第 5 章输入输出与接口技术

现代微机原理与接口技术现代微机原理与接口技术 (( 第第 33版版 ))

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第 5 章输入输出与接口技术



定义：接口定义：接口是是 CPUCPU 与“外部世界”的与“外部世界”的连接电路连接电路，负，负责“责“中转中转”各种”各种信息信息。。分类：分类：存储器接口和存储器接口和 I/OI/O 接口。接口。位置：位置：介于系统总线与外部设备之间。介于系统总线与外部设备之间。

1.1. 接口的概接口的概念念

5.1.1 I/O5.1.1 I/O 接口基本概念接口基本概念5.1 接口概述



2.2. 为什么要引入接口为什么要引入接口

• 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/O3.I/O 接口与接口与 I/OI/O 设备设备不同不同 I/OI/O 设备对应设备对应 I/OI/O 接口不同。接口不同。I/OI/O 接口受接口受 CPUCPU 控制，控制， I/OI/O 设备受设备受 I/OI/O 接口控制。接口控制。为增加通用性，为增加通用性， I/OI/O 接口电路一般均具有可编程功能。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。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



数据缓冲功能：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数据口。。接受和执行接受和执行 CPUCPU 命令功能：命令功能：接口中存放 CPU 命令代码的寄存器称之为命令口命令口，，控制和监视设备执行功能：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状态口。。设备选择功能：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：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：可编程功能：增加接口的灵活性和智能性。

5.1.25.1.2 I/OI/O 接口功能接口功能



接口由接口硬件和接口软件组成。1.1. 接口硬件接口硬件核心部分核心部分

5.1.35.1.3 I/OI/O 接口组成接口组成



CPUCPU 侧引脚信号：侧引脚信号：

外设侧引脚信号：外设侧引脚信号：数据信号：数据信号：接口缓冲寄存器与外设间的数据交换；状态信号：状态信号：外设工作状态送给接口的状态寄存器；控制信号：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：地址信号：选择 I/O 接口中的不同寄存器 ( 端口 ) ；数据信号：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：控制信号：控制命令的执行、时序、信号同步和片选；状态信号：状态信号：接口的部分工作状态信号。

内部控制逻辑：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。



常见接口插槽常见接口插槽

PS2 鼠标

PS2 键盘

千兆网

10/100M 网卡

USB

并行口 MIDI/ 游戏接口

显示器接口1394

1394a

音箱 / 线入接口 / 麦克风

串行口



常见接口插槽常见接口插槽 22

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



2.2. 接口软件（设备驱动程序）接口软件（设备驱动程序）初始化程序段：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：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：主控程序段：完成接口任务的程序。程序终止与退出程序段：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：辅助程序段：提供人 - 机对话手段。



5.2.1 5.2.1 程序控制方式程序控制方式1. 1. 无条件传送方式无条件传送方式特点：特点： I 时假设外设已准备好， O 时假设外设空闲。要求：要求：接口 I 时加缓冲器， O 时加锁存器。应用：应用：对简单外设的操作。2.2. 条件传送方式（查询方式）条件传送方式（查询方式）工作原理：工作原理： CPUCPU查询外设已准备好后，才传送数据。查询外设已准备好后，才传送数据。特点：特点： CPUCPU 与外设间自然同步。与外设间自然同步。要求：要求：需要增加表示外部设备状态的简单硬件电路。需要增加表示外部设备状态的简单硬件电路。应用：应用：适用在适用在 CPUCPU 不太忙且传送速度要求不高时。不太忙且传送速度要求不高时。

5.2 数据传输控制方式



3.3. 中断传送方式中断传送方式特点：特点： CPU 与外设可同时工作。要求：要求：接口中需要中断控制逻辑支持。应用：应用：适用与非高速度大量数据传送时。5.2.2 5.2.2 直接存储器存取直接存储器存取 (DMA)(DMA) 方式方式特点：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：要求：需要 DMA 控制器及相关逻辑支持。

应用：应用：适用与高速度大量数据传送时。



5.2.3 I/O5.2.3 I/O 处理机方式处理机方式特点：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：要求：需要 IO 处理机支持。

应用：应用：高速 I/O 归 IO 处理机管理，低速 I/O 设备归CPU管理。



5.3.1 I/O5.3.1 I/O 端口端口1.I/O1.I/O 端口端口 I/OI/O 端口端口是供 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/O2.I/O 端口地址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/OI/O 端口地址端口地址。。

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访问设备实际上是访问相关的端口。

3.3. 命令、接口与命令、接口与 I/OI/O 端口关系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。

5.3 I/O 编址与访问



1.I/O1.I/O 统一编址（存储器映象统一编址（存储器映象 I/OI/O 编编址）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：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：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-1

KK-1

0

存储类指令

应用：应用： Motorola 系列和 Apple 系列均采用此方式

5.3.2 I/O5.3.2 I/O 端口编址端口编址



2.I/O2.I/O独立编址独立编址 I/O 端口地址空间与存储器地址空间相互独立。应用：应用： Z-80 系列和 x86 系列均采用此方式。优点：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-1

0存储类指令 I/O 类指令

K-1

0



缺点：缺点：

3.Intel3.Intel 系列微机系列微机 I/OI/O 编址编址 IntelIntel 系列微处理器系列微处理器支持 I/O独立编址方式和 I/O 统一编址（存储器映象编址）方式。

IntelIntel 系列微机系统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。



1.I/O1.I/O 端口地址空间端口地址空间 I/OI/O 端口地址空间：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。

5.3.3 IA-325.3.3 IA-32 系列微机系列微机 I/OI/O 端口访问端口访问

• 00~0FFH00~0FFH （（ 256256个端口）地址用于主板个端口）地址用于主板• 100~3FFH100~3FFH （（ 768768个端口）地址用于扩展板个端口）地址用于扩展板• 400~0FFFFH400~0FFFFH 地址用于地址用于 I/OI/O扩展设备（如扩展设备（如 PCIPCI 设备）设备）

源于IBM PC

I/OI/O 端口地址信号：端口地址信号：借用地址线信号地址线信号和 IOW#/IOR#IOW#/IOR#信号线信号线以及表示表示 DMADMA正在工作的正在工作的 AENAEN 的反相信的反相信号号组成。



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（现保留）

0040-005FH

0060-006FH

0070-007FH

00F0-00FFH

系统板系统板 I/OI/O 接口芯片口地址接口芯片口地址 (0000H-00FFH)(0000H-00FFH) ：：

返回地址译码返回地址译码



扩展槽扩展槽 I/OI/O 接口卡端口地址接口卡端口地址 (0100H-03FFH)(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 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



2.I/O2.I/O 端口地址寻址方式端口地址寻址方式 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/O3.I/O 端口与累加器间端口与累加器间 I/OI/O指令指令————寄存器寄存器 I/OI/O指指令令格式：格式： IN 、 OUT 。结果：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/O4. I/O 端口与存储器间端口与存储器间 I/OI/O指令指令————块块 I/OI/O指令指令格式：格式： INSB/W/D 、 OUTSB/W/D 。参数：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：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/O5.I/O 端口访问端口访问 CPU 通过 I/O指令对 I/O 接口进行访问。汇编语言指令：汇编语言指令： IN 、 OUT 。 CC语言指令：语言指令： inportb(inport) 、 outportb(outport) 。 VC++VC++指令：指令： _inp(_inpw) 、 _outp(_outpw) 。



例：例：读取 CMOS 信息。

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");}

；功能：读取；功能：读取 CMOSCMOS 信息信息；调用：；调用： AL=CMOSAL=CMOS 地址地址；返回：；返回： AL=CMOSAL=CMOS 内容内容 proc_read_cmos procproc_read_cmos proc clicli or al,80h ;or al,80h ; 屏蔽屏蔽 NMINMI out 70h,alout 70h,al jmp $+2jmp $+2 ; ;延迟延迟 in al,71h ;in al,71h ; 读读 CMOSCMOS 数数

据据 stisti retret proc_read_cmos endpproc_read_cmos endp



或

A19~A16/S6~S3

CSCS8254 8254 ##

0H0H

00H00H

43H43H [AL][AL]

OUT 43H, ALOUT 43H, AL

WR #( IOW# ) WR #( IOW# )

IO/M#IO/M#



作业 1 请参照上页 OUT 43H, AL 指令的时序图画出 IN ALIN AL ，， 21H21H 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。



I/OI/O 保护在保护模式下有效，在实地址模式下无效。保护在保护模式下有效，在实地址模式下无效。

1.I/O1.I/O特权级特权级 IOPLIOPL 保护保护

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 ， 0级特权的过程可通过 POPF 和 IRET指令修改任务的 IOPL 。

5.3.4 Pentium5.3.4 Pentium 的的 I/OI/O 保护保护



2.I/O2.I/O允许位映象保护允许位映象保护 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）

思考：思考：如何让普通任务访问 I/O 端口？

• 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。

思路：思路：设法进入到 0级



3. 3. 保护模式下的保护模式下的 I/OI/O 端口访问端口访问

执行 in, out指令

CPL ≤ IOPL？

IOPM 相关位 =0？

进行 I/O 操作

否

否

产生一个一般保护异常

是

是 IOPMIOPM 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。

IOPLIOPL 用以表示指定的 I/O 操作处于特权级的哪一级。它在EFLAGS 中。

CPLCPL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。



V86V86模式下（模式下（ DOSVMDOSVM ）的）的 I/OI/O 端口访问端口访问

执行 in, out指令

IOPM 相关位 =0？

进行 I/O 操作否

产生一个一般保护异常

是



22 ）接口芯片内部端口号：）接口芯片内部端口号：地址线低位直接组成。

端口地址端口地址 == 端口所在接口基地址端口所在接口基地址 ++ 端口端口号号

5.4 I/O 端口地址译码方法

11 ）片选）片选 (CS#)(CS#) 信号：信号：其有效表明该接口芯片可以通过系统总线与 CPU进行数据交换

使用 IOW#/IOR# 信号 ( 有效 ) 、 AEN 信号 (无效 )和地址线高位（接口基地址）经过译码得到片选信号。

5.4.1 5.4.1 接口芯片中与地址译码有关的管脚及其运用接口芯片中与地址译码有关的管脚及其运用



5.4.2 5.4.2 固定式端口地址译码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。 74LS13874LS138 译码器：译码器：

工作条件：工作条件：

G1=1 ， G2A # =G2B # =0 。工作原理：工作原理：将复合的输入信号变为枚举的输出信号。

15Y0#

Y7#

A

B

C

G2B#

G2A#G1

14

13

12

11

10

9

7

1

2

3

4

5

6

74LS138



输入输出G1G2A#G

2B#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

1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1

1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1

1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1

1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1

1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1

1 0 0 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 X 1 1 1 1 1 1 1 1

X X 1 X X X 1 1 1 1 1 1 1 1

74LS13874LS138真值表真值表



Y0#

Y7#

A

B

C

G2B#

G2A#G1

15

14

13

12

11

10

9

7

1

2

3

4

5

6

74LS138

A5

A6

A7

A8

A9

AEN’#

DMACS#(8237)

INTRCS#(8259)

T/C CS#(8253)

PPICS#(8255)

WRTDMAPG#≥1

≥1 WRTNMIREG#

IOW#

74LS13874LS138 在在 PCPC 机系统板端口译码的应用：机系统板端口译码的应用：

转转 PCPC例子例子为何中断控制为何中断控制 11 端口地址为端口地址为 0020H-003FH0020H-003FH ？？软件上和信号上如何区别访问软件上和信号上如何区别访问 I/OI/O还是还是MEMORY?MEMORY?



DMA

8259

8253

8255

系统…

空闲

00H

20H

40H

60H

3FFH

1FH

3FH

5FH

7FH

：

：

：

：

数据总线地址总线控制总线

CPU

D7-D0D7-D0

CS#

A0A0

WR#WR#

RD#RD#

设备侧信号

D7-D0D7-D0

CS#

A1A1A0A0

WR#WR#

RD#RD#

设备侧信号

8259

8253

MEM

Y0

Y7

AABBCC

GG22BB##

GG22AA##

GG11

15

14

13

12

11

10

9

7

A5A5

A6A6

A7A7

A9A9A8A8

AEN#AEN#

74LS138

A1A1A0A0

A0A0

A15-A0A15-A0

D7-D0D7-D0

IOW#IOW#IOR#IOR# IOW#IOW#IOR#IOR#



5.4.3 5.4.3 可选式端口地址译码可选式端口地址译码(1)(1) 使用比较器使用比较器 ++ 地址开关方法地址开关方法

74LS68874LS688 比较器：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。

比较器和地址开关产生一个信号参与片选。

注意：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)(2) 使用异或门使用异或门 ++ 地址开关方法地址开关方法用异或门代替比较器和地址开关比较。

=1 =1

=1 =1

1 2 3 4 5 6 7

891011121314

VCC

GND

74LS136

如用 2 片 74LS136 代替 74LS688 。 74LS13674LS136 ：：

逻辑：逻辑： 3=1⊕2 ； 6=4⊕5 ； 8=9⊕10 ； 11=12⊕13 ；连线：连线：异或门的输入端分别接地址线和开关线。

片选：片选：各异或门的输出“或”的结果。



思考题思考题 11

?



300H301H302H303H304H305H306H307H

思考题思考题 1 1 的答的答案案




Y0

Y7

A

B

C

G2B

G2A

G1

15

14

13

12

11

10

9

7

1

2

3

4

5

6

74LS138

______

____

AEN#

00~1FH 40~5FH 80~9FH_________100~11FH___________________________

A9~A0A9~A0 共共 1010 根线参与地址译码，请将上图的空填对。根线参与地址译码，请将上图的空填对。



思考题思考题 22 的答案的答案

AA66

AA77

AA88

AA55

AA99

00~1FH 40~5FH 80~9FH 100~11FHC0~DFHC0~DFH

140~15HH140~15HH180~19FH180~19FH1C0~1DFH1C0~1DFH

A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0

第一步 ? ? ? ? ? ×× ×××第二步 0 ? ? ? 0 ×× ×××

第三步 0 C B A 0 × × ×××

Y0

YY77

A

B

C

G2B

G2A

G1

15

14

13

12

11

10

9

7

11

22

33

44

55

66

74LS138

AEN#

#

#




要求接口芯片的端口地址范围为要求接口芯片的端口地址范围为260H260H ，， 262H262H ，， 264H264H ，， 266H266H ，， 268H268H ，， 26AH26AH ，， 2626CHCH ，， 26EH26EH ，请问，请问 A0~A9A0~A9 这这 1010 根线需要怎么连。根线需要怎么连。

Y6

A

B

C74LS138

G1

G2A #

G2B # A0

A1

CS#

A2

某接口芯片

&IOR#IOW#



思考题思考题 33答案答案A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0

1 0 0 1 1 0

Y6

A

B

C74LS138

G1

G2A #

G2B # A0

A1

CS#

A2

某接口芯片

&IOR#IOW#

A1

A2

A3

A6

A5

A4

≥1

A9

A0

A7

A8

0000001001000110

1000101011001110

× × × 0260H260H262H262H264H264H266H266H268H268H26AH26AH26CH26CH26EH26EH




Y2

A

B

C74LS138

A3A4

A5

G1&A6A7

G2B #&IOR#IOW#

某接口片

CS#

A0

A1

A0

A1

G2A #A8A9 ≥1

按图上的连接方法，该接口芯片一共有几个端口？每按图上的连接方法，该接口芯片一共有几个端口？每个端口的地址分别是多少？个端口的地址分别是多少？



思考题思考题 44答案答案

Y2

A

B

C74LS138

A3A4

A5

G1&A6A7

G2B #&IORIOW

某接口片

CS#

A0

A1

A0

A1

G2A #A8A9 ≥1

A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0

0 0 1 1 0 1 0 × 0 00 11 01 1

D0H D4HD1H 或 D5HD2H D6HD3H D7H

共 4个端口地址是：




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/300~30FHY1# 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。

第 5 章 输入输出与接口技术

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