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第 7 章 I/O 接口和总线

第 7 章 I/O 接口和总线. 7.1 I/O 接口 7.2 总线. 7.1 I/O 接口. 接口 指 CPU 、存储器、外设之间通过总线进行连接的电路部分， 是 CPU 与外界进行信息交换的中转站。. 接口技术 是研究 CPU 如何与外部世界进行最佳耦合与匹配， 实现双方高效、可靠地交换信息的一门技术， 是软件、硬件结合的体现，是微机应用的关键。. 一 、接口和接口技术. 为什么要用 接口 电路？. 外设是用来实现人机交互的一些机电设备。 外设处理信息的类型、速度、信号电平、通信方式与 CPU 不匹配 ,

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第 7 章 I/O 接口和总线

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  1. 第7章 I/O接口和总线 7.1 I/O接口 7.2 总线

  2. 7.1 I/O接口 接口 指CPU、存储器、外设之间通过总线进行连接的电路部分， 是CPU与外界进行信息交换的中转站。 接口技术 是研究CPU如何与外部世界进行最佳耦合与匹配， 实现双方高效、可靠地交换信息的一门技术， 是软件、硬件结合的体现，是微机应用的关键。 一、接口和接口技术

  3. 为什么要用接口电路？ • 外设是用来实现人机交互的一些机电设备。 • 外设处理信息的类型、速度、信号电平、通信方式与CPU不匹配, • 不能直接挂在总线上，必须通过接口和系统相连。

  4. 两点说明： 1、CPU使用的信号是TTL电平，而外设大多是复杂的机电设备，往往不能用TTL电平驱动，一般都有自己的电源系统和信号电平。 2、I/O接口电路必须具有的基本功能是：输入有缓冲功能（避免多个外设引起总线竞争）；输出有锁存功能（解决快速CUP和慢速外设之间的不协调问题）。 如下图所示

  5. 总线 输入设备1 CPU EN1 输入设备2 EN2 在总线结构的微机系统中， • 任一时刻只能有一个设备利用总线进行数据传送， • 输入设备的数据线应通过三态门与系统相连。 当设备1与CPU进行数据传送时，设备2的数据信号应处于三态 当设备2与CPU进行数据传送时，设备1的数据信号应处于三态

  6. 多个输入设备连在总线上时， 只有进行数据传送设备的数据线处于工作状态， 而未进行数据传送设备的数据线应处于高阻态。 总线 输入设备1 EN1 CPU 输入设备2 EN2 输入设备3 . . . EN3

  7. 在总线结构的微机系统中， • CPU送出的数据以广播的形式在数据线上传出。 总线 输出设备1 CPU 输出设备2 输出设备3 输出设备4 1.数据传送给哪个输出设备？ 2.CPU要利用总线不停的传送数据, 总线上的数据变化快， 如何使慢速设备有足够的时间处理数据？

  8. 总线 锁存器1 输出设备1 CPU CP1 锁存器2 输出设备2 CP2 锁存器3 输出设备3 CP3 • 输出设备利用锁存器接受CPU输出的数据。 1. 使某输出设备锁存器的控制端处于触发状态，数据通过该锁存器。 2. 当触发信号消失，数据锁存在锁存器中，外设侧数据不随总线侧数据的变化而变化， 使 慢速的外设有足够的时间处理数据。

  9. 地址总线 AB CPU I/O 接 口 输 出 设 备 I/O 接 口 存 储 器 输 入 设 备 数据总线 DB 控制总线 CB • 输入设备的I/O接口要起到三态门的作用 • 输出设备的I/O接口要起到锁存的作用

  10. 二、简单的输入输出接口芯片 最常用的简单的输入输出接口芯片主要有缓冲器和锁存器 1、缓冲器74LS244 和 74LS245 2、锁存器74LS273 和 74LS373

  11. 单向三态驱动器74LS244 功能表 1G A3~0 Y3~0 000 011 1 0 高阻 1 1 高阻 2G A7~4 Y7~4 000 011 1 0 高阻 1 1 高阻 A3~A0 Y3~Y0 1G 2G A7~A4 Y7~Y4 含两个4位三态驱动器

  12. 双向三态驱动器74LS245 功能表 G DIR G DIR 00 A Y 01 A Y 1 0 高阻 1 1 高阻 A7~A0 Y7~Y0

  13. 功能表 D0 Q0 D7 Q7 OE G OE G D Q 01 0 0 01 1 1 0其它 × Q0(不变） 1 × × 高阻 三态锁存器74LS373（具有三态和锁存功能的驱动器） OE高阻（三态）控制 G触发（锁存）控制 * 74LS273是不含三态门的8D锁存器

  14. 三、 输入/输出端口及其寻址方式1 、 CPU与外部设备之间的接口信息 CPU通过接口与外部设备连接，接口中有: 数据端口(双向) 状态端口(输入) 命令（控制）端口(输出) 数据信息是CPU和I/O设备交换的基本信息，通常是8位或16位。 状态信息反映了当前外设的工作状态，它是由外设通过接口送入CPU的。 控制信息是CPU通过接口送给外设的。CPU通过发送控制信息控制外设的工作。外设种类不同，控制信息也各不相同。

  15. 简单的外设接口

  16. 总结： • 每一个I/O端口对应一个I/O地址，CPU由端口地址区分I/O端口，从硬件角度看，端口可以理解为寄存器。 • 在I/O操作中，主要有三类信息：数据信息、状态信息和控制信息，分别存放于相应的端口。 • CPU对外设输入/输出的控制，是通过对接口电路中各I/O端口的读/写操作完成的。

  17. 2、 输入/输出端口的寻址方式 在微型计算机系统中，端口的编址通常有两种不同的方式，一是I/O端口与存储器单元统一编址；二是I/O端口独立编址。 1）. I/O端口与存储器单元统一编址 该方式也称为存储器映像(Memory Mapped)I/O方式。 把每个I/O端口都当作一个存储器单元看待，I/O端口与存储器单元在同一个地址空间中进行统一编址。 常在整个地址空间中划分出一小块连续的地址分配给I/O端口。被分配给I/O端口的地址，存储器不能再使用。如下页图所示。

  18. 内存映射与I/O映射编址 (a) 统一编址；(b) 独立编址

  19. 统一编址方式的优点： • 简化指令系统的设计，I/O控制信号与存储器的控制信号共用，给应用带来极大的方便。 • 访问存储器的指令种类多、寻址方式多样化。对I/O设备可以使用功能强大且像访问存储器那样的指令，带来了很大的灵活性。 • 统一编址方式的缺点： • 外设占用了一部分内存地址空间，减少了内存可用的地址范围。 • 从指令上不易区分当前指令是对内存进行操作还是对外设进行操作。

  20. 2）. I/O端口独立编址(I/O Mapped) 该方式也称为I/O隔离编址或I/O指令寻址方式。 I/O端口地址区域和存储器地址区域，分别各自独立编址。访问I/O端口使用专门的I/O指令，而访问内存则使用MOV等指令。 CPU在寻址内存和外设时，使用不同的控制信号来区分当前是对内存操作还是对I/O操作。如8086最小系统的M/IO信号。

  21. 单独编址的优点： • I/O端口不占用存储器的地址空间，使用专门的I/O指令对端口进行访问，具有I/O指令短、执行速度快、译码简单。 • 单独编址的缺点： • 专门的I/O指令功能相对较弱，一般只有传送功能，而没有运算功能。 • Intel 80x86 CPU中，I/O端口和存储器是单独编址的，采用专用的输入/输出指令访问端口。

  22. 3）. 输入/输出指令 1) 8086/8088采用的IN和OUT指令 I/O指令可以采用8位(单字节)或16位(双字节)地址两种寻址方式。用8位端口地址，则最多可以有256个端口(端口地址号从00H～FFH)，并且是直接寻址(直接端口寻址)方式，指令格式如下： 输入: IN AX，Port ；从Port端口输入16位数据到AX IN AL，Port ；从Port端口输入8位数据到AL 输出: OUT Port，AX ；从AX输出16位数据到Port端口 OUT Port，AL ；从AL输出 8位数据到Port端口 * Port是一个单字节的8位地址。

  23. 用16位端口地址，则最多可以有64 K个端口(端口地址号从0000H～FFFFH)，并且是间接寻址方式，即把端口地址放在DX寄存器内(间接端口寻址)。其指令格式如下： 输入： MOV DX，XXXXH ；16位地址 IN AX，DX ；16位传送 或 IN AL，DX ；8位传送 输出： MOV DX，XXXXH OUT DX，AX ；16位传送 或 OUT DX，AL ；8位传送 * XXXXH为两字节地址信息。

  24. 四、 CPU与外设间的数据传送方式CPU与外设的工作速度不一致，如何使两者高效、可靠地进行数据传送，是本节讨论的问题。1. 程序控制方式 (1) 无条件传送(同步传送方式) 无条件传送是一种最简单的输入/输出控制方法，一般用于控制CPU与低速（或不需查询工作状态）的I/O接口之间的信息交换，例如，开关、扬声器。

  25. 实现方法： CPU不查询外设工作状态， 与外设速度的匹配通过在软件上延时完成， 在程序中直接用I/O指令，完成与外设的数据传送。 特点： 1. 适用于外设动作时间已知，在CPU与外设进行数据传送时，外设保证已准备好的情况。 2. 软硬件十分简单。

  26. 例：简单输入端口，输入按键状态。

  27. 例：简单输出端口，控制LED显示器的点燃和熄灭。例：简单输出端口，控制LED显示器的点燃和熄灭。

  28. (2) 条件传送 (查询传送方式) 实现方法： 在与外设进行传送数据前，CPU先查询外设状态， • 当外设准备好后，才执行I/O指令，实现数据传送。 特点： • 1. CPU通过不断查询外设状态，实现与外设的速度匹配，能较好地协调外设与CPU之间的定时关系。 • 2. CPU需要不断查询标志位的状态，这将占用CPU较多的时间，工作效率低。

  29. 条件传送示意图

  30. RD 输 入 装 置 锁 存 器 三态 缓冲 器 数据 DB D7 数据端口 +5V 地址 译码 状态端口 AB 三态 缓冲 器 D R Q Ready 选通 RD M/ IO M/ IO 查询输入接口电路（组成） IN AL， DATA_PORT IN AL， STATUS_PORT 工作原理

  31. 1、数据准备好，选通信号输出正跳变将数据锁存器 D触发器置1，作为Ready信号，D7=1。 2、查询状态信号，执行 IN AL，状态口;Ready(bit7) AL 3、若Ready=1，执行 IN AL，数据口;输入数据AL,D触发器复位，Ready=0 设状态口地址： STATUS_PORT 设数据口地址： DATA_PORT 查询式输入数据的程序段为： MOV BX,0 MOV CX,COUNT_1 READ_S1: IN AL, STATUS_PORT TEST AL,80H JZ READ_S1 IN AL, DATA_PORT MOV [BX],AL INC BX LOOP READ_S1 : 查询输入的编程

  32. OUT DATA_PORT， AL 查询输出接口电路（组成） WR 输 出 装 置 锁 存 器 数据 DB D7 VCC 启动 数据端口 Q D R 地址 译码 器 状态端口 三态 缓冲 器 AB Busy ACK RD M/IO M/IO 工作原理 IN AL， STATUS_PORT

  33. 查询输出的编程 1、上一数据处理结束，ACK的负跳变(恢复)使D触发器复“0” 输出装置，启动信号＝0(恢复)缓冲器输出 Busy=0； 2、查询状态信号，执行 指令 IN AL，状态口;Busy(bit7) AL 3、若Busy =0，执行指令 OUT 数据口，AL; 输出数据AL  DB  锁存器 输出装置； D触发器置1，启动输出装置Busy=1，禁止输出 • 设状态口地址： STATUS_PORT • 设数据口地址： DATA_PORT • 查询式输出数据的程序段为： • MOV CX,COUNT_2 • READ_S2: IN AL, STATUS_PORT • TEST AL,80H • JNZ READ_S2 • MOV AL,xxH • OUT DATA_PORT,AL • LOOP READ_S2 • :

  34. 2. 中断控制方式 查询方式的缺点除了占用CPU较多的工作时间外，还难以满足实时控制系统对I/O工作的要求。 查询方式中，CPU处于主动地位，而外设接口处于消极被查询的被动地位。 实时系统中，多个外设要求CPU为它服务是随机的，且希望CPU以最快的速度响应其请求。 因此要求系统中的外设，具有主动申请CPU为其服务的权利。 * 提出中断控制方式

  35. 中断控制实现方法： 1.当外设准备好，向CPU发出中断请求； 2. CPU执行完每一条指令后，都会去查询外部是否有中断请求，在满足响应中断的条件下，发出中断响应信号； 3. CPU暂停当前的程序，转去执行中断服务程序，完成与外设的数据传送； 4. CPU从中断服务程序返回，继续执行被中断的程序。 * 8086/8088CPU的中断结构灵活，功能很强。 (有关中断的详细讨论参见第8章)

  36. 中断方式下 CPU执行程序流程 外 设 发申请 中断服务程序 发申请 中断服务程序

  37. 中断传送方式的特点： • CPU和外设大部分时间处在并行工作状态,只在CPU响应外设的中断申请后，进入数据传送的过程。 • 2. 中断传送方式提高了CPU的效率。

  38. 3. 直接存储器存取(DMA)控制方式 采用中断方式传送数据，仍需要CPU执行程序才能完成。 *中断服务程序需要有保护现场和恢复现场的操作 *I/O操作都是通过CPU来进行的。 对于一些高速外设，如高速磁盘控制器，中断方式往往满足不了它们的需要。 为此，提出了数据在I/O接口与存储器之间的传送，不经CPU的干预，而是在专用硬件电路的控制下直接传送。这种方法称为直接存储器存取(Direct Memory Access，缩写为DMA)。 此时，数据传送速度仅受存储器的存取速度和外部设备传输特性的限制。

  39. * 专用DMA控制器(DMAC)接口电路如Intel公司的8257、8237等。 实现方法： 1. 由专用接口芯片DMA控制器 (称DMAC) 控制传送过程， 2. 当外设需传送数据时，通过DMAC向CPU发出总线请求信号HOLD，申请占用总线 ； 3. CPU发出总线响应信号 HLDA ，释放总线； 4. DMAC接管总线，控制外设、内存之间直接数据传送。 • * 注意：AEN信号

  40. DMA传送方式过程 CPU 内存 总线 请求 总线 响应 外设 DMAC

  41. DMA传送方式的特点： 1. 外设和内存之间，直接进行数据传送，不通过CPU。 2. 进入DMA方式时不必保护CPU的现场。 3.传送数据方式由硬件代替软件，因而提高了数据传送的速度，缩短了数据传送的响应时间，传送效率高。适用于在内存与高速外设、或两个高速外设之间进行大批量数据传送。 4. 电路结构复杂，硬件开销较大，提高了系统的成本。因此，只要CPU来得及处理的数据传送，就不必采用DMA方式。

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