6.第六章 IO接口和总线

1、第六章 I/O接口和总线,教学内容：I/O接口的功能及简单的输入输出接口芯片I/O端口及其寻址方式CPU与外设间的数据传输方式总线的概念常见标准总线 教学要求：了解I/O接口及总线的概念及功用。掌握4种CPU与外设间传输数据方式的原理及特点。了解常见标准总线结构。 教学重点：CPU与外设间传输数据方式 教学难点：DMA方式,第六章 I/O接口和总线,6-1 I/O接口 6-2 总线,6-1 I/O接口,一、 I/O接口的功能 接口电路是专门解决CPU与外设之间的不匹配、不协调工作而设置的，它处在总线与外设之间，一般具备以下基本功能： （1）设置数据缓冲器以解决速度差异，并配以适当的联络信号。

2、（2）设置电平转换 。例如可采用 MC1488、MC1489、MAX232 和 MAX233等芯片来实现电平转换。,单片机 8031,TXD,1488,EIA RS232C 1= -12V 0= +12V,PC COMPUTER,RXD,+12V,-12V,RXD,+5V,1489,TXD,串口 TTL电平,串口,发送器,接收器,（5）CPU要与多个外设打交道，一个外设通常包含若干个端口。这就需要外设地址译码电路，使CPU在同一时刻只能选中某一个I/O端口.,（3）设置信息转换逻辑以满足对各自格式的要求。如A/D、D/A、串/并、并/串转换。 （4）设置时序控制电路来同步CPU和外设的工作。以

3、握手联络（Handshaking)来保证主机和外部I/O实现同步。,二、I/O端口及寻址方式,1. I/O端口 CPU与外设通信时，传送的信息包括数据信息、状态信息和控制信息，这些信息分别进入不同的寄存器，这些寄存器和它们的控制逻辑统称为I/O端口。,I/O端口的基本结构,外 部 输 出 输 入 设 备,（2）命令端口（Command Port) 命令端口（Command Port)也称控制端口（Control Port), 用来存放CPU向端口发出命令和控制字，以控制外设的动作。常见的命令信息有启动、停止、允许中断等，常见的控制字有方式选择控制字、操作命令字等。,(1)数据端口（Data P

4、ort) 在CPU与外设之间传送数据时数据端口主要起数据缓冲作用。,I/O端口的基本结构,外 部 输 出 输 入 设 备,（3）状态端口（Status Port） 状态端口用来指示外设的当前状态，每种状态用一位表示，它们可由CPU读取，以检查外设的状态，决定程序的流向。最常用的状态位有： 准备就绪位(READY)。如果是输入端口，该位为1，表明端口的数据寄存器已准备好数据，等待CPU来读取。如果是输出端口，该位为1，表明端口的输出数据寄存器已空，可以接受CPU的下一个数据了。 忙位（Busy）。该位为1，表明外设正在进行输出数据操作，暂时不允许CPU送新的数据过来。该位为0，表示外设已处于空闲

5、状态，允许CPU 送下一个数据到输出端口。 错误位（Error)。数据在传送过程中产生了某种错误，可将此位置1。 CPU 查处错误状态后便进行相应处理，例如重新传送或停止操作。,2. I/O端口的寻址方式 （1）统一编址方式 又称“存储器映射方式”。在这种编址方式下 ，I/O端口地址置于1MB的存储器空间中，在整个存储空间中划出一部分空间给外设端口 ，端口和存储单元统一编址。 优点：无需专门的I/O指令，对端口操作的指令类型多，从而简化了指令系统的设计。 缺点：端口占用存储器的地址空间，使存储器容量更加紧张，同时端口指令的长度增加，执行时间较长，端口地址译码器较复杂。,（2）I/O单独编址方式

6、 这种方式的端口单独编址构成一个I/O空间，不占用存储器地址空间，而是用专门的IN指令和OUT指令来访问 I/O端口。 优点：端口所需的地址线较少，地址译码器较简单，采用专用的I/O指令，端口操作指令执行时间少，指令长度短 。 缺点：输入输出指令类别少，一般只能进行传送操作。 80 x86/8088CPU采用I/O 端口独立编址方式,三、CPU与外设间的数据传送方式,主机与外设之间数据传送的控制方式有以下四种： * 无条件传送 * 查询式传送 * 中断方式传送 * 直接存储器存取DMA ( Direct Memory Access) 1.无条件传送方式 适用于总是处于准备好状态的外设 以下外设

7、可采用无条件传送方式： 开关 发光器件(如发光二极管、7段数码管、灯泡等) 继电器 步进电机 优点：软件及接口硬件简单 缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄,83FCH 83FFH,译码器,接口电路如图所示，74LS244是三态输出的8 缓冲器,例1. 输入接口：将8个开关的状态输入CPU,接口电路如图所示，74LS273是八D触发器，具有锁存数据的功能。,译 码 器,=1,=1,. . .,. . .,. . .,+5V,R,D0 D7,CP,Q0,Q7,. . .,D0D7,A0A15,IOW,74LS273,R,例2. 输出接口:用程序来控制LED的点燃和熄灭,2. 查询方式,适用于外设

8、并不总是准备好，而且对传送速率、传送效率要求不高的场合。 CPU在与外设交换数据前必须询问外设状态 “你准备好没有？” 对接口及外设的要求：需要提供状态端口及设备状态信息。 优点：软件比较简单 缺点：CPU效率低，数据传送的实时性差， 速度较慢,查询方式的流程图,超时?,READY?,与外设进 行数据交换,超时错,读入并测试外设状态,Y,N,Y,N,传送完？,防止死循环,复位计时器,N,Y,外设状态端口地址为03FBH，第5位(bit5)为状态标志（=1，忙；=0，准备好）,D5,D7-D0,A9 | A3,1,输出字节数 READS: IN AL, PORTS ；读状态位 TEST AL,2

9、0H ；忙？ JNZ READS ；忙，继续测 MOV AL, 输出数据 ；不忙 OUT PORTO,AL ；输出数据 LOOP READS ；未传完，循环 ：,3. 中断方式,CPU无需循环查询外设状态，而是外部设备在需要进行数据传送时才中断CPU正在进行的工作，让CPU来为其服务。即CPU在没有外设请求时可以去做更重要的事情，有请求时才去传输数据，从而大大提高了CPU的利用率。 优点：CPU效率高，实时性好，速度快。 缺点：程序编制较为复杂。,中断传送过程： 初始化外设 外设准备好后，向CPU发一个选通信号 外设向CPU发中断请求 CPU收到中断请求信号，在允许相应的前提下，暂停现行程序，

10、转去执行中断服务程序，执行输入输出操作 中断服务结束后，返回原来的程序继续执行,4.DMA传输,(1) DMA方式的提出 前面三种I/O方式都需要CPU作为中介： 外设 CPU 内存 两个含义： 1）软件：外设与内存之间的数据传送是通过CPU执行程序来完成的（PIO方式）； 2）硬件：I/O接口和存储器的读写控制信号、地址信号都是由CPU发出的（总线由CPU控制）。 缺点：程序的执行速度限定了传送的最大速度（约为几十KB/秒）解决：DMA传输,(2) DMA传输: DMA(Direct Memory Access) 外设 内存 外设直接与存储器进行数据交换 ，CPU不再担当数据传输的中介者；

11、总线由DMA控制器（DMAC）进行控制（CPU要放弃总线控制权），内存/外设的地址和读写控制信号均由DMAC提供。 优点：数据传输由DMA硬件来控制，数据直接在内存和外设之间交换，可以达到很高的传输速率（可达几MB/秒）,系统总线,CPU,DMAC,存储器,外设接口,AEN,IOW,MEMW,MEMR,IOR,MEMW,MEMR,IOW,IOR,AEN,HOLD,HLDA,DRQ,DACK,AEN,IOW,IOR,MEMW,MEMR, 外设发出DMA请求 DMAC向CPU申请总线 CPU响应，释放总线控制权 DMAC得到总线控制权，并发出DMA响应信号 由DMAC发出各种控制信号，控制外设与存

12、储器之 间的数据传送 数据传送完后，DMAC撤销HOLD信号 CPU释放HLDA信号，并重新控制总线,DMA传送原理示意图,DB AB,DB AB,DB AB,8237A,DMA控制器的操作过程演示,？,DMA控制器的工作过程 CPU对DMAC(8237A)初始化：传送数据的字节数，内存块起始地址，选定DMA通道（8237内有4个通道）和传送方式。 1）当外设准备好，可以进行DMA传送时，外设向DMA控制器发出“DMA传送请求”信号（DRQ）； 2）DMA控制器收到请求后，向CPU发出“总线请求”信号HOLD，表示希望占用总线； 3）CPU在完成当前总线周期后会立即对HOLD信号进行响应。响应

13、包括两个动作：一是CPU将数据总线、地址总线和相应的控制信号线均置为高阻态，由此放弃对总线的控制权。另一方面，CPU向DMA控制器发出“总线响应”信号（HLDA）。 4）DMA控制器收到HLDA信号后，就开始控制总线，并向外设发出DMA响应信号DACK；,5）DMA控制器送出地址信号和相应的控制信号，实现外设与内存或内存与内存之间的直接数据传送； 例如，向I/O接口发出读信号，同时往地址总线上发出存储器的地址和存储器写信号和AEN信号，即可从外设向内存传送一个字节。 6）DMA控制器自动修改地址和字节计数器，并判断是否需要重复传送操作。当规定的数据传送完后，DMA控制器就撤销发往CPU的HOL

14、D信号。CPU检测到HOLD失效后，紧接着撤销HLDA信号，并在下一时钟周期重新开始控制总线。 CPU在每个非锁定时钟周期（LOCK为高),都要检测HOLD引脚，看是否有DMA请求。,*8086/8088可用A15A0对端口寻址， 形成64K I/O地址范围。但PC/XT只用 低10 位（A9A0）,I/O地址范围只有 1K。A9=0,寻址系统板上512个端口 A9=1,寻址I/O通道上512个端口 系统板上I/O地址采用74LS138译码器：,1.PC/XT机的I/O端口分配,表 PC/XT机的I/O端口分配表,AEN,A9,A8,A7,A6,A5,G1,G2A,G2B,C,B,A,Y0,Y

15、1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6,Y7,DMACS (8237A-5),INTRCS (8258A),T/CCS (8253-5),PPICS (8255-5),I/OW,WRTDMAPG 写DMA页面 寄存器,WRTNMIREG 写NMI屏蔽 寄存器,74LS138,74LS138对A7A6A5译码,Y0Y7低电平输出，接到相应芯片的CS端或控制端。 I/O地址低4位A3A0译出24=16个口地址，用来选择接口芯片内部寄存器。,四 PC机的I/O地址分配,2.PC/AT机的I/O端口地址分配 以80286为CPU的PC/AT机也使用低10位地址A19A0形成I/O端口地址， 地址范围：000

16、3FFH. 系统板口地址：0000FFH, 其余分配在I/O扩展版上。 与PC/XT不同的还有：使用2片8237A-5 DMA控制器， 2片8259A 中断控制器（分为主片和从片），定时器使用8254-2 。,目录,6-2 总线,一、总线的概念和分类 总线是微型计算机中模块到模块之间传输信息的通道，是各种公共信息线的集合，采用总线结构便于部件和设备的扩充。对微机而言，总线可以分为以下四类： 片内总线是微处理器的内总线，在微处理器内用来连接ALU、CU和寄存器组等逻辑功能单元。这种总线没有具体标准，由芯片生产厂家自己确定。 片间总线微处理器、存储器芯片、I/O接口芯片之间的连接总线。片间总线通常

17、包括数据总线、地址自信心和控制总线。,内总线微型计算机系统内连接各插件版的总线，有不同的总线标准，如S-100总线（IEEE-696标准），STD总线，IBM-PC总线标准等，采用不同总线标准的功能板无法连接在一起。 外总线微型计算机系统之间或微型计算机与外部设备之间的通道。外总线技术已经很成熟，各种应用要求皆有标准可遵循。如并行总线IEEE-488标准，串行总线RS-232标准等。,单总线结构,CPU,M,M,I/O,I/O,I/O,二、总线结构,系统内部存储器和I/O接口均挂在总线上，单总线接口的 优点是：易于扩充I/O设备，控制简单； 缺点是：系统所有部件和设备都连在一条总线上，总线只能

18、分时工作，数据传输量受到限制。,多总线结构,面向CPU的双总线结构 面向主存的双总线结构,双总线结构 多总线结构,面向CPU的双总线结构,CPU,M,I/O,I/O,I/O,如图所示：它是在CPU与主存之间， CPU与I/O设备之间分别设置一组总线：它的优点是：CPU可同时和主存，和I/O设备之间并行交换信息，提高了微机系统的数据传输的效率。 缺点是：外设与主存储器之间没有直接通路。外设与主存储器交换数据时，必须经过CPU进行信息交换，降低了CPU的利用率。,存储器与I/O接口间无直接通道,面向存储器的双总线结构,CPU,M,I/O,I/O,I/O,在单总线结构基础上增加一条CPU到存储器的高速总线,常用标准系统总线： IBM PC机的62芯PC总线 PC/AT机的 ISA总线（8/16位） 高性能PC机的EI