微机接口技术概述

1、第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述第第1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述v1.1 微机接口的基本概念微机接口的基本概念 v1.2 微机接口的基本结构微机接口的基本结构 v1.3 处理器与外设之间的数据传送方式处理器与外设之间的数据传送方式v1.4 输入输入/输出接口的编址方式输出接口的编址方式v1.5 pc系列机系列机i/o接口地址配置及地址译码接口地址配置及地址译码第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述1.1 微机接口的基本概念微机接口的基本概念 1.1.1 微型计算机系统结构微型计算机系统结构 通用的微型计算机硬件系统是由中央处理器、通用的微型计算机硬件系统是

2、由中央处理器、存储器、存储器、i/o（输入（输入/输出）设备及其接口电路组成。输出）设备及其接口电路组成。处理器由运算器、控制器和寄存器三部分组成。处理器由运算器、控制器和寄存器三部分组成。cpu通过数据总线、地址总线和控制总线与其他部件之间通过数据总线、地址总线和控制总线与其他部件之间进行联系。进行联系。 （如图所示）。（如图所示）。 第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述微机系统结构示意图微机系统结构示意图 数据总线（数据总线（db） 控制部线（控制部线（cb） 地址总线（地址总线（ab） 中央中央 处理器处理器 cpu 内存储器内存储器 i/o 接口接口 i/o 接口接口 i/

3、o 设备设备 i/o 设备设备 第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述总线按其传输的信号分为总线按其传输的信号分为 ：1数据总线数据总线db（data bus）数据总线用于数据总线用于cpu与其与其他部件之间传送信息，具有三态控制功能，且是他部件之间传送信息，具有三态控制功能，且是双向的。双向的。 2地址总线地址总线ab（address bus）地址总线用于传送地址总线用于传送cpu要访问的存储单元或要访问的存储单元或i/o接口的地址信号。接口的地址信号。 3控制总线控制总线cb（control bus）控制总线是连接控制总线是连接cpu的控制部件和内存、的控制部件和内存、i/o设备

4、等，用来控制内设备等，用来控制内存和存和i/o设备的全部工作。设备的全部工作。第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述1.1.2 微机接口的概念微机接口的概念 v 外部设备种类繁多，其工作原理、工作速度、外部设备种类繁多，其工作原理、工作速度、采用的信号形式、数据传送形式不同。由于种种的采用的信号形式、数据传送形式不同。由于种种的多样性，外设不能直接连在系统总线上多样性，外设不能直接连在系统总线上;v 不用接口，不用接口， i/o直接接直接接cpu，随着外设增加，会，随着外设增加，会大大降低大大降低cpu的效率。的效率。v i/o直接接直接接cpu，会使外设硬件结构过于依赖，会使外设硬

5、件结构过于依赖cpu，对外设本身发展不利。，对外设本身发展不利。第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述1.1.3 接口的功能接口的功能 概括说接口将外设送来的信息，变换成计算机能概括说接口将外设送来的信息，变换成计算机能接受的信息，并根据接受的信息，并根据cpu的要求对外设进行管理和的要求对外设进行管理和控制。控制。 1、数据缓冲及转换功能；、数据缓冲及转换功能； 通过寄存器或锁存器实现。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存放数据的寄存器或锁存器称之为 第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述 2、设备选择

6、和寻址功能；、设备选择和寻址功能；cpu接口接口1接口接口2接口接口3外设外设1外设外设2外设外设3 寻址功能就是接口芯片及芯片内部寻址功能就是接口芯片及芯片内部i/o端口能够被端口能够被cpu选中。选中。 cpu通过接口的地址译码功能对外设进行寻址。通过接口的地址译码功能对外设进行寻址。 第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述 3、联络功能；、联络功能； 提供状态信息，具备握手信号提供状态信息，具备握手信号 存放执行状态信息的寄存器称之为存放执行状态信息的寄存器称之为 4、接收、解释并执行、接收、解释并执行cpu命令；命令； 存放存放cpu命令代码的寄存器称之为命令代码的寄存器称之

7、为 5、中断管理功能；、中断管理功能； 6、可编程功能；、可编程功能； 增加接口的灵活性和智能性。增加接口的灵活性和智能性。 7、错误检测功能；、错误检测功能；第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述1.1.4 接口技术的现状及发展趋势接口技术的现状及发展趋势早期：小规模集成电路构成的简单逻辑电路早期：小规模集成电路构成的简单逻辑电路目前：大规模集成电路，有自己的微处理器和内部目前：大规模集成电路，有自己的微处理器和内部 总线，采用大规模、超大规模集成电路，向组总线，采用大规模、超大规模集成电路，向组 合化方向发展，成为接口电路芯片组。合化方向发展，成为接口电路芯片组。1、专业化：、专

8、业化：2、复杂化：、复杂化：3、智能化：芯片本身有微处理器，可编程的、智能化：芯片本身有微处理器，可编程的4、组合化：多种接口功能组合在一个接口芯片组中、组合化：多种接口功能组合在一个接口芯片组中第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述1.1.5 常用外围接口芯片常用外围接口芯片v 并行并行i/o接口芯片：接口芯片：8155a 8255av 串行串行i/o接口芯片：接口芯片：8250 8251av 定时器定时器/计数器芯片：计数器芯片：8253 8254v dma控制器：控制器： 8237av 中断控制器：中断控制器： 8259av 键盘键盘/led专用控制器：专用控制器： 8279v

9、 crt控制器：控制器： 6845 8275v a/d d/a转换器转换器 adc0809 dac0832等等第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述总线驱动总线驱动地址译码地址译码控制逻辑控制逻辑 数据数据 寄存器寄存器 控制控制 寄存器寄存器 状态状态 寄存器寄存器数据总线 外部输入输出设备外部输入输出设备 控制总线状态总线1.2 微机接口基本结构微机接口基本结构 第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述 每个接口部件包含一组寄存器，每个接口部件包含一组寄存器，cpu与外设进行与外设进行数据传输时，各种信息在接口中进入不同的寄

10、存器，数据传输时，各种信息在接口中进入不同的寄存器，一般称这些寄存器为一般称这些寄存器为i/o端口。端口。 1数据寄存器（数据端口）数据寄存器（数据端口） 在在cpu与外设的数据传输中起缓冲作用。根据外与外设的数据传输中起缓冲作用。根据外设是输入设备或输出设备，该端口是只读、只写或可设是输入设备或输出设备，该端口是只读、只写或可读写的。读写的。第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述 2状态寄存器（状态端口）状态寄存器（状态端口） 存放外设或接口部件本身的状态，存放外设或接口部件本身的状态，cpu通过对状通过对状态端口的访问可检测外设或端口的状态。该端口一般态端口的访问可检测外设或端口

11、的状态。该端口一般是只读的。是只读的。 3控制寄存器（控制端口）控制寄存器（控制端口） 存放存放cpu发出的控制信息，以控制接口和外设按发出的控制信息，以控制接口和外设按要求动作。该端口一般是只写的。要求动作。该端口一般是只写的。 cpu与外设的输入与外设的输入/输出操作实际上就是输出操作实际上就是cpu对接口对接口的的i/o端口的读端口的读/写操作。写操作。第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述设置接口工作方式及初始条件。设置接口工作方式及初始条件。 cpu针对不同的针对不同的i/o设备有不同的处理方式。如设置设备有不同的处理方式。如设置 中断向量等。中断向量等。完成接口任务的程序

12、。完成接口任务的程序。对接口电路硬件保护及操作系统中数据恢复。对接口电路硬件保护及操作系统中数据恢复。提供人提供人-机对话手段。机对话手段。第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述1.3 cpu与外设之间数据传送方式与外设之间数据传送方式 1.3.1 程序控制方式程序控制方式 1、无条件传送、无条件传送特点：特点：cpu不查询外设的状态直接进行信息传输，不查询外设的状态直接进行信息传输，in时假设外时假设外 设已准备好，设已准备好，out时假设外设空闲；时假设外设空闲；要求：接口要求：接口in时加缓冲器，时加缓冲器，out时加锁存器；时加锁存器；应用：与低速应用：与低速i/o接口之间的

13、数据交换，数据保持时间相对于接口之间的数据交换，数据保持时间相对于 cpu的处理速度长的多。的处理速度长的多。 一般外设的操作时间是已知的，以保证每次传送时，外设一般外设的操作时间是已知的，以保证每次传送时，外设处于就绪状态，无条件传送容易出现数据处于就绪状态，无条件传送容易出现数据“冲突冲突”。第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述2、条件传送（程序查询方式）、条件传送（程序查询方式）特点：特点：cpu通过程序不断查询外设的状态，只有当外通过程序不断查询外设的状态，只有当外 设准备好时，才进行信息传输；设准备好时，才进行信息传输；要求：在接口电路中，除具有数据缓冲器和数据锁存要求：

14、在接口电路中，除具有数据缓冲器和数据锁存 器外，还需要有表示状态的硬件电路；器外，还需要有表示状态的硬件电路；应用：应用：第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述程序查询方式流程图程序查询方式流程图 n 准备就绪？ y n 超时？ y y y 对接口进行控制 与接口交换数据 置正常标志值 返回状态结束 置超时错标志 程序查询开始 读输入状态寄存器 第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述1.3.2 中断控制方式中断控制方式 特点：特点： 在中断传送方式下，当外设准备好时，就向在中断传送方式下，当外设准备好时，就向cpu发出中断请求，如发出中断请求，如cpu响应中断，响应中断，c

15、pu在当前指在当前指令执行结束后，令执行结束后，cpu在堆栈中保存下一条要执行指令在堆栈中保存下一条要执行指令（断点）的地址及程序状态寄存器的内容，然后转入相（断点）的地址及程序状态寄存器的内容，然后转入相应的中断服务程序，与外设进行一次数据传输。传输结应的中断服务程序，与外设进行一次数据传输。传输结束后，束后，cpu恢复标志并返回断点继续执行原程序。恢复标志并返回断点继续执行原程序。要求：接口中需要中断控制逻辑支持。要求：接口中需要中断控制逻辑支持。应用：适用于非高速度大量数据传送。应用：适用于非高速度大量数据传送。第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述1.3.3 直接存储器存取（

16、直接存储器存取（dma）方式）方式 特点：外设在专用的接口电路特点：外设在专用的接口电路dma控制器的控制下控制器的控制下直接和存储器进行高速数据传送，不经过直接和存储器进行高速数据传送，不经过cpu；要求：需要要求：需要dma控制器及控制器及相关逻辑支持相关逻辑支持应用：应用：可以满足高速可以满足高速i/o设备大量数据传送的需要。设备大量数据传送的需要。第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述典型的典型的dma传送流程图传送流程图 数据传送结束否？数据传送结束否？ 典型的典型的 dma传送流程图传送流程图 dma结束结束 cpu响应响应 dma请求交出总线控制权请求交出总线控制权 外

17、设通过外设通过 dmac向向 cpu提出提出 dma申请申请 从端口地址中读取数据从端口地址中读取数据 将数据写到目标口将数据写到目标口 修改地址指针修改地址指针 n 第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述1.3.4 i/o处理机（处理机（iop）方式）方式 特点：有专门用来处理输入特点：有专门用来处理输入/输出的协处理器，协处输出的协处理器，协处理器有自己的指令集、寻址能力和独立的理器有自己的指令集、寻址能力和独立的dma通道，通道，能完成数据的传送、控制及逻辑运算，能完成数据的传送、控制及逻辑运算，cpu能与能与i/o处理机并行工作；处理机并行工作；要求：要求：i/o处理机支持处

18、理机支持应用：高速应用：高速i/o归归io处理机管理，低速处理机管理，低速i/o设备归设备归cpu 管理。管理。第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述1.4 i/o接口的编址方式接口的编址方式 vi/o端口与内存统一编址方式端口与内存统一编址方式 vi/o端口与内存各自独立编址方式端口与内存各自独立编址方式 一个一个i/o接口芯片要包括若干个端口，如数据端接口芯片要包括若干个端口，如数据端口、命令端口、状态端口等。口、命令端口、状态端口等。i/o端口必须进行编址端口必须进行编址以便能被主机访问。在微机系统中，对以便能被主机访问。在微机系统中，对i/o接口的端接口的端口编址有两种方法口

19、编址有两种方法第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述1.4.1 i/o与内存统一编址方式与内存统一编址方式 将将i/o端口寄存器看成存储区域端口寄存器看成存储区域中的某个单元，端口占用存储区中的某个单元，端口占用存储区域中某个地址或某几个地址号。域中某个地址或某几个地址号。 访问端口指令用访问端口指令用mov指令指令 内存映象内存映象i/o编址编址 00000hfffffhi/o空间空间第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述 优点：优点：1、访问存储器的指令功能比较强；、访问存储器的指令功能比较强； 2、可直接对、可直接对i/o端口数据进行处理；端口数据进行处理； 3、i/

20、o端口地址空间大。端口地址空间大。 4、微机系统读写控制逻辑较简单。、微机系统读写控制逻辑较简单。 缺点：缺点：1、占用了一部分存储空间；、占用了一部分存储空间； 2、对、对mem访问指令较长，执行速度较慢访问指令较长，执行速度较慢 3、i/o端口译码电路复杂。端口译码电路复杂。第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述1.4.2 i/o端口单独编址方式端口单独编址方式 i/o映象映象i/o编址编址 访问访问i/o端口使用专用端口使用专用i/o指令（指令（in out）00000hfffffh0000hffffh内存内存1mi/o端口端口64k第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术

21、概述优点：优点：1、不占用内存，、不占用内存，mem地址空间不受地址空间不受i/o端口端口 地址空间影响；地址空间影响； 2、i/o指令短，执行快；指令短，执行快； 3、i/o端口数量不多，占用地址线少，译码端口数量不多，占用地址线少，译码 电路简单；电路简单；缺点：缺点：1、i/o指令功能弱，程序设计灵活性差；指令功能弱，程序设计灵活性差； 2、要有两组控制信号线、要有两组控制信号线memr / memw 和和 ior / iow确定地址总线上的地址是访问内确定地址总线上的地址是访问内 存或存或i/o端口，增加控制逻辑复杂度；端口，增加控制逻辑复杂度；第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口

22、技术概述支持支持i/o独立编址方式和独立编址方式和i/o统一统一 编址（存储器映象编址）方式。编址（存储器映象编址）方式。仅支持仅支持i/o独立编址方式。独立编址方式。1.4.3 i/o指令指令 i/o端口支持直接寻址和间接寻址方式。端口支持直接寻址和间接寻址方式。是使用一字节立即数寻址，端口寻址范围为是使用一字节立即数寻址，端口寻址范围为00hffh共共256个。个。是使用是使用dx寄存器间接给出寄存器间接给出i/o端口地址，可端口地址，可寻址的范围是寻址的范围是0000hffffh共共64k个端口。个端口。第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述理论上有理论上有64k个独立编址的个

23、独立编址的8位端位端口空间。两个连续口空间。两个连续8位端口可作为位端口可作为16位端口，位端口，4个连续个连续的的8位端口可作为位端口可作为32位端口处理。注意端口地址对齐。位端口处理。注意端口地址对齐。in、out。完成完成i/o端口和端口和eax、ax、al之间的数据传之间的数据传 送，可使用直接寻址和间接寻址方式。送，可使用直接寻址和间接寻址方式。 举例：举例：mov dx, 3fdhmov al, 36h in al, dxout 43h, al第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述举例：举例：8位位i/o端口端口 in al，20h in al，21h out 20h，a

24、l out 21h，al 16位位i/o端口端口 in ax，20h out 20h，ax第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述insb/w/d、outsb/w/d。用用dx指定指定i/o端口地址，输入端口地址，输入/输出时的目的输出时的目的/源源ram地址用地址用es:di / ds:si 指定。指定。eflag寄存器中寄存器中df位来决定地址加和减。位来决定地址加和减。输入：输入： mov dx，port les di，buffer in insb 或或 insw 输出：输出： mov dx，port lds si，buffer out outsb 或或 outsw 第第1 1章

25、章 微机接口技术概述微机接口技术概述1.5 pc系列系列i/o端口地址配置端口地址配置 1.5.1 x86系列微机接口地址配置系列微机接口地址配置 系统板上系统板上i/o芯片和芯片和i/o扩展槽接口卡。扩展槽接口卡。 pc系列系列i/o地址线有地址线有16根，利用地址总线根，利用地址总线a15a0 寻址对应寻址对应64k空间，空间，0000hffffh； i/o端口译码只使用了端口译码只使用了a0-a9，共，共1024个端口，个端口， 不同的微机系统对不同的微机系统对i/o端口地址的分配不同。端口地址的分配不同。第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述i/o端口分两类：端口分两类：1、

26、系统主板上的、系统主板上的i/o芯片芯片 a9=0端口端口(512个个)为系统板所用，为系统板所用，0000h01ffh2、i/o扩展槽上的接口适配器占用地址扩展槽上的接口适配器占用地址 a9=1端口端口(512个个)为系统板所用，为系统板所用，0200h03ffha15 -a10 a9 a8 a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0未使用未使用共确定共确定512个地址个地址a9=0表示系统板上表示系统板上i/o芯片地址芯片地址a9=1表示扩展槽上表示扩展槽上i/o芯片地址芯片地址第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述i/o芯片名称芯片名称 地址范围地址范围 dma控制器控制器

27、1dma控制器控制器2dma页面寄存器页面寄存器 0000-001fh0080-009fh 中断控制器中断控制器1中断控制器中断控制器2 0020-003fh 定时器定时器8253/8254并行接口芯片并行接口芯片8255nmi屏蔽寄存器屏蔽寄存器协处理器协处理器 0040-005fh0060-007fh00a0-00bfh 第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述i/o接口名称接口名称 地址范围地址范围 游戏控制卡游戏控制卡 0200-020fh 并行口控制卡并行口控制卡1并行口控制卡并行口控制卡2 0370-037fh0270-027fh 串行口控制卡串行口控制卡1串行口控制卡串行

28、口控制卡2 03f8-03ffh02f8-02ffh 原型插件板原型插件板(用户可用用户可用) 0300-031fh 同步通信卡同步通信卡1同步通信卡同步通信卡2 03a0-03af0380-038fh 单显单显mda彩显彩显cga彩显彩显ega/vga 03b0-03bfh03d0-03dfh03c0-03cfh 软驱控制卡软驱控制卡硬驱控制卡硬驱控制卡 03f0-03f7h0320-032fh pc网卡网卡 0360-036fh 第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述 系统配置占用的端口地址一律不能用；系统配置占用的端口地址一律不能用； 厂家声明保留的端口地址不要用；厂家声明保留

29、的端口地址不要用； 其余端口地址可用，一般可使用其余端口地址可用，一般可使用0300h031fh。第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述 一个一个i/o接口对应多个连续接口对应多个连续i/o端口。端口。 将地址划分成高位地址和低位地址两部分将地址划分成高位地址和低位地址两部分 高位地址高位地址 + cpu的控制信号的控制信号 i/o芯片片选信号芯片片选信号 cs，实现片间寻址，实现片间寻址译码译码iow/ior信号信号(有效有效)、aen信号信号(无效无效aen=0) 和和i/o 端口地址高位经过译码得到。端口地址高位经过译码得到。第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述 低

30、位地址直接连到低位地址直接连到i/o接口芯片的地址输入引脚，接口芯片的地址输入引脚，实现实现i/o芯片片内寻址。芯片片内寻址。高位地址和低位地址的划分与芯片内所含端口个数高位地址和低位地址的划分与芯片内所含端口个数第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述1.5.2 地址译码电路的几种方式地址译码电路的几种方式 i/o接口译码电路一般分为门电路和专用译码器两接口译码电路一般分为门电路和专用译码器两种，译码电路可以采用固定式或采用跳线、跨接开关种，译码电路可以采用固定式或采用跳线、跨接开关等可选式。等可选式。 当接口电路的当接口电路的i/o端口固定不变时，采用固定式译端口固定不变时，采用固

31、定式译 码电路。码电路。（1）门电路的译码电路）门电路的译码电路 若接口芯片仅需要一个片选信号，可采用门电路译若接口芯片仅需要一个片选信号，可采用门电路译 码器，若接口芯片包含若干特定的接口电路，需要若码器，若接口芯片包含若干特定的接口电路，需要若 干片选信号，则采用专用译码器。干片选信号，则采用专用译码器。 第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述常见的译码器有常见的译码器有74ls138、74ls154等。等。g1=1，g2a=g2b=0时对时对a b c 进行译码。进行译码。将复合的输入信号变为枚举的将复合的输入信号变为枚举的 输出信号。输出信号。15y0y7abcg2bg2ag

32、114131211109712345674ls138（2）专用译码器译码电路）专用译码器译码电路第第1 1章章 微机接口技术概述微机接口技术概述输输 入入输输 出出g g1 1g g2a2ag g2b2bc b ac b ay y7 7 y y6 6 y y5 5 y y4 4 y y3 3 y y2 2 y y1 1 y y0 01 0 01 0 00 0 00 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 01 0 01 0 00 0 10 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 11 0 01 0 00 1 00 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 11 0 01 0 00 1 10 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 11 0 01 0 01 0 01 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 11 0 01 0 01 0 11 0 1