微機(jī)原理與接口技術(shù)課件PPT

1、第第5章章 輸入輸出接口輸入輸出接口v5.1 微機(jī)接口及接口技術(shù)微機(jī)接口及接口技術(shù)v5.2 I/O端口及其編址方式端口及其編址方式v5.3 端口地址譯碼端口地址譯碼v5.4 CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式5.1 微機(jī)接口及接口技術(shù)微機(jī)接口及接口技術(shù) 5.1.1 為什么要設(shè)置接口電路為什么要設(shè)置接口電路 5.1.2 接口電路中的信息接口電路中的信息 5.1.3 接口的基本功能接口的基本功能 5.1.4 接口的基本結(jié)構(gòu)接口的基本結(jié)構(gòu)返返 回回?cái)?shù)字化存儲(chǔ)數(shù)字化存儲(chǔ)示波器、數(shù)示波器、數(shù)字化萬(wàn)用表字化萬(wàn)用表終端、調(diào)制終端、調(diào)制解調(diào)器解調(diào)器 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 開(kāi)關(guān)量輸入開(kāi)關(guān)量輸入

2、 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 開(kāi)關(guān)量輸出開(kāi)關(guān)量輸出鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)字化字化 儀、光筆、儀、光筆、圖形輸入儀麥克圖形輸入儀麥克風(fēng)、掃描儀風(fēng)、掃描儀 打印機(jī)打印機(jī)顯示器顯示器磁盤磁帶磁盤磁帶軟盤光盤軟盤光盤智能儀器接口智能儀器接口通信接口通信接口過(guò)程控制接口過(guò)程控制接口輸入接口輸入接口輸出接口輸出接口外存接口外存接口CPU內(nèi)存內(nèi)存 DB AB CB圖圖1-11-1微機(jī)系統(tǒng)各類接口框圖微機(jī)系統(tǒng)各類接口框圖 返返 回回5.1.1 5.1.1 為什么要設(shè)置接口電路為什么要設(shè)置接口電路CPUCPU與外設(shè)兩者的信號(hào)線不兼容，在信號(hào)線功能定義、邏與外設(shè)兩者的信號(hào)線不兼容，在信號(hào)線功能定義、邏輯定義和時(shí)序關(guān)

3、系上都不一致輯定義和時(shí)序關(guān)系上都不一致 兩者的工作速度不兼容，兩者的工作速度不兼容，CPUCPU速度高，外設(shè)速度低速度高，外設(shè)速度低 若不通過(guò)接口，而由若不通過(guò)接口，而由CPUCPU直接對(duì)外設(shè)的操作實(shí)施控制，就直接對(duì)外設(shè)的操作實(shí)施控制，就會(huì)使會(huì)使CPUCPU處于窮于應(yīng)付與外設(shè)打交道之中，大大降低處于窮于應(yīng)付與外設(shè)打交道之中，大大降低CPUCPU的的效率效率 若外部設(shè)備直接由若外部設(shè)備直接由CPUCPU控制，也會(huì)使外設(shè)的硬件結(jié)構(gòu)依賴控制，也會(huì)使外設(shè)的硬件結(jié)構(gòu)依賴于于CPUCPU，對(duì)外設(shè)本身的發(fā)展不利。，對(duì)外設(shè)本身的發(fā)展不利。 5.1.2 5.1.2 接口電路中的信息接口電路中的信息 v數(shù)據(jù)信息數(shù)

4、據(jù)信息v狀態(tài)信息狀態(tài)信息v控制信息控制信息習(xí)慣上把分別傳送這三種信息的端口稱為習(xí)慣上把分別傳送這三種信息的端口稱為 數(shù)據(jù)口、狀態(tài)口、控制口數(shù)據(jù)口、狀態(tài)口、控制口 1數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息v（1）數(shù)字量：數(shù)字量： 通常以通常以8位或位或16位的二進(jìn)制數(shù)以及位的二進(jìn)制數(shù)以及ASCII碼的形式傳碼的形式傳輸，主要指由鍵盤、磁盤、光盤等輸入的信息或主輸，主要指由鍵盤、磁盤、光盤等輸入的信息或主機(jī)送給打印機(jī)、顯示器、繪圖儀等的信息。機(jī)送給打印機(jī)、顯示器、繪圖儀等的信息。v（2）模擬量：模擬量： 模擬的電壓、電流或者非電量。對(duì)模擬量輸入而言，模擬的電壓、電流或者非電量。對(duì)模擬量輸入而言，需先經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電信

5、號(hào)，再經(jīng)需先經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變成轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量；如果需要輸出模擬控制量的話，就要進(jìn)行數(shù)字量；如果需要輸出模擬控制量的話，就要進(jìn)行上述過(guò)程的逆轉(zhuǎn)換。上述過(guò)程的逆轉(zhuǎn)換。v（3）開(kāi)關(guān)量：開(kāi)關(guān)量： 用用“0”和和“1”來(lái)表示兩種狀態(tài)，如開(kāi)關(guān)的通來(lái)表示兩種狀態(tài)，如開(kāi)關(guān)的通/斷、電斷、電機(jī)的轉(zhuǎn)機(jī)的轉(zhuǎn)/停、閥門的開(kāi)停、閥門的開(kāi)/關(guān)等。關(guān)等。2狀態(tài)信息狀態(tài)信息CPU在傳送數(shù)據(jù)信息之前，經(jīng)常需要先了解外在傳送數(shù)據(jù)信息之前，經(jīng)常需要先了解外設(shè)當(dāng)前的狀態(tài)。如輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好設(shè)當(dāng)前的狀態(tài)。如輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好、輸出設(shè)備是否忙等。、輸出設(shè)備是否忙等。v用于表征外設(shè)工作狀態(tài)的信息就

6、叫做狀態(tài)信息，用于表征外設(shè)工作狀態(tài)的信息就叫做狀態(tài)信息，它總是由外設(shè)通過(guò)接口輸入給它總是由外設(shè)通過(guò)接口輸入給CPU的。的。v狀態(tài)信息的長(zhǎng)度不定，可以是狀態(tài)信息的長(zhǎng)度不定，可以是1個(gè)二進(jìn)制位或個(gè)二進(jìn)制位或多個(gè)，含義也隨外設(shè)的具體情況不同而不同多個(gè)，含義也隨外設(shè)的具體情況不同而不同。3控制信息控制信息v用來(lái)發(fā)布控制命令、控制外設(shè)工作的用來(lái)發(fā)布控制命令、控制外設(shè)工作的信息，例如信息，例如A/D轉(zhuǎn)換器的啟停信號(hào)。轉(zhuǎn)換器的啟停信號(hào)。v控制信息總是控制信息總是CPU通過(guò)接口發(fā)出的通過(guò)接口發(fā)出的。返返 回回5.1.3 接口的基本功能接口的基本功能v1 1 數(shù)據(jù)緩沖功能數(shù)據(jù)緩沖功能v2 2 端口選擇功能端口選

7、擇功能v3. 3. 信號(hào)轉(zhuǎn)換功能信號(hào)轉(zhuǎn)換功能v4 4 接收和執(zhí)行接收和執(zhí)行CPUCPU命令的功能命令的功能v5. 5. 中斷管理功能中斷管理功能 v6 6 可編程功能可編程功能v7. 7. 返回外設(shè)狀態(tài)的功能返回外設(shè)狀態(tài)的功能 v8. 8. 數(shù)據(jù)寬度與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的功能數(shù)據(jù)寬度與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的功能1. 1. 數(shù)據(jù)緩沖功能數(shù)據(jù)緩沖功能v接口電路中一般都設(shè)置有數(shù)據(jù)寄存器或鎖存器數(shù)據(jù)口，以解決高速的主機(jī)與低速的外設(shè)之間的速度匹配問(wèn)題，避免因主機(jī)與外設(shè)的速度不匹配而丟失數(shù)據(jù)。2 2 端口選擇功能端口選擇功能v微機(jī)系統(tǒng)中常有多個(gè)外設(shè)，而CPU在任一時(shí)刻只能與一個(gè)端口交換信息，因此需要通過(guò)接口的地址譯碼電

8、路對(duì)端口進(jìn)行尋址。3. 3. 信號(hào)轉(zhuǎn)換功能信號(hào)轉(zhuǎn)換功能v外設(shè)所提供的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信號(hào)可能與微機(jī)的總線信號(hào)不兼容，所以接口電路應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換。4 4 接收和執(zhí)行接收和執(zhí)行CPUCPU命令的功能命令的功能vCPU對(duì)外設(shè)的控制命令一般以代碼形式輸出到接口電路的控制端口，接口電路對(duì)命令代碼進(jìn)行識(shí)別、分析，分解成若干控制信號(hào)，傳送到I/O設(shè)備，并產(chǎn)生相應(yīng)的具體操作。5. 5. 中斷管理功能中斷管理功能v當(dāng)外設(shè)需要及時(shí)得到CPU的服務(wù)，特別是出現(xiàn)故障需要CPU立即處理時(shí)，就要求接口中設(shè)置中斷控制器，以便于CPU處理有關(guān)中斷事務(wù)（如中斷請(qǐng)求、中斷優(yōu)先級(jí)排隊(duì)、提供中斷向量等）。6 6 可編程功能可編

9、程功能v由于I/O接口電路大多由可編程接口芯片組成，因此就有可能在不改變硬件電路的情況下，只要修改接口驅(qū)動(dòng)程序就可以改變接口的工作方式，提高了接口的靈活性和可擴(kuò)充性，使接口向智能化方向發(fā)展。7. 7. 返回外設(shè)狀態(tài)的功能返回外設(shè)狀態(tài)的功能v接口電路在執(zhí)行命令之前、執(zhí)行命令過(guò)程中和執(zhí)行命令之后，外部設(shè)備及接口電路都會(huì)有一些情況發(fā)生，包括正常工作狀態(tài)和故障狀態(tài)。v“忙”、“閑”、“準(zhǔn)備就緒”、“未準(zhǔn)備就緒”、“滿”、“空”、“溢出錯(cuò)”、“格式錯(cuò)”等v接口中一般都設(shè)置狀態(tài)寄存器，稱“狀態(tài)口”。狀態(tài)信號(hào)以狀態(tài)代碼形式存放在接口電路的狀態(tài)寄存器中。vCPU從狀態(tài)口讀取狀態(tài)信息，供CPU作出判斷與處理。8

10、. 8. 數(shù)據(jù)寬度與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的功能數(shù)據(jù)寬度與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的功能vCPU所處理的是并行數(shù)據(jù)，而有的外設(shè)只能處所處理的是并行數(shù)據(jù)，而有的外設(shè)只能處理串行數(shù)據(jù)，接口應(yīng)具有數(shù)據(jù)理串行數(shù)據(jù)，接口應(yīng)具有數(shù)據(jù)“并串并串”、 “串串并并”的轉(zhuǎn)換能力。的轉(zhuǎn)換能力。vCPU與有些外設(shè)交換數(shù)據(jù)時(shí)，要求按照一定的與有些外設(shè)交換數(shù)據(jù)時(shí)，要求按照一定的數(shù)據(jù)格式傳送，所以在數(shù)據(jù)格式傳送，所以在CPU與通信設(shè)備之間進(jìn)與通信設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。返返 回回5.1.45.1.4接口的基本結(jié)構(gòu)接口的基本結(jié)構(gòu)v1端口v2地址譯碼電路v3數(shù)據(jù)緩沖器與鎖存器1端口端口vI/O接口通常設(shè)置有若干個(gè)寄存器，用來(lái)暫存C

11、PU和外設(shè)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息。v一般有三類寄存器，分別是數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器、控制寄存器。v接口內(nèi)的寄存器通常被稱為端口。根據(jù)寄存器內(nèi)暫存信息的類型，分別稱為數(shù)據(jù)端口、控制端口和狀態(tài)端口。v每個(gè)端口有一個(gè)獨(dú)立的地址，CPU可以用端口地址代碼來(lái)區(qū)別各個(gè)不同的端口，并對(duì)它們分別進(jìn)行讀/寫操作。2地址譯碼電路地址譯碼電路v 它由譯碼器或能實(shí)現(xiàn)譯碼功能的其它芯片它由譯碼器或能實(shí)現(xiàn)譯碼功能的其它芯片構(gòu)成。構(gòu)成。v它的作用是進(jìn)行設(shè)備選擇，是接口中不可它的作用是進(jìn)行設(shè)備選擇，是接口中不可缺少的部分。這部分電路不包含在集成接缺少的部分。這部分電路不包含在集成接口芯片中，要由用戶自行設(shè)計(jì)?？谛酒?/p>

12、，要由用戶自行設(shè)計(jì)。3數(shù)據(jù)緩沖器與鎖存器數(shù)據(jù)緩沖器與鎖存器v在微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線上，連接著許多能夠向在微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線上，連接著許多能夠向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備，如內(nèi)存儲(chǔ)器、外設(shè)的數(shù)據(jù)輸入端發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備，如內(nèi)存儲(chǔ)器、外設(shè)的數(shù)據(jù)輸入端口等?？诘?。v為了不使系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的信號(hào)傳輸發(fā)生為了不使系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的信號(hào)傳輸發(fā)生“信息沖信息沖突突”，要求所有的這些連接到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的設(shè)備，要求所有的這些連接到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的設(shè)備具有三態(tài)輸出的功能。具有三態(tài)輸出的功能。v也就是說(shuō)，在也就是說(shuō)，在CPU選中該設(shè)備時(shí)，它能向系統(tǒng)數(shù)據(jù)選中該設(shè)備時(shí)，它能向系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，而在其它時(shí)刻，它的輸出端必總線發(fā)送數(shù)據(jù)

13、信號(hào)，而在其它時(shí)刻，它的輸出端必須呈高阻狀態(tài)。為此，所有接口的輸入端口必須通須呈高阻狀態(tài)。為此，所有接口的輸入端口必須通過(guò)三態(tài)緩沖器與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。過(guò)三態(tài)緩沖器與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。返返 回回5.2 I/O5.2 I/O端口及其編址方式端口及其編址方式 5.2.1 I/0端口 5.2.2 I/O端口的編址方式 5.2.3 I/O端口地址分配返返 回回5.2.1 I/05.2.1 I/0端口端口v 端口（端口（portport）是接口電路中能被）是接口電路中能被CPUCPU直接訪問(wèn)的寄存器的直接訪問(wèn)的寄存器的地址。地址。 v 計(jì)算機(jī)給接口電路中的每個(gè)寄存器分配一個(gè)端口，因計(jì)算機(jī)給接口電路中的每

14、個(gè)寄存器分配一個(gè)端口，因此此,CPU,CPU在訪問(wèn)這些寄存器時(shí)，只需指明它們的端口，不需在訪問(wèn)這些寄存器時(shí)，只需指明它們的端口，不需指出是什么寄存器。指出是什么寄存器。 v CPUCPU對(duì)數(shù)據(jù)端口進(jìn)行一次讀或?qū)懖僮?，也就是與該接口連對(duì)數(shù)據(jù)端口進(jìn)行一次讀或?qū)懖僮?，也就是與該接口連接的外設(shè)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸接的外設(shè)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸v CPUCPU對(duì)狀態(tài)端口進(jìn)行一次讀操作，就可以獲得外設(shè)或接口對(duì)狀態(tài)端口進(jìn)行一次讀操作，就可以獲得外設(shè)或接口自身的狀態(tài)代碼自身的狀態(tài)代碼v CPUCPU把若干位控制代碼寫入控制端口，則意味著對(duì)該接口把若干位控制代碼寫入控制端口，則意味著對(duì)該接口或外設(shè)發(fā)出一個(gè)控制命令，要求該

15、接口或外設(shè)按規(guī)定的要或外設(shè)發(fā)出一個(gè)控制命令，要求該接口或外設(shè)按規(guī)定的要求工作求工作返返 回回5.2.2 I/O端口的編址方式端口的編址方式v1 端口地址和存儲(chǔ)器地址統(tǒng)一編址，也稱存儲(chǔ)器端口地址和存儲(chǔ)器地址統(tǒng)一編址，也稱存儲(chǔ)器映射方式映射方式v2 I/O端口地址和存儲(chǔ)器地址分開(kāi)獨(dú)立編址，也稱端口地址和存儲(chǔ)器地址分開(kāi)獨(dú)立編址，也稱I/O映射方式映射方式 1 統(tǒng)一編址方式統(tǒng)一編址方式v從存儲(chǔ)器空間劃出一部分地址空間給從存儲(chǔ)器空間劃出一部分地址空間給I/O設(shè)備，把設(shè)備，把I/O接口中的端口當(dāng)作存儲(chǔ)器單元一樣進(jìn)行訪問(wèn)，不設(shè)置接口中的端口當(dāng)作存儲(chǔ)器單元一樣進(jìn)行訪問(wèn)，不設(shè)置專門的專門的I/O指令指令v優(yōu)點(diǎn)：

16、優(yōu)點(diǎn)：v訪問(wèn)訪問(wèn)I/O端口可實(shí)現(xiàn)輸入端口可實(shí)現(xiàn)輸入/輸出操作，還可以對(duì)端口內(nèi)輸出操作，還可以對(duì)端口內(nèi)容進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算、移位等等；容進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算、移位等等；v 能給端口有較大的編址空間，這對(duì)大型控制系統(tǒng)和能給端口有較大的編址空間，這對(duì)大型控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是很有意義的；數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是很有意義的；v 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：v 端口占用了存儲(chǔ)器的地址空間，使存儲(chǔ)器容量??；端口占用了存儲(chǔ)器的地址空間，使存儲(chǔ)器容量?。籿 指令長(zhǎng)度比專門指令長(zhǎng)度比專門I/O指令要長(zhǎng)，因而執(zhí)行速度較慢；指令要長(zhǎng)，因而執(zhí)行速度較慢； 2 獨(dú)立編址方式獨(dú)立編址方式vI/O端口地址空間和存儲(chǔ)器地址空間是獨(dú)立的、分開(kāi)端口地址空間和

17、存儲(chǔ)器地址空間是獨(dú)立的、分開(kāi)的，即的，即I/O端口地址不占用存儲(chǔ)器地址空間。端口地址不占用存儲(chǔ)器地址空間。v優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)vI/O端口地址不占用存儲(chǔ)器空間；端口地址不占用存儲(chǔ)器空間；v使用專門的使用專門的I/O指令對(duì)端口進(jìn)行操作，指令對(duì)端口進(jìn)行操作，I/O指令短、執(zhí)指令短、執(zhí)行速度快；行速度快；v并且由于專門并且由于專門I/O指令與存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令有明顯的區(qū)指令與存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令有明顯的區(qū)別，使程序中別，使程序中I/O操作和存儲(chǔ)器操作層次清晰，程序操作和存儲(chǔ)器操作層次清晰，程序的可讀性強(qiáng)。的可讀性強(qiáng)。v缺點(diǎn)缺點(diǎn)v這種編址方式中，微處理器對(duì)存儲(chǔ)器及這種編址方式中，微處理器對(duì)存儲(chǔ)器及I/O端口是采端口是采用

18、不同的控制線進(jìn)行選擇的，因而接口電路比較復(fù)雜。用不同的控制線進(jìn)行選擇的，因而接口電路比較復(fù)雜。MEMRMEMWCPU控制邏輯控制邏輯存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器（1MB）I/O端口端口（64K個(gè)）個(gè)）R/W 控制控制20 AB 2016 DB 16168IORIOW圖圖5-2 獨(dú)立編址方式獨(dú)立編址方式 圖解圖解v 訪問(wèn)存儲(chǔ)單元用地址總線訪問(wèn)存儲(chǔ)單元用地址總線A19A0，全譯碼后得到，全譯碼后得到00000HFFFFFH共共1MB地址空間地址空間.v I/O端口只利用其中的一部端口只利用其中的一部分地址線，即分地址線，即A15A0地地址線，可譯出址線，可譯出0000HFFFFH共共64KB個(gè)個(gè)I/O端口端口地址

19、地址.v 由于端口是與存儲(chǔ)器隔離由于端口是與存儲(chǔ)器隔離的，所以用戶可擴(kuò)展存儲(chǔ)的，所以用戶可擴(kuò)展存儲(chǔ)器到最大容量，而不必為器到最大容量，而不必為I/O端口留出地址空間端口留出地址空間.返返 回回5.2.3 I/O端口地址分配端口地址分配v 表表5-1中分配給每個(gè)中分配給每個(gè)接口芯片的接口芯片的I/O端口端口地址，在實(shí)際使用中地址，在實(shí)際使用中并未全部用完。并未全部用完。v 中斷控制器中斷控制器8259A，只使用了前面只使用了前面2個(gè)端個(gè)端口地址，口地址，20H、21H（主片）和（主片）和A0H，A1H（從片）。（從片）。v 并行接口芯片并行接口芯片8255A，只使用了前面只使用了前面4個(gè)端個(gè)端口

20、地址口地址60H63H。v 使用端口地址最多的使用端口地址最多的DMA控制芯片控制芯片8237A，也只用了前面的也只用了前面的16個(gè)個(gè)地址（地址（0FH）。）。04004005FH05FH06006006FH06FH07007007FH07FH0F00F00FFH0FFH定時(shí)器定時(shí)器并行接口芯片（鍵盤接口）并行接口芯片（鍵盤接口）RT/CMOS RAMRT/CMOS RAM協(xié)處理器協(xié)處理器02002003FH03FH0A00A00BFH0BFH中斷控制器中斷控制器1 1中斷控制器中斷控制器2 200000001FH01FH0C00C00DFH0DFH08008009FH09FHDMADMA控制

21、器控制器1 1DMADMA控制器控制器2 2DMADMA頁(yè)面寄存器頁(yè)面寄存器端口地址端口地址I/OI/O芯片名稱芯片名稱表表5-15-1系統(tǒng)板上接口芯片的端口地址系統(tǒng)板上接口芯片的端口地址 表表5-2擴(kuò)展槽上接口控制卡的端口地址擴(kuò)展槽上接口控制卡的端口地址I/O接口名稱接口名稱端口地址端口地址游戲控制卡游戲控制卡20020FH并行口控制卡并行口控制卡1 1并行口控制卡并行口控制卡2 237037FH27027FH串行口控制卡串行口控制卡1 1串行口控制卡串行口控制卡2 23F83FFH2F02FFH原型插件板原型插件板30031FH同步通信卡同步通信卡1 1同步通信卡同步通信卡2 23A03AFH38038FH單顯單顯MDAMDA彩顯彩顯CGAC