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1、7-1 I/O interface and bus,一、function 1、采用I/O接口的必要性 necessary 通讯 communication：指计算机与外设间交换数据、状态和命令的过程。要通讯则需解决如下问题（必要性）：1）速度不匹配问题 speed CPU速度快 I/O接口 外设速度慢 2）信号电平不匹配问题 signal CPU使用TTL电平，外设是复杂的信号。,TTL 电平 转为外设所需信号 外设信号 转为TTL 电平 3）信号格式不匹配问题 format CPU总线上传送8位、16位、32位并行数据 外设：所需信号种类有模拟量，数字量，开关量等；电压，电流；串行方式，并行
2、方式。4）时序不匹配问题 time sequence CPU的时序与外设自己的定时和控制逻辑不一样。,2、接口功能 interface function 主要作用：解决CPU与外设间的不匹配，不 能协调工作的问题。功能如下：1）设置数据缓冲器buffer，解决速度差异。2）设置电平转换电路 如串行接口芯片 MAX232（TTL 12V）3）设置信息逻辑转换电路：如A/D，D/A，接触器的通/断等。4）设置时序控制路实现CPU与外设同步，如状态，应答信号。,5）具备地址译码电路 选择不同外设进行操作 二、简单的I/O接口芯片（P248 自学）三、I/O端口及寻址方式 port and addre
3、ssing 1、I/O端口：CPU与外设通讯时，传送的信息 1）数据信息 数据R 数据口 2）状态信息 状态R 状态口 3）控制信息 控制R 命令口,1）数据端口：存放CPU与外设间交换的数据，长度 1-2字节，其数据缓冲作用。2）状态端口：指示外设当前状态，每种状态用1位表示 常用状态位：READY（准备就绪）READY=1时 输入口：数据已准备好，等待CPU读取，CPU取走后，READY置0。输出口：输出R已空，可接收下一数据，收到下一数据，READY置0。,BUSY忙碌位 表明输出设备能否接受数据。BUSY=1：忙，不接收CPU传送数据 BUSY=0：闲，可接收CPU传送数据错误位（ER
4、ROR）：数据传递出错位 如奇/偶校验错，溢出错。3）命令端口（控制口）：存放CPU对I/O设备的命令和控制字。如：启动，停止，允许中断。控制字有：方式选择控制字，操作命令字等,2、I/O端口的寻址方法：两种编址方式：存储器映象导址，mapping I/O指令寻址。I/O instruction存储器映象导址方式：把I/O端口做一个存储单元，与存储单元统一 编址。优点：无需专用I/O指令，简化了指令系统，端 口空间可大可小。缺点：占用了存储空间，指令字节数比专用I/O 指令长。如：MC6800，MC68000，单片机51、96系列。,I/O单独编址方式：不占用存储器空间，构成一个I/O空间。用
5、专用的IN，OUT指令 8086中：用A15A0导址I/O端（可访问64K个）用M/IO控制信号区分I/O导址和存储器导址,优点：可读性好（专用指令）速度快（指令字节少）不占用内存空间缺点：专用IN，OUT，指令系统复杂 功能不如访问存贮器的指令强 增加了控制信号（M/IO）,四、CPU与外设间数据传送方式 data transfer 程序控制方式 program 三种类型 中断方式 interrupt DMA方式（硬件实现）DMA1、程序控制方式：无条件传送（同步传送）条件传送（查询方式）1）无条件数据传送方式 unconditional 应用场合：用于外设在任何时刻均已处于准 备好或接收状
6、态。,举例：定时采集和现实三部位的温度 端口地址10H，11H，12H是与三个温度 源相连的A/D转换器的地址。编程：START：IN AL，10H；采集温度 CALL DISPLAY1；显示 IN AL，11H；采集温度 CALL DISPLAY2；显示 IN AL，12H；CALL DISPLAY3；CALL DELAY；调延时 JMP START；,2）条件传送（查询方式）conditional query CPU不断查询状态，满足条件后则传送，否则等待。,查询输入流程图,查询输入接口电路：,编程：设状态口：PORT_SI 数据口：PORT_IN 传送数据字节数：COUNT_1 MOV
7、BX,0;初始化指针 MOV CX,COUNT_1;字节数READ_SI：IN AL，PORT_SI;读入状态位 TEST AL，01H;D0=1？准备好？JZ READ_SI;否，转。IN AL，PORT_IN;已准备好,读入数据 MOV BX，AL;存于缓冲区,INC BX;修改指针 LOOP READ_SI;未完，待续;已完，执行别的程序查询工作过程：输入设备准备好后，发选通信号 a：数据锁存起来 b:D触发器Q=1CPU执行 IN AL，PORT_S1后:M/IO=0，RD=0 A15A0给出状态端口码CS1=0 状态三态门打开，状态送入D0位上,CPU执行 IN AL，PORT_IN
8、 后：M/IO=0 RD=0 A15A0 给出数据端口码，CS2=0 缓冲器将数据送出，同时清0 READY 状态 P256 图7-8 查询输出接口电路（详细讲解）条件传送数据的缺点：反复查询过程，浪费CPU的时间，CPU利用率低。,M/IOA15-A0,D7-D0,查询输出接口电路,2、中断方式数据传送：平时CPU执行主程序，只有输入数据准备就绪或输出设备已闲，才向CPU申请中断。CPU响应中断后，执行中断服务程序，进行一次数据交换，然后返回继续执行原程序。（详细讲授在第八章中进行）3、DMA方式：问题的提出 problem formulation：虽然中断方式CPU利用率高，但执行中断仍需
9、时间。DMA方式是数据传递时，要CPU让出总线，由DMA控制利用总线直接与外设进行数据传送，不占用CPU时间。传递完后，DMA控制器再将总线还给CPU。DMA方式传送数据的速度取决外设和内存速度。,存储器,外 设,HRQ DMAHLDA 控制器,地址锁存器,数据总线,数据总线,控制总线,控制总线,控制总线,数据总线,AD15AD0,ALE,CPU,HLDA HOLD,IOR,DREQ,DACK,地址总线,IOW,MEMW,MEMR,微机系统中DMA控制器操作框图,P258 微机系统中DMA控制器操作框图（详讲）DMA方式读磁盘工作过程：procedure系统启动时：开关接通CPU总线，存储器（
10、总线属于CPU）同时对DMA控制器初始化（传送字节数，起始地址，选DMA芯片通道）CPU向磁盘发读命令，磁盘控制器找到数据位置，开始读数据,数据准备好后，外设向DMA 控制器发请求信号 DREQ。若DMA输入通道未屏蔽，DMA 发HRQ到CPU的HOLD端。CPU收到后，中止当前程序运行，总线浮空并发保持响应信号HLDA，DMA控制器发信号使开关向下，总线与DMA控制器接通（DMA控制总线）DMA发送第一个数据地址且发出确认信号DACK，通知磁盘控制器准备好要输出的数据字节 DMA控制器使I/O读信号IOR、存储器写信号MEMW有效，磁盘输出数据到总线，并将总线数据写入存储器。,(6)每传送一
11、个字节数据后：DMA自动修改地址 R 的内容，指向下一地址，字节计数器减1，重 复上述过程，直到计数值减为0，并由0减到 FFFF为止。(7)DMA结束后，HRQ无效，总线连接到CPU。CPU恢复执行原中止程序。五、I/O译码电路和PC机的I/O地址分配 1、I/O端口译码电路。2、PC机的I/O端口地址分配,PC/XT机端口分配 CPU:8088(兼容机8086)接口芯片：中断控制器 8259A 1片 主板上 DMA控制器8237A-5 1片 并行I/O芯片8255A-5 1片 计数/定时器8253-5 1片 主板上还有8个I/O扩展槽。（I/O通道）,提供磁盘驱动器I/O接口 I/O扩展槽
12、 打印机接口 插入适配器 CRT接口 异步通讯接口等PC/XT机中：用A9A0进行I/O寻址 A9=0寻址主板I/O端口（512个端口）A9=1寻址I/O通道（512个端口）主板上，I/O端口译码电路如下图所示：,图7-12 系统板上I/O端口译码电路,当AEN=1 A8A9=00时74LS138开始工作主板I/O地址范围：0000FFH(256)A9=1时，I/O通道（槽）：2003FFPC/XT机的I/O端口分配表如表1所示；PC/AT及兼容机的I/O端口地址分配表如表2示,系 统 板 I/O 通 道,00001F（000F）02003F（2021）04005F（4043）06007F（6
13、063）08009F（8083）0A00BF（A0）0C00DF0E00FF20020F2F8 2FF300 31F320 32F378 37F380 38F3B0 3BF3F0 3F73F8 3FF,8237A-5 DMA控制器8259A 中断控制器8253-5 计数/定时器8255A-5 并行接口DMA页寄存器 NMI屏蔽寄存器保留保留游戏I/O口异步通信2（COM2）实验卡（原型卡）硬磁盘适配器并行打印机接口同步通信控制器单显/打印机适配器软磁盘适配器异步通信1（COM1）,分类 地址范围（H）I/O设备（端口）,表1 PC/XT机的I/O端口分配表,系 统 板 I/O 通 道,0000
14、1F02003F04005F06006F07007F08009F0A00BF0C00DF0F00F10F8 0FF1F0 1F8200 207278 27F2F8 2FF300 31F360 36F,DMA控制器1,8237A-5中断控制器1,8259A(主片)定时器 8254-2键盘接口处理器，8042 实时时钟，NMI屏蔽寄存器DMA页寄存器，74LS612中断控制器2 8259A(从片)DMA控制器2，8237A-5清除协处理器忙信号复位协处理器协处理器硬磁盘游戏I/O口并行口2（LPT2）串行口2（COM2）实验卡（原型卡）保留,分类 地址范围（H）I/O设备（端口）,I/O 通 道,
15、378 37F380 38F3A03AF3B0 3BF3C0 3CF 3D0 3DF3F0 3F73F8 3FF,并行打印机口1（LPT1）SDLC,双同步通信口2双同步通信口1单显/打印机适配器保留彩色/图形监视器适配器软磁盘控制器串行口1（COM1）,分类 地址范围（H）I/O设备（端口）,表2 PC/AT及兼容机的I/O端口地址分配表,在PC/AT机中：80286 10地址线（A9A0）I/O寻址，地址范围0003FFH 其中：DMA控制器8237A2片 中断控制器8259A2片 定时器 8254-2,7-2 总线 bus,一、概念 definition 总线：各部件间传送信息的公共通道。1、总线分类：category 片级总线（元件级总线）：芯片的引脚 系统总线（内总线，板级总线）：各插板间的连线（微机总线）外部总线（通讯总线）：微机之间或微机与仪器间的连线,2、总线标准：standard 标准：插座尺寸，引线数目，各引线信号含 义及时序等。常用标准系统总线有：PC总线，AT总线（ISA总线），高性能的 EISA总线，PCI总线，S100总线，STD 总线。常用标准外部总线：IEEE488总线，EIARS232总线。,二、IBM PC总线 P265(自学)三、AT总线 P267(自学)四、EISA总线 P270(自学)五、IEEE488总线 P273(自学),
