这一篇是整理一下刚看到的第7章，第10章，主要是常用接口技术和8255A。中断系统由于众所周知的原因，先继续放着；8253下次整理。
在之前的讨论中，我们都集中在CPU与存储器（内存）上。我们很少讨论那些更广泛存在的设备（外设），例如打印机，鼠标，键盘，发光二极管。显然，CPU的运行速率比外设的处理速度要高得多，同时，外设的数据线和控制线也与CPU并不直接兼容。所以，CPU和外设通信必须借助必要的电路来实现，这也就是是之前介绍中出现的I/O接口。
CPU和外部设备通信，第一件事情一定是给外设分配唯一的地址。这里有两种方式，第一种是独立编址，即I/O端口的空间与原有的存储器空间独立，这样不用担心地址冲突。我们通过专门的指令来进行I/O的输入输出。8086/8088就是典型的独立编址，使用$\mathrm{M}/\overline{\mathrm{IO}}$来区分是进行存储器读写还是I/O读写。另一种就是统一编址，即占用存储器的一部分空间，这种的好处就是不需要设置专门的指令了。
确立了地址后，现在要考虑输入和输出的方式，有四种基本的方式：无条件传送方式，程序查询方式，I/O中断方式，DMA方式。它们的复杂程度依次上升，我们可以沿着这四种方法来体会“接口技术”的思想。
输入/输出的基本方式
首先，要复习一下三种基于三态门的芯片，它们也要背下来，因为考试会考连接芯片的题目，它不会进一步告知你这个芯片是干嘛的。
74LS244是一个单向的缓冲器，74LS245是双向的，它们都没有锁存的功能。只是通过引入三态门，让信号传送时不至于出现总线竞争。
74LS373是通过电平控制来锁存信号，74LS374是上升沿来锁存。
现在我们开始依次介绍，第一个是无条件传送，它之所以叫无条件，就是因为它只传送数据信息，不传送状态和控制信息。
左侧是输入端口，这里略去了端口地址译码，当CPU选中这个端口，且确认读I/O设备后，74LS244会允许导通，把数据传到数据总线上。
右侧是输出端口，这个以点亮发光二极管为例，这里的74LS273不用管它，它是一种通过CLK来进行清除的锁存器，没有三态功能，上升沿有效，在这个情景下可以理解为和74LS373一样。
这种无条件传送，需要满足“输入缓冲输出锁存”，因为输入时，如果不缓冲，会发生总线竞争。输出时，如果不锁存，由于外设较慢，数据总线上的数据可能会被覆盖掉。
所以这种方式，只适合很简单的情况，如果CPU在快速的输出一些数据，那用这个机制就会出大问题。例如，当打印机接口为“忙”时，如果还把数据传给打印机接口，会直接覆盖掉这些没有及时接收的数据，造成数据丢失。
这就引出了第二种方法，程序查询方式。道理很简单，我只需要等到打印机什么时候不忙了，我再把数据传给它，在这之前我等待就好了。输入的时候也是同理：
我们现在通过简单的示意电路来进一步理解这种方法，由于这种方法涉及到要知道此时外设的状态，所以CPU会执行一条指令（IN）获得此时设备的状态。我们先说输入，当输入设备准备好设备后，图中左下角的选通信号会被激活，然后数据锁存器会存入要输入的设备，同时D触发器Q端置1。
然后，CPU执行IN指令读取端口状态信息，此时激活了图下方（读状态）处的门1相与后，会使得旁边那个三态缓冲器打开，这样Q的高电平就会传入数据线上的$D_0$，这说明CPU知道此时外设已经READY了。
程序检测到此时外设READY了，再次执行IN，这时激活的是$\overline{\mathrm{CS}}_2$相连的那个门，经过门2输出低电平，这时数据缓冲器被打开，数据被上传到数据总线；同时D触发器被清零，外设的状态被重置。
实际上西电版教材删除了这部分内容，但我觉得这里把它们引入，可以将汇编与电路图联系在一起，例如，“程序查询方式”所谓的“程序”，我们这里就可以给出来：
1 | SPORT EQU 300H ;状态端口 |
输出时也类似，当CPU准备向外输出数据时，首先执行IN读取状态口的状态，此时门1处被激活，三态门开启，此时从数据总线的$D_1$中读入BUSY状态，BUSY=1说明外设忙，需要等到BUSY=0时再输入新的数据。
当BUSY=0以后，CPU执行OUT指令，此时门2激活，产生选通信号，一方面把数据存入锁存器，另一方面，选通信号的后沿（低电平转高电平，上升沿）使得D触发器的Q产生翻转（之前的BUSY是0，所以此时Q变成1，代表外设开始忙），等外设处理好以后，会送回一个应答信号$\overline{\mathrm{ACK}}$来将D触发器清零，此时Q为0，即置BUSY为0，允许CPU继续输出。
这样做的缺点是，如果我有多个外设，这种方法会很呆。假如我们真的使用这种方式，那么假如我在打字，我打字的速度肯定远慢于CPU的处理速度，这就导致绝大部分时间花在了检测键盘状态和等待上。如果我同时连个鼠标，那我该如何设定程序使得CPU什么时候检测鼠标的状态让我操作，什么时候检测键盘状态让我操作。也就是说这种方式不适合要求实时交互的场合，于是就有了第三种方式：I/O中断。
从这个地方引入，就能感受到为什么“中断概念是计算机技术的重大变革”。在我们刚才的场景中，如果引入了中断，CPU将不需要原地踏步般的查询I/O状态。只有当输入设备准备好数据，或者输出端口的数据已空时，才向CPU发中断请求，CPU响应中断后，暂停执行当前程序，完成中断服务，等中断程序完成后再回原来的程序。详情在中断那章（可能）会涉及到。
最后一种即DMA，在介绍8086的总线请求等指令那里遇到过，简单来说就是跳过CPU，由DMA控制器直接进行I/O，在这里我们仅作简单了解。
连连看
这一章到最后，有可能会有连接接口的连线题的，出的题会在5个微机系统以内：
| 系统 | 总线信号 |
|---|---|
| 8086最小系统 | $\mathrm{A}_{15}\sim \mathrm{A}_0,\mathrm{D}_{15}\sim \mathrm{D}_8,\mathrm{D}_7\sim \mathrm{D}_0,\mathrm{M}/\overline{\mathrm{IO}},\overline{\mathrm{RD}},\overline{\mathrm{WR}},\overline{\mathrm{BHE}}$ |
| 8086最大系统 | $\mathrm{A}_{15}\sim \mathrm{A}_0,\mathrm{D}_{15}\sim \mathrm{D}_8,\mathrm{D}_7\sim \mathrm{D}_0,\overline{\mathrm{IOR}},\overline{\mathrm{IOW}},\overline{\mathrm{BHE}}$ |
| 8088最小系统 | $\mathrm{A}_{15}\sim \mathrm{A}_0,\mathrm{D}_7\sim \mathrm{D}_0,\mathrm{IO}/\overline{\mathrm{M}},\overline{\mathrm{RD}},\overline{\mathrm{WR}}$ |
| 8088最大系统 | $\mathrm{A}_{15}\sim \mathrm{A}_0,\mathrm{D}_7\sim \mathrm{D}_0,\overline{\mathrm{IOR}},\overline{\mathrm{IOW}}$ |
| IBM PC/XT 系统 | $\mathrm{A}_{9}\sim \mathrm{A}_0,\mathrm{D}_7\sim \mathrm{D}_0,\overline{\mathrm{IOR}},\overline{\mathrm{IOW}},\mathrm{AEN}$ |
就算没有直接连接接口的题，上面5个系统也会出现在后面8253，8255A的应用题里。简单的一些例子即上面的无条件传输，其实只需要编一个译码电路。这里我记录一个书上比较复杂的例子。（其实在8086里还要注意奇偶地址的事情，但是我写的时候我忘了……这个在后面连那俩可编程芯片时还会提到）
这是某一输出设备的工作时序图，当它不忙时，状态信号BUSY=0，CPU可以向外输出，当数据加到外设上时，必须利用$\overline{\mathrm{STB}}$将数据锁存于外设，饼命令外设接收数据。设数据输出端口地址为02F8H，命令输出端口地址为02F9H，状态输入端口为02FAH。
（1）将该外设连接到8088最大系统上；
（2）编程实现将内存40000H开始的连续50个字节单元的数据，利用查询发输出给该设备；
我们可以think step by step…如果直接看书上的答案，第一时间会有些头大。
第一步，我们先分析给定的地址，02F8H,02F9H,02FAH，即0000 0010 1111 1xxx，仅有后三位8，9，A的不同（000, 001, 010）。所以我们可以选用一个74LS138来译码。我们让固定的那些地址位作为使能端。
第二步，在程序查询式的方式中，我们需要考虑一些电路的设置。首先是一个锁存器，这个锁存器要将数据输出到设备上。这里选用74LS273，显然，这个锁存器的使能端需要在02F8H时激活，这个部分需要当CPU发出写入的指令时，即$\overline{\mathrm{IOW}}$，所以我们将74LS138的$\overline{\mathrm{Y}}_0$与$\overline{\mathrm{IOW}}$相或。
第三步，除了锁存器，BUSY还需要向CPU输入外设此时的状态，输入时需要一个缓冲器，这里用74LS244（其实只用到了它的一个端口），缓冲器的输出会送入数据总线，这里送入了$D_7$。最后我们考虑74LS244的使能端，首先这是状态的输入端口，所以和02FAH相关，这个状态是当CPU发出IN指令，$\overline{\mathrm{IOR}}$低电平有效时发出的，这样就完成了74LS244的这个部分。
第四步，最后还缺一步命令输出，“输入缓冲输出锁存”，此时我们仍需要一个锁存器，继续用74LS273，这里只用它的一位（就$D_0$了，只要和刚才的$D_7$不冲突即可），这个锁存器的使能端与02F9H相关，输出时是将$D_0$给输出进外设，所以此时$\overline{\mathrm{IOW}}$是低电平。这样就完成了线路的连接。
与之前的三态门的芯片不同，由于这里74LS273没有三态的功能，更新是靠CP（CLK）实现的。每次上升沿，数据会通过芯片；为0时，数据锁存。这其实并不影响连线。当我们沿着整个过程来理解时，我们会发现这里选用74LS273的原因：更稳定。
我们写出问题（2）的答案，将内存40000H开始的连续50个字节单元的数据，利用程序查询法输出：
1 | MOV AX,4000H |
注意，DX其实是作寄存器间接寻址，而IN和OUT里并不像MOV一样把寄存器“括起来”，因为IN和OUT的功能只能是间接寻址，所以习惯上就不加了。
上面的那个例题有些复杂了，考试时一般不会出成这样。可能会出一个淳朴的应用形式的题，例如：
有一台硬币兑换机，平时等待纸币输入，当硬件检测到有效输入时，会给状态端口（端口地址为FAH）$D_2$位置1，并在数据输入端口（端口地址为FCH）给出纸币类型，01H代表1元，05H代表5元，10H代表10元，20H代表20元。若兑换机硬币输出系统准备就绪，则状态端口$D_3$位由硬件置1，然后将兑换的5角硬币数送到数据输出端口（端口地址为FEH），硬币输出系统根据硬币数来输出硬币完成兑换。编写程序完成以上要求。
1 | START: |
并行接口芯片8255A
显然，在实际操作中，我们不可能一个电路一个电路的去构造接口。我们希望一些即插即用的方式，并且具有良好的封装。8255A就是这个东西，它是一个并行接口芯片，它可以取代上面的例子中的由74LS273，74LS244自己手搓出的电路。
然后，我们就被迫学（纸面上的）8255A的应用。
我们将整个芯片看作一个整体，只关心输入输出。8255A有四个8位寄存器。其中有三个数据寄存器A，B，C。我们称其为端口(port)，所以引脚记作了$PA,PB,PC$。在这里，A和C的高4位为一组，B和C的低4位为一组，即A组和B组。
先放下“组”的那个概念，左下角的$A_0,A_1$，2位可以编码4个选项：
| $A_1A_0$ | 端口 |
|---|---|
| 00 | A |
| 01 | B |
| 10 | C |
| 11 | 控制寄存器 |
上面的控制寄存器，即“可编程”的来源。控制寄存器的8位，在后面的应用里很重要，因为我们要写出这8位的数字。这种控制可编程的“开关”叫作“控制字”，这里分为两种：方式控制字，置位控制字。
方式控制字时：
| 位 | 作用 |
|---|---|
| $D_7$ | 方式控制字时为1 |
| $D_6D_5$ | 控制“A组”的工作方式，00为方式0，01为方式1，1x为方式2 |
| $D_4$ | 端口A的方向 |
| $D_3$ | 端口C高4位的方向 |
| $D_2$ | 控制”B组”的工作方式，0为方式0，1为方式1 |
| $D_1$ | 端口B的方向 |
| $D_0$ | 端口C低4位的方向 |
写成一个竖式表格，可以一下子记住。最高位在控制方式是1时，是“方式控制字”，然后确定“A组”的工作方式，确定后依次是“A组”的构成：端口A和端口C的高4位的“方向”（方向是指，0为输出，1为输入）；之后是“B组”的工作方式，然后是B组组成的方向。
置位控制字时：
| 位 | 作用 |
|---|---|
| $D_7$ | 位置控制字时为0 |
| $D_6D_5D_4$ | 此时无意义，通常取0。 |
| $D_3D_2D_1$ | 编码对应C口的$PC_7\sim PC_0$，如010指$PC_2$ |
| $D_0$ | 0代表置0，1代表置1。 |
置位的意思是可以简单理解为，如果我们以C口作输出，C口控制8个开关，如果我们希望$PC_2$对应的开关闭合，其余状态不变。我们可以读入此时C口的端口信息，然后OR/AND，然后再OUT。有了置位控制字，我们可以直接操纵控制寄存器，来通过写入它实现置位与复位。
那么，什么是方式控制字里的“工作方式”呢？8255A有3种，0是基本的输入输出，1是有“联络”信号的输入输出，2是双向传送。我们一个一个来……
方式0时，对应之前的无条件传输。此时$D_0,D_1,D_3,D_4$决定各个端口的输入输出。例如$1\underset{A\text{组}}{\underbrace{00}}\underbrace{01}\underset{B\text{组}}{\underbrace{0}}\underbrace{10}$，这时，端口A与端口C的低4位是输出，端口B和端口C的高4位是输入。方式0其实可以理解为一个很好的封装的无条件传输，我们拉来一道标靶打一下：
某可编程逻辑电路构成的芯片可以完成16位数据的八选一功能，输入$x(i,j)$其中$(i\in0\sim7,j\in0\sim15)$，输出信号为$y(j)$，选择信号为$S_2,S_1,S_0$，真值表在下图。在IBM PC系统中开发一片8255A，端口地址为260H~263H，用于分时采集这8组16位数据（无符号数），找出当前数据的最大值，并通过C口的高三位（PC7~PC5）连接的LED灯指示其序号。连接下图的硬件电路（红色部分，我先连了，懒得仔细画了）并编写程序实现功能。
读完题，显然我们可以让A组和B组都是方式0，因为，这个神奇的8选1的外设，没有什么STB，BUSY之类的端口，方式0 is enough。
显然，我们可以用A口和B口来接收16位的数据，然后C口输出，其中高三位来点亮LED表示索引。一个思路是我们直接“打擂台”一样找最大值就好了。
1 | MOV DX,263H |
接下来是方式1，方式1是用来条件传输的。正如前面“程序查询式”中举的例子一样。在有条件时，我们需要关心外设的状态。而使用中断来进行接口之间交换，使得可以并行，在先前我们没能给出一个中断的例子，现在可以依靠8255A的封装，来初步理解一个（例子）。以及理解前面的“联络”。
我们以A口为例，在方式1下，外设把数据通过A口送给CPU的过程为：
①外设把数据送到$PA_7\sim PA_0$，使得选通信号$\overline{\mathrm{STBA}}$有效（A指port A，下同。STB指strobe，选通），数据进入A口的输入缓冲器。
②A口的IBFA有效（IBF指input buffer full，表示输入缓冲区满了），同之外设或CPU，表示A口接收了一个有效数据。
③A口的INTRA（interrupt）有效，以中断的方式通知CPU取走A口中的数据。
④CPU读A口，数据进入CPU。
⑤IBFA和INTRA转为无效。
注意，上图中还出现了一个INTEA，称为“中断允许”信号，我们会用置位控制字来让他为高电平，这样才能完成整个输入过程。
同理，在方式1下，CPU将数据通过A口送给外设的过程：
①CPU执行OUT，将数据写入A口的输出缓冲器。
②当有效数据进入A口的$PA_7\sim PA_0$时，$\overline{\mathrm{OBFA}}$有效（OBF是output buffer full），通知外设CPU已把一个有效数据传输给A口了。
③外设取走数据时，发$\overline{\mathrm{ACKA}}$信号（acknowledge，回执）给8255A，告诉A口外设正在取数据。
④A口$\overline{\mathrm{OBFA}}$无效，表示A口数据已被取走。
⑤INTRA有效，以中断方式通知CPU可以再输出数据给A口了。
实际上，上面的例子生动的站视了一个机制“握手”。通过“握手”信号，来协调数据的传输。“握手”信号至少要有两位信号线，其中一位由接口电路发给外设，另一位由外设发给接口。例如输入时的$\overline{\mathrm{STBA}}$和IBFA。$\overline{\mathrm{STBA}}$是外设所发，其有效时，通知接口A“我给了你一个数据”；IBFA是接口发出的，当其有效时，通知外设“你的数据我收到了”。在输出时，$\overline{\mathrm{OBFA}}$和$\overline{\mathrm{ACKA}}$也是一对握手信号，$\overline{\mathrm{OBFA}}$是接口发出的，当其有效时，通知外设“我这里有个新数据”，$\overline{\mathrm{ACKA}}$是外设所发，当其有效时，通知接口“我已经把你的新数据取走了”。这个机制对于复杂的外设，例如打印机，非常重要。
显然，在方式1中，接口C奉献了自我，充当了联络信号，这也是为什么置位控制字只针对C口的原因。应试角度上，我们得能分辨那一对握手信号谁是谁，以及理解前面①②③④⑤的过程（他们反应在汇编里就几行），而他们具体的$PC_x$可能没那么重要，因为题目会给（但最好还是背下来）。
（内心os:图丫丫！只有你能记住这串密码！）
最后用一道例题来给出，方式1是如何“影响”考试题的：
为了设计一个竞赛抢答系统，在8088最小方式系统中配置了一片8255A，用于CPU读取并显示人员编号。整个系统(如下图所示)的工作流程为:抢答器电路按照竞赛规则将抢答最快且有效的人员编号(共10人，编号为: 0~ 9)通过其数据引脚输出，同时输出数据准备好信号STB，编号数据在8255A的端口A锁存后由CPU读回，CPU识别编号后输出对应的段码，经8255A的端口B驱动数码管显示该编号。请完成:
（1）根据系统原理图，写出8255A的4个端口地址（未画出的地址线均为0）
（2）为满足系统设计要求，8255A的端口A和端口B应工作在哪种方式？
（3）已知数码管数据引脚a,b,c,d,ef,g,Dp依次连接8255A的PB0…PB7，请写出编号0~9对应的段码数据，并编写程序实现该系统的功能。
先读图，会发现地址是0000 0100 1010 00xx，即端口地址为04A0H,041H,042H,043H。注意$PC_4,PC_5$，可以看到A组是方式1输入，B组是方式0输出。
然后是显示数码管，比如数字0需要a,b,c,d,e,f亮起，他们对应$PB_0,…,PB_6$，所以是1100 0000，即C0H。原因是这个抢答器外接了一个Vcc，所以可以推测是PB低电平有效（产生电势差），以及这里的Dp是控制端的意思，那么按照共阳数码管的原理，Dp是高电平有效。所以段码数据为
| 数字 | 断码 |
|---|---|
| 0 | 1100 0000 = C0H |
| 1 | 1111 1001 = F9H |
| 2 | 1010 0100 = A4H |
| 3 | 1011 0000 = B0H |
| 4 | 1001 1001 = 99H |
| 5 | 1001 0010 = 92H |
| 6 | 1000 0010 = 82H |
| 7 | 1111 1000 = F8H |
| 8 | 1000 0000 = 80H |
| 9 | 1001 0000 = 90H |
现在就可以写代码了：
1 | BUF DB C0H, F9H, A4H, B0H, 99H, 92H, 82H, F8H, 80H, 90H |
所以我们可以发现，这个功能在汇编里，只要求我们多一个检查C口的某一位是否有效。
最后，至于方式2。方式2可以允许两台处理机之间双向通信，那样的电路比较复杂，超出了考试范围。我看了西电教材这一章后面所有的习题，大部分都是方式0和方式1，所以，方式2就跳了。
还有最后一点，即8255A如何与CPU正确连接，在前面的例题里我们没有关注这个事情，这里有两个小的注意事项。
如果是8086，其最小方式和最大方式，区别只是读写信号的名字。真正要注意的是，如果8086采用奇地址，需将$A_0$换成$\overline{\mathrm{BHE}}$，并将数据总线从$D_7\sim D_0$换成$D_{15}\sim D_8$。如果是在IBM PC系统中，其采用的是8088最大方式，由于其系统包含了DMA，因此需要保证AEN=0。
End
本来，是想和8253一块整理的，后来发现，这个一章要记的太多了。快开学了，希望一切顺利，毕竟现在能做的已经很有限了。要是一年前做，大概就来得及了。不过，谁知道呢？
