《计算机硬件技术基础(第三版)》 输入输出接口与控制

1、第 9 章 输入输出接口与控制 本章全面、系统的介绍了微机系统的输入输出接口及其技术。首先，从宏观和理论的角度，系统说明了输入输出接口在微机系统中的角色和地位，接口的基本功能、CPU和接口的数据传输方式等技术基础。通过对可编程中断控制器 82C59A和并行接口82C55这两个芯片介绍，描述了实际的输入输出控制。 介绍了两个实际的串行接口，并将目前常用的串行数据的传送方式、串行接口标准等知识给于描述。然后，将被广泛应用的SCSI接口以及所采用的技术进行了描述，知识新而实用。最后以实例介绍了常用的数模D/A转换器和模数A/D转换器及其所采用的技术。 91 接口技术基础 接口电路又称为I/O接口。I

2、/O接口就是为了解决CPU与外设之间信息的交换问题，I/O接口是CPU与外设之间传输信息的部件，每个外设都通过I/O接口与CPU相连。如下图。CPUI/O接口外设911 接口的基本功能 I/O接口应具有以下主要功能： 1。信号转换。 2。数据缓冲。 3。地址译码和设备选择逻辑。 4。CPU与外设之间传输数据所需的控制逻辑和状态信号。 5。校验和检查。接口上的信息交换 通常，输入/输出设备接收或发送信息的速度与CPU的操作速度相比相差甚远。所以对输入/输出设备的控制可以采用信号交换或查询的方法。图所示为输入/输出接口的逻辑原理框图。控制数据总线数据CPU外围设备 数据端口 状态端口 控制端口 地

3、址总线控制总线状态输入/输出接口电路接口部件的I/O端口及其编址方式 1. I/O端口 在输入输出接口中，可以通过CPU进行读/写的寄存器又叫端口。存放数据的叫数据端口。存放外设状态信息的寄存器叫状态端口， 2. I/O端口的编址方式 每个端口都有一个端口地址，端口地址的编址方式有两种：统一编址方式和独立编址方式。 统一编址方式是把每一个I/O端口地址看成是一个存储器单元地址。 独立编址方式 CPU和接口的数据传输方式 CPU与外设之间的数据传输方式主要有： 程序控制方式、 中断控制方式、 直接存储器存取DMA方式 通道控制方式。程序控制方式 程序控制方式数据传输是指在程序控制下进行信息传送，

4、程序控制方式又分为无条件传输方式和查询工作方式。 1.无条件传输方式 所谓无条件传输是指CPU不用查询外设的状态而直接进行信息传输。 2.查询传输方式 查询传输方式也叫有条件传输方式。因为CPU与外设的工作是异步的，不能保证CPU执行输入操作时，外设已经处于“准备好状态，而CPU执行输出操作时，外设已处于“空闲状态。中断传输方式 所谓中断是CPU在执行程序的过程中，由于某种外部或内部事件的发生，强迫CPU停止当前正在执行的程序，转去执行为该事件服务的特殊程序，在对该事件服务结束后，再自动返回到被中断的程序继续执行。中断过程如下图。DMA传输方式 与条件查询方式比起来，利用中断方式传送数据可以大

5、大提高CPU的效率。但是在中断方式下每进行一次传送数据，都必须通过CPU执行一次中断处理程序，而且每次中断CPU都要保护断点和现场，执行完中断程序后，都要恢复断点和现场等，这都要花费CPU大量的时间。这对于一个传输速度较高、数据传输来较大的I/O设备如硬盘来说，就显得速度太慢了。为了解决这个问题，就需要改变数据的传输方式，这就是不仅可以按字节而且可以按数据块进行传输，即直接存储器存取方式 ( Direct Memory Access)，简称DMA方式。I/O通道控制方式 对于有大量I/O设备的微机系统，采用通道技术是一种更理想方法。通道是一个用来控制外设工作的硬件机制，通道是独立于CPU的专门

6、负责输入输出工作的处理机,它具有自己的指令，包括读、写、控制、转移、结束和空操作等指令。它对外设统一管理，代替CPU对输入输出操作进行控制9.2 输入输出控制 在微机系统中，外围设备越来越多，其功能也越来越强，控制起来也就更加复杂，输入/输出控制技术通常也就采用硬件技术与软件相结合的方法来实现，所以，输入/输出控制技术是硬件和软件结合在一起的一项综合技术。1. 可编程中断控制器 82C59A芯片 82C59A是为简化微机系统中断接口而设计的LSI外围芯片。通常把该电路称为可编程中断控制器PIC，它是一种高性能的CHMOS优先权中断控制器。经级联可接受8至64个中断输入，可实现多种优先权策略。

7、82C59AVccGND处理机接口D0D7RDWDCSA0INTINTA级联接口CAS0CAS2SP/EN中断输入IR0IR7可编程中断控制器82C59A 的引线信号示意图 82C59A的内部体系结构 82C59A内部体系结构是由八个功能部件构成，它们分别是： 数据总线缓冲器 读/写逻辑 控制逻辑 中断服务寄存器ISR 中断请求寄存器IRR 优先级仲裁器 中断屏蔽寄存器IMR 以及级联缓冲器/比较器 数据 总线缓冲器 控制逻辑读/写逻辑 级联缓冲器/比较器 中断屏蔽寄存器（IMR） 中断 服务 寄存器 ISR 中断 优先级 仲裁器PR 中断 请求 寄存器 IRRIR2IR1IR3IR5IR4I

8、R7IR6IR0A0CSCAS0CAS1CAS2SP/ ENRDWRINTAINTD7D0内部总线82C59A内部体系结构 1. 数据总线缓冲器与读/写逻辑 这两个部件均允许微处理器访问内部寄存器，且还提供中断类型号，以及到达微处理器的路径。 2. 终端控制逻辑 1中断请求寄存器IRR 2中断屏蔽寄存器IMR 3优先级仲裁器PR 4) 中断服务寄存器ISR 3. 级联缓冲器/比较器 级联缓冲器/比较器提供主控设备芯片与从属设备芯片82C59A之间的接口。 82C59A的中断程序设计 82C59A的工作方式由软件程序所决定。有两组寄存器，一组寄存器用于存放CPU写入的初始化命令字ICW1 ICW

9、4，另一组寄存器存放操作命令字OCW1OCW3。1. 初始化命令字 初始化编程时，可供写入的命令字有ICW1 ICW4。1ICW1 ICW1的格式和各位功能如图示。 1：需要ICW40：不需ICW41：单片方式0：级联方式1：调用间隔为40：调用间隔为81：电平触发输入0：边沿触发输入中断向量地址的A7A5（MCS80/85）0=不需ICW4D0D2D1D3D4D5D6D7标志位：1A7A5A61ADILTIMSNGLIC42. 操作命令字 控制82C59A操作的操作命令字有三个：OCW1OCW3。这些命令允许中断启动后进一步修改中断接口操作。 1) OCW1 OCW1为中断屏蔽字，写入到断屏

10、蔽寄存器IMR中，对外部中断请求信号IRi进行屏蔽。OCW1的格式如下图。 D0D2D1D3D4D5D6D7M7M5M6M4M2M3M0M13. 82C59A的程序设计 82C59A的初始化编程要写入命令字ICW1ICW4，ICW1ICW4使用了两个端口：ICW1使用A0=0的端口，ICW2ICW4使用A0=1的端口。初始化程序应该按系统规定的顺序写入，先写ICW1，再写ICW2ICW4。 图的流程图描述了用ICW命令初始化82C59A时所发生的事件序列。 ICW1 ICW2级联方式中SNGL=0? ICW3需ICW4 ICW4 准备接受 中断请求否(SNGL=1)是(SNGL=0)是 (IC

11、4=1)否 (IC4=0) 并行接口82C55芯片 可编程控制的并行I/O外设接口，Intel 82C55A芯片是一个流行的、成本低且与Intel系列32位微处理器一起使用的通用I/O接口。 182C55A体系结构 以下图为82C55A的内部逻辑框图，它由以下几个部分组成。 1数据总线缓冲器 数据总线缓冲器是个三态双向8位缓冲器，它是82C55A与系统数据总线的接口。 2读写控制逻辑 读写控制逻辑接收来自CPU的地址总线抵制和控制信号 3A组控制电路和B组控制电路 A组控制电路控制端口A和端口C的上半部PC7PC4，B组控制电路控制端口B和端口C的下半部PC3PC0。 4数据端口 82C55A

12、有三个8位的数据端口A、B、C，都可以选择作为输入和输出，各端口的功能不同。 A组控制电路B组控制电路A组端口C高4位数据总线缓冲器 读写 控制 逻辑B组端口C低4位A组端口A8位B组端口B8位D7D0RDWRA1A0RESETCSI/OPA7PA0I/OPC7PC4I/OPC3PC0I/OPB7PB08位内部数据总线82C55A的内部逻辑结构3. 82C55A控制字及其工作方式 82C55A可以通过控制字设置它的工作方式。82C55A有方式选择控制字和C端按位置1/置0控制字。182C55A控制字 图是方式选择控制字各位的功能。方式字特征值恒为1端口C(低4位)1：输入0：输出端口B(4位)

13、1：输入0：输出方式选择1：方式10：方式2端口C(高4位)1：输入0：输出端口B(4位)1：输入0：输出方式选择00：方式001：方式10 x：方式2 D7D5D6D4D2D3D0D182C55A的工作方式 从方式控制字可以看出B口有方式0和方式1两种工作方式，而A口有方式0、方式1和方式2三种工作方式。 1.方式0 方式0也称为基本输入/输出工作方式。 2.方式1 方式1也称为选通输入输出方式。 3.方式2 为选通式双向传输方式。 93 串行接口 串行I/O接口是广泛应用于微系统的一种通用接口。所谓串行接口，就是将要传送的数据以逐位传送的方式进行操作。在进行数据的传送操作时，先将并行的字节

14、信息转换成串行的位，并且逐位的进行发送操作。而接收设备在进行接收操作时，再将逐位收到的数据拼装成字节。串行数据的传送方式 在串行通信中，通常是在两个像CPU、终端设备设备之间进行数据的传送操作。将串行数据的传送方式分成单工、半双工和全双工三种基本的传送方式。 单工传送方式 所谓单工传送方式就是数据只能从甲方单方向地传送到乙方或者相反。比如像CPU与打印机的通信线路就仅需支持一个方向上的通信。甲乙方只需一方设置一个发送器，而另一方设置一个接收器即可实现通信，如下图。甲方发送器 乙 方 接收器发送线半双工传送方式 这种传送方式，只设一条通信线路，数据既可以从甲方传送到乙方，又可以从已方传送到甲方。

15、由于只有一条通信线路，就不能同时进行两个方向的数据传送操作，只能分时进行数据的传送操作的情况下。半双工方式要求甲、乙双方要分别设置一套发送器和接收器，如下图。甲方发送器 乙 方发送/ 接收线接收器发送器接收器全双工传送方式 全双工传送方式可以使甲、乙双方既可以同时发送数据，也可以同时接收数据，这就要求甲、乙双方要分别设置一套发送器和接收器，并需要两条独立的通信线路，如下图。 甲 方 发送器 乙 方发送线 接收器 发送器 接收器接收线 串行接口标准 欲在一个CPU系统内实施串行通信，有两个问题需要解决；一是在CPU与外备之间要共同遵守某种约定，也就是要共同遵守物理接口标准，像电缆的机械特性、电气

16、特性、信号功能以及传送过程的定义等。二是按照接口标准来设置CPU与外设之间进行串行通信的接口电路。串行通信按信息格式分为两种通信方式：同步通信和异步通信。1同步数据通信 所谓同步通信，是指通信设备双方的发送器和接收器必须同步地运行。因此，图所示的接口中，除包括有发送数据线，接收数据线以及信号地线外，还有一条时钟信号线，数据的发送和接收就是用这个时钟信号来进行同步的。 系统1 系统2接收数据发送数据时钟信号地2异步数据通信 异步通信方式那么不需要时钟信号，如下图。最简单的异步通信接口形式也应包括接收数据线、发送数据线及信号地。在异步通信数据流中，每个字符出现在数据流中的时间是不确定的，接受方并不

17、知道对方何时发送，也就是说字符和字符之间是异步的。 系统1 系统2接收数据发送数据信号地 RS-232C接口 RS-232C接口是美国EIAElectronic Industries Association)，与BELL公司等一起开发的一个串行接口标准，该标准适用于数据传输速率在020 000 b/s范围内的通信。 RS-232C总线的主要特点 1信号线少 RS-232C标准定义了一个由25个管脚引线组成的接口。 2可供选择的传输速率多 RS-232C规定的标准传输速率有50、75、110、300、 60、1200、2400、4800、9600、19200bps， 可适用 于不同速率的设备。

18、3抗干扰能力强 RS-232C采用负逻辑，以+5+15V之间任意电压 表示逻辑“0，以-5-15V之间任意电压表示逻辑“1， 因而抗干扰能力强。4最大传送距离 RS-232C接口的最大距离为100英尺1英尺。 2. RS-232C接口信号 RS-232C接口共有25根信号线，使用“D型连接器。RS-232C最基本的最常用的信号规定如下图。25141311 保护地 12 发送数据 TXD 23 接收数据 RXD 34 请 求发送 RTS 45 允许发送 CTS 56 数据设备准备好DSR 6 2 0数据终端准备好DTR 207 载波检测CD 78 信号地 8 通用可编程串行接口16550 当微机

19、进行串行传输数据时，需要进行串行到并行和并行到串行的转换。通用异步接收发送器 UART就是串行异步通信的接口电路芯片。16550就是由美国半导体公司生产的支持串行异步通信的可编程的接收发送器接口芯片。 1. 16550的主要特性 1芯片内部包含发送器和接收器，可实现全双工通信。 2支持异步通信。 3数据传输率可在50115200BPS范围内选择。 4具有控制Modem功能和完整的状态报告功能。2. 16550的内部结构 数据发送器 数据发送器由数据发送寄存器、发送移位寄存器和发送控制电路组成。 数据接收器 数据接收器由数据接收寄存器、接收移位寄存器和接收控制电路组成 波特率发生器 XIN是外部

20、晶振输入信号，XOUT是外部晶振输出信号，XIN和XOUT一起构成反馈回路得到波特率发生器的振荡器。 4调制解调器Modem控制逻辑 Modem控制逻辑由Modem控制寄存器、Modem状态寄存器和Modem控制逻辑电路组成。 5中断控制逻辑中断控制逻辑由中断允许寄存器、中断识别寄存器和中断控制逻辑电路组成 16550内部寄存器 16550内部除了有数据发送寄存器、数据接收寄存器、发送移位寄存器、接收移位寄存器、除数寄存器之外，还有以下控制寄存器。 1通信线路控制寄存器LCR 2线路状态寄存器LSR 3Modem控制寄存器MCR 4Modem状态控制寄存器MSR 5中断允许寄存器IER (6)

21、 中断识别寄存器IIR9.4 SCSI接口 小型计算机标准接口SCSI (Small Computer Standard Iinterface) 目前已广泛应用于PC兼容系统以及许多工作站中，是外围设备接口中属于比较成功的一个。 传统的SCSI称为SCSI-1，数据传送宽度为8位。SCSI是一种并行接口，它可以5MHz时钟速度或5MB/s传送速度操作，SCSI-1最多与7个设备以菊花链形式连结到主机上。SCSI接口标准的主要特性1SCSI是系统级接口，可与各种采用SCSI接口标准的外设相连，总线上的主机适配器和控制器的总数最大为8个。2SCSI是一个多任务接口，具有总线仲裁功能。3SCSI总线

22、上的设备没有主从之分，双方平等。4SCSI可以按同步方式和异步方式传输数据。5SCSI可分为单端传送方式和差分传送方式。 SCSI接口操作步骤 SCSI接口的操作被设计成8个操作步骤:总线空闲操作、总线仲裁操作、选择操作、重新选择操作、命令操作、数据操作、状态操作和信息操作。图示为SCSI总线各个操作步骤的次序。 总线 空闲操作仲裁操作 （多个设备） 选择或 重新选择 命令、数据、 状态、信息加电或复位 信息传送期间SCSI接口的操作信号 SCSI-1配备有18条信号线，被分成4类。它们分别是数据线、数据奇偶校验线、控制线、和信号地。其中有9条是数据线，其中8条用于数据信号的传送，1条被当成奇

23、偶校验线。另有9条是控制线。图示为宽度为16位的SCSI 总线接口信号。启动设备目标设备BSYSELC/DI/OMSGREQ ACKATNRSTDB15DB8、DBP1DB7DB0、DBP SCSI接口信息 SCSI接口有3种信息格式，它们分别是单字节、双字节和三字节信息或更多字节的扩充信息。通常，信息的第一个字节表示的是信息代码，由这个代码决定信息的格式， 表9-2列出了信息的格式种类。 表9-3列出了扩充信息的结构。 SCSI接口命令 SCSI接口协议的核心部分是SCSI接口命令集，每条命令均由启动设备发送，告之目标设备要进行的是一些什么操作。命令的内容包含有：从目标设备检索数据读、将数据

24、发送到目标设备写、以及外设的一些特定的操作。在所有各种情况下，执行的命令是以下步骤的全部或某些子集。 1目标设备获得命令信息，并对其进行译码。 2将数据传送到目标设备，或从目标设备将数据传送出来并非所有命令都这样执行。 3由目标设备产生状态信息并将其传送出去。 SCSI接口命令是由启动设备提供和发出的，命令是在命令描述块CDB中规定的，命令描述块CDB是由字节组成的，如图示。 24141118位操作码逻辑单元号 保留或逻辑模块地质逻辑模块地址（根据需要）传送长度 （根据需要）或参数表长度（根据需要）或分配长度（根据需要）控制 9.5 数模D/A转换器和模数转换器 数/模转换器D/A能把数字信号

25、Digit转换为模拟信号Analog。 模/数转换A/D器能把模拟信号Analog转换为数字信号Digit。 D/A和A/D转换主要用于计算机实时控制和自动测量系统中，如图示。 传感器执行元件A/D数字量量模拟量输入(数据采集)D/A输入接口模拟量数字量量数字量量计算机数字量量生产过程 输出接口模拟量模拟量输出(处理后的控制信息)数/模转换器 数/模转换器的基本原理 数/模转换器的功能是把数字信号Digit转换为模拟信号Analog。数/模转换器简称为DAC。DAC的主要组成部件包括模拟开关、电阻网络和运算放大器，如图 .位数字量输入模拟电压输出电阻网络运算放大器.模拟开关2. 基本运算放大器

26、 运算放大器的放大倍数足够大时，输出电压VO与输入电压Vi关系为：RfVo = -ViRI=-I1I=Vi/R=-V0/ RfViRf VOR I1I 电流多个支路见下页多个输入支路的运算放大器输出电压VO与输入电压Vi的关系：Vo=-IRf=(Vi/R1+Vi/R2+ +Vi/Rn)Rf假设令每个支路输入电阻为2iR，且(Rf/R)Vi=Vref ，有:Vo=-Vi(1/2R +1/4R+1/2nR)Rf =-Vi(1/2 + 1/4+ + 1/2n)Rf/RVo=-Vref(1/2 + 1/4+ + 1/2n) (Vref为基准电压)Rf VOViR1RnI1InI 总电流I2I=-(I1

27、+I2+In)权电阻网络 采用开关控制支路合上时 Si=1，断开时 Si=0 输出：Vo=-Vref (S1/2 +S2/4+ + S8/256) 输入数据为00H：8个开关都断开，VO=0 输入数据为01H：S8开关闭合， VO=-1/256Vref 输入数据为FFH：8个开关都闭合，Vo =-255/256Vref 2RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8（这里n=8）8R16R256R输出对应D8对应D7对应D14R数/模转换器的主要性能参数 1 分辩率 2转换精度(误差) 3转换时间 4线性误差典型D/A转换器芯片及其应用 DAC0832是双列直插式8位D/A转换器芯片，

28、能完成数字量输入到模拟量(电流)输出的转换。DAC0832内部采用T型电阻网络，输出为差动电流信号IOUT1和IOUT2，只有把差动信号输入到外接运算放大器，才能得到模拟信号输出。IOUT1IOUT2VREF差动电流输出东参考电压输入数据D7D08位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器DAC0832内部寄存器和转换器 DAC0832是一种D/A变换器。特点： 8位电流输出型D/A转换器 T型电阻网络 差动输出主要引线功能D7D0：输入数据线ILE：输入锁存允许CS：片选信号WR1：写输入锁存器1234567891020191817161514131211VCCILEWR2XFERD4D5D6D7L