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1、1第六章第六章 I/O I/O 接口和总线接口和总线电气学院学习部资料库26-1 I/O接口接口一、采用一、采用I/O接口的必要性接口的必要性计算机和外设之间的信息交换存在以下问题：计算机和外设之间的信息交换存在以下问题：1、速度不匹配：、速度不匹配：解决方法：设置缓冲器、锁存器解决方法：设置缓冲器、锁存器2、信号电平不匹配：、信号电平不匹配：CPU：TTL电平；外设：电源系统电平；外设：电源系统 解决方法：设置电平转换电路，解决方法：设置电平转换电路，MC14883、信号格式不匹配：、信号格式不匹配：CPU：16位的并行数据位的并行数据 外设：数字量、模拟量、开关量；串行、并行外设：数字量、
2、模拟量、开关量；串行、并行 解决方法：解决方法：A/D、D/A转换；串变并、并变串电路，转换；串变并、并变串电路，电压变电流电压变电流电气学院学习部资料库34、时序不匹配、时序不匹配 外设：各自的定时和控制逻辑外设：各自的定时和控制逻辑 解决方法：设置时序控制电路，实现解决方法：设置时序控制电路，实现CPU与外设之间的与外设之间的握手联络，保证同步握手联络，保证同步二、二、I/O接口的功能：接口的功能：1、寻址：统一、独立、片选、组内选、寻址：统一、独立、片选、组内选2、数据输入、输出、数据输入、输出3、联络功能、联络功能4、复位功能、复位功能5、可编程功能、可编程功能6、检测功能、检测功能电
3、气学院学习部资料库4三、三、简单的输入输出接口芯片简单的输入输出接口芯片总线与外设的接口应遵循以下原则：总线与外设的接口应遵循以下原则：输入三态输入三态 输出锁存输出锁存单向：缓冲器单向：缓冲器74LS244 锁存器锁存器74LS373双向：缓冲器双向：缓冲器74LS245电气学院学习部资料库56-2 6-2 I/O端口及其寻址方式端口及其寻址方式一、一、基本概念基本概念通信通信：计算机与外设间交换数据、状态和控制命令的过程，：计算机与外设间交换数据、状态和控制命令的过程，是在控制信号的作用下，通过数据总线来完成的是在控制信号的作用下，通过数据总线来完成的I/O设备设备（外设）：输入输出设备。
4、（外设）：输入输出设备。例：键盘、扫描仪、显示器、打印机、磁盘等例：键盘、扫描仪、显示器、打印机、磁盘等I/O接口（电路）接口（电路）：外设和计算机之间传送信息的交接部件：外设和计算机之间传送信息的交接部件（界面），每一个外设都要通过接口电路才能与主机相连（界面），每一个外设都要通过接口电路才能与主机相连I/O端口端口：一个：一个I/O接口电路中通常包含多个端口，接口电路中通常包含多个端口，一个端口一个端口对应一个地址对应一个地址 例：例：IN AL，60H；60H端口端口的内容的内容AL 端口地址为端口地址为60H电气学院学习部资料库6vI/O接口和接口和I/O端口的关系：端口的关系：一个一
5、个I/O接口电路中通常包含多个端口接口电路中通常包含多个端口CPU在同一时刻只能选中某一个在同一时刻只能选中某一个I/O端口端口CPU访问外设，实质上是对访问外设，实质上是对I/O接口电路中相应的端口进接口电路中相应的端口进行访问行访问I/O接口电路中必须包含译码电路以形成接口电路中必须包含译码电路以形成I/O端口地址（与端口地址（与存储器比较）存储器比较）电气学院学习部资料库7一个双向工作的接口芯片通常有四个端口一个双向工作的接口芯片通常有四个端口数据输入寄存器数据输入寄存器数据输出寄存器数据输出寄存器控制寄存器控制寄存器状态寄存器状态寄存器外外部部输输出出入入设设备备数据数据控制控制状态状
6、态DBCBAB数数据据端端口口电气学院学习部资料库8二、二、I/O端口端口1 1、数据端口、数据端口 作用：缓冲、暂存数据信息、作用：缓冲、暂存数据信息、8 8位位2 2、状态端口、状态端口 作用：指示外设的当前状态，每个状态用作用：指示外设的当前状态，每个状态用1 1位表示位表示 常用的状态位有：常用的状态位有：ReadyReady、BusyBusy、ErrorError3 3、控制端口、控制端口 作用：用来存放作用：用来存放CPUCPU向接口发出的各种命令字和控制向接口发出的各种命令字和控制字，以便控制接口或设备的动作字，以便控制接口或设备的动作电气学院学习部资料库9三、三、I/O端口端口
7、寻址方式寻址方式存储器映象寻址方式存储器映象寻址方式特点：特点：1 1、将每一个、将每一个I/OI/O端口看作一个存储单元，端口看作一个存储单元，I/OI/O地址即为整地址即为整个存储单元的一个部分，统一编址个存储单元的一个部分，统一编址2 2、无专门、无专门I/OI/O操作指令操作指令3 3、译码电路复杂、指令长度长、译码电路复杂、指令长度长I/OI/O单独编址方式（用单独编址方式（用ININ、OUTOUT指令）指令）特点：特点：1 1、将、将I/OI/O地址单独编址、构成一个地址单独编址、构成一个I/OI/O空间，不占用存储空间，不占用存储空间空间2 2、有专门的、有专门的ININ、OUT
8、OUT指令，程序清晰，可读性好指令，程序清晰，可读性好3 3、CPUCPU要提供区分存储器和要提供区分存储器和I/OI/O端口的信号，如端口的信号，如M/IOM/IO4 4、译码电路较简单、指令执行速度快、译码电路较简单、指令执行速度快电气学院学习部资料库10四、四、CPUCPU与外设之间数据传送方式与外设之间数据传送方式程序方式程序方式中断方式中断方式DMA方式方式v区别：区别：CPU的利用率的利用率 数据传输效率数据传输效率电气学院学习部资料库111 1 1 1、程序控制程序控制方式方式方式方式 在程序控制下传送数据在程序控制下传送数据 缺点：缺点：CPUCPU利用率低利用率低（1 1）无
9、条件传送：数据传送不能频繁，适用于简单外设或）无条件传送：数据传送不能频繁，适用于简单外设或外设的定时是固定或已知的场合外设的定时是固定或已知的场合例例1 1：检测按键开关状态：检测按键开关状态 图图6-4,6-4,见后页见后页 上拉电阻上拉电阻 三态三态门门例例2 2：控制：控制LEDLED灯亮，图灯亮，图6-5 74LS2736-5 74LS273锁存锁存器，限流电阻器，限流电阻 OUT PORT2,ALOUT PORT2,AL；执行时，执行时，WR=0，M/IO=0，地址信，地址信号使号使CS=0 CLKCLK输出一上升沿，数据锁存并输出。输出一上升沿，数据锁存并输出。电气学院学习部资料
10、库12上拉电阻上拉电阻的作用：保证开关断开时，有一高电平输入。的作用：保证开关断开时，有一高电平输入。1G、2G的作用：为低电平时，三态门打开，的作用：为低电平时，三态门打开，输入三态输入三态读开关状态：读开关状态：IN AL,PORT1；执行时，；执行时，RD=0，M/IO=0，地址，地址信号使信号使CS=0 1G、2G=0，三态门打开，开关状态读入，三态门打开，开关状态读入CPU1Y1 1A11Y2 1A2 74LS2442Y4 2A4 1G 2GD0D1D7M/IOCSRD上拉电阻上拉电阻+5V电气学院学习部资料库13（2 2）条件传送：在程序中通过选通信号接收接口的状态信号，）条件传送
11、：在程序中通过选通信号接收接口的状态信号，确定数据是否处于准备好传送。确认之后，再传送。（握手）确定数据是否处于准备好传送。确认之后，再传送。（握手）例例3 3 图图6-66-6 初始化初始化 读入状态位读入状态位 数据准备好？数据准备好？输入数据到输入数据到CPUNREAD-S1:IN AL,PORT-S1 TEST AL,01H JZ READ-S1 IN AL,PORT-IN电气学院学习部资料库14电气学院学习部资料库151.选通选通 锁存状态，锁存数据锁存状态，锁存数据2.CPU执行读指令，执行读指令，IN AL,PORT-S1;CS1有效有效，Q端高电平送至端高电平送至D0到到CPU
12、3.若若D0=1，执行读数据指令，执行读数据指令，IN AL,PORT-IN,CS2有效有效，数据缓冲器打开，读入数据，同时，数据缓冲器打开，读入数据，同时D触触发器清零，发器清零，READY状态位清零状态位清零电气学院学习部资料库162 2、中断方式、中断方式 通过中断请求决定是否进行数据传送，数据的通过中断请求决定是否进行数据传送，数据的I/O是在中是在中断处理子程序控制下完成，实时性较好断处理子程序控制下完成，实时性较好 优点：优点：CPUCPU利用率比较高，由于可进行中断优先级的设定，利用率比较高，由于可进行中断优先级的设定，适用于外设比较多的场合。适用于外设比较多的场合。缺点：传送数
13、据仍须经缺点：传送数据仍须经CPUCPU，且每传送一个数据就得中断，且每传送一个数据就得中断一次，中断时，需要中断响应过程、保护现场和恢复现场、中一次，中断时，需要中断响应过程、保护现场和恢复现场、中断返回；所以数据传送的效率还比较低。断返回；所以数据传送的效率还比较低。以上两种方式，数据传送都必须逐个字节的进行，且数据必以上两种方式，数据传送都必须逐个字节的进行，且数据必须由外设须由外设 CPU寄存器寄存器 内存内存电气学院学习部资料库173 3、DMA方式：直接存储器存储方式：直接存储器存储特点：数据在外部设备与内存间直接传送而不经特点：数据在外部设备与内存间直接传送而不经CPU，大大提高
14、数据传送速度。但须一专用的，大大提高数据传送速度。但须一专用的DMAC芯片芯片8237A。例：磁盘和内存之间成批交换信息例：磁盘和内存之间成批交换信息电气学院学习部资料库18工作原理：工作原理：外设外设 DMA控制器控制器 CPU 内存内存 数据数据S1.1(8237A)S1.2 HOLD 1S4 HOLD 0S2 HLDA 1S3电气学院学习部资料库19vS1:S1:发送总线保持请求信号，要求发送总线保持请求信号，要求CPUCPU让出总线控制权让出总线控制权 S1.1:S1.1:外设接口外设接口 8237A8237A S1.2:8237A S1.2:8237A CPU CPUvS2：取得总线
15、控制权，由：取得总线控制权，由DMADMA控制器控制器(8237A)(8237A)取代取代CPUCPU，临时，临时接管总线接管总线vS3：数据读写控制：数据读写控制 能设定和修改传送的字节数能设定和修改传送的字节数 送地址送地址:指出存储单元、外设地址，并能自动修改地址指针指出存储单元、外设地址，并能自动修改地址指针 产生产生R/W控制信号控制信号vS4：交回总线控制权：交回总线控制权保持请求信号保持请求信号DMA请求信号请求信号电气学院学习部资料库20地址锁地址锁存器存器DMA控制器操作框图控制器操作框图 AD15 AD0 ALE CPUHLDA HOLD存储器存储器HRQ DMA 控制器控
16、制器HLDA外设外设数据总线数据总线控制总线控制总线地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线DREQDACKDMA传输时数据方向传输时数据方向地址地址控制控制电气学院学习部资料库216-3 6-3 I/O端口译码电路端口译码电路8086：I/O单独编址方式单独编址方式 可寻址的范围：端口地址为可寻址的范围：端口地址为0000FFFFH，共，共64K个个I/O端口端口74LS138：输入：参与译码的地址信号，输入：参与译码的地址信号，M/IO信号信号输出：输出：I/O接口选择信号接口选择信号 接各接各I/O接口的接口的CS端，从而选端，从而选中相应的接口，继而选中相应的端口中相应的接口，
17、继而选中相应的端口A15A0参与译码参与译码电气学院学习部资料库22例：某一微机系统中，有例：某一微机系统中，有8块块I/O接口芯片，每个芯片占有接口芯片，每个芯片占有8个个端口地址，端口地址，8块芯片的地址连续分布。若如图所示连接块芯片的地址连续分布。若如图所示连接I/O端端口译码电路，试求出各口译码电路，试求出各I/O接口芯片的地址范围。接口芯片的地址范围。I/O接口地址范围：接口地址范围：1#C000HC007H 2#C008HC00FHA2 A1 A0用于片内寻址，用于对接口芯片中的每一个端口寻址用于片内寻址，用于对接口芯片中的每一个端口寻址G G1 1G G2B2BC C B BA
18、AM/M/IOIOA A1313A A6 6A A5 5A A4 4A A3 3G G2A2AY Y0 0Y Y1 1Y Y2 2Y Y3 3Y Y4 4Y Y5 5Y Y6 6Y Y7 774LS3874LS38A A1414A A1515A15A14A13A12|A11A10A9A8|A7A6A5A4|A3A2A1A0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1电气学院学习部资料库236-4 总线总线总线：计算机系统中，用于各部件之间传送信息的公共通路总线：计算机系统中，用于各部件之间传送信息的公共通路一、按传送的信息类型分：地址总线
19、、数据总线、控制总线一、按传送的信息类型分：地址总线、数据总线、控制总线二、按规模、用途和应用场合分：二、按规模、用途和应用场合分：1、片级总线（元件级总线）：由芯片内部通过引脚引出的总、片级总线（元件级总线）：由芯片内部通过引脚引出的总线线2、系统总线（内部总线）：用于微机中各插件板之间的连线、系统总线（内部总线）：用于微机中各插件板之间的连线3、外部总线（通信总线）：用于微机系统之间或微机与其他、外部总线（通信总线）：用于微机系统之间或微机与其他电子设备之间的通信电子设备之间的通信三、总线标准三、总线标准常用的标准系统总线：常用的标准系统总线：PC总线、总线、ISA总线、总线、EISA总线总线 外部总线：外部总线：IEEE-488总线总线电气学院学习部资料库24谢谢大家！谢谢大家！作业：作业：6-7电气学院学习部资料库