计算机接口之概述ppt课件.ppt

微机接口技术及应用 1 1微机接口技术的基本概念1 2接口电路的基本组成1 3输入 输出传送控制方式 本章主要讲述 微机接口技术需要解决 1 1微机接口技术基本概念 为什么需要接口 CPU与外设之间的连接原则上可以考虑直接用总线相连 然而在实际操作中 不能采取这种方式 这是因为CPU与外设之间存在很大的差异 主要体现在 1 1 2接口的功能 专用接口通用标准接口增强功能用的接口 从适应面角度划分 用户交换接口 即人机交互设备接口 如打印机接口 键盘接口 显卡 声卡等 辅助操作接口 实现主机和外设之间通信的一些基本处理和控制接口 如总线驱动器 软驱 硬驱动器等 1 1 3接口的分类 专用接口通用标准接口增强功能用的接口 从适应面角度划分 具有标准化而通用的接口 ISA PCI SCSI USB等各种总线 因而从电气特性 机械特性及通信协议等方面都已标准化 开发商已为各种总线开发出了不同功能的专用接口板 可供用户选购 例如 PCI总线的ADC和DAC功能板 PCI的网卡 基于PCI的RS 232串行通行卡等 1 1 3接口的分类 专用接口通用标准接口增强功能用的接口 从适应面角度划分 用于增强主机功能的接口 此类接口包括中断控制口 DMA控制口等 1 1 3接口的分类 并行接口串行接口 从数据传输方式划分 1 1 3接口的分类 1 2接口电路的基本组成 1 2 1端口主机与外设之间交换的信息有三种基本类型 1 数据信息2 控制信息3 状态信息 端口 能完成接口任务 可以寻址进行读或写的寄存器称为端口1 数据端口 存放数据信息2 状态端口 存放状态信息 即反映外设当前工作状态的信息3 控制端口 存放控制信息 状态信息与控制信息可以广义地看作数据信息 因此可以通过数据总线传送 不同的端口是通过不同的端口号来区分的 每个端口分配一个地址号 称为端口地址 数据端口 状态端口 控制端口 DB CB AB 图1 1典型接口内部结构图 1 2 2典型接口电路的组成 译码 CPU I O设备 1 2 3设计接口电路的基本方法 1 2 4I O接口的编址方式 在微型计算机中常用两种I O端口编址方式1 I O端口地址与内存单元地址统一编址2 I O端口与内存独立编址 PC系列机采用I O端口独立编址方式 地址空间0000H FFFFH Port255Port65535 Port0Port1Port2Port3 FFFFH 0000H 1 I O端口与内存独立编址 00000H FFFFFH 存储器 0FFFFH 优点 I O端口的地址空间独立控制和地址译码电路相对简单专门的I O指令使程序清晰易读缺点 I O指令没有存储器指令丰富 80 x86采用I O端口独立编址 I O端口与内存独立编址 2 I O端口与内存统一编址 存储器映象编址 I O端口与内存统一编址 地址空间00000H FFFFFH I O端口 存储器 FFFFFH 00000H XXXXXH XXXXX 1 H 此时无需专门的I O指令 同时针对存储器的寻址方式同样也适用于对I O端口的访问 也可以对端口进行算数运算 逻辑运算和位移操作等 优点 不需要专门的I O指令I O数据存取与存储器数据存取一样灵活缺点 I O端口要占去部分存储器地址空间程序不易阅读 不易分清访存和访问外设 I O端口与内存统一编址 存储器映象编址 M6800采用I O端口独立编址 端口地址是一种重要资源 端口的寻址端口间接寻址方式把端口地址放在DX寄存器中 对该端口进行读写INAL DXOUTDX AL 可寻址的端口号为0 65535 FFFFH 端口直接寻址方式端口地址小于或等于FFH 255 可以用立即数表示端口地址INAL 21HOUT43H AL 对 端口的寻址过程 8086 8088CPU用地址总线的低16位作为对8位I O端口的寻址线 所以8086 8088系统可访问的8位I O端口有65536 64K 个 输入指令 IN 将外设数据传送给CPU内的AL AX INAL i8 字节输入INAL DX 字节输入INAX i8 字输入INAX DX 字输入输出指令 OUT 将CPU内的AL AX数据传送给外设 OUTi8 AL 字节输出OUTDX AL 字节输出OUTi8 AX 字输出OUTDX AX 字输出 如果输入输出一个字节 利用AL寄存器如果输入输出一个字 利用AX寄存器输入一个字 实际上是从连续两个端口输入两个字节 分别送AL 对应低地址端口 和AH 对应高地址端口 输出一个字 实际上是将AL 对应低地址端口 和AH 对应高地址端口 两个字节的内容输出给连续两个端口 1 2 5译码电路 目的 对地址信号进行译码 产生接口芯片的片选信号 CPU执行一条指令 指令包括有I O端口的地址 地址不同那么所操作的I O设备就不同 那么怎么能知道指令是对哪一个外设进行操作呢 由地址译码器来进行译码 比如主板上都有译码器 这些译码器进行译码来选择不同的外设进行工作 地址译码逻辑电路由门电路组成或可编程逻辑器件组成 可以判断地址线的地址和它的端口地址能不能对的上 1 门组成的译码电路 图1 3译码电路 已知地址为300H 301H 用门电路可以组成译码电路 1 门组成的译码电路 图1 3译码电路 A9A8A7A6A5A2A4A3AENA1A0 74LS03 3E7H 2 可选式译码电路 接口适配器上的端口地址可能需要适应不同场合而改变 当跳线J10接通时 地址范围在2F8H 2FFH 是通信口2的译码器连接 而当跳线J12接通时 地址范围在3F8H 3FFH 通信口控制卡的电路结构完全一样 不同编号的通信口控制卡只要改变跳线连接即可 3 专用的译码器 专用的译码器有多种信号 例如 3 8线译码器74LSl38 2 4线译码器74LSl39 74LSl55 4 16译码器74LSl54等 图1 574LS138译码器的逻辑图 引脚排列及真值表 IBMPC XT主机板的I O译码电路 IBMPC AT主机板的I O译码电路 1 2 6简单的I O接口芯片 缓冲器 Buffer 缓冲器对数据具有缓冲作用 在CPU或I O接口电路需要输入输出数据时 在它的使能控制端EN 或G 作用一个低电平脉冲 使它内部的各缓冲单元接通 即处在输出0或1的透明状态 数据被送上总线 当使能脉冲撤除后 它处在高阻态 这时 各缓冲单元就像一个断开的开关 等于将它所连接的电路从总线上脱开 1 2 6简单的I O接口芯片 缓冲器 Buffer 1 74LS24474LS244是一种8路数据缓冲器 其逻辑功能和引脚如图1 6所示 图1 674LS244的逻辑功能图和引脚图 74LS244常用来构成外设输入数据端口 这时它的输入端A与外设数据线相连 而输出端Y并接在CPU的数据总线上 74LS244是一种单向数据缓冲器 数据只能从A端传送到Y端 若要进行双向数据传送 可选用双向数据总线缓冲器74LS245 2 74LS245 图1 774LS245的逻辑功能图和引脚图 1 2 6简单的I O接口芯片 锁存器 Latch 锁存器具有暂存数据的能力 能在数据传输过程中将数据锁住 然后在此后的任何时刻 在输出控制信号的作用下将数据传送出去 1 2 6简单的I O接口芯片 锁存器 Latch 2 锁存器74LS37374LS373是一种常用的8D锁存器 它可以直接挂到总线上 并具有三态总线驱动能力 如图1 8所示是它的逻辑图 括号中的数字为引脚号 而表1 1是它的真值表 74LS373由一个8位寄存器和一个8位三态缓冲器构成 寄存器的每个单元则是一个具有记忆功能的D触发器 它有两个控制输入端 即输入使能端G和允许输出端 1 3输入 输出传送控制方式 程序传送方式中断传送方式DMA传送方式 无条件传送程序查询传送 条件传送 1 3 1程序传送方式 该方式完全通过执行程序来控制CPU与外设之间的数据交换 I O指令序列事先就排在程序中所需要的位置 这种传送方式又分为无条件传送和有条件传送 1无条件传送 不查询外设状态 认为外设已经准备就绪 直接与外设传送数据 外设准备就绪 对于输入设备 已经把数据放入接口电路的数据输入寄存器 CPU可以读取 对于输出设备 已经准备好接收数据 接口电路的数据输出寄存器已空 CPU可以向它输出数据 由于不查询外设状态 接口电路不需要状态寄存器 适合于简单设备 如LED数码管 按键或按纽等 MOVDX 160HINAL DX 图1 9简单输入端口实例 M IO MOVDX 160HMOVAL BX OUTDX AL 5V 74LS373 300 x8 LEOE 数据总线 CS WR M IO 图1 10简单输出端口实例 2条件传送 采用查询方式传送 程序中I O指令的执行需要事先测试外设的状态 待外设准备就绪后 执行I O指令进行数据传送 否则循环测试等待 例如 CPU向打印机送打印字符 就需要测试打印接口电路的BUSY信号 在输入场合 就绪 说明输入接口已准备好送往CPU的数据 正等着CPU来读取该状态也可用接口中数据缓冲器已 满 来描述在输出场合 就绪 说明输出接口已做好准备 等待接收CPU要输出的数据状态也可用接口数据缓冲器已 空 或者用接口 外设 闲 或不 忙 Busy 来描述 就绪 Ready 就绪 满 空 闲 不忙 查询传送方式的流程图 设状态口的地址为port status 输入数据口的地址为port in 传送数据的总字节数为count 则实现查询输入的程序段如下 MOVBX 0 初始化地址指针BXMOVCX count 字节数Read INAL port status 读入状态位TESTAL 01H 数据准备好否 JZRead 否 循环检测INAL port in 已准备好 读入数据MOV BX AL 存到内存缓冲区中INCBX 修改地址指针LOOPRead 未传送完 继续传送 5V 8D锁存器 8位三态缓冲器 译码 1位三态缓冲器 R Q A0 A15 CS1 CS2 D0 D7 D0 D 设状态口的地址为port status 输出数据口的地址为port out 传送数据的总字节数为count 2 则实现查询输出数据的程序段如下 MOVCX count 2reads INAL port statusTESTAL 02HJNZreadsMOVAL 输出数据OUTport out ALLOOPwrite 8D锁存器 译码 1位三态缓冲器 R Q A0 A15 CS1 CS2 D0 D7 D1 D 5V C 查询传送方式 一个微机系统中会有多个外设同CPU交换信息 使用查询方式 通常采用轮流查询法对各个外设依次进行查询 并进行信息交换 N N N N Y Y Y Y 多个外设查询工作方式流程图 1 3 2中断传送方式 中断方式 当外设作好传送准备后 主动向CPU请求中断 CPU响应中断后在中断处理程序中与外设交换数据 若外设未准备好 CPU可以执行其他程序 提高了CPU的利用率每条指令完成后 CPU均可响应中断 因此当设备准备好时 可及时与CPU交换数据 提高了实时性 中断方式下外设将准备就绪的信号转换成有效的中断请求信号通知给CPU CPU响应中断后 在中断服务子程序中执行I O指令 进行数据传送 中断方式不仅局限于数据的输入和输出 在很多方面都有应用 如实时控制 故障处理以及DOS功能调用等 CPU每次响应中断执行中断处理程序 都必须进行断点和现场的保护和恢复 浪费CPU的时间 所以中断方式不适于大批量的数据输入输出操作 DMA DirectMemoryAccess 直接存储器存取 CPU 内存 外设 数据通道 数据通道 非DMA方式 包括程序控制方式和中断方式 DMAC 内存 外设 数据通道 DMA方式 1 3 3DMA传送方式 1DMA方式的提出 2 DMA控制器的连线和操作 图1 15微机系统中DMA控制器操作图 在采用DMA控制器的系统中 CPU与DMA控制器分时地使用地址总线 数据总线和控制总线 图中用3个开关来表示这种总线的切换 DMA操作之前 应先对DMAC编程 把要传送的数据块长度 数据块在存储器中的起始地址 数据传送方向等信息发送给DMACDMA操作过程包括三个阶段 DMA请求DMA响应和数据传送传送结束 用DMA方式读磁盘的过程分以下几步进行 系统启动时 3个开关打向上端 总线与CPU 存储器和外设相连 并由CPU来控制 进行一次DMA传输前 首先要对8237A进行初始化编程 包括设定要传送数据的字节计数器初值 指定参与传送的内存块的起始地址 以及选定DMA通道 8237A内部有4个DMA通道 和所用的传送方式等 CPU向磁盘控制器发出读盘命令 由磁盘控制器找到要读取的数据位置 并开始读出数据 当磁盘控制器准备好了第一个字节的数据后 就向DMA控制器发送一个DMA请求信号DREQ 如果DMA控制器的输入通道没有被屏蔽 DMA控制器就送一个保持请求信号HRQ到CPU的HOLD输入端 CPU从HOLD端收到HRQ信号 并完成当前的总线操作后 就中止当前程序的运行 将它的总线浮空 并发回一个保持响应信号HLDA给DMA控制器 作为收到HRQ信号的应答 DMA控制器收到HLDA信号后 便发送一