第4章 输入输出接口技术.ppt

第4章I/O接口技术,4.1概述4.2串行接口4.3并行接口,4.1概述,接口电路是介于主机和外设之间、起缓冲、转换和匹配作用的电路。它负责协调CPU与外设之间的数据传送。,接口在CPU与外设之间,常见接口,PS2鼠标,PS2键盘,千兆网,10/100M网卡,USB,并行口,MIDI/游戏接口,显示器接口,1394,1394a,音箱/线入接口/麦克风,串行口,4.1概述,接口是指计算机中两个不同部件之间的电路和软件。,一、接口结构和功能,接口通常包括数据端口、状态端口和控制端口。,4.1概述,（2）状态端口：外设当前的状态信息，便于CPU测试。,（1）数据端口：传送数据信息，起缓冲器的作用。,按一次传送数据的位数可分为：串行传送：逐位分别传送。并行传送：多位同时传送。,CPU只能读取状态信息，不能改写。,（3）控制端口：暂存CPU发出的控制命令。,控制信息只能由CPU发出，不能由外设发出。,4.1概述,为什么要接口电路?,外部设备种类繁多，从工作原理来讲，可分为机械式、电动式、电子式和其它形式等几类。它们对所传输的信息的要求也各不相同，这就给计算机和外设之间的信息交换带来以下一些问题：(1)速度不匹配：CPU的速度很高，而外设的速度要低得多，而且不同的外设速度差异甚大，它们之中既有每秒钟能传送兆位数量级的硬磁盘，也有每秒钟只能打印百位字符的串行打印机或速度更慢的键盘。,4.1概述,为什么要接口电路?,(2)信号电平不匹配：CPU所使用的信号都是TTL电平，而外设大多是复杂的机电设备，往往不能用TTL电平所驱动，必须有自己的电源系统和信号电平。(3)信号格式不匹配：CPU系统总线上传送的通常是8位、16位或32位的并行数据，而各种外设使用的信息格式各不相同。有些设备上用的是模拟量，而有些是数字量或开关量；有些设备上的信息是电流量，而有些却是电压量，有些设备采用串行方式传送数据，而有些则用并行方式。(4)时序不匹配：各种外设都有自己的定时和控制逻辑，与计算机的CPU时序不一致。,(1)数据格式转换功能(串/并转换)(2)联络功能(协调数据传送的状态信息)(3)速度匹配功能（缓冲、定时和控制）(4)电平转换功能（TTL、RS232）(5)负载匹配功能（驱动和功率放大）,接口功能,4.1概述,概念I/O端口:是接口电路中CPU能访问的寄存器。I/O端口地址:为了区分不同的外设接口，微机系统为外设的每个寄存器进行了编号（即分配地址），又称端口号。I/O操作:CPU对I/O接口电路(与设备相关)的操作。不是访问I/O设备。端口编址方式两种方式统一编址：将存储单元与I/O端口统一编址。独立编址：将存储单元与I/O端口各自独立编址。,二、端口的编址,4.1概述,独立编址,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,4.1概述,统一编址,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（不易分清访问内存和访问外设）,4.1概述,三、CPU与外设的数据传送方式,4.1概述,程序控制方式：CPU与外设的输入/输出数据传送完全由程序控制。,1、无条件传送方式,又称同步传送方式。传送过程：外设已准备好，不查询外设的状态输入时，外设的数据已送到三态缓冲器。输出时，CPU的输出信息已送到输出锁存器的输入端。用途：用于简单外设，外部动作时间固定且已知开关LED显示器,4.1概述,选中地址,数据,写信号,读信号,输出端口,无条件传送,输入端口,1、无条件传送方式,4.1概述,查询式数据传送过程3个环节：查询状态环节CPU寻址状态口，读取状态字检测是否满足“就绪”条件如果不满足，回到第一步读取状态字数据传送环节外设已处于“就绪”状态，寻址数据口是输入，通过输入指令从数据端口读入数据是输出，通过输出指令向数据端口输出数据特点：工作可靠，适用面宽，但传送效率低,2、查询传送方式：又称异步传送方式。,4.1概述,1）查询输入：CPU查询外设状态是否准备好（就绪）,准备好,执行输入;否则等待。,2、查询传送方式,4.1概述,2）查询输出：CPU查询外设状态是否忙,不忙,执行输出;否则等待。,2、查询传送方式,4.1概述,4.1概述,当系统中有多个外设时查询方式如何工作？,2、查询传送方式,4.1概述,轮询方式,优点：接口电路和程序设计都较为简单，容易实现。缺点：CPU外设不能并行工作，CPU的效率低，外设得不到及时响应。适用场合：这种传送方式适用于一般工作速度较慢的外设，特别是外设数量不多，实时性要求不高的场合。,2、查询传送方式,4.1概述,原理在每次外设准备好或空闲时，主动向CPU发出中断请求，以示要传送数据，CPU响应该请求后，执行中断服务程序，实现与外设的数据传送。,3、中断传送方式,4.1概述,中断过程大致分为：中断请求：由需要提供中断服务的设备提出；中断响应：CPU给设备发出一个中断应答信号；现场保护：保护执行中断服务程序前的各种信息；执行中断服务程序：完成特定的操作；恢复现场：恢复执行中断服务程序前的各种信息；中断返回：返回到主程序,3、中断传送方式,4.1概述,3、中断传送方式,4.1概述,3、中断传送方式,4.1概述,4.1概述,优点：系统的工作效率高，CPU、I/O设备可以并行工作，外设可以主动向CPU请求，能够得到CPU的及时响应。缺点：接口电路比较复杂；每次传送数据，CPU都要做许多额外的工作，传送速度仍然不是很快。适用场合：这种方式适用于一般工作速度不是很快的外设，特别是实时控制、检测场合。,3、中断传送方式,4.1概述,4、直接存储器存取方式（DMA）(DirectMemoryAccess),希望克服程序控制传送和中断传送的不足,CPU,外设,存储器,数据,数据,用专用接口直接数据传送,4.1概述,4.1概述,DMAC的功能有哪些？,能接受外设的请求，并能向CPU发DMA请求信号；CPU接到DMA请求信号，如果允许，CPU发DMA响应信号，DMA控制器接管总线，进入DMA方式；能寻址存储器，并修改地址；能向外设发读/写信号；能控制传送的字节数，判断DMA是否结束；DMA结束时，能向CPU发出结束信号，将总线控制权交还CPU。,4.1概述,4.1概述,几种数据传送方式特点？,无条件传送：慢速外设需与CPU保持同步。查询传送：简单实用，效率较低。中断传送：外设主动，可与CPU并行工作，但中断服务保护现场等需要额外时间开销，还需要硬件开销进行中断管理。DMA传送：无需软件介入，DMAC控制，外设直接和存储器进行数据传送，适合大量、快速数据传送，需要硬件开销。,4.1概述,4.2串行接口,数据在单条传输线上，一位接一位地按顺序传送的方式称为串行通信。串行通信方式用于远程通信。串行通信主要优点是节省通信线路，但具有数据传输效率低的特点。串行通信适合于远距离传送，可以从几米到数千公里。对于长距离、低速率的通信，通常采用串行通信。,串行接口与输入输出设备之间以串行方式传送数据，与CPU之间以并行方式传送数据。,CPU,串行接口,外部设备,串行,并行,4.2串行接口,功能1实现串行和并行数据格式之间的转换。,功能2实现数据缓冲功能。,功能3控制功能。接收CPU的命令，输出接口的状态等。,串行接口的基本功能如下：,4.2串行接口,一、串行传输方式,在串行通信中,发送端发送数据时,一位一位往外发送,没有问题,问题是接收端,一根线传送过来的信息0110110表示什么意思?不知道.所以发、收双方一定要有约定。1、接收方怎么知道数据传送的开始和结束？2、接收方怎么判断所接收数据的正确性。所以，串行通信中，如何使收发双方同步工作是关键。,为了实现同步，互相通信的双方必须就数据传输方式、同步控制方式、差错处理、应答方式和信号格式等问题作出共同遵守的一组规定，这种规定称为通信协议。常用的串行通信中数据传输的同步方法有2种，即异步方式和同步方式，相应的有异步通信协议和同步通信协议。,4.2串行接口,1、异步通信：非同步通信或不同步通信,异步方式通信是以字符为单位进行传输的，字符之间没有固定的时间间隔要求。收、发双方取得同步的方法是采用在字符格式中设置起始位和停止位。在一个有效字符正式发送前，发送器先发送一个起始位，然后发送有效字符位，在字符结束时再发送一个停止位，起始位至停止位构成一帧。串行异步通信以帧为基本单位发送和接收信息。一帧由起始位、字符、奇偶校验位、停止位组成。,4.2串行接口,奇偶校验的基本原理,利用信息位中“1”的个数的奇偶性来达到检验目的的编码称为奇偶校验码。使整个信息位“1”的个数为奇数的编码叫奇校验码；而使整个信息位“1”的个数为偶数的编码叫偶校验码。附加的信息位称为奇偶校验位，简称校验位。需要传送的数据位本身称为有效信息位。,在所传输的有效数据中附加冗余位（即检验位），使整个信息位（包括有效位和检验位）中“1”的个数具有奇数或偶数的特性。整个信息位经过线路传输后，若原来所具有的“1”的个数的奇偶性发生了变化，则说明出现了传输错误，可由专门的检测电路检测出来。,4.2串行接口,有效信息位是1011101，采用偶校验，则附加的校验位是1。最后得到的信息是10111011,有效信息位是1011011，采用奇校验，则附加的校验位是0。最后得到的信息是10110110,例1,例2,4.2串行接口,起始位每个字符开始传送的标志，起始位采用逻辑0电平,数据位数据位紧跟着起始位传送。由58个二进制位组成，低位先传送,校验位用于校验是否传送正确；可选择奇检验、偶校验或不传送校验位,停止位表示该字符传送结束。停止位采用逻辑1电平，可选择1、1.5或2位,空闲位传送字符之间的逻辑1电平，表示没有进行传送,4.2串行接口,比如ASCII字符A,二进制是01000001(8位)，它们在起始位和2位停止位之间传送，并使用了1位奇偶校验位。,4.2串行接口,串行接口的工作过程,接收,发送,串行接口将CPU送来的并行数据转换成串行数据，并对有效数据“包装”，即加上起始位、奇偶校验位和停止位，再发送出去。,发送数据,接收数据,串行接口将串行输入的数据转换成并行数据，同样要对有效数据进行处理（去掉起始位、奇偶校验位和停止位），然后等待CPU取走。,4.2串行接口,波特率（Baud）,数据传输率,数据传输率是指单位时间内传输的信息量，可用波特率来表示。,单位时间内传送的二进制数据的位数，以位/秒（b/s）表示，也称为数据位率。它是衡量串行通信速率的重要指标。常用波特率：1200、2400、4800、9600,4.2串行接口,例题：异步传输7位ASCII码，如果需要数据传输速率为240字符/秒，使用1位奇偶校验位和1位停止位，则：1）波特率应该是多少？2）有效数据位传输位是多少？3）传输效率是多少？,1）波特率=(7位数据位+1位起始位+1位校验位+1位停止位）240=2400b/s2）有效数据位传输位：7240=1680b/s3）传输效率：1680/2400=70%,4.2串行接口,异步通信的特点,由于存在附加信息位（属于额外开销），使通信效率降低。,4.2串行接口,适用场合：信息量不大、传送速度要求较低。,2、同步通信,要求对传送数据的每一位都必须在收、发两端严格保持同步，即所谓“位同步”。因此，收、发两端需用同一个时钟源作为时钟信号。,没有起始位和停止位，发送收、发双方约定的同步字符。,(4)传输效率高，波特率达几十万bps，适合于快速、大量数据的传送。,4.2串行接口,(3)需传送同步信号，设备较复杂。,2、同步通信,外同步法：用一条专用线来传递同步字符。,内同步法：发送方先发送1-2个同步字符，再传送数据块；接收方检测到同步字符后接收数据。故又分为单同步和双同步。,4.2串行接口,二、串行传送方向,单工（simplex）单向传送、一根线,2.半双工（half-duplex）交替双向传送、一根线,3.全双工（full-duplex）同时双向传送、两根线,4.2串行接口,3、RS-232C串行通信标准,EIAElectronicIndustryAssociation，美国电子工业协会RSRecommendedstandard，推荐标准232标识号CRS232的最新一次修改,EIA-RS-232C,全称,4.2串行接口,RS-232C串行通信标准定义说明：,当初制定此标准的目的是为了使不同厂家生产的设备能达到接插的“兼容性”。也就是说不同厂家所生产的设备，只要它们都有具有RS-232C标准接口，则不需要任何转换电路，就可以互相插接起来。这个标准仅保证硬件兼容而没有软件兼容。此外，用它进行数据传输时，由于线路的损耗和噪声干扰，传输距离一般不超过15m。通常两计算机的近距离通信可以通过RS-232C标准接口连接起来。,RS-232C标准包括机械特性和电气特性。,4.2串行接口,（1）电气特性,RS-232C串行通信标准,RS-232电平或EIA电平,逻辑1（MARK）=-3V-15V逻辑0（SPACE）=+315V,在TxD和RxD上,信号有效（接通，ON状态，正电压）=+3V+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V-15V,在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等联络控制线上,4.2串行接口,（1）电气特性,TTL-EIA电平转换,为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。,集成转换器件TTLEIAMC1488、SN75150EIATTLMC1489、SN75154TTLEIAMAX232,232C接口采用EIA电平高电平为3V15V低电平为3V15V,标准TTL电平高电平：2.4V5V低电平：0V0.4V,相互转换,4.2串行接口,（2）机械特性,DB-25,异步通信的9个电压信号（含信号地SG）：2，3，4，5，6，7，8，20，2220mA电流环信号9个：12，13，14，15，16，17，19,23，24空引脚6个：9，10，11，18，21，25保护地（PE）1个，作为设备接地端：1,4.2串行接口,DB-9,AT机以后使用DB-9连接器，作为提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2两个串行接口的连接器。它只提供异步通信的9个信号。,DB-9型连接器的引脚分配与DB-25型引脚信号完全不同。,4.2串行接口,引脚功能,常用的只有9根,DTE：数据终端设备,DCE：数据通信设备,4.2串行接口,TxD：发送数据串行数据的发送端RxD：接收数据串行数据的接收端,4.2串行接口,RTS：请求发送当数据终端设备准备好送出数据时，就发出有效的RTS信号，用于通知数据通信设备准备接收数据CTS：清除发送（允许发送）（请求响应）当数据通信设备已准备好接收数据终端设备的传送数据时，发出CTS有效信号来响应RTS信号RTS和CTS是数据终端设备与数据通信设备间一对用于数据发送的联络信号（握手信号）。,4.2串行接口,DTR：数据终端准备好通常当数据终端设备一加电，该信号就有效，表明数据终端设备准备就绪DSR：数据装置准备好通常表示数据通信设备（即数据装置）已接通电源连到通信线路上，并处在数据传输方式DTR和DSR也可用做数据终端设备与数据通信设备间的联络信号，表示设备的状态。,4.2串行接口,SG：信号地为所有的信号提供一个公共的参考电平DCD：载波检测（DCD）当本地调制解调器接收到来自对方的载波信号时，该引脚向数据终端设备提供有效信号RI：振铃指示当调制解调器接收到对方的拨号信号期间，该引脚信号作为电话铃响的指示、保持有效,4.2串行接口,零Modem的最简连线（3线制）,微机利用232C接口直接连接进行短距离通信。这种连接不使用调制解调器，所以被称为零调制解调器（NullModem）连接。,4.2串行接口,RS-232接口不足之处,4.2串行接口,（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率最高为20Kbps。（3）接口使用一根信