微机原理课件-第6章接口与总线技术

本章首先介绍输入输出接口的功能、结构及工作原理等概念，然后介绍无条件传送方式、查询式传送方式，中断方式和DMA方式的接口电路和工作原理。本章还将详细介绍总线的概念和技术，并介绍几种常见的总线标准及最新的总线技术。1一、

I/O接口的基本功能把介于两个部件间的缓冲电路称为接口。从广义上看，接口包括硬件连接电路，以及由软件组成的管理逻辑驱动程序。计算机中，把介于CPU与外设之间，实现硬件连接与软件通讯的部件称为I/O接口。例如，键盘与主机间接口是8255A，这是一个可编程的通用接口芯片。I/O接口多为定型产品，多数为可编程通用接口芯片，可用软件编程控制其工作方式。26.1

I/O接口概述I/O接口的功能——为什么要使用接口1、实现CPU与外设之间信息的转换。包括信号形式的变换电平的转换和放大并行数据和串行数据的转换。2、I/O定向每次IO传送都用地址指明具体的设备。IO接口电路接收地址并译码，选中具体的IO设备。33、锁存和缓冲解决CPU与外设间的速度不匹配解决同一台计算机连接多个外设的问题；外设与总线的连接原则：输入要三态：一个CPU连接多个外设；输出要锁存：外设速度慢问题。4输入要三态：系统总线是设备间的公共通道，任何设备不能长期占用总线，仅允许被选中的设备使用系统总线。设备通过三态门连接到总线，CPU访问此外设时，打开三态门，其他时间呈高阻状态。实现一个CPU连接多个外设。IO设备分时复用。输出要锁存：输出数据在写周期传送，时间非常短。被传送数据只在短时间内呈现在总线上。对于慢速外设，这么短的时间不能驱动外设。因此在外设和总线之间添加数据锁存器。将数据锁存到接口电路中，解决CPU与外设间的速度不匹配。5二、I/O接口的基本结构CPU外设数据端口译码、控制逻辑状态端口命令端口中断管理数据线数据线地址线地址线控制线状态线M/IORDWRINTRI/O接口信息通道6端口是I/O接口的基本组成单元，每个I/O端口有一个端口地址。

CPU对I/O端口的操作是按端口地址进行的。I/O端口是由一组寄存器组成的。CPU与外设进行数据传输时，各类信息会进入不同类型的寄存器,一般称这些寄存器为I/O端口。7数据端口：是CPU和IO设备之间数据交换的中转站。输出时，数据先锁存在端口，IO设备在从数据端口获得。输入时，IO设备先准备好数据，CPU再打开端口的三态门，接收IO设备的数据。状态端口：CPU通过状态端口了解IO设备的工作状态，以决定是否可以输入或输出数据。多是开关信号。是只读端口，具有三态缓冲器。控制端口：通过写控制端口发出控制命令。写到控制端口的一个字节的每一位可以表示一个开关控制信号。是只写端口，具有锁存功能。8CPU与三类端口交换信号时，通过数据总线来完成的。从编程角度来说，是完全一样的。用IN和OUT指令完成。只是三类端口对应的地址是不同的。实现的功能不同。9⒈存储器映射方式-------安排在一个大楼在这种方式中，把端口作为存储器的存储单元来对待，每个端口占有存储空间的一个地址。端口地址和存储器地址按照统一的方式编址。也叫做统一编址方式三、I/O端口的编址方式10其优点是：①CPU对外设（端口）操作可使用全部的存储器操作指令，故可用指令多，使用方便；②内存和外设（端口）的地址分布空间是同一个；③不需要专门的输入输出指令。缺点是：①外设占用了内存单元，使内存容量减少；②访问内存指令长度一般比专用I/O指令长，从而指令周期较长，执行速度较慢。112.I/O独立编址方式--------安排在2个大楼是指有一个与存储器地址空间完全独立的I/O地址空间，在这个空间内每个端口有唯一端口地址。使用专门的IO指令访问端口。其优点是：①I/O端口不占内存空间；②I/O指令使用累加器（AX/AL）操作，指令字节数少，因此指令周期较短。缺点是：①要求CPU有专用I/O指令；②用于I/O操作的指令少，因此不够方便灵活。12有如下传送方式：直接传送方式、查询方式、中断方式、DMA方式。⒈直接传送方式CPU和IO端口之间需要传送数据时，直接执行IO指令。这时CPU和IO设备是完全同步的。例如，LED类型外设，输出0，熄灭；输出1，点亮。这种外设总是准备就绪，不必查询外设的状态，在需要输入/输出的地方直接使用IN、OUT指令。也叫无条件传送或同步传送。136.2计算机与外设数据传送的方式无条件传送方式接口电路14例如，MAINPROCnear┇INAL，30H┇OUT2FH，AL┇MAINENDP这种传输方式下的程序设计简单,不过要保证每次传送时,外设处于就绪状态，只用在对一些简单外设的操作。15⒉条件传送方式条件传送也称为查询式传送。用条件传送方式时，CPU通过执行程序不断读取并测试外设的状态。如果外设处于准备好状态（输入设备）或者空闲状态（输出设备）时，则CPU执行输入指令或输出指令与外设交换信息。1617对于条件传送来说，一个数据传送过程由3个环节组成：①CPU从状态端口中读取状态字。②CPU检测状态字的对应位是否满足“就绪”条件，如果不满足，则返①继续读取状态字。③如状态字表明外设已处于“就绪”状态，则传送数据。执行IO传送指令查询式输出接口电路查询式输入的接口电路RD18例：查询式输入程序实例：从端口地址为60H的外设输入一个字节数据。因外设速度较慢，故采用查询方式，状态口为61H，状态位为D1＝1表示READY，程序如下；XML：INAL，61H；读入状态字

TESTAL，02H；测试状态位

JZ XML；XMLINAL，60H；输入一个字节数据19例题：若打印机的接口包括控制端口83H，数据端口地址80H和状态端口地址81H，编程实现：采用查询方式，状态位为D0＝1表示BUSY，将内存中1000H开始的100个字节（字符），输出到打印机。其中端口控制字为88H，应首先将控制字输出到控制端口中。2021 MOVAL,88H OUT83H,AL MOVSI,1000H MOVCX,100XML：INAL，81H

；读入状态字

TESTAL，01H ；测试状态位

JNZ XML ；XML MOVAL,[SI] INCSI

OUT80H,AL

；输出一个字节

LOOPXML3、中断传送方式－概念在查询传送方式中，CPU要不断地询问外设，当外设没有准备好时，CPU要等待（执行查询程序），不能干别的操作，这样就浪费了CPU的时间。另外，CPU无法高效同时处理多个外设的请求。而且许多外设的速度是较低的，如键盘、打印机等第，它们输入或输出一个数据的速度是很慢的，在这个等待过程中，CPU可以执行大量的指令。22为了提高CPU的效率，可以采用中断的传送方式：当外设准备好时，由外设通过硬件方式（电平变化）主动向CPU发出中断申请（有关中断的详细工作情况，在下一节讨论），CPU就暂停原执行的程序（即实现中断响应），转去执行对应的输入或输出操作（中断服务），待输入输出操作完成后返回原来的程序。这样可以大大提高CPU的效率。利用中断方式，CPU才能与多个外设实现并行（同时）工作。23中断式接口电路244、直接存储器访问方式传送（DMA）－概念利用中断进行数据传送，可以大大提高CPU的利用率。例如某一外设1S能传送100个字节。若用查询方式输入，则在这1S内CPU全部用于查询状态和传送数据；若用中断方式，CPU每传送一个字节的中断服务程序需100

S，则传送100字节，CPU只需用10ms，即只占1秒的1/100，99/100的时间可用于执行主程序。但是中断传送仍是由CPU通过程序来完成传送任务，每次要保护和恢复断点和现场。25

所以希望用硬件在外设与内存之间直接进行数据交换（DMA）而不通过CPU，这样数据传送的速度上限就取决于存储器和外设的工作速度。在DMA方式时，就需要CPU出让总线（即CPU连到这些总线上的引线处于第三态—高组状态），而由DMA控制器——DMAC接管，控制传送的字节数，判断DMA是否结束，以及发出DMA结束等信号。这些都是由硬件实现的。26DMA控制器的功能能向CPU发出HOLD信号当CPU发出HLDA信号后，接管总线控制权，进入DMA方式输出地址信息，能对存储器寻址及能修改地址指针能输出读写等控制信号能决定传送字节数及判断DMA传送是否结束发出DMA结束信号，使CPU恢复正常工作状态。272.DMA操作的基本方式

周期挪用周期扩展

CPU停机方式3.DMA传送方式单字节方式字节组方式286.3微型计算机总线概念一、总线的定义数字计算机是由若干个部件组成的，这些部件间的信息交换是通过一组公共的标准线路进行的，这组用来进行信息传送的公用线路，称为总线。总线上传送的是二进制信息。每一位二进制数由总线上的一根线传送。同一时刻一根总线上只能传送一个数据。29总线信号的逻辑特性包括三种逻辑状态，即逻辑0，逻辑1和高阻状态，即数字电路的三态特性。当某个部件的输出部分与总线相连的状态处于“高阻态”时，则表示该部件与总线之间呈现极高的阻抗，等同于该部件与总线之间的连接处于断开状态。利用总线的这三种逻辑状态，CPU可以非常灵活和方便管理计算机各部件之间的信息交换和信号传输。30二、总线特性及性能指标（1）总线连接多个信号源总线不是将两个部件点对点连接起来，它将多个电路的输入端和多个电路的输出端用一组导线相连接。

（2）总线采用分时复用方法计算机的多个部件都连接到总线上，总线好比是独木桥，因此多个部件之间交换信息不能同时进行，否则就在总线（独木桥）上造成冲突。解决问题的方式就是总线上连接的多个部件分时复用总线。

31总线的性能指标如下表示总线宽度：通常是指数据总线的根数，用bit(位)表示，如8位，16位、32位、64位（即总线宽度有8根、16根、32根、64根）。总线带宽：是指总线所能达到的最高数据传输速率，即单位时间内总线上传输数据的字节数。通常用每秒传输信息的字节数来表示，单位可用MBps（兆字节每秒）表示。

32三、总线分类总线有很多分类方法，不同的分类，总线有不同的名称。I.

按总线在计算机系统中的位置，总线分为三种：①片内总线：微处理器芯片内部各部件间的连接线路，称为片内总线。②设备总线：各种外部I/O设备和计算机之间的连接总线。例如，EIARS232，USB串行总线。③系统总线：一台计算机的各部件，如CPU、内存储器、通道及各类I/O接口间连接的公共线路，称为系统总线。33（2）设备总线（外部总线）计算机主机和各种外部I/O设备，如键盘、显示器之间的连接总线，这种连接到计算机机箱外的总线称为设备总线。设备总线也叫通讯总线，常见的如串行接口总线标准EIARS-232、USB接口总线标准等。

34(3)接传输信息的内容，系统总线可分为地址总线、数据总线和控制总线。任何计算机的系统总线都由上述三部分总线构成。①数据总线：用来传递数据信息，每根线都是双向、三态，数据总线的根数（位数）与计算机的字长相同。②地址总线：用来传递地址信息。属单向传输，其位数与存储容量有关。③控制总线：用来传输CPU的控制信息或外设的状态信息。35三类总线在微机系统中的相互关系36四、总线的结构是指总线的组织结构。在单机系统中，总线的结构有三种基本类型：单总线结构、双总线结构及三总线结构。①单总线结构：使用一组单一的系统总线来连接CPU、内存和I/O设备，称为单总线结构。37②双总线结构：系统总线和内存总线38③三总线结构：系统总线、内存总线和I/O总线39五、层次化的PC总线结构及总线桥随着PCI总线以及PCIExpress（简称PCI-E）总线等多种新型总线标准的推出，计算机系统中存在着多种总线共同工作，因此现代微机系统采用层次化的总线结构。总线的三个层次分别是：微处理器总线（或称HostBUS）、局部总线（如PCI总线）、系统总线（如ISA总线）。40PC总线的层次化结构41微机系统不同层次总线的传输速率不同，控制协议不同，在实现互连时,层与层之间必须通过“桥”进行过渡。总线之间的“桥”的作用就是总线转换器和控制器，它实现各类微处理器总线到PCI总线、各类标准总线到PCI总线的连接，桥的内部含有复杂的兼容协议提供不同总线标准之间的相互转换，以及总线信号和数据的缓冲电路。现代微机系统中，总线桥接功能是由一片或几片大规模集成专用电路来实现的，称为芯片组（Chipset）。426.4总线的时序微型计算机系统中，CPU在时钟信号的控制下，按照程序顺序执行各种指令操作。计算机的各种操作以时钟周期为基准，按照时钟信号的节拍进行的，各种操作执行的时间顺序称为时序。时序是计算机操作运行的时间顺序，也是信号高低电平变化和相互之间的时间顺序关系43微处理器执行一条指令包括取指令，指令译码和指令执行整个过程，所经历的时间称为指令周期。一个指令周期由若干个总线周期组成。处理器完成一次存储器读或者存储器写会占用一个总线周期。此外处理器响应外部中断时产生中断响应周期。4445总线周期又是由计算机最基本的时钟周期构成，通常是由4个时钟周期组成，一个时钟周期通常叫做一个T状态，是处理器工作的基本节拍。在每个时钟周期，CPU完成一种特定的操作，比如存储器读操作包括CPU送地址操作或者取数据操作，操作组合起来完成一次存储器读。一总线操作相关概念（1）时钟周期，又称为T状态（T周期），是CPU的基本时间计量单位，是CPU主频的倒数。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。（2）总线周期，CPU通过总线对存储器或I/O接口进行一次访问所需时间称为一个总线周期。在8086/8088CPU中，一个基本的总线周期包含4个时钟周期，分别称为T1、T2、T3和T4状态。46（3）指令周期，指CPU取出并执行一条指令所需的时间，用所包含的机器周期数来表示。对于不同类型的CPU，指令周期可能相同，也不能不相同。指令执行过程中，若需要对存储器或I/O端口进行操作，指令周期通常包括若干个总线周期。47（4）时序图，用于描述CPU某一操作过程中，芯片/总线上的相关引脚信号随时间变化的关系图。时序图以时钟脉冲信号为基准，CPU各个引脚信号随时钟信号发生变化的关系图。48二、存储器写操作时序存储器写周期完成一次CPU将数据写入存储器单元的操作过程，通常由4个T状态组成。时钟周期编号为T1-T4。49三、存储器读总线周期存储器读总线周期完成一次从存储器单元读取数据的过程，也是由4个T状态组成T1-T4。506.5微型计算机的总线标准及最新总线技术总线标准是国际组织或机构正式公布或推荐的互联计算机各个模块的标准，是把各种不同的模块组成计算机系统时必须遵守的规范。总线标准为计算机系统中各模块的互联提供了一个标准界面，与该界面连接的任一方只需要根据总线标准的要求来实现接口功能。采用总线标准，可使各个模块接口芯片的设计相对独立，给计算机接口的软硬件设计带来方便51总线标准包括如下几个方面的技术规范或特性：(1)机械特性：规定模块插件的机械尺寸，总线插头、插座的规格及位置等。(2)电气特性：规定总线信号的逻辑电平、噪声容限及负载能力等。(3)功能特性：各总线信号的名称及功能定义。(4)规范性特性：对各总线信号的动作过程及时序关系进行说明。52比较有名总线标准有：IntelMultiBus（IEEE-796）；ZilogZ-Bus（122根引线）；IBMPC/XT总线；IBMPC/AT总线；ISA总线；EISA总线；PCI总线；USB总线；PCIExpress总线。53一、ISA总线ISA（IndustryStandardArchitecture）总线是IBM为了采用全16位的CPU而推出的，又称AT总线。ISA总线时钟频率为8Mhz，最大传输率为16Mbps，数据线为16位，地址线为24位，还包括中断线、16位DMA通道信号线、等待状态发生信号线及电源线。5455ISA总线共有98根线，均连接到主板的ISA总线插槽上。ISA插槽长度为138.5mm的黑色插槽。ISA总线接口信号分为5类：地址线、数据线、控制线、时钟线和电源线。二、EISA总线EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture)总线是一种在ISA总线上扩展而成的总线标准，与ISA完全兼容，从CPU中分离出了总线控制权，是具有智能化的总线，能支持多个总线控制器和猝发方式的传输，对多达6个总线主控设备实行智能管理，有自动配置功能，无需DIP开关。EISA总线的时钟频率为8MHZ，最大传输率可达33MBps，数据总线为32位，地址总线32位,可寻址4GB空间。

56三、PCI总线PCI总线（PeripheralComponentInterconnect，外围部件互连总线）于1991年由Intel公司首先提出，并由PCISIG（SpecialInterestGroup）来发展和推广。1992年6月推出PCI1.0版，1995年6月又推出了支持64位数据通路、66MHz工作频率的PCI2.1版。PCI总线因其先进的结构特性和优异的性能，成为现代微机系统总线结构中的佼佼者，并被多数现代高性能微机系统所广泛采用。5758PCI总线位宽为32位或64位，工作频率为33MHz,最大数据传输率为133MB/s(32位)和266MB/s(64位)。可插接显卡、声卡、网卡、内置Modem、内置ADSLModem、USB2.0卡、IEEE1394卡、IDE接口卡、RAID卡、电视卡、视频采集卡59人们通常称“CPU总线/PCI总线桥”为“北桥”，称“PCI总线/ISA总线桥”为“南桥”。这种以“桥”的方式将两类不同结构的总线“黏合”在一起的技术特别能够适应系统的升级换代。因为每当微处理器改变时只需改变CPU总线和改动“北桥”芯片，而全部原有外围设备及接口适配器仍可保留下来继续使用，从而较好地实现了总线结构的兼容性及可扩展性，并极大地保护了用户的设备投资。60PCI插槽61四、PCIExpress总线PCIExpress是新一代的总线接口。早在2001年的春季，英特尔公司就提出了要用新一代的技术取代PCI总线和多种芯片的内部连接，并称之为第三代I/O总线技术。随后在2001年底，包括Intel、AMD、DELL、IBM在内的20多家业界主导公司开始起草新技术的规范，并在2002年完成，对其正式命名为PCIExpress。6263它采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率

PCI-Express总线64五、AGP总线随着多媒体计算机的普及，处理三维数据要求有惊人的数据量，而且要求更宽广的数据传输带宽。PCI总线成为传输瓶颈。为了解决此问题，Intel于1996年7月推出了AGP（AcceleratedGraphicsPort，加速图形端口）6566AGP是显示卡专用的局部总线，基于PCI2.1规范并进行扩充修改而成，它采用点对点通道方式，以66.7MHz的频率直接与主存联系，以主存作为帧缓冲器，实现了高速存取。最大数据传输率（数据宽度为32位）为266MBps，是传统PCI总线带宽的2倍。六、USB总线USB总线（UniversalSerialBus，通用串行总线）是PC与各种外围设备连接和通信的标准接口，可以取代传统PC上连接外围设备的所有端口（包括串行端口和并行端口），用户几乎可以将所有外设装置，包括键盘、鼠标、显示器、调制解调器、打印机、扫描仪以及各种数字音影设备，通过USB总线与主机相接。同时，它还可为外部设备（如数码相机、扫描仪等）提供电源。

67USB总线的性能也在不断改进和提高。2001年，推出了USB2.0，传输速率由原来USB1.0/1.1/1.2的12Mbps增加到480Mbps，可以支持宽带数字摄像设备、新型扫描仪、打印机及存储设备等。2008年，推出了USB3.0规范，其理论带宽（即数据传输率）为5Gbps，为移动设备读写性能的提升留下了更大的发展空间。USB3.0接口比USB2.0多出了4条线路，多出的线路用来进行数据传输。

68USB总线特点如下：①使用方便、即插即用：USB总线连接外部设备时，操作系统可以自动检测和安装配置驱动程序，实现热插拔，具有自动配置能力，用户只要简单地将外设插人到PC的USB接口中，PC就能自动识别和配置USB设备。②速度快：在遵循USB1.1规范的基础上，USB接口最高传输速度可达12MbPs，而在USB2.0规范下，更可以达到480Mbps。多种传输速率可以满足不同速度的外部设备的需求，满足键盘和鼠标等低速外部设备的需要，也可以满足音频和视频等外部设备和大容量存储设备的需求。③连接灵活，易扩展。USB接口支持多个不同设备的串列连接,一个USB口理论上可以连接127个USB设备。

USB