微型计算机原理及应用学习笔记 输入输出接口的

计算机通过外围设备同外部世界通信或交换数据称为“输入输出”。在微型计算机系统中，常用的外围设备有：键盘、鼠标器、硬磁盘机、软磁盘机、光盘机、打印机、显示器、调制解调器、数模转换器、模数转换器、扫描仪，以及其他专用设备。把外围设备同微型计算机连接起来实现数据传送的控制电路称为“外设接口电路”，简称“外设接口”。
一、外设接口的功能
外围设备的品种繁多，有机械式的、电子式的、机电式的、磁电式的，以及光电式的等等。外围设备所处理的信息多种多样，有数字信号、模拟信号、开关信号、电压信号或电流信号等。从工作速度来看，有的速度很慢，有的速度甚快，不同的外围设备处理信息的速度相差悬殊。另外，微型计算机同不同的外围设备之间所传送信息的格式和电平高低等也是多种多样的。这样，就形成了外设接口电路的多样性，也决定了外设接口要比存储器接口复杂。
    由于外围设备的多样性、复杂性，外设接口电路应具有如下功能：
    (1)转换信息格式。例如串/并转换、并/串转换、配备校验位等。
    (2)提供联络信号。协调数据传送的状态信息，如设备“就绪”、“忙”，数据缓冲器“满”、“空”等。
    (3)协调定时差异。为协调微机与外设在“定时”或数据处理速度上的差异，使两者之间的数据交换取得同步，有必要对传输的数据或地址加以缓冲或锁存。
    (4)进行译码选址。在具有多台外设的系统中，外设接口必需提供地址译码以及确定设备码的功能。
    (5)实现电平转换。为使微型计算机同外设相匹配，接口电路必需提供电平转换和驱动功能。    ·
    (6)具备时序控制。有的接口电路具有自己的时钟发生器，以满足微型计算机和各种外设在时序方面的要求。
    (7)最好可编程序。对一些通用的、功能齐全的接口电路，应该具有可编程序的能力。所谓可编程序就是用软件来选用多功能接口电路的某些功能，以适应具体工作的要求，这也是现代接口电路的发展方向。
  
 二、接口与端口
    一个简单的，也是基本的外设接口框图如图6-1所示。
    从图6-1可见，外设接口是CPU与“外设”之间传送信息的一个“界面”，即一个连接部件。外设接口一边通过CPU的三总线(或微机总线)同CPU连接，另一边通过三种信息——数据信息，控制信息和状态信息同外设连接，CPU通过外设接口同外设之间交换的信息就是这三种信息。
其中数据信息可以是数字量、模拟量和开关量三种类型。数字量是以二进制码形式提供的信息，通常是8位、16位和32位数据；开关量是用两个状态表示的信息，只用一位二进制码表示；模拟量是指由传感器等提供的物理量转换为相应的连续变化的电信号，模拟量必需先经模／数转换器转换为数字量后，再输入CPU进行处理。
  状态信息表示外设当前所处的工作状态，例如READY(就绪信号)表示外设已准备好可以同CPU交换信息，BUSY(忙信号)表示外设正进行有关工作而不能和CPU交换信息。
控制信息是由CPU发出的，用于控制外设接口工作方式以及外设的起动和停止的信息。
    数据信息、状态信息和控制信息通常都以数据形式通过CPU(或微机总线)的数据总线同CPU进行传送的。这些信息分别存放在外设接口的不同类型的寄存器中。CPU同外设之间的信息传送实质上是对这些寄存器进行“读”或“写”操作。“接口”中这些可以由CPU进行读或写的寄存器被称为“端口”(Port)。按存放信息的类型，这些端口可分为“数据口”、“状态口”与“控制口”，分别存放数据信息、状态信息和控制信息。在一个外设接口中往往需要有几个端口才能满足和协调外设工作的要求。CPU通过访问这些端口来了解外设的状态，控制外设的工作，以及同外设之间进行数据传输。
三、I／O端口的编址方式 
CPU对外设的访问实质上是对外设接口电路中相应的端口进行访问。I／O端口的编址方式有两种——独立编址和存储器映象编址。
    (一)独立编址(专用的I／O端口编址)
    独立编址方式的硬件结构及地址空间分配如图6-2所示。这种编址方式的特点是：存诸器和I／O端口在两个独立的地址空间中，I／O端口的读、写操作由硬件信号和 来实现，访问I／O端口用专用的IN指令和OUT指令( 和 由CPU的 、 与 信号组合产生)。
    独立编址方式的优点是：I／O端口的地址码较短(一般比同系统中存储单元的地址码短)，译码电路较简单，存储器同I／O端口的操作指令不同，程序比较清晰；存储器和I／O端口的控制结构相互独立，可以分别设计。它的缺点是：需要有专用的I／O指令，而这些I／O指令的功能一般不如存储器访问指令丰富，所以程序设计的灵活性较差。
    (二)存储器映象编址(统一编址)
    存储器映象编址方式的硬件结构及地址空间分配如图6-3所示。这种编址方式的特点是：存储器和I／O端口共用统一的地址空间；一部分地址空间分配给I／O端口以后，存储器就不能再占有这一部分的地址空间。例如整个地址空间为1M，地址范围为00000H—FFFFFH，如果I／O端口占有00000H～0FFFFH即64K个地址，那么存储器的地址空间只有10000H～FFFFFH的960K个地址。在这种编址方式下，I／O端口的读写操作同样由硬件信号 和 来实现，访问I／O端口同样用MOV指令。同时，所有访问存储器的指令(包括存储器的算术、逻辑运算指令)都可用于I／O端口。
    存储器映象编址方式的优点是：任何对存储器数据进行操作的指令都可用于I／O端口的数据操作，不需要专用的I/O指令，从而使系统编程比较灵活；I／O端口的地址空间是内存空间的一部分，这样，I／O端口的地址空间可大可小，从而使外设的数目几乎可以不受限制。它的缺点是：I／O端口占用了内存空间的一部分，显然内存空间必然减少，影响了系统内存的容量；同时访问I／O端口同访问内存一样，由于访问内存时的地址长，指令的机器码也长，执行时间明显增加。 
    Intel MCS—51等系列单片微机就采用存储器映象I／O(2)编址方式，这些微机中无专门的IN／OUT指令。