微机原理及接口技术-第7章-输入输出接口和总线

7-1I/Ointerfaceandbus一、function1、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speedCPU速度快I/O接口外设速度慢2）信号电平不匹配问题signalCPU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formatCPU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，并行方式。4）时序不匹配问题timesequenceCPU的时序与外设自己的定时和控制逻辑不一样。2、接口功能interfacefunction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（TTL12V）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portandaddressing1、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（ERROR）：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，mappingI/O指令寻址。I/Oinstruction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。用专用的IN，OUT指令8086中：用A15~A0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datatransfer程序控制方式program三种类型中断方式interruptDMA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：INAL，10H；采集温度CALLDISPLAY1；显示INAL，11H；采集温度CALLDISPLAY2；显示INAL，12H；CALLDISPLAY3；CALLDELAY；调延时JMPSTART；2）条件传送（查询方式）conditionalqueryCPU不断查询状态，满足条件后则传送，否则等待。查询输入流程图初始化读入状态数据准备好传送完NN输入一数据CPU数据内存缓冲区YY结束查询输入接口电路：输入设备数据锁存器（8位）数据缓冲器（8位）DRQCI/O译码+5V选通信号D触发器ReadyRD（读状态）CS2CS1RD（读数据）2D7-D0M/IOA15-A01编程：设状态口：PORT_SI数据口：PORT_IN传送数据字节数：COUNT_1MOVBX,0;初始化指针MOVCX,COUNT_1;字节数READ_SI：INAL，PORT_SI;读入状态位TESTAL，01H;D0=1？准备好？JZREAD_SI;否，转。INAL，PORT_IN;已准备好,读入数据MOV[BX]，AL;存于缓冲区INCBX;修改指针LOOPREAD_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INAL，PORT_S1后:M/IO=0，RD=0A15～A0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INAL，PORT_IN后：M/IO=0RD=0A15～A0给出数据端口码，∴CS2=0缓冲器将数据送出，同时清0READY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-A0D7-D0输出设备数据锁存器（8位）RCQDI/O译码D触发器RD（读状态）WR（写数据）21ACKD1（数据线）+5V选通信号BUSYCS1CS2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problemformulation：虽然中断方式CPU利用率高，但执行中断仍需时间。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HRQDMAHLDA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AD15~AD0ALECPUHLDAHOLDIORDREQDACK地址总线IOWMEMWMEMR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：procedure⑴系统启动时：开关接通CPU总线，存储器（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）⑵CPU向磁盘发读命令，磁盘控制器找到数据位置，开始读数据⑶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）⑷DMA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⑸DMA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－8259A1片主板上DMA控制器－8237A-51片并行I/O芯片－8255A-51片计数/定时器－8253-51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A9~A0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G1G2AG2BCBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774LS138AEN’A9A8A7A6A5IOWDMACS（去8237A-5）INTRCS（去8259A）T/CCS（去8253-5）PPICS（去8255A-5）WRTDMAPG（写DMA页面寄存器）WRTNMIREG（写NMI屏蔽寄存器）当AEN’=1A8A9=00时－74LS138开始工作∴主板I/O地址范围：000～0FFH(256)A9=1时，I/O通道（槽）：200～3FFPC/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000～01F（00～0F）020～03F（20～21）040～05F（40～43）060～07F（60～63）080～09F（80～83）0A0～0BF（A0）0C0～0DF0E0～0FF200～20F2F8～2FF300～31F320～32F378～37F380～38F3B0～3BF3F0～3F73F8～3FF8237A-5DMA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1PC/XT机的I/O端口分配表系统板I/O通道000～01F020～03F040～05F060～06F070～07F080～09F0A0～0BF0C0～0DF0F00F10F8～0FF1F0～1F8200～207278～27F2F8～2FF300～31F360～36FDMA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28259A(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378～37F380～38F3A0～3AF3B0～3BF3C0～3CF3D0～3DF3F0～3F73F8～3FF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2PC/AT及兼容机的I/O端口地址分配表在PC/AT机中：8028610地址线（A9~A0）I/O寻址，地址范围000～3FFH其中：DMA控制器8237A－2片中断控制器8259A－2片定时器8254-27-2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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ：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，S－100总线，STD总线。常用标准外部总线：IEEE－488总线，EIARS232总线。二、IBMPC总线P265(自学)三、AT总线P267(自学)四、EISA总线P270(自学)五、IEEE－488总线P273(自学)