微机原理 第06章 IO接口和总线

1、6-26-2通过对本章的学习，通过对本章的学习，您应该能够达到下列要求：您应该能够达到下列要求：n 端口的功能、种类、编址方式端口的功能、种类、编址方式n CPUCPU与外设交换数据与外设交换数据n 查询式传送软硬件设计查询式传送软硬件设计n 总线的概念、分类，总线的概念、分类，PCPC总线总线 重点与难点重点与难点n输入缓冲、输出锁存的概念输入缓冲、输出锁存的概念nCPUCPU与外设交换数据的方式与外设交换数据的方式n查询方式查询方式 一、一、I/O接口的功能接口的功能1、采用、采用I/O接口的必要性接口的必要性n计算机目的是进行信息处理，需要输入原始信息并计算机目的是进行信息处理，需要输入

2、原始信息并输出运算结果，需要输入输出运算结果，需要输入/输出外部设备。输出外部设备。n外设种类多：机械、电子、电动等，信息格式、内外设种类多：机械、电子、电动等，信息格式、内容多种多样。容多种多样。n速度不匹配：高速硬盘，低速打印机，键盘。速度不匹配：高速硬盘，低速打印机，键盘。n信号电平不匹配：信号电平不匹配：CPU为为TTL电平，外设有电平，外设有DC24V继电器、继电器、AC220V接触器等。接触器等。n信号格式不匹配：信号格式不匹配：CPU为为8/16位并行总线，外设有位并行总线，外设有串行、并行、数字信号、模拟信号。串行、并行、数字信号、模拟信号。n时序不匹配：外设有自己的操作逻辑，

3、不同于时序不匹配：外设有自己的操作逻辑，不同于CPU2、接口的功能、接口的功能n设置数据缓冲以解决速度不匹配：在设置数据缓冲以解决速度不匹配：在CPU与外设与外设之间设置缓冲区，发送方可把数据存放在缓冲区中，之间设置缓冲区，发送方可把数据存放在缓冲区中，接收方再从缓冲区中读取数据。接收方再从缓冲区中读取数据。CPU与外设交换与外设交换数据不必总是联合进行，增加灵活性。数据不必总是联合进行，增加灵活性。n设置电平转换电路：实现设置电平转换电路：实现TTL电平与外设信号电平电平与外设信号电平之间的转换，例如之间的转换，例如RS-232n设置信息转换逻辑以满足对各自格式的要求：例如设置信息转换逻辑以

4、满足对各自格式的要求：例如A/D转换器、转换器、D/A转换器、总线控制器转换器、总线控制器n设置时序控制电路来同步设置时序控制电路来同步CPU和外设的工作：设和外设的工作：设计握手信号（准备好、出错）计握手信号（准备好、出错）n提供地址译码电路：多个外设、多个端口的区分。提供地址译码电路：多个外设、多个端口的区分。二、简单的输入输出接口芯片1、缓冲器、缓冲器74LS244和和74LS245n输入缓冲的概念：输入缓冲的概念：考虑考虑CPU从从1#、2#、3#三个外设读取数据。三个外设读取数据。1#2#3#CPU总线总线当当CPU读取读取1#的数据时，要求的数据时，要求2#、3#不能影响总线不能影

5、响总线上的数值，即要求上的数值，即要求2#、3#与总线之间处于高阻状态与总线之间处于高阻状态，同时，同时1#的数据要正确传送到总线上。的数据要正确传送到总线上。CPU与输入外设之间的三态门就是输入缓冲器，其与输入外设之间的三态门就是输入缓冲器，其输入是专用的输入是专用的，但输出是共用的。，但输出是共用的。（1）74LS244n双双4单向缓冲器，输入端为单向缓冲器，输入端为1A11A4、2A12A4，输出端为输出端为1Y11Y4、2Y12Y4。n两个使能控制引脚两个使能控制引脚1G、2G，1G=01Y=1A，1G=11Y与与1A之间为高阻态。之间为高阻态。2G=02Y=2A，2G=12Y与与2A

6、之间为高阻态。之间为高阻态。（2）74LS245（类似（类似Intel 8286）n8位双向缓冲器，输入位双向缓冲器，输入/输出端为输出端为A1A8、B1B8。n一个使能控制引脚一个使能控制引脚G，G=0A1A8=B1B8，G=1A1A8与与B1B8之间为高阻态。之间为高阻态。n一个传送方向控制引脚一个传送方向控制引脚DIRDIR=1AB，DIR=0AB2、锁存器、锁存器74LS373n输出锁存的概念：输出锁存的概念：1#2#3#CPU总线（公用）总线（公用）1#专用专用2#专用专用3#专用专用当当CPU写数据到写数据到1#时，时，要求不能影响要求不能影响2#、3#的的专用信号专用信号数值，即

7、要求数值，即要求2#、3#能保持原来的数能保持原来的数值，这就要求接口具有值，这就要求接口具有锁存功能。锁存功能。从接口角度看，锁存器从接口角度看，锁存器用于用于一个公用输入信号一个公用输入信号多个专用输出信号多个专用输出信号的的情况下。情况下。OEGDO0111（直通状态，O = D）0100（直通状态， O = D）00X锁存值，G下降沿对应的D值1XX与内部线路间为高阻态2、锁存器、锁存器74LS373n具有三态功能的具有三态功能的8D锁存器，输入端为锁存器，输入端为1D8D，输，输出端为出端为1O8O。n一个输出使能控制引脚一个输出使能控制引脚OEn一个输入控制引脚一个输入控制引脚G（

8、数据打入线）（数据打入线）1.I/O1.I/O端口端口nI/OI/O端口是外设接口电路中端口是外设接口电路中CPUCPU访问的寄存器。访问的寄存器。nCPUCPU通过对端口的访问来实现对外设的访问。通过对端口的访问来实现对外设的访问。n根据所存内容不同，接口电路包含以下几种端口：根据所存内容不同，接口电路包含以下几种端口：数据端口：存放外设与数据端口：存放外设与CPUCPU之间要交换的数据，之间要交换的数据，通常为通常为1 1个字节或个字节或1 1个字。个字。状态端口：存放外设的当前状态，通常有准备好、状态端口：存放外设的当前状态，通常有准备好、出错、忙等。出错、忙等。命令端口：也叫控制端口，

9、存放命令端口：也叫控制端口，存放CPUCPU对接口电路对接口电路的行为逻辑的控制信息，通常有方式控制字、操的行为逻辑的控制信息，通常有方式控制字、操作控制字。作控制字。ININALAL，portportININAXAX，portport OUT OUTportport，ALALOUTOUTportport，AX AX ININALAL，DXDXININAXAX，DXDXOUTOUTDXDX，ALALOUTOUTDXDX，AXAX2.I/O2.I/O端口编址方式端口编址方式1.1.程序控制方式程序控制方式nCPUCPU与外设接之间的数据交换完全在程序控与外设接之间的数据交换完全在程序控制下实现，

10、包括无条件传送和条件传送两制下实现，包括无条件传送和条件传送两种方式。种方式。n(1)(1)无条件传送：无条件传送：CPUCPU直接用直接用 IN IN 指令从外设读取数据，直接指令从外设读取数据，直接用用 OUT OUT 指令向外设发送数据。指令向外设发送数据。要求外设总是已经准备好数据，总是准备要求外设总是已经准备好数据，总是准备好接收数据。好接收数据。用于简单的外设，如显示、按键。用于简单的外设，如显示、按键。1 Y 1 1 A 11 Y 2 1 A 2|2Y4 2A41G 2GD0D1|D7M/IO CS RD+5VK1K2K8INAL，port1G = 2G = 0K1K8ALINM

11、/IO=0，RD=0Port地址译码后地址译码后CS=0最小模式下的总线写操作最小模式下的总线写操作ALESTB把地址信息把地址信息A0A19从复用从复用总线上提取出来加以保持总线上提取出来加以保持1 D 1 Q2 D 2 Q|8 D 8 Q CLKD0D1|D7M/IO CS WRL1L2L8OUT port，ALAL L1L8OUTM/IO=0，RD=0Port地址译码后地址译码后CS=0CLK = (2)(2)条件传送（查询传送）：条件传送（查询传送）：一般而言，一般而言，CPUCPU应该在外设准备好数据以后才读应该在外设准备好数据以后才读取数据，应该在外设准备好接收数据以后才发送取数据

12、，应该在外设准备好接收数据以后才发送数据。数据。传送数据前，传送数据前，CPUCPU应该查询外设的当前状态，等应该查询外设的当前状态，等到外设准备好以后才开始传送。到外设准备好以后才开始传送。除数据端口以外，接口电路还需要另有一个状态除数据端口以外，接口电路还需要另有一个状态端口以存放外设的当前状态，端口以存放外设的当前状态，CPUCPU线先读取该端线先读取该端口以判断外设是否准备好。口以判断外设是否准备好。输入时，数据准备好信号由外设置位，由输入时，数据准备好信号由外设置位，由CPUCPU读读数据操作复位。数据操作复位。输出时，忙信号由输出时，忙信号由CPUCPU写操作置位，由外设复位。写操

13、作置位，由外设复位。输输入入设设备备8位锁位锁存器存器8位缓位缓冲器冲器RD QC+5V地址地址译码译码RDRDM/IOCS2CS1A15A0D0READY查询式输入接口电路查询式输入接口电路D7D0选通选通信号信号查询式输入程序流程查询式输入程序流程图图初始化初始化读入状态读入状态准备好？准备好？读入数据读入数据A数据数据缓冲区缓冲区完毕？完毕？结束结束NN查询式输入程序清查询式输入程序清单单MOVBX，0；地址指针；地址指针MOVCX，COUNT_1；要输入的字节数；要输入的字节数READ_S1：INAL，PORT_1；读状态端口；读状态端口TESTAL，01H；查询准备好信号；查询准备好

14、信号JZREAD_S1；没有准备好，循环查询等待；没有准备好，循环查询等待INAL，PORT_2；准备好，读取数据；准备好，读取数据MOVBUF1BX，AL ；数据存入缓冲区；数据存入缓冲区INCBX；修改指针，指向下一个字节；修改指针，指向下一个字节LOOP READ_S1；未传送完毕，继续传送；未传送完毕，继续传送；传送完毕，执行后续指令；传送完毕，执行后续指令输输入入设设备备8位锁位锁存器存器8位缓位缓冲器冲器D R QC+5V地址地址译码译码RDRDM/IOCS2CS1A15A0D0READY查询式输入工作流程查询式输入工作流程D7D0选通选通信号信号外设准备好外设准备好发选通信号发选

15、通信号正脉冲，使正脉冲，使数据进入数据进入锁存器；锁存器；D触发器反转触发器反转Q=D=1。IN AL，PORT_2 使得使得M/IO=0、CS2=0、RD= 0、缓冲器打开，、缓冲器打开，数据进入数据进入AL中，同时中，同时R=0清除清除D触发器，触发器， READY=Q =0IN AL，PORT_1 使得使得M/IO=0、CS1=0、RD=0、三、三态门打开，态门打开，READY=1进入进入AL中的中的D0。2.DMA2.DMA方式方式(1)(1)、DMADMA方式的提出方式的提出n在程序控制方式下，外设与内存之间的数据交换在程序控制方式下，外设与内存之间的数据交换要通过累加器中转，至少需

16、要一条要通过累加器中转，至少需要一条IN/OUTIN/OUT指令与指令与一条一条MOVMOV指令，还有修改指针、计数器的指令，指令，还有修改指针、计数器的指令，不可能快速传递。不可能快速传递。n在大多数系统中，硬件操作速度远高于指令执行在大多数系统中，硬件操作速度远高于指令执行时间，若不经过时间，若不经过CPUCPU中转，在中转，在内存与外设之间直内存与外设之间直接传送数据接传送数据，则可获得很高的传送速度，称为直，则可获得很高的传送速度，称为直接存储器存取方式。接存储器存取方式。nDMADMA方式常用于与高速外设之间一次传送大量数方式常用于与高速外设之间一次传送大量数据的场合，如磁盘操作，需

17、要据的场合，如磁盘操作，需要DMADMA控制器控制器才实现。才实现。地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线HLDA HOLD存存储储器器外外设设地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线控制总线控制总线HLDA HRQDREQ DACKDMACCPUn外设通过外设通过DREQ向向DMAC请求请求DMA操作，操作，DMAC据此向据此向CPU发出发出HREQ信号。信号。nCPU收到收到HOLD信号，执行完当前指令，进入总信号，执行完当前指令，进入总线响应周期，释放总线线响应周期，释放总线使使CPU内部与三总线内部与三总线之间处于高阻状态，并给出总线保持应答之间处于高阻状态，并给出总

18、线保持应答HLDA。nDMAC收到收到HLDA以后，接管总线以后，接管总线撤销其内撤销其内部电路与三总线的高阻状态，向存储器输出地址部电路与三总线的高阻状态，向存储器输出地址信息，制定传送数据单元，发信息，制定传送数据单元，发DACK到外设。到外设。n外设收到外设收到DACK后，即准备好收发数据。后，即准备好收发数据。nDMAC控制数据传送过程。控制数据传送过程。n传送完毕，传送完毕，DMAC撤销撤销HREQ，CPU接管总线，接管总线，撤销撤销HLDA，DMAC再撤销再撤销DACK，结束。，结束。五、五、PC机 I/O 端口地址分配0000001F0020003F0040005F0060007

19、F0080009F00A000BF008001FF32字节字节320字节字节32字节字节32字节字节32字节字节32字节字节32字节字节0000000F8237A5 DMA控制器控制器002000218259A 中断控制器中断控制器004000438253A5 定时定时/计数器计数器006000638255A5 并行接口芯片并行接口芯片00800083DMA 页面寄存器页面寄存器00A000BFNMI 屏蔽寄存器屏蔽寄存器02000200020F游戏控制口游戏控制口02100217扩展部件扩展部件021802F7未用未用02F802FF异步通信卡（第二个）异步通信卡（第二个）0320032F硬

20、盘适配器硬盘适配器03300377并行打印机并行打印机未用未用0300031F实验卡实验卡0380038F039003AF03B003BF03C003CF03D003DF03E003EF03F003F703F803FF03FF0378037FSPLC通信通信未用未用单色显示器单色显示器 / 打印机打印机未用未用未用未用彩色彩色/ 图形显示卡图形显示卡软盘适配器软盘适配器异步通信卡（第一个）异步通信卡（第一个）一、总线的概念一、总线的概念1、总线的分类、总线的分类n根据所传送信息的内容可分为地址总线、数据总根据所传送信息的内容可分为地址总线、数据总线、控制总线，所谓三总线。还有电源线和地线。线、

21、控制总线，所谓三总线。还有电源线和地线。n按应用场合划分：按应用场合划分：片级总线：连接不同的芯片，实现芯片之间信息片级总线：连接不同的芯片，实现芯片之间信息的交换，常有总线复用、锁存、缓冲、驱动问题。的交换，常有总线复用、锁存、缓冲、驱动问题。系统总线：通常的微机总线，用于微机内部各个系统总线：通常的微机总线，用于微机内部各个板卡之间信息的交换。板卡之间信息的交换。外部总线：通信总线，用于多计算机之间的通信。外部总线：通信总线，用于多计算机之间的通信。计算机系统中，用于各部件之间传送信息的公共通路计算机系统中，用于各部件之间传送信息的公共通路2、总线标准、总线标准n总线标准包括：插座的尺寸、

22、引线数目、引线名总线标准包括：插座的尺寸、引线数目、引线名称、工作时序、电平范围。称、工作时序、电平范围。n常用系统总线标准常用系统总线标准IBM PC机的机的62芯芯PC总线。总线。PC/AT机的机的AT总线、总线、ISA总线。总线。高性能高性能PC机的机的EISA总线。总线。PCI总线总线(Peripheral Component Interconnect)n常用通信总线标准常用通信总线标准IEEE-488总线总线EIA RS-232EIA RS-485二、二、IBM PC总线总线nA19A0：输出，存储器地址，：输出，存储器地址，I/O地址只用地址只用A15A0，由，由CPU或或DMAC产生。产生。nD7D0：双向，数据信号线，每次只传送：双向，数据信号线，每次只传送1字