微机原理与接口技术课件PPTPPT课件

第5章输入/输出接口，5.1微机接口和接口技术，5.2I/O端口及其寻址模式，5.3端口地址解码，5.4中央处理器和外围设备之间的数据传输模式，5.1微机接口和接口技术，5.1.1为什么要设置接口电路，5.1.2接口电路中的信息，5.1.3接口的基本功能，5.1.4接口的基本结构，返回，图1-1微机系统各种接口框图。返回，5.1.1为什么要设置接口电路？CPU和外设的信号线不兼容，二者的工作速度在信号线功能定义、逻辑定义和时序关系上不一致。如果中央处理器速度高，外围设备速度低，中央处理器不通过接口直接控制外围设备的运行，会使中央处理器处于无法处理外围设备的状态，大大降低中央处理器的效率。如果外部设备由中央处理器直接控制，也会使外围设备的硬件结构依赖中央处理器，不利于外围设备自身的发展。5.1.2接口电路中的信息、数据信息、状态信息、控制信息传统上，传输这三种信息的端口称为数据端口、状态端口和控制端口。1.数据信息，(1)数字量：通常以8位或16位二进制数和ASCII码的形式传输，主要指通过键盘、磁盘、光盘等输入的信息。或者由主机发送给打印机、显示器、绘图仪等的信息。(2)模拟量：模拟电压、电流或非电量。对于模拟输入，它需要由传感器转换成电信号，然后由模数转换器转换成数字量。如果需要输出模拟控制量，则需要上述过程的逆转换。(3)开关值：用“0”和“1”表示开关的开/关、电机的旋转/停止、阀门的开/关等两种状态。状态信息，在传输数据信息之前，中央处理器通常需要知道外围设备的当前状态。例如，输入设备的数据是否准备好，输出设备是否忙等。用于表征外围设备工作状态的信息称为状态信息，它总是由外围设备通过接口输入到中央处理器。状态信息的长度是可变的，可以是一个二进制位或更多，其含义随外围设备的具体情况而变化。3.控制信息，用于发出控制命令和控制外围操作信息，如模数转换器的起止信号。控制信息总是由中央处理器通过接口发送。5.1.3接口的基本功能，1 .数据缓冲功能，2 .端口选择功能，3 .信号转换功能，4 .接收和执行中央处理器命令的功能，5 .中断管理功能，6 .可编程功能，7 .返回外围状态的功能，8 .数据宽度和数据格式转换功能，1 .接口电路中通常提供数据缓冲功能、数据寄存器或锁存数据端口，以解决高速主机和低速外围设备之间的速度匹配问题，并避免由于主机和外围设备之间的速度不匹配而导致的数据丢失。2.端口选择功能。微型计算机系统中有许多外围设备，但中央处理器在任何时候只能与一个端口交换信息，因此该端口需要由接口的地址解码电路来寻址。3。信号转换功能。外围设备提供的数据、状态和控制信号可能与微机总线信号不兼容，因此接口电路应进行相应的信号转换。4.接收和执行中央处理器命令的功能。外围设备的中央处理器控制命令通常以代码形式输出到接口电路的控制端口。接口电路识别和分析命令代码，将它们分解成若干控制信号，传送给输入/输出设备，并产生相应的特定操作。5.中断管理功能。当外围设备需要由中央处理器及时服务时，特别是当故障需要由中央处理器立即处理时，需要在接口中设置中断控制器，以方便中央处理器处理相关的中断事务(如中断请求、中断优先级排队、中断向量提供等)。)。可编程功能，由于输入/输出接口电路主要由可编程接口芯片组成，只要修改接口驱动程序而不改变硬件电路，就有可能改变接口的工作模式，从而提高系统的性能“忙”、“空闲”、“就绪”、“未就绪”、“满”、“空”、“溢出错误”、“格式错误”和其他接口通常配备有状态寄存器，称为“状态端口”。状态信号以状态码的形式存储在接口电路的状态寄存器中。中央处理器从状态端口读取状态信息，供中央处理器进行判断和处理。8。数据宽度和数据格式转换功能。CPU处理并行数据，而一些外设只能处理串行数据。该接口应具有数据“并行到串行”和“串行到并行”转换能力。当中央处理器与一些外围设备交换数据时，需要按照一定的数据格式进行传输，所以数据格式转换是在中央处理器和通信设备之间进行的。返回，5.1.4接口的基本结构，1。端口2。地址解码电路3。数据缓冲器和锁存器，1。端口、输入/输出接口通常配有几个寄存器，用于临时存储在中央处理器和外围设备之间传输的数据、状态和控制信息。通常有三种类型的寄存器，即数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器。接口内的寄存器通常称为端口。根据寄存器中临时存储信息的类型，分别称为数据端口、控制端口和状态端口。每个端口都有一个独立的地址。中央处理器可以使用端口地址码来区分不同的端口，并分别读写它们。地址译码电路，由译码器或其它能实现译码功能的芯片组成。它的功能是选择设备，是界面不可缺少的一部分。这部分电路不包含在集成接口芯片中，应由用户自己设计。在微机系统的数据总线上，数据缓冲器和锁存器与许多能向中央处理器发送数据的设备相连，如内存、外围设备的数据输入端口等。为了在系统数据总线的信号传输中不引起“信息冲突”，所有这些连接到系统数据总线的设备都需要具有三态输出的功能。换句话说，当中央处理器选择设备时，它可以向系统数据总线发送数据信号，而在其他时间，它的输出必须处于高阻抗状态。为此，所有接口的输入端口必须通过三态缓冲器连接到系统数据总线。返回，5.2输入/输出端口及其寻址模式，5.2.1输入/输出端口5 . 2 . 2输入/输出端口寻址模式5 . 2 . 3输入/输出端口地址分配，返回，5.2.1输入/输出端口，端口是接口电路中可由中央处理器直接访问的寄存器的地址。计算机为接口电路中的每个寄存器分配一个端口。因此，当访问这些寄存器时，中央处理器只需要指出它们的端口，而不是什么寄存器。中央处理器在数据端口上执行读或写操作，即，连接到接口的外围设备执行数据传输，并且中央处理器在状态端口上执行读操作以获得外围设备或接口本身的状态代码。中央处理器将多个位控制代码写入控制端口，这意味着向接口或外设发出控制命令，要求接口或外设按照指定的要求工作，并返回到5.2.2I/O端口的寻址模式。1端口地址和存储器地址以统一的方式寻址，也称为存储器映射方法2I/O端口地址和存储器地址被分别且独立地寻址，也称为输入/输出映射方法，1统一的寻址方法，将一部分地址空间从存储器空间划分到输入/输出设备，将输入/输出接口中的端口作为存储器单元来访问，并且不设置特殊的输入/输出指令。优点：访问输入输出端口可以实现输入输出操作，还可以进行算术逻辑运算、移位等。港口内容；可以给端口一个更大的寻址空间，这对大型控制系统和数据通信系统具有重要意义；缺点：端口占用内存的地址空间，使得内存容量小；指令长度比特殊的输入输出指令长，所以执行速度较慢。独立寻址模式输入/输出端口地址空间和内存地址空间是独立和分开的，即输入/输出端口地址不占用内存地址空间。优点：输入输出端口地址不占用内存空间；特殊输入/输出指令用于操作端口。输入/输出指令执行起来既短又快。此外，由于特殊输入/输出指令和内存访问指令之间的明显区别，程序中的输入/输出操作和内存操作层次清晰，可读性高。缺点在这种寻址模式中，微处理器使用不同的控制线来选择存储器和输入/输出端口，因此接口电路更加复杂。如图所示，地址总线A19-A0用于访问存储单元。经过完全解码后，00000小时快速跳频总共获得1MB的地址空间。仅使用地址线的一部分，即A15-A0地址线，输入/输出端口就可以为0000 FFFH转换总共64KB的输入/输出端口地址。由于端口与内存隔离，用户可以将内存扩展到最大容量。而不给输入/输出端口留下地址空间。返回，5 . 2 . 3输入/输出端口地址分配。表5-1中分配给每个接口芯片的输入/输出端口地址在实际使用中没有得到充分利用。中断控制器8259A仅使用前2个端口地址，20H，21H(主)和A0H，A1H(从)。并行接口芯片8255A仅使用前4个端口地址60H63H。使用最多端口地址的DMA控制芯片8237A也只使用前16个地址(0 FH)。表5-2扩展槽上接口控制卡的端口地址。从表5-2可以看出，用户允许的端口地址为300小时 310小时。这部分地址是为用户在开发IBM-PC系列机器的功能模块(插板)时预留的，系统不会占用它。除了表5-1和表5-2中已经分配的输入/输出地址外，其余地址由制造商保留使用。I/O端口地址选择原则，系统配置占用的任何地址都不能使用。原则上，用户可以选择未被占用的地址，但不