【接口技术】输入输出接口

【输入输出接口概念】外设接口功能及其一般结构，I/O端口编址方式，输入/输出数据传送方式，端口译码技术

【输入/输出接口】

外部设备及其信号

外部设备 = 输入设备 + 输出设备 + 复合输入/输出设备

外部设备的信号 = 数据信号（数字量、模拟量、开关量、脉冲量） + 状态信号（如Ready、Busy等，总是从外部设备发往CPU） + 控制信号（CPU发往外部设备）

外部设备的信号以数据形式，通过总线在CPU和外部设备之间传输

I/O接口及功能

接口的重要性：微机和I/O设备的信息类型和格式大多不一样，信号传输处理速度大多不匹配

接口功能：设备选择、信息传输、数据格式转换、联络、中断管理、复位、可编程、错误检测

接口的组成

接口处理的信号：CPU（或总线）与I/O设备之间的接口信息，通常分为数据信号、状态信号、控制信号

接口组成：接口硬件 + 接口软件（驱动程序）

端口：接口内的寄存器，暂存CPU和外设之间传输的数据、状态和命令

端口地址：每个端口有一个独立的地址

外部设备地址：设备接口内各端口的地址

端口种类：数据端口、命令（控制）端口、状态端口

接口软件 —— 初始化程序段、传送方式处理程序段、主控程序段、程序终止与退出程序段、辅助程序段

IBM PC的外设接口：单总线结构 + 通用的集成I/O芯片

现代PC机的外设接口：南北桥结构 或 中心结构

I/O端口的编址方法

1. I/O端口与内存统一编址（存储器映射编址方式）：1个8位端口占用一个内存单元地址
2. I/O端口与内存独立编址（I/O端口编址方式）：访问I/O端口需要专门的I/O指令

简单I/O接口的组成和译码

地址总线上传送的地址码对接口中的不同寄存器或电路进行区分

访问设备，实际是访问接口卡上的端口

I/O端口地址空间（ISA总线）：实际只用A9-A0，连续2个8位端口等价1个16位端口，连续4个8位端口等价1个32位端口

I/O操作所需总线信号：地址信号AB、IO读写-IOW或-IOR、地址允许AEN

I/O端口地址寻址方式：I/O直接寻址（8位地址，1字节立即数寻址）和间接寻址（16位地址，DX寄存器给出）

I/O端口地址选用原则：系统配置占用的，或申明保留的地址，不能使用

端口选择（译码）技术：门电路、芯片、可编程逻辑器件（ABEL语言）

I/O端口地址译码电路设计

1：固定式端口地址译码

    将端口地址转二进制，所有地址线、IOR和AEN经过与门为1

2：地址译码电路（74LS138，3-8译码器，G2A=G2B=0，G1=1）

    高位地址用于译码芯片使能，低位地址用于选择接口内不同的端口

    配置多段地址——使用jumper跳线器改变端口地址

由于读、写操作不会同时进行，输入端口和输出端口可使用同一个地址编码

数据锁存器与缓冲器（端口的设计&实现）

锁存器：由CLK上升沿或下降沿触发，输出不随输入变化

缓冲器：输出和输入随时保持一定关系，目的是加大负载

简单I/O接口：组合地址译码、数据锁存与缓冲、状态寄存器、命令寄存器各个电路

示意图：

【输入输出数据传输的控制方式】

1：程序方式

程序控制信息传送，CPU享有“主动权”

·无条件传送：输入信号不用锁存，输出信号用锁存
·条件传送（查询/异步）：有存储和传送状态的端口；输入过程READY先1后0，输出过程BUSY先1后0

2：中断方式

CPU和外设“并行工作”，外设享有“主动权”

每传送一次数据，CPU必须执行一次中断服务程序

高速外设容易产生覆盖错误，传送速度低且CPU时间消耗大

3：直接存储器存取方式（DMA）

Direct Memory Access

由DMA控制器（DMAC）来实现内存与外设，或外设与外设之间的直接快速传送，CPU不参加数据的传送工作

DMA方式使信息传送从以CPU为中心变为以内存为中心

一次DMA传送只需要执行一个DMA周期（相当于一个总线读／写周期）

·DMA传送的工作过程：

1）I/O设备向DMAC发出DMA请求；

2）DMAC向CPU发出总线请求（HOLD）；

3）CPU在执行完当前指令的当前的总线周期后，向DMAC发出总线响应信号(HLDA)；

4）CPU脱离对系统总线的控制，由DMAC接管对系统总线的控制；

5）DMAC向I/O设备发出DMA应答信号；

6）DMAC进行一个字节的传送；

7）完成设定的字节数据传送，CPU恢复对系统总线的控制；

【开关量输入输出接口】

1：开关量输入接口

1）基本的开关量输入接口

形态：单刀单掷、单刀双掷、按钮

开关量通过三态缓冲器（输入输出同相 或 输入输出反相）与系统数据总线连接

一条输入指令可以同时读入8位或16位开关量

2）矩阵式开关量输入接口

    行线（R0~R7）：数据输出端口

    列线（C0~C7）：数据输入端口

    电路特点：

·没有键按下时，列线全为1；

·行线全为1时，无论有无键按下，列线仍全为1

·某行线为0时，若该行有键按下，则输出7个1和1个0，0的位置与键对应

    键盘扫码与编码：

·编码是二字节码（高8位行码 + 低8位列码），例如(R3,C2)是(11110111,11111011)=F7FB H

·扫描码是一字节码（数字码），例如(R3,C2)=32 H =(0011,0010)

    键盘扫码程序：

    ·没有键按下，返回-1

    ·有键按下，产生抖动，返回二字节码（行列码）

    ·PRORT和CPORT定义行、列端口的地址

2：开关量输出接口

1）基本的开关量输出接口

LED发光二极管，输出0发光，输出1熄灭

2）LED七段数码显示管接口

位选择：选择某个数码管

段选择：选择某竖或某横的灯管（如abcdefg）

类型	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
共阳极	0C0H	0F9H	0A4H	0B0H	99H	92H	82H	0F8H	80H	90H
共阴极	3FH	06H	5BH	4FH	66H	6DH	7DH	07H	7FH	6FH