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1、第6章 输入输出接口与总线,6.1 微机I/O接口6.2 总线,接口电路按功能可分为两类:使微处理器正常工作所需的辅助电路输入输出接口电路,6.1 微机I/O接口,6.1.1 I/O接口的功能6.1.2 简单的输入输出接口6.1.3 I/O端口及其寻址方式6.1.4 CPU与外设间的数据传送方式6.1.5 PC机的I/O地址分配,为什么要设置接口电路,CPU与外设两者的信号线不兼容，在信号线功能定义、逻辑定义和时序关系上都不一致 两者的工作速度不兼容，CPU速度高，外设速度低 若不通过接口，而由CPU直接对外设的操作实施控制，就会使CPU处于穷于应付与外设打交道之中，大大降低CPU的效率 若外
2、部设备直接由CPU控制，也会使外设的硬件结构依赖于CPU，对外设本身的发展不利。,DB AB CB,微机系统各类接口框图,I/O接口的基本功能,1 数据缓冲功能2 端口选择功能3.信号转换功能4 接收和执行CPU命令的功能5.中断管理功能 6 可编程功能7.返回外设状态的功能 8.数据宽度与数据格式转换的功能,1.数据缓冲功能,接口电路中一般都设置有数据寄存器或锁存器数据口，以解决高速的主机与低速的外设之间的速度匹配问题，避免因主机与外设的速度不匹配而丢失数据。,2 端口选择功能,微机系统中常有多个外设，而CPU在任一时刻只能与一个端口交换信息，因此需要通过接口的地址译码电路对端口进行寻址。,
3、3.信号转换功能,外设所提供的数据、状态和控制信号可能与微机的总线信号不兼容，所以接口电路应进行相应的信号转换。,4 接收和执行CPU命令的功能,CPU对外设的控制命令一般以代码形式输出到接口电路的控制端口，接口电路对命令代码进行识别、分析，分解成若干控制信号，传送到I/O设备，并产生相应的具体操作。,5.中断管理功能,当外设需要及时得到CPU的服务，特别是出现故障需要CPU立即处理时，就要求接口中设置中断控制器，以便于CPU处理有关中断事务（如中断请求、中断优先级排队、提供中断向量等）。,6 可编程功能,由于I/O接口电路大多由可编程接口芯片组成，因此就有可能在不改变硬件电路的情况下，只要修
4、改接口驱动程序就可以改变接口的工作方式，提高了接口的灵活性和可扩充性，使接口向智能化方向发展。,7.返回外设状态的功能,接口电路在执行命令之前、执行命令过程中和执行命令之后，外部设备及接口电路都会有一些情况发生，包括正常工作状态和故障状态。“忙”、“闲”、“准备就绪”、“未准备就绪”、“满”、“空”、“溢出错”、“格式错”等接口中一般都设置状态寄存器，称“状态口”。状态信号以状态代码形式存放在接口电路的状态寄存器中。CPU从状态口读取状态信息，供CPU作出判断与处理。,8.数据宽度与数据格式转换的功能,CPU所处理的是并行数据，而有的外设只能处理串行数据，接口应具有数据“并串”、“串并”的转换
5、能力。CPU与有些外设交换数据时，要求按照一定的数据格式传送，所以在CPU与通信设备之间进行数据格式转换。,6.1.2 简单的输入输出接口,根据前面内容的介绍，大家已经了解到主机与外设之间的连接必须通过接口芯片来完成信息的传送，如：信息的放大、隔离以及锁存。接口芯片的类型非常繁多，在此我们介绍几种常用的简单的接口芯片。1 缓冲器74ls244和74ls2452 锁存器74ls373,74ls244 74ls245,74LS373,6.1.3 I/O端口及其编址方式,1 I/0端口2 I/O端口的编址方式3 I/O端口地址分配,I/0端口,端口（port）是接口电路中能被CPU直接访问的寄存器的
6、地址。计算机给接口电路中的每个寄存器分配一个端口，因此,CPU在访问这些寄存器时，只需指明它们的端口，不需指出是什么寄存器。CPU对数据端口进行一次读或写操作，也就是与该接口连接的外设进行一次数据传输CPU对状态端口进行一次读操作，就可以获得外设或接口自身的状态代码CPU把若干位控制代码写入控制端口，则意味着对该接口或外设发出一个控制命令，要求该接口或外设按规定的要求工作,外设通过接口和系统的连接,接口,接口电路中的信息,数据信息状态信息控制信息习惯上把分别传送这三种信息的端口称为数据口、状态口、控制口,1数据信息,（1）数字量：通常以8位或16位的二进制数以及ASCII码的形式传输，主要指由
7、键盘、磁盘、光盘等输入的信息或主机送给打印机、显示器、绘图仪等的信息。（2）模拟量：模拟的电压、电流或者非电量。对模拟量输入而言，需先经过传感器转换成电信号，再经A/D转换器变成数字量；如果需要输出模拟控制量的话，就要进行上述过程的逆转换。（3）开关量：用“0”和“1”来表示两种状态，如开关的通/断、电机的转/停、阀门的开/关等。,2状态信息,CPU在传送数据信息之前，经常需要先了解外设当前的状态。如输入设备的数据是否准备好、输出设备是否忙等。用于表征外设工作状态的信息就叫做状态信息，它总是由外设通过接口输入给CPU的。状态信息的长度不定，可以是1个二进制位或多个，含义也随外设的具体情况不同而
8、不同。,3控制信息,用来发布控制命令、控制外设工作的信息，例如A/D转换器的启停信号。控制信息总是CPU通过接口发出的。,I/O端口的编址方式,1 端口地址和存储器地址统一编址，也称存储器映射方式2 I/O端口地址和存储器地址分开独立编址，也称I/O映射方式,1 统一编址方式,从存储器空间划出一部分地址空间给I/O设备，把I/O接口中的端口当作存储器单元一样进行访问，不设置专门的I/O指令优点：访问I/O端口可实现输入/输出操作，还可以对端口内容进行算术逻辑运算、移位等等；能给端口有较大的编址空间，这对大型控制系统和数据通信系统是很有意义的；缺点：端口占用了存储器的地址空间，使存储器容量减小；
9、指令长度比专门I/O指令要长，因而执行速度较慢；,2 独立编址方式,I/O端口地址空间和存储器地址空间是独立的、分开的，即I/O端口地址不占用存储器地址空间。优点I/O端口地址不占用存储器空间；使用专门的I/O指令对端口进行操作，I/O指令短、执行速度快；并且由于专门I/O指令与存储器访问指令有明显的区别，使程序中I/O操作和存储器操作层次清晰，程序的可读性强。缺点这种编址方式中，微处理器对存储器及I/O端口是采用不同的控制线进行选择的，因而接口电路比较复,图 解,访问存储单元用地址总线A19A0，全译码后得到00000HFFFFFH共1MB地址空间.I/O端口只利用其中的一部分地址线，即A1
10、5A0地址线，可译出0000HFFFFH共64KB个I/O端口地址.由于端口是与存储器隔离的，所以用户可扩展存储器到最大容量，而不必为I/O端口留出地址空间.,I/O端口地址分配,表中分配给每个接口芯片的I/O端口地址，在实际使用中并未全部用完。中断控制器8259A，只使用了前面2个端口地址，20H、21H（主片）和A0H，A1H（从片）。并行接口芯片8255A，只使用了前面4个端口地址60H63H。使用端口地址最多的DMA控制芯片8237A，也只用了前面的16个地址（0FH）。,扩展槽上接口控制卡的端口地址,从表中，可以看到允许用户使用的端口地址是300H31FH。这一段地址是留给用户在开发
11、IBM-PC系列机功能模块（插板）时使用的端口地址，系统是不会占用它的。除在表中已经分配了的I/O地址之外，其余的地址均由厂商保留使用。,I/O端口地址选用的原则,凡是被系统配置所占用了的地址一律不能使用原则上讲，未被占用的地址，用户可以选用，但对计算机厂家申明保留的地址，不要使用，否则会发生I/O地址重叠和冲突，造成用户开发的产品与系统不兼容而失去使用价值一般，用户可使用30031FH地址,6.1.4 CPU与外设之间的数据传送方式,1 程序控制方式2 中断传送方式3 直接存储器存取方式,程序控制方式,程序控制方式是指CPU与外设间的数据传送是在程序的控制下完成的一种数据传送方式。分为两种1
12、.无条件传送方式2.查询传送方式,1.无条件传送方式,所谓无条件，就是假设外设已处于就绪状态，数据传送时，程序就不必再去查询外设的状态，而直接执行I/O指令进行数据传输。数据交换与指令的执行是同步的。因此也有人称其为同步传送。,是一种简单的输入输出方式，一般用于控制CPU与低速接口之间的信息交换.例如,开关、温度、压力流量等（A/D）转换器。当简单外设作为输入设备时，其输入数据的保持时间相对于CPU的处理时间要长得多，所以可直接使用三态缓冲器与系统数据总线相连。,当简单外设作为输出设备时，由于外设的速度较慢，CPU送出的数据必须在接口中保持一段时间，以适应外设的动作，因此输出采用锁存器。,让接
13、在Q0Q7上的二极管自上而下轮流点亮3s，编写程序实现。程序如下：,2查询传送方式,所谓查询方式就是微型计算机利用程序不断地询问外部设备的状态，根据它们所处的状态来实现数据的输入输出。要求外部设备向微型计算机提供一个状态信息。微型计算机校验外部设备所提供的状态信息，即查询外部设备，以便确定它的下一步操作。优点：能较好地协调外设与CPU之间的定时关系，因而比无条件传送方式容易实现准确传送。缺点:该方式需要不断查询外设的状态，大量时间花在等待循环中，当主机与中、低速外设交换信息时，大大降低了CPU利用率。,数据端口译码输出,DB,M/IO,查询传送方式输入接口电路,现欲将48000H为首地址的顺序
14、100个单元的数据，利用查询方式输出到外设。外设经输入输出接口与8086的系统总线连接。CPU通过三态接口（74LS244）可以查询外设的状态，而且当外设状态信号=1时，可以接收CPU由锁存器（74LS273）输出的数据。=0时，表示外设处于忙状态，不能接收数据。程序如下：,查询传送方式输出接口电路,例,设接口电路中状态端口的地址为STATUS，数据端口的地址为DATA，则CPU将内存STORE单元的内容送至输出设备应执行下列程序段：POLL:IN AL,STATUS；TEST AL,80H；JNE POLL；MOV AL,STORE；OUT DATA，AL；,中断传送方式,含义:在中断方式下
15、，外设掌握向CPU申请服务的主动权，当输入设备将数据准备好，或者输出设备已做好接收数据的准备时，向CPU发出中断请求信号，要求CPU为其服务。若此时中断允许触发器是开放的，则CPU暂停目前的工作，与外设进行一次数据传输，等I/O操作完成以后，CPU继续执行原来的程序。优点:保证了CPU对外设的实时服务，又不会因对各I/O设备的随时关照而花费CPU太多的机时，使高速运行的CPU与速度参差不齐的各种外设之间形成了良好的匹配(并行工作)关系，确保了CPU的高效率。缺点:为了实现中断传送，要求在CPU与外设之间设置中断控制器，增加了硬件开销。,中断方式输入的接口电路,直接存储器存取方式,DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和I/O设备之间进行。优点:传送速率很高，这对高速度大批量数据传送特别有用。缺点:要求设置DMA控制器，电路结构复杂，硬件开销大,
