第六章-IO接口和總線

第6章I/O接口和總線

6-1I/O接口6-2總線3/11/202411)、數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)信息：數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量、脈沖量。2)、狀態(tài)端口狀態(tài)信息：反映當(dāng)前外設(shè)所處的工作狀態(tài)。3)、控制端口控制信息：CPU通過接口向外設(shè)傳送控制信息。接口是CPU與外界的連接部件，是CPU與外界交換信息的中轉(zhuǎn)站。一個(gè)接口有幾個(gè)寄存器，不同類型的信息進(jìn)入不同的寄存器,一般稱這些寄存器為端口。3/11/202426-1I/O接口一、I/O接口的功能1.采用I/O接口的必要性外圍設(shè)備品種繁多：機(jī)械，電子，機(jī)電，光電等。所傳輸信息要求不同：數(shù)字，模擬，電壓，電流等。*速度不匹配*信號(hào)電平不匹配*信號(hào)格式不匹配*信號(hào)時(shí)序不匹配計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間信息交換應(yīng)解決的問題：3/11/20243（1）設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖以解決速度差異所帶來的不協(xié)調(diào)問題；

輸入：輸入設(shè)備數(shù)據(jù)線

緩沖器

DBCPU輸出：CPUDB鎖存器

輸出設(shè)備數(shù)據(jù)線

2.I/O接口的功能（2）設(shè)置信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路以解決信號(hào)電平的不一致問題；（3）設(shè)置信息轉(zhuǎn)換邏輯以滿足對(duì)各自信號(hào)格式的要求；例如：A/D轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換，串/并轉(zhuǎn)換，并/串轉(zhuǎn)換等。（4）設(shè)置時(shí)序控制電路以同步CPU和外設(shè)的工作；（5）提供地址譯碼電路。3/11/20244二、簡(jiǎn)單的輸入輸出接口芯片常用的數(shù)據(jù)緩沖器：

74LS244、74LS245：數(shù)據(jù)緩沖，提高總線驅(qū)動(dòng)能力。常用的數(shù)據(jù)鎖存器：

74LS373、74LS374：鎖存數(shù)據(jù)。3/11/202451.I/O端口（3）控制端口：用來存放CPU向接口發(fā)送的各種命令和控制字，以便控制接口或外設(shè)的動(dòng)作。三、I/O端口及其尋址方式CPU與外設(shè)之間傳送的信號(hào)：數(shù)據(jù)信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)、控制信號(hào)。（1）數(shù)據(jù)端口：用來存放外設(shè)送往CPU的數(shù)據(jù)以及CPU要輸出到外設(shè)去的數(shù)據(jù)。主要起數(shù)據(jù)緩沖的作用。（2）狀態(tài)端口：主要用來指示外設(shè)的當(dāng)前狀態(tài)。用“位”來表示。準(zhǔn)備就緒位（Ready）忙碌位（Busy）錯(cuò)誤位（Error）3/11/202462.I/O端口的尋址方法65F3020024E0內(nèi)存與外設(shè)內(nèi)存外設(shè)Kou1026D0000000001EFFFFF0000F0001F0002FFFFF（1）存儲(chǔ)器映象尋址方式將外設(shè)端口和內(nèi)部存儲(chǔ)單元統(tǒng)一安排在內(nèi)存的地址空間中，外設(shè)地址與內(nèi)存地址統(tǒng)一編址。優(yōu)點(diǎn)：不需要專門的輸入輸出指令，

可用全部的存儲(chǔ)器操作指令。

如：movkou1,bx

缺點(diǎn)：外設(shè)占用內(nèi)存單元，相對(duì)減少了內(nèi)存容量。3/11/20247

內(nèi)存地址空間和外設(shè)地址空間是相互獨(dú)立的。優(yōu)點(diǎn)：不占用內(nèi)存。缺點(diǎn)：CPU需設(shè)專門的I/O指令。

端口地址在

0～FFH范圍內(nèi)，用直接尋址。如：INAL,20HOUT80H,AX端口地址在

0100～0FFFFH范圍內(nèi)，用DX間接尋址。如：

MOVDX,300HINAL,DX65F30200外設(shè)000000FFFFFF0100KOU1KOU2KOU311223344KOU100KOU10111323201內(nèi)存00000FFFFF（2）I/O單獨(dú)編址方式3/11/20248四、CPU與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式

程序控制方式

無條件傳送條件傳送（查詢方式）中斷方式直接存貯器存取(DMA)方式3/11/20249無條件傳送流程3/11/202410查詢傳送流程3/11/202411中斷傳送流程3/11/202412DMA傳送流程3/11/202413在微機(jī)系統(tǒng)中，有一些簡(jiǎn)單的外設(shè)在工作時(shí)，隨時(shí)都準(zhǔn)備好接收CPU的輸出數(shù)據(jù)或它們的數(shù)據(jù)隨時(shí)都是準(zhǔn)備好的，CPU什么時(shí)候讀均可以正確的讀取數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：外設(shè)已準(zhǔn)備好，不需要查詢外設(shè)狀態(tài)。輸入時(shí)，外設(shè)數(shù)據(jù)已送到三態(tài)緩沖器。輸出時(shí)，CPU的輸出信息已送到輸出鎖存器輸入端。1.無條件傳送方式3/11/202414

無條件傳送的局限性：對(duì)于那些慢速的或總是準(zhǔn)備好的外設(shè)是適用的。所謂查詢方式就是微型計(jì)算機(jī)利用程序不斷詢問外部設(shè)備的狀態(tài)，根據(jù)它們所處的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出。查詢工作方式示意圖

2.查詢方式3/11/202415(1)單一外設(shè)查詢

CPU先查詢外設(shè)狀態(tài)，而后決定數(shù)據(jù)的傳送。單一外設(shè)查詢示意圖

3/11/202416(2)多個(gè)外設(shè)查詢方式工作CPU逐個(gè)外設(shè)進(jìn)行查詢。若發(fā)現(xiàn)哪個(gè)外設(shè)準(zhǔn)備就緒，就對(duì)該外設(shè)實(shí)施數(shù)據(jù)傳送。降低了CPU的效率；不能對(duì)外設(shè)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。多個(gè)外設(shè)查詢方式工作流程

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無條件傳送、查詢傳送都需要CPU的等待或不斷查詢，使CPU的效率降低。啟動(dòng)外設(shè)主程序外設(shè)準(zhǔn)備好輸入設(shè)備Ready=1

輸出設(shè)備Busy=0中斷請(qǐng)求中斷響應(yīng)數(shù)據(jù)IN/OUT中斷服務(wù)程序IRET中斷響應(yīng)外設(shè)又一次準(zhǔn)備好中斷請(qǐng)求3.中斷方式中斷傳送：外設(shè)需要傳送數(shù)據(jù)時(shí)，申請(qǐng)中斷；當(dāng)CPU允許中斷，在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行IN/OUT指令；然后返回主程序。3/11/202418DMA方式：

采用專用接口電路直接和存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。不通過CPU，傳送效率高。適用于在內(nèi)存與高速外設(shè)、或兩個(gè)高速外設(shè)之間進(jìn)行大批量數(shù)據(jù)傳送。

DirectMemoryAccess4.

DMA方式（1）DMA方式的提出----為什么要用DMA方式傳送數(shù)據(jù)？查詢方式：查詢時(shí)占用CPU時(shí)間。中斷方式：比查詢方式傳送效率高，但執(zhí)行中斷服務(wù)程序，

CPU要保護(hù)斷點(diǎn)、保護(hù)寄存器等，使CPU花費(fèi)時(shí)間。3/11/202419要實(shí)現(xiàn)DMA傳送，目前都采用大規(guī)模集成電路芯片DMA控制器(DMAC)。

（2）DMA的工作過程

DMA控制器8237

3/11/202420外設(shè)數(shù)據(jù)線接口電路PC總線數(shù)據(jù)線片選譯碼

高位地址線控制線低位地址線控制線狀態(tài)線CPU輔助電路CPU接口與系統(tǒng)的連接3/11/2024216-2總線一、總線的概念總線分類總線標(biāo)準(zhǔn)二、IBMPC總線3/11/202422總線是連接多個(gè)功能部件的一組公共信號(hào)線。1.什么是總線數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB存儲(chǔ)器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口輸出設(shè)備CPU一、總線的概念3/11/202423總線是構(gòu)成微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的重要技術(shù)，總線設(shè)計(jì)的好壞直接影響:整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的性能、可靠性、可擴(kuò)展性和可升級(jí)性。3/11/202424根據(jù)總線中信息傳送的類型可分為：

地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線等。2.總線的分類根據(jù)總線的規(guī)模、用途和應(yīng)用場(chǎng)合可分為：（1）片級(jí)總線（2）系統(tǒng)總線（3）外部總線也叫元件級(jí)總線，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。也叫內(nèi)總線或板級(jí)總線，用于微型計(jì)算機(jī)各插件板之間的連線。也稱為通信總線，用于微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與