第6章 IO接口和总线

1、微机原理与接口微机原理与接口 6 I/O接口接口 一、一、I/OI/O接口的功能接口的功能 1. 1. 采用接口的必要性采用接口的必要性 原因：原因： 外部设备的多样性：有输入，有输出，有检测外部设备的多样性：有输入，有输出，有检测 设备、有控制设备，有数字设备，有模拟设备；设备、有控制设备，有数字设备，有模拟设备； 从数据处理上看，数据形式有串行，有并行，从数据处理上看，数据形式有串行，有并行， 需要将这些数据进行相应转换；需要将这些数据进行相应转换； 6 I/O接口接口 2. 2. 接口需要实现的功能接口需要实现的功能 (1) (1) 设置数据缓冲以解决速度不匹配；设置数据缓冲以解决速度不

2、匹配； (2) (2) 设置信号电平转换电路以解决信号电平不匹配；设置信号电平转换电路以解决信号电平不匹配； (3) (3) 设置信息转换逻辑以解决信号格式不匹配；设置信息转换逻辑以解决信号格式不匹配； (4) (4) 设置时序控制电路来同步设置时序控制电路来同步CPUCPU与外设的工作；与外设的工作； (5) (5) 提供地址译码电路。提供地址译码电路。 (6) 中断管理功能中断管理功能:外设需外设需CPU服务时，可由接口的服务时，可由接口的 中断管理控制完成。中断管理控制完成。 一、一、I/OI/O接口的功能接口的功能 6 I/O接口接口 CPU和外部设备交换基本信息和外部设备交换基本信息

3、, 有有8位、位、16位位 为了完成为了完成CPU与外设之间的信息交换，通常在与外设之间的信息交换，通常在 接口部件中要传输三种信息：接口部件中要传输三种信息：数据信息、状态信数据信息、状态信 息、控制信息。息、控制信息。 这三种信息都通过接口电路传送，分别进入这三种信息都通过接口电路传送，分别进入 不同的寄存器，这些寄存器和它们的控制逻辑电不同的寄存器，这些寄存器和它们的控制逻辑电 路统称为端口。路统称为端口。传送这三类信息的通道分传送这三类信息的通道分 别称为：别称为：数据端口数据端口、状态端口状态端口、命令端口命令端口。 3. 3. 接口功能的实现接口功能的实现交换各种信息交换各种信息

4、一、一、I/OI/O接口的功能接口的功能 2 2）状态端口）状态端口（反映外设的状态）（反映外设的状态）: : 反映外设的工作状态。是通过接口往反映外设的工作状态。是通过接口往CPU传送传送 的，用的，用READY信号表示设备是否准备就绪；信号表示设备是否准备就绪； 用用BUSY表示输出设备是否可以接受数据。表示输出设备是否可以接受数据。 3 3）控制端口）控制端口（存放（存放CPUCPU发出的命令控制字）发出的命令控制字）: : 是是CPU通过接口传送给外设的，通过接口传送给外设的，CPU通过控制通过控制 信息控制外设的工作。如控制外设的启动和停止等。信息控制外设的工作。如控制外设的启动和停

5、止等。 1 1）数据端口）数据端口: : 存放外设与存放外设与CPU之间交换的数据，是主机与外之间交换的数据，是主机与外 设之间交换的最基本的信息，主要起数据缓冲作用。设之间交换的最基本的信息，主要起数据缓冲作用。 端口包括缓冲器、锁存器端口包括缓冲器、锁存器 一、一、I/OI/O接口的功能接口的功能 3. 3. 接口功能的实现接口功能的实现交换各种信息交换各种信息 CPU和输入和输入/输出设备之间的信号输出设备之间的信号 从含义上讲，这三种端口存放的信息各不相从含义上讲，这三种端口存放的信息各不相 同，应该分别传送。但微机系统只有同，应该分别传送。但微机系统只有IN和和OUT指指 令，所以状

6、态信息和控制信息也被看成一种令，所以状态信息和控制信息也被看成一种广义广义 的数据信息的数据信息。状态信息是输入信息；控制信息是。状态信息是输入信息；控制信息是 输出信息。在输出信息。在CPU与接口的信息交换过程中，根与接口的信息交换过程中，根 据其地址不同来进行区分。据其地址不同来进行区分。 所以，端口必须编址才能进行读写操作！所以，端口必须编址才能进行读写操作！ 一、一、I/OI/O接口的功能接口的功能 微机原理与接口微机原理与接口I/O接口接口 I/O接口的编址方法接口的编址方法 (P252) 主要有两种：主要有两种： I/O 端口和存储器统一编址、端口和存储器统一编址、 I/O端口单独

7、编址。端口单独编址。 二、二、I/OI/O端口的寻址方式端口的寻址方式 (1) I/O 端口和存储器统一编址端口和存储器统一编址 将存储空间划出一部分给将存储空间划出一部分给I/O端口端口，使，使CPU对存对存 储器和储器和I/O端口的操作完全相同。对存储器的所有指端口的操作完全相同。对存储器的所有指 令均适合令均适合I/O端口，不需要设置专门的端口，不需要设置专门的I/O指令。指令。 这种编址方式不占用存储地址空间，所有的这种编址方式不占用存储地址空间，所有的I/O 端口单独构成一个端口单独构成一个I/O地址空间，靠专门的地址空间，靠专门的I/O指令进指令进 行端口访问。行端口访问。 (2)

8、 I/O 端口单独编址端口单独编址 微机原理与接口微机原理与接口 8088/8086 CPU的的I/O编址方式编址方式 采用采用I/O独立编址方式独立编址方式(但地址线与存储器共用但地址线与存储器共用) 地址线上的地址信号用地址线上的地址信号用 M/IO来区分：来区分： I/O操作只使用操作只使用20根地址线中的根地址线中的16根：根：A15 A0, I/O地址范围为地址范围为0FFFFH,可可寻址的寻址的I/O端口数端口数 为为64K(65536)个个 二、二、I/O I/O 端口的寻址方式端口的寻址方式 微机原理与接口微机原理与接口 OUT指令将使总线的指令将使总线的 信号有效信号有效 I

9、N指令将使总线的指令将使总线的 信号有效信号有效 n当接口只有一个端口时，当接口只有一个端口时，16位地址线位地址线一般一般应应全全 部参与译码，译码输出直接选择该端口；部参与译码，译码输出直接选择该端口； n当接口具有多个端口时，则当接口具有多个端口时，则16位地址线的高位位地址线的高位 参与译码（决定接口的基地址），而低位则用参与译码（决定接口的基地址），而低位则用 于确定要访问哪一个端口。于确定要访问哪一个端口。 例如：例如： 某外设接口有某外设接口有4个端口，地址为个端口，地址为2F0H 2F3H，则其基地址为，则其基地址为2F0H，由，由A15A2译码译码 得到，而得到，而A1、A0

10、用来确定用来确定4个端口中的某一个。个端口中的某一个。 IOR IOW 二、二、I/OI/O端口的寻址方式端口的寻址方式 三、简单的输入输出接口芯片三、简单的输入输出接口芯片 简单接口电路：简单接口电路： 接口电路有简单接口电路、可编程接口电路。接口电路有简单接口电路、可编程接口电路。 1、缓冲器、缓冲器74LS244和和74LS245 2、锁存器、锁存器74LS373 微机原理与接口微机原理与接口 1. 缓冲器缓冲器74LS244 它是单向数据缓冲器。包括八个三态缓冲它是单向数据缓冲器。包括八个三态缓冲 单元，四个一组，共用一个使能控制端。单元，四个一组，共用一个使能控制端。 当该使能控制端

11、输入一个低电平脉冲，则当该使能控制端输入一个低电平脉冲，则 缓冲单元导通，输入信号送到输出线上，缓冲单元导通，输入信号送到输出线上， 否则缓冲单元处于高阻态。否则缓冲单元处于高阻态。 用作八位数据缓冲时，两个使能端接在一起，用作八位数据缓冲时，两个使能端接在一起， 由片选信号控制。由片选信号控制。 微机原理与接口微机原理与接口 74LS24474LS244逻辑功能图逻辑功能图 I/O接口接口 三、简单的输入输出接口芯片三、简单的输入输出接口芯片 简单接口电路：简单接口电路： M/IO 微机原理与接口微机原理与接口 缓冲器缓冲器74LS245 与与244的区别：的区别： 双向的数据双向的数据 缓

12、冲器，多缓冲器，多 了一个方向了一个方向 控制端控制端DIR。 I/O接口接口 三、简单的输入输出接口芯片三、简单的输入输出接口芯片 简单接口电路简单接口电路373： 微机原理与接口微机原理与接口 锁存器锁存器74LS373 有八个锁存器单元，每个包括一个有记忆功有八个锁存器单元，每个包括一个有记忆功 能的能的D触发器和一个三态门。触发器和一个三态门。 两个控制输入端两个控制输入端G和和OE，G是控制输入数据是控制输入数据 能否被送进触发器锁存起来，能否被送进触发器锁存起来，OE则是控制能则是控制能 否输出所锁存的数据否输出所锁存的数据 374与与373的区别：的区别：374的的G端要用上升沿

13、来触端要用上升沿来触 发发 273则是不含三态门的锁存器，相当于一个寄则是不含三态门的锁存器，相当于一个寄 存器，只能锁存数据，不能三态缓冲。存器，只能锁存数据，不能三态缓冲。 （CLK上升沿触发）。上升沿触发）。 I/O接口接口 可编程接口电路的一般结构图：可编程接口电路的一般结构图： 数据线数据线 控制线控制线 状态线状态线 DB CB AB 数据输入寄存数据输入寄存 器器(or 三态门三态门) 数据输出寄存数据输出寄存 器器(锁存器锁存器) 状态寄存器状态寄存器 (or 三态门三态门) 命令寄存器命令寄存器 译译 码码 电电 路路 控控 制制 逻逻 辑辑 接接 外外 设设 接接 主主 机

14、机 I/O接口接口 可编程可编程I/O接口电路芯片一般都占有两个以接口电路芯片一般都占有两个以 上的端口地址。因此，上的端口地址。因此，要寻找某个端口除了要要寻找某个端口除了要 找到该接口芯片，还要区分该接口芯片的不同找到该接口芯片，还要区分该接口芯片的不同 端口。也就是说，即要对接口芯片端口。也就是说，即要对接口芯片外部译码外部译码， 也要进行芯片也要进行芯片内部端口地址译码内部端口地址译码。 四、接口设计的基本方法四、接口设计的基本方法 1. I/O接口的译码方法接口的译码方法 微机原理与接口微机原理与接口I/O接口接口 1. I/O译码电路举例译码电路举例 (1) 直接译码电路举例直接译

15、码电路举例 M/IO IOR 地地 址址 总总 线线 微机原理与接口微机原理与接口I/O接口接口 1. I/O译码电路举例译码电路举例 (2) 译码器译码电路举例（译码器译码电路举例（P253） 片选片选 信号信号 CSi 常用来作为芯片地址选片的译码器有常用来作为芯片地址选片的译码器有: 2:4译码器译码器74LS139, 3:8 译码器译码器74LS138等。等。 74LS138 G1 G2A G2B C B A Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 000007FFH 08000FFFH 100017FFH 18001FFFH 200027FFH 28000FFFH 30003

16、7FFH 38003FFFH A12 A11 A13 A14 M/ IO A15 微机原理与接口微机原理与接口 2. 分析和设计接口分析和设计接口两侧两侧的情况的情况 CPU一侧一侧: 弄清弄清CPU管脚的含义管脚的含义,数据总线宽度、数据总线宽度、 地址总线宽度、控制总线的逻辑定义等。地址总线宽度、控制总线的逻辑定义等。 数据总线高数据总线高8位？低位？低8位位? 地址总线参与译码方式地址总线参与译码方式? 外设一侧外设一侧: 应重点考虑外设与接口之间数据线、应重点考虑外设与接口之间数据线、 控制线、和状态信号线的连接。控制线、和状态信号线的连接。 四、接口设计的基本方法四、接口设计的基本方

17、法 1. I/O接口的译码方法接口的译码方法 I/O接口接口 多数芯片的信号线可直接与多数芯片的信号线可直接与CPU连接，有些信号连接，有些信号 线则需要经过一定的处理或变换才能与线则需要经过一定的处理或变换才能与CPU连接。连接。 4. 软、硬件综合考虑软、硬件综合考虑 无论是在设计还是在分析无论是在设计还是在分析I/O接口，都要做到软、接口，都要做到软、 硬件综合考虑。硬件综合考虑。 外设与接口芯片连接的信号线，则许多都需要处外设与接口芯片连接的信号线，则许多都需要处 理或变换后才能相互连接。理或变换后才能相互连接。 四、接口设计的基本方法四、接口设计的基本方法 3. 3. 进行必要的信号

18、转换进行必要的信号转换 微机原理与接口微机原理与接口 简单输入简单输入/ /输出接口综合应用例子输出接口综合应用例子1 1 用用8个个LED灯显示灯显示8个开关的闭合状态。个开关的闭合状态。 题意分析：首先获取题意分析：首先获取8个开关的状态，然后送个开关的状态，然后送 给给8个灯。开关是输入设备（外设），灯是个灯。开关是输入设备（外设），灯是 输出设备（外设），二者都需要有接口才输出设备（外设），二者都需要有接口才 能与能与CPU交换数据。交换数据。 常用常用74LS244做输入接口，与开关相接；做输入接口，与开关相接； 74LS373做输出接口，与灯相接。做输出接口，与灯相接。 微机原理与

19、接口微机原理与接口 74LS24474LS244 74LS37374LS373 A A Y Y G G 1G1G 2G2G D7D7D0D0 8 8个开关个开关 8 8个灯个灯 地址地址 译码器译码器 A15A15 A0A0 M/IOM/IO D7D7D0D0 O O D7D7D0D0 微机原理与接口微机原理与接口 简单输入简单输入/ /输出接口综合应用例子输出接口综合应用例子2 2 根据开关状态在根据开关状态在7 7段数码管上显示数字或符号段数码管上显示数字或符号 用用74LS24474LS244作为输入口，读入开关作为输入口，读入开关K0K0K3K3的状态的状态 74LS24474LS24

20、4的地址假设为的地址假设为F1HF1H 用用74LS27374LS273作为输出接口，把数据送到作为输出接口，把数据送到7 7段数码段数码 管管 74LS27374LS273的地址假设为的地址假设为F0HF0H 当开关的状态分别为当开关的状态分别为0000000011111111时，在时，在7 7段数码段数码 管上对应显示管上对应显示0 0F F 微机原理与接口微机原理与接口 七段数码管七段数码管 a(a(D0D0) ) h(D7)h(D7) d(d(D3D3) ) g(g(D6D6) ) c(c(D2D2) ) b(b(D1D1) ) e(e(D4D4) ) f(f(D5D5) ) h h

21、g g f f e e d d c c b b a a D D7 7 D D6 6 D D5 5 D D4 4 D D3 3 D D2 2 D D1 1 D D0 0 微机原理与接口微机原理与接口 映射表 符号 形状 7段码 .gfedcba 符号形状 7段码 .gfedcba 0 00111111801111111 1 00000110901100111 2 01011011A01110111 3 01001111B01111100 4 01100110C00111001 5 01101101D01011110 6 01111101E01111001 7 00000111F01110001

22、微机原理与接口微机原理与接口 O1 I1 O2 I2 O3 I3 O4 I4 #E1 K0K3 +5V G G2A G2B C B A 11 74LS244 D0 Q0 | Q1 D7 Q2 Q3 Q4 CLK Q5 Q6 Q7 a b c d e f g DP 7406 8个个 反相器反相器 74LS273Rx8 11 74LS138 D0D7 IOW# IOR# Y0 Y1 F0H = 0000 0000 1111 0000 F1H = 0000 0000 1111 0001 (P240图图6-4， P240图图6-5) 条件传送方式条件传送方式: 先查询外设状态，后进行数据传先查询外设状

23、态，后进行数据传 输输; (P241图图6-6， P242图图6-8) 五、数据传送的控制方式五、数据传送的控制方式 （P239P239） 1. 1. 程序控制方式：程序控制方式： (P239)(P239) 2. 中断传送方式中断传送方式 (P243) 整个数据传送过程由整个数据传送过程由DMA控制器控制，使控制器控制，使CPU 脱离数据传送过程，适合于大量数据传送。脱离数据传送过程，适合于大量数据传送。 外设准备好数据，通过接口向外设准备好数据，通过接口向CPU发出中断请发出中断请 求，如果求，如果CPU响应此中断，在中断服务程序里完成响应此中断，在中断服务程序里完成 数据传输。数据传输。

24、3. DMA传送方式传送方式 (P243) 微机原理与接口微机原理与接口 1 无条件传送方式无条件传送方式 适用于适用于总是处于准备好状态总是处于准备好状态的外设的外设 以下外设可采用无条件传送方式：以下外设可采用无条件传送方式： 开关开关 发光器件发光器件(如发光二极管、如发光二极管、7段数码管、灯泡等段数码管、灯泡等) 继电器继电器 步进电机步进电机 优点：软件及接口硬件简单优点：软件及接口硬件简单 缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄 微机原理与接口微机原理与接口 2 查询方式传送查询方式传送 适用于外设并不总是准备好，而且对传送速适用于外设并不总是准

25、备好，而且对传送速 率、传送效率要求不高的场合。率、传送效率要求不高的场合。 CPU在与外设交换数据前必须询问外设状在与外设交换数据前必须询问外设状 态态“你准备好没有？你准备好没有？” 对外设的要求：应提供设备状态信息对外设的要求：应提供设备状态信息 对接口的要求：需要提供状态端口对接口的要求：需要提供状态端口 优点：软件比较简单优点：软件比较简单 缺点：缺点：CPU效率低，数据传送的实时性差，效率低，数据传送的实时性差， 速度较慢速度较慢 微机原理与接口微机原理与接口 查询方式的流程图 超时超时? READY?READY? 与外设进与外设进 行数据交换行数据交换 超时错超时错 读入并测试外设状态读入并测试外设状态 Y N Y N 传送完？传送完？ 防止死循环防止死循环 复位计时器复位计时器 N Y 微机原理与接口微机原理与接口 3 中断方式中断方式传送传送 CPU无需循环查询外设状态，而是外部设备无需循环查询外设状态，而是外部设备 在需要进行数据传送时才中断在需要进行数据传送时才中断CPU正在进行正在进行 的工作，让的工作，让CPU来为其服务。即来为其服务