微机原理与接口技术新第六章

1、一、I/O接口的功能,1. 采用I/O接口的必要性,* 外围设备的品种繁多 机械，电子，机电，磁电，光电 * 所传输的信息的要求不同 数字，模拟，电压，电流等,计算机与外设之间的信息交换应解决的问题：,* 速度不匹配 * 信号电平不匹配 * 信号格式不匹配 * 信号时序不匹配,第六章 I/O接口和总线,接口： Interface，是为两不相容部件能连接而设置的一 个界面。在计算机中是连接外设，实现数据传送的控制电路，是CPU与外设间信息通讯的桥梁。,2. I/O接口应具有的功能（解决的方案）,* 设置信号电平转换电路以解决两者之间信号电平的不一致问题 例如：在串行通信中，常采用MC1488，M

2、C1489等芯片实现 电平转换。,* 设置信息转换逻辑以满足对各自信号格式的要求 例如：A/D转换，D/A转换，串/并转换，并/串转换等。,* 设置时序控制电路以同步CPU和外设的工作 接口电路接收CPU送来的命令或控制字，实施对外设的控 制和管理；外设的工作状态和应答信号也通过接口及时返 回给CPU（设备就绪，忙，缓冲器满，空），保证CPU与 外设工作实现同步。,* 提供地址译码电路 CPU与多个外部设备交换信息； 每个外部设备通常包含若干个端口（数据，控制，状态）。,* 最好可编程应用,二 简单的I/O接口芯片 常用I/O芯片：缓冲器（Buffer)和锁存器（Latch) 缓冲器：无锁存功

3、能，在外设和CPU之间起缓冲 驱动和隔离作用。总线缓冲器具有三态功能。 锁存器：除具有缓冲功能外还有数据锁存记忆功能。,缓冲器 74LS244 8路单向数据缓冲器 74LS245 8路双向数据缓冲器,（1）、8路单向数据缓冲器74LS244 三态输出的八缓冲器和线驱动器； 8个输入端，分为二路1A11A4，2A12A4； 8个输出端，分为二路1Y11Y4，2Y12Y4； 分别由2个门控信号 和 控制； 和 为低，芯片工作，Y = A； 74LS244缓冲后，输入信号被驱动，输出信号的驱动能力加大了； 常用的缓冲器还有74LS240和74LS241等。,74LS244缓冲器逻辑电路和引脚图,（2

4、）、 8路双向数据收发器74LS245 三态输出的8总线收发器； 16个双向传送的数据端，A1A8，B1B8； 两个控制端使能端 和方向控制端DIR； 芯片的功能见表6-2。 表 74LS245的真值表 通常用于数据的双向传送、缓冲和驱动。 常用的数据收发器还有74LS243、Intel 8286、Intel 8287等,74LS245八总线收发器逻辑电路和引脚图,锁存器74LS373 8D锁存器 8输入：1D8D 8输出：1O8O 输入允许端：OE 输出预选端：G,表6-1 74LS373的真值表,H为高电平，L为低电平，Q0为原状态，Z为高阻抗，为任意值。 74LS373锁存器主要用于锁存

5、地址信息、数据信息以及DMA页面地址信息等。 常用的锁存器还有74LS273，573，Intel 8282和8283等,74LS373锁存器逻辑电路和引脚图,I/O端口及寻址方式 I/O端口（Port)：I/O接口电路中的寄 存器及其控制逻辑。 接口信息：数据信息 状态信息 控制信息 I/O接口中的三种I/O端口 如图所示,一个基本的外设接口如图所示,“外设接口”是“CPU”与“外设”之间传递信息的控制电路， 是“CPU”与“外设”之间传送信息的一个“界面”、一个连接部件。 外设接口一边通过CPU的三总线（或微机总线）同CPU连接，一边通过三种信息数据信息、控制信息和状态信息同外设连接。,数据

6、端口：8位 状态端口：指示当前状态。常用状态位有。1位n位 准备就绪位（READY）：对CPU而言，是否可读写数据。 a.输入端口 READY=1，数据寄存器准备好，待CPU读取，取走则清0。 b.输出端口 READY =1，输出寄存器为空，可接收CPU下一个数据， 数据到，则清零。 忙碌位（BUSY）：表示输出设备能否接收数据。 BUSY=1，外设正在进行操作，暂不允许CPU送新数据； 操作完，则清零表示外设处于清闲状态，又允许CPU送下一 数据到输出端口。 错误位（Error）：如奇偶错，溢出错等,命令端口（ Command Port or Control Port) 1位n位 存放CPU

7、发出的命令和控制字，控制设备和接口动作。 各种芯片的控制字无统一格式，其意义和用法要查阅用户手册。 用户设计：用D触发器或三态缓冲器 信息传送：用IN PORT，OUT PORT 指令,BUSY READY ERROR,状态端口,I/O端口寻址方法 CPU通过对I/O端口寻址，连接并访问与I/O端口相连的外设。每个外设I/O端口都有自己的地址。 I/O端口寻址方式,I/O单独编址方式 存储器映象寻址方式 （Memory mapped I/O),I/O单独编址方式 系统中的I/O端口单独编址，构成一个I/O地址空间； 与存储器地址空间无关，故不占用其空间。 8086的I/O寻址方式：可用A0A1

8、5寻址65536个I/O端口 8086有两个地址空间：I/O地址空间和存储器地址空间， 用M/IO选择，=0，I/O寻址，=1为M寻址。,优点：指令独立，程序清晰，可读性好； 指令短，执行速度快，不占内存空 间； I/O译码电路简单。 缺点：指令功能没有存储器指令强； CPU需专门信号（ M/IO）区分M 和I/O读写信号。,存储器映象寻址 即I/O地址映射到存储器空间 把I/O端口看作一个存储器单元，与存储器单 元统一编址，系统只有一个地址空间。 优点：指令集中，不必包含I/O指令，简化指令 系统设计。 可使用功能强而灵活的存储器访问指 令。 缺点：占用存储器地址，译码电路用全译码， 故电路

9、较I/O寻址复杂。 I/O操作时使用的指令字节长，增加操作 时间。,四 数据传送的控制方式 在数据传送过程中，关键问题是数据传送的控制方式 1 程序控制传送方式 程序控制的数据传送分为无条件传送、查询传送和中断传送； 以CPU为中心，数据传送的控制来自CPU，通过预先编制好的输入或输出程序（传送指令和I/O指令）实现数据的传送。,6.2 CPU与外设之间的数据传送,一、无条件传送 无条件传送又称为同步传送。 计算机在确定外设已经准备好的情况下，无需去查看外设的状态直接进行的传送。 例如一些简单的外设，开关、继电器、数码管、发光二极管等，在它们工作时，可以认为输入设备已随时准备好向CPU提供数据

10、，而输出设备也随时准备好接收CPU送来的数据，这样，在CPU需要同外设交换信息时，无需考虑外设的状态，直接就能够用IN或OUT指令直接对这些外设进行输入/输出操作。,无条件输入接口由地址译码器、输入缓冲器（三态缓冲器）组成。 无条件输出接口由地址译码器、数据锁存器组成。 地址译码器常用74LS138译码芯片。,G1=1，/G2A=0，/G2B=0时可译码,CBA=000，/Y0=0，其余为1,CBA=001，/Y1=0，其余为1,CBA=111，/Y7=0，其余为1,.,对于简单外设，若采用无条件传送方式，其接口电路也很简单。例如简单外设作为输入设备时，输入数据保持时间相对于CPU的处理时间要

11、长得多，所峥可直接使用三态冲器和数据总线相连，如图(a)所示。,当执行输入的指令时，读信号有效，选择信号M/IO处于低电平，因而三态缓冲器被选通，使其中早已准备好的输入数据送到数据总线上，再到达CPU。所以要求CPU在执行输入指令时，外设的数据是准备好的，即数据已经存入三态缓冲器中。,M/IO,/RD,/CS,IN AL，PORT-IN,简单外设为输出设备时，由于外设取数的速度比较慢，要求CPU送出的数据在接口电路的输出端保持一段时间，因而一般都需要锁存器，如图(b)所示。,CPU执行输出指令时，M/IO和WR信号有效，于是，接口中的输出锁存器被选中，CPU输出的信息经过数据总线送入输出锁存器

12、中，输出锁存器保持这个数据，直到外设取走。 无条件传送方式下，程序设计和接口电路都很简单，但是为了保证每一次数据传送时外设都能处于就绪状态，传送不能太频繁。对少量的数据传送来说，无条件传送方式是最经济实用的一种传送方法。,1D,2D,8D,1Q,2Q,8Q,G,M/IO,/WR,/CS,74LS373,+5V,LED,无条件输出,OUT PORT-OUT，AL,例：设计一输入接口（同步传送），8位开关量，地址C00H (8086)。,A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0

13、 0 0,接口设计总结 地址信号分析：将16位地址展开，按要求将地址一一对应填好，找出哪些位地址是低电平，哪些位地址是高电平，经逻辑组合后接入地址译码器。 控制信号分析：根据接口性质（是输入接口还是输出接口），采用/RD和M/IO或/WR和M/IO信号进行控制。 数据信号分析：输入接口一定要三态缓冲器，可要锁存器；输出接口一定要锁存器。,作业 设计一8位同步传送的输出接口电路，控制发光二极管。当某位输出为“1”时，发光二极管亮，否则发光二极管灭，地址为280H 。,二、查询传送方式（条件传送方式）,查询传送也称为条件传送，是指在执行输入指令(IN)或输出指令(OUT)前，要先查询相应设备的状态

14、，当输入设备处于准备好状态，输出设备处于空闲状态时，CPU才执行输入/输出指令与外设交换信息。为此，接口电路中既要有数据端口（可为输入，也可为输出） ，还要有一个一位的状态端口(输入) 。,查询传送方式的流程图：,从图中可以看出，采用查询方式完成一次数据传送要经历如下过程： (1) CPU从接口中读取状态字。 (2) CPU检测相应的状态位是否满足“就绪”条件。 (3) 如果不满足，则重复(1)、(2)步；若外设已处于“就绪”状态，则传送数据。,1、查询式传送输入接口,有一个一位的状态口（输入），有一个8位的数据口（输入）,当外设发一个选通信号时, 数据送入373中, 同时状态信息为“准备好”

15、,即Q=1 CPU查询到状态信息为“准备好”时, 从数据线读取数据,同时使状态信息为“未准备好”,即Q=0,MOV BX， 0 ；初始化地址指针 MOV CX，COUNT-1 ；字节数 READ-S1：IN AL，PORT-S1 ；读入状态位 TEST AL，01H ；数据准备好否？ JZ READ-S1 ；否，循环检测 IN AL，PORT-IN ；已准备好，读入数据 MOV BX，AL ；存到内存缓冲区中 INC BX ；修该地址指针 LOOP READ-S1 ；未传送完，继续传送 ；已传送完,2、查询式传送输出接口,有一个一位的状态口（输入），有一个8位的数据口（输出）,74LS 138

16、,G1 /G2B /G2A,C B A,A11,A12,A5,A4,A3,+,A9,A8,A7,A6,WR,74LS373,/OE,G,D7,D0,/Y1,RD,D1,D,Q,S,数据选通,Q8,Q1,D1,D8,R,当外设发一个数据选通信号时,将373中的数据取走, 同时状态信息为“空”,即Q=0 CPU查询到状态信息为“空”时,送出数据,同时使状态信息为“不空”,即Q=1,查询式输出,MOV CX，COUNT-2 ；传送字节数 READ-S2：IN AL，PORT-S2 ；读入状态位 TEST AL，02H ；空否？ JNZ READ-S2 ；不空，循环检测 MOV AL， 输出数据 ；空

17、 OUT PORT-S2 ，AL ；输出数据； LOOP READ-S2 ；未传送完，循环 ；已传送完,查询传送方式的主要优点是能保证主机与外设之间协调同步地工作，且硬件线路比较简单，程序也容易实现。但是，在这种方式下，CPU花费了很多时间查询外设是否准备就绪，在这些时间里CPU不能进行其他的操作；此外，在实时控制系统中，若采用查询传送方式，由于一个外设的输入/输出操作未处理完毕就不能处理下一个外设的输入/输出，故不能达到实时处理的要求。,因此，查询传送方式有两个突出的缺点：浪费CPU时间，实时性差。所以，查询传送方式适用于数据输入/输出不太频繁且外设较少、对实时性要求不高的情况。 不论是无条

18、件传送方式还是查询传送方式，都不能发现和处理预先无法估计的错误和异常情况。为了提高CPU的效率、增强系统的实时性，并且能对随机出现的各种异常情况做出及时反应，通常采用中断传送方式。,三、中断传送,中断传送方式是指当外设需要与CPU进行信息交换时，由外设向CPU发出请求信号，使CPU暂停正在执行的程序，转去执行数据的输入/输出操作，数据传送结束后，CPU再继续执行被暂停的程序。,查询传送方式是由CPU来查询外设的状态，CPU处于主动地位，而外设处于被动地位。中断传送方式则是由外设主动向CPU发出请求，等候CPU处理，在没有发出请求时，CPU和外设都可以独立进行各自的工作。目前的微处理器都具有中断

19、功能，而且已经不仅仅局限于数据的输入/输出，而是在更多的方面有重要的应用。例如实时控制、故障处理以及BIOS和DOS功能调用等。,中断传送方式的优点是：CPU不必查询等待，工作效率高，CPU与外设可以并行工作；由于外设具有申请中断的主动权，故系统实时性比查询方式要好得多。但采用中断传送方式的接口电路相对复杂，而且每进行一次数据传送就要中断一次CPU，CPU每次响应中断后，都要转去执行中断处理程序，且都要进行断点和现场的保护和恢复，浪费了很多CPU的时间。故这种传送方式一般适合于少量的数据传送。对于大批量数据的输入/输出，可采用高速的直接存储器存取方式，即DMA方式。,四、 DMA方式 DMA传

20、送方式是在存储器和外设之间、存储器和存储器之间直接进行数据传送(如磁盘与内存间交换数据、高速数据采集、内存和内存间的高速数据块传送等)，传送过程无需CPU介入，这样，在传送时就不必进行保护现场等一系列额外操作，传输速度基本取决于存储器和外设的速度。DMA传送方式需要一个专用接口芯片DMA控制器(DMAC)对传送过程加以控制和管理。在进行DMA传送期间，CPU放弃总线控制权，将系统总线交由DMAC控制，由DMAC发出地址及读/写信号来实现高速数据传输。传送结束后DMAC再将总线控制权交还给CPU。一般微处理器都设有用于DMA传送的联络线。,一、无条件传送方式 主要用于二种情况：外设随时准备好同C

21、PU之间的数据传送；外设的定时（外设处理信息的时间关系）是固定的并且是已知的场合，外设必须在微处理器限定的指令时间内准备就绪，并完成数据的接收或发送。 把I/O指令插入到程序中，当程序执行到该I/O指令时，外设必定已为传送数据作好准备，于是在此指令时间内完成数据传送任务。,二、查询传送方式 又称“条件传送方式”。用于外设的定时是不固定的或未知的场合。 CPU必须先对外设进行状态检测。完成一次传送过程的步骤如下： （1）通过执行一条输入指令，读取所选外设的当前状态。 （2）根据该设备的状态决定程序去向，如果外设正处于“忙”或“未准备就绪”，则程序转回重复检测外设状态，如果外设处于“空”或“准备就

22、绪”，则发出一条输入/输出指令，进行一次数据传送。,输入：1.输入设备发送数据时发数据选通信号锁存数据，并使状态端 口发出输入数据准备好高电平信号（READY）； 2.CPU检测到准备好高电平信号就读数据端口,同时清零触发器 使状态端口状态改变（低电平）； 3. CPU继续检测状态端口； 重复1，2步骤。,MOV BX，0 MOV CX，COUNT RDS1： IN AL，P1 TEST AL，01H JZ RDS1 IN AL，P2 MOV BX，AL INC BX LOOP RDS1,P1,P2,输出：1.CPU输出数据时发数据选通信号锁存数据，并使触发器Q端为高电 平信号，状态端口为高电

23、平忙（BUSY）； 2.输出设备检测高电平信号就读数据端口,读数据后发出应答信号 （ACK），触发器复位，并使状态端口状态改变（低电平）； 3.CPU检测到状态端口由高电平忙（BUSY）变为低电平（不忙）又 输出下一个数据； 重复1，2步骤。,P1,P2,MOV BX,OFSET DAT MOV CX，COUNT RDS2： IN AL，P1 TEST AL，02H JNZ RDS2 MOV AL，BX INC BX LOOP RDS2,三、中断传送方式 无条件传送和查询传送的缺点是CPU和外设只能串行工作，各外设之间也只能串行工作。利用中断来实现CPU与外设之间的数据传送，这就是中断传送方式。 通常是在程序中安排好在某一时刻启动某一台外设，然后CPU继续执行其主程序，外设完成数据传送的准备后，向CPU发出“中断请求”信号，在CPU可以响应中断的条件下，现行