微机系统与接口教学资料 第6章 io接口技术基础ppt课件

1、12第第6章章 I/O接口技术根底接口技术根底n接口技术概述接口技术概述n可编程并行接口可编程并行接口n可编程定时器可编程定时器/计数计数器器n串行通讯接口串行通讯接口nA/D、D/A接口接口3智能系统构造框图智能系统构造框图输入放输入放大通道大通道PC输入、输出输入、输出控制及控制及信号处置信号处置D/A转换部分转换部分A/D采样部分采样部分输入输入电极电极输出电极输出输出刺激器刺激器输入控制输出控制输出控制4生物反响治疗系统生物反响治疗系统5 输入/输出接口I/O接口n什么是I/O接口？n把外设衔接到总线上的一组逻辑电路的总称。实现外设与主机之间的信息交换。 nI/O接口要处理的问题n速度

2、匹配 n信号电平和驱动才干(电平转换器、驱动器) n信号方式匹配(A/D、D/A) n信息格式(字节流、块、数据包、帧) n时序匹配(定时关系)n总线隔离(三态门)6 CPU CPU与与I IO O设备之间的接口信息设备之间的接口信息n1 1数据数据DataDatan 1 1数字量数字量 由键盘、由键盘、CDCDROMROM光盘等输入的信息和光盘等输入的信息和向打印机、向打印机、CRTCRT显示器输出的信息，以及软、硬盘写入显示器输出的信息，以及软、硬盘写入场出的信息是以二进制方式表示的数或以场出的信息是以二进制方式表示的数或以ASCDCG ASCDCG GEFIR PB TWF GEFIR

3、PB TWF 。n2 2模拟量模拟量 当计算机用于控制时，大量的现场信息当计算机用于控制时，大量的现场信息经过传感器把非电量的自然信息转换成模拟量的电信经过传感器把非电量的自然信息转换成模拟量的电信息，再由息，再由A AD D变换器转换后输入计算机；计算机的控变换器转换后输入计算机；计算机的控制输出也必需先经过制输出也必需先经过D DA A转换才干去控制执行机构。转换才干去控制执行机构。n3 3开关量开关量 这是一些两个形状的量，如电机的运转这是一些两个形状的量，如电机的运转与停顿、开关的合与断、阀门的翻开和封锁等等。这与停顿、开关的合与断、阀门的翻开和封锁等等。这些量只需用一位二进制数即可表

4、示，故字长为些量只需用一位二进制数即可表示，故字长为8 8位的机位的机器一次输入或输出可控制器一次输入或输出可控制8 8个这样的开关量。个这样的开关量。7CPU与IO设备之间的接口信息n2形状信息Statusn在输入时，有输入安装的信息能否预备好Ready；在输出时，输出安装能否有空Empty，假设输出安装正在输出信息，那么以忙Busy指示等。n3控制信息Controln 控制输入输出安装或接口的启动、停顿等。n形状信息和控制信息与数据是不同性质的信息，必需求分别传送。但在大部分微型机中只需通用的IN和OUT指令，因此，外设的形状也必需作为一种数据输入；而CPU的控制命令，也必需作为一种数据输

5、出。为了使它们相互之间区分开，它们必需有本人的不同端口地址。 所以，一个外设或接口电路往往有几个端口地址，CPU寻址的是端口，而不是笼统的外设。8n1片内总线n2片总线又称为元件级总线或部分总线：它是一台单板计算机或一块CPU插件板运用的板上总线，用于芯片一级的衔接。它是微型机系统的重要总线，在将接口芯片与CPU衔接时就要与这种总线打交道。它普通是CPU芯片引脚的延伸，与CPU的关系亲密。 n3内总线又称为微机总线或板级总线，普通称为系统总线：它用于微机系统各插件板之间的衔接，是微机系统最重要的一种总线。普通谈到微型机总线，指的就是这一种总线。 n4外总线又称为通讯总线：它用于系统之间的衔接，

6、如微机系统之间、微型计算机系统与仪器或其他设备之间的衔接。比较常用的外总线有：IEEE488总线 、RS232C总线。9从接口的角度从接口的角度:n 1地址总线 n2数据总线 n3控制总线 n4电源和地线 n5备用线：留作功能扩展和用户的特殊要求运用。n系统总线普通都做成多个插槽的方式，各插槽一样的引脚都连到一同，总线就连到这些引脚上。总线接口引脚的定义、传输速率的设定、驱动才干的限制、信号电平的规定、时序的安排以及信息格式的商定等等，都有一致的规范。外总线那么运用规范的接口插头，其构造和通讯规定也是规范的。10I/O接口扩展u1.1、I/O接口的功能u总线技术u接口的作用u分析与设计接口电路

7、的根本方法u1.2、I/O信息的传送方式u1.3、常用的I/O接口扩展芯片11I/O接口的定义与作用n所谓接口Interface就是微处置器或微机与外界的衔接部件电路，它是CPU与外界进展信息交换的中转站。 n接口电路的作用，就是将计算机以外的信息转换成与计算机匹配的信息，使计算机能有效地传送和处置它12I/O接口的功能n1数据缓冲功能: n 实现和不同外设的速度匹配; 输出数据锁存;输入数据三态缓冲。为理处理CPU高速与外设低速的矛盾，接口中普通都设置数据存放器或锁存器，防止因速度不一致而丧失数据信息或形状信息。n2信号转换功能和数据格式变换的功能: 包括CPU的信号与外设信号的逻辑关系、时

8、序配合以及电平匹配上的转换；数据“并 串和“串并变换和数据宽度变换等。n3设备选择功能: 接口具有设备和端口选择才干，以便CPU能根据需求启动其中部分设备或全部设备任务。而CPU在同一时间里只能选择一个端口进展数据传送。13I/O接口的功能n4接纳和执行CPU命令的功能: 接口电路应具有接纳和执行CPU命令的功能，以便CPU向IO设备发出的控制命令得以转达并实施。n5中断管理功能: 既做到微机系统对外界的实时呼应，又使CPU与外设并行任务,提高了CPU的效率。n6可编程功能: 在不改动硬件的情况下，只修正相应的驱动程序就可以改动接口的任务方式。 14 分析与设计接口电路的根本方法分析与设计接口

9、电路的根本方法 n 1分析接口两侧的情况:n 找出两侧进展衔接时存在的差别；针对要消除两侧的这些差别，来确定接口应完成的义务；n2进展信号转换: 要思索作哪些信号变换 n3合理选用外围接口芯片: n 选择什么样的元器件来进展这些变换n4接口驱动程序分析。15 I/O接口的编址方式I/O端口： I/O信息的三种类型：数据、命令、形状。传送这三类信息的通道分别称为：数据端口(I、O)、命令端口(O)、形状端口(I)。不同外设具有的端口数各不一样，计算机中为每一个端口都赋予一个独一编号称为端口地址(或端口号)。端口有两种编址方式：一致编址和独立编址。16 n1. 一致编址n把外设接口与内存一致进展编

10、址。各占据一致地址空间的不同部分。n优点n指令一致，灵敏；n访问控制信号一致，运用同一组的地址/控制信号。 n缺陷n内存可用地址空间减小0地址空间(共1MB)内存地址(960KB)I/O地址(64KB)FFFFFHEFFFFHF0000H17 n2. 独立编址n外设地址空间和内存地址空间相互独立。n优点：内存地址空间不受I/O编址的影响n缺陷：I/O指令功能较弱，运用不同的读写控制信号00000H内存地址空间内存空间(1MB)I/O空间(64KB)FFFFHFFFFFHI/O地址空间0000H18 IO端口地址分配n IO设备在微机系统中占据一定的IO地址空间。系统中哪些端口是计算机制造厂家为

11、今后的开发而保管的，哪些地址已分配给了别的设备，哪些端口地址是留给用户的，这些信息对配置IO设备和接口来说是非常必要的。n8086/8088的I/O端口最多可达64K 个，由A15 A 0参与寻址。nPC系列微机系统的端口数目是1024个，其端口地址空间是从0003FFH，由地址线A0A9进展译码。 19PC中的中的IO接口电路接口电路分为两类：分为两类：n1主板上的IO接口芯片。 大多都是可编程的大规模集成电路，完成相应的接口操作，如定时器计数器、中断控制器、并行接口、DMA控制器以及键盘控制器等。在PCAT中，有8253、8259、8237A、8255等芯片组成。但随着PLD技术的开展，目

12、前PC机系统主板上的一切IO接口的功能已集成在一片或几片大规模集成电路芯片中。n2扩展槽上的IO接口控制卡。这些接口控制卡是上假设干个集成电路按一定的逻辑功能组成的接口部件，如多功能卡、图形卡、串行通讯卡、网络接口卡等。nPC系列微机中的IO端口地址空间分为两部分，即1024个端口的前256个端口0000FFH专供IO接口芯片运用，后768个端口1003FFH为IO接口控制卡运用。208088/8086系统存储器操作与I/O操作的分别: 硬件/电路,指令,时序上的不同 8 80 08 88 8总总线线A19-A0A9-A0MEMR、MEMWIOR、IOW 、DEN存储器访问存储器访问I/O访问

13、访问21 n 8088/8086 CPU的的I/O编址方式编址方式n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)n地址线上的地址信号用地址线上的地址信号用 来区分：来区分：n 时为时为I/O地址地址nI/O操作只运用操作只运用20根地址线中的根地址线中的16根：根： A15 A0n可寻址的可寻址的I/O端口数为端口数为64K(65536)个个nI/O地址范围为地址范围为0FFFFHnIBM PC只运用了只运用了1024个个I/O地址地址(03FFH)IO/M=1IO/M22 I/O端口地址的译码 、 、 A15 A0OUT指令将使总线的 信号有效IN指令将

14、使总线的 信号有效当接口只需一个端口时，16位地址线普通应全部参与译码，译码输出直接选择该端口；当接口具有多个端口时，那么16位地址线的高位参与译码决议接口的基地址，而低位那么用于确定要访问哪一个端口。 例如： 某外设接口有4个端口，地址为2F0H2F3H，那么其基地址为2F0H，由A9A2译码得到，而A1、A0用来确定4个端口中的某一个。IORIOWIOW IOR23 I/OI/O数据的传送方式数据的传送方式并行并行一个数据单位一个数据单位( (通常为字节通常为字节) )的各位同时传送的各位同时传送速度快、间隔短、本钱高速度快、间隔短、本钱高例：例：PCPC机的并行接口机的并行接口( (通常

15、用于衔接打印机通常用于衔接打印机) )串行串行数据按位进展传送数据按位进展传送速度慢、间隔远、本钱低速度慢、间隔远、本钱低例：例： PC PC机的串行接口机的串行接口( (通常用于串行通讯通常用于串行通讯) )24 接口电路的根本构造数据线数据线控制线控制线形状线形状线DBCBAB数据输入存放器数据输入存放器or 三态门三态门数据输出存放器数据输出存放器锁存器锁存器形状存放器形状存放器or 三态门三态门命令存放器命令存放器译码译码电路电路控制控制逻辑逻辑接接外外设设接接主主机机25 n数据输入/输出存放器暂存输入/输出的数据n命令存放器存放控制命令，用来设定接口功能、任务参数和任务方式。n形状

16、存放器保管外设当前形状，以供CPU读取。26LEDLED显示器接口显示器接口1 1字形口字形口CS1CS1；2 2字位口字位口CS2CS2A0A1A2A3A4A5A10M/IOWRA8A9A7A6U18A74ALS32123U274LS13812364515141312111097ABCG1G2AG2BY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7U1974AC11030321141312985U20A740412U21A740412CS1CS227+5+5+5LD7LD6LD5LD4LD3LD2LD1LD0LD0LD1LD2LD3LD4LD5LD6LD7LD5LD6LD1LD2LD7LD0LD4LD3LD

17、5LD1LD2LD6LD0LD3LD7LD4LD1LD3LD0LD4LD2LD5LD6LD7LD5LD7LD1LD2LD3LD4LD6LD0LQ0LQ1LQ2LQ3LQ4LQ5LQ6LQ7LQ0LQ1LQ2LQ3LQ4LQ5LQ6LQ7LD0LD1LD2LD3LD4LD5LD6LD7D0D1D2D3D4D5D6D7CS1D3D0D6D5D2CS2D4D7D1D?TIL30991067412385D?TIL30991067412385D?TIL30991067412385D?TIL30991067412385D?TIL30991067412385D?TIL30991067412385U374LS

18、273347813141718111256912151619D1D2D3D4D5D6D7D8CLKCLRQ1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8U474LS273347813141718111256912151619D1D2D3D4D5D6D7D8CLKCLRQ1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8U5A74LS0412U6A74LS0412U7A74LS0412U8A74LS0412U9A74LS0412U10A74LS0412U5A74LS04120.2k*8U5A74LS0412LD7.0LQ0LQ0LQ1LQ2LQ3LQ4LQ5LQ6LQ7共阴极的共阴极的LED显示器接口显示器接口28微机信息传送方式

19、I/O控制方式 n主机与外设之间数据传送的控制方式有以下四种：n无条件传送同步传送同步传送方式 n查询式传送异步传送方式 n中断方式传送n直接存储器存取n (DMA, Direct Memory Access)29无条件传送方式适用于总是处于预备好形状的外设以下外设可采用无条件传送方式：开关发光器件(如发光二极管、7段数码管、灯泡等)继电器步进电机优点：软件及接口硬件简单缺陷：只适用于简单外设，顺应范围较窄30查询方式传送n适用于外设并不总是预备好，而且对传送速率、传送效率要求不高的场所。nCPU在与外设交换数据前必需讯问外设形状“他预备好没有？n对外设的要求：应提供设备形状信息n对接口的要求

20、：需求提供形状端口n优点：软件比较简单n缺陷：CPU效率低，数据传送的实时性差，n 速度较慢31查询式传送方式查询式传送方式又称异步传送方式又称异步传送方式, , 在传送前，查询一下在传送前，查询一下外设的形状，当外设预备好了以后才传送；外设的形状，当外设预备好了以后才传送；否那么，等待。否那么，等待。32查询方式的流程：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形状读入并测试外设形状YNYN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NY33D5D7-D0A9|A3&1IOWD7-D03F8H外外设设D7D6D5D4D

21、3D2D1D0BUSYCPQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0形状端口形状端口GG2AG2BCBAA2A1A074LSY01IORY3OE74LS374CPQQDSSTROBE3FBH34例：电路图如上，用查询方式进展输出例：电路图如上，用查询方式进展输出外设形状端口地址为外设形状端口地址为3FBH，第，第5位位(bit5)为形状标志为形状标志=1忙，忙，=0预备好预备好外设数据端口地址为外设数据端口地址为3F8H，写入数据会使形状标志，写入数据会使形状标志置置1 ；外设把数据读走后又把它置；外设把数据读走后又把它置0。35中断技术n 什么是中断?n与生活场景的比较正在看书正在看书铃响铃响接接继续

22、看书继续看书执行程序执行程序事件发生事件发生事件处置事件处置继续执行程序继续执行程序中断处置中断处置中断恳求及呼应中断恳求及呼应实践场景实践场景计算机计算机中断前往中断前往36中断的定义 nCPU执行程序时，由于发生了某种随机的事件(外部或内部)，引起CPU暂时中断正在运转的程序，转去执行一段特殊的效力程序(称为中断效力程序或中断处置程序)，以处置该事件，该事件处置完后又前往被中断的程序继续执行，这一过程称为中断。37中断源n引起CPU中断的事件中断源。例如：n外设恳求输入输出数据，报告缺点等n事件掉电、硬件缺点、软件错误、非法操作、定时时间到等n中断源分为：外部中断、内部中断n内部中断：CP

23、U内部执行程序时本身产生的中断n外部中断：CPU以外的设备、部件产生的中断n 8086/8088的外部中断信号：INTR、NMInINTR可屏蔽中断恳求，高电平有效，受IF标志的控制。IF=1时，执行完当前指令后CPU对它作出呼应。 nNMI非屏蔽中断恳求，上升沿有效，任何时候CPU都要呼应此中断恳求信号。38为何计算机中要引入中断？n提高数据传输率；n防止了CPU不断检测外设形状的过程，提高了CPU的利用率。n实现对特殊事件的实时呼应。39中断过程n五个步骤：n中断恳求n中断判优(有时还要进展中断源识别)n中断呼应n中断效力n中断前往n以下以外部中断为主引见这五个步骤。401中断恳求n外设接

24、口中断源发出中断恳求信号，送到CPU的INTR或NMI引脚；n中断恳求信号：边沿恳求，电平恳求n例如，NMI为边沿恳求，INTR为电平恳求n中断恳求信号应坚持到中断被处置为止；nCPU呼应中断后，中断恳求信号应及时撤销。n在8086/8088系统中，外设的中断要经过8259A可编程中断控制器(PIC)的排队判优后向CPU发出：n (I/O接口) PIC CPUn141 2中断源识别n计算机中的中断源有很多，CPU必需识别是哪一个设备产生中断。识别中断源有两个方法：n软件查询。将中断信号从数据总线读入，用程序进展判别。n中断矢量法。由中断源提供中断类型号，CPU根据类型确定中断源。8086/80

25、88即采用此种方法428088的中断系统 n与中断有关的控制线为：NMI、INTR、INTA#n8088系统的中断源n内部中断n除法溢出：类型号0，商大于目的操作数所能表达的范围时产生。n单步中断：类型号1，TF=1时产生当前指令需执行完n断点中断：类型号3，这是一个软件中断，即INT 3指令。n溢出中断：类型号4，这是一个软件中断，即INTO指令。n软件中断：即INT n指令，类型号n(0-255)。n外部中断n非屏蔽中断NMI：类型号2，不可用软件屏蔽，CPU必需呼应它。n可屏蔽中断INTR：类型号由PIC提供。IF=1时CPU才干呼应。43NMIINTRn中断逻中断逻辑辑软件中断指令软件

26、中断指令溢出中断溢出中断除法错除法错单步中断单步中断非屏蔽中断恳求非屏蔽中断恳求n中断中断控控n制器制器n8259AnPIC8086/8088CPU8086/8088CPU内部逻辑内部逻辑断点中断断点中断8086/8088中断源类型中断源类型可可屏屏蔽蔽中中断断请请求求n4301244 3中断判优n多个中断源产生中断，CPU首先为谁效力？n中断优先级排队问题。n中断优先级控制要处置两种情况：n对同时产生的中断：应首先处置优先级别较高的中断；假设优先级别一样，那么按先来先效力的原那么处置；n对非同时产生的中断：低优先级别的中断处置程序允许被高优先级别的中断源所中断即允许中断嵌套。n中断优先级的控

27、制方法n硬件判优链式判优、并行判优中断向量法n软件判优顺序查询中断恳求，先查询的先效力即先查询的优先级别高n通常将中断判优与中断源识别合并在一同进展处置。nx86系统中，这项义务由PIC和CPU共同完成。454中断呼应n在每条指令的最后一个时钟周期，CPU检测INTR或NMI信号。假设以下条件成立，那么CPU呼应中断：n当前指令执行完。对INTR，还应满足以下条件n当前指令是STI和IRET，那么下条指令也要执行完。n当前指令带有LOCK、REP等指令前缀时，那么把它们看成一个整体，要求完好地执行完；n对INTR，CPU应处于开中断形状，即IF=1；n当前没有复位(RESET)和坚持(HOLD

28、)信号。n假设NMI和 INTR 同时发生，那么首先呼应NMI。464中断呼应续nCPU中断呼应时，要做下述三项任务：n向中断源发出INTA中断呼应信号；n断点维护，包括CS、IP和PSWFLAGS。这主要是保证中断终了后能前往被中断的程序。n获得中断效力程序首地址入口。n如何得到中断处置程序的首地址？n固定入口法n中断向量法常用474中断处置中断效力n中断效力子程序特点n为远过程类型为FARn要用IRET指令前往n中断效力子程序要做的任务n维护现场(PUSH regs) n开中断(STI) n进展中断处置 n恢复现场(POP regs) n中断前往(IRET) 485中断前往执行中断前往指令

29、IRETn IRET指令将使CPU把堆栈内保管的断点信息弹出到IP、CS和FLAG中，保证被中断的程序从断点处可以继续往下执行。IPLIPHCSLCSHFLAGLFLAGHSPIPLIPHCSLCSHFLAGLFLAGHSPIPCSFLAG进入中断效力程序时中断前往后49DMA方式 n前面三种I/O方式都需求CPU作为中介：n 外设 CPU 内存n 两个含义：n1软件：外设与内存之间的数据传送是经过CPU执行程序来完成的；n2硬件：I/O接口和存储器的读写控制信号、地址信号都是由CPU发出的总线由CPU控制。n 缺陷：程序的执行速度限定了传送的最大速度约为几十KB/秒处理：DMA传输50 nD

30、MA传输: n 外设 内存n外设直接与存储器进展数据交换 ，CPU不再担当数据传输的中介者；n总线由DMA控制器DMAC进展控制CPU要放弃总线控制权，内存/外设的地址和读写控制信号均由DMAC提供。n优点：数据传输由DMA硬件来控制，数据直接在内存和外设之间交换，可以到达很高的传输速率可达几MB/秒51可编程可编程I/OI/O接口接口n可编程接口概术可编程接口概术n可编程输入输出接可编程输入输出接口芯片口芯片 n可编程定时计数器可编程定时计数器接口芯片接口芯片 52 8255A 并行I/O接口第九章8253 计数器/定时器第十章8259A 中断控制器 第八章8251 串行通讯控制器 第十一章学习过的可编程接口芯片学习过的可编程接口芯片:53n 可编程接口概术可编程接口概术n 一个简单的具有输入功能和输出功能一个简单的具有输入功能和输出功能的可