第3章节(1)--IO地址译码(1).ppt

第3章基本的I/O接口,本章内容提要:什么叫接口技术?接口具有哪些功能?接口与CPU如何交换数据?I/O端口及其编址方式I/O地址译码电路原理,3.1I/O接口概述,一、接口（Interface）就是CPU与外界的连接电路,或者说是与外界进行信息交换的界面。,CPU,接口,I/O设备,I/O设备:键盘、显示器、打印机、硬盘、光驱、控制设备、测量设备、通讯设备,接口：硬件支撑作用；软件驱动控制。,什么叫接口技术？采用硬件与软件相结合的方法，研究微处理器如何与外界进行最佳连接，实现高效可靠的信息交换的一门技术。,举例:,为什么要引入接口?微机和I/O设备的信息类型和格式可能不一样。微机和I/O设备信号传输处理的速度可能不匹配。不用接口，I/O直接接CPU，随着外设增加，会大大降低CPU的效率。I/O直接接CPU，会使外设硬件结构过于依赖CPU，对外设本身发展不利。,I/O设备与I/O接口I/O接口受CPU控制，I/O设备受I/O接口控制。为增加通用性，I/O接口的接口电路一般均具有可编程功能。微机的应用离不开与外部设备接口的设计、选用和连接。,说明:,2.接口组成,(1)接口硬件,(2)接口软件（设备驱动程序）初始化程序段：设置接口工作方式及初始条件。传送方式处理程序段：CPU针对不同的I/O设备有不同的处理方式。主控程序段：完成接口任务的程序。程序终止与退出程序段：接口电路硬件保护及操作系统中数据恢复。辅助程序段：提供人-机对话手段。,数据缓冲功能：通过寄存器或锁存器实现。存放数据的寄存器或锁存器称之为数据口。接受和执行CPU命令功能：存放CPU命令代码的寄存器称之为命令口，存放执行状态信息的寄存器称之为状态口。设备选择功能：CPU通过地址译码选择不同外设。即CPU通过地址译码选择不同I/O接口。信号转换功能：协调总线信号与I/O设备信号。转换包括信号的逻辑关系、时序配合和电平转换。可编程功能：增加接口的灵活性和智能性。,3、接口的功能,1、接口信息数据信息：如:数字量、模拟量、开关量；状态信息：表示外设是否准备好信号。如：READY、BUSY、ACK控制信息:表示启动、停止外设之类的信号.(STROBE),3.1.1CPU与I/O之间的接口信息,一、I/O端口1.接口电路中的端口是能被CPU直接存取访问的寄存器。2.CPU通过端口地址向接口电路中的寄存器发送命令，读取状态和传送数据。3.一个接口可以有几个端口。如命令口、状态口和数据口，分别对应于命令寄存器、状态寄存器和数据寄存器。,3.1.2I/O端口及其访问方式,CPU对I/O端口的访问,举例:,1.统一编址从存储器空间划出一部分地址空间给I/O设备，把I/O接口中的端口当作存储器单元一样进行访问。优点：不设置专门的I/O指令,指令类型多，功能齐全。缺点：1、占用了存储器的地址空间，使存储器容量减小。2、另外指令长度比专门I/O指令要长，因而执行速度较慢。,3.1.3I/O端口的编址方式,2.独立编址,这种方式是接口中的端口地址单独编址，而不与存储空间合一起。如：IBM-PC系列、Z-80系列机主要优点：1、I/O端口地址不占用存储器空间；2、I/O指令短，执行速度快；3、I/O操作和存储器操作层次清晰，程序的可读性强。,3、Intel系列微机I/O编址Intel系列微处理器支持I/O独立编址方式和I/O统一编址（存储器映象编址）方式。I/O统一编址时，I/O地址不能缓存。Intel系列微机系统仅支持I/O独立编址方式。,1.I/O指令中端口地址的宽度IBM-PC系列采用I/O(input/output)指令访问端口，实现数据的I/O传送。在I/O指令中可采用单字节地址或双字节地址寻址方式。单字节地址指令其指令格式为：INAL,PORT；输入OUTPORT,AL；输出这里，PORT是一个8位的字节地址，则最多可访问256个端口。例如：INAL,60H；60H为系统板8255A的PA端口地址OUT61H,AL；61H为系统板8255A的PB端口地址,三、独立编址方式的端口访问,双字节地址作为端口地址MOVDX,HINAL,DX；8位传送MOVDX,HOUTDX,AL；8位传送这里，H为16位的两字节地址。则最多可寻址216=64K个端口。例如：MOVDX,300H;300H为扩展板8255A的PA端口INAL,DXMOVDX,301H;301H为扩展板8255A的PB端口OUTDX,AL,所谓对端口的访问就是CPU对端口的读/写，将端口的数据传送存储器。例如：输入时MOVDX,300H;I/O端口INAL,DX;从端口读数据到ALMOVDI,AL;将数据从AL存储器输出时MOVDX,301H;I/O端口MOVAL,SI;从内存取数到ALOUTDX,AL;数据从AL端口,2.I/O端口访问,C语言有强大的I/O操作功能,利用c语言可方便地设计操作界面,同时也可以对外设进行直接控制.I/O命令端口输出outportb(port,value)/从port端口输出字节型数据valueoutportw(port,value)/从port端口输出字型数据value端口输入:Value=inportb(port)/从port端口输入字节型数据,并存储在value变量中;Value=inportw(port)/从port端口输入字型数据,并存储在value变量中;注意:PASCAL语言,TurboC语言都有类似的I/o命令.,3.C语言I/O语句,3.2I/O数据传输方式,无条件传送方式（同步传送）条件传送方式（查询方式）；中断传送方式直接存储器存取(DMA)传送方式,条件是己知的情况;外部设备是准备好的;不用查询外设的状态信息;直接使用IN或OUT指令完成数据传送,一、无条件传送方式（同步传送）,(a)无条件输入,8位,(b)无条件输出,先查询外设的状态信息是否准备好;准备好,就传送数据;否则,继续查询.,二、条件传送方式（查询方式）,三、中断传送方式,由外设向CPU发出中断请求；CPU暂停原程序执行，转入中断服务；完成后返回原程序继续执行。,优点：CPU不用等待外设，提高CPU的利用率。,四、DMA传送方式,由外设与计算机内存直接进行数据交换，而不是通过CPU，即DMA传送；在DMA传送期间，DMA控制器接管了总线控制权，而CPU处在停机方式，即处于等待状态；在DMA传送完成后，CPU再恢复对总线的控制权，进入工作状态。,3.3I/O端口地址分配及地址译码,一、I/O接口硬件分类I/O接口的硬件分成两类：1.系统板上的I/O芯片如：定时/计数器、中断控制器、DMA控制器,并行接口等。2.I/O扩展槽上的接口控制卡如：软驱卡、硬驱卡、图形卡、声卡、打印卡、串行通信卡等。,表3.1系统板上接口芯片的端口地址,I/O芯片名称端口地址DMA控制器100001FHDMA控制器20C00DFHDMA页面寄存器08009FH中断控制器102003FH中断控制器20A00BFH定时器04005FH并行接口芯片（键盘接口）06006FHRT/CMOSRAM07007FH协处理器0F00FFH,表3.2扩展槽上接口控制卡的端口地址,I/0接口名称端口地址游戏控制卡20020FH并行口控制卡137037FH并行口控制卡227027FH串行口控制卡13F83FFH串行口控制卡22F02FFH原型插件板（用户可用）30031FH同步通信卡13A03AFH同步通信卡238038FH单显MDA3B03BFH彩显CGA3D03DFH彩显EGG/VGA3C03CFH硬驱控制卡1F01FFH软驱控制卡3F03F7HPC网卡36036FH,二、I/O端口地址分配1.PC微机I/O地址线有16根，对应的I/O端口编址可达64K字节。2.其端口地址译码是采用非完全译码方式，即只考虑了低10位地址线A0A9，而没有考虑高6位地址线A10A15。3.I/0端口地址范围是0000H003FFH,总共只有1024个端口。三、I/O端口地址选用的原则凡是被系统配置占用了的地址一律不能使用；未被占用的地址，用户可以使用。但申明保留的地址，不要使用。用户可使用300H-31FH地址。,3.3.2I/O端口地址译码,一、I/O地址译码电路原理译码电路的输入信号I/O地址译码电路不仅仅与地址信号有关，而且与控制信号有关.例如，用AEN信号控制非DMA传送；用IOR_和IOW_信号控制对端口的读/写等。用I/OCS16信号控制8位或16位I/O端口,二、I/O地址译码电路中的地址线分配方法,高位地址线与CPU的控制信号进行组合，经译码电路产生I/O接口芯片CS的片选。低位地址线不参加译码，直接连到I/O接口芯片，进行I/O接口芯片的片内端口寻址，即寄存器寻址。,地址线00A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0控制片选片内端口寻址,1.固定式端口地址译码固定式是指接口中用到的端口地址不能更改。例1：设计I/O端口地址为2F8H的只读译码电路。分析：若要产生2F8H端口地址，则译码电路的输入地址线就应具有如表2.3所示的值。,三、I/O端口地址译码电路设计,固定式端口地址译码,例2：使用74LS138设计一个系统板上接口芯片的I/O端口地址译码电路，并且让每个接口芯片内部的端口数目为32个。分析：由于系统板上的I/O端口地址分配在0000FFH范围内，只使用低8位地址线。表3.4译码电路输入地址线的值地址线00A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0位功能控制片选片内端口寻址十六进制0H07H01FH,I/O芯片名称端口地址DMA控制器100001FHDMA控制器20C00DFHDMA页面寄存器08009FH中断控制器102003FH中断控制器20A00BFH定时器04005FH并行接口芯片（键盘接口）06006FHRT/CMOSRAM07007FH协处理器0F00FFH,74LS138译码电路,多端口地址译码电路,00A9A8A7A6A5.00000000100010000110:,2.可选式端口地址译码例3：设计扩展板上的I/O端口地址译码电路，要求让扩展板上每个接口芯片的内部端口数目为4个，并且，端口地址可选。例如，选择地址范围为300H31FH.分析：对于DIP开关，有两种状态：合（ON）和断（OFF）。对于比较器有两点要考虑，一是比较的对象，二是比较的结果。,I/O地址译码电路EDA设计,现在通过逻辑电路来实现一个简单的I/O译码电路实例，以系统的10位I/O地址(A0A9)的外设地址空间280H2BFH,en,硬件描述语言VHDL方法设计,libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entityiodecoderisport(a:instd_logic_vector(3to9);aen,iow,ior:instd_logic;y:outstd_logic_vector(7downto0);endentityiodecoder;,architectureiodecoder_bodyofiodecoderissignalen:std_logic;signaly_temp:std_logic_vector(7downto0);beginy_temp(7downto0)=11111110“whena(3to5)=000else11111101whena(3to5)=100else11111011whena(3to5)=010else11110111whena(3to5)=110else11101111whena(3to5)=001else11011111whena(3to5)=101else10111111whena(3to5)=