微機原理及接口技術(shù)-第7章-輸入輸出接口和總線.ppt

1、7-1 I/O interface and bus,一、function 1、采用I/O接口的必要性 necessary 通訊 communication： 指計算機與外設(shè)間交換數(shù)據(jù)、狀態(tài)和命令的過程。 要通訊則需解決如下問題（必要性） ： 1）速度不匹配問題 speed CPU速度快 I/O接口 外設(shè)速度慢 2）信號電平不匹配問題 signal CPU使用TTL電平，外設(shè)是復(fù)雜的信號。,TTL 電平 轉(zhuǎn)為外設(shè)所需信號 外設(shè)信號 轉(zhuǎn)為TTL 電平 3）信號格式不匹配問題 format CPU總線上傳送8位、16位、32位并行數(shù)據(jù) 外設(shè)：所需信號種類有模擬量，數(shù)字量， 開關(guān)量等；電壓，電流；串行

2、方式，并行方式。 4）時序不匹配問題 time sequence CPU的時序與外設(shè)自己的定時和控制邏輯不一樣。,2、接口功能 interface function 主要作用：解決CPU與外設(shè)間的不匹配，不 能協(xié)調(diào)工作的問題。 功能如下： 1）設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖器buffer，解決速度差異。 2）設(shè)置電平轉(zhuǎn)換電路 如串行接口芯片 MAX232（TTL 12V） 3）設(shè)置信息邏輯轉(zhuǎn)換電路： 如A/D，D/A，接觸器的通/斷等。 4）設(shè)置時序控制路實現(xiàn)CPU與外設(shè)同步， 如狀態(tài)，應(yīng)答信號。,5）具備地址譯碼電路 選擇不同外設(shè)進行操作 二、簡單的I/O接口芯片（P248 自學(xué)） 三、I/O端口及尋址方式

3、port and addressing 1、I/O端口： CPU與外設(shè)通訊時，傳送的信息 1）數(shù)據(jù)信息 數(shù)據(jù)R 數(shù)據(jù)口 2）狀態(tài)信息 狀態(tài)R 狀態(tài)口 3）控制信息 控制R 命令口,1）數(shù)據(jù)端口：存放CPU與外設(shè)間交換的數(shù)據(jù)，長度 1-2字節(jié)，其數(shù)據(jù)緩沖作用。 2）狀態(tài)端口：指示外設(shè)當前狀態(tài)，每種狀態(tài)用1位表示 常用狀態(tài)位： READY（準備就緒） READY=1時 輸入口：數(shù)據(jù)已準備好，等待CPU讀取， CPU取走后，READY置0。 輸出口：輸出R已空，可接收下一數(shù)據(jù)， 收到下一數(shù)據(jù)， READY置0。,BUSY忙碌位 表明輸出設(shè)備能否接受數(shù)據(jù)。 BUSY=1：忙，不接收CPU傳送數(shù)據(jù) BU

4、SY=0：閑，可接收CPU傳送數(shù)據(jù) 錯誤位（ERROR）：數(shù)據(jù)傳遞出錯位 如奇/偶校驗錯，溢出錯。 3）命令端口（控制口）： 存放CPU對I/O設(shè)備的命令和控制字。 如：啟動，停止，允許中斷。 控制字有：方式選擇控制字，操作命令字等,2、I/O端口的尋址方法： 兩種編址方式：存儲器映象導(dǎo)址，mapping I/O指令尋址。 I/O instruction 存儲器映象導(dǎo)址方式： 把I/O端口做一個存儲單元，與存儲單元統(tǒng)一 編址。 優(yōu)點：無需專用I/O指令，簡化了指令系統(tǒng)，端 口空間可大可小。 缺點：占用了存儲空間，指令字節(jié)數(shù)比專用I/O 指令長。 如：MC6800，MC68000，單片機51、9

5、6系列。,I/O單獨編址方式： 不占用存儲器空間，構(gòu)成一個I/O空間。 用專用的IN，OUT指令 8086中：用A15A0導(dǎo)址I/O端（可訪問64K個） 用M/IO控制信號區(qū)分I/O導(dǎo)址和存儲器導(dǎo)址,優(yōu)點：可讀性好（專用指令） 速度快（指令字節(jié)少） 不占用內(nèi)存空間 缺點：專用IN，OUT，指令系統(tǒng)復(fù)雜 功能不如訪問存貯器的指令強 增加了控制信號（M/IO）,四、CPU與外設(shè)間數(shù)據(jù)傳送方式 data transfer 程序控制方式 program 三種類型 中斷方式 interrupt DMA方式（硬件實現(xiàn)） DMA 1、程序控制方式： 無條件傳送（同步傳送） 條件傳送（查詢方式） 1）無條件數(shù)

6、據(jù)傳送方式 unconditional 應(yīng)用場合：用于外設(shè)在任何時刻均已處于準 備好或接收狀態(tài)。,舉例：定時采集和現(xiàn)實三部位的溫度 端口地址10H，11H，12H是與三個溫度 源相連的A/D轉(zhuǎn)換器的地址。 編程： START：IN AL ， 10H；采集溫度 CALL DISPLAY1；顯示 IN AL ，11H；采集溫度 CALL DISPLAY2；顯示 IN AL ， 12H； CALL DISPLAY3； CALL DELAY；調(diào)延時 JMP START；,2）條件傳送（查詢方式）conditional query CPU不斷查詢狀態(tài)，滿足條件后則傳送， 否則等待。,查詢輸入流程圖,查詢

7、輸入接口電路：,編程：設(shè)狀態(tài)口：PORT_SI 數(shù)據(jù)口：PORT_IN 傳送數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)：COUNT_1 MOV BX , 0 ; 初始化指針 MOV CX ,COUNT_1 ; 字節(jié)數(shù) READ_SI：IN AL ，PORT_SI ; 讀入狀態(tài)位 TEST AL ，01H ; D0=1？準備好？ JZ READ_SI ;否，轉(zhuǎn)。 IN AL，PORT_IN ;已準備好,讀入數(shù)據(jù) MOV BX ，AL ; 存于緩沖區(qū),INC BX ; 修改指針 LOOP READ_SI ; 未完，待續(xù) ; 已完，執(zhí)行別的程序 查詢工作過程： 輸入設(shè)備準備好后，發(fā)選通信號 a：數(shù)據(jù)鎖存起來 b: D觸發(fā)器Q=1

8、CPU執(zhí)行 IN AL ，PORT_S1后: M/IO=0， RD=0 A15A0給出狀態(tài)端口碼CS1=0 狀態(tài)三態(tài)門打開，狀態(tài)送入D0位上,CPU執(zhí)行 IN AL，PORT_IN 后： M/IO=0 RD=0 A15A0 給出數(shù)據(jù)端口碼， CS2=0 緩沖器將數(shù)據(jù)送出，同時清0 READY 狀態(tài) P256 圖7-8 查詢輸出接口電路（詳細講解） 條件傳送數(shù)據(jù)的缺點： 反復(fù)查詢過程，浪費CPU的時間，CPU利用率低。,M/IO A15-A0,D7-D0,查詢輸出接口電路,2、中斷方式數(shù)據(jù)傳送： 平時CPU執(zhí)行主程序，只有輸入數(shù)據(jù)準備就緒或輸出設(shè)備已閑，才向CPU申請中斷。CPU響應(yīng)中斷后，執(zhí)行

9、中斷服務(wù)程序，進行一次數(shù)據(jù)交換，然后返回繼續(xù)執(zhí)行原程序。（詳細講授在第八章中進行） 3、DMA方式： 問題的提出 problem formulation： 雖然中斷方式CPU利用率高，但執(zhí)行中斷仍需時間。DMA方式是數(shù)據(jù)傳遞時，要CPU讓出總線，由DMA控制利用總線直接與外設(shè)進行數(shù)據(jù)傳送，不占用CPU時間。傳遞完后，DMA控制器再將總線還給CPU。 DMA方式傳送數(shù)據(jù)的速度取決外設(shè)和內(nèi)存速度。,存 儲 器,外 設(shè),HRQ DMA HLDA 控制器,地址鎖存器,數(shù)據(jù)總線,數(shù)據(jù)總線,控制總線,控制總線,控制總線,數(shù)據(jù)總線,AD15AD0,ALE,CPU,HLDA HOLD,IOR,DREQ,DAC

10、K,地址總線,IOW,MEMW,MEMR,微機系統(tǒng)中DMA控制器操作框圖,P258 微機系統(tǒng)中DMA控制器操作框圖（詳講） DMA方式讀磁盤工作過程： procedure 系統(tǒng)啟動時： 開關(guān)接通CPU總線，存儲器（總線屬于CPU）同時對DMA控制器初始化（傳送字節(jié)數(shù)，起始地址，選DMA芯片通道） CPU向磁盤發(fā)讀命令，磁盤控制器找到數(shù)據(jù)位置，開始讀數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)準備好后，外設(shè)向DMA 控制器發(fā)請求信號 DREQ。若DMA輸入通道未屏蔽，DMA 發(fā)HRQ到CPU的HOLD端。CPU收到后，中止當前程序運行，總線浮空并發(fā)保持響應(yīng)信號HLDA，DMA控制器發(fā)信號使開關(guān)向下，總線與DMA控制器接通（DM

11、A控制總線） DMA發(fā)送第一個數(shù)據(jù)地址且發(fā)出確認信號DACK，通知磁盤控制器準備好要輸出的數(shù)據(jù)字節(jié) DMA控制器使I/O讀信號IOR、存儲器寫信號MEMW有效，磁盤輸出數(shù)據(jù)到總線，并將總線數(shù)據(jù)寫入存儲器。,(6)每傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)后：DMA自動修改地址 R 的內(nèi)容，指向下一地址，字節(jié)計數(shù)器減1，重 復(fù)上述過程，直到計數(shù)值減為0，并由0減到 FFFF為止。 (7)DMA結(jié)束后，HRQ無效，總線連接到CPU。 CPU恢復(fù)執(zhí)行原中止程序。 五、I/O譯碼電路和PC機的I/O地址分配 1、 I/O端口譯碼電路。 2、 PC機的I/O端口地址分配,PC/XT機端口分配 CPU:8088(兼容機8086)

12、 接口芯片： 中斷控制器 8259A 1片 主板上 DMA控制器8237A-5 1片 并行I/O芯片8255A-5 1片 計數(shù)/定時器8253-5 1片 主板上還有8個I/O擴展槽。（I/O通道）,提供磁盤驅(qū)動器I/O接口 I/O擴展槽 打印機接口 插入適配器 CRT接口 異步通訊接口等 PC/XT機中： 用A9A0進行I/O尋址 A9=0尋址主板I/O端口（512個端口） A9=1尋址I/O通道（512個端口） 主板上，I/O端口譯碼電路如下圖所示：,圖7-12 系統(tǒng)板上I/O端口譯碼電路,當AEN=1 A8A9=00時74LS138開始工作 主板I/O地址范圍：0000FFH(256) A

13、9=1時，I/O通道（槽）：2003FF PC/XT機的I/O端口分配表如表1所示； PC/AT及兼容機的I/O端口地址分配表如表2示,系 統(tǒng) 板 I/O 通 道,00001F（000F） 02003F（2021） 04005F（4043） 06007F（6063） 08009F（8083） 0A00BF（A0） 0C00DF 0E00FF 20020F 2F8 2FF 300 31F 320 32F 378 37F 380 38F 3B0 3BF 3F0 3F7 3F8 3FF,8237A-5 DMA控制器 8259A 中斷控制器 8253-5 計數(shù)/定時器 8255A-5 并行接口 DMA

14、頁寄存器 NMI屏蔽寄存器 保留 保留 游戲I/O口 異步通信2（COM2） 實驗卡（原型卡） 硬磁盤適配器 并行打印機接口 同步通信控制器 單顯/打印機適配器 軟磁盤適配器 異步通信1（COM1）,分類 地址范圍（H） I/O設(shè)備（端口）,表1 PC/XT機的I/O端口分配表,系 統(tǒng) 板 I/O 通 道,00001F 02003F 04005F 06006F 07007F 08009F 0A00BF 0C00DF 0F0 0F1 0F8 0FF 1F0 1F8 200 207 278 27F 2F8 2FF 300 31F 360 36F,DMA控制器1, 8237A-5 中斷控制器1, 8

15、259A(主片) 定時器 8254-2 鍵盤接口處理器，8042 實時時鐘，NMI屏蔽寄存器 DMA頁寄存器，74LS612 中斷控制器2 8259A(從片) DMA控制器2， 8237A-5 清除協(xié)處理器忙信號 復(fù)位協(xié)處理器 協(xié)處理器 硬磁盤 游戲I/O口 并行口2（LPT2） 串行口2（COM2） 實驗卡（原型卡） 保留,分類 地址范圍（H） I/O設(shè)備（端口）,I/O 通 道,378 37F 380 38F 3A03AF 3B0 3BF 3C0 3CF 3D0 3DF 3F0 3F7 3F8 3FF,并行打印機口1（LPT1） SDLC,雙同步通信口2 雙同步通信口1 單顯/打印機適配器 保留 彩色/圖形監(jiān)視器適配器 軟磁盤控制器 串行口1（COM1）,分類 地址范圍（H） I/O設(shè)備（端口）,表2 PC/AT及兼容機的I/O端口地址分配表,在PC/AT機中： 80286 10地址線（A9A0）I/O尋址，地址范圍0003FFH 其中：DMA控制器8237A2片 中斷控制器8259A2片 定時器 8254-2,7-2 總線 bus,一、概念 definition 總線：各部件間傳送信息的公共通道。 1、總線分類：category 片級總線（元件級總線）： 芯片的引腳 系統(tǒng)總線（內(nèi)總線，板級總線）： 各插板間的連