微機(jī)系統(tǒng)與接口課件2012-2013學(xué)年-第5章

第5章-1基本輸入輸出接口教學(xué)重點(diǎn):

I/O接口電路的典型結(jié)構(gòu)無條件傳送方式查詢傳送方式中斷工作過程5.1I/O接口概述為什么需要I/O接口（電路）？微機(jī)的外部設(shè)備多種多樣；工作原理、驅(qū)動方式、信息格式以及工作速度方面彼此差別很大；它們不能與CPU直接相連；必須經(jīng)過中間電路再與系統(tǒng)相連；這部分電路被稱為I/O接口電路。多種外設(shè)5.1I/O接口概述（續(xù)1）什么是I/O接口（電路）？I/O接口是位于系統(tǒng)與外設(shè)間，用來協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的邏輯電路PC機(jī)系統(tǒng)板的可編程接口芯片、I/O總線槽的電路板（適配器）都是接口電路5.1I/O接口概述（續(xù)2）什么是微機(jī)接口技術(shù)？處理微機(jī)系統(tǒng)與外設(shè)間聯(lián)系的技術(shù)；注意其軟硬結(jié)合的特點(diǎn)；根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要，使用和構(gòu)造相應(yīng)的接口電路，編制配套的接口程序，支持和連接有關(guān)的設(shè)備。常見接口插槽PS2鼠標(biāo)PS2鍵盤千兆網(wǎng)10/100M網(wǎng)卡USB并行口MIDI/游戲接口顯示器接口13941394a音箱/線入接口/麥克風(fēng)串行口5.1.1I/O接口的主要功能⑴對輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和鎖存；輸出接口有鎖存環(huán)節(jié)；輸入接口有緩沖環(huán)節(jié)；⑵對信號的形式和數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行變換微機(jī)直接處理：數(shù)字量、開關(guān)量、脈沖量；⑶對I/O端口進(jìn)行尋址；⑷與CPU和I/O設(shè)備進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。5.1.2I/O接口的典型結(jié)構(gòu)1.接口電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.接口電路的外部特性3.接口電路芯片的分類4.接口電路的可編程性1.接口電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)CPU與外設(shè)主要有數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息需要相互交換，于是從應(yīng)用角度看內(nèi)部：⑴數(shù)據(jù)寄存器保存外設(shè)給CPU和CPU發(fā)往外設(shè)的數(shù)據(jù)⑵狀態(tài)寄存器保存外設(shè)或接口電路的狀態(tài)⑶控制寄存器保存CPU給外設(shè)或接口電路的命令理解端口2.接口電路的外部特性主要體現(xiàn)在引腳上，分成兩側(cè)信號面向CPU一側(cè)的信號：用于與CPU連接主要是數(shù)據(jù)、地址和控制信號面向外設(shè)一側(cè)的信號：用于與外設(shè)連接提供的信號五花八門功能定義、時(shí)序及有效電平等差異較大3.接口電路芯片的分類接口電路核心部分往往是一塊或數(shù)塊大規(guī)模集成電路芯片（接口芯片）：通用接口芯片支持通用的數(shù)據(jù)輸入輸出和控制的接口芯片面向外設(shè)的專用接口芯片針對某種外設(shè)設(shè)計(jì)、與該種外設(shè)接口

面向微機(jī)系統(tǒng)的專用接口芯片與CPU和系統(tǒng)配套使用，以增強(qiáng)其總體功能4.接口電路的可編程性許多接口電路具有多種功能和工作方式，可以通過編程的方法選定其中一種；接口需要進(jìn)行物理連接，還需要編寫接口軟件；接口軟件有兩類：初始化程序段——設(shè)定芯片工作方式等；數(shù)據(jù)交換程序段——管理、控制、驅(qū)動外設(shè)，負(fù)責(zé)外設(shè)和系統(tǒng)間信息交換。5.1.3I/O端口的編址接口電路占用的I/O端口有兩類編排形式I/O端口單獨(dú)編址I/O地址空間獨(dú)立于存儲地址空間；如8086/8088；I/O端口與存儲器統(tǒng)一編址它們共享一個(gè)地址空間；如M6800。I/O端口單獨(dú)編址優(yōu)點(diǎn)：I/O端口的地址空間獨(dú)立控制和地址譯碼電路相對簡單專門的I/O指令使程序清晰易讀缺點(diǎn)：I/O指令沒有存儲器指令豐富內(nèi)存空間I/O空間FFFFF0FFFF80x86采用I/O端口獨(dú)立編址I/O端口與存儲器統(tǒng)一編址優(yōu)點(diǎn)：不需要專門的I/O指令I(lǐng)/O數(shù)據(jù)存取與存儲器數(shù)據(jù)存取一樣靈活缺點(diǎn)：I/O端口要占去部分存儲器地址空間程序不易閱讀（不易分清訪存和訪問外設(shè)）內(nèi)存部分I/O部分存儲器空間00000FFFFF5.1.48088/8086的輸入輸出指令輸入指令I(lǐng)NAL,i8/DX ;字節(jié)輸入INAX,i8/DX ;字輸入輸出指令OUTi8/DX,AL ;字節(jié)輸出OUTi8/DX,AX ;字輸出功能演示功能演示5.1.5I/O地址的譯碼I/O地址的譯碼方法與存儲器地址的譯碼方法一樣，但有它的特點(diǎn)：部分譯碼時(shí)，通常是中間地址線不連接部分譯碼也有最低地址線不連接的情況每個(gè)接口電路通常只占用幾個(gè)I/O地址，這時(shí)可以利用基本邏輯門電路進(jìn)行地址譯碼除采用譯碼器、門電路進(jìn)行譯碼外，I/O地址譯碼還經(jīng)常采用可編程邏輯器件PLD為了給系統(tǒng)一定的選擇余地，有些接口電路利用比較器、開關(guān)或跨接器等進(jìn)行多組I/O地址的譯碼給幾個(gè)譯碼實(shí)例IBMPC/XT主機(jī)板的I/O譯碼電路邏輯門電路進(jìn)行I/O地址譯碼利用門控電路和譯碼器218H利用門控電路和譯碼器【問1】Y2~Y7

譯出的端口地址各是多少？【問2】將A0與A2位置互換Y1~Y7

譯出的端口地址各是多少？【答1】Y2~Y7譯出的端口地址分別是219H～21FH?！敬?】將A0與A2位置互換Y1~Y7譯出的端口地址分別是218H、21CH、21AH、21EH、219H、21DH、21BH和21FH。5.1.6數(shù)據(jù)傳送方式程序控制下的數(shù)據(jù)傳送——通過CPU執(zhí)行程序中的I/O指令來完成傳送，又分為：無條件傳送、查詢傳送、中斷傳送直接存儲器存?。―MA）——傳送請求由外設(shè)向DMA控制器（DMAC）提出，后者向CPU申請總線，最后DMAC利用系統(tǒng)總線來完成外設(shè)和存儲器間的數(shù)據(jù)傳送I/O處理機(jī)——CPU委托專門的I/O處理機(jī)來管理外設(shè)，完成傳送和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理5.2無條件傳送方式及其接口在CPU與慢速變化的設(shè)備交換數(shù)據(jù)時(shí)，可以認(rèn)為它們總是處于“就緒”狀態(tài)，隨時(shí)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，這就是無條件傳送，或稱立即傳送、同步傳送適合于簡單設(shè)備，如LED數(shù)碼管、按鍵或按紐等無條件傳送的接口和操作均十分簡單這種傳送有前提：外設(shè)必須隨時(shí)就緒傳送流程無條件傳送：輸入示例無條件傳送：輸出示例簡單輸入接口舉例MOV DX,218HIN AL,DX簡單輸出接口舉例MOV DX,219HOUT DX,AL5.3查詢傳送方式及其接口CPU需要選了解（查詢）外設(shè)的工作狀態(tài)，然后在外設(shè)可以交換信息的情況下（就緒）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入或輸出對多個(gè)外設(shè)的情況，則CPU按一定順序依次查詢（輪詢）。先查詢的外設(shè)將優(yōu)先進(jìn)行數(shù)據(jù)交換查詢傳送的特點(diǎn)是：工作可靠，適用面寬，但傳送效率低就緒？查詢傳送的兩個(gè)環(huán)節(jié)⑴查詢環(huán)節(jié)尋址狀態(tài)口讀取狀態(tài)寄存器的標(biāo)志位若不就緒就繼續(xù)查詢，直至就緒⑵傳送環(huán)節(jié)尋址數(shù)據(jù)口是輸入，通過輸入指令從數(shù)據(jù)端口讀入數(shù)據(jù)是輸出，通過輸出指令向數(shù)據(jù)端口輸出數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)就緒？數(shù)據(jù)交換YN傳送流程接口實(shí)例5.3.1查詢輸入接口電路 MOVDX,8000H;DX指向狀態(tài)端口status: INAL,DX ;讀狀態(tài)端口

TESTAL,01H ;測試標(biāo)志位D0 JZstatus ;D0＝0，未就緒，繼續(xù)查詢

INCDX ;D0＝1，就緒，DX指向數(shù)據(jù)端口

INAL,DX ;從數(shù)據(jù)端口輸入數(shù)據(jù)5.3.2查詢輸出接口電路

MOVDX,8000H;DX指向狀態(tài)端口status: INAL,DX ;讀取狀態(tài)端口的狀態(tài)數(shù)據(jù)

TESTAL,80H ;測試標(biāo)志位D7,80H=10000000B JNZstatus ;D7＝1,未就緒，繼續(xù)查詢

INCDX ;D7＝0,就緒,DX指向數(shù)據(jù)端口

MOVAL,BUF ;變量buf送AL

OUTDX,AL ;將數(shù)據(jù)輸出給數(shù)據(jù)端口5.4中斷傳送方式斷點(diǎn)主程序中斷服務(wù)程序中斷請求對外設(shè)進(jìn)行處理繼續(xù)執(zhí)行返回?cái)帱c(diǎn)CPU在執(zhí)行程序中，被內(nèi)部或外部的事件所打斷，轉(zhuǎn)去執(zhí)行一段預(yù)先安排好的中斷服務(wù)程序；服務(wù)結(jié)束后，又返回原來的斷點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序傳送流程5.4.1中斷傳送與接口中斷傳送是一種效率更高的程序傳送方式；進(jìn)行傳送的中斷服務(wù)程序是預(yù)先設(shè)計(jì)好的；中斷請求是外設(shè)隨機(jī)向CPU提出的；CPU對請求的檢測是有規(guī)律的：一般是在每條指令的最后一個(gè)時(shí)鐘周期采樣中斷請求輸入引腳；下面討論中斷在輸入和輸出方面的應(yīng)用；中斷還有著非常廣泛的應(yīng)用，以后將詳細(xì)介紹。5.4.1中斷傳送與接口5.4.2中斷工作過程中斷請求中斷響應(yīng)關(guān)中斷斷點(diǎn)保護(hù)中斷識別現(xiàn)場保護(hù)中斷服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場開中斷中斷返回中斷服務(wù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的實(shí)質(zhì)性環(huán)節(jié)中斷源的識別5.4.3中斷優(yōu)先權(quán)問題1：系統(tǒng)有多個(gè)中斷請求，CPU如何識別中斷源？解答1：向量中斷解答2：中斷查詢中斷查詢接口中斷優(yōu)先權(quán)排隊(duì)5.4.3中斷優(yōu)先權(quán)（續(xù)1）問題2：有多個(gè)中斷同時(shí)請求，CPU如何應(yīng)對？解答1：鏈?zhǔn)絻?yōu)先權(quán)排隊(duì)電路解答2：優(yōu)先權(quán)編碼電路鏈?zhǔn)街袛鄡?yōu)先權(quán)排隊(duì)電路中斷優(yōu)先權(quán)編碼電路比較器失效信號中斷嵌套5.4.3中斷優(yōu)先權(quán)（續(xù)2）問題3：中斷處理過程中，又有中斷提出請求，怎么辦？解答1：鏈?zhǔn)絻?yōu)先權(quán)排隊(duì)電路解答2：優(yōu)先權(quán)編碼電路希望克服程序控制傳送的不足：外設(shè)→CPU→存儲器外設(shè)←CPU←存儲器直接存儲器存取DMA：外設(shè)→存儲器外設(shè)←存儲器CPU釋放總線，由DMA控制器管理。5.5DMA傳送方式DMA傳送的工作過程⑴CPU對DMA控制器進(jìn)行初始化設(shè)置⑵外設(shè)、DMAC和CPU三者通過應(yīng)答信號建立聯(lián)系：CPU將總線交給DMAC控制⑶

DMA傳送DMA讀存儲器：存儲器→外設(shè)DMA寫存儲器：存儲器←外設(shè)⑷自動增減地址和計(jì)數(shù)，判斷傳送完成否傳送流程DMA傳送流程小結(jié)——傳送方式的比較無條件傳送：慢速外設(shè)需與CPU保持同步；查詢傳送：簡單實(shí)用，效率較低；中斷傳送：外設(shè)主動，可與CPU并行工作，但每次傳送需要大量額外時(shí)間開銷；DMA傳送：DMAC控制，外設(shè)直接和存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，適合大量、快速數(shù)據(jù)傳送。多種多樣的外設(shè)工作原理不同機(jī)械、電子、機(jī)電、電磁……傳送信息類型多樣數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量傳送速度差別極大傳送方式不盡相同串行、并行編碼方式不同二進(jìn)制、BCD碼、ASCII碼……輸出接口的鎖存環(huán)節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線外部數(shù)據(jù)引腳鎖存控制DCQDCQDCQ輸出接口的鎖存、緩沖環(huán)節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線外部數(shù)據(jù)引腳鎖存控制DCQDCQDCQ讀數(shù)據(jù)輸入接口的緩沖環(huán)節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線外部數(shù)據(jù)引腳選通緩沖器輸入接口的鎖存、緩沖環(huán)節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線外部數(shù)據(jù)引腳鎖存控制鎖存器緩沖器DCDCDCQQQ選通端口（PORT）端口泛指I/O地址，通常對應(yīng)寄存器；一個(gè)接口電路可以具有多個(gè)I/O端口，每個(gè)端口用來保存和交換不同的信息；數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和控制寄存器占有的I/O地址常依次被稱為數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和控制端口，用于保存數(shù)據(jù)、狀