第6章輸入輸出接口技術本章重點I/O接口的基本概念輸入輸出IN/OUT指令程序查詢輸入輸出方式中斷輸入輸出方式DMA輸入輸出方式I/O端口地址分配I/O端口地址譯碼計算機系統的I/O接口為什么輸入輸出設備不能像存儲器一樣直接連在總線上？6.1接口技術基本概念ALUCPUI/O設備CU主存MI/O接口地址總線AB控制總線CB數據總線DB外設接口(I/O接口)的必要性外設的種類繁多，而存儲器的種類單一，必須經過接口電路連接到總線上。外設的速度較慢，而存儲器的速度較快，必須經過接口電路進行數據的緩沖和鎖存。外設的信號多種多樣，必須經過接口電路轉換成處理器可以識別的信號。

I/O接口的作用相當與一個轉換器,它可以保證外圍設備用計算機所要求的形式發送或接受信息。I/O接口的功能進行譯碼選址——在具有多臺外設的系統中，外設接口必須能夠進行地址譯碼，確定本設備是否被選中轉換信息格式——接口電路完成串／并轉換、并／串轉換協調定時差異——為了緩解主機與外設之間的速度差異，對傳輸的數據或地址加以緩沖或鎖存提供聯絡信號——接口電路向主機提供外部設備“就緒”、“忙”，數據緩沖器“滿”、“空”等狀態信號中斷管理功能——接口電路有產生并管理中斷請求和DMA請求的能力，以滿足實時系統以及大批量數據傳送的能力可編程——對一些通用的接口電路，應該具有通過軟件編程控制外設工作方式的能力錯誤檢測功能——對通信過程中的傳輸錯誤或者溢出錯誤能夠進行實時檢測I/O接口的組成控制寄存器地址譯碼器狀態寄存器數據緩沖寄存器控制邏輯電路I/O接口外部設備數據線數據線CPU控制命令線狀態狀態線地址線I/O接口與I/O端口端口：CPU能夠直接訪問的I/O接口內部的寄存器稱為端口端口號：每一個端口的訪問地址I/O接口CPU與I/O接口傳遞的信息數據信息：

CPU輸入輸出設備

CPU輸入輸出設備控制信息：

CPU輸入輸出設備控制命令外設狀態狀態信息：輸入輸出設備CPU數據信息、狀態信息和控制信息都是通過數據總線傳送的。CPU寫入控制端口的數據是CPU對外設的控制信息；CPU讀狀態端口的數據是外設的狀態信息；CPU寫數據端口的數據是CPU送給外設的數據CPU讀數據端口的數據是外設送給CPU的數據I/O端口編址方式為了便于CPU訪問端口，每一個端口都有一個地址，系統有兩種方式為端口分配地址：I/O端口和存儲器統一編址統一編址就是從存儲器空間中劃分出一部分給I/O設備，把I/O端口當作存儲單元來訪問。例如：設CPU有16根地址線，存儲空間為64K，規定地址總線的最高位A15＝1訪問I/O端口，A15＝0訪問存儲器，則0～32K為存儲器地址空間，32K～64K為I/O端口地址空間。統一編址的優點是不需要專門的I/O指令，凡對存儲器有效的訪問指令都可以訪問I/O端口，訪問形式靈活。缺點是端口占用了一定的存儲空間，存儲器空間變小。6.3I/O端口編址方式及地址譯碼2016統一編址方式I/O端口和存儲器獨立編址獨立編址就是I/O端口地址補占用存儲器地址空間，兩者的地址空間完全獨立，都從0開始編址。獨立編址需要專門的I/O端口訪問指令。8086采用存儲器與I/O端口獨立編址方式，即內存單元和I/O端口從0單元開始編址。當引腳M/IO為高電平時訪問存儲器，當M/IO為低電平時訪問I/O端口。

8086有專門的訪問I/O端口的指令(IN和OUT)，當8086在執行訪問I/O端口的輸入(IN)指令和輸出(OUT)指令時，就會使M/IO信號處于低電平，結合RD和WR信號產生出對相應的I/O端口的讀/寫操作。獨立編址的優點是I/O端口不占用內存空間；缺點是I/O指令功能單一，類型少，使輸入輸出操作受到限制。獨立編址方式IN和OUT指令

8086系統中可以有64K個8位端口，相鄰編號的兩個端口可以組合成為一個16的端口。執行輸入(IN)輸出(OUT)指令時，CPU可以從一個8位端口讀入(寫出)一個字節到AL中，或者從一個16位端口讀入(寫出)一個字到AX中。1.IN指令(輸入指令)格式：INA，PORT;A可以是AL或者是AX功能：AL←(PORT)或AX←(PORT

+1)_(PORT)(1)直接輸入指令端口號為0～255，用一個立即數表示（00H～FFH）INAL，50H；將50H端口的字節讀入ALINAX，70H；分別將70H、71H端口的內容讀入AL、AH(2)間接輸入指令當端口號大于FFH時，這些端口號不能用在指令中用立即數的形式給出，端口號放在DX寄存器中。MOVDX，500H;端口號送DX

INAL，DX;將DX所指端口內容送ALOUTDX，AL；將AL中的字節輸出到DX所指的端口中2.OUT指令(輸出指令)格式：OUTPORT，A;A可以是AL或者是AX功能：AL→(PORT)或AX→(PORT

+1)_(PORT)(1)直接輸出指令OUT44H，AL；將AL中的內容輸出到44H端口

OUT80H，AX；將AL、AH中的內容輸出到80H、81H端口(2)間接輸出指令I/O端口地址譯碼CSA9A8A7A6A5A4A3A2M/IOAEN接口電路芯片A1A0片內端口選擇端口地址27CH~27FH固定式譯碼方式門電路譯碼

跳線在J1時，端口地址27CH~27FH跳線在J2時，端口地址37CH~37FHA9A8A7A6A5A4A3A2CSJ1J2M/IOAENCS接口電路芯片A1A0片內端口選擇可選式譯碼方式譯碼器電路譯碼G3CBAG2G1Y0Y2Y1Y3Y4Y6Y5Y774LS138A2A1A0A7A5A4A3&M/IOA9A8A6&340H341H342H343H344H345H346H347H全地址譯碼G3CBAG2G1Y0Y2Y1Y3Y4Y6Y5Y774LS138A7A6A5000-01FH040-05FH060-07FH080-09FH0A0-0BFH0C0-0DFH0E0-0FFHA9A8M/IO1020-03FH部分地址譯碼CPU與外部設備的定時方式－輸入過程：1)CPU把一個地址值放在地址總線上，選擇某一輸入設備；2)CPU等候輸入設備的數據成為就緒；3)CPU從數據總線讀入數據，并放在一個相應的寄存器中。－輸出過程：1)CPU把一個地址值放在地址總線上，選擇輸出設備；2)CPU等候輸出設備的狀態成為就緒；3)CPU把數據放在數據總線上，輸出設備把數據取走。問題的關鍵在于：輸入時究竟什么時候輸入設備數據成為就緒?輸出時什么時候輸出設備的狀態才成為就緒。很顯然由于輸入輸出設備本身的速度差異很大，對于不同速度的外圍設備，需要有不同的定時方式。6.3CPU與外設數據傳遞方式CPU與外圍設備的定時有三種情況：－簡單外圍設備：

CPU和這類設備的數據交換不需要定時，CPU認為它們始終處于就緒狀態，例如：機械開關，CPU認為輸入設備的數據一定就緒，因為只要根據開關的閉/合就可以輸入0/1信號；例如:顯示二極管，CPU認為輸出設備的狀態一定就緒，因為只要CPU輸出0/1信號，顯示二級就可以滅/亮。

CPU和這類設備的數據交換一般采用無條件傳送方式。－慢速外圍設備由于這類設備的速度和CPU的速度不在一個數量級上，如打印機；或由于設備本身是在不規則時間間隔下操作的，如鍵盤，因此CPU與這類設備之間的通常采用異步定時方式。輸入：CPU首先查詢外部設備的數據是否就緒，如果就緒則通過數據總線輸入數據，否則循環等待直到數據就緒；或者由外部設備在數據就緒時通知CPU，CPU通過數據總線輸入數據。輸出：CPU首先查詢外部設備的狀態是否就緒，如果就緒則通過數據總線輸出數據，否則循環等待直到外設就緒；或者由外部設備在狀態就緒時通知CPU，CPU通過數據總線輸出數據。

CPU和這類設備的數據交換一般采用程序查詢方式或者中斷方式。－高速的外圍設備由于這類外設是以相等的時間間隔操作的，則CPU可以用等間隔的速率執行輸入/輸出指令。因此CPU與這類設備之間的通常采用同步定時方式。例如外設外設的速度是2400B/s，則CPU每隔1/2400執行一次輸入指令即可。

CPU和這類設備的數據交換一般采用DMA方式或通道方式。無條件方式CPU認為外設的輸入數據始終有效，隨時可以輸入；或外設的狀態始終就緒，隨時可以輸出。程序查詢方式CPU和I/O串行工作踏步等待從I/O接口中讀一個字到CPU從CPU向主存寫入一個字CPU向I/O發讀指令CPU讀I/O狀態檢查狀態完成否未準備就緒現行程序是出錯已準備就緒否

CPU通過執行程序不斷讀取并測試外設的狀態，如果外設處于就緒狀態，則CPU執行輸入指令或輸出指令與外設交換數據。否則CPU必須循環等待。②設備選擇電路數據緩沖寄存器QQ&數據線是否就緒啟動命令地址線SEL輸入數據啟動設備設備工作結束①③④⑤⑥就緒忙⑥①②③⑤1010④程序查詢方式的接口

1）設備選擇電路2）數據緩沖寄存器3）設備狀態標志

CPU通過執行程序不斷讀取并測試外設的狀態，如果外設處于就緒狀態，則CPU執行輸入指令(in)或輸出指令(out)與外設交換數據。否則CPU循環等待。檢查狀態標記交換數據準備就緒?是否測試指令轉移指令傳送指令控制總線輸入設備狀態寄存器CPU數據總線地址總線0:未就緒1:就緒端口地址：61H設I/O接口的數據寄存器端口地址為62H(圖中未給出)，輸入的字符存放在BX所指的內存緩沖區中，則通過查詢傳送輸入數據的程序如下：

INPUT:INAL,61H；讀狀態寄存器

TESTAL,01H；測試最低位

JZINPUT；繼續讀入

INAL,62H；輸入數據

MOV[BX],AL；存放數據RDY查詢式輸入接口電路查詢式輸出接口電路中斷傳送方式在查詢方式中，不能有效的利用CPU。為了提高CPU的利用率，于是產生了中斷處理技術。在中斷系統中，CPU與外設交換數據時，CPU不需要查詢外部設備的狀態，當外設沒有做好傳送數據的準備時，CPU可以執行其他操作，當外設準備好后，向CPU發送中斷請求，CPU暫停當前的程序，執行中斷程序來完成數據傳送，接著返回原來的程序繼續執行。主程序主程序中斷請求中斷返回中斷服務子程序中斷的概念在CPU正常運行程序時，由于內部或外部某個非預料事件的發生，使CPU暫