第六章 IO接口和总线

1、第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-261第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线 6-1 I/O6-1 I/O接口接口6-2 6-2 总线总线第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2621)1)、数据端口、数据端口数据信息：数字量、模拟量、开数据信息：数字量、模拟量、开 关量、脉冲量。关量、脉冲量。2)2)、状态端口、状态端口状态信息：反映当前外设所处的状态信息：反映当前外设所处的 工作状态。工作状态。3)3)、控制端口、控制端口控制信息：控制信息：CPU CPU 通过接口向外设通过接口向外设 传送控制信息。传送控制信息。接口接口是是

2、CPUCPU与外界的连接部件，与外界的连接部件，是是CPUCPU与外界交换信息的中转站。与外界交换信息的中转站。一个接口有几个寄存器，不同类一个接口有几个寄存器，不同类型的信息进入不同的寄存器型的信息进入不同的寄存器, ,一般一般称这些寄存器为称这些寄存器为端口端口。第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2636-1 I/O6-1 I/O接口接口一、一、I/OI/O接口的功能接口的功能1.1.采用采用I/OI/O接口的必要性接口的必要性外围设备品种繁多：机械，电子，机电，光电等。外围设备品种繁多：机械，电子，机电，光电等。所传输信息要求不同：数字，模拟，电压，电流等。所

3、传输信息要求不同：数字，模拟，电压，电流等。* 速度不匹配速度不匹配* * 信号电平不匹配信号电平不匹配* * 信号格式不匹配信号格式不匹配* * 信号时序不匹配信号时序不匹配计算机与外设之间信息交换应解决的问题：计算机与外设之间信息交换应解决的问题：第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-264（1 1）设置数据缓冲以解决速度差异所带来的不协调问题；）设置数据缓冲以解决速度差异所带来的不协调问题； 输入：输入设备数据线输入：输入设备数据线 缓冲器缓冲器 DB DB CPU CPU输出：输出：CPU CPU DB DB 锁存器锁存器 输出设备数据线输出设备数据线 2.I/

4、O2.I/O接口的功能接口的功能（2 2）设置信号电平转换电路以解决信号电平的不一致问题；）设置信号电平转换电路以解决信号电平的不一致问题；（3 3）设置信息转换逻辑以满足对各自信号格式的要求；）设置信息转换逻辑以满足对各自信号格式的要求； 例如：例如：A/DA/D转换，转换，D/AD/A转换，串转换，串/ /并转换，并并转换，并/ /串转换等。串转换等。（4 4）设置时序控制电路以同步）设置时序控制电路以同步CPUCPU和外设的工作；和外设的工作；（5 5）提供地址译码电路。）提供地址译码电路。第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-265二、简单的输入输出接口芯片二、

5、简单的输入输出接口芯片常用的数据缓冲器：常用的数据缓冲器： 74LS24474LS244、74LS24574LS245：数据缓冲，提高总线驱动能力。数据缓冲，提高总线驱动能力。常用的数据锁存器：常用的数据锁存器： 74LS37374LS373、74LS37474LS374：锁存数据。：锁存数据。第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2661 1. I/O I/O端口端口（3 3）控制端口）控制端口：用来存放：用来存放CPUCPU向接口发送的各种命令和控制字，向接口发送的各种命令和控制字，以便控制接口或外设的动作。以便控制接口或外设的动作。三、三、I/OI/O端口及其寻址

6、方式端口及其寻址方式CPUCPU与外设之间传送的信号：数据信号、状态信号、控制信号。与外设之间传送的信号：数据信号、状态信号、控制信号。（1 1）数据端口）数据端口：用来存放外设送往：用来存放外设送往CPUCPU的数据以及的数据以及CPUCPU要输要输出到外设去的数据。主要起数据缓冲的作用。出到外设去的数据。主要起数据缓冲的作用。（2 2）状态端口）状态端口：主要用来指示外设的当前状态。用：主要用来指示外设的当前状态。用“位位”来表来表示。示。 准备就绪位（准备就绪位（ReadyReady） 忙碌位（忙碌位（BusyBusy） 错误位（错误位（ErrorError）第第6 6章章 I/OI/O

7、接口和总线接口和总线2022-6-2672 2. I/OI/O端口的寻址方法端口的寻址方法65F302 0024E0内存与外设内存与外设内存内存外设外设026D（1 1）存储器映象寻址方式存储器映象寻址方式 将外设端口和内部存储单元统一将外设端口和内部存储单元统一安排在内存的地址空间中，安排在内存的地址空间中，外设地址外设地址与内存地址统一编址。与内存地址统一编址。优点优点：不需要专门的输入输出指令，不需要专门的输入输出指令， 可用全部的存储器操作指令。可用全部的存储器操作指令。 如：如：movmov kou1,bx kou1,bx 缺点缺点：外设占用内存单元，相对减少外设占用内存单元，相对减

8、少 了内存容量了内存容量。第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-268 内存地址空间和外设地址空间是内存地址空间和外设地址空间是相互独立的。相互独立的。优点：不占用内存。优点：不占用内存。缺点：缺点：CPUCPU需设专门的需设专门的I/OI/O指令。指令。 端口地址在端口地址在 0 0FFH FFH 范围内，用直接范围内，用直接寻址。寻址。如：如：IN AL,20HIN AL,20H OUT 80H,AX OUT 80H,AX端口地址在端口地址在 010001000FFFFH 0FFFFH 范围内，范围内，用用DXDX间接寻址。间接寻址。如：如： MOV DX,300H

9、MOV DX,300H IN AL,DX IN AL,DX65F302 00外设外设KOU1KOU2KOU3112233 44KOU100KOU101113232 01内存内存（2 2）I/OI/O单独编址方式单独编址方式第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-269四、四、CPUCPU与外设间的数据传送方式与外设间的数据传送方式 程序控制方式程序控制方式 无条件传送无条件传送 条件传送（查询方式）条件传送（查询方式） 中断方式中断方式 直接存贮器存取直接存贮器存取(DMA)(DMA)方式方式第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2610第第6 6

10、章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2611第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2612第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2613第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2614 在微机系统中，有一些简单的外设在工作时，随时在微机系统中，有一些简单的外设在工作时，随时都准备好接收都准备好接收CPUCPU的输出数据或它们的数据随时都是准的输出数据或它们的数据随时都是准备好的，备好的，CPUCPU什么时候读均可以正确的读取数据。什么时候读均可以正确的读取数据。特点：特点：外设已准备好，不需要查询外设状态。外

11、设已准备好，不需要查询外设状态。 输入时，外设数据已送到三态缓冲器。输入时，外设数据已送到三态缓冲器。 输出时，输出时，CPUCPU的输出信息已送到输出锁存器输入端。的输出信息已送到输出锁存器输入端。1.1.无条件传送方式无条件传送方式第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2615 无条件传送的无条件传送的局限性局限性：对于那些慢速的或总是准备好的：对于那些慢速的或总是准备好的外设是适用的。外设是适用的。 所谓所谓查询方式查询方式就是微型计算机利用程序不断询问外部设就是微型计算机利用程序不断询问外部设备的备的状态状态，根据它们所处的，根据它们所处的状态状态来实现数据的输

12、入和输出。来实现数据的输入和输出。查询工作方式示意图查询工作方式示意图 2.2.查询方式查询方式第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2616(1)(1)单一外设查询单一外设查询 CPUCPU先查询外设状先查询外设状态，而后决定数态，而后决定数据的传送。据的传送。单一外设查询示意图单一外设查询示意图 第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2617 、 MOV BX, 0 MOV CX, COUNT_1 ;传送字节数传送字节数 READ_S1： IN AL, PORT_S1 ;从状态端口读入状态信息从状态端口读入状态信息 TEST AL, 0000

13、0001 B ;检测检测D0位位 JZ READ_S1 ;D0=0,继续查询继续查询IN AL, PORT_IN ;从数据端口读入数据从数据端口读入数据MOV BX, AL ;送缓冲区送缓冲区 INC BX ;修改缓冲区指针修改缓冲区指针 LOOP READ_S1 ;传送下一个传送下一个、查询方式输入程序段查询方式输入程序段:第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2618 MOV CX, COUNT_2 ;传送字节数传送字节数 READ_S2： IN AL, PORT_S2 ;从状态端口读入状态信息从状态端口读入状态信息 TEST AL, 0000 0010B ;检测检

14、测D1位位,忙否？忙否？ JNZ READ_S2 ;D10,继续查询继续查询 MOV AL, 待输出数据待输出数据 ;不忙，取待输出数据不忙，取待输出数据 OUT PORT_OUT, AL ;从数据端口输出数据从数据端口输出数据 LOOP PORT_S2 ;输出下一个输出下一个 、查询方式输出程序段：查询方式输出程序段： 第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2619(2)(2)多个外设查询方式工作多个外设查询方式工作CPUCPU逐个外设进逐个外设进行查询。若发行查询。若发现哪个外设准现哪个外设准备就绪，就对备就绪，就对该外设实施数该外设实施数据传送。据传送。降低了降低

15、了CPUCPU的效的效率；不能对外率；不能对外设进行实时数设进行实时数据交换。据交换。多个外设查询方式工作流程多个外设查询方式工作流程 2第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2620 无条件传送、查询传送都需要无条件传送、查询传送都需要CPUCPU的等待或的等待或不断查询，使不断查询，使CPUCPU的效率降低。的效率降低。启动外设启动外设主程序主程序外设准备好外设准备好输入设备输入设备Ready=1 输出设备输出设备 Busy=0中断请求中断请求中断响应中断响应数据数据IN/OUTIN/OUT中断服务程序中断服务程序IRETIRET中断响应中断响应外设又一次准备好外设

16、又一次准备好中断请求中断请求3 3. 中断方式中断方式中断传送：外设需要传送数据时，申请中断；当中断传送：外设需要传送数据时，申请中断；当CPU允许中允许中断，在中断服务程序中执行断，在中断服务程序中执行IN /OUT指令；然后返回主程序。指令；然后返回主程序。第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2621例例 用可编程并行接口芯片用可编程并行接口芯片8255A做打印机的接口做打印机的接口。查询方式接线图查询方式接线图A0A1CS并行接口并行接口8255A打打印印机机PC总线总线A0A1数数 据据 线线IORRDWRIOW片选片选译码译码PA0PA7PC0PC4A2A9

17、数据线数据线STROBEBUSYD0D7D0D7第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2622中断方式接线图中断方式接线图A0A1CS并行接口并行接口8255A打打印印机机PC总线总线A0A1数数 据据 线线IORRDWRIOW片选片选译码译码PA0PA7PC7PC6A2A9数据线数据线STROBEACKD0D7D0D7PC3IRQ3第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2623DMADMA方式：方式： 采用专用接口电路直接和存储器进行数据传送。不通过采用专用接口电路直接和存储器进行数据传送。不通过CPUCPU，传送效率高。适用于在内存与高速外设

18、、或两个高速外传送效率高。适用于在内存与高速外设、或两个高速外设之间进行大批量数据传送。设之间进行大批量数据传送。 Direct Memory AccessDirect Memory Access4 4. DMADMA方式方式（1 1）DMADMA方式的提出方式的提出-为什么要用为什么要用DMADMA方式传送数据？方式传送数据？查询方式：查询方式：查询时占用查询时占用CPUCPU时间。时间。中断方式：中断方式：比查询方式传送效率高，但执行中断服务程序，比查询方式传送效率高，但执行中断服务程序， CPUCPU要保护断点、保护寄存器等，使要保护断点、保护寄存器等，使CPUCPU花费时间。花费时间。

19、第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2624 要实现要实现DMADMA传送，目前都采用大规模集成电路芯片传送，目前都采用大规模集成电路芯片DMADMA控控制器制器(DMAC)(DMAC)。 （2）DMA的工作过程的工作过程 DMADMA控制器控制器82378237 第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2625外外设设数据线数据线接接口口电电路路PC总总线线数据线数据线片片选选译译码码 高高 位位 地址线地址线控制线控制线低位地址线低位地址线控制线控制线状态线状态线CPU辅辅助助电电路路CPU接口与系统的连接接口与系统的连接第第6 6章章 I/

20、OI/O接口和总线接口和总线2022-6-26266-2 6-2 总线总线一、总线的概念一、总线的概念l总线分类总线分类l总线标准总线标准二、二、IBM PCIBM PC总线总线第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2627l总线是连接多个功能部件的一组公共信号线。总线是连接多个功能部件的一组公共信号线。1.1.什么是总线什么是总线数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 ABAB存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口输输出出设设备备CPU一、总线的概念一、总线的概念第第6 6章章 I/OI/O接口和总线接口和总线2022-6-2628 总线是构成微型计算机应用系统的重要技术，总线设总线是构成微型计算机应用系统的重要技术，总线设计的好坏直接影响计的好坏直接影响 : :整个微机系统的整个微机系统的性能、可靠性、可扩性能、可靠性、可扩展性和可升级