微机原理 第06章 IO接口和总线资料

1、第 六 章 I/O接口(ji ku)和总线6-1 I/O接口(ji ku)6-2 总线共三十二页学习(xux)目的通过对本章的学习，您应该能够达到下列(xili)要求： 端口的功能、种类、编址方式 CPU与外设交换数据 查询式传送软硬件设计 总线的概念、分类，PC总线 重点与难点输入缓冲、输出锁存的概念CPU与外设交换数据的方式查询方式 共三十二页6-1 I/O接口(ji ku)一、I/O接口(ji ku)的功能1、采用I/O接口的必要性计算机目的是进行信息处理，需要输入原始信息并输出运算结果，需要输入/输出外部设备。外设种类多：机械、电子、电动等，信息格式、内容多种多样。速度不匹配：高速硬盘

2、，低速打印机，键盘。信号电平不匹配：CPU为TTL电平，外设有DC24V继电器、AC220V接触器等。信号格式不匹配：CPU为8/16位并行总线，外设有串行、并行、数字信号、模拟信号。时序不匹配：外设有自己的操作逻辑，不同于CPU共三十二页2、接口的功能设置数据缓冲以解决速度不匹配：在CPU与外设之间设置缓冲区，发送方可把数据存放在缓冲区中，接收方再从缓冲区中读取数据。CPU与外设交换数据不必总是联合进行，增加灵活性。设置电平转换电路：实现TTL电平与外设信号(xnho)电平之间的转换，例如RS-232设置信息转换逻辑以满足对各自格式的要求：例如A/D转换器、D/A转换器、总线控制器设置时序控

3、制电路来同步CPU和外设的工作：设计握手信号（准备好、出错）提供地址译码电路：多个外设、多个端口的区分。共三十二页二、简单的输入输出接口(ji ku)芯片1、缓冲器74LS244和74LS245输入缓冲(hunchng)的概念：考虑CPU从1#、2#、3#三个外设读取数据。1#2#3#CPU总线当CPU读取1#的数据时，要求2#、3#不能影响总线上的数值，即要求2#、3#与总线之间处于高阻状态，同时1#的数据要正确传送到总线上。CPU与输入外设之间的三态门就是输入缓冲器，其输入是专用的，但输出是共用的。共三十二页（1）74LS244双4单向缓冲器，输入端为1A11A4、2A12A4，输出端为1

4、Y11Y4、2Y12Y4。两个使能控制引脚1G、2G，1G=01Y=1A，1G=11Y与1A之间为高阻态。2G=02Y=2A，2G=12Y与2A之间为高阻态。（2）74LS245（类似Intel 8286）8位双向缓冲器，输入/输出端为A1A8、B1B8。一个使能控制引脚G，G=0A1A8=B1B8，G=1A1A8与B1B8之间为高阻态。一个传送方向控制引脚DIRDIR=1AB，DIR=0AB共三十二页2、锁存器74LS373输出(shch)锁存的概念：1#2#3#CPU总线(zn xin)（公用）1#专用2#专用3#专用当CPU写数据到1#时，要求不能影响2#、3#的专用信号数值，即要求2#

5、、3#能保持原来的数值，这就要求接口具有锁存功能。从接口角度看，锁存器用于一个公用输入信号多个专用输出信号的情况下。共三十二页OEGDO0111（直通状态，O = D）0100（直通状态， O = D）00X锁存值，G下降沿对应的D值1XX与内部线路间为高阻态2、锁存器74LS373具有(jyu)三态功能的8D锁存器，输入端为1D8D，输出端为1O8O。一个输出使能控制引脚OE一个输入控制引脚G（数据打入线）共三十二页三、 I/O端口及其编址方式(fngsh)1.I/O端口I/O端口是外设接口电路中CPU访问的寄存器。CPU通过对端口的访问来实现对外设的访问。根据所存内容不同，接口电路包含以下

6、几种端口：数据端口：存放外设与CPU之间要交换的数据，通常为1个字节或1个字。状态端口：存放外设的当前状态，通常有准备好、出错、忙等。命令端口：也叫控制端口，存放CPU对接口电路的行为逻辑(lu j)的控制信息，通常有方式控制字、操作控制字。共三十二页每个端口存储一个字节数据，地址相邻的两个字节端口可以组成一个字端口，低地址存放地字节，高地址存放高字节。端口的访问用输入输出指令INAL，portINAX，port OUTport，ALOUTport，AX INAL，DXINAX，DXOUTDX，ALOUTDX，AX访问外设的IN/OUT指令与访问存储器的MOV指令硬件的区别(qbi)在于：M/

7、IO（对8086）、IO/M（对8088）。共三十二页2.I/O端口编址方式CPU通过地址信息区分不同的端口，接口电路(dinl)中要有地址译码功能。CPU有两种处理端口地址的方法：统一编址、独立编址。存储器映象编址：把每个I/O端口当作一个存储器单元，并与存储单元统一编址。所有访问存储器的指令都可访问I/O端口。地址译码电路简单，占用存储器地址空间。例如：MC6800，51系列单片机。共三十二页I/O独立编址：把所有I/O端口组成I/O端口空间，与存储器空间相互独立。用独立的I/O指令访问I/O端口。地址译码电路复杂，不占用存储器地址空间。例如：INTEL 8088/8086在 8088/8

8、086 系统(xtng)中，I/O端口空间使用低16位地址信号A0A15，总共64kB，而存储器空间使用20位地址信号，总共1MB。8086使用M/IO（8088用IO/M）控制信号来区分I/O端口空间与存储器空间。共三十二页四、 CPU与外设间的数据(shj)传输方式1.程序控制方式CPU与外设接之间的数据交换完全在程序控制下实现，包括无条件传送和条件传送两种方式。(1)无条件传送：CPU直接用 IN 指令(zhlng)从外设读取数据，直接用 OUT 指令(zhlng)向外设发送数据。要求外设总是已经准备好数据，总是准备好接收数据。用于简单的外设，如显示、按键。共三十二页按键、开关(kigu

9、n)输入接口1Y1 1A11Y2 1A2|2Y4 2A41G 2GD0D1|D7M/IO CS RD+5VK1K2K8INAL，port1G = 2G = 0K1K8ALINM/IO=0，RD=0Port地址译码后CS=0共三十二页最小模式下的总线(zn xin)写操作ALESTB把地址信息(xnx)A0A19从复用总线上提取出来加以保持共三十二页八段码输出(shch)接口1D 1Q2D 2Q|8D 8Q CLKD0D1|D7M/IO CS WRL1L2L8OUTport，ALAL L1L8OUTM/IO=0，RD=0Port地址译码后CS=0CLK = 共三十二页(2)条件传送（查询传送）：

10、一般而言，CPU应该在外设准备好数据以后才读取数据，应该在外设准备好接收数据以后才发送数据。传送数据前，CPU应该查询外设的当前状态，等到外设准备好以后才开始传送。除数据端口以外，接口电路还需要另有一个(y )状态端口以存放外设的当前状态，CPU线先读取该端口以判断外设是否准备好。输入时，数据准备好信号由外设置位，由CPU读数据操作复位。输出时，忙信号由CPU写操作置位，由外设复位。共三十二页输入(shr)设备8位锁存器8位缓冲器RD QC+5V地址(dzh)译码RDRDM/IOCS2CS1A15A0D0READY查询式输入接口电路D7D0选通信号共三十二页查询(chxn)式输入程序流程图初始

11、化读入状态准备好？读入数据A数据缓冲区完毕？结束NN共三十二页查询(chxn)式输入程序清单MOVBX，0；地址指针MOVCX，COUNT_1；要输入的字节数READ_S1：INAL，PORT_1；读状态端口TESTAL，01H；查询准备好信号JZREAD_S1；没有准备好，循环查询等待INAL，PORT_2；准备好，读取数据MOVBUF1BX，AL；数据存入缓冲区INCBX；修改指针，指向(zh xin)下一个字节LOOPREAD_S1；未传送完毕，继续传送；传送完毕，执行后续指令共三十二页输入(shr)设备8位锁存器8位缓冲器D R QC+5V地址(dzh)译码RDRDM/IOCS2CS1

12、A15A0D0READY查询式输入工作流程D7D0选通信号外设准备好发选通信号正脉冲，使数据进入锁存器；D触发器反转Q=D=1。IN AL，PORT_2 使得M/IO=0、CS2=0、RD= 0、缓冲器打开，数据进入AL中，同时R=0清除D触发器， READY=Q =0IN AL，PORT_1 使得M/IO=0、CS1=0、RD=0、三态门打开，READY=1进入AL中的D0。共三十二页四、 CPU与外设间的数据(shj)传输方式2.DMA方式(1)、DMA方式的提出在程序控制方式下，外设与内存之间的数据交换要通过累加器中转(zhngzhun)，至少需要一条IN/OUT指令与一条MOV指令，还

13、有修改指针、计数器的指令，不可能快速传递。在大多数系统中，硬件操作速度远高于指令执行时间，若不经过CPU中转，在内存与外设之间直接传送数据，则可获得很高的传送速度，称为直接存储器存取方式。DMA方式常用于与高速外设之间一次传送大量数据的场合，如磁盘操作，需要DMA控制器才实现。共三十二页（2） DMA工作(gngzu)原理地址总线数据总线控制(kngzh)总线HLDA HOLD存储器外设地址总线数据总线控制总线控制总线HLDA HRQDREQ DACKDMACCPU共三十二页（2） DMA工作(gngzu)原理外设通过DREQ向DMAC请求DMA操作，DMAC据此向CPU发出HREQ信号。CP

14、U收到HOLD信号，执行完当前指令，进入总线响应周期，释放总线使CPU内部与三总线之间处于高阻状态，并给出总线保持应答HLDA。DMAC收到HLDA以后，接管总线撤销其内部电路与三总线的高阻状态，向存储器输出地址(dzh)信息，制定传送数据单元，发DACK到外设。外设收到DACK后，即准备好收发数据。DMAC控制数据传送过程。传送完毕，DMAC撤销HREQ，CPU接管总线，撤销HLDA，DMAC再撤销DACK，结束。共三十二页五、 PC机 I/O 端口地址分配(fnpi)0000001F0020003F0040005F0060007F0080009F00A000BF008001FF32字节32

15、0字节32字节32字节32字节32字节32字节0000000F8237A5 DMA控制器002000218259A 中断控制器004000438253A5 定时/计数器006000638255A5 并行接口芯片00800083DMA 页面寄存器00A000BFNMI 屏蔽寄存器共三十二页02000200020F游戏控制口02100217扩展部件021802F7未用02F802FF异步通信卡（第二个）0320032F硬盘适配器03300377并行打印机未用0300031F实验卡0380038F039003AF03B003BF03C003CF03D003DF03E003EF03F003F703F8

16、03FF03FF0378037FSPLC通信未用单色显示器 / 打印机未用未用彩色/ 图形显示卡软盘适配器异步通信卡（第一个）共三十二页6-2 总线(zn xin)一、总线(zn xin)的概念1、总线的分类根据所传送信息的内容可分为地址总线、数据总线、控制总线，所谓三总线。还有电源线和地线。按应用场合划分：片级总线：连接不同的芯片，实现芯片之间信息的交换，常有总线复用、锁存、缓冲、驱动问题。系统总线：通常的微机总线，用于微机内部各个板卡之间信息的交换。外部总线：通信总线，用于多计算机之间的通信。计算机系统中，用于各部件之间传送信息的公共通路共三十二页2、总线标准总线标准包括(boku)：插座

17、的尺寸、引线数目、引线名称、工作时序、电平范围。常用系统总线标准IBM PC机的62芯PC总线。PC/AT机的AT总线、ISA总线。高性能PC机的EISA总线。PCI总线(Peripheral Component Interconnect)常用通信总线标准IEEE-488总线EIA RS-232EIA RS-485共三十二页二、IBM PC总线(zn xin)A19A0：输出，存储器地址，I/O地址只用A15A0，由CPU或DMAC产生(chnshng)。D7D0：双向，数据信号线，每次只传送1字节ALE：输出，地址锁存允许，由总线控制器8288产生。MEMR：输出，存储器读MEMW：输出，存

18、储器写IOR：输出，I/O读IOW：输出，I/O写共62根，20根地址，8根数据，28根控制线，1根地线，电源5根（+5V、+5V、-5V、+12V、-12V）共三十二页二、IBM PC总线(zn xin)IRQ2IRQ7：输入(shr)，中断请求，上升沿有效，送中断控制器8259A。DRQ1DRQ3：输入， 8237A发DMA请求信号。AEN：输出，地址允许信号，由8237A产生，它有效时，CPU让出对总线的控制权。T/C：输出，计数结束。由DMA通道计数结束。RESET DRV：输出，系统总复位信号。它有效时使系统内各个部件复位。IO CHCK：输入，I/O通道奇偶校验信号IO CH RDY：输入，I/O准备好OSC：输出，晶体振荡信号CLK：输出，系统时钟信号CARD SLCTD：插件板选中信号。共三十二页思考题：1、使用74LS138设计系统板上的I/O地址,并且使每个接口(ji ku)芯片内部可以有16个端口数目.2、用74LS20/30/32和74LS04设计端口地址为380H的只读译码电路作业:2,5,6,7,8共三十二页内容摘要第 六 章 I/O接口