輸入輸出與接口技術(shù)要點ppt課件

1、1,第5章 輸入輸出與接口技術(shù),2,定義：接口是CPU與“外部世界”的連接電路，負責“中轉(zhuǎn)”各種信息,分類：存儲器接口和I/O接口,位置：介于系統(tǒng)總線與外部設(shè)備之間,1.接口的概念,5.1.1 I/O接口基本概念,5.1 接口概述,3,2.為什么要引入接口,微機和I/O設(shè)備的信息類型和格式可能不一樣。 微機和I/O設(shè)備信號傳輸處理的速度可能不匹配。 不用接口， I/O直接接CPU，隨著外設(shè)增加，會大大降低CPU的效率。 I/O直接接CPU，會使外設(shè)硬件結(jié)構(gòu)過于依賴CPU，對外設(shè)本身發(fā)展不利,4,3.I/O接口與I/O設(shè)備,不同I/O設(shè)備對應I/O接口不同,I/O接口受CPU控制，I/O設(shè)備受I

2、/O接口控制,為增加通用性，I/O接口電路一般均具有可編程功能,微機的應用離不開外部設(shè)備接口的設(shè)計、選用和連接,CPU,接口,外設(shè),數(shù)據(jù),數(shù)據(jù),控制信號,控制信號,狀態(tài)信號,狀態(tài)信號,可能是單向的,5,數(shù)據(jù)緩沖功能：通過寄存器或鎖存器實現(xiàn),接口中存放數(shù)據(jù)的寄存器或鎖存器稱之為數(shù)據(jù)口,接受和執(zhí)行CPU命令功能,接口中存放CPU命令代碼的寄存器稱之為命令口， 控制和監(jiān)視設(shè)備執(zhí)行功能： 接口中存放執(zhí)行狀態(tài)信息的寄存器稱之為狀態(tài)口,設(shè)備選擇功能：CPU通過地址譯碼選擇不同外設(shè),即CPU通過地址譯碼選擇不同I/O接口和I/O接口中連接的不同的設(shè)備,信號轉(zhuǎn)換功能：協(xié)調(diào)總線信號與I/O設(shè)備信號,轉(zhuǎn)換包括信號

3、的邏輯關(guān)系、時序配合和電平轉(zhuǎn)換,可編程功能：增加接口的靈活性和智能性,5.1.2 I/O接口功能,6,接口由接口硬件和接口軟件組成,1.接口硬件,5.1.3、I/O接口組成,7,系統(tǒng)總線側(cè)引腳信號,外設(shè)側(cè)引腳信號,內(nèi)部控制邏輯,根據(jù)控制寄存器、狀態(tài)寄存器、總線控制信號及外設(shè)狀態(tài)信號控制I/O接口的工作,8,常見接口插槽1,PS2鼠標,PS2鍵盤,千兆網(wǎng),10/100M網(wǎng)卡,USB,并行口,MIDI/游戲接口,VGA接口,1394,1394a,音箱/線入/麥克風接口,串行口,9,常見接口插槽2,聲道輸入,前置揚聲器輸出,麥克風輸入,中置與重低音,后置揚聲器輸出,側(cè)置揚聲器輸出,10,2.接口軟件

4、（設(shè)備驅(qū)動程序,初始化程序段：設(shè)置接口工作方式及初始條件,傳送方式處理程序段：CPU針對不同的I/O設(shè)備有不同的處理方式。如設(shè)置中斷向量等,主控程序段：完成接口任務(wù)的程序,程序終止與退出程序段：對接口電路硬件保護及操作系統(tǒng)中數(shù)據(jù)恢復,輔助程序段：提供人-機對話手段,11,5.2.1 I/O端口,1.I/O端口,I/O端口是供CPU直接存取訪問的接口中的寄存器或電路,接口中的命令口、狀態(tài)口和數(shù)據(jù)口均為I/O端口,2.I/O端口地址,是對接口中的不同寄存器或電路的編號，該編號加上該接口的基地址稱為該端口的I/O端口地址,CPU通過向命令端口發(fā)命令來對接口，最終對設(shè)備進行控制。訪問設(shè)備實際上是訪問相

5、關(guān)的端口,3.命令、接口與I/O端口關(guān)系,一個接口中有多個I/O端口,一個I/O端口可接受多種命令，對應多個寄存器,5.2 I/O編址與訪問,12,1.I/O統(tǒng)一編址（存儲器映象I/O編址,一個I/O端口等同于一個存儲器單元。存儲單元和I/O端口統(tǒng)一編址,優(yōu)點,對I/O端口的訪問命令與對存儲器單元訪問相同，不必使用專用I/O指令； 外設(shè)數(shù)目或I/O寄存器數(shù)幾乎不受限制。 系統(tǒng)讀寫控制邏輯較簡單,缺點,I/O端口占用部分MEM空間，可用MEM空間減??； 對MEM訪問指令較長，執(zhí)行速度較慢； I/O端口地址譯碼時間較長,應用：Motorola系列和Apple 系列均采用此方式,5.2.2 I/O端

6、口編址,13,2.I/O獨立編址,I/O端口地址空間與存儲器地址空間相互獨立,應用：Z-80系列和x86系列均采用此方式,優(yōu)點,MEM地址空間不受I/O端口地址空間影響； I/O端口數(shù)量不多，占用地址線少，地址譯碼簡單，速度較快，使得此類指令執(zhí)行速度快； 使用專用I/O命令(IN/OUT)，與MEM訪問命令(LOAD/STORE、MOV)有明顯區(qū)別,便于理解和檢查,MEM,I/O設(shè)備,N-1 0,存儲類指令,I/O類指令,K-1 0,14,缺點,3.Intel系列微機I/O編址,Intel系列微處理器支持I/O獨立編址方式和I/O統(tǒng)一編址（存儲器映象編址）方式,Intel系列微機系統(tǒng)僅支持I/

7、O獨立編址方式,15,1.I/O端口地址空間,I/O端口地址空間：有64K個獨立編址的8位端口空間。兩個連續(xù)8位端口可作為16位端口，4個連續(xù)的8位端口可作為32位端口處理。注意端口地址對齊,5.2.3 IA-32系列微機I/O端口訪問,000FFH（256個端口）地址用于主板 1003FFH（768個端口）地址用于擴展板 4000FFFFH地址用于I/O擴展設(shè)備（如PCI設(shè)備,源于IBM PC,I/O端口地址信號：借用地址線信號和IOW#/IOR#信號線以及表示DMA正在工作的AEN的反相信號組成,16,系統(tǒng)板I/O接口芯片口地址(0000H-00FFH,返回地址譯碼,17,擴展槽I/O接口

8、卡端口地址(0100H-03FFH,18,2.I/O端口地址尋址方式,I/O端口支持直接尋址和間接尋址方式。 直接尋址是使用一字節(jié)立即數(shù)尋址，端口尋址范圍為00HFFH共256個。 間接尋址是使用DX寄存器間接給出I/O端口地址，可尋址的范圍是0000HFFFFH共64K個端口,3.I/O端口與累加器間I/O指令寄存器I/O指令,格式：IN、OUT,結(jié)果：完成I/O端口和EAX、AX、AL之間的數(shù)據(jù)傳送，可使用直接尋址和間接尋址方式。 舉例：mov dx, 3fdhmov al, 36h in al, dxout 43h, al,19,4. I/O端口與存儲器間I/O指令塊I/O指令,格式：I

9、NSB/W/D、OUTSB/W/D,參數(shù)：用DX指定I/O端口地址，輸入/輸出時的目的/源RAM地址用ES:DI(EDI)/DS:SI(ESI)指定。EFLAG寄存器中DF位來決定地址加和減,結(jié)果：通過前綴REP在I/O端口和連續(xù)的存儲器空間之間傳送數(shù)據(jù),5.I/O端口訪問,CPU通過I/O指令對I/O接口進行訪問,匯編語言指令：IN、OUT,C語言指令：inportb(inport)、outportb(outport,VC+指令：_inp(_inpw)、_outp(_outpw,20,例：讀取CMOS信息,main() short int i, j; unsigned char c_Cmos

10、Message64; for (i=0;i=63;i+) j=i|0 x80 outportb(0 x70,j); c_CmosMessagei=inportb(0 x71) ; printf(CMOS信息讀取完畢。n);,功能：讀取CMOS信息 ；調(diào)用：AL=CMOS地址 ；返回：AL=CMOS內(nèi)容 proc_read_cmos proc cli or al,80h ;屏蔽NMI out 70h,al jmp $+2 ;延遲 in al,71h ;讀CMOS數(shù)據(jù) sti ret proc_read_cmos endp,21,或,A19A16/S6S3,CS8254 ,0H,00H,43H,A

11、L,OUT 43H, AL,WR #( IOW,IO/M,22,作業(yè)1 請參照上頁OUT 43H, AL 指令的時序圖畫出IN AL，21H的時序圖，假設(shè)從21H端口中讀到的數(shù)據(jù)是02H，21H是8259芯片的一個端口地址,23,I/O保護在保護模式下有效，在實地址模式下無效,1.I/O特權(quán)級IOPL保護,保護通過比較當前任務(wù)的特權(quán)級CPL和標志寄存器的IOPL字段實現(xiàn)的,若CPL IOPL，可執(zhí)行IN、OUT、INS、OUTS、CLI、STI等敏感指令(對IOPL敏感)；否則不行,每個任務(wù)都有自己的IOPL，用以表示指定的I/O操作處于特權(quán)級的哪一級。它在EFLAGS中。 0級特權(quán)的過程可通

12、過POPF和IRET指令修改任務(wù)的IOPL,5.2.4 Pentium的I/O保護,24,2.I/O允許位映象保護,I/O允許位映象用來修正IOPL對I/O敏感指令的影響，允許低特權(quán)的程序訪問某些I/O端口,I/O允許位映象是一個位向量，每位對應一個端口的操作權(quán)限(0表示允許,操作系統(tǒng)可通過改變?nèi)蝿?wù)TSS中的I/O允許映象來為某任務(wù)分配端口。（一定是在0級,25,3. 保護模式下的I/O端口訪問,執(zhí)行in, out指令,CPL IOPL,IOPM相關(guān)位=0,進行I/O操作,否,否,產(chǎn)生一個一般保護異常,是,是,IOPM是對所有VM都起作用的權(quán)限機制，它以位（bit）來代表每個端口。某位為1，則

13、該代表的端口被禁止訪問；某位為0；則允許訪問該位所代表的端口,IOPL用以表示指定的I/O操作處于特權(quán)級的哪一級。它在EFLAGS中。 CPL當前段的I/O優(yōu)先級，它實際上是CS段選擇符的第0第1位,26,V86模式下（DOSVM）的I/O端口訪問,執(zhí)行in, out指令,IOPM相關(guān)位=0,進行I/O操作,否,產(chǎn)生一個一般保護異常,是,27,2） 接口芯片內(nèi)部端口號,地址線低位直接組成,端口地址=端口所在接口基地址+端口號,5.3 I/O端口地址譯碼方法,1）片選(CS#)信號：其有效表明該接口芯片可以通過系統(tǒng)總線與CPU進行數(shù)據(jù)交換,使用IOW#/IOR#信號(有效)、AEN信號(無效)和

14、地址線高位（接口基地址）經(jīng)過譯碼得到片選信號,5.3.1 接口芯片中與地址譯碼有關(guān)的管腳及其運用,28,5.3.2 固定式端口地址譯碼,接口中只有一個端口時可采用門電路構(gòu)成,接口中有多個端口時一般采用譯碼器電路構(gòu)成，常見的譯碼器有74LS138、74LS154等,74LS138譯碼器,工作條件,工作原理,將復合的輸入信號變?yōu)槊杜e的輸出信號,29,74LS138真值表,30,Y0,Y7,A,B,C,G2B,G2A,G1,15,14,13,12,11,10,9,7,1,2,3,4,5,6,74LS138,A5,A6,A7,A8,A9,AEN,DMACS#(8237,INTRCS#(8259,T/C

15、 CS#(8253,PPICS#(8255,WRTDMAPG,1,1,WRTNMIREG,IOW,74LS138在PC機系統(tǒng)板端口譯碼的應用,轉(zhuǎn)PC例子,為何中斷控制1端口地址為0020H-003FH,軟件上和信號上如何區(qū)別訪問I/O還是MEMORY,31,數(shù)據(jù)總線,地址總線,控制總線,D7-D0,CS,A0,WR,RD,設(shè) 備 側(cè) 信 號,D7-D0,CS,A1 A0,WR,RD,設(shè) 備 側(cè) 信 號,8259,8253,Y0,Y7,A,B,C,G2B,G2A,G1,15,14,13,12,11,10,9,7,A5,A6,A7,A9,A8,AEN,74LS138,A1 A0,A0,A15-A0

16、,D7-D0,IOW,IOR,IOW,IOR,32,5.3.3 可選式端口地址譯碼,1)使用比較器+地址開關(guān)方法,74LS688比較器,當P07Q07時， P=1，輸出高電平,當P07=Q07時， P=0，輸出低電平,比較器和地址開關(guān)產(chǎn)生一個信號參與片選,注意：當系統(tǒng)時鐘頻率很高的時候，譯碼電路的延遲不能太大,33,2)使用異或門+地址開關(guān)方法,用異或門代替比較器和地址開關(guān)比較,如用2片74LS136代替74LS688,74LS136,邏輯： 3=12；6=45； 8=910；11=1213,連線： 異或門的輸入端分別接地址線和開關(guān)線,片選：各異或門的輸出“或”的結(jié)果,34,思考題1,35,3

17、00H 301H 302H 303H 304H 305H 306H 307H,思考題1 的答案,36,思考題2,Y0,Y7,A,B,C,G1,15,14,13,12,11,10,9,7,1,2,3,4,5,6,74LS138,_,_,_,_,_,AEN,001FH 405FH 809FH _ 10011FH _ _ _,A9A0共10根線參與地址譯碼，請將上圖的空填對,37,思考題2的答案,001FH 405FH 809FH 10011FH,A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0,第一步 ? ? ? ? ,第二步 0 ? ? ? 0,第三步 0 C B A 0,38,思考題3,要求接口芯片的端口地址范圍為260H，262H，264H，266H，268H，26AH，26CH，26EH，請問A0A9這10根線需要怎么連,39,思考題3答案,A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0,1 0 0 1 1 0,Y6,A,B,C,74LS138