微机原理及接口技术-第7章-输入输出接口和总线.ppt

7-1I/Ointerfaceandbus,一、function1、采用I/O接口的必要性necessary通讯communication：指计算机与外设间交换数据、状态和命令的过程。要通讯则需解决如下问题（必要性）：1）速度不匹配问题speedCPU速度快I/O接口外设速度慢2）信号电平不匹配问题signalCPU使用TTL电平，外设是复杂的信号。,TTL电平转为外设所需信号外设信号转为TTL电平3）信号格式不匹配问题formatCPU总线上传送8位、16位、32位并行数据外设：所需信号种类有模拟量，数字量，开关量等；电压，电流；串行方式，并行方式。4）时序不匹配问题timesequenceCPU的时序与外设自己的定时和控制逻辑不一样。,2、接口功能interfacefunction主要作用：解决CPU与外设间的不匹配，不能协调工作的问题。功能如下：1）设置数据缓冲器buffer，解决速度差异。2）设置电平转换电路如串行接口芯片MAX232（TTL12V）3）设置信息逻辑转换电路：如A/D，D/A，接触器的通/断等。4）设置时序控制路实现CPU与外设同步，如状态，应答信号。,5）具备地址译码电路选择不同外设进行操作二、简单的I/O接口芯片（P248自学）三、I/O端口及寻址方式portandaddressing1、I/O端口：CPU与外设通讯时，传送的信息1）数据信息数据R数据口2）状态信息状态R状态口3）控制信息控制R命令口,1）数据端口：存放CPU与外设间交换的数据，长度1-2字节，其数据缓冲作用。2）状态端口：指示外设当前状态，每种状态用1位表示常用状态位：READY（准备就绪）READY=1时输入口：数据已准备好，等待CPU读取，CPU取走后，READY置0。输出口：输出R已空，可接收下一数据，收到下一数据，READY置0。,BUSY忙碌位表明输出设备能否接受数据。BUSY=1：忙，不接收CPU传送数据BUSY=0：闲，可接收CPU传送数据错误位（ERROR）：数据传递出错位如奇/偶校验错，溢出错。3）命令端口（控制口）：存放CPU对I/O设备的命令和控制字。如：启动，停止，允许中断。控制字有：方式选择控制字，操作命令字等,2、I/O端口的寻址方法：两种编址方式：存储器映象导址，mappingI/O指令寻址。I/Oinstruction存储器映象导址方式：把I/O端口做一个存储单元，与存储单元统一编址。优点：无需专用I/O指令，简化了指令系统，端口空间可大可小。缺点：占用了存储空间，指令字节数比专用I/O指令长。如：MC6800，MC68000，单片机51、96系列。,I/O单独编址方式：不占用存储器空间，构成一个I/O空间。用专用的IN，OUT指令8086中：用A15A0导址I/O端（可访问64K个）用M/IO控制信号区分I/O导址和存储器导址,优点：可读性好（专用指令）速度快（指令字节少）不占用内存空间缺点：专用IN，OUT，指令系统复杂功能不如访问存贮器的指令强增加了控制信号（M/IO）,四、CPU与外设间数据传送方式datatransfer程序控制方式program三种类型中断方式interruptDMA方式（硬件实现）DMA1、程序控制方式：无条件传送（同步传送）条件传送（查询方式）1）无条件数据传送方式unconditional应用场合：用于外设在任何时刻均已处于准备好或接收状态。,举例：定时采集和现实三部位的温度端口地址10H，11H，12H是与三个温度源相连的A/D转换器的地址。编程：START：INAL，10H；采集温度CALLDISPLAY1；显示INAL，11H；采集温度CALLDISPLAY2；显示INAL，12H；CALLDISPLAY3；CALLDELAY；调延时JMPSTART；,2）条件传送（查询方式）conditionalqueryCPU不断查询状态，满足条件后则传送，否则等待。,查询输入流程图,查询输入接口电路：,编程：设状态口：PORT_SI数据口：PORT_IN传送数据字节数：COUNT_1MOVBX,0;初始化指针MOVCX,COUNT_1;字节数READ_SI：INAL，PORT_SI;读入状态位TESTAL，01H;D0=1？准备好？JZREAD_SI;否，转。INAL，PORT_IN;已准备好,读入数据MOVBX，AL;存于缓冲区,INCBX;修改指针LOOPREAD_SI;未完，待续;已完，执行别的程序查询工作过程：输入设备准备好后，发选通信号a：数据锁存起来b:D触发器Q=1CPU执行INAL，PORT_S1后:M/IO=0，RD=0A15A0给出状态端口码CS1=0状态三态门打开，状态送入D0位上,CPU执行INAL，PORT_IN后：M/IO=0RD=0A15A0给出数据端口码，CS2=0缓冲器将数据送出，同时清0READY状态P256图7-8查询输出接口电路（详细讲解）条件传送数据的缺点：反复查询过程，浪费CPU的时间，CPU利用率低。,M/IOA15-A0,D7-D0,查询输出接口电路,2、中断方式数据传送：平时CPU执行主程序，只有输入数据准备就绪或输出设备已闲，才向CPU申请中断。CPU响应中断后，执行中断服务程序，进行一次数据交换，然后返回继续执行原程序。（详细讲授在第八章中进行）3、DMA方式：问题的提出problemformulation：虽然中断方式CPU利用率高，但执行中断仍需时间。DMA方式是数据传递时，要CPU让出总线，由DMA控制利用总线直接与外设进行数据传送，不占用CPU时间。传递完后，DMA控制器再将总线还给CPU。DMA方式传送数据的速度取决外设和内存速度。,存储器,外设,HRQDMAHLDA控制器,地址锁存器,数据总线,数据总线,控制总线,控制总线,控制总线,数据总线,AD15AD0,ALE,CPU,HLDAHOLD,IOR,DREQ,DACK,地址总线,IOW,MEMW,MEMR,微机系统中DMA控制器操作框图,P258微机系统中DMA控制器操作框图（详讲）DMA方式读磁盘工作过程：procedure系统启动时：开关接通CPU总线，存储器（总线属于CPU）同时对DMA控制器初始化（传送字节数，起始地址，选DMA芯片通道）CPU向磁盘发读命令，磁盘控制器找到数据位置，开始读数据,数据准备好后，外设向DMA控制器发请求信号DREQ。若DMA输入通道未屏蔽，DMA发HRQ到CPU的HOLD端。CPU收到后，中止当前程序运行，总线浮空并发保持响应信号HLDA，DMA控制器发信号使开关向下，总线与DMA控制器接通（DMA控制总线）DMA发送第一个数据地址且发出确认信号DACK，通知磁盘控制器准备好要输出的数据字节DMA控制器使I/O读信号IOR、存储器写信号MEMW有效，磁盘输出数据到总线，并将总线数据写入存储器。,(6)每传送一个字节数据后：DMA自动修改地址R的内容，指向下一地址，字节计数器减1，重复上述过程，直到计数值减为0，并由0减到FFFF为止。(7)DMA结束后，HRQ无效，总线连接到CPU。CPU恢复执行原中止程序。五、I/O译码电路和PC机的I/O地址分配1、I/O端口译码电路。2、PC机的I/O端口地址分配,PC/XT机端口分配CPU:8088(兼容机8086)接口芯片：中断控制器8259A1片主板上DMA控制器8237A-51片并行I/O芯片8255A-51片计数/定时器8253-51片主板上还有8个I/O扩展槽。（I/O通道）,提供磁盘驱动器I/O接口I/O扩展槽打印机接口插入适配器CRT接口异步通讯接口等PC/XT机中：用A9A0进行I/O寻址A9=0寻址主板I/O端口（512个端口）A9=1寻址I/O通道（512个端口）主板上，I/O端口译码电路如下图所示：,图7-12系统板上I/O端口译码电路,当AEN=1A8A9=00时74LS138开始工作主板I/O地址范围：0000FFH(256)A9=1时，I/O通道（槽）：2003FFPC/XT机的I/O端口分配表如表1所示；PC/AT及兼容机的I/O端口地址分配表如表2示,系统板I/O通道,00001F（000F）02003F（2021）04005F（4043）06007F（6063）08009F（8083）0A00BF（A0）0C00DF0E00FF20020F2F82FF30031F32032F37837F38038F3B03BF3F03F73F83FF,8237A-5DMA控制器8259A中断控制器8253-5计数/定时器8255A-5并行接口DMA页寄存器NMI屏蔽寄存器保留保留游戏I/O口异步通信2（COM2）实验卡（原型卡）硬磁盘适配器并行打印机接口同步通信控制器单显/打印机适配器软磁盘适配器异步通信1（COM1）,分类地址范围（H）I/O设备（端口）,表1PC/XT机的I/O端口分配表,系统板I/O通道,00001F02003F04005F06006F07007F08009F0A00BF0C00DF0F00F10F80FF1F01F820020727827F2F82FF30031F36036F,DMA控制器1,8237A-5中断控制器1,8259A(主片)定时器8254-2键盘接口处理器，8042实时时钟，NMI屏蔽寄存器DMA页寄存器，74LS612中断控制器28259A(从片)DMA控制器2，8237A-5清除协处理器忙信号复位协处理器协处理器硬磁盘游戏I/O口并行口2（LPT2）串行口2（COM2）实验卡（原型卡）保留,分类地址范围（H）I/O设备（端口）,I/O通道,37837F38038F3A03AF3B03BF3C03CF3D03DF3F03F73F83FF,并行打印机口1（LPT1）SDLC,双同步通信口2双同步通信口1单显/打印机适配器保留彩色/图形监视器适配器软磁盘控制器串行口1（COM1）,分类地址范围（H）I/O设备（端口）,表2PC/AT及兼容机的I/O端口地址分配表,在PC/AT机中：8028610地址线（A9A0）I/O寻址，地址范围0003FFH其中：DMA控制器8237A2片中断控制器8259A2片定时器8254-2,7-2总线bus,一、概念definition总线：各部件间传送信息的公共通道。1、总线分类：category片级总线（元件级总线）：芯片的引脚系统总线（内总线，板级总线）：各插板间的连