微机原理课件第7章新

第7章常用芯片的接口技术7.1概述7.2外设接口的编址方式7.3输入输出控制方式7.4常用芯片接口技术17.1概述接口的基本概念物理接口----硬件，包括控制部件、接口、设备与逻辑接口----软件，主要是输入输出程序，以驱动程序的形式出现27.1概述一、输入输出与输入输出接口

1.输入输出是指微处理器与外部设备之间的信息交换。

2.输入输出接口是指完成输入输出任务的接口。

37.1概述二、I/O接口的功能

1.地址译码

2.提供联络信号

3.信号特性匹配

4.信息格式转换

5.数据缓冲与锁存

6.对外设进行中断管理

7.提供时序控制47.1概述三、I/O接口的分类

1.并行和串行

2.通用和专用

3.可编程和不可编程

4.程序控制、中断方式、DMA方式、通道方式和I/O处理机方式等。

5并行通信和并行接口

1、并行通信特点：并行通信传输速度快，传输的信息率高。但必须距离短。2、并行接口并行输入过程并行输出过程6串行通信与串行接口

1、串行通信串行通信的优点是通信线少，成本低。可以在长距离通信中传输。

2、串行接口串行输入过程串行输出过程线路传输方式：单工、半双工和全双工7串行通信的主要指标

1、波特率单位时间内传送二进制数据的位数

2、发送/接收时钟发送/接收时钟频率取波特率的16、32、64倍8串行通信方式及异步通信协议

1、异行通信方式及异步通信协议协议主要有两个方面的内容：字符传送格式、数据传送速率特点：字符随机、格式统一、可变协议

9串行通信方式及异步通信协议

2、同步通信概念特点：时间间隔固定、有同步符、速度较快、要求时钟同步10串行接口的功能

1、进行串并转换

2、串行数据格式化

3、可靠性检查

4、实现联络控制return117.1概述四、微处理器与I/O设备之间的接口信息有三类信息1.数据信息：数字量、模拟量和开关量

2.状态信息：提供当前的工作状态

3.控制信息：向外部设备发送的命令对应的信息是由端口存放的

127.1概述状态控制DBCBABCPU数据寄存器状态寄存器控制寄存器地址选择与控制逻辑I/O设备I/O接口数据return137.2外设接口的编址方式一、编址方式1.统一编址（存储器映射地址）----优点：指令丰富、无专用指令缺点：内存容量减少，寻址速度慢2.独立编址（I/O映射编址）----优点与缺点

14二、I/O组织1.I/O组织形式分为8位、16位、32位和64位等几种情况与存储器相似。但要注意的是端口数只有64K个。2.I/O端口的地址分配3.I/O端口的访问：端口指令return157.3输入输出控制方式一、直接程序控制方式：直接在程序控制下进行微处理器与外设之间的数据传送。

1.无条件传送方式----同步传送方式是指可以在需要的时刻让CPU直接与外设进行输入输出操作，亦即CPU仅需要通过I/O指令即可由接口获取外设数据或为外设提供数据。这种方式的实现很简单，硬件上只需要提供CPU与外设连接的数据端口，而软件上则只提供相应的输入或输出指令即可。16（1）输入接口设计

对于简单的输入设备，在硬件上只需要设计一个数据输入接口即可以将该外设与CPU连接起来。实现数据输入接口的器件可选用三态门，如74LS244。

17图7.1开关K与微机系统连接的接口电路18

如果希望完成如下任务：当开关接通时，CPU执行程序段ON；当开关断开时，CPU执行程序段OFF。下述指令的执行可以完成该任务：

MOVDX,0FFF7HINAL,DXANDAL,01HJZON；假定程序段ON与本程序段在同一内存段中

JMPOFF

19图7.2三态门作为数据输入接口的一般连接模式20（2）输出接口设计作为无条件传送方式实现数据输出的例子，下面给出CPU对发光二极管的控制。图7.3为发光二极管与微机系统连接的接口电路。锁存器作为发光二极管与微机系统数据总线连接的中间接口，接收来自CPU的输出数据。当锁存器的CP端出现上升沿信号时，数据总线上的数据被锁存于锁存器内部并输出。

21图7.3发光二极管与微机系统连接的接口电路

22反相器对锁存器起保护作用，当发光二极管发亮时，反相器提供足够大的吸入电流，以保护锁存器不受损坏。对于图中电路，CPU执行下述指令可以使两个发光二极管发亮：

MOVDX，0000HMOVAL，81HOUTDX，AL23

而CPU执行下述指令可以使两个发光二极管不发亮：

MOVDX，0000HMOVAL，00HOUTDX，AL24图7.4锁存器作为数据输出接口的一般连接模式

252.条件传送方式（程序查询方式）

如果外设的速度比较慢，对CPU的工作效率要求不高，那么CPU就可以查询的方式与外设进行信息交换。查询方式的实现：有两种工作形式，输入数据和输出数据，不管哪种形式，都要求外设提供状态信息。

26图7.5典型的查询方式工程流程27二.中断传送方式

在外设状态满足要求时，外设通过I/O接口向微处理器发了要求数据传送的请求信号，接到请求信号后，微处理器才去响应，执行输入输出操作。提高了微处理器的工作效率。28三.DMA控制方式

在内存与外设之间开辟了专用的数据通道，在DMA控制器的控制下直接进行数据交换而不通过微处理器，不用I/O指令。29

1.DMA工作过程

DMA方式之所以能够实现外设与计算机系统的高速信息交换，关键在于该方式的实现采用了专用控制器(称之为DMA控制器)而CPU不参与控制，这使得DMA方式与其他I/O方式有了显著的区别：DMA方式不是在程序控制下进行的，而是以纯硬件控制的方式进行的。30图7.6DMA方式工作示意图

31DMA方式的实现过程如图7.6所示，描述如下：①外设向DMAC发出DMA请求DREQ；②DMAC将此请求传递到CPU的总线保持端HOLD，向CPU提出DMA请求；③CPU在完成当前总线周期后检测HOLD，在非总线封锁条件下，对DMA请求作出响应：一是CPU将地址总线、32

数据总线、控制总线置高阻，放弃对总线的控制权；二是CPU送出有效的总线响应信号HLDA加载至DMAC，告之可以使用总线；

④DMAC接收到有效的总线响应信号后，向外设送出DMA应答信号DACK，通知外设做好数据传送准备，同时占用总线，开始对总线实施控制；33⑤DMAC送出内存地址和对内存与外设的控制信号，控制外设与内存或内存与内存之间的数据传送；⑥DMAC通过计数控制将预定的数据传送完后，向CPU发出无效的HOLD信号，撤消对CPU的DMA请求：

⑦CPU收到此信号后，送出无效的HLDA，并重新开始控制总线，实现正常的总线控制操作。34

图7.7不同I/O方式下的数据通路(a)程控或中断方式下的数据传送通路；(b)DMA方式下内存与外设间数据传送通路；(c)DMA方式下内存与内存间数据传送通路35

二.DMA操作的基本方法

1.周期挪用：即把CPU不访问存储器的那些周期挪用来进行DMA操作。在这种方式中，DMAC可以使用总线而不用通知也不影响CPU。使用这种方法的主要问题是如何识别可挪用的周期，以避免与CPU的操作发生冲突。有的CPU产生一个存储器是否被使用的信号，而大多数的CPU则通过比较复杂的时序电路来识别。36

这种方式的特点是不影响CPU的操作，但所需的电路比较复杂，而且数据的传送是不连续和不规则的，故不太普遍使用。

2.周期扩展：这种方式需要专门的时钟/驱动器电路。当需要进行DMA操作时，由DMAC发出请求信号给时钟电路。于是时钟电路把供给CPU的时钟周期加宽，而提供给存储器和DMAC的时钟周期不变，这37

样，CPU在加宽的时钟周期内操作不往下进行，而这加宽的时钟和DMAC的时钟周期相当于若干个正常的时钟周期，可用来进行DMA操作。这种方式的特点是会使CPU的处理速度降低，而且CPU的时钟加宽是有限的，一次只能传输一个数据。3.CPU停机：在DMAC要进行DMA操作时，向CPU发出DMA的请求信号，迫使CPU在当前的总线周期结束后，38使其地址、数据和部分控制引脚处于三态，从而让出总线的控制权，并给出一个DMA响应信号，使DMAC可以控制总线进行数据传送，直到DMAC完成传送操作，使DMA请求信号无效以后，CPU再恢复对系统总线的控制，继续进行被中断的操作。在这种方式中CPU让出总线权的时间，取决于DMAC保持DMA请求信号的时间。39所以，可以进行单字节传送和数据块传送。在DMA传送期间，CPU处于一种空闲状态，会影响到CPU对中断的响应和对DRAM的刷新。40三.DMA传送方式1.单字节传送：DMAC仅传送一个字节的数据，每传送完一个字节，都撤除DMA请求信号，释放总线。可以看出，在这种方式下，由CPU和DMAC轮流控制系统总线。2.数据块传送：DMAC一旦获得总线的控制权，便开始连续传送数据。直到所有数据全部传送完毕。在这种方式中，CPU可能很长时间无法获得总线控制权。413.请求传送方式：在DMAC进行DMA期间，必须要求总线请求信号始终有效，直到传送完毕。如果在传送期间，总线请求信号无效，则停止传送。42四.通道传送方式五.I/O处理机方式return437.4常用芯片接口技术一、I/O接口的基本结构主要分为两个部分，一部分与I/O设备相连，另一部分与系统总线相连。主要功能部件:1.数据总线缓冲器缓冲与驱动的作用2.联络控制逻辑传送相关信号3.地址缓冲及译码电路444.内部寄存器（1）输入数据寄存器（2）输出数据寄存器（3）控制寄存器（4）状态寄存器

READY、BUSY、ACK45二、I/O地址译码译码的思路与存储器的译码一样