第06章_IO接口和总线

1、第六章第六章 I/OI/O接口和总线接口和总线本章介绍本章介绍1. I/O接口接口I/O接口的功能接口的功能简单的输入输出接口芯片简单的输入输出接口芯片I/O端口及其寻址方式端口及其寻址方式CPU与外设间的数据传送方式与外设间的数据传送方式PC机的机的I/O地址分配地址分配2. 总线总线IBM PC总线总线AT总线或总线或ISA总线总线I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路成数据传送和控制任务的逻辑电路PC机系统板的可编程接口芯片、机系统板的可编程接口芯片、I/O总线总线槽的电路板（适配器）都是接口电路槽的电路板（适配器）都是接

2、口电路什么是什么是I/OI/O接口？接口？一一I/O接口的功能接口的功能1.采用采用I/O接口接口的必要性的必要性计算机和外设之间的信息交换带来一些问题：计算机和外设之间的信息交换带来一些问题：速度不匹配速度不匹配信号电平不匹配信号电平不匹配信号格式不匹配信号格式不匹配时序不匹配时序不匹配因此因此I/O设备不能直接与设备不能直接与CPU的系统总线相连，必须在的系统总线相连，必须在CPU与外设之间设置专门的接口电路来解决这些问题。与外设之间设置专门的接口电路来解决这些问题。2. 接口的功能：接口的功能： 设置数据缓冲器以解决两者速度差异所带来的不协调设置数据缓冲器以解决两者速度差异所带来的不协调

3、问题问题 设置信号电平转换电路设置信号电平转换电路 设置信息转换逻辑以满足对各自格式的要求设置信息转换逻辑以满足对各自格式的要求 设置时序控制电路来同步设置时序控制电路来同步CPU和外设的工作和外设的工作 提供地址译码电路，使提供地址译码电路，使CPU在同一时刻只能选中某一在同一时刻只能选中某一个个I/O端口。端口。I/O接口电路是外设和计算机之间传送信息的交换部件，接口电路是外设和计算机之间传送信息的交换部件，也成为界面，它使两者之间能很好地协调工作，每一个也成为界面，它使两者之间能很好地协调工作，每一个外设都要通过接口电路才能和主机相连。外设都要通过接口电路才能和主机相连。可编程输入输出接

4、口芯片可编程输入输出接口芯片随着大规模集成电路技术的发展，出现了许多通用的可随着大规模集成电路技术的发展，出现了许多通用的可编程接口芯片，可用它们来方便地构成接口电路。编程接口芯片，可用它们来方便地构成接口电路。后面几章将介绍常见的可编程后面几章将介绍常见的可编程I/O接口芯片的原理、编接口芯片的原理、编程方法及与程方法及与CPU的连接方法。的连接方法。可编程中断控制器可编程中断控制器8259A可编程计数器可编程计数器/定时器定时器8253可编程外围接口芯片可编程外围接口芯片8255A串行通信和可编程接口芯片串行通信和可编程接口芯片8251AA/D和和D/A转换芯片。转换芯片。本章介绍最常用的

5、简单本章介绍最常用的简单I/O接口芯片接口芯片,主要有缓冲器主要有缓冲器(Buffer)和锁存器和锁存器(Latch)。二、简单的输入输出接口芯片二、简单的输入输出接口芯片最常用的简单输入输出接口芯片主要有缓冲器（最常用的简单输入输出接口芯片主要有缓冲器（BufferBuffer）和锁存器（和锁存器（LatchLatch）。）。缓冲器缓冲器74LS24474LS244和和74LS24574LS245锁存器锁存器74LS37374LS373二、简单的输入输出接口芯片二、简单的输入输出接口芯片1. 缓冲器缓冲器74LS244和和74LS245连接在总线上的缓冲器都具有三态输出能力。连接在总线上的缓

6、冲器都具有三态输出能力。在在CPU或或I/O接口电路需要输入输出数据时，在它接口电路需要输入输出数据时，在它的使能控制端的使能控制端EN（或（或G）作用一个低电平脉冲，使它的）作用一个低电平脉冲，使它的内部的各缓冲单元接通，即处在输出内部的各缓冲单元接通，即处在输出0或或1的透明状态。的透明状态。数据被送上总线。数据被送上总线。当使能脉冲撤除后，它处于高阻态。这时，各缓冲单元当使能脉冲撤除后，它处于高阻态。这时，各缓冲单元像一个断开的开关，等于将它所连接的电路从总线脱开。像一个断开的开关，等于将它所连接的电路从总线脱开。74LS244和和74LS245就是最常用的数据缓冲。除缓冲作用就是最常用

7、的数据缓冲。除缓冲作用外，它们还能提高总线的驱动能力。外，它们还能提高总线的驱动能力。单向数据缓冲器单向数据缓冲器74LS24474LS2448 8路数据缓冲器，分为两组，分别由片选信号路数据缓冲器，分为两组，分别由片选信号CE1CE1和和CE2CE2控制控制用于用于8 8位数据缓冲时，位数据缓冲时，CE1CE1和和CE2CE2连在一起连在一起当当CE1CE1和和CE2CE2为高电平时，输出呈高阻状态为高电平时，输出呈高阻状态74LS244双向缓冲器74LS245双向双向8 8路数据缓冲器，路数据缓冲器，控制信号为片选信号控制信号为片选信号输入端输入端G G，方向控制，方向控制信号信号DIRD

8、IR。只有当只有当G G为低电平，缓为低电平，缓冲器才工作冲器才工作DIR=1DIR=1，数据从，数据从A A到到B BDIR=0DIR=0，数据从，数据从B B到到A A双向数据缓冲器双向数据缓冲器74LS24574LS245锁存器锁存器74LS37374LS373锁存器具有暂存数据的能力，能将锁存器具有暂存数据的能力，能将数据锁住，在输出控制信号的作用下数据锁住，在输出控制信号的作用下将数据传送出去。将数据传送出去。74LS373是一种常是一种常用的用的8D锁存器，它可以直接挂在总线锁存器，它可以直接挂在总线上，并具有三态总线驱动能力。上，并具有三态总线驱动能力。两个控两个控制输入端：输入

9、使能端制输入端：输入使能端G和允和允许输出端许输出端OE。OE为低时：为低时：G为高时，为高时，D端数据到端数据到O端；端；G为低时，为低时，O端将是前面锁存的端将是前面锁存的数数据，不受据，不受D端的变化影响。端的变化影响。OE为高时：输出将呈为高时：输出将呈高阻态。高阻态。OEGDO低低高高高高高高低低高高低低低低低低低低X锁存锁存高高XX高阻态高阻态三三 I/OI/O端口的寻址方式端口的寻址方式1. I/O1. I/O端口端口CPUCPU与外设通信时，传送的信息主要包括与外设通信时，传送的信息主要包括数据信息、状态信数据信息、状态信息和控制信息息和控制信息。这些信息分别进入不同的寄存器，

10、通常将这些寄存器和它们这些信息分别进入不同的寄存器，通常将这些寄存器和它们的控制逻辑统称为的控制逻辑统称为I/OI/O端口（端口（PortPort），），CPUCPU可对端口中的信息可对端口中的信息直接进行读写。直接进行读写。1)数据端口（数据端口（Data Port）用来存放用来存放CPU与外设之间交换的数据，长度一般为与外设之间交换的数据，长度一般为1-2个字节，个字节，主要起缓冲作用。主要起缓冲作用。2)状态端口（状态端口（Status Port）用来指示外设的当前状态。每种状态用用来指示外设的当前状态。每种状态用1位表示，由位表示，由CPU读取。读取。几种最常用的状态位有：几种最常用的

11、状态位有：准备就绪位（准备就绪位（Ready）针对针对CPU输入端口：输入端口：1：数据寄存器已准备好数据，等待数据寄存器已准备好数据，等待CPU读取，取走后，位清读取，取走后，位清0。针对针对CPU输出端口输出端口：1：输出数据寄存器已空，可以接收下输出数据寄存器已空，可以接收下一个数据；新数据到达后，位清一个数据；新数据到达后，位清0。忙碌位（忙碌位（Busy）表明外设是否能接收数据。表明外设是否能接收数据。1：外设忙，暂时不允许：外设忙，暂时不允许CPU送送信的数据过来。信的数据过来。0：外设已空闲，允许：外设已空闲，允许CPU发送下一个数据。发送下一个数据。错误位（错误位（Error）

12、1：指示在数据传送过程中出现错误。指示在数据传送过程中出现错误。CPU进行相应的处理，进行相应的处理，如重新传送或中止操作等。如重新传送或中止操作等。3)命令端口（命令端口（Command Port）也称为控制端口（也称为控制端口（Control Port），用来存放），用来存放CPU向接口发出的向接口发出的各种命令和控制字，以便控制接口和设备的动作。各种命令和控制字，以便控制接口和设备的动作。常见的命令信息有常见的命令信息有启动位、停止位、允许中断位启动位、停止位、允许中断位等。等。接口芯片不同，控制字的格式和内容是各不相同的，常见的控制接口芯片不同，控制字的格式和内容是各不相同的，常见的控

13、制字有字有方式控制字、操作命令字方式控制字、操作命令字等。等。在微型计算机系统中，在微型计算机系统中，CPU通过接口和外设交换数据时，只有通过接口和外设交换数据时，只有输输入（入（IN）和输出（）和输出（OUT）两种指令，所以只能把状态信息和命）两种指令，所以只能把状态信息和命令信息当作数据来令信息当作数据来传送，并且传送，并且将状态信息作为输入数据，控制信将状态信息作为输入数据，控制信息作为输出数据，于是三种信息都可以通过数据总线来传送了。息作为输出数据，于是三种信息都可以通过数据总线来传送了。这三种这三种信息被送入三种不同端口的寄存器，因而能实施不同的功信息被送入三种不同端口的寄存器，因而

14、能实施不同的功能。能。三种I/O端口的比较端口名称主要作用传送方向数据端口CPU与外设交换信息的通道；起缓冲作用CPU外设CPU外设状态端口存放外设的当前状态由CPU读取，实现CPU与外设的握手CPU外设控制端口存放CPU向接口发出的各种命令，控制外设的动作CPU外设I/O I/O 端口端口存储单元存储单元I/O I/O 地址地址空间空间存储器地址存储器地址空间空间整个地整个地址空间址空间1) 1) 存储器映像的存储器映像的I/OI/O寻址寻址 存储单元和存储单元和I/OI/O端口的地址统一编址端口的地址统一编址2、I/O端口的寻址方式端口的寻址方式特点：特点：把系统中的每个把系统中的每个I/

15、OI/O端口都看作一个存储单端口都看作一个存储单元，并与存储单元一起统一编址，这样访问存元，并与存储单元一起统一编址，这样访问存储器的所有指令均可用来访问储器的所有指令均可用来访问I/OI/O端口，不用设端口，不用设置专门的置专门的I/OI/O指令指令优点：优点：简化指令；能用类型多、功能强的访问存简化指令；能用类型多、功能强的访问存储器指令对储器指令对I/OI/O设备进行操作；设备进行操作；I/OI/O地址空间大地址空间大小可以灵活变化小可以灵活变化缺点：缺点：I/OI/O译码电路较复杂；输入输出操作较慢译码电路较复杂；输入输出操作较慢; ;由于由于I/OI/O端口占用了一部分存储器地址空间

16、，因端口占用了一部分存储器地址空间，因而使用户的存储地址空间相对减小。另外不利而使用户的存储地址空间相对减小。另外不利于程序阅读。于程序阅读。典型典型CPUCPU：MC6800MC6800、MC68000MC68000和和68HC0568HC052)I/O2)I/O映像的映像的I/OI/O寻址寻址 I/OI/O端口地址与存储单元地址分开编址端口地址与存储单元地址分开编址 存储单元存储单元存储地址空存储地址空间间I/O 端口端口I/O 地址空间地址空间特点：特点：对系统中的输入输出端口地址单独编址，构对系统中的输入输出端口地址单独编址，构成一个成一个I/OI/O空间，它们不占存储空间，而是用专空

17、间，它们不占存储空间，而是用专门的门的ININ、OUTOUT指令来访问端口指令来访问端口优点：优点：程序可读性强；执行速度快；程序可读性强；执行速度快；I/OI/O译码电路译码电路简单简单缺点：缺点：必须有专门的必须有专门的ININ和和OUTOUT指令来访问指令来访问I/OI/O端口；端口；必须配有必须配有M/IOM/IO信号信号典型典型CPUCPU：80868086系列、系列、Z80Z808086CPU I/O8086CPU I/O端口寻址端口寻址1 1、地址线：、地址线：A15A0A15A02 2、M/IO=1M/IO=13 3、用、用I/OI/O指令指令(in out)(in out)四

18、、四、CPU与外设间的数据传送方式与外设间的数据传送方式软件实现：软件实现：程序控制方式、中断方式。程序控制方式、中断方式。硬件实现：硬件实现：DMADMA方式。方式。程序控制方式程序控制方式CPUCPU与外设之间的数据传送是在程序控制下完成的，分为；与外设之间的数据传送是在程序控制下完成的，分为；无条件传送方式（同步传送方式）无条件传送方式（同步传送方式）条件传送方式（查询传送方式）条件传送方式（查询传送方式） 无条件方式（同步传送方式）无条件方式（同步传送方式）最简单的传送方式，主要用于对简单的外设进行操作，最简单的传送方式，主要用于对简单的外设进行操作，或者外设的定时是固定的或已知的场合

19、。或者外设的定时是固定的或已知的场合。程序可以不必检查外设的状态，认为外设已经准备就绪，程序可以不必检查外设的状态，认为外设已经准备就绪，而在需要进行而在需要进行I/OI/O操作时，直接执行操作时，直接执行I/OI/O指令指令, ,与外设传送与外设传送数据。数据。CPU译码数据线M/IORD或门地址线 接口外设同步输同步输 入方式入方式简单输入接口电路（简单输入接口电路（）10KSEL161514131211109248613111517432561871912A42A32A11A31A41A21A11Y12A21G2G1Y31Y21Y51Y41Y61Y71Y8141618912753U174

20、ALS24412345678VCC161514131211109CPU译码数据线M/IOWR或门地址线 接口外设2、同步输出方式简单输出接口电路简单输出接口电路SELSEL330330D0D0Q0Q0Q1Q1Q2Q2Q3Q3Q4Q4Q5Q5Q6Q6Q7Q7D4D4D5D5D6D6D7D7D3D3D2D2D1D1DATADATABUSBUS74ALS37374ALS373U1U1OCOCCLKCLK2 23 34 47 75 56 69 98 812121515161619191313141417171818+5V+5V1 11111条件传送（查询式传送）条件传送（查询式传送）一般情况下，一般情

21、况下，CPU在执行在执行I/O时，很难保证输入设备总是时，很难保证输入设备总是准备好数据，或是输出设备已经处在接收数据状态。准备好数据，或是输出设备已经处在接收数据状态。CPU必须先确认外设已处于准备传送数据状态，才能进行传送。必须先确认外设已处于准备传送数据状态，才能进行传送。CPU必须先执行一条输入指令，从外设的状态口读取当必须先执行一条输入指令，从外设的状态口读取当前的状态。前的状态。如果外设未准备好或处于忙碌状态，则程序要如果外设未准备好或处于忙碌状态，则程序要转回去反复执行读状态指令，不断检测外设的状态转回去反复执行读状态指令，不断检测外设的状态；直到直到外设准备就绪为止，然后外设准

22、备就绪为止，然后CPU才可以进行正常的才可以进行正常的I/O操作。操作。 输入时，状态寄存器的状态指示要输入的数据是否已经输入时，状态寄存器的状态指示要输入的数据是否已经准备就绪；准备就绪； 数据线数据线状态线状态线外设外设查询式输入查询式输入查询式输入工作过程查询式输入工作过程外设的数据已经准备好后，发出选通信号，一方面将数外设的数据已经准备好后，发出选通信号，一方面将数据送入据送入8 8位锁存器，另一方面对位锁存器，另一方面对D D触发器触发，使状态触发器触发，使状态信息标志位信息标志位D D0 0为为1 1。当当CPUCPU要求外设输入信息时，先检查状态信息。若数据已要求外设输入信息时，

23、先检查状态信息。若数据已经准备好，则输入相应数据，并使状态信息清经准备好，则输入相应数据，并使状态信息清“0”0”。否则，等待数据准备否则，等待数据准备“就绪就绪”。 准备好？准备好？读取状态信息读取状态信息输入数据输入数据是是否否状态位复位状态位复位查询式输入流程图常用的状态线有常用的状态线有IBFIBF，READYREADY功能：功能：1 1、输入设备准备好数据，状态线有效；、输入设备准备好数据，状态线有效；2 2、CPUCPU读数据端口，取走数据后，状态线转换为无读数据端口，取走数据后，状态线转换为无效效1、STB有效，有效，(1)、输入设备数据进入锁存器；、输入设备数据进入锁存器；(2

24、)、IBF 有效有效2、CPU读状态端口读状态端口3、CPU读数据端口，同时清读数据端口，同时清IBF外设外设查询式输入代码片段查询式输出时，状态寄存器的状态指示输出设备是否空查询式输出时，状态寄存器的状态指示输出设备是否空闲。闲。数据线数据线状态线状态线外设外设查询式输出查询式输出查询式输出工作过程查询式输出工作过程当输出设备将数据输出后，会发出一个当输出设备将数据输出后，会发出一个ACKACK信号，使信号，使D D触触发器翻转为发器翻转为0 0。CPUCPU查询到这个状态信息后，便知道外设空闲，可以执行查询到这个状态信息后，便知道外设空闲，可以执行输出指令，将新的输出数据发送到数据总线上，

25、同时输出指令，将新的输出数据发送到数据总线上，同时把数据口地址发送到地址总线上。把数据口地址发送到地址总线上。由地址译码器产生的译码信号和由地址译码器产生的译码信号和WRWR相相“与与”后，发出选后，发出选通信号，将输出数据送至通信号，将输出数据送至8 8位锁存器。同时，将位锁存器。同时，将D D触发触发器置为器置为1 1，并通知外设进行数据输出操作。，并通知外设进行数据输出操作。 查询式输出流程图查询式输出流程图常用的状态线有常用的状态线有emptyempty，busybusy功能：功能：1 1、输出设备空闲，、输出设备空闲，BUSYBUSY无效；无效；2 2、CPUCPU写数据端口，输出设

26、备输出数据，写数据端口，输出设备输出数据，状态状态线转换为有效线转换为有效1、CPU读状态端口，查读状态端口，查BUSY线线2、CPU写数据，写数据，(1)、数据进入数据锁存器；、数据进入数据锁存器；(2)、BUSY 有效有效3、输出设备工作完毕，、输出设备工作完毕，busy无效无效外设外设查询式输出代码片段查询式输出代码片段条件传送特点条件传送特点优点：电路简单优点：电路简单缺点：降低缺点：降低CPUCPU效率，实时性不强效率，实时性不强2 2、中断方式、中断方式 当外设作好传送准备后，主动向当外设作好传送准备后，主动向CPUCPU请求中断，请求中断，CPUCPU响响应中断后在中断处理程序中

27、与外设交换数据。应中断后在中断处理程序中与外设交换数据。 在中断未发生时，在中断未发生时，CPUCPU可以执行其他程序，这样可以可以执行其他程序，这样可以提高提高CPUCPU的利用率。的利用率。/BUSY送打印机数据送打印机数据/BUSY送打印机数据送打印机数据检测状态线检测状态线检测状态线检测状态线中断申请信号中断申请信号主程序主程序中断服务子程序中断服务子程序中断逻辑中断逻辑主程序中断服务子程序中断申请信号 在高速的外设或成块交换数据的情况，采用程序在高速的外设或成块交换数据的情况，采用程序控制方式进行数据的传输，是无法满足要求的。在控制方式进行数据的传输，是无法满足要求的。在这种情况下，

28、采用这种情况下，采用DMADMA方式。方式。 3. DMA 3. DMA （直接存储器存取方式（直接存储器存取方式 ）(Direct Memory Access)(Direct Memory Access)DMADMA方式的提出方式的提出程序控制传送方式程序控制传送方式以以CPUCPU为中心，数据传送由为中心，数据传送由CPUCPU来控制来控制利用利用中断方式中断方式虽然可以提高效率，但也必须由虽然可以提高效率，但也必须由CPUCPU控制；控制；CPUCPU在执行中断服务程序、保护现场、恢复现场都会花费不少在执行中断服务程序、保护现场、恢复现场都会花费不少时间时间总体评价：总体评价：慢！不能满

29、足高速数据传送的要求。慢！不能满足高速数据传送的要求。利用利用DMADMA可以实现高速数据传送！可以实现高速数据传送！高速数据传送的需求高速数据传送的需求某些外部设备的数据传送非常快！某些外部设备的数据传送非常快！例如：硬盘，其数据的最低传送速率达例如：硬盘，其数据的最低传送速率达5MB/S5MB/S。用程序控制。用程序控制方法传送数据的速率最高也只能达到方法传送数据的速率最高也只能达到530KB/S530KB/S。因此完成。因此完成硬盘与存储器之间的数据实时传送实际上是不可能的！硬盘与存储器之间的数据实时传送实际上是不可能的！因此，在这种情况下，数据传送采用因此，在这种情况下，数据传送采用D

30、MADMA方式。方式。 DMADMA方式是在外设与内存间建立起直接的通道，方式是在外设与内存间建立起直接的通道，CPUCPU不再直接参加外设和内存间的数据传输。不再直接参加外设和内存间的数据传输。当系统需要进行当系统需要进行DMADMA传输时，将传输时，将CPUCPU对地址和数据对地址和数据及控制线的管理权交由及控制线的管理权交由DMADMA控制器进行控制，当控制器进行控制，当完成了一次完成了一次DMADMA数据传输后，再将这个控制权还数据传输后，再将这个控制权还给给CPUCPU，这些工作都是由硬件自动实现的，并不，这些工作都是由硬件自动实现的，并不需要程序进行控制。需要程序进行控制。 DMA

31、DMA方式特点方式特点DMA-Direct Memory AccessDMA-Direct Memory Access在存储器和外部设备之间，直接开辟高速的数据传送通路。在存储器和外部设备之间，直接开辟高速的数据传送通路。数据的传送过程不需要数据的传送过程不需要CPUCPU介入，介入，只用一个总线周期，就能只用一个总线周期，就能完成存储器和外设之间的数据传送。完成存储器和外设之间的数据传送。ABDBCB CPU DMAC RAM/ROM I/ODMA方式传送数据路径CPU外设存储器总线程序控制数据输入程序控制数据输入/输出输出DMA方式数据传送方式数据传送ABDBCB CPU DMAC Mem

32、ory I/On(4) (4) 能向存储器和能向存储器和I/OI/O接口发出相应的读接口发出相应的读/ /写控写控制信号；制信号；n(5) (5) 能控制数据传送的字节数，控制能控制数据传送的字节数，控制DMADMA传送是传送是否结束；否结束；n(6) (6) 在在DMADMA传送结束后，能释放总线给传送结束后，能释放总线给CPUCPU，恢，恢复复CPUCPU对总线的控制。对总线的控制。内存外设DMAC输出输入外设外设DMAC内存内存DMACDMA传送的几种形式传送的几种形式8086CPU8086CPU为为DMADMA提供两根信号线提供两根信号线1 1、HOLD HOLD 总线保持请求总线保持请求2 2、HLDA HLDA 总线保持响应总线保持响应一、总线的概念为使系统灵活、简单和便于功能扩展，多数微型计为使系统灵活、简单和便于功能扩展，多数微型计算机系统都采用模块化的结构。算机系统都采用模块化的结构。一台微机由多个具有独立功能的模块组成，一