第8章输入输出接口新.ppt

1 第一节接口技术的基本概念 一 接口的概念和功能二 接口电路的典型结构 2 一 接口的概念和功能1 接口和接口技术接口指CPU 存储器 外设之间通过总线进行连接的电路部分 是CPU与外界进行信息交换的中转站 接口技术是研究CPU如何与外部世界进行最佳耦合与匹配 实现双方高效 可靠地交换信息的一门技术 是软件 硬件结合的体现 是微机应用的关键 3 2 为什么要用接口电路 4 从上可以得到 1 所有的外部信息到CPU都要经过各种各样的接口 2 接口把外部的输入信息变成计算机能识别的数据 由计算机来处理 接口把计算机输出的数据变成外设能识别的信息 实现对外设的控制 5 接口电路中的信息 数据信息 数字量 模拟量 开关量状态信息控制信息对应的端口 数据口 状态口 命令口 6 外设是用来实现人机交互的一些机电设备 外设处理信息的类型 速度 通信方式与CPU不匹配 不能直接挂在总线上 必须通过接口和系统相连 7 接口应具有的功能信号转换功能 输入 外设的数据或信息 微机相容输出 微机输出数据或信息 外设相容设备的选择功能 只有选中的设备才能与CPU进行数据交换或通信 I O接口中通常都有地址译码和设备选择逻辑 数据缓冲功能 解决CPU高速与外设低速的矛盾 避免因速度不一致而丢失数据 8 接收和执行CPU命令的功能 接口电路对接收到的命令代码进行识别和分析 产生若干个控制信号 传到I O设备 产生相应的操作 中断管理功能 在接口中设置中断控制器 为CPU处理有关中断事务如 中断请求 中断优先级排队等 可编程能力 增加接口的灵活性和可扩充性 9 二 接口电路的典型结构 从编程角度看 接口内部主要包括一个或多个CPU可以进行读 写操作的寄存器 又称为I O端口 各I O端口由端口地址区分 数据信息 状态信息 控制信息 10 按存放信息的不同 I O端口可分为三种类型数据端口 用于存放CPU与外设间传送的数据信息状态端口 用于暂存外设的状态信息控制端口 用于存放CPU对外设或接口的控制信息 控制外设或接口的工作方式 CPU对外设输入 输出的控制 是通过对接口电路中各I O端口的读 写操作完成 11 第二节I O端口的编址和译码一 I O端口的编址方式二 8088的输入 输出指令和时序三 I O端口的译码 12 一 I O端口的编址方式1 端口与存储器分别独立编址2 端口与存储器统一编址 13 特点 端口与存储器分别独立编址端口不占用内存空间设有专门的I O指令对端口进行读写 对内存操作的指令不能用于I O端口 1 端口与存储器分别独立编址 I O映射方式 例MOV 10H AL对内存操作IN10H AL对端口操作 14 2 端口与存储器统一编址 存储器映射方式 特点 I O端口相当于内存的一部分 使内存容量减小对I O端口的读 写与对存储器的读 写相同 所有可对内存操作的指令对I O端口均可使用 指令系统中不专设I O指令 15 二 8088的输入 输出指令和时序1 输入指令IN输出指令OUT输入 输出指令实现I O端口与CPU之间的数据传送 16 17 例 1 INAL 28H若 28H端口 10101111B执行后 AL 28H端口 0AFH 2 INAX 28H若 28H端口 10101111B 29H端口 01010000B执行后 AL 28H端口 0AFH AH 29H端口 50H 3 MOVDX 300HINAL DX若 300H端口 69H执行后 AL 300H端口 69H 18 19 20 21 2 端口地址可由直接方式或间接方式给出 当端口号在0 FFH 即0 255时 可在指令中直接指定端口号例INAL 21HOUT20H AL 22 3 可进行字节或字传送由指令中AL或AX的类型决定 4 注意端口地址与端口内容的区别INAL 21H不等于 AL 21HOUTDX AL不等于 DX AL INAL 20H 字节传送INAX 20H 字传送INAL DX 字节传送INAX DX 字传送 OUT20H AL 字节传送OUT20H AX 字传送OUTDX AL 字节传送OUTDX AX 字传送 23 三 I O端口的译码1 译码电路的作用2 译码电路的构成3 设计译码电路的方法4 片内译码和片选译码 24 1 译码电路的作用 将CPU执行IN OUT指令发出的地址信号 翻译 成欲操作端口的选通信号 此信号常作为接口内三态门或锁存器的控制信号 接通或断开接口数据线与系统的连接 IN指令时序 OUT指令时序 25 该电路在CPU执行指令MOVDX 200HINAL DX将输入设备的数据读入CPU内AL中 图中译码电路的作用 只当A15 A0上出现200H时 即0000001000000000B 输出0 其他输出1 例一个输入设备的简单接口电路 26 27 28 该电路在CPU执行指令MOVDX 300HOUTDX AL将CPU内AL中的数据送至输出设备 图中译码电路的作用 只当A15 A0上出现300H时 即0000001100000000B 输出0 其他输出1 29 30 31 2 译码电路的构成门电路 与门 非门 或门 与非门 或非门专用译码器 2 4线译码器74LS1393 8线译码器74LS1384 16线译码器74LS154等可编程器件GAL CPLD FPGA等 32 3 设计译码电路的方法据端口地址确定地址信号A15 A0的取值 用门电路 译码器或两者组合实现满足此取值情况的电路 设计译码电路时 1 端口的选通信号通常为低电平有效2 除端口的地址信号参加译码外 控制信号IOW IOR IO M AEN也可参加译码 33 34 35 36 37 38 39 219H21AH21BH21CH21DH21EH21FH 218H 74LS1383 8译码器 AY0BY1CY2G1Y3Y4G2AY5Y6G2BY7 0110000100 端口译码电路 A0A1A2AENA3A4A5A6A7A8A9IORIOW PC总线 40 41 42 74LS1383 8译码器 218H AY0BY1CY2G1Y3Y4G2AY5Y6G2BY7 0110000100 端口译码电路 A2A1A0AENA3A4A5A6A7A8A9IORIOW PC总线 218H21CH21AH21EH219H21DH21BH21FH 43 44 45 46 47 48 49 50 第三节I O同步控制方式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 是本节讨论的问题 有以下几种传送方式 一 无条件传送方式二 条件传送方式 查询方式 三 中断传送方式四 DMA传送方式 DirectMemoryAccess 51 概述1 无条件传送 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 2 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 52 3 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 4 DMA方式 高速I O及成组交换数据 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 53 一 无条件传送方式 同步传送方式 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 54 55 56 例2无条件输出 编程控制系统板上扬声器发声 57 58 59 二 条件传送方式 查询传送方式 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 1 CPU通过不断查询外设状态 实现与外设的速度匹配2 CPU的工作效率低 60 查询传送方式 编程流程 61 查询方式输入接口 62 63 三 中断传送方式 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 64 65 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 66 中断传送方式的特点 1 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2 中断传送方式提高了CPU的效率 67 中断方式输入接口 某位未屏蔽 中断屏蔽触发器置 0 Q 0 68 1 当外设数据准备好 外设向接口电路发出选通信号 将数据打入锁存器 同时将中断请求触发器置 1 2 若此时 中断请求屏蔽触发器置 0 1 Q 0 允许本接口发出中断 接口电路向CPU发出中断请求信号INTR 1 3 CPU在运行程序时不断访问INTR 若查到INTR 1信号 且CPU内部中断允许标志IF 1 则CPU在现行指令执行完后 暂停程序的执行 向接口电路发出中断响应信号 4 外设把中断类型号送上数据总线 4 N IP 4 N 2 CS 5 CPU转入中断服务程序 执行IN指令 读入数据 清除中断请求标志 当中断处理完后 返回原程序 69 四 DMA传送方式 直接存储器存取方式 实现方法 1 由专用接口芯片DMA控制器 称DMAC 控制传送过程 2 当外设需传送数据时 通过DMAC向CPU发出总线请求 3 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 70 71 DMA传送方式的特点1 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 2 电路结构复杂 硬件开销较大 72 接收接口往DMA控制器发出DMA请求信号后 DMA控制器能向CPU发出总线请求信号HOLD 高电平 当CPU向DMA发出响应信号HLDA 高电平 以后 DMA能接管对总线的控制 进入DMA方式 能向地址总线发出内存地址信息 对其进行寻址及修改地址指针 能向存储器或外设发 命令 能决定传送字节数 并判断DMA传送是否结束 DMA过程结束 能向CPU发出DMA结束信号 HOLD变低 将总线控制权还给CPU CPU恢复正常工作 DMA控制器功能 73 DMA控制器工作原理 74 当外设输入数据准备好 外设向DMA发出一个选通信号 将数据送数据端口 向DMA发出请求 DMA控制器向CPU发出总线请求信号 HOLD 高电平 CPU在现行总线周期结束后响应 向DMA发出响应信号 HLDA 高电平 CPU放弃对总线控制 DMA控制器接管三态总线 接口将数据送上数据总线 并撤消DMA请求 内存收到数据以后 给DMA一个回答 于是D