输入输出接口技术教学课件PPT.ppt

6.1 输入输出接口的基本概念,第六章 输入输出接口,一、i/o接口与端口, i/o接口（interface） 外设连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的电路。 i/o端口（port） 接口中的寄存器（数据端口、控制端口、状态端口）。,1、接口举例,2、i/o接口的基本结构,3、cpu与外设之间的信息,4、i/o接口要解决的问题,速度不匹配 信号电平不匹配 信息格式不匹配 时序不匹配 信号的驱动能力,5、i/o接口的功能,设置数据缓冲以解决两者速度差异 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 设置时序控制电路来同步cpu和外设的工作 提供地址译码电路 提供联络信号 最好是可编程控制,二、i/o端口的编址方式,数据端口 状态端口 控制端口,端 口,控制端口,1、端口与内存统一编址（存储器映象）,特点： 指令及控制信号统一，无需专门指令 内存地址资源减少 无法区分是对内存还是对i/o操作,例如 mc6800、mcs-51等就没有独立i/o寻址空间。,2、端口独立编址（i/o映象）,特点： 内存地址资源充分利用 需专门的访问端口的指令：in、out,例如 80x86、z80系列等存储器与i/o是分开寻址的，各自有独立的寻址空间和不同的时序。,1、8086与存储器及i/o端口连接相关信号线,三、8086与i/o端口的设计,2、8086的i/o端口编址,采用i/o独立编址方式(但地址线与存储器共用) 地址线上的地址信号用m/io来区分 i/o操作只使用20根地址线中的16根：a15a0 可寻址的i/o端口数为64k(65536)个 i/o地址范围为0ffffh ibm pc只使用了1024个i/o地址(03ffh)，其中0 ff为直接寻址范围。,3、i/o地址的译码,（1）参加译码的信号： ior、iow、a15 a0 out指令将使总线的iow信号有效 in指令将使总线的ior信号有效,当接口只有一个端口时，16位地址线一般应全部参与译码，译码输出直接选择该端口；当接口具有多个端口时，则16位地址线的高位参与译码（决定接口的基地址），而低位则用于确定要访问哪一个端口。,（2）i/o地址的译码方法,a y0 b y1 c y2 y3 y4 g2b y5 g2a y6 g1 y7,a5,a6,a8,74ls138,a7,a9,aen,ppics,t/c cs,intrcs,dmacs,iow,wrtdmapg(写dma页面寄存器),wrtnmireg（写nmi屏蔽寄存器）,ibm pc/xt 片选信号的产生,（8237） （8259a） （8253） （8255a）,ibm pc/xt 系统板i/o端口地址分配,扩展槽i/o端口地址分配,四、数据的传送方式,1、并行传送方式： 同一时刻传送多位数据。 优点：传送速度快、效率高。 缺点：传输距离短（成本、线间干扰） 2、串行传送方式：将数据一位一位地传送。 优点：传输线少，成本较低。适合于远距离传输。 缺点：传送速度慢。,五、接口分类,按接口与外设数据传送的方式可以分为：并行 接口与串行接口。,一、接口的基本构成,数据线,控制线,状态线,db,cb,ab,数据输入寄存器 (or 三态门),数据输出寄存器 (锁存器),状态寄存器 (or 三态门),命令寄存器,译码 电路,控制 逻辑,6.2 简单的输入输出接口芯片,二、接口的类型及特点,1、接口按信息的流向分类,2、接口特点,输入接口： 要求对数据具有控制能力（常用三态门实现） 输出接口： 要求对数据具有锁存能力（常用锁存器实现）,三、三态门接口,高电平、低电平、高阻态。,1、电平信号的三种状态,y,y,a,a,l,l,(a),(b),三态门原理图,2、三态门的工作波形,四、常用接口芯片,1、74ls244（单向数据驱动器）,含8个三态门的集成电路芯片 分两组，1g控制1a1-1a4，2g控制2a1-2a4 在外设具有数据保持能力时用作输入接口 为单向数据缓冲器，常用作地址驱动。,2、74ls245（双向数据总线缓冲器）,含8个三态门的集成电路芯片 除门控信号g外，有一方向控制端dir dir=1，an bn（n=18） dir=0，反方向传递 常用于数据的双向传送、缓冲和驱动,引脚图,逻辑图,3、74ls374（锁存器）,逻辑图和真值表 由d触发器构成 可直接挂到总线上 具有对数据的锁存能力 具有三态总线驱动能力,4、简单的输入输出接口设计,6.3 cpu与i/o的控制方式,cpu与外设的工作速度不一致，如何使两者高效、可靠地进行数据传送，采样如下控制方式：,无条件方式 cpu与外设同步工作，外部控制过程各种动作时间是固定的，而且是已知的。 查询方式 cpu与外设不同步工作，传送前，先查询外设状态，准备好才传送，否则cpu处于等待状态。 中断方式 外设与cpu处于并行工作，一旦外设准备好，外设向cpu发中断申请，条件具备，cpu暂停原程序执行，响应中断，外设与cpu串行工作。 dma方式 解决高速i/o及成组交换数据问题。cpu不干予，由硬件实现存储器与外设之间交换数据，称直接存取存储器。,一、无条件传送, 实现方法 cpu不查询外设工作状态， 与外设速度的匹配通过在软件上延时完成， 在程序中直接用i/o指令，完成与外设的数据传送 特点 1. 适用于外设动作时间已知， 在cpu与外设进行数据传送时，外设保证已准备好的情况 2. 软硬件十分简单。,无条件传送例一,读取开关的状态 当开关闭合时，对应的发光二极管亮 程序段：,.model small .strack 100h .data .code .startup mov dx,03f8h in al,dx mov cl,4 rol al,cl out dx，al .exit 0 end,dac0832与pc的接口,1、dac0832的管脚 d0d7数字量输入端。 cs片选信号，低电平有效。 wr1输入寄存器写信号。 ile输入寄存器允许信号。 在cs=0，且wr1=0，ile=1时，将d0d7的数据写入8位输入寄存器。 wr2dac寄存器写信号。 xferdac寄存器传递控制信号。 在wr2=0，xfer=0时，8位输入寄存器将d0d7的数据写入dac寄存器。 iout1、iout2模拟信号输出。rfb反馈电阻。 agnd模拟地。 vcc电源+5v。dgnd数字地。 vref参考电源，-10v+10v。,无条件传送例二,2、dac0832电路,dac_p: proc near mov dx,220h mov cx,256 mov bx,offset dout dac_l: mov al,bx out dx,al call delay-1ms inc bx loop dac_l ret dac_p: endp,例，编一个输出256个数据的子程序。数据区的首地址为：dout。,二、查询工作方式,实现方法： 在与外设进行传送数据前，cpu 先查询外设状态，当外设准备好 后，才执行i/o指令，实现数据 传送。 特点： cpu通过不断查询外设状态，实现与外设的速度匹 配。 cpu的工作效率低,3、a/d转换器adc08098简介,特性 8通道（8路）输入 8位字长 逐位逼近型 转换时间100s 内置三态输出缓冲器,引脚功能 d7d0：输出数据线（三态） in0in7：8通道（路）模拟输入 a、b、c：通道地址（通道选择） ale：通道地址锁存 start：启动转换 eoc：转换结束 oe：输出允许（打开输出三态门） clk：时钟输入（10khz1.2mhz） ref(+)、ref(-)：基准参考电压,adc0809内部结构,工作时序,adc0809的工作过程,把通道地址送到addaaddc上，选择一个模拟输入端； 在通道地址信号有效期间，ale上的上升沿使该地址锁存到内部地址锁存器； start引脚上的下降沿启动a/d变换； 变换开始后，eoc引脚呈现低电平， eoc重新变为高电平时表示转换结束； oe信号打开输出锁存器的三态门送出结果 。,4、查询工作方式例,采用adc809设计8路模拟信号输入接口电路。,说明：adc0809通过一个输入/输出接口与cpu连线。a/d数据d0d7接u8的1a12a4，a/d的状态eoc与d0一起接u8的1a1，分时使用，通过u9的q4与q5来控制。读数据时q4=1，q5=1；读状态时，q4=0，q5=0。,rdeoc equ 00h rdad equ 30h clad equ 20h ioad equ 3f8h datas segment adch db 28h,29h,2ah,2bh db 2ch,2dh,2eh,2fh adbuf db 8 dup(?) datas ends codes segment assume cs:codes,ds:datas,es:datas start: mov ax,datas mov ds,ax mov dx,ioad mov al,clad out dx,al mov di,offset adbuf mov bx,offset adch mov cx,8,lp0: mov al,bx out dx,al;启动a/d mov al,rdeoc out dx,al lp1: in al,dx and al,01h cmp al,01h jnz lp1;ad转换？ mov al,rdad out dx,al;读ad数据 in al,dx mov di,al inc bx inc di dec cx jcxz lp0 mov ah,4ch int 21h codes ends end start,三、中断传送方式,1、实现方法： 1. 当外设准备好，向cpu发出中断请求 2. cpu在满足响应中断的条件下，发出中断响应信号； 3. cpu暂停当前的程序，转 去执行中断服务程序， 完成与外设的数据传送； 4. cpu从中断服务程序返回，继续执行被中断的程序,中断方式下 cpu执行程序流程,外 设,2、使用中断方式时： 外设准备数据，cpu执行程序,cpu与外设并行工作。 一旦外设准备就绪，外设向cpu发中断申请，cpu暂停原程序执行，响应中断，进行数据传输。此时，cpu与外设是串行工作。,cpu和外设大部分时间处在并行工作状态,只在cpu响应外设的中断申请后，进入数据传送的过程。 中断传送方式提高了cpu的效率。,3、中断传送方式的特点：,四、dma 传送方式(直接存储器存取方式), 实现方法： 由专用接口芯片dma控制器 (称dmac) 控制传送过程， 当外设需传送数据时，通过 dmac向cpu发出总线请求； cpu发出总线响应信号，释放总线； 4. dmac接管总线，控制外设、内存之间直接数据传送,dma传送方式的特点 外设和内存之间，直接进行数据传送，不通过cpu, 传送效率高。适用于在内存与高速外设、或两个高速外设之间进行大批量数据传送。 电路结构复杂，硬件开销较大。,一、8255a结构、引脚,intel系列的8位并行接口芯片 通用性强，使用灵活 可用程序设置和改变芯片的工作方式 40个引脚，双列直插式,6.4 可编程并行接口8255a,1. 数据端口 a、b、c,端口a 对外 8 根引脚 pa7 pa0，可以为8位输入或8位输出接口。,端口b 对外 8 根引脚 pb7 pb0，可以为8位输入或8位输出接口。,端口c 对外8根引脚pc7 pc0，可以为8位输入或8位输出接口；也可以高4位低4位分开作为输入/输出使用。还可已单独置位/清0每一位（pc0、pc1、pc2、pc3、pc4、pc5、pc6、pc7）,每个端口8位，通过编程设定其为输入口或输出口，也可用来和外设传送信息,控制寄存器d 用来存放a、b、c端口的控制命令，即对a、b、c端口编程的控制字，用来决定它们的工作方式。,2.引脚功能,a、b、c端口各有8个引脚。pa0pa7、pb0pb7、pc0pc7，24根引脚。 rest复位信号，输入，高电平有效。当rest=1时，控制寄存器清0，a、b、c端口为输入。 cs片选信号，输入，低电平有效。 a0 a1 端口选择信号，输入。 rd读控制信号，输入，低电平有效。 wr写控制信号，输入，低电平有效。 d0 d7 数据线，双向。 vcc 电源线，+5v。 gnd电源地。,8255a有两种控制字一种为端口方式控制字，另外一种为 c口 按位置位/复位控制字。,二、8255a的控制字,8255a有两种控制字，由写入内容的d7位区分：,d7=1, 方式控制字 设定a口、b口、c口的工作状态和工作方式。 工作状态：输入或输出 工作方式：方式 0、方式 1、方式 2 d7=0 , c口按位置位/复位控制字 使c口中的某一位为1（置位）或0（复位）。,1. 方式控制字 设定a口、b口、c口的工作状态和工作方式。工作状态：输入或输出 工作方式：方式 0、方式 1、方式 2,方 式 控 制 字 各 位 含 义,例：8255a与系统的连线如下， 片选译码地址为f0f3h 确定各端口地址; 编程设置8255a : a口方式 0 输入，pc7pc4输出 b口方式 0 输出，pc3pc0输入,1) 确定端口地址,2) 硬件原理图,3) 确定方式控制字,所以，方式控制字为 1001 0001b，即91h,要求设置: a口方式0输入，pc7pc4输出 b口方式0输出，pc3pc0输入,设置方式控制字的初始化程序段为： mov al, 91h ; 方式控制 out 0f3h, al,0 复位 1 置位,设置内容,特征位，d7=0 表示是c口按位 置位/复位控制字,无意义,选择设置位,c口按位置位/复位控制字各位含义:,2. c口按位置位/复位控制字 作用是： 使c口中的某一位为1（置位）或0（复位）或在a口、b口采用中断方式时，通过向c口的指定位置位，允许8255a的中断信号发出。,例，连线如上例。通过控制口 置 pc2 为 0，置 pc4 为 1。 mov al，0000 0100b out 0f3h, al mov al，0000 1001b out 0f3h, al,三、8255a的工作方式,工作方式：方式0（基本输入输出）、 方式1（选通输入输出）、方式2（双向）,1. 方式0（基本输入输出方式）,1,0,0,1/0,1/0,0,1/0,1/0,特征位,a口 工作方式,a口 i/o,pc7pc4 i/o,b口 工作方式,b口 i/o,pc3pc0 i/o,工作在方式 0 的端口，为单向传送端口。方式控制字决定是输入还是输出。,1,0,1,1/0,1/0,1,1/0,1/0,特征位,a口 工作方式,a口 i/o,b口 工作方式,b口 i/o,2. 方式1（选通输入输出方式）,工作在方式 1 的端口，为单向传送端口。由方式控制字决定是输入还是输出。,pc7pc4,pc3pc0,（1）选通输入 a口工作在方式 1 的输入时，c口的pc4、pc5、pc3作为a口的状态和控制信号。不能再单独作i/o用。 b口工作在方式 1 的输入时，c口的pc2、pc1、pc0作为b口的状态和控制信号。不能再单独作i/o用。 这时未用的pc7和pc6任然可以定义输入输出。,stb为选通信号，低有效，外部输入。ibf输入缓冲器满信号，高有效，输出个外部设备。intr中断请求信号，高有效，发给cpu。inte，中断控制位，决定是否能发intr信号，a口由写pc4决定；b口由写pc2决定。,（2）选通输出 a口工作在方式 1 的输出时，c口的pc7、pc6、pc3作为a口的联络信号。不能再单独作i/o用。 b口工作在方式 1 的输出时，c口的pc2、pc1、pc0作为b口的联络信号。不能再单独作i/o用。 这时未用的pc5和pc4任然可以定义输入输出。,ack为应答信号，低有效，外部输入。 obf输出选通信号，低有效，输出个外部设备，表明pa0pa7或pb0pb7线上有有效数据，通知外部设备取走。 intr中断请求信号，高有效，发给cpu。 inte，中断控制位，决定是否能发intr信号，a口由写pc6决定；b口由写pc2决定。,3方式2 （双向传送方式）,端口工作在方式 2时，c口的某5根引脚作为端口的联络信号 8255a 只有a口可以工作在方式 2 下。, 与方式 0、方式 1的单向传送不同， 工作在方式 2下的端口，具有双向传送功能。, a口工作在方式 2 下，c口未做联络信号的3条引脚， 可作为b口在方式1下的联络线，也可和b口一样工作在方式0下。 由方式控制字决定其输入/输出。,工作在方式2时，c口有5根引脚作为a口的联络信号， 是方式1下a口输入、输出联络信号的组合。,例：某个系统要求用8255a作为接口，采集一组开关s7s0 的状态，然后通过一组发光二极管led7led0显示开关状态，(si闭合，则对应ledi亮，si断开，则对应的ledi灭）电路连接如下图，已知8255a、b两组均工作在方式0。完成如下工作：,1、写出8255四个端口的地址。 2、写出8255工作方式控制字。 3、写出实现给定功能的汇编语言程序。,四、应用举例,led7,led0,s7,s0,pb7,pb0,pa7,pa0,8255a,d7d0,d7d0,wr#,rd#,iow#,ior#,y0 #,g1,g2a#,g2b#,c,b,a,74ls138,cs#,a9,aen,&,a8,a7,a6,a5,a4,a3,a2,a1,a0,a1,a0,a口、b口、c口和控制口的地址分别是 320h、321h、322h和323h。 a口工作在方式0输出，b口工作在方式0输入，c口空闲，所以其控制字是10000010b82h 程序如下：,mov al, 82h ;置方式字 mov dx, 323h ;置控制端口地址 out dx, al l1: mov dx, 321h ;置b口地址 in al, dx ;读开关状态（1断，0通） not al ;状态取反 mov dx, 320h ;置a口地址 out dx, al ;输出（1亮，0灭） jmp l1,6.4 外围功能扩展总线标准,一、总线 在微型计算机系统中，将各个部件相互联系的公共通道称为总线。 1、总线的分类 （1）元件级总线（芯片内部的总线） （2）系统总线（微机内部总线） （3）外部总线（设备与设备之间的总线） 2、常用的系统总线 pc机的62线pc总线 at机的isa总线 高性能pc机的eisa总线