安大模板-第2章-計(jì)控 - 第一二次課

微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)張媛yz@第二章輸入輸出接口技術(shù)和輸入輸出通道第一節(jié)概述第二節(jié)

I/O控制方式第三節(jié)I/O接口設(shè)計(jì)第四節(jié)I/O通道

第五節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器第六節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器第七節(jié)I/O通道的抗干擾措施2由于存儲(chǔ)器的功能單一、品種有限（ROM、RAM）、速度和CPU速度匹配，故可以直接掛在CPU總線上。而計(jì)算機(jī)的兩類外圍設(shè)備：（1）鍵盤、CRT、打印機(jī)等；（2）被控設(shè)備、儀表、顯示裝置、操作臺(tái)等。第一節(jié)概述兩類外設(shè)都必須通過(guò)輸入輸出(I/O)接口電路和輸入輸出(I/O)通道與CPU的總線相連。3圖1-1主機(jī)的外設(shè)插口數(shù)據(jù)類型；數(shù)據(jù)傳輸方向；速度；4外設(shè)的復(fù)雜性種類繁多。機(jī)械式、機(jī)電式、電子式。輸入或輸出類型。速度多樣。有的比CPU速度快，有的比CPU速度慢。信息類型多樣。數(shù)字量、模擬量。傳送方式多樣。并行方式、串行方式。5一、接口、通道及其功能

（一）設(shè)置I/O接口電路的必要性I/O接口電路是主機(jī)和外圍設(shè)備之間交換信息的電路。它在主機(jī)和外設(shè)之間架起了橋梁和紐帶。1.速度不匹配:外設(shè)的工作速度一般要比CPU慢許多。主機(jī)的一個(gè)最基本總線周期是400納秒。而一般的外設(shè)，如打印機(jī)是毫秒級(jí)。而且外設(shè)的速度差異也很大。通過(guò)接口電路（通常含有數(shù)據(jù)鎖存器、緩沖器、狀態(tài)寄存器、中斷控制電路），CPU采用查詢或中斷控制方式為慢速的外設(shè)提供服務(wù)，提高了CPU的利用率。2.數(shù)據(jù)格式不匹配:CPU只能讀入和輸出并行(8位/16位)數(shù)據(jù)。外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)許多是串行(成本低)的。需要由接口芯片完成格式匹配工作。6一、接口、通道及其功能

（一）設(shè)置I/O接口電路的必要性3.時(shí)序不匹配:各個(gè)I/O設(shè)備都有自己的定時(shí)控制電路，以自己的速度傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)法與CPU的時(shí)序取得統(tǒng)一。4.解決總線負(fù)載能力和外圍設(shè)備端口選址問(wèn)題:CPU總線的負(fù)載能力有限，采用接口電路分擔(dān)CPU總線的負(fù)載。CPU和外設(shè)之間是通過(guò)雙向數(shù)據(jù)總線交換信息，如果外設(shè)數(shù)據(jù)線直接掛在CPU上，則無(wú)法區(qū)分不同數(shù)據(jù)的來(lái)源和去向。通過(guò)具有三態(tài)門的輸出鎖存器或輸入緩沖器，控制使能信號(hào)，決定CPU某一時(shí)刻選通某個(gè)外設(shè)。7（二）I/O通道（過(guò)程通道）定義：它是計(jì)算機(jī)和控制對(duì)象之間信息傳送和變換的連接通道。功能：它將從被控對(duì)象采集的參數(shù)（模擬量）變換成計(jì)算機(jī)所要求的數(shù)字量（或開關(guān)量）形式送入計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，I/O通道再將結(jié)果以數(shù)字量（開關(guān)量）形式或轉(zhuǎn)換為模擬量形式輸出到被控對(duì)象。簡(jiǎn)言之，就是數(shù)模轉(zhuǎn)換。在實(shí)際應(yīng)用中，通常把I/O接口和I/O通道都做在一塊集成電路上。例如A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片。本章主要解決微機(jī)與外部（外設(shè)，被控對(duì)象等）的連接問(wèn)題。8二、I/O信號(hào)種類數(shù)據(jù)信息：包括數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量、脈沖量。狀態(tài)信息控制信息9（一）數(shù)據(jù)信息：是主機(jī)和外圍設(shè)備交換的基本信息，通常是8、16位數(shù)據(jù)，并行或串行的形式傳送。1.數(shù)字量：由鍵盤等設(shè)備輸入，或者計(jì)算機(jī)輸出給外設(shè)的信息，是二進(jìn)制碼的數(shù)據(jù)或ASCII碼表示的數(shù)據(jù)字符等。2.模擬量：來(lái)自工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種參數(shù)，一般要經(jīng)過(guò)傳感器采集變?yōu)殡娦盘?hào)，要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量后才能輸入計(jì)算機(jī)處理。3.開關(guān)量：只表示兩個(gè)狀態(tài)的量（開關(guān)的閉，合；電機(jī)的啟動(dòng)，停止），只用一位二進(jìn)制代碼表示即可。4.脈沖量：是一個(gè)一個(gè)傳送的脈沖序列。脈沖的頻率和個(gè)數(shù)可以表示某種物理量。例如檢測(cè)電機(jī)軸上的脈沖信號(hào)發(fā)生器，可以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速和角位移的信息。10（二）狀態(tài)信息：又稱為應(yīng)答信息和握手信息。外設(shè)通過(guò)接口向CPU提供的反映外圍設(shè)備工作狀態(tài)的信息。用作二者的聯(lián)絡(luò)信號(hào)，如Ready信號(hào)和Busy信號(hào)）。（三）控制信息：是CPU通過(guò)接口傳送給外設(shè)的，它用來(lái)控制外設(shè)的操作，隨著外設(shè)的不同控制信號(hào)也不同。有的控制數(shù)據(jù)的流向（輸入或輸出），有的控制數(shù)據(jù)的格式（并行或串行），有的用于端口尋址等。11三種不同的信息都是通過(guò)CPU的數(shù)據(jù)總線傳送的。為了便于區(qū)分，各種信息存放在不同的端口中（可由CPU讀寫的寄存器），由此形成了數(shù)據(jù)口、狀態(tài)口、控制口。由于狀態(tài)信息一般只需1~2位二進(jìn)制代碼即可，所以多個(gè)外設(shè)可以共享一個(gè)狀態(tài)口。圖1-2數(shù)據(jù)總線12三、計(jì)算機(jī)與外部的通信(交換信息)方式——并行和串行13三、計(jì)算機(jī)與外部的通信(交換信息)方式——并行和串行并行通信就是用n條傳輸線同時(shí)來(lái)傳送n位數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)：速度快，信息率高，通常只需兩條控制線和狀態(tài)線，就能完成CPU和接口及設(shè)備之間的協(xié)調(diào)和應(yīng)答。缺點(diǎn)：傳輸線較多，成本增大，工程量增大，不適用于長(zhǎng)距離、多數(shù)據(jù)位的傳送。（好比并排跑步，占用的路面寬，修路成本高，速度快。）傳輸距離一般小于30米。常用的并行接口芯片：Intel公司的8255A，可編程，使用方便。（一）并行通信1415圖1-38255芯片16（二）串行通信串行通信是數(shù)據(jù)按位傳送。每一位數(shù)據(jù)占據(jù)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。（好比按縱隊(duì)跑步，有先有后，占用時(shí)間順序不同，占用的路面窄，修路成本低，效率慢。）基本概念：數(shù)據(jù)傳輸率；時(shí)鐘；通信協(xié)議串行通信的分類：從數(shù)據(jù)傳輸方向分為：全雙工，半雙工。從數(shù)據(jù)格式分為：同步通信和異步通信。17數(shù)據(jù)傳輸率是指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?，可用比特率和波特率?lái)表示。比特率：比特率是指每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)，用bps（bit/s)表示。波特率，波特率是指每秒傳輸?shù)姆?hào)數(shù)，若每個(gè)符號(hào)所含的信息量為1比特，則波特率等于比特率。

例如:電傳打字機(jī)最快傳輸率為每秒10個(gè)字符/秒，每個(gè)字符包含11個(gè)二進(jìn)制位,則數(shù)據(jù)傳輸率為:11位/字符×10個(gè)字符/秒=110位/秒=110波特（Baud）計(jì)算機(jī)中常用的波特率是：110、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、28800、33600，目前最高可達(dá)56Kbps.

位時(shí)間Td

位時(shí)間是指?jìng)魉鸵粋€(gè)二進(jìn)制位所需時(shí)間，用Td表示。Td=1/波特率=1/B

18發(fā)送和接收時(shí)鐘在串行通信中，傳輸?shù)拿恳晃坏某掷m(xù)時(shí)間是固定的，由發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘的頻率決定。波特率因子：F=n*B；F是時(shí)鐘頻率，B是波特率，n是波特率因子(可以設(shè)定)，例如n=1,16,64。同步通信中，n=1。191.全雙工方式：串行接口和外設(shè)間有兩條數(shù)據(jù)傳輸線，串口可以同時(shí)輸入輸出數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)可以同時(shí)發(fā)送接收數(shù)據(jù)，效率比較高。圖1-4全雙工方式202.半雙工方式：串口和外設(shè)間只有一根數(shù)據(jù)線，某一時(shí)刻數(shù)據(jù)只能沿著一個(gè)方向傳送，要么輸入/要么輸出。效率比較低。打印機(jī)是半雙工方式。圖1-5半雙工方式213.同步通信：在約定的通信速度下，發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘信號(hào)頻率始終保持一致，將許多字符組成一組，稱為信息幀(可能包含幾十甚至上千字符)

。在每幀信息的開始加上一個(gè)同步字符，表示下面要開始信息發(fā)送了；然后再一個(gè)一個(gè)發(fā)送該幀的數(shù)據(jù)位(每一位具有固定的時(shí)間間隔)。接收端在收到對(duì)方發(fā)來(lái)的同步字符時(shí)(同步字符是預(yù)先約定的)，就開始按約定的傳輸速率接受對(duì)方發(fā)來(lái)的信息。若無(wú)數(shù)據(jù)傳輸，要發(fā)送“空閑”字符。優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)異步通信，同步通信的速度較快。缺點(diǎn)：為保持精確的同步時(shí)鐘，成本較高。22異步通信：通信中兩個(gè)字符之間的時(shí)間間隔是不固定的，一個(gè)字符中各位的時(shí)間間隔是固定的。異步通信格式為：起始位、數(shù)據(jù)位(5~8位)、奇偶校驗(yàn)位、停止位(高電平)組成。起始位和停止位之間的一串?dāng)?shù)據(jù)稱為幀。異步通信的幀，只包含一個(gè)字符。23傳輸從字符的低位向高位進(jìn)行。當(dāng)要開始傳輸數(shù)據(jù)了，輸出線由“1”跳變?yōu)椤?”，叫做起始位，表示數(shù)據(jù)傳輸開始。在起始位后可以傳遞5～8位的有效數(shù)據(jù)位，結(jié)束后加上電平為“1”的停止位。表示信息傳輸結(jié)束，停止位可以由1位，1.5位或2位數(shù)據(jù)位組成。24每接收一個(gè)字符，發(fā)送方和接收方要重新同步一串。優(yōu)點(diǎn)：硬件成本低。缺點(diǎn)：傳輸效率較低，因?yàn)楦郊有畔⑽欢?。圖1-6標(biāo)準(zhǔn)的異步通信數(shù)據(jù)格式25異步通信協(xié)議RS232;RS422;RS485;USB;IEEE139426同步通信和異步通信的區(qū)別？請(qǐng)思考。課堂提問(wèn)。27第二節(jié)I/O控制方式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中連接了大量的外圍設(shè)備，各個(gè)外設(shè)的工作速度差別極大。為了協(xié)調(diào)外圍設(shè)備的工作，CPU必須對(duì)它們采用分時(shí)控制，每個(gè)外設(shè)只在規(guī)定的時(shí)間片斷內(nèi)得到服務(wù)。為使外設(shè)在CPU控制下協(xié)調(diào)高效的工作，就要規(guī)定一個(gè)CPU控制各外設(shè)的控制策略，即控制方式。常用的控制方式：一、程序控制方式(無(wú)條件、查詢式)二、中斷控制方式二、直接存儲(chǔ)器存取方式28一、程序控制方式以CPU為中心，CPU通過(guò)程序控制數(shù)據(jù)傳送，即通過(guò)傳送指令和I/O指令實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。特點(diǎn)：速度較低，傳送路徑要經(jīng)過(guò)CPU內(nèi)部寄存器。29（一）無(wú)條件I/O方式（同步傳送方式）：不必查詢外設(shè)的狀態(tài)直接進(jìn)行信息傳送。適用范圍：適用于簡(jiǎn)單外設(shè)，或者外設(shè)的工作時(shí)間已知。所需軟硬件配置較少。要求外設(shè)始終處于就緒狀態(tài)，如開關(guān)和LED數(shù)碼管。缺點(diǎn)：一旦已知信息有誤，可能就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗，數(shù)據(jù)丟失。30圖2-1無(wú)條件I/O方式的接口電路原理圖或門31（二）查詢式I/O方式（條件傳送方式）除數(shù)據(jù)端口之外，還有狀態(tài)端口。要首先通過(guò)狀態(tài)口的“0”和“1”來(lái)表示外設(shè)是否就緒。。CPU通過(guò)執(zhí)行輸入指令從狀態(tài)口讀取當(dāng)前狀態(tài)信息，當(dāng)外設(shè)為“就緒”或者“空閑”狀態(tài)時(shí)，CPU才執(zhí)行“輸入”或“輸出”指令。否則，CPU將繼續(xù)不斷測(cè)試狀態(tài)信息，只到外設(shè)就緒為止。

當(dāng)有多個(gè)外設(shè)時(shí)，CPU逐個(gè)查詢各外設(shè)的狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)位為“1”時(shí)，表示外設(shè)準(zhǔn)備好或空閑，請(qǐng)求CPU輸入或輸出數(shù)據(jù)，則CPU將為其服務(wù)（傳送數(shù)據(jù)），完成后將清除該設(shè)備的狀態(tài)位。再繼續(xù)查詢下一個(gè)外設(shè)。當(dāng)所有外設(shè)的狀態(tài)都查詢完畢則回到第一個(gè)外設(shè)開始新一輪的查詢，服務(wù)。32端口譯碼≥1≥1輸入緩沖器輸出鎖存器數(shù)據(jù)總線M/≥1三態(tài)緩沖器數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸出外設(shè)狀態(tài)CPU不斷讀入并測(cè)試狀態(tài)口的狀態(tài)，只有當(dāng)狀態(tài)口的信號(hào)為“1”時(shí)，CPU才發(fā)出輸入輸出指令，此時(shí)M/才為低電平，譯碼器才開始工作。地址總線圖2-2查詢式I/O方式的接口電路原理圖需讀狀態(tài)信息33用查詢方式對(duì)1#2#3#三個(gè)設(shè)備進(jìn)行I/O管理

MOVFLAG,0

設(shè)置標(biāo)志為0DVC1:INAL,STAT

讀入外圍設(shè)備狀態(tài)

TESTAL,01H

測(cè)試外圍三個(gè)設(shè)備的狀態(tài)（是否請(qǐng)求服務(wù)）

JZDVC2CALLCCS1（外設(shè)1的I/O處理）DVC2:INAL,STATTESTAL,02HJZDVC3CALLCCS2DVC3:INAL,STATTESTAL,04HJZDDSCALLCCS3DDS:CMPFLAG,1JNZDVC1指令TEST是將兩個(gè)操作數(shù)作“按位與”，影響標(biāo)志位圖2-3查詢式I/O方式的軟件流程34查詢式I/O方式的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1、比無(wú)條件I/O方式可靠。2、接口電路簡(jiǎn)單，不占用中斷輸入線，程序簡(jiǎn)單，易于調(diào)試。3、外設(shè)的工作通過(guò)CPU執(zhí)行程序完成，故外設(shè)與程序的執(zhí)行保持同步，特別適用于多個(gè)按一定規(guī)律工作的生產(chǎn)過(guò)程的控制。缺點(diǎn)：1.CPU要不斷讀取并測(cè)試狀態(tài)，不管設(shè)備是否提出了請(qǐng)求都會(huì)對(duì)他的狀態(tài)位進(jìn)行測(cè)試，占用時(shí)間，效率低。2.當(dāng)CPU與一個(gè)外設(shè)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，其他設(shè)備只能等待。3.只能處理預(yù)先設(shè)定的操作，無(wú)法發(fā)現(xiàn)和處理突然出現(xiàn)和預(yù)先無(wú)法估計(jì)的特殊情況。適用范圍：適用于實(shí)時(shí)性要求不高，外設(shè)不太多，CPU不太忙的場(chǎng)合。35查詢式I/O方式的使用條件外設(shè)的服務(wù)時(shí)間指執(zhí)行某外設(shè)服務(wù)子程序所需的時(shí)間。設(shè)備最短響應(yīng)時(shí)間指某臺(tái)設(shè)備相鄰兩次請(qǐng)求服務(wù)的最短時(shí)間間隔。CPU必須在最短響應(yīng)時(shí)間內(nèi)為該設(shè)備服務(wù)，否則可能造成控制失誤。因?yàn)橛?jì)控系統(tǒng)必須滿足實(shí)時(shí)性的要求，則為查詢式I/O方式提出了一個(gè)使用條件：所有外設(shè)的服務(wù)時(shí)間的總和必須小于或等于任一外圍設(shè)備的最短響應(yīng)時(shí)間。最短響應(yīng)時(shí)間：某臺(tái)設(shè)備相鄰兩次請(qǐng)求服務(wù)的最短時(shí)間間隔。查詢式I/O方式適用于各外設(shè)的服務(wù)時(shí)間不長(zhǎng)，最短響應(yīng)時(shí)間區(qū)別不大的情況。36（三）中斷控制I/O方式為了更好地滿足實(shí)時(shí)性的要求，通常采用中斷控制I/O方式。當(dāng)外設(shè)提出中斷請(qǐng)求時(shí)，CPU才響應(yīng)。停止當(dāng)前的工作，去執(zhí)行外圍設(shè)備的中斷服務(wù)程序，當(dāng)它執(zhí)行完后回到剛才的執(zhí)行點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行先前未完成的程序。沒(méi)有中斷請(qǐng)求時(shí)，CPU運(yùn)行主程序。計(jì)控系統(tǒng)一般采用外部中斷方式。即通過(guò)I/O接口硬件向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)。8086有兩個(gè)中斷引腳：NMI和INTR。NMI是非屏蔽中斷，不受中斷允許標(biāo)志IF控制的，只要收到信號(hào)立即響應(yīng)中斷服務(wù)程序。一般用來(lái)處理設(shè)備的中斷故障。INTR為可屏蔽中斷，只有當(dāng)中斷允許標(biāo)志位IF＝1時(shí)才響應(yīng)中斷服務(wù)程序。3738（一）中斷處理要解決的問(wèn)題（1）保存現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。記錄一些現(xiàn)場(chǎng)的地址，數(shù)據(jù)信息，保存通用寄存器的內(nèi)容。PUSH,POP（2）正確判斷中斷源。必須正確判斷是哪個(gè)外設(shè)提出的中斷請(qǐng)求，并找到該設(shè)備的中斷服務(wù)程序的入口地址。往往借助中斷管理器8259A芯片。（3）實(shí)時(shí)響應(yīng)。保證每個(gè)外設(shè)的每次中斷能夠在其最短響應(yīng)時(shí)間內(nèi)得到響應(yīng)，并給予服務(wù)。（4）按優(yōu)先順序處理。應(yīng)該對(duì)不同的設(shè)備根據(jù)要求服務(wù)的輕重緩急來(lái)設(shè)定他們中斷的優(yōu)先級(jí)別，從而實(shí)現(xiàn)中斷嵌套，先執(zhí)行級(jí)別高的中斷服務(wù)程序。39（二）中斷優(yōu)先級(jí)問(wèn)題三種方式處理中斷優(yōu)先級(jí)：1、軟件查詢方式；2、雛菊鏈法；3、專用硬件方式.401、軟件查詢方式

PUSHAX

程序中要用到AX寄存器，故堆棧保存DVC1:INAL,STAT1TESTAL,20HJZDVC2CALLCCS1JMPDVANDDVC2:INAL,STAT2TESTAL,20HJZDVC3CALLCCS2JMPDVANDDVC3:INAL,STAT3TESTAL,20HJMPDVANDCALLCCS3DVEND:POPAXIRET外圍設(shè)備中斷的優(yōu)先權(quán)由所處查詢序列中的位置決定。D4數(shù)據(jù)位是狀態(tài)位，決定是否有中斷請(qǐng)求。圖2-4軟件查詢中斷控制的接口電路412、雛菊鏈法≥11≥111INTR中斷回答中斷應(yīng)答信號(hào)。圖2-5雛菊鏈邏輯電路中斷請(qǐng)求非門或門1000100≥11≥111INTR中斷回答中斷應(yīng)答信號(hào)。中斷請(qǐng)求非門或門101110042在雛菊鏈電路中如果某級(jí)設(shè)備發(fā)出中斷請(qǐng)求，則截獲該選通信號(hào)，從而使自己的中斷請(qǐng)求得到響應(yīng)。并且使后面的設(shè)備無(wú)法再獲得選通信號(hào)。該設(shè)備截獲選通信號(hào)后則撤銷自己的中斷請(qǐng)求，然后發(fā)一個(gè)中斷類型號(hào)，使CPU找到正確的中斷程序入口。如果該設(shè)備沒(méi)有提出請(qǐng)求，則該選通信號(hào)會(huì)繼續(xù)往后傳遞。當(dāng)有幾個(gè)設(shè)備同時(shí)提出中斷請(qǐng)求時(shí)，最接近CPU的設(shè)備先得到響應(yīng)，優(yōu)先級(jí)最高。作法：在每個(gè)外圍設(shè)備對(duì)應(yīng)的接口連接上一個(gè)邏輯電路，這些邏輯電路構(gòu)成一個(gè)鏈，稱為雛菊鏈，由它控制中斷應(yīng)答信號(hào)的通路。這種方法是利用外設(shè)在系統(tǒng)中的物理位置來(lái)決定中斷優(yōu)先權(quán)的。最靠近CPU的接口，優(yōu)先級(jí)最高。43CPU及總線控制邏輯INTR設(shè)備·1接口雛菊鏈邏輯電路1中斷應(yīng)答11中斷請(qǐng)求設(shè)備·2接口雛菊鏈邏輯電路中斷應(yīng)答中斷請(qǐng)求…圖2-6雛菊鏈邏輯電路/INTA可以沿著雛菊璉向后傳遞；若有中斷請(qǐng)求信號(hào)，則可截獲/INTA信號(hào)。443、專用硬件方式在計(jì)控系統(tǒng)中最常用的中斷控制方式是采用專用硬件芯片——中斷控制器來(lái)進(jìn)行中斷優(yōu)先級(jí)的管理（如8259A）。1片8259A可以管理8級(jí)中斷源。效率高，使用靈活方便。45圖2-78259A芯片46復(fù)習(xí)8086系統(tǒng)的中斷源4748IR0優(yōu)先級(jí)別最高。49第二次的課后復(fù)習(xí)題：（一）設(shè)置I/O接口的必要性？（二）I/O接口的主要功能？（三）I/O接口的控制方式？（四）三態(tài)門，是哪三態(tài)？50第二次的課后復(fù)習(xí)題簡(jiǎn)要答案：一：速度、時(shí)序、信息格式、信息類型不匹配。二：設(shè)置數(shù)據(jù)的緩沖器、鎖存器；串行和并行轉(zhuǎn)換；電平轉(zhuǎn)換；A/D轉(zhuǎn)換；D/A轉(zhuǎn)換；協(xié)調(diào)時(shí)序差異；地址譯碼；設(shè)置中斷和DMA擴(kuò)展邏輯。三：程序控制（無(wú)條件傳輸；查詢；中斷），DMA方式。

四：高電平，低電平，高阻態(tài)。51（三）中斷控制的實(shí)時(shí)響應(yīng)條件采用中斷控制I/O方式時(shí)，當(dāng)外設(shè)沒(méi)有提出中斷請(qǐng)求時(shí)，CPU運(yùn)行主程序。僅當(dāng)外設(shè)提出中斷請(qǐng)求時(shí)才臨時(shí)中斷主程序去為外設(shè)服務(wù)。因此中斷控制I/O方式可以較好的解決CPU與外設(shè)在速度上差別很大的問(wèn)題，協(xié)調(diào)二者的工作，效率較高。為了更好地滿足實(shí)時(shí)性的要求，可以根據(jù)外設(shè)最短響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短和輕重緩急恰當(dāng)?shù)匕才艃?yōu)先級(jí)順序。為了滿足實(shí)時(shí)性的要求還有一些必須滿足的條件。52軟件查詢的中斷控制方式，按照優(yōu)先級(jí)由高到低逐個(gè)檢測(cè)中斷請(qǐng)求狀態(tài)位，逐個(gè)服務(wù)。假設(shè)有n個(gè)中斷方式控制的外設(shè)。把它們按照最短響應(yīng)時(shí)間從小到大的順序排列。各外設(shè)的實(shí)際服務(wù)時(shí)間為S1，S2,….Si。設(shè)其中第i個(gè)設(shè)備的服務(wù)時(shí)間最長(zhǎng)。即Si

＝Smax。最壞的情況是，CPU剛響應(yīng)第i個(gè)外設(shè)時(shí)，其它所有的外設(shè)都提出中斷請(qǐng)求。假設(shè)不采用中斷嵌套，那么CPU為第i個(gè)設(shè)備服務(wù)完后，才能依次按照優(yōu)先級(jí)順序，逐個(gè)給予服務(wù)。要滿足實(shí)時(shí)性要求，必須在各設(shè)備的最短響應(yīng)時(shí)間內(nèi)使它們都得到服務(wù)，則必須滿足：53采用中斷嵌套時(shí)，響應(yīng)時(shí)間短、優(yōu)先權(quán)高的設(shè)備，其實(shí)時(shí)響應(yīng)要求容易滿足。但是若這樣的設(shè)備頻繁中斷其它設(shè)備的服務(wù)程序，則其它設(shè)備的中斷請(qǐng)求能否得到實(shí)時(shí)響應(yīng)，就是麻煩事了。要滿足實(shí)時(shí)性要求，必須在各設(shè)備的最短響應(yīng)時(shí)間內(nèi)(兩次請(qǐng)求之間的間隔時(shí)間)使它們都得到服務(wù)，則必須滿足：54中斷控制方式的局限性和原因局限性：雖然比程序控制方式的效率高，但仍無(wú)法滿足高速傳遞數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。原因：在進(jìn)入中斷服務(wù)程序和中斷返回時(shí)都要進(jìn)行大量的準(zhǔn)備工作，即入棧和出棧(保存斷點(diǎn)，狀態(tài)信息；恢復(fù)斷點(diǎn)，狀態(tài)信息);而且數(shù)據(jù)的傳遞仍然是通過(guò)CPU執(zhí)行輸入輸出指令實(shí)現(xiàn)的，效率相對(duì)來(lái)說(shuō)不是很高。55二、直接存儲(chǔ)器存取方式——DMA方式

該方式不經(jīng)過(guò)CPU，在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間直接高速交換數(shù)據(jù)。使用DMAC（直接存儲(chǔ)器控制器，例如芯片8237A），用硬件的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，速度快。

DMA可以實(shí)現(xiàn)：內(nèi)存與I/O之間；內(nèi)存與內(nèi)存之間；I/O與I/O之間的數(shù)據(jù)傳送。56DMAC直接存儲(chǔ)器控制器(DMAC)暫時(shí)占用數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。步驟：1、當(dāng)外設(shè)就緒，需要進(jìn)行DMA操作時(shí)，向DMAC發(fā)出請(qǐng)求；2、DMAC收到請(qǐng)求后，再向CPU發(fā)出總線請(qǐng)求信號(hào)；3、若被CPU接受，則發(fā)出DMA響應(yīng)信號(hào)，同時(shí)釋放總線，交給DMAC控制。此時(shí)，在內(nèi)存和外設(shè)間直接完成高速數(shù)據(jù)傳送，不需要CPU的干預(yù)。圖2-88237A的用途57DMAC4、DMA過(guò)程結(jié)束后，DMAC向CPU發(fā)出結(jié)束信號(hào)，再將總線控制權(quán)還給CPU。5、8086系統(tǒng)中，CPU的HOLD引腳接受DMAC的總線請(qǐng)求，在HLDA引腳上向DMAC發(fā)送總線請(qǐng)求的允許信號(hào)，二者均為高電平有效。圖2-88237A的用途588086系統(tǒng)中，CPU的HOLD引腳接受DMAC的總線請(qǐng)求HRQ，在HLDA引腳上向DMAC發(fā)送總線請(qǐng)求的允許信號(hào)，二者均為高電平有效。DMAC先使HOLD為高電平，請(qǐng)求占用總線；CPU響應(yīng)請(qǐng)求后，CPU使HLDA輸出高電平，表示DMAC可以占用總線；當(dāng)DMAC完成數(shù)據(jù)傳送后，將HOLD變?yōu)榈碗娖?，CPU隨后將HLDA變?yōu)榈碗娖?。則CPU重新控制總線。59DAM方式的特點(diǎn)：

在DMAC的控制下，外設(shè)直接和存儲(chǔ)器（也可外設(shè)與外設(shè)，存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器之間）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，而不必經(jīng)過(guò)CPU，傳送速度基本取決于外設(shè)與存儲(chǔ)器的速度，從而傳送效率大大提高。如磁盤與存儲(chǔ)器之間的傳輸速度每秒高達(dá)幾兆字節(jié)，這是采用中斷方式（用CPU執(zhí)行指令傳輸數(shù)據(jù)）所實(shí)現(xiàn)不了的。602、DMA控制器（DMAC)的功能接收CPU發(fā)出的讀寫信號(hào)——初始化；接收外設(shè)發(fā)來(lái)的DMA請(qǐng)求；向CPU發(fā)出總線請(qǐng)求信號(hào)；接收CPU發(fā)出的總線請(qǐng)求允許信號(hào)；向外設(shè)發(fā)出DMA請(qǐng)求允許信號(hào)；發(fā)出地址信息，能對(duì)存儲(chǔ)器尋址及修改地址指針；能發(fā)出讀/寫等控制信號(hào)；能提供數(shù)據(jù)的傳輸數(shù)量；能撤銷總線請(qǐng)求信號(hào)，使CPU恢復(fù)正常工作。61二、常用DMAC芯片——Intel82371.基本結(jié)構(gòu)及功能傳輸率：1.6MB/s。4個(gè)獨(dú)立通道：每個(gè)通道包含16位地址寄存器和16位字節(jié)計(jì)數(shù)器，8位模式寄存器。4個(gè)通道公用控制寄存器和狀態(tài)寄存器。不同的通道可以用來(lái)處理不同的數(shù)據(jù)交換工作：軟盤數(shù)據(jù)，硬盤數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交換等。圖2-98237A芯片基本結(jié)構(gòu)62第三節(jié)I/O接口設(shè)計(jì)

一、設(shè)計(jì)任務(wù)I/O接口設(shè)計(jì)的任務(wù)：根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備的具體要求以及外設(shè)的特點(diǎn)，選定合適的I/O控制方式，設(shè)計(jì)合適的I/O接口硬件電路和相應(yīng)的接口控制程序，使CPU和外設(shè)間能實(shí)時(shí)可靠地交換信息。控制方式的選定主要考慮信息交換的速度和CPU的工作效率。硬件和軟件的選擇取決于控制速度、可靠性和成本。63二、I/O接口的編址方式為什么要進(jìn)行編址？在CPU的數(shù)據(jù)總線上同時(shí)掛有多種外設(shè)和存儲(chǔ)器。當(dāng)CPU輸入輸出數(shù)據(jù)時(shí)必須確定數(shù)據(jù)的來(lái)源和去向，所以要涉及到端口尋址的問(wèn)題。兩種編址方式：I/O接口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址；I/O接口獨(dú)立編址。64（一）I/O接口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式定義：把所有I/O接口的端口都當(dāng)作是存儲(chǔ)器的一個(gè)單元來(lái)對(duì)待，接口芯片和存儲(chǔ)單元統(tǒng)一編址。不設(shè)置專門的I/O指令。優(yōu)點(diǎn)：訪問(wèn)內(nèi)存的指令都可以用來(lái)訪問(wèn)I/O接口，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。I/O接口可以和存儲(chǔ)器公用“譯碼和控制電路”。I/O地址空間靈活，根據(jù)實(shí)際情況使用。缺點(diǎn)：I/O接口占用了存儲(chǔ)空間；沒(méi)有專用的I/O指令，程序可讀性較差。I/O接口的編址方式是由所用的微處理器決定。Intel51系列和96系列單片機(jī)。65圖2-3-1統(tǒng)一編址方式66（二）I/O接口獨(dú)立編址方式定義：將存儲(chǔ)器地址空間和I/O接口地址空間分開設(shè)置。設(shè)有專門的輸入（IN）、輸出（OUT）指令完成I/O操作。很多微處理器都采用這種編址方式：8086、Z80、8088、8080等。優(yōu)點(diǎn)：將輸入輸出指令和訪問(wèn)內(nèi)存的指令分開，使程序可讀性好。I/O指令執(zhí)行速度快，不占有內(nèi)存空間，I/O譯碼電路簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：專門的輸入輸出指令。要采用專用I/O周期和I/O控制線。微處理器復(fù)雜化。67圖2-3-2獨(dú)立編址方式681：8086有16條地址線，端口為216(65536，64K)個(gè)，端口號(hào)為0000H～FFFFH。2：尋址方式分為直接尋址和間接尋址。8086的輸入輸出指令，分為直接輸入輸出指令，間接輸入輸出指令。前者只能用于00H～FFH端口，即前256個(gè)端口，INAL,55H;OUT70HAX；后者可以用于所有的64K個(gè)端口，且必須將端口號(hào)放入DX寄存器中。INAX,DX;OUTDX,AL69三、I/O接口與系統(tǒng)的連接I/O接口與外部的連接如圖所示。劃分為兩部分：第一部分和外設(shè)相連。該部分的接口結(jié)構(gòu)和設(shè)備傳輸要求和數(shù)據(jù)格式有關(guān)。隨外設(shè)不同而不同。第二部分和系統(tǒng)總線相連。該部分的接口結(jié)構(gòu)對(duì)不同的接口芯片都基本相同。實(shí)現(xiàn)與CPU的啟動(dòng)、接口的選中等信號(hào)的配合，提供傳輸數(shù)據(jù)的I/O端口。圖2-10典型的I/O口和外部的連接70數(shù)據(jù)信號(hào)D0~D7:CPU與外設(shè)之間的信息交換、CPU對(duì)接口芯片的編程命令、接口芯片送到CPU的狀態(tài)信息都從數(shù)據(jù)線上傳輸。讀寫控制信號(hào)(或):低電平有效。片選信號(hào)和地址線A0,A1。片選信號(hào)是由地址信號(hào)線和經(jīng)過(guò)譯碼器得到的。用來(lái)選擇不同的外設(shè)。A0,A1

用來(lái)尋址片內(nèi)寄存器。時(shí)鐘、復(fù)位、中斷控制、聯(lián)絡(luò)信號(hào)等控制信號(hào)，接口芯片不同這些控制信號(hào)也有所不同。M/書本30頁(yè)的圖2-15和圖2-16分別是并行接口芯片、串行接口芯片和CPU、外設(shè)的連接，由圖知接口芯片與CPU的連接信號(hào)分為下面四類：71727374四、I/O接口擴(kuò)展各種微型機(jī)都配有各種可編程的I/O接口電路（8253定時(shí)器計(jì)數(shù)器，8251A串行接口芯片，8255A并行接口芯片等），但是可能接口數(shù)量和內(nèi)存仍然不滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，必須擴(kuò)展，這是計(jì)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。擴(kuò)展I/O接口需要解決端口的編址、選址問(wèn)題。每個(gè)通用接口芯片都包含一組寄存器，各類信息進(jìn)入不同的端口。CPU和外部之間的信息交換都通過(guò)這些端口實(shí)現(xiàn)，因此擴(kuò)展的地址譯碼電路不僅要提供接口芯片的片選信號(hào)，還要內(nèi)區(qū)分各個(gè)芯片的內(nèi)部寄存器。地址擴(kuò)展常用的譯碼器：74LS138（3：8）譯碼器75（一）地址譯碼器的擴(kuò)展常用是3－8譯碼器，74LS138。由譯碼器芯片的C、B、A可以使引腳Y0~Y7分別為低電平有效，從而選通不同的芯片。76（二）負(fù)載能力的擴(kuò)展擴(kuò)展的I/O接口和存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)線掛在CPU的數(shù)據(jù)總線上；各芯片的地址和控制線掛在CPU的地址總線和控制總線上。如果CPU總線的負(fù)載太重，各信號(hào)線的電平將偏離正常值?！?”電平過(guò)高，“1”電平過(guò)低，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，抗干擾能力差，甚至?xí)p壞器件。常用的器件：TTL器件和MOS器。TTL器件又分為標(biāo)準(zhǔn)TTL器件74×××和低功耗肖特基TTL器件74LS×××TTL和MOS器件的邏輯電平一致，但功耗和驅(qū)動(dòng)能力不同。MOS器件的輸入電流小，驅(qū)動(dòng)能力也差?？偩€收發(fā)器可以提高總線驅(qū)動(dòng)能力，例如INTEL的收發(fā)器芯片8286，TI公司的74LS245。77四、（1）I/O接口設(shè)計(jì)的方法、步驟1、了解分析常用外設(shè)或被控設(shè)備與CPU之間信息交換的要求（需要的聯(lián)絡(luò)信號(hào)、I/O數(shù)據(jù)格式、最短響應(yīng)時(shí)間和服務(wù)時(shí)間的估計(jì)、確定I/O控制方式）。2、考慮硬件和軟件的功能分配。3、進(jìn)行I/O端口的數(shù)量統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)流向安排、端