微機原理第06章IO接口和總線

1、6-26-2通過對本章的學習，通過對本章的學習，您應該能夠達到下列要求：您應該能夠達到下列要求：n 端口的功能、種類、編址方式端口的功能、種類、編址方式n CPUCPU與外設交換數(shù)據(jù)與外設交換數(shù)據(jù)n 查詢式傳送軟硬件設計查詢式傳送軟硬件設計n 總線的概念、分類，總線的概念、分類，PCPC總線總線 重點與難點重點與難點n輸入緩沖、輸出鎖存的概念輸入緩沖、輸出鎖存的概念nCPUCPU與外設交換數(shù)據(jù)的方式與外設交換數(shù)據(jù)的方式n查詢方式查詢方式 一、一、I/O接口的功能接口的功能1、采用、采用I/O接口的必要性接口的必要性n計算機目的是進行信息處理，需要輸入原始信息并計算機目的是進行信息處理，需要輸入

2、原始信息并輸出運算結果，需要輸入輸出運算結果，需要輸入/輸出外部設備。輸出外部設備。n外設種類多：機械、電子、電動等，信息格式、內(nèi)外設種類多：機械、電子、電動等，信息格式、內(nèi)容多種多樣。容多種多樣。n速度不匹配：高速硬盤，低速打印機，鍵盤。速度不匹配：高速硬盤，低速打印機，鍵盤。n信號電平不匹配：信號電平不匹配：CPU為為TTL電平，外設有電平，外設有DC24V繼電器、繼電器、AC220V接觸器等。接觸器等。n信號格式不匹配：信號格式不匹配：CPU為為8/16位并行總線，外設有位并行總線，外設有串行、并行、數(shù)字信號、模擬信號。串行、并行、數(shù)字信號、模擬信號。n時序不匹配：外設有自己的操作邏輯，

3、不同于時序不匹配：外設有自己的操作邏輯，不同于CPU2、接口的功能、接口的功能n設置數(shù)據(jù)緩沖以解決速度不匹配：在設置數(shù)據(jù)緩沖以解決速度不匹配：在CPU與外設與外設之間設置緩沖區(qū)，發(fā)送方可把數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)中，之間設置緩沖區(qū)，發(fā)送方可把數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)中，接收方再從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)。接收方再從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)。CPU與外設交換與外設交換數(shù)據(jù)不必總是聯(lián)合進行，增加靈活性。數(shù)據(jù)不必總是聯(lián)合進行，增加靈活性。n設置電平轉換電路：實現(xiàn)設置電平轉換電路：實現(xiàn)TTL電平與外設信號電平電平與外設信號電平之間的轉換，例如之間的轉換，例如RS-232n設置信息轉換邏輯以滿足對各自格式的要求：例如設置信息轉換邏輯以

4、滿足對各自格式的要求：例如A/D轉換器、轉換器、D/A轉換器、總線控制器轉換器、總線控制器n設置時序控制電路來同步設置時序控制電路來同步CPU和外設的工作：設和外設的工作：設計握手信號（準備好、出錯）計握手信號（準備好、出錯）n提供地址譯碼電路：多個外設、多個端口的區(qū)分。提供地址譯碼電路：多個外設、多個端口的區(qū)分。二、簡單的輸入輸出接口芯片1、緩沖器、緩沖器74LS244和和74LS245n輸入緩沖的概念：輸入緩沖的概念：考慮考慮CPU從從1#、2#、3#三個外設讀取數(shù)據(jù)。三個外設讀取數(shù)據(jù)。1#2#3#CPU總線總線當當CPU讀取讀取1#的數(shù)據(jù)時，要求的數(shù)據(jù)時，要求2#、3#不能影響總線不能影

5、響總線上的數(shù)值，即要求上的數(shù)值，即要求2#、3#與總線之間處于高阻狀態(tài)與總線之間處于高阻狀態(tài)，同時，同時1#的數(shù)據(jù)要正確傳送到總線上。的數(shù)據(jù)要正確傳送到總線上。CPU與輸入外設之間的三態(tài)門就是輸入緩沖器，其與輸入外設之間的三態(tài)門就是輸入緩沖器，其輸入是專用的輸入是專用的，但輸出是共用的。，但輸出是共用的。（1）74LS244n雙雙4單向緩沖器，輸入端為單向緩沖器，輸入端為1A11A4、2A12A4，輸出端為輸出端為1Y11Y4、2Y12Y4。n兩個使能控制引腳兩個使能控制引腳1G、2G，1G=01Y=1A，1G=11Y與與1A之間為高阻態(tài)。之間為高阻態(tài)。2G=02Y=2A，2G=12Y與與2A

6、之間為高阻態(tài)。之間為高阻態(tài)。（2）74LS245（類似（類似Intel 8286）n8位雙向緩沖器，輸入位雙向緩沖器，輸入/輸出端為輸出端為A1A8、B1B8。n一個使能控制引腳一個使能控制引腳G，G=0A1A8=B1B8，G=1A1A8與與B1B8之間為高阻態(tài)。之間為高阻態(tài)。n一個傳送方向控制引腳一個傳送方向控制引腳DIRDIR=1AB，DIR=0AB2、鎖存器、鎖存器74LS373n輸出鎖存的概念：輸出鎖存的概念：1#2#3#CPU總線（公用）總線（公用）1#專用專用2#專用專用3#專用專用當當CPU寫數(shù)據(jù)到寫數(shù)據(jù)到1#時，時，要求不能影響要求不能影響2#、3#的的專用信號專用信號數(shù)值，即

7、要求數(shù)值，即要求2#、3#能保持原來的數(shù)能保持原來的數(shù)值，這就要求接口具有值，這就要求接口具有鎖存功能。鎖存功能。從接口角度看，鎖存器從接口角度看，鎖存器用于用于一個公用輸入信號一個公用輸入信號多個專用輸出信號多個專用輸出信號的的情況下。情況下。OEGDO0111（直通狀態(tài)，O = D）0100（直通狀態(tài)， O = D）00X鎖存值，G下降沿對應的D值1XX與內(nèi)部線路間為高阻態(tài)2、鎖存器、鎖存器74LS373n具有三態(tài)功能的具有三態(tài)功能的8D鎖存器，輸入端為鎖存器，輸入端為1D8D，輸，輸出端為出端為1O8O。n一個輸出使能控制引腳一個輸出使能控制引腳OEn一個輸入控制引腳一個輸入控制引腳G（

8、數(shù)據(jù)打入線）（數(shù)據(jù)打入線）1.I/O1.I/O端口端口nI/OI/O端口是外設接口電路中端口是外設接口電路中CPUCPU訪問的寄存器。訪問的寄存器。nCPUCPU通過對端口的訪問來實現(xiàn)對外設的訪問。通過對端口的訪問來實現(xiàn)對外設的訪問。n根據(jù)所存內(nèi)容不同，接口電路包含以下幾種端口：根據(jù)所存內(nèi)容不同，接口電路包含以下幾種端口：n數(shù)據(jù)端口：存放外設與數(shù)據(jù)端口：存放外設與CPUCPU之間要交換的數(shù)據(jù)，之間要交換的數(shù)據(jù)，通常為通常為1 1個字節(jié)或個字節(jié)或1 1個字。個字。n狀態(tài)端口：存放外設的當前狀態(tài)，通常有準備好、狀態(tài)端口：存放外設的當前狀態(tài)，通常有準備好、出錯、忙等。出錯、忙等。命令端口：也叫控制端

9、口，存放命令端口：也叫控制端口，存放CPUCPU對接口電路對接口電路的行為邏輯的控制信息，通常有方式控制字、操的行為邏輯的控制信息，通常有方式控制字、操作控制字。作控制字。ININALAL，portportININAXAX，portport OUT OUTportport，ALALOUTOUTportport，AX AX ININALAL，DXDXININAXAX，DXDXOUTOUTDXDX，ALALOUTOUTDXDX，AXAX2.I/O2.I/O端口編址方式端口編址方式1.1.程序控制方式程序控制方式nCPUCPU與外設接之間的數(shù)據(jù)交換完全在程序控與外設接之間的數(shù)據(jù)交換完全在程序控制下實

10、現(xiàn)，包括無條件傳送和條件傳送兩制下實現(xiàn)，包括無條件傳送和條件傳送兩種方式。種方式。n(1)(1)無條件傳送：無條件傳送：nCPUCPU直接用直接用 IN IN 指令從外設讀取數(shù)據(jù)，直接指令從外設讀取數(shù)據(jù)，直接用用 OUT OUT 指令向外設發(fā)送數(shù)據(jù)。指令向外設發(fā)送數(shù)據(jù)。n要求外設總是已經(jīng)準備好數(shù)據(jù)，總是準備要求外設總是已經(jīng)準備好數(shù)據(jù)，總是準備好接收數(shù)據(jù)。好接收數(shù)據(jù)。用于簡單的外設，如顯示、按鍵。用于簡單的外設，如顯示、按鍵。1 Y 1 1 A 11 Y 2 1 A 2|2Y4 2A41G 2GD0D1|D7M/IO CS RD+5VK1K2K8INAL，port1G = 2G = 0K1K8A

11、LINM/IO=0，RD=0Port地址譯碼后地址譯碼后CS=0最小模式下的總線寫操作最小模式下的總線寫操作ALESTB把地址信息把地址信息A0A19從復用從復用總線上提取出來加以保持總線上提取出來加以保持1 D 1 Q2 D 2 Q|8 D 8 Q CLKD0D1|D7M/IO CS WRL1L2L8OUT port，ALAL L1L8OUTM/IO=0，RD=0Port地址譯碼后地址譯碼后CS=0CLK = (2)(2)條件傳送（查詢傳送）：條件傳送（查詢傳送）：n一般而言，一般而言，CPUCPU應該在外設準備好數(shù)據(jù)以后才讀應該在外設準備好數(shù)據(jù)以后才讀取數(shù)據(jù)，應該在外設準備好接收數(shù)據(jù)以后才

12、發(fā)送取數(shù)據(jù)，應該在外設準備好接收數(shù)據(jù)以后才發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。n傳送數(shù)據(jù)前，傳送數(shù)據(jù)前，CPUCPU應該查詢外設的當前狀態(tài)，等應該查詢外設的當前狀態(tài)，等到外設準備好以后才開始傳送。到外設準備好以后才開始傳送。n除數(shù)據(jù)端口以外，接口電路還需要另有一個狀態(tài)除數(shù)據(jù)端口以外，接口電路還需要另有一個狀態(tài)端口以存放外設的當前狀態(tài)，端口以存放外設的當前狀態(tài)，CPUCPU線先讀取該端線先讀取該端口以判斷外設是否準備好?？谝耘袛嗤庠O是否準備好。n輸入時，數(shù)據(jù)準備好信號由外設置位，由輸入時，數(shù)據(jù)準備好信號由外設置位，由CPUCPU讀讀數(shù)據(jù)操作復位。數(shù)據(jù)操作復位。輸出時，忙信號由輸出時，忙信號由CPUCPU寫操作置位，

13、由外設復位。寫操作置位，由外設復位。輸輸入入設設備備8位鎖位鎖存器存器8位緩位緩沖器沖器RD QC+5V地址地址譯碼譯碼RDRDM/IOCS2CS1A15A0D0READY查詢式輸入接口電路查詢式輸入接口電路D7D0選通選通信號信號查詢式輸入程序流程查詢式輸入程序流程圖圖初始化初始化讀入狀態(tài)讀入狀態(tài)準備好？準備好？讀入數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)A數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)緩沖區(qū)完畢？完畢？結束結束NN查詢式輸入程序清查詢式輸入程序清單單MOVBX，0；地址指針；地址指針MOVCX，COUNT_1；要輸入的字節(jié)數(shù)；要輸入的字節(jié)數(shù)READ_S1：INAL，PORT_1；讀狀態(tài)端口；讀狀態(tài)端口TESTAL，01H；查詢準備好

14、信號；查詢準備好信號JZREAD_S1；沒有準備好，循環(huán)查詢等待；沒有準備好，循環(huán)查詢等待INAL，PORT_2；準備好，讀取數(shù)據(jù)；準備好，讀取數(shù)據(jù)MOVBUF1BX，AL ；數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)；數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)INCBX；修改指針，指向下一個字節(jié)；修改指針，指向下一個字節(jié)LOOP READ_S1；未傳送完畢，繼續(xù)傳送；未傳送完畢，繼續(xù)傳送；傳送完畢，執(zhí)行后續(xù)指令；傳送完畢，執(zhí)行后續(xù)指令輸輸入入設設備備8位鎖位鎖存器存器8位緩位緩沖器沖器D R QC+5V地址地址譯碼譯碼RDRDM/IOCS2CS1A15A0D0READY查詢式輸入工作流程查詢式輸入工作流程D7D0選通選通信號信號外設準備好外設準備

15、好發(fā)選通信號發(fā)選通信號正脈沖，使正脈沖，使數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)進入鎖存器；鎖存器；D觸發(fā)器反轉觸發(fā)器反轉Q=D=1。IN AL，PORT_2 使得使得M/IO=0、CS2=0、RD= 0、緩沖器打開，、緩沖器打開，數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)進入AL中，同時中，同時R=0清除清除D觸發(fā)器，觸發(fā)器， READY=Q =0IN AL，PORT_1 使得使得M/IO=0、CS1=0、RD=0、三、三態(tài)門打開，態(tài)門打開，READY=1進入進入AL中的中的D0。2.DMA2.DMA方式方式(1)(1)、DMADMA方式的提出方式的提出n在程序控制方式下，外設與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換在程序控制方式下，外設與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換要通過累

16、加器中轉，至少需要一條要通過累加器中轉，至少需要一條IN/OUTIN/OUT指令與指令與一條一條MOVMOV指令，還有修改指針、計數(shù)器的指令，指令，還有修改指針、計數(shù)器的指令，不可能快速傳遞。不可能快速傳遞。n在大多數(shù)系統(tǒng)中，硬件操作速度遠高于指令執(zhí)行在大多數(shù)系統(tǒng)中，硬件操作速度遠高于指令執(zhí)行時間，若不經(jīng)過時間，若不經(jīng)過CPUCPU中轉，在中轉，在內(nèi)存與外設之間直內(nèi)存與外設之間直接傳送數(shù)據(jù)接傳送數(shù)據(jù)，則可獲得很高的傳送速度，稱為直，則可獲得很高的傳送速度，稱為直接存儲器存取方式。接存儲器存取方式。nDMADMA方式常用于與高速外設之間一次傳送大量數(shù)方式常用于與高速外設之間一次傳送大量數(shù)據(jù)的場合

17、，如磁盤操作，需要據(jù)的場合，如磁盤操作，需要DMADMA控制器控制器才實現(xiàn)。才實現(xiàn)。地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線HLDA HOLD存存儲儲器器外外設設地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線控制總線控制總線HLDA HRQDREQ DACKDMACCPUn外設通過外設通過DREQ向向DMAC請求請求DMA操作，操作，DMAC據(jù)此向據(jù)此向CPU發(fā)出發(fā)出HREQ信號。信號。nCPU收到收到HOLD信號，執(zhí)行完當前指令，進入總信號，執(zhí)行完當前指令，進入總線響應周期，釋放總線線響應周期，釋放總線使使CPU內(nèi)部與三總線內(nèi)部與三總線之間處于高阻狀態(tài)，并給出總線保持應答之間處于高

18、阻狀態(tài)，并給出總線保持應答HLDA。nDMAC收到收到HLDA以后，接管總線以后，接管總線撤銷其內(nèi)撤銷其內(nèi)部電路與三總線的高阻狀態(tài)，向存儲器輸出地址部電路與三總線的高阻狀態(tài)，向存儲器輸出地址信息，制定傳送數(shù)據(jù)單元，發(fā)信息，制定傳送數(shù)據(jù)單元，發(fā)DACK到外設。到外設。n外設收到外設收到DACK后，即準備好收發(fā)數(shù)據(jù)。后，即準備好收發(fā)數(shù)據(jù)。nDMAC控制數(shù)據(jù)傳送過程?？刂茢?shù)據(jù)傳送過程。n傳送完畢，傳送完畢，DMAC撤銷撤銷HREQ，CPU接管總線，接管總線，撤銷撤銷HLDA，DMAC再撤銷再撤銷DACK，結束。，結束。五、五、PC機 I/O 端口地址分配0000001F0020003F0040005

19、F0060007F0080009F00A000BF008001FF32字節(jié)字節(jié)320字節(jié)字節(jié)32字節(jié)字節(jié)32字節(jié)字節(jié)32字節(jié)字節(jié)32字節(jié)字節(jié)32字節(jié)字節(jié)0000000F8237A5 DMA控制器控制器002000218259A 中斷控制器中斷控制器004000438253A5 定時定時/計數(shù)器計數(shù)器006000638255A5 并行接口芯片并行接口芯片00800083DMA 頁面寄存器頁面寄存器00A000BFNMI 屏蔽寄存器屏蔽寄存器02000200020F游戲控制口游戲控制口02100217擴展部件擴展部件021802F7未用未用02F802FF異步通信卡（第二個）異步通信卡（第二個）0

20、320032F硬盤適配器硬盤適配器03300377并行打印機并行打印機未用未用0300031F實驗卡實驗卡0380038F039003AF03B003BF03C003CF03D003DF03E003EF03F003F703F803FF03FF0378037FSPLC通信通信未用未用單色顯示器單色顯示器 / 打印機打印機未用未用未用未用彩色彩色/ 圖形顯示卡圖形顯示卡軟盤適配器軟盤適配器異步通信卡（第一個）異步通信卡（第一個）一、總線的概念一、總線的概念1、總線的分類、總線的分類n根據(jù)所傳送信息的內(nèi)容可分為地址總線、數(shù)據(jù)總根據(jù)所傳送信息的內(nèi)容可分為地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，所謂三總線。還有電

21、源線和地線。線、控制總線，所謂三總線。還有電源線和地線。n按應用場合劃分：按應用場合劃分：n片級總線：連接不同的芯片，實現(xiàn)芯片之間信息片級總線：連接不同的芯片，實現(xiàn)芯片之間信息的交換，常有總線復用、鎖存、緩沖、驅動問題。的交換，常有總線復用、鎖存、緩沖、驅動問題。n系統(tǒng)總線：通常的微機總線，用于微機內(nèi)部各個系統(tǒng)總線：通常的微機總線，用于微機內(nèi)部各個板卡之間信息的交換。板卡之間信息的交換。外部總線：通信總線，用于多計算機之間的通信。外部總線：通信總線，用于多計算機之間的通信。計算機系統(tǒng)中，用于各部件之間傳送信息的公共通路計算機系統(tǒng)中，用于各部件之間傳送信息的公共通路2、總線標準、總線標準n總線標

22、準包括：插座的尺寸、引線數(shù)目、引線名總線標準包括：插座的尺寸、引線數(shù)目、引線名稱、工作時序、電平范圍。稱、工作時序、電平范圍。n常用系統(tǒng)總線標準常用系統(tǒng)總線標準nIBM PC機的機的62芯芯PC總線。總線。nPC/AT機的機的AT總線、總線、ISA總線?？偩€。n高性能高性能PC機的機的EISA總線。總線。nPCI總線總線(Peripheral Component Interconnect)n常用通信總線標準常用通信總線標準nIEEE-488總線總線nEIA RS-232EIA RS-485二、二、IBM PC總線總線nA19A0：輸出，存儲器地址，：輸出，存儲器地址，I/O地址只用地址只用A15A0，由，由CPU或或DMAC產(chǎn)生。產(chǎn)生。nD7D0：雙向，數(shù)據(jù)信號線，每次只傳送：雙向，數(shù)據(jù)信號線，每次只傳送1