接口PPT课件第1章微型计算机接口技术概述.ppt

第1章 微型计算机接口技术概述 n1.1 概述 n1.2 CPU和输入/输出设备之间的信号 n1.3 输入/输出端口 n1.4 CPU和输入/输出设备信息交换 Date1 1.1 概述 n1.1.1 接口电路 n1.1.2 接口的功能 n1.1.3 接口分类 Date2 什么是输入输出? 微型计算机系统通过外部设备与外界交换 信息的过程。 第1章 微型计算机接口技术概述 输入/输出设备 、I/O设备 Date3 1.1.1 接口电路 I/O接口：将外设连接到总线上的一组逻辑电路的 总称。用以实现外设与主机之间的信息交换。 微型计算机与外设之间必须通过I/O接口连接起来 ，并通过I/O接口互相传送信息。 I/O 设备 I/O接口 数据信息 状态信息 控制信息 微型 计算机 CPU Date4 1. 为什么设置I/O接口？ （1）外设种类繁多，千差万别，工作原理各不相同 。 （2）外设的工作速度差异很大 显示器、磁盘和光驱等 打印机、继电器和开关等 1.1.1 接口电路 Date5 1.1.1 接口电路 （3）外设传送信号种类多 模拟信号 电信号 数字信号 非电信号：位移、压力、速度、温度、 声音、图像等 注意：非数字式信号必须转换成数字信 号才能与计 算机通信 Date6 4）信号传送格式、逻辑时序等与CPU不匹配 传送格式有串行（鼠标）、并行（打印机）之 分，串行的数字信号要转换成并行信号。 需要I/O接口作为中间桥梁，来协调CPU与外 设之间的数据传递。 1.1.1 接口电路 Date7 1.1.1 接口电路 总结： 1. I/O接口电路是为了解决计算机与外部设备之 间的信息变换问题而提出来的。 2. 每个外设都必须通过接口和主机系统相连。 3. 接口通常起变换和缓冲的作用。 Date8 1.1.2 接口的功能 （1）寻址功能：对送来的片选信号进行识别。 （2）输入/输出功能：根据读/写信号决定当前进 行的是输入操作还是输出操作。 （3）数据转换功能：并行数据向串行数据的转换 或串行数据向并行数据的转换。 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。 Date9 1.1.2 接口的功能 （4）联络功能：就绪信号，忙信号等。 （5）中断管理功能：发出中断请求信号、接收中 断响应信号、发送中断类型码的功能。并具有优 先级管理功能。 （6）复位功能：接收复位信号，从而使接口本身 以及所连的外设进行重新启动。 Date10 1.1.2 接口的功能 （7）可编程功能：用软件来决定其工作方式，用 软件来设置有关的控制信号。 （8）错误检测功能： 传输错误：是由传输线路上的噪声干扰所致， 可通过奇/偶校验进行检测； 覆盖错误：如果接口中已有一个数据，而CPU 或外设还没来得及取走，此时又向接口中送来 一个新的数据，原来的数据被覆盖。 Date11 1.1.2 接口的功能 奇校验：校核数据完整性的一种方法，一个字节的 数据位与校验位加起来之和有奇数个1。校验线路 在收到数后，通过发生器在校验位填上0或1，以 保证和是奇数个1。 因此，校验位是0时，数据位中应该有奇数个1；而 校验位是1时，数据位应该有偶数个1。如果读取 数据时发现与此规则不符，CPU会下令重新传输 数据。 Date12 1.1.3 接口分类 1 按通用性分：专用接口和通用接口 2 按可编程性分：可编程接口和不可编程接口 3 按与外设数据的传送方式分：并行接口和串行接口 4 按工作对象分：面向CPU的外围接口和面向外设 的I/O接口 用户只要修改初始化程序就可改变接口的工 作方式。 优点：增加了接口的灵活性和可扩充性。 如74LS244（缓冲器），74LS245（数据收发器 ）74LS373（锁存器）等，其特点是电路简单、 使用方便，缺点是使用不灵活，一旦硬件联接后 ，功能很难改变。 为某种用途或某类外设专 门设置的接口电路。 可供多种外设使用的标准 接口。 Date13 1.2 CPU和输入/输出设备之间的信号 CPU与外设之间交换的信息有三类： 1. 数据信息 （8/16/32位） 外设和CPU真正要交换的信息 三种类型 数字量 模拟量:连续变化的物理量 开关量:具有两种状态 二进制信息数 ASCII码表示的数或字符 Date14 1.2 CPU和输入/输出设备之间的信号 2 状态信息：反映外设当前的工作状态，是外设通 过接口往CPU传送的。 如“准备好”(READY)信号、“忙”（BUSY）信号 3 控制信息：由CPU发送给外设的，命令其处于某种 工作方式或执行某种操作。 如：外设的启动信号、停止信号。 Date15 1.3 输入/输出端口 I/O端口I/O接口电路中能被CPU直接访问的 寄存器或某些特定部件。 1.3.1 输入/输出端口的分类 CPU通过访问I/O端口了解外设的工作状态、 控制外设的工作，以及与外设之间进行数据传送。 CPU和外设进行数据传输时，各类信息在接口中进 入不同的寄存器，每个端口有一个端口地址。 Date16 1.3.1 输入/输出端口的分类 数据端口：用于对来自CPU和内存的数 据或者送往CPU和内存的数据起缓冲作用。 I/O端口 状态端口：存放外部设备或者接口部件 本身的状态。 控制端口：存放CPU发出的命令，以便 控制接口和设备的动作。 Date17 1.3.1 输入输出端口的分类 CPU 外设 数据寄存器 状态寄存器 控制寄存器 I/O接口 称数据口，保存输入、输出的数据信息 。 称控制口，传递CPU发给外设 的控制命令(控制信息)。 称状态口，将外设的工作状态( 状态信息)反映给CPU. DB AB CB 数据 状态信息 控制信息 CPU对外设的输入 / 输出操作，归结为CPU对I / O 接口电路中 I / O 端口的读 / 写操作。 译 码 器 Date18 1.3.1 输入输出端口的分类 注意： （1）无论输入还是输出，所用到的地址总是对 端口而言的，不是对接口部件而言的。 （2）为了节省地址空间，将数据输入端口和数 据输出端口对应同一个端口地址。 （3）CPU对外设的输入/输出操作就归结为对接 口芯片各端口的读/写操作。 Date19 1.3.2 输入/输出端口的编址方法 端口地址 如同存储器中用不同地址来区分存储单 元一样，采用地址对端口加以区分。 计算机为每个端口赋予一个唯一编号，称端 口地址（端口号/口地址）。 每一个想和CPU通信的外设都有不同的I/O端 口地址。 Date20 统统一编编址独立编编址 I/O口地址与内存地址统统一进进行 编编址，共用一个地址空间间。 I/O口地址与内存地址分开编编址 ，内存地址空间间和I/O地址空间间 相对对独立。 无需设设置专门专门 的I/O指令，访问访问 存储储器的所有指令都适合I/O口 。 有专门专门 的I/O指令 输输入指令 IN AL , 80H 输输出指令 OUT 80H,AL 指令丰富 、灵活内存地址空间间不受I/O口编编址的 影响 用地址总线总线 最高位作寻寻址标标志用专门专门 控制信号来区分CPU访访 问问存储储器还还是I/O端口 （M/IO ） 内存可用地址空间间减少I/O指令功能简单简单 ，类类型少 示意图示意图 1.3.2 输入/输出端口的编址方法 Date21 1.3.3 输入/输出端口地址译码 I/O端口地址译码包括片选和字选两部分。 片选：由片外译码电路实现，用来确定接口芯片内 部端口的具体地址范围。 字选：由芯片内部的地址译码电路实现，用来确定 接口芯片内部端口的具体地址。 字选由芯片内部解决，用户只考虑片选译码电路 。 实现片选的方法有三种：全译码法、部分译码法和 线选法。 Date22 1.3.3 输入/输出端口地址译码 1. 全译码 地址总线的所有地址线均参与地址译码，其中 一部分参与片选，另一部分参与字选。 特点：每一端口都有唯一的地址，但结构较复杂 。一般用在I/O空间较大的场合。 Date23 1.3.3 输入/输出端口地址译码 2. 线选法 系统的地址总线中只有少数几个地址线经过简 单的逻辑或将其中的某个地址线直接作为接 口芯片的片选信号。 特点：一个端口有多个地址（地址重叠）。结 构简单，但造成严重的地址浪费和地址重叠 ，适用于I/O空间较小的场合。 Date24 3. 部分译码法 最常用的片选方法，是前两种方法的结合， 具有结构简单的优点，但也存在地址重叠， 适用于I/O空间较大的场合。 常用方法：用地址的高位与控制信号组合经译码 电路产生I/O接口芯片的片选信号（CS）,实现接 口芯片间的选择；用地址的低位部分直接连到I/O 接口芯片的端口选择实现具体端口的选择 。 Date25 I/O端口地址译码电路 常见的译码电路形式： 1 固定式端口译码电路（常用，门电路译码、 译码器译码） 2 开关式可选端口译码 3 比较器译码法 Date26 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 74LS138 Date27 I/O端口地址译码电路 A B C G2A G2B G1 O O A5 A6 A7 A8 A9 AEN IOW Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 8237 8259 8253 8255 写NMI屏蔽寄存器 写DMA页面寄存器 O O 74LS138 3-8译码器译码 O O O O O O Y6 Y7 O O Date28 1.3.4 CPU的输入输出指令 1 直接寻址输入/输出指令 直接寻址：仅用低8位地址线A7-A0译码产生I/O 端口地址（8位），A15-A8的输出为0。 可寻址范围为0-255，即256个端口地址。 IN AL，N；8位端口地址，字节输入 IN AX，N；8位端口地址，字输入 OUT N，AL；8位端口地址，字节输出 OUT N，AX ；8位端口地址，字输出 功能：把端口中数据读到AL、 或AX中。 功能：把寄存器AL、或AX中 数据输出到端口。 Date29 2、DX寄存器间接寻址输入/输出指令 用A15-A0地址线译码产生I/O端口地址（16位 ） 可寻址范围为0-65535，即64K个端口地址。 IN AL，DX； 16位端口地址，字节输入 IN AX，DX； 16位端口地址，字输入 OUT DX，AL； 16位端口地址，字节输出 OUT DX，AX； 16位端口地址，字输出 Date30 1.4 CPU和输入输出设备信息交换 外设 I/O 接口 CPU 数据口 数据输入过程：数据输出过程： DB AB 为保证数据传输正确可靠，一定要在外设准备就 绪后，CPU才能执行I/O操作。 Date31 一、 数据的传送控制方式 无条件传送 查询传送 中断控制传送 存储器直接存取方式（DMA） 1.4 CPU和输入输出设备信息交换 特点：（1）以CPU为中心，控制来自CPU，通过预先 编写好的I/O程序实现数据的传送。 （2）速度较低，传送路径经过CPU内部寄存器 同时数据I/O响应也比较慢。 Date32 1.4 CPU和输入输出设备信息交换 1.无条件传送方式 特点：直接利用I/O指令进行输入/输出操作。适用于总 是处于准备好状态的外设。外设的工作时间已知， 必须在CPU限定的指令时间内准备就绪，并完成数 据的接收或发送。 方法：把I/O指令插入到程序中，当程序执行到该指 令时，外设已作好准备，在此指令时间内完成 数据传送任务。 Date33 优点：软件及接口硬件简单。 缺点： CPU效率低，只适用于简单外设，适应范 围较窄，一般只用在一些简单外设，诸如开关 控制、发光器件（发光二极管、七段数码管、 灯泡等）、继电器、步进电机等。 Date34 2、查询传送（条件）方式 适用场合： 低速外设（当CPU同外设不同步）,在一 定条件下可与CPU进行数据传送。传送前，CPU 必须先对外设进行状态检测。 1.4 CPU和输入输出设备信息交换 特点：CPU通过程序查询外设的状态（是否已准备 就绪），若状态不符合，则CPU不能进行I/O 操作，继续查询等待；只有当状态信号符合 要求时，CPU才能进行相应的I/O操作。 注意：CPU在与外设交换数据前必须询问外设状态 “准备好没有？” Date35 硬件：对外设的要求应提供设备状态信息 对接口的要求需要提供状态口 RD 输入 设备 锁 存 器 三 态 缓 冲 器 （8位）选通 三 态 缓 冲 器 （1位） D +5V CP Q & 8086及其 配置 地址 译 码 & M/IO 数据口 状态口 DB 查询输入接口电路原理图 Di 状态 信息 D 触发 器 数据 AB C 查询传送方式 Date36 软件：设置状态查询环 缺点：CPU花大量时间查询外设状态（99.99%时间 查询、测试、等待），效率低，数据传送速 度较慢，实时性差。 查询传送方式 查询流程图 Date37 1.4 CPU和输入输出设备信息交换 3、中断传送方式（重要且常用） 中低速外设，要求在传送过程中CPU有较高的 工作效率。 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。 中断使CPU和外设以及外设之间能并行工作。 Date38 中断传送方式 工作过程：CPU无需循环查询外设状态，外部 设备在需要进行数据传送时通过接口发出中 断请求信号。CPU收到中断请求后，中断正 在进行的工作，转去为外设服务执行一 个中断服务程序，在程序中完成一次数据传 送操作。数据传送完毕后，CPU又返回继续 原来被中断的工作。 中断实例 Date39 输入 设备 锁 存 器 三 态 缓 冲 器 选通 D +5V CP Q 8086及 其配置地址 译 码 & DB 中断输入接口电路原理图 中断请求 触发器 数据口 1 INT AB 中断传送方式 C 中断请 求信号 Date40 中断传送方式 优点：CPU与外设（甚至多个外设）处于并行工 作状态，提高了CPU的利用率，也便于实现信 息的实时处理。 缺点：程序编制较为复杂。 Date41 1.4 CPU和输入输出设备信息交换 4、DMA方式直接存储器存取方式 高速外设与微机系统进行数据传送。 用于存储器（内存）与外设的成批高速数据传送。 特点:在外设和内存之间开辟直接的数据通道, 整个传送过程由硬件完成（DMAC）,不需软 件介入，CPU也不再担当数据传输的中介者 。 Date42 程序控制方式与DMA方式的比较 内存 CPU I/O接口 外设 内存 CPU I/O接口 外设 DMAC 程序控制方式 DMA方式 Date43 q优点： （1）可达到很高的传输速率 （2）适用于高速的外设、成批交换数据的场合 。 （3）PC机中，图像显示、磁盘存取、磁盘间的 数据交换等通常采用DMA方式。 DMA方式 Date44 DMA传送的实现方式 n 周期挪用方式 n 周期扩展方式 n CPU停机方式（ 最常用，最简单的传送方式 ） Date45 DMA传送原理图（CPU停机方式） 系统总线 CPUDMAC 存储器 外设接口 AEN IOW MEMW MEMR IOR MEMW MEMR IOW IOR AEN HOLD HLDA DMAREQ DMAACK AEN IOW IOR MEMW MEMR 当外设准备好，可以进行 DMA传送时，向DMAC发出请求 信号DMAREQ DMAC收到请求后，向CPU 发出总线请求信号HOLD， 表示希望使用总线 CPU响应请求，向DMAC发出 总线请求回答HLDA信号，让出 总线控制权（CPU与外部总线 处于高阻态） DMAC得到总线控制权， 进入DMA方式，并向外设 发出DMA响应信号DMAACK 由DMAC发出各种控制信号， 控制外设与存储器之间的数 据传送 数据传送完后，DMAC撤销 HOLD信号 CPU释放HLDA信号，并重新 控制总线 Date46 DMAC（DMA控制器）的基本功能 （1）能接收外设的请求，向CPU发出DMA请求信号 。 （2）当接到CPU发出DMA响应信号后，DMAC接管 对总线的控制，进入DMA方式。 （3）能寻址存储器，即能输出地址信息和修改地址 。 （4）能向存储器和外设发相应的读/写控制信号。 （5）能控制传送的字节数，判断DMA是否结束。 （6）在DMA传送结束后，能结束DMA请求信号， 释放总线，使CPU恢复正常工作。 Date47 1.4 CPU和输入输出设备信息交换 二、输入/输出过程中的几个问题 不管是查询方式，还是中断方式以及DMA方式，都 有一些共同的问题 1.系统如何知道接口部件已经准备好数据等待CPU 提取或者准备接收CPU送来的数据？ 2.系统中有几个设备处于同一种传输方式下，而且 同