第六章_IO接口和總線

1、第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-141第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線 6-1 I/O6-1 I/O接口接口6-2 6-2 總線總線第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-1421)1)、數(shù)據(jù)端口、數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)信息：數(shù)字量、模擬量、開數(shù)據(jù)信息：數(shù)字量、模擬量、開 關(guān)量、脈沖量。關(guān)量、脈沖量。2)2)、狀態(tài)端口、狀態(tài)端口狀態(tài)信息：反映當(dāng)前外設(shè)所處的狀態(tài)信息：反映當(dāng)前外設(shè)所處的 工作狀態(tài)。工作狀態(tài)。3)3)、控制端口、控制端口控制信息：控制信息：CPU CPU 通過接口向外設(shè)通過接口向外設(shè) 傳送控制信息。傳送控制信息。接口接口是是

2、CPUCPU與外界的連接部件，與外界的連接部件，是是CPUCPU與外界交換信息的中轉(zhuǎn)站。與外界交換信息的中轉(zhuǎn)站。一個接口有幾個寄存器，不同類一個接口有幾個寄存器，不同類型的信息進(jìn)入不同的寄存器型的信息進(jìn)入不同的寄存器, ,一般一般稱這些寄存器為稱這些寄存器為端口端口。第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-1436-1 I/O6-1 I/O接口接口一、一、I/OI/O接口的功能接口的功能1.1.采用采用I/OI/O接口的必要性接口的必要性外圍設(shè)備品種繁多：機械，電子，機電，光電等。外圍設(shè)備品種繁多：機械，電子，機電，光電等。所傳輸信息要求不同：數(shù)字，模擬，電壓，電流等。所

3、傳輸信息要求不同：數(shù)字，模擬，電壓，電流等。* 速度不匹配速度不匹配* * 信號電平不匹配信號電平不匹配* * 信號格式不匹配信號格式不匹配* * 信號時序不匹配信號時序不匹配計算機與外設(shè)之間信息交換應(yīng)解決的問題：計算機與外設(shè)之間信息交換應(yīng)解決的問題：第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-144（1 1）設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖以解決速度差異所帶來的不協(xié)調(diào)問題；）設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖以解決速度差異所帶來的不協(xié)調(diào)問題； 輸入：輸入設(shè)備數(shù)據(jù)線輸入：輸入設(shè)備數(shù)據(jù)線 緩沖器緩沖器 DB DB CPU CPU輸出：輸出：CPU CPU DB DB 鎖存器鎖存器 輸出設(shè)備數(shù)據(jù)線輸出設(shè)備數(shù)據(jù)線 2.I/

4、O2.I/O接口的功能接口的功能（2 2）設(shè)置信號電平轉(zhuǎn)換電路以解決信號電平的不一致問題；）設(shè)置信號電平轉(zhuǎn)換電路以解決信號電平的不一致問題；（3 3）設(shè)置信息轉(zhuǎn)換邏輯以滿足對各自信號格式的要求；）設(shè)置信息轉(zhuǎn)換邏輯以滿足對各自信號格式的要求； 例如：例如：A/DA/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換，D/AD/A轉(zhuǎn)換，串轉(zhuǎn)換，串/ /并轉(zhuǎn)換，并并轉(zhuǎn)換，并/ /串轉(zhuǎn)換等。串轉(zhuǎn)換等。（4 4）設(shè)置時序控制電路以同步）設(shè)置時序控制電路以同步CPUCPU和外設(shè)的工作；和外設(shè)的工作；（5 5）提供地址譯碼電路。）提供地址譯碼電路。第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-145二、簡單的輸入輸出接口芯片二、

5、簡單的輸入輸出接口芯片常用的數(shù)據(jù)緩沖器：常用的數(shù)據(jù)緩沖器： 74LS24474LS244、74LS24574LS245：數(shù)據(jù)緩沖，提高總線驅(qū)動能力。數(shù)據(jù)緩沖，提高總線驅(qū)動能力。常用的數(shù)據(jù)鎖存器：常用的數(shù)據(jù)鎖存器： 74LS37374LS373、74LS37474LS374：鎖存數(shù)據(jù)。：鎖存數(shù)據(jù)。第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-1461 1. I/O I/O端口端口（3 3）控制端口）控制端口：用來存放：用來存放CPUCPU向接口發(fā)送的各種命令和控制字，向接口發(fā)送的各種命令和控制字，以便控制接口或外設(shè)的動作。以便控制接口或外設(shè)的動作。三、三、I/OI/O端口及其尋址

6、方式端口及其尋址方式CPUCPU與外設(shè)之間傳送的信號：數(shù)據(jù)信號、狀態(tài)信號、控制信號。與外設(shè)之間傳送的信號：數(shù)據(jù)信號、狀態(tài)信號、控制信號。（1 1）數(shù)據(jù)端口）數(shù)據(jù)端口：用來存放外設(shè)送往：用來存放外設(shè)送往CPUCPU的數(shù)據(jù)以及的數(shù)據(jù)以及CPUCPU要輸要輸出到外設(shè)去的數(shù)據(jù)。主要起數(shù)據(jù)緩沖的作用。出到外設(shè)去的數(shù)據(jù)。主要起數(shù)據(jù)緩沖的作用。（2 2）狀態(tài)端口）狀態(tài)端口：主要用來指示外設(shè)的當(dāng)前狀態(tài)。用：主要用來指示外設(shè)的當(dāng)前狀態(tài)。用“位位”來表來表示。示。 準(zhǔn)備就緒位（準(zhǔn)備就緒位（ReadyReady） 忙碌位（忙碌位（BusyBusy） 錯誤位（錯誤位（ErrorError）第第6 6章章 I/OI/O

7、接口和總線接口和總線2022-5-1472 2. I/OI/O端口的尋址方法端口的尋址方法65F302 0024E0內(nèi)存與外設(shè)內(nèi)存與外設(shè)內(nèi)存內(nèi)存外設(shè)外設(shè)026D（1 1）存儲器映象尋址方式存儲器映象尋址方式 將外設(shè)端口和內(nèi)部存儲單元統(tǒng)一將外設(shè)端口和內(nèi)部存儲單元統(tǒng)一安排在內(nèi)存的地址空間中，安排在內(nèi)存的地址空間中，外設(shè)地址外設(shè)地址與內(nèi)存地址統(tǒng)一編址。與內(nèi)存地址統(tǒng)一編址。優(yōu)點優(yōu)點：不需要專門的輸入輸出指令，不需要專門的輸入輸出指令， 可用全部的存儲器操作指令?？捎萌康拇鎯ζ鞑僮髦噶睢?如：如：movmov kou1,bx kou1,bx 缺點缺點：外設(shè)占用內(nèi)存單元，相對減少外設(shè)占用內(nèi)存單元，相對減

8、少 了內(nèi)存容量了內(nèi)存容量。第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-148 內(nèi)存地址空間和外設(shè)地址空間是內(nèi)存地址空間和外設(shè)地址空間是相互獨立的。相互獨立的。優(yōu)點：不占用內(nèi)存。優(yōu)點：不占用內(nèi)存。缺點：缺點：CPUCPU需設(shè)專門的需設(shè)專門的I/OI/O指令。指令。 端口地址在端口地址在 0 0FFH FFH 范圍內(nèi)，用直接范圍內(nèi)，用直接尋址。尋址。如：如：IN AL,20HIN AL,20H OUT 80H,AX OUT 80H,AX端口地址在端口地址在 010001000FFFFH 0FFFFH 范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，用用DXDX間接尋址。間接尋址。如：如： MOV DX,300H

9、MOV DX,300H IN AL,DX IN AL,DX65F302 00外設(shè)外設(shè)KOU1KOU2KOU3112233 44KOU100KOU101113232 01內(nèi)存內(nèi)存（2 2）I/OI/O單獨編址方式單獨編址方式第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-149四、四、CPUCPU與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式 程序控制方式程序控制方式 無條件傳送無條件傳送 條件傳送（查詢方式）條件傳送（查詢方式） 中斷方式中斷方式 直接存貯器存取直接存貯器存取(DMA)(DMA)方式方式第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-1410第第6 6

10、章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-1411第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-1412第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-1413第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-1414 在微機系統(tǒng)中，有一些簡單的外設(shè)在工作時，隨時在微機系統(tǒng)中，有一些簡單的外設(shè)在工作時，隨時都準(zhǔn)備好接收都準(zhǔn)備好接收CPUCPU的輸出數(shù)據(jù)或它們的數(shù)據(jù)隨時都是準(zhǔn)的輸出數(shù)據(jù)或它們的數(shù)據(jù)隨時都是準(zhǔn)備好的，備好的，CPUCPU什么時候讀均可以正確的讀取數(shù)據(jù)。什么時候讀均可以正確的讀取數(shù)據(jù)。特點：特點：外設(shè)已準(zhǔn)備好，不需要查詢外設(shè)狀態(tài)。外

11、設(shè)已準(zhǔn)備好，不需要查詢外設(shè)狀態(tài)。 輸入時，外設(shè)數(shù)據(jù)已送到三態(tài)緩沖器。輸入時，外設(shè)數(shù)據(jù)已送到三態(tài)緩沖器。 輸出時，輸出時，CPUCPU的輸出信息已送到輸出鎖存器輸入端。的輸出信息已送到輸出鎖存器輸入端。1.1.無條件傳送方式無條件傳送方式第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-1415 無條件傳送的無條件傳送的局限性局限性：對于那些慢速的或總是準(zhǔn)備好的：對于那些慢速的或總是準(zhǔn)備好的外設(shè)是適用的。外設(shè)是適用的。 所謂所謂查詢方式查詢方式就是微型計算機利用程序不斷詢問外部設(shè)就是微型計算機利用程序不斷詢問外部設(shè)備的備的狀態(tài)狀態(tài)，根據(jù)它們所處的，根據(jù)它們所處的狀態(tài)狀態(tài)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸

12、入和輸出。來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出。查詢工作方式示意圖查詢工作方式示意圖 2.2.查詢方式查詢方式第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-1416(1)(1)單一外設(shè)查詢單一外設(shè)查詢 CPUCPU先查詢外設(shè)狀先查詢外設(shè)狀態(tài)，而后決定數(shù)態(tài)，而后決定數(shù)據(jù)的傳送。據(jù)的傳送。單一外設(shè)查詢示意圖單一外設(shè)查詢示意圖 第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-1417(2)(2)多個外設(shè)查詢方式工作多個外設(shè)查詢方式工作CPUCPU逐個外設(shè)進(jìn)逐個外設(shè)進(jìn)行查詢。若發(fā)行查詢。若發(fā)現(xiàn)哪個外設(shè)準(zhǔn)現(xiàn)哪個外設(shè)準(zhǔn)備就緒，就對備就緒，就對該外設(shè)實施數(shù)該外設(shè)實施數(shù)據(jù)傳送。據(jù)傳送。降低了降

13、低了CPUCPU的效的效率；不能對外率；不能對外設(shè)進(jìn)行實時數(shù)設(shè)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交換。據(jù)交換。多個外設(shè)查詢方式工作流程多個外設(shè)查詢方式工作流程 2第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-1418 無條件傳送、查詢傳送都需要無條件傳送、查詢傳送都需要CPUCPU的等待或的等待或不斷查詢，使不斷查詢，使CPUCPU的效率降低。的效率降低。啟動外設(shè)啟動外設(shè)主程序主程序外設(shè)準(zhǔn)備好外設(shè)準(zhǔn)備好輸入設(shè)備輸入設(shè)備Ready=1 輸出設(shè)備輸出設(shè)備 Busy=0中斷請求中斷請求中斷響應(yīng)中斷響應(yīng)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)IN/OUTIN/OUT中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序IRETIRET中斷響應(yīng)中斷響應(yīng)外設(shè)又一次準(zhǔn)備好外

14、設(shè)又一次準(zhǔn)備好中斷請求中斷請求3 3. 中斷方式中斷方式中斷傳送：外設(shè)需要傳送數(shù)據(jù)時，申請中斷；當(dāng)中斷傳送：外設(shè)需要傳送數(shù)據(jù)時，申請中斷；當(dāng)CPU允許中允許中斷，在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行斷，在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行IN /OUT指令；然后返回主程序。指令；然后返回主程序。第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-1419DMADMA方式：方式： 采用專用接口電路直接和存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。不通過采用專用接口電路直接和存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。不通過CPUCPU，傳送效率高。適用于在內(nèi)存與高速外設(shè)、或兩個高速外傳送效率高。適用于在內(nèi)存與高速外設(shè)、或兩個高速外設(shè)之間進(jìn)行大批量數(shù)據(jù)傳送。設(shè)之間進(jìn)

15、行大批量數(shù)據(jù)傳送。 Direct Memory AccessDirect Memory Access4 4. DMADMA方式方式（1 1）DMADMA方式的提出方式的提出-為什么要用為什么要用DMADMA方式傳送數(shù)據(jù)？方式傳送數(shù)據(jù)？查詢方式：查詢方式：查詢時占用查詢時占用CPUCPU時間。時間。中斷方式：中斷方式：比查詢方式傳送效率高，但執(zhí)行中斷服務(wù)程序，比查詢方式傳送效率高，但執(zhí)行中斷服務(wù)程序， CPUCPU要保護(hù)斷點、保護(hù)寄存器等，使要保護(hù)斷點、保護(hù)寄存器等，使CPUCPU花費時間?；ㄙM時間。第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-1420 要實現(xiàn)要實現(xiàn)DMADMA

16、傳送，目前都采用大規(guī)模集成電路芯片傳送，目前都采用大規(guī)模集成電路芯片DMADMA控控制器制器(DMAC)(DMAC)。 （2）DMA的工作過程的工作過程 DMADMA控制器控制器82378237 第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-1421外外設(shè)設(shè)數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線接接口口電電路路PC總總線線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線片片選選譯譯碼碼 高高 位位 地址線地址線控制線控制線低位地址線低位地址線控制線控制線狀態(tài)線狀態(tài)線CPU輔輔助助電電路路CPU接口與系統(tǒng)的連接接口與系統(tǒng)的連接第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-14226-2 6-2 總線總線一、總線的概念一、總線

17、的概念l總線分類總線分類l總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)二、二、IBM PCIBM PC總線總線第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-1423l總線是連接多個功能部件的一組公共信號線?？偩€是連接多個功能部件的一組公共信號線。1.1.什么是總線什么是總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 DB控制總線控制總線 CB地址總線地址總線 ABAB存存儲儲器器I/O接接口口輸輸入入設(shè)設(shè)備備I/O接接口口輸輸出出設(shè)設(shè)備備CPU一、總線的概念一、總線的概念第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-1424 總線是構(gòu)成微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)的重要技術(shù)，總線設(shè)總線是構(gòu)成微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)的重要技術(shù)，總線

18、設(shè)計的好壞直接影響計的好壞直接影響 : :整個微機系統(tǒng)的整個微機系統(tǒng)的性能、可靠性、可擴性能、可靠性、可擴展性和可升級性。展性和可升級性。第第6 6章章 I/OI/O接口和總線接口和總線2022-5-1425l根據(jù)總線中信息傳送的類型可分為：根據(jù)總線中信息傳送的類型可分為： 地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線等地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線等。2. 2. 總線的分類總線的分類l根據(jù)總線的規(guī)模、用途和應(yīng)用場合可分為：根據(jù)總線的規(guī)模、用途和應(yīng)用場合可分為：（1）片級總線）片級總線（2）系統(tǒng)總線）系統(tǒng)總線（3）外部總線）外部總線 也叫元件級總線，由芯片內(nèi)部通過引腳引出的總也叫元件級總線，由芯片內(nèi)部通過引腳引出的總線，用于芯片一級的互連。線，用于芯片一級的互連。 也叫內(nèi)總線或板級總線，用于微型計算機各插件也叫內(nèi)總線或板級總線，用于微型計算機各插件板之間的連線。板之間的連線。 也稱為通信總線，用于微型計算機系統(tǒng)之間、微也稱為通信總線，用于微型計算機系統(tǒng)之間、微型計算機系統(tǒng)與其它電子儀器或設(shè)備之間的