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第 7 章第 7 章

第七章 输入 /输出接口

一、微机接口技术概述

二、 DMA 接口技术

三、可编程 DMA 控制器 8237

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第 7 章第 7 章

第一部分 微机接口技术概述

第一节 接口技术的基本概念

第二节 I/O 端口的编址和译码

第三节 CPU 与外设间的数据传送方式

第四节 接口技术的现状

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第 7 章第 7 章

第一节 接口技术的基本概念

一、 接口的概念和功能

二、 接口电路的典型结构

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第 7 章第 7 章

一、 接口的概念和功能

1 、接口和接口技术

2 、为什么要用接口电路？

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第 7 章第 7 章 1 、接口和接口技术

接口 指 CPU 、存储器、外设之间通过总线进行连接的电路部分，是 CPU 与外界进行信息交换的中转站。接口电路一般指通用

的接口芯片，泛指所有接口。

接口技术 是研究 CPU 如何与外部世界进行最佳耦合与匹配，实现双方高效、可靠地交换信息的一门技术，是软件、硬件结合的体现，是微机应用的关键。

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第 7 章第 7 章外设是用来实现人机交互的一些机电设备。外设处理信息的类型、速度、通信方式与 CPU 不匹配 ,

不能直接挂在总线上，必须通过接口和系统相连

CPU 接口作用 外设模/数转换(A/ D)

数/模转换(D/ A)模拟量信息类型 数字量

三态缓冲、锁存 数字量工作速度 快 解决传送方式 慢

串/并转换

并/串转换串行通信方式 并行

三态缓冲、锁存 并行

2 、为什么要用接口电路？

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第 7 章第 7 章

接口可起到串并转换作用 接口可起到模数 /数模转换作用 接口对 I/O 过程起到缓冲和联络作用

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第 7 章第 7 章按通用性分为两类： 通用接口：

• 可供多种外部设备使用的标准接口，目的是使微机正常工作；

• 通用接口通常制造成集成电路芯片，称为接口芯片。• 最初的 IBM-PC 使用了 6 块接口芯片： 8284 、 8288 、 82

55 、 8259 、 8237 、 8253• 后来的微机将这些芯片集成为大规模集成电路芯片，称为芯片组。

• 如 82430TX 芯片组，由两片芯片组成：•北桥： 82439TX•南桥： 82371AB

专用接口：• 为某种用途或某类外设而专门设计的接口电路，目的在于扩充微机系统的功能。

• 专用接口通常制造成接口卡，插在主板总线插槽上使用。通用接口和专用接口的界限并不严格。

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第 7 章第 7 章 3. 接口电路的功能 简单地说，一个接口的基本功能是在系

统总线和 I/O 设备之间传输信号，提供缓冲作用，以满足接口两边的时序要求。下面从广义的角度概括一下接口的功能：

寻址功能 输入 / 输出功能 数据转换功能 联络功能 中断管理功能 可编程功能 复位功能 错误检测功能

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第 7 章第 7 章 二、接口电路的典型结构

从编程角度看，接口内部主要包括一个或多个 CPU 可以进行读 / 写操作的寄存器，又称为 I/O 端口。 各 I/O 端口由端口地址区分。

I/O 端口 1

I/O 端口 2

I/O 端口 3

地址译码

数据缓冲

控制电路

外

设

AB

DB

CB

C

P

U

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第 7 章第 7 章

按存放信息的不同， I/O 端口可分为三种类型 数据端口：用于存放 CPU 与外设间传送的数据信息 状态端口：用于暂存外设的状态信息 控制端口：用于存放 CPU 对外设或接口的控制信息，

控制外设或接口的工作方式。

1001 0101 ( 状态端

口 )

0110 1010( 数据端口 )

1100 0110( 控制端口 )

地址译码

数据缓冲

控制电路

外

设

AB

DB

CB

C

P

U

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第 7 章第 7 章

CPU 对外设输入 / 输出的控制，

是通过对接口电路中各 I/O 端口的读 / 写操作完成。

I/O 端口 1

I/O 端口 2

I/O 端口 3

地址译码

数据缓冲

控制电路

外

设

AB

DB

CB

C

P

U

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第 7 章第 7 章数据信息数据信息

–数字量数字量–模拟量模拟量–开关量开关量

状态信息状态信息表征外设工作状态（表征外设工作状态（ READYREADY ，， BUSYBUSY ））

控制信息控制信息 控制控制 I/OI/O 接口的工作方式外设启停接口的工作方式外设启停

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第 7 章第 7 章

第二节 I/O 端口的编址和译码

一、 I/O 端口的编址方式

二、 8086/8088 的输入 / 输出指令

三、 I/O 端口的译码

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第 7 章第 7 章

一、 I/O 端口的编址方式

1 、端口与存储器分别独立编址

2 、端口与存储器统一编址

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第 7 章第 7 章

特点： 端口与存储器分别独立编址 端口不占用内存空间 设有专门的 I/O 指令对端口进行读写， 对内存操作的指令不能用于 I/O 端

口 , 能够应用于端口的指令较少

例 Intel 的 80X86 系列、 Z80系列

I/O空间

内存空间

1 、端口与存储器分别独立编址 （ I/O 映射方式）

例 MOV [ 10H ], AL 对内存操作

IN AL , 10H 对端口操作

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第 7 章第 7 章端口的独立编址

8086总线

A19-A0

A15-A0

MEMR 、 MEMW

IOR 、 IOW 、 AEN

存储器

输入 / 输出

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第 7 章第 7 章2 、端口与存储器统一编址 （存储器映射方式）

特点 : I/O 端口相当于内存的一部分 ,

使内存容量减小 对 I/O 端口的读 / 写与对存储器的读 / 写相同， 所有可对内存操作的指令对 I/O 端口均可使

用， 指令系统中不专设 I/O 指令。

例 motorola 的 M6800 系列

日立 H8S 单片机系列

内存空间

I/O空间

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第 7 章第 7 章端口地址是一种重要资源

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第 7 章第 7 章

二 、 8086 的输入 / 输出指令

1. 输入指令 IN

2. 输出指令 OUT

输入 / 输出指令实现 I/O 端口与 CPU 之间的数据传送

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第 7 章第 7 章

可寻址 220= 1M 个内存单元内存范围 00000 ~FFFFFH

内存单元的地址有 5 种寻址

可寻址 216= 64 K 个 I/O 端口I/O 端口范围 0000 ~ FFFFH

I/O 端口的地址由 一个 8 位二进制数直接寻址 或 DX 寄存器间接寻址

8086CPU 采用 I/O 端口与存储器分别独立编址

I/O空间

内存空间

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第 7 章第 7 章1. 输入指令

IN

格式 执行操作

IN AL, port (AL) ← (port端口)

IN AX, port (AL) ← (port端口)(AH) ← (port+1端口)

IN AL, DX (AL) ← ((DX)端口)

IN AX, DX (AL) ← ((DX)端口)(AH) ← ((DX)+1端口)

port 为数字形式的端口地址 , 大小为 0~255 或 0~FFH

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第 7 章第 7 章例 (1) IN AL ， 28H

若 (28H 端口 ) = 1010 1111B

执行后 (AL) = (28H 端口 ) = 0AFH

(2) IN AX ， 28H

若 (28H 端口 )= 1010 1111B

(29H 端口 )= 0101 0000B

执行后 (AL) = (28H 端口 ) = 0AFH

(AH) = (29H 端口 ) = 50H

(3) MOV DX ， 300H

IN AL ， DX

若 (300H 端口 )= 69H

执行后 (AL) = (300H 端口 ) = 69H

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第 7 章第 7 章

IN AL, 21HIN AL, 21H

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第 7 章第 7 章 2. 输出指令 OUT

port 为数字形式的端口地址 , 大小为 0~255 或 0~FFH

格式 执行操作

OUT port, AL (port端口) ← (AL)

OUT port, AX (port端口) ← (AL) (port+1端口) ← (AH)

OUT DX, AL ((DX)端口) ← (AL)

OUT DX, AX ((DX)端口) ← (AL)((DX)+1端口) ← (AH)

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第 7 章第 7 章

(1) OUT 21H, AL

若 (AL)= 1100 1100B

执行后 （ 21H 端口 ) = 0CCH

(2) MOV DX ， 21BH

OUT DX ， AL

若（ AL ） = 1010 0110B

执行后 (21BH 端口 )= (AL) = 0A6H

例

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第 7 章第 7 章

OUT 43H, ALOUT 43H, AL

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第 7 章第 7 章三、 I/O 地址的译码

目的： 确定端口的地址

参加译码的信号： IOR， IOW， A15 ～ A0 OUT指令将使总线的 IOW信号有效 IN指令将使总线的 IOR信号有效

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第 7 章第 7 章

当接口只有一个端口时， 16位地址线一般应全部参与译码，译码输出直接选择该端口；当接口具有多个端口时，则 16

位地址线的高位参与译码（决定接口的基地址），而低位则用于确定要访问哪一个端口。

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第 7 章第 7 章

某外设接口有 4个端口，地址为 2F0H～ 2F3H，则其基地址为 2F0H，由A15 ～ A2译码得到，而 A1、 A0用来确定 4个端口中的某一个。

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第 7 章第 7 章

第三节 CPU 与外设间的数据传送方式

CPU 与外设的工作速度不一致，

如何使两者高效、可靠地进行数据传送，

是本节讨论的问题。

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第 7 章第 7 章

一、程序控制传送方式

1. 无条件传送方式

2. 条件传送方式 ( 查询方式 )

二、 中断传送方式

三、 DMA 传送方式 ( Direct Memory Access )

有以下几种传送方式：

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第 7 章第 7 章 概述概述11 。无条件传送。无条件传送（ CPU 与外设同步工作）：

外部控制过程各种动作时间是固定的，而且是已知的。

22 。查询方式。查询方式（ CPU 与外设不同步工作）：

传送前，先查询外设状态，准备好才传送，否则 CPU 处于等待状态。

33 。中断方式：。中断方式：

外设与 CPU 处于并行工作，一旦外设准备好，外设向 CPU 发中断申请，条件具备， CPU 暂停原程序执行，响应中断，外设与 CPU 串行工作。

44 。。 DMADMA 方式方式（高速 I/O 及成组交换数据）：

CPU 不干予，由硬件实现存储器与外设之间交换数据，称直接存取存储器。

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第 7 章第 7 章 一、无条件传送方式 ( 同步传送方式 )

实现方法若程序员能够确信一个外设已经准备就绪，那就不必查询外设的状态而进行信息传输，这称为无条件传送方式。

与外设速度的匹配通过在软件上延时完成， 在程序中直接用 I/O 指令，完成与外设的数据传送

特点 1. 适用于外设动作时间已知， 在 CPU 与外设进行数据传送时，外设保证已准备好的情况

2. 软硬件十分简单。这种方式用得较少，只用在对一些简单外设的操作，如开关、七段显示管等。

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第 7 章第 7 章

无条件传送流程无条件传送流程

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第 7 章第 7 章 例 1 无条件输入接口

接口电路，即硬件上保证 :只在 CPU 执行从 200H 端口输入数据时 , 三态门处于工作状态，使输入设备的数据送上总线侧，而 CPU 执行其它指令时 , 三态门均处于高阻状态 , 使输入设备的数据线与总线侧断开

三 态缓冲器

输入设备

数据 线

IOR

地址译码

地址线 200H

00

0

D7 ~D0

A15~

A0与

非

PC

总

线

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第 7 章第 7 章

无条件输入输出编程 :

MOV DX, 200H ; 端口地址

IN AL, DX ; 读入数据 MOV DX, 200H ; 端口地址 MOV AL, [BX]

OUT DX, AL ; 输出数据

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第 7 章第 7 章 二、条件传送方式 (查询传送方式 )

CPU 通过执行程序不断读取并测试外设的状态，根据外设的工作状态控制外设的输入 / 输出，即查询方式。

实现方法： 在与外设进行传送数据前， CPU先查询外设状态， 当外设准备好后，才执行 I/O 指令，实现数据传送

特点：1. CPU 通过不断查询外设状态，实现与外设的速度匹配2. CPU 的工作效率低

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第 7 章第 7 章

对于条件传送方式来说，一个数据传送过程由 3 个环节组成：CPU 从接口中读取状态字CPU 检测状态字的对应位是否满足“就绪”条件，如果不满足，则回到前一步读取状态字。如状态字表明外设已处于“就绪”状态，则传送数据

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第 7 章第 7 章

查询传送流程查询传送流程

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第 7 章第 7 章查询传送方式，编程流程：

N

Y

从状态端口读入状态信息

从数据端口传送一个数据

外设准备好否？

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第 7 章第 7 章例 1 查询方式输入假设 外设的状态端口为 21C H ， 其中 D4=1时，表示外设数据准备好 外设的数据端口为 218 H 。 实现从外设读入 50H 个字节到内存缓冲区 buffer 中。

21CH 端口状态端口

218H 端口数据端口

地址译码

数据缓冲

控制电路

输入外备

C

P

U

地址线

数据线

控制线

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第 7 章第 7 章 查询方式输入接口

状态端口 D4=1 表示外设准备好

三 态缓冲器

输入设备

数 据 线218H 

数据端口地址译码

地址线

状态端口地址译码

锁存器

IOR

R

Q

D

三 态缓冲器

+5v

D4

21CH 

STB

PC 总线

IOR

A15~

A0

D7~

D0

&

&

MOV DX, 218HIN AL, DX

MOV DX, 21CHIN AL, DX

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第 7 章第 7 章

从 21CH 状态端口读入外设状态信息

从 218H 数据端口读入一个字节数据

Y

ND4=1, 外设准备好否？

N50H 个数据传送结束？

Y

编程从外设读入 50H 个字节到内存缓冲区 buffer中

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第 7 章第 7 章

、、、 MOV AX, SEG buffer ;取缓冲区首地址 MOV DS, AX LEA DI, buffer MOV CX, 50H ; 传送个数

next: MOV DX, 21CH ask ： IN AL, DX ; 从状态端口读入状态信息

TEST AL, 0001 0000B ;检测 D4 位 JZ ask ;D4=0,继续查询MOV DX, 218H IN AL, DX ; 从数据端口读入数据MOV [DI], AL ; 送缓冲区 INC DI ;修改缓冲区指针 LOOP next ; 传送下一个、、、

查询方式输入程序段 :

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第 7 章第 7 章例 2 查询方式输出 假设 外设的状态端口为 21C H ，

其中 D0 = 0时，表示外设准备好 外设的数据端口为 219 H 。 编程将缓冲区 buffer 的 80H 个字节输出到外设。

21CH 端口状态端口

219H 端口数据端口

地址译码

数据缓冲

控制电路

输出外设

C

P

U

地址线

数据线

控制线

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第 7 章第 7 章 查询方式输出接口

状态端口 D0 = 0 表示外设准备好

输出设备

数 据 线

219H

数据端口地址译码

地址线

锁存器

R

D Q

三 态缓冲器 +5v

ACK

PC

总

线

IOR

A15~

A0

D7~

D0

IOW

状态端口地址译码

D0

21CH

&

&

MOV DX, 219HOUT DX, AL

MOV DX, 21CHAsk: IN AL, DX TESTAL,01h JNZ ask

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第 7 章第 7 章

从 21CH 状态端口读入外设状态信息

将一字节数据送至219H 数据端口

Y

ND0=0, 外设准备好否？

N80H 个数据传送结束？

Y

编程将缓冲区 buffer 的 80H 个字节输出到外设

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第 7 章第 7 章

、、、 MOV AX, SEG buffer ;取缓冲区首地址 MOV DS, AX LEA SI, buffer MOV CX, 80H ; 传送个数

next: MOV DX, 21CH ask ： IN AL, DX ; 从状态端口读入状态信息

TEST AL, 0000 0001B ;检测 D0 位 JNZ ask ;D0≠0,继续查询 MOV AL, [SI] ; 从缓冲区取数 MOV DX, 219H OUT DX, AL ; 从数据端口输出数据 INC SI ;修改缓冲区指针 LOOP next ; 输出下一个 、、、

查询方式输出程序段：

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第 7 章第 7 章 多个外设的查询方式流程图主程序

启动外设 A 、 B 、C

查询 A

操作结束否 ?

查询 B

查询 C

继续主程序

设备 A 服务Y

N

设备 B 服务Y

设备 C 服务Y

N

N

N

Y

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第 7 章第 7 章

三、中断传送方式

实现方法：

1. 当外设准备好，向 CPU发出中断请求

2. CPU 在满足响应中断的条件下，发出中断响应信号；

3. CPU 暂停当前的程序，转 去执行中断服务程序，

完成与外设的数据传送；

4. CPU 从中断服务程序返回，继续执行被中断的程序

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第 7 章第 7 章

中断服务程序发申请

中断服务程序发申请

中断方式下CPU 执行程序流程

外设

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第 7 章第 7 章

使用中断方式时 :•外设准备数据， CPU执行程序 ,

CPU与外设并行工作；

• 一旦外设准备就绪，外设向 CPU 发中断申请， CPU暂停原程序执行，响应中断，进行数据传输。此时， CPU与外设是串行工作。

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第 7 章第 7 章

1. CPU 和外设大部分时间处在并行工作状态 ,

只在 CPU响应外设的中断申请后，

进入数据传送的过程

2. 中断传送方式提高了 CPU 的效率

中断传送方式的特点：

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第 7 章第 7 章

中断传送流程中断传送流程

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第 7 章第 7 章

特点： 外设在需要时向 CPU 提出请求， CPU 再去为它服务。服务结束后或在外设不需要时， CPU可执行自己的程序

优点： CPU效率高，实时性好，速度快。 缺点：程序编制较为复杂。

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第 7 章第 7 章以上三种 I/O方式的共性

均需 CPU作为中介 (中心）： 软件： 外设与内存之间的数据传送是通过 CPU执行 程序来完成的； 硬件： I/O 接口和存储器的读写控制信号、地址信 号都是由 CPU 发出的。 缺点：程序的执行速度限定了传送的最大速度

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第 7 章第 7 章

四、 DMA 传送方式 ( 直接存储器存取方式 )

实现方法： 外设直接与存储器进行数据交换 ， CPU 不再担当数据传

输的中介者；

1. 由专用接口芯片 DMA 控制器 ( 称 DMAC) 控制传送过程，

2. 当外设需传送数据时，通过 DMAC向 CPU发出总线请求；

3. CPU发出总线响应信号，释放总线；

4. DMAC 接管总线，控制外设、内存之间直接数据传送

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第 7 章第 7 章 DMA 传送方式过程

CPU

DMAC

内存

外设

总线响应

总线请求

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第 7 章第 7 章

DMA 传送方式的特点 1. 外设和内存之间，直接进行数据传送，

不通过 CPU, 传送效率高。 （可达几 MB/ 秒） 适用于在内存与高速外设、

或两个高速外设之间进行大批量数据传送。

2. 电路结构复杂，硬件开销较大。

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第 7 章第 7 章

DMADMA 传送流程传送流程

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第 7 章第 7 章三种传送方式比较

在查询方式下，通过程序来检测接口中状态寄存器中的 READY位，以确定当前是否可以进行数据传输。

在中断方式下，当接口中已经有数据要往 CPU输入或者准备好接收数据时，接口会向 CPU 发一个中断请求， CPU在接到中断请求后，如果响应中断，便通过运行中断处理程序来实现输入 /输出。

在 DMA方式下，外设要求传输数据时，接口会向 DMA控制器发 DMA 请求信号， DMA控制器转而往 CPU 发送一个总线请求信号，以请求得到总线控制权，如果得到 DMA 允许，那么，就可以在没有 CPU参与的情况下实现 DMA传输。

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第 7 章第 7 章

第四节 接口技术的现状1．用简单的逻辑电路

2．用可编程集成接口芯片

3．用多功能的芯片组

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第 7 章第 7 章

1. 用简单的逻辑电路

采用简单的逻辑部件完成接口电路

特点：原理清楚，但实际用得少。

例 1 无条件输入接口例 2 无条件输出接口例 3 查询输入接口例 4 查询输出接口

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第 7 章第 7 章例 1 无条件输入接口

三 态缓冲器

输入设备

数据 线

IOR

地址译码

地址线 200H

00

0

D7 ~D0

A15~

A0与

非

PC

总

线

注意：在逻辑门前输入信号的 ，表示对信号求反。与锁存器、三态门等控制端的意义不同。

简单的逻辑电路：

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第 7 章第 7 章 2. 用可编程集成接口芯片

将完成某一功能的接口电路集成在一个芯片上， 通过对接口芯片编程，设置接口芯片的工作状态。

特点：1. 体积小、功能强、可靠性高2. 通常是专门为配合微机系统中的各种适配器设计， 不必增加或增加很少的电路，就可直接与总线连接， 使用方便。

3. 应用时，应掌握芯片的工作原理、外部特性、编程方法。

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第 7 章第 7 章

接口芯片举例：并行接口芯片　 8255A 、 8155A 、 Z80-PIO

串行接口芯片　 8251A 、 8250 、 Z80-SIO

定时 / 计数器 8253 、 8254 、 Z80-CTC

中断控制器 8259A

DMA 控制器　 8237A 、 Z80-DMA

键盘控制器　　 　 8279

CRT 控制器　 　 8275 、 6845

硬盘控制器　　 　 6843　　D/A 转换器　　 　 DAC0832

A/D 转换器 ADC0809

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第 7 章第 7 章

将完成多个功能的接口电路集成在一个芯片上，

通过编程，设置控制字，改变接口芯片的工作状态。

例　 82206 集成外设控制器，内部包含：

　　 2 个 8237DMA 控制器　　 2 个 8259A 中断控制器

1 个 8254 定时 / 计数器　 1 个 MC 146818 实时时钟

　 以及其他接口芯片

特点：可靠性更高、功能更强

3. 用多功能的芯片组

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第 7 章第 7 章 将主板上的外围芯片集成在一组 (2~4 片 )超大规模集成芯片上， 构成芯片组。

芯片组是主板的关键部件，通常固定在主板上， 不象 CPU 、内存条或其他插卡等可进行简单的替换和升级。

芯片组提供主板的核心逻辑，影响主板的性能和功能， 决定主板所支持的 CPU 类型、内存类型、 总线类型、总线速度等关键技

术配置