微机原理及接口技术-第7章-输入输出接口和总线.ppt

1、7-1 I/O interface and bus,一、function 1、采用I/O接口的必要性 necessary 通讯 communication： 指计算机与外设间交换数据、状态和命令的过程。 要通讯则需解决如下问题（必要性） ： 1）速度不匹配问题 speed CPU速度快 I/O接口 外设速度慢 2）信号电平不匹配问题 signal CPU使用TTL电平，外设是复杂的信号。,TTL 电平 转为外设所需信号 外设信号 转为TTL 电平 3）信号格式不匹配问题 format CPU总线上传送8位、16位、32位并行数据 外设：所需信号种类有模拟量，数字量， 开关量等；电压，电流；串行

2、方式，并行方式。 4）时序不匹配问题 time sequence CPU的时序与外设自己的定时和控制逻辑不一样。,2、接口功能 interface function 主要作用：解决CPU与外设间的不匹配，不 能协调工作的问题。 功能如下： 1）设置数据缓冲器buffer，解决速度差异。 2）设置电平转换电路 如串行接口芯片 MAX232（TTL 12V） 3）设置信息逻辑转换电路： 如A/D，D/A，接触器的通/断等。 4）设置时序控制路实现CPU与外设同步， 如状态，应答信号。,5）具备地址译码电路 选择不同外设进行操作 二、简单的I/O接口芯片（P248 自学） 三、I/O端口及寻址方式

3、port and addressing 1、I/O端口： CPU与外设通讯时，传送的信息 1）数据信息 数据R 数据口 2）状态信息 状态R 状态口 3）控制信息 控制R 命令口,1）数据端口：存放CPU与外设间交换的数据，长度 1-2字节，其数据缓冲作用。 2）状态端口：指示外设当前状态，每种状态用1位表示 常用状态位： READY（准备就绪） READY=1时 输入口：数据已准备好，等待CPU读取， CPU取走后，READY置0。 输出口：输出R已空，可接收下一数据， 收到下一数据， READY置0。,BUSY忙碌位 表明输出设备能否接受数据。 BUSY=1：忙，不接收CPU传送数据 BU

4、SY=0：闲，可接收CPU传送数据 错误位（ERROR）：数据传递出错位 如奇/偶校验错，溢出错。 3）命令端口（控制口）： 存放CPU对I/O设备的命令和控制字。 如：启动，停止，允许中断。 控制字有：方式选择控制字，操作命令字等,2、I/O端口的寻址方法： 两种编址方式：存储器映象导址，mapping I/O指令寻址。 I/O instruction 存储器映象导址方式： 把I/O端口做一个存储单元，与存储单元统一 编址。 优点：无需专用I/O指令，简化了指令系统，端 口空间可大可小。 缺点：占用了存储空间，指令字节数比专用I/O 指令长。 如：MC6800，MC68000，单片机51、9

5、6系列。,I/O单独编址方式： 不占用存储器空间，构成一个I/O空间。 用专用的IN，OUT指令 8086中：用A15A0导址I/O端（可访问64K个） 用M/IO控制信号区分I/O导址和存储器导址,优点：可读性好（专用指令） 速度快（指令字节少） 不占用内存空间 缺点：专用IN，OUT，指令系统复杂 功能不如访问存贮器的指令强 增加了控制信号（M/IO）,四、CPU与外设间数据传送方式 data transfer 程序控制方式 program 三种类型 中断方式 interrupt DMA方式（硬件实现） DMA 1、程序控制方式： 无条件传送（同步传送） 条件传送（查询方式） 1）无条件数

6、据传送方式 unconditional 应用场合：用于外设在任何时刻均已处于准 备好或接收状态。,举例：定时采集和现实三部位的温度 端口地址10H，11H，12H是与三个温度 源相连的A/D转换器的地址。 编程： START：IN AL ， 10H；采集温度 CALL DISPLAY1；显示 IN AL ，11H；采集温度 CALL DISPLAY2；显示 IN AL ， 12H； CALL DISPLAY3； CALL DELAY；调延时 JMP START；,2）条件传送（查询方式）conditional query CPU不断查询状态，满足条件后则传送， 否则等待。,查询输入流程图,查询

7、输入接口电路：,编程：设状态口：PORT_SI 数据口：PORT_IN 传送数据字节数：COUNT_1 MOV BX , 0 ; 初始化指针 MOV CX ,COUNT_1 ; 字节数 READ_SI：IN AL ，PORT_SI ; 读入状态位 TEST AL ，01H ; D0=1？准备好？ JZ READ_SI ;否，转。 IN AL，PORT_IN ;已准备好,读入数据 MOV BX ，AL ; 存于缓冲区,INC BX ; 修改指针 LOOP READ_SI ; 未完，待续 ; 已完，执行别的程序 查询工作过程： 输入设备准备好后，发选通信号 a：数据锁存起来 b: D触发器Q=1

8、CPU执行 IN AL ，PORT_S1后: M/IO=0， RD=0 A15A0给出状态端口码CS1=0 状态三态门打开，状态送入D0位上,CPU执行 IN AL，PORT_IN 后： M/IO=0 RD=0 A15A0 给出数据端口码， CS2=0 缓冲器将数据送出，同时清0 READY 状态 P256 图7-8 查询输出接口电路（详细讲解） 条件传送数据的缺点： 反复查询过程，浪费CPU的时间，CPU利用率低。,M/IO A15-A0,D7-D0,查询输出接口电路,2、中断方式数据传送： 平时CPU执行主程序，只有输入数据准备就绪或输出设备已闲，才向CPU申请中断。CPU响应中断后，执行

9、中断服务程序，进行一次数据交换，然后返回继续执行原程序。（详细讲授在第八章中进行） 3、DMA方式： 问题的提出 problem formulation： 虽然中断方式CPU利用率高，但执行中断仍需时间。DMA方式是数据传递时，要CPU让出总线，由DMA控制利用总线直接与外设进行数据传送，不占用CPU时间。传递完后，DMA控制器再将总线还给CPU。 DMA方式传送数据的速度取决外设和内存速度。,存 储 器,外 设,HRQ DMA HLDA 控制器,地址锁存器,数据总线,数据总线,控制总线,控制总线,控制总线,数据总线,AD15AD0,ALE,CPU,HLDA HOLD,IOR,DREQ,DAC

10、K,地址总线,IOW,MEMW,MEMR,微机系统中DMA控制器操作框图,P258 微机系统中DMA控制器操作框图（详讲） DMA方式读磁盘工作过程： procedure 系统启动时： 开关接通CPU总线，存储器（总线属于CPU）同时对DMA控制器初始化（传送字节数，起始地址，选DMA芯片通道） CPU向磁盘发读命令，磁盘控制器找到数据位置，开始读数据, 数据准备好后，外设向DMA 控制器发请求信号 DREQ。若DMA输入通道未屏蔽，DMA 发HRQ到CPU的HOLD端。CPU收到后，中止当前程序运行，总线浮空并发保持响应信号HLDA，DMA控制器发信号使开关向下，总线与DMA控制器接通（DM

11、A控制总线） DMA发送第一个数据地址且发出确认信号DACK，通知磁盘控制器准备好要输出的数据字节 DMA控制器使I/O读信号IOR、存储器写信号MEMW有效，磁盘输出数据到总线，并将总线数据写入存储器。,(6)每传送一个字节数据后：DMA自动修改地址 R 的内容，指向下一地址，字节计数器减1，重 复上述过程，直到计数值减为0，并由0减到 FFFF为止。 (7)DMA结束后，HRQ无效，总线连接到CPU。 CPU恢复执行原中止程序。 五、I/O译码电路和PC机的I/O地址分配 1、 I/O端口译码电路。 2、 PC机的I/O端口地址分配,PC/XT机端口分配 CPU:8088(兼容机8086)

12、 接口芯片： 中断控制器 8259A 1片 主板上 DMA控制器8237A-5 1片 并行I/O芯片8255A-5 1片 计数/定时器8253-5 1片 主板上还有8个I/O扩展槽。（I/O通道）,提供磁盘驱动器I/O接口 I/O扩展槽 打印机接口 插入适配器 CRT接口 异步通讯接口等 PC/XT机中： 用A9A0进行I/O寻址 A9=0寻址主板I/O端口（512个端口） A9=1寻址I/O通道（512个端口） 主板上，I/O端口译码电路如下图所示：,图7-12 系统板上I/O端口译码电路,当AEN=1 A8A9=00时74LS138开始工作 主板I/O地址范围：0000FFH(256) A

13、9=1时，I/O通道（槽）：2003FF PC/XT机的I/O端口分配表如表1所示； PC/AT及兼容机的I/O端口地址分配表如表2示,系 统 板 I/O 通 道,00001F（000F） 02003F（2021） 04005F（4043） 06007F（6063） 08009F（8083） 0A00BF（A0） 0C00DF 0E00FF 20020F 2F8 2FF 300 31F 320 32F 378 37F 380 38F 3B0 3BF 3F0 3F7 3F8 3FF,8237A-5 DMA控制器 8259A 中断控制器 8253-5 计数/定时器 8255A-5 并行接口 DMA

14、页寄存器 NMI屏蔽寄存器 保留 保留 游戏I/O口 异步通信2（COM2） 实验卡（原型卡） 硬磁盘适配器 并行打印机接口 同步通信控制器 单显/打印机适配器 软磁盘适配器 异步通信1（COM1）,分类 地址范围（H） I/O设备（端口）,表1 PC/XT机的I/O端口分配表,系 统 板 I/O 通 道,00001F 02003F 04005F 06006F 07007F 08009F 0A00BF 0C00DF 0F0 0F1 0F8 0FF 1F0 1F8 200 207 278 27F 2F8 2FF 300 31F 360 36F,DMA控制器1, 8237A-5 中断控制器1, 8

15、259A(主片) 定时器 8254-2 键盘接口处理器，8042 实时时钟，NMI屏蔽寄存器 DMA页寄存器，74LS612 中断控制器2 8259A(从片) DMA控制器2， 8237A-5 清除协处理器忙信号 复位协处理器 协处理器 硬磁盘 游戏I/O口 并行口2（LPT2） 串行口2（COM2） 实验卡（原型卡） 保留,分类 地址范围（H） I/O设备（端口）,I/O 通 道,378 37F 380 38F 3A03AF 3B0 3BF 3C0 3CF 3D0 3DF 3F0 3F7 3F8 3FF,并行打印机口1（LPT1） SDLC,双同步通信口2 双同步通信口1 单显/打印机适配器 保留 彩色/图形监视器适配器 软磁盘控制器 串行口1（COM1）,分类 地址范围（H） I/O设备（端口）,表2 PC/AT及兼容机的I/O端口地址分配表,在PC/AT机中： 80286 10地址线（A9A0）I/O寻址，地址范围0003FFH 其中：DMA控制器8237A2片 中断控制器8259A2片 定时器 8254-2,7-2 总线 bus,一、概念 definition 总线：各部件间传送信息的公共通道。 1、总线分类：category 片级总线（元件级总线）： 芯片的引脚 系统总线（内总线，板级总线）： 各插板间的连