微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù) 第6章 總線和接口

第六章I/O接口與總線I/O接口總線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CPU接口電路I/O設(shè)備什么是I/O接口？I/O設(shè)備與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換存在的問題速度不匹配信號(hào)電平不匹配信號(hào)格式不匹配時(shí)序不匹配I/O接口的功能設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖器以解決兩者速度差異設(shè)置信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)置信息轉(zhuǎn)換邏輯以匹配各自的格式設(shè)置時(shí)序控制電路來同步CPU和外設(shè)的工作提供地址譯碼電路簡單的輸入輸出接口芯片最常用的簡單輸入輸出接口芯片主要有緩沖器（Buffer）和鎖存器（Latch）。緩沖器74LS244和74LS245鎖存器74LS373雙向緩沖器74LS245雙向8路數(shù)據(jù)緩沖器，控制信號(hào)為門控信號(hào)輸入端G，方向控制信號(hào)DIR。只有當(dāng)G為低電平，緩沖器才工作DIR=1，數(shù)據(jù)從A到BDIR=0，數(shù)據(jù)從B到A鎖存器74LS373OEGDO低高高高低高低低低低×鎖存高××高阻I/O端口外部設(shè)備與主機(jī)的通信是通過I/O接口進(jìn)行的每個(gè)I/O接口包括一組寄存器，每個(gè)寄存器作為一個(gè)端口每個(gè)寄存器給予一個(gè)端口地址，稱為端口號(hào)三種I/O端口的比較端口名稱主要作用傳送方向數(shù)據(jù)端口CPU與外設(shè)交換信息的通道；起緩沖作用CPU外設(shè)CPU外設(shè)狀態(tài)端口存放外設(shè)的當(dāng)前狀態(tài)由CPU讀取，實(shí)現(xiàn)CPU與外設(shè)的握手CPU外設(shè)控制端口存放CPU向接口發(fā)出的各種命令，控制外設(shè)的動(dòng)作CPU外設(shè)I/O端口的尋址方式存儲(chǔ)器映象尋址方式I/O單獨(dú)編址方式存儲(chǔ)器映象尋址方式特點(diǎn)：把系統(tǒng)中的每個(gè)I/O端口都看作一個(gè)存儲(chǔ)單元，并與存儲(chǔ)單元一起統(tǒng)一編址，這樣訪問存儲(chǔ)器的所有指令均可用來訪問I/O端口，不用設(shè)置專門的I/O指令優(yōu)點(diǎn)：簡化指令；能用類型多、功能強(qiáng)的訪問存儲(chǔ)器指令對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行操作；I/O地址空間大小可以靈活變化缺點(diǎn)：I/O譯碼電路較復(fù)雜；輸入輸出操作較慢典型CPU：MC6800、MC68000和68HC05I/O單獨(dú)編址方式特點(diǎn)：對(duì)系統(tǒng)中的輸入輸出端口地址單獨(dú)編址，構(gòu)成一個(gè)I/O空間，它們不占存儲(chǔ)空間，而是用專門的IN、OUT指令來訪問端口優(yōu)點(diǎn)：程序可讀性強(qiáng)；執(zhí)行速度快；I/O譯碼電路簡單缺點(diǎn)：必須有專門的IN和OUT指令來訪問I/O端口；必須配有M/IO信號(hào)典型CPU：8086系列、Z80CPU與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式程序控制方式中斷方式傳送DMA方式程序控制方式CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送是在程序控制下完成的，分為；無條件傳送方式（同步傳送方式）：在這種方式下，程序不必檢查外設(shè)的狀態(tài)，在需要進(jìn)行輸入或輸出操作時(shí)，直接執(zhí)行輸入輸出指令即可條件傳送方式（查詢傳送方式）：在傳送數(shù)據(jù)之前，CPU要先讀取外設(shè)的狀態(tài)中斷傳送方式查詢方式傳送數(shù)據(jù)的致命缺點(diǎn)：CPU的利用率很低，不適合于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的場合中斷傳送方式下，CPU處于被動(dòng)狀態(tài)，如果外設(shè)數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好，CPU做自己的事情，只有當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，CPU才會(huì)中斷當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)去處理數(shù)據(jù)處理的工作。大大提高了CPU的效率。DMA傳送方式DMA方式的提出DMA數(shù)據(jù)傳送方式概述DMA方式的提出程序控制傳送方式以CPU為中心，數(shù)據(jù)傳送由CPU來控制利用中斷方式雖然可以提高效率，但也必須由CPU控制；CPU在執(zhí)行中斷服務(wù)程序、保護(hù)現(xiàn)場、恢復(fù)現(xiàn)場都會(huì)花費(fèi)不少時(shí)間總體評(píng)價(jià)：慢！不能滿足高速數(shù)據(jù)傳送的要求。利用DMA可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳送！DMA數(shù)據(jù)傳送方式概述高速數(shù)據(jù)傳送的需求DMA方式特點(diǎn)DMA方式傳送數(shù)據(jù)路徑DMA方式的優(yōu)點(diǎn)DMA方式不是萬能的DMA的應(yīng)用場合高速數(shù)據(jù)傳送的需求某些外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送非?？?！例如：硬盤，其數(shù)據(jù)的最低傳送速率達(dá)5MB/S。用程序控制方法傳送數(shù)據(jù)的速率最高也只能達(dá)到530KB/S。因此完成硬盤與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送實(shí)際上是不可能的！因此，在這種情況下，數(shù)據(jù)傳送采用DMA方式。DMA方式特點(diǎn)DMA----DirectMemoryAccess在存儲(chǔ)器和外部設(shè)備之間，直接開辟高速的數(shù)據(jù)傳送通路。數(shù)據(jù)的傳送過程不需要CPU介入，只用一個(gè)總線周期，就能完成存儲(chǔ)器和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送。DMA方式傳送數(shù)據(jù)路徑CPU外設(shè)存儲(chǔ)器總線程序控制數(shù)據(jù)輸入/輸出DMA方式數(shù)據(jù)傳送DMA方式的優(yōu)點(diǎn)由DMAC提供源地址和目的地址；修改地址、控制傳送操作的結(jié)束和發(fā)出傳送控制信號(hào)都由DMAC承擔(dān)。即DMA方式是一種由硬件代替軟件的方法，因而數(shù)據(jù)傳送的速度顯著提高了。DMA方式大大縮短了數(shù)據(jù)傳送的響應(yīng)時(shí)間。DMA方式不是萬能的在DMA方式傳送數(shù)據(jù)時(shí)，CPU把總線的控制權(quán)讓給DMAC，DMAC取代CPU控制總線，此時(shí)，CPU不能讀取指令；當(dāng)DMAC控制總線時(shí)，CPU不能去檢測和響應(yīng)來自系統(tǒng)中其他設(shè)備的中斷請求；DMA傳送也存在以下兩個(gè)額外開銷：①總線訪問時(shí)間；②DMAC的初始化，CPU要對(duì)DMAC寫入控制字；總之，采用DMA方式，會(huì)增加硬件投資，提高系統(tǒng)的成本！DMA的應(yīng)用場合硬盤和軟盤輸入/輸出快速通信通道輸入/輸出多處理機(jī)和多任務(wù)塊傳送掃描操作：對(duì)CRT屏幕送數(shù)據(jù)，可采用DMA方式高速數(shù)據(jù)采集在PC機(jī)中，采用DMA進(jìn)行DRAM的刷新操作PC機(jī)中的I/O接口芯片系統(tǒng)板上的I/O接口芯片8259A中斷控制器(20H~21H)8237ADMA控制器(00H~0FH)8255并行接口芯片(60H~63H)8253計(jì)數(shù)器/定時(shí)器(40H~43H)I/O擴(kuò)展槽磁盤控制器顯示適配器并行接口(378H~37FH)串行通信口1，COM1(3F8H~3FFH)串行通信口2，COM2(2F8H~2FFH)總線總線概述IBMPC總線ISA總線PCI總線總線概述總線是什么總線的分類總線標(biāo)準(zhǔn)總線是什么在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，用于各部件之間傳送信息的公共通道稱為總線總線的分類按傳送信息的類型分：地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線按總線的規(guī)模、用途和應(yīng)用場合分：片級(jí)總線系統(tǒng)總線外部總線片級(jí)總線也稱元件級(jí)總線，是由芯片內(nèi)部通過引腳引出的總線，用于芯片一級(jí)的互連線。例如：CPU與存儲(chǔ)器I/O接口電路間的連線系統(tǒng)總線也稱為內(nèi)總線或板級(jí)總線，用于微型計(jì)算機(jī)中各插件板之間的連線例如：IBMPC總線ISA總線PCI總線外部總線也稱為通信總線，用于微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間，或微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與其他電子儀器或設(shè)備之間的通信例如：EIA-RS232C，25根線，用于串行通信IEEE-488，25根線，用于微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與計(jì)測儀器之間的連接總線標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)界承認(rèn)或推薦的系統(tǒng)中互連各個(gè)模塊的標(biāo)準(zhǔn)，它通常對(duì)總線所用插座的尺寸、引線數(shù)目、各引線信號(hào)的含義和時(shí)序做了明確的統(tǒng)一規(guī)定常用的標(biāo)準(zhǔn)外部總線：EIARS-232C總線IEEE-488總線常用的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線：IBMPC機(jī)的62芯PC總線ISA總線PCI總線AGP總線PCI總線概述1992年Intel在發(fā)布486處理器的時(shí)候，也同時(shí)提出了32-bit的PCI（周邊組件互連）總線特點(diǎn)：PCI總線的地址總線與數(shù)據(jù)總線是分時(shí)復(fù)用的即插即用（所謂即插即用，是指當(dāng)板卡插入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)板卡所需資源進(jìn)行分配，如基地址、中斷號(hào)等，并自動(dòng)尋找相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序）中斷共享IBMPC總線引線總數(shù)目：62根引線信號(hào)分類：地址總線（20根）數(shù)據(jù)總線（8根）控制總線電源線地線ISA總線ISA總線對(duì)PC總線做了修改，將數(shù)據(jù)總線的寬度由8位增加到16位，在PC總線62引腳的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)36引腳的插座。D18……D1C18…