G2A G1 15 14 13 12 11 10 9 7 1 2 3 4 5 6 74LS138 AEN# # A6 A7 A8 A5 A9 00~1FH 40~5FH 80~9FH 100~11FH C0~DFH 140~15HH 180~19FH 1C0~1DFH

思考题3 Y6 A B C 74LS138 G1 G2A # G2B # A0 A1 CS# A2 某接口芯片 & IOR# IOW# 要求接口芯片的端口地址范围为260H，262H，264H，266H，268H，26AH，26CH，26EH，请问A0~A9这10根线需要怎么连。

思考题3答案 0000 0010 0100 0110 1000 1010 1100 1110 × × × 0 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 260H 262H 264H 266H 268H 26AH 26CH 26EH 1 0 0 1 1 0 A A6 A5 A4 B 74LS138 某接口芯片 C G1 ≥1 A9 A0 A7 A8 Y6 CS# G2A # A1 A2 A3 A2 A1 IOR# A0 & G2B # IOW#

按图上的连接方法，该接口芯片一共有几个端口？每个端口的地址分别是多少？ 思考题4 Y2 A B C 74LS138 A3 A4 A5 G1 & A6 A7 G2B # IOR# IOW# 某接口片 CS# A0 A1 G2A # A8 A9 ≥1 按图上的连接方法，该接口芯片一共有几个端口？每个端口的地址分别是多少？

思考题4答案 A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0 D0H D4H 0 0 1 1 0 1 0 × 0 0 共4个端口 0 0 1 1 0 1 0 × 0 0 0 1 1 0 1 1 D0H D4H D1H 或 D5H D2H D6H D3H D7H 共4个端口 地址是： Y2 A B C 74LS138 A3 A4 A5 G1 & A6 A7 G2B # IOR IOW 某接口片 CS# A0 A1 G2A # A8 A9 ≥1

现在希望一个地址译码能够译码出以下地址： Y0#地址为000~00FH/100~10FH/200~20FH/300~30FH 思考题5 现在希望一个地址译码能够译码出以下地址： Y0#地址为000~00FH/100~10FH/200~20FH/300~30FH Y1#地址为010~01FH/110~11FH/210~21FH/310~31FH …… …… Y7#地址为070~07FH/170~17FH/270~27FH/370~37FH 请设计这个译码电路。 用138和688组合

5.4.3 接口分析与设计基本方法 1.接口硬件设计方法 接口主要完成数据、地址、控制总线与外设信号的转换和连接任务。 分析接口两侧的情况： CPU侧：数据线宽度、地址线宽度、控制线逻辑定义及时序； 外设侧：工作原理与特点，引脚信号逻辑定义、时序和电平差异。 进行信号转换：找出差异并进行信号转换与改造。 选择合理外围接口芯片构成接口电路。

注意点： 资源冲突问题； 时序问题及缓冲、锁存措施； 负载与总线驱动问题。 抗干扰措施。 与数据总线相连的器件必须有三态功能。 接口卡插脚与I/O槽引角对应关系要正确。接口卡的几何尺寸要正确。

2.接口软件设计方法 直接对硬件编程： 设计者必须对接口硬件细节十分熟悉； 尽可能用汇编语言编写程序。 间接对硬件编程： 调用标准接口驱动程序。 BIOS调用、DOS调用、Win32 API、DirectX等