输入输出接口和总线.ppt

第六章输入 输出接口和总线 本章内容基本概念I O端口的编址输入输出的基本方法 1 程序控制的输入 输出方法 又分为 无条件传送和查询式传送或有条件传送 2 中断方式传送3 DMA方式传送中断中断基本概念DMA DMA的基本概念 6 1输入 输出接口 I O接口 6 1 1概述什么是I O接口 把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 I O接口要解决的问题速度匹配 Buffer 信号电平和驱动能力 电平转换器 驱动器 信号形式匹配 A D D A 信息格式 字节流 块 数据包 帧 时序匹配 定时关系 总线隔离 三态门 I O接口的功能I O地址译码与设备选择把选中的端口与总线相接 未选中的与总线隔离 高阻态 数据的缓冲与暂存缓解接口与CPU工作速度的差异对外设进行监测 控制与管理 中断处理信号电平与类型的转换形式 格式 电平 功率 码制等 6 1 2I O接口的编址方式I O端口 I O信息的三种类型 数据 命令 状态 传送这三类信息的通道分别称为 数据端口 I O 命令端口 O 状态端口 I 不同外设具有的端口数各不相同 计算机中为每一个端口都赋予一个惟一编号 称为端口地址 或端口号 端口有两种编址方式 统一编址和独立编址 1 统一编址把外设接口与内存统一进行编址 各占据统一地址空间的不同部分 优点指令统一 灵活 访问控制信号统一 使用同一组的地址 控制信号 缺点内存可用地址空间减小 0 地址空间 共1MB 内存地址 960KB I O地址 64KB FFFFFH EFFFFHF0000H 2 独立编址外设地址空间和内存地址空间相互独立 优点 内存地址空间不受I O编址的影响缺点 I O指令功能较弱 使用不同的读写控制信号 00000H 内存地址空间 内存空间 1MB I O空间 64KB FFFFH FFFFFH I O地址空间 0000H 例如 8088 8086系统 8088 8086CPU的I O编址方式采用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 8088 来区分 时为I O地址I O操作只使用20根地址线中的16根 A15 A0可寻址的I O端口数为64K 65536 个I O地址范围为0 FFFFHIBMPC只使用了1024个I O地址 0 3FFH 6 1 3I O端口地址的译码 A15 A0OUT指令将使总线的信号有效IN指令将使总线的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 例如 某外设接口有4个端口 地址为2F0H 2F3H 则其基地址为2F0H 由A15 A2译码得到 而A1 A0用来确定4个端口中的某一个 6 1 4I O数据的传送方式并行一个数据单位 通常为字节 的各位同时传送速度快 距离短 成本高例 PC机的并行接口 通常用于连接打印机 串行数据按位进行传送速度慢 距离远 成本低例 PC机的串行接口 通常用于串行通信 6 2 1接口电路的基本结构 6 2简单接口电路 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 接外设 接主机 数据输入 输出寄存器 暂存输入 输出的数据命令寄存器 存放控制命令 用来设定接口功能 工作参数和工作方式 状态寄存器 保存外设当前状态 以供CPU读取 简单接口电路 数据输入接口必须具有三态输出能力 以便与总线挂接外设有数据保持能力时 可用三态门实现外设无数据保持能力时 用三态输出的锁存器实现数据输出接口常用锁存器实现 三态门 高电平 低电平 高阻态通常一个器件中包含8个三态门常用芯片 74LS244 见241页 应用例子 开关接口工作波形图如下 A0 A15 IOR 译码输出 D0 D7 开关状态 地址有效 简单的输入接口举例 接口电路图如下 83FCH 83FFH 译码器 锁存器 由D触发器构成通常一个器件包含8个D触发器常用芯片 教材图6 3 74LS373 具有三态输出的锁存器 内部结构见图6 3 应用例子 发光二极管接口 简单的输出接口举例 译码器 1 1 5V R D0 D7 CP Q0 Q7 D0 D7 A0 A15 IOW 74LS373 R GND OE 输入 输出接口综合应用例子 根据开关状态在7段数码管上显示数字或符号用74LS273作为输出接口 把数据送到7段数码管74LS273的端口地址假设为F0H用74LS244作为输入口 读入开关K0 K3的状态74LS244的端口地址假设为F1H当开关的状态分别为0000 1111时 在7段数码管上对应显示 0 F 7段码表见下页 O1I1O2I2O3I3O4I4 E1 K0 K3 5V GG2AG2BCBA 1 74LS244 D0Q0 Q1D7Q2Q3Q4CPQ5Q6Q7 abcdefgDP 7406 8个反相器 74LS273 Rx8 1 74LS138 D0 D7 IOW IOR Y0 Y1 F0H 0000000011110000F1H 0000000011110001 1 A7 A4 A15 A8 A3 A2 A1 A0 D0 D1 D2 D3 译码电路 相应程序段如下 Seg7DB3FH 06H 5BH 4FH 66H 6DH 7DH 07HDB7FH 67H 77H 7CH 39H 5EH 79H 71H LEABX Seg7 取7段码表基地址MOVAH 0 先清零 以后要和AL联合使用GO MOVDX 0F1H 开关接口的地址为F1HINAL DX 读入开关状态ANDAL 0FH 保留低4位MOVSI AX 作为7段码表的表内位移量MOVAL BX SI 取7段码MOVDX 0F0H 7段数码管接口的地址为F0HOUTDX ALJMPGO 6 3输入输出的控制方式 主机与外设之间数据传送的控制方式有以下四种 无条件传送查询式传送中断方式传送直接存储器存取 DMA DirectMemoryAccess 6 3 1无条件传送方式 适用于总是处于准备好状态的外设以下外设可采用无条件传送方式 开关发光器件 如发光二极管 7段数码管 灯泡等 继电器步进电机优点 软件及接口硬件简单缺点 只适用于简单外设 适应范围较窄 6 3 2查询方式传送 适用于外设并不总是准备好 而且对传送速率 传送效率要求不高的场合 CPU在与外设交换数据前必须询问外设状态 你准备好没有 对外设的要求 应提供设备状态信息对接口的要求 需要提供状态端口优点 软件比较简单缺点 CPU效率低 数据传送的实时性差 速度较慢 查询方式的流程图 超时 READY 与外设进行数据交换 超时错 读入并测试外设状态 Y N Y N 传送完 防止死循环 复位计时器 N Y 例 用查询方式进行输出 外设状态端口地址为3FBH D5位 bit5 为状态标志 1忙 0准备好 外设数据端口地址为3F8H 写入数据会使状态标志置1 外设把数据读走后又把它置0 试画出其电路图 电路图见下页 D5 D7 D0 A9 A3 1 A15 A10 1 IOW D7 D0 3F8H 外设 D7D6D5D4D3D2D1D0 BUSY CP Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0 状态端口 GG2AG2BCBA A2A1A0 74LS138 Y0 1 IOR Y3 OE 74LS374 CP Q Q D S STROBE 3FBH 程序段 6 3 3中断方式传送 CPU无需循环查询外设状态 而是外部设备在需要进行数据传送时才中断CPU正在进行的工作 让CPU来为其服务 即CPU在没有外设请求时可以去做更重要的事情 有请求时才去传输数据 从而大大提高了CPU的利用率 优点 CPU效率高 实时性好 速度快 缺点 程序编制较为复杂 6 3 4DMA传输 前面三种I O方式都需要CPU作为中介 外设CPU内存两个含义 1 软件 外设与内存之间的数据传送是通过CPU执行程序来完成的 PIO方式 2 硬件 I O接口和存储器的读写控制信号 地址信号都是由CPU发出的 总线由CPU控制 缺点 程序的执行速度限定了传送的最大速度 约为几十KB 秒 解决 DMA传输 DMA传输 外设内存外设直接与存储器进行数据交换 CPU不再担当数据传输的中介者 总线由DMA控制器 DMAC 进行控制 CPU要放弃总线控制权 内存 外设的地址和读写控制信号均由DMAC提供 优点 数据传输由DMA硬件来控制 数据直接在内存和外设之间交换 可以达到很高的传输速率 可达几MB 秒 DMA传送原理示意图 系统总线 CPU DMAC 存储器 外设接口 AEN IOW MEMW MEMR IOR MEMW MEMR IOW IOR AEN HOLD HLDA DRQ DACK AEN IOW IOR MEMW MEMR 外设发出DMA请求 DMAC向CPU申请总线 CPU完成当前总线周期后响应 并释放总线控制权 DMAC得到总线控制权 并发出DMA响应信号 由DMAC发出各种控制信号 控制外设与存储器之间的数据传送 数据传送完后 DMAC撤销HOLD信号 CPU释放HLDA信号 并重新控制总线 6 4总线 掌握 总线的基本概念和分类 总线的系统结构总线的主要功能 6 4 1总线的基本概念 总线概念 总线分类及其特点 总线的一般概念 总线是一组导线和相关的控制 驱动电路的集合 总线是计算机系统各部件之间传输地址 数据和控制信息的通道 任一时刻 只能有一个部件 设备通过总线发送数据 其他部件只能处于接收状态 总线的分类及特点 按传送信息的类型划分数据总线 DataBus DB 传输数据信息 双向三态其宽度决定了其数据传输能力例如 ISA总线为16位 PCI总线为32 64位地址总线 AddressBus AB 传输地址信息 单向三态其宽度决定了微机系统的寻址能力例如 ISA为24位 可寻址16MB PCI为32 64位 可寻址4GB 224TB控制总线 ControlBus CB 传输控制信号 时序信号和状态信号特点各异 三态 入 出 双向等特性均不相同 总线的分类及特点 续 按总线的层次结构1 片级总线直接由CPU引脚引出的总线 用于芯片一级的互联2 系统总线与总线扩展槽连接的总线 也称作板级总线 连接插件板 如ISA和EISA总线3 外部总线主机与外设之间的总线 如USB和IEEE1394 其他如AGP 专用视频接口 专用于显卡与内存之间的数据传输SCSI 标准的设备接口 可连接15台外设IDE EIDE 外部存储设备接口 每个接口可连接2台设备 6 4 2微机总线的连接结构 系统各部件与总线的连接方式单总线结构双总线结构多总线结构 单