微机原理与接口技术--输入输出接口-课件

第第5章章 输入输出接口输入输出接口v5.1 微机接口及接口技术微机接口及接口技术v5.2 I/O端口及其编址方式端口及其编址方式v5.3 端口地址译码端口地址译码v5.4 CPU与外设之间的数据传送方式与外设之间的数据传送方式5.1 微机接口及接口技术微机接口及接口技术5.1.1 为什么要设置接口电路为什么要设置接口电路5.1.2 接口电路中的信息接口电路中的信息5.1.3 接口的基本功能接口的基本功能5.1.4 接口的基本结构接口的基本结构返返 回回数字化存储数字化存储示波器、数示波器、数字化万用表字化万用表终端、调制终端、调制解调器解调器A/D转换器转换器开关量输入开关量输入D/A转换器转换器开关量输出开关量输出键键盘盘、鼠鼠标标、数数字字化化仪仪、光光笔笔、图图形形输输入入仪仪麦麦克克风、扫描仪风、扫描仪打印机打印机显示器显示器磁盘磁带磁盘磁带软盘光盘软盘光盘智能仪器接口智能仪器接口通信接口通信接口过程控制接口过程控制接口输入接口输入接口输出接口输出接口外存接口外存接口CPU内存内存DBABCB图图1-11-1微机系统各类接口框图微机系统各类接口框图 返返 回回5.1.1 5.1.1 为什么要设置接口电路为什么要设置接口电路CPUCPU与外设两者的信号线不兼容，在信号线功能定义、逻与外设两者的信号线不兼容，在信号线功能定义、逻辑定义和时序关系上都不一致辑定义和时序关系上都不一致 两者的工作速度不兼容，两者的工作速度不兼容，CPUCPU速度高，外设速度低速度高，外设速度低 若不通过接口，而由若不通过接口，而由CPUCPU直接对外设的操作实施控制，就直接对外设的操作实施控制，就会使会使CPUCPU处于穷于应付与外设打交道之中，大大降低处于穷于应付与外设打交道之中，大大降低CPUCPU的的效率效率 若外部设备直接由若外部设备直接由CPUCPU控制，也会使外设的硬件结构依赖控制，也会使外设的硬件结构依赖于于CPUCPU，对外设本身的发展不利。，对外设本身的发展不利。5.1.2 5.1.2 接口电路中的信息接口电路中的信息 v数据信息数据信息v状态信息状态信息v控制信息控制信息习惯上把分别传送这三种信息的端口称为习惯上把分别传送这三种信息的端口称为 数据口、状态口、控制口数据口、状态口、控制口 1数据信息数据信息v（1）数字量：数字量：通通常常以以8位位或或16位位的的二二进进制制数数以以及及ASCII码码的的形形式式传传输输，主主要要指指由由键键盘盘、磁磁盘盘、光光盘盘等等输输入入的的信信息息或或主主机机送给打印机、显示器、绘图仪等的信息。送给打印机、显示器、绘图仪等的信息。v（2）模拟量：模拟量：模模拟拟的的电电压压、电电流流或或者者非非电电量量。对对模模拟拟量量输输入入而而言言，需需先先经经过过传传感感器器转转换换成成电电信信号号，再再经经A/D转转换换器器变变成成数数字字量量；如如果果需需要要输输出出模模拟拟控控制制量量的的话话，就就要要进进行行上上述过程的逆转换。述过程的逆转换。v（3）开关量：开关量：用用“0”和和“1”来来表表示示两两种种状状态态，如如开开关关的的通通/断断、电机的转电机的转/停、阀门的开停、阀门的开/关等。关等。2状态信息状态信息CPU在在传传送送数数据据信信息息之之前前，经经常常需需要要先先了了解解外外设设当当前前的的状状态态。如如输输入入设设备备的的数数据据是是否否准准备备好好、输出设备是否忙等。输出设备是否忙等。v用用于于表表征征外外设设工工作作状状态态的的信信息息就就叫叫做做状状态态信信息息，它总是由外设通过接口输入给它总是由外设通过接口输入给CPU的。的。v状状态态信信息息的的长长度度不不定定，可可以以是是1个个二二进进制制位位或或多个，含义也随外设的具体情况不同而不同多个，含义也随外设的具体情况不同而不同。3控制信息控制信息v用来发布控制命令、控制外设工作的用来发布控制命令、控制外设工作的信息，例如信息，例如A/D转换器的启停信号。转换器的启停信号。v控制信息总是控制信息总是CPU通过接口发出的通过接口发出的。返返 回回5.1.3 接口的基本功能接口的基本功能v1 1 数据缓冲功能数据缓冲功能v2 2 端口选择功能端口选择功能v3.3.信号转换功能信号转换功能v4 4 接收和执行接收和执行CPUCPU命令的功能命令的功能v5.5.中断管理功能中断管理功能 v6 6 可编程功能可编程功能v7.7.返回外设状态的功能返回外设状态的功能 v8.8.数据宽度与数据格式转换的功能数据宽度与数据格式转换的功能1.1.数据缓冲功能数据缓冲功能v接口电路中一般都设置有数据寄存器或锁存器数据口，以解决高速的主机与低速的外设之间的速度匹配问题，避免因主机与外设的速度不匹配而丢失数据。2 2 端口选择功能端口选择功能v微机系统中常有多个外设，而CPU在任一时刻只能与一个端口交换信息，因此需要通过接口的地址译码电路对端口进行寻址。3.3.信号转换功能信号转换功能v外设所提供的数据、状态和控制信号可能与微机的总线信号不兼容，所以接口电路应进行相应的信号转换。4 4 接收和执行接收和执行CPUCPU命令的功能命令的功能vCPU对外设的控制命令一般以代码形式输出到接口电路的控制端口，接口电路对命令代码进行识别、分析，分解成若干控制信号，传送到I/O设备，并产生相应的具体操作。5.5.中断管理功能中断管理功能v当外设需要及时得到CPU的服务，特别是出现故障需要CPU立即处理时，就要求接口中设置中断控制器，以便于CPU处理有关中断事务（如中断请求、中断优先级排队、提供中断向量等）。6 6 可编程功能可编程功能v由于I/O接口电路大多由可编程接口芯片组成，因此就有可能在不改变硬件电路的情况下，只要修改接口驱动程序就可以改变接口的工作方式，提高了接口的灵活性和可扩充性，使接口向智能化方向发展。7.7.返回外设状态的功能返回外设状态的功能v接口电路在执行命令之前、执行命令过程中和执行命令之后，外部设备及接口电路都会有一些情况发生，包括正常工作状态和故障状态。v“忙”、“闲”、“准备就绪”、“未准备就绪”、“满”、“空”、“溢出错”、“格式错”等v接口中一般都设置状态寄存器，称“状态口”。状态信号以状态代码形式存放在接口电路的状态寄存器中。vCPU从状态口读取状态信息，供CPU作出判断与处理。8.8.数据宽度与数据格式转换的功能数据宽度与数据格式转换的功能vCPU所所处处理理的的是是并并行行数数据据，而而有有的的外外设设只只能能处处理理串串行行数数据据，接接口口应应具具有有数数据据“并并串串”、“串串并并”的转换能力。的转换能力。vCPU与有些外设交换数据时，要求按照一定的与有些外设交换数据时，要求按照一定的数据格式传送，所以在数据格式传送，所以在CPU与通信设备之间进与通信设备之间进行数据格式转换。行数据格式转换。返返 回回5.1.45.1.4接口的基本结构接口的基本结构v1端口v2地址译码电路v3数据缓冲器与锁存器1端口端口vI/O接口通常设置有若干个寄存器，用来暂存CPU和外设之间传输的数据、状态和控制信息。v一般有三类寄存器，分别是数据寄存器、状态寄存器、控制寄存器。v接口内的寄存器通常被称为端口。根据寄存器内暂存信息的类型，分别称为数据端口、控制端口和状态端口。v每个端口有一个独立的地址，CPU可以用端口地址代码来区别各个不同的端口，并对它们分别进行读/写操作。2地址译码电路地址译码电路v 它由译码器或能实现译码功能的其它芯片它由译码器或能实现译码功能的其它芯片构成。构成。v它的作用是进行设备选择，是接口中不可它的作用是进行设备选择，是接口中不可缺少的部分。这部分电路不包含在集成接缺少的部分。这部分电路不包含在集成接口芯片中，要由用户自行设计。口芯片中，要由用户自行设计。3数据缓冲器与锁存器数据缓冲器与锁存器v在微机系统的数据总线上，连接着许多能够向在微机系统的数据总线上，连接着许多能够向CPU发送数据的设备，如内存储器、外设的数据输入端发送数据的设备，如内存储器、外设的数据输入端口等。口等。v为了不使系统数据总线的信号传输发生为了不使系统数据总线的信号传输发生“信息冲突信息冲突”，要求所有的这些连接到系统数据总线的设备具，要求所有的这些连接到系统数据总线的设备具有三态输出的功能。有三态输出的功能。v也就是说，在也就是说，在CPU选中该设备时，它能向系统数据选中该设备时，它能向系统数据总线发送数据信号，而在其它时刻，它的输出端必总线发送数据信号，而在其它时刻，它的输出端必须呈高阻状态。为此，所有接口的输入端口必须通须呈高阻状态。为此，所有接口的输入端口必须通过三态缓冲器与系统数据总线相连。过三态缓冲器与系统数据总线相连。返返 回回5.2 I/O5.2 I/O端口及其编址方式端口及其编址方式5.2.1 I/0端口5.2.2 I/O端口的编址方式5.2.3 I/O端口地址分配返返 回回5.2.1 I/05.2.1 I/0端口端口v端端口口（portport）是是接接口口电电路路中中能能被被CPUCPU直直接接访访问问的的寄寄存存器器的的地址。地址。v计计算算机机给给接接口口电电路路中中的的每每个个寄寄存存器器分分配配一一个个端端口口，因因此此,CPU,CPU在在访访问问这这些些寄寄存存器器时时，只只需需指指明明它它们们的的端端口口，不不需需指指出是什么寄存器。出是什么寄存器。vCPUCPU对对数数据据端端口口进进行行一一次次读读或或写写操操作作，也也就就是是与与该该接接口口连连接的外设进行一次数据传输接的外设进行一次数据传输vCPUCPU对对状状态态端端口口进进行行一一次次读读操操作作，就就可可以以获获得得外外设设或或接接口口自身的状态代码自身的状态代码vCPUCPU把把若若干干位位控控制制代代码码写写入入控控制制端端口口，则则意意味味着着对对该该接接口口或或外外设设发发出出一一个个控控制制命命令令，要要求求该该接接口口或或外外设设按按规规定定的的要要求工作求工作返返 回回5.2.2 I/O端口的编址方式端口的编址方式v1 端口地址和存储器地址统一编址，也称存储器端口地址和存储器地址统一编址，也称存储器映射方式映射方式v2 I/O端口地址和存储器地址分开独立编址，也称端口地址和存储器地址分开独立编址，也称I/O映射方式映射方式 1 统一编址方式统一编址方式v从存储器空间划出一部分地址空间给从存储器空间划出一部分地址空间给I/O设备，把设备，把I/O接口中的端口当作存储器单元一样进行访问，不设置接口中的端口当作存储器单元一样进行访问，不设置专门的专门的I/O指令指令v优点：优点：v访问访问I/O端口可实现输入端口可实现输入/输出操作，还可以对端口内输出操作，还可以对端口内容进行算术逻辑运算、移位等等；容进行算术逻辑运算、移位等等；v 能给端口有较大的编址空间，这对大型控制系统和数能给端口有较大的编址空间，这对大型控制系统和数据通信系统是很有意义的；据通信系统是很有意义的；v 缺点：缺点：v 端口占用了存储器的地址空间，使存储器容量小；端口占用了存储器的地址空间，使存储器容量小；v 指令长度比专门指令长度比专门I/O指令要长，因而执行速度较慢；指令要长，因而执行速度较慢；2 独立编址方式独立编址方式vI/O端口地址空间和存储器地址空间是独立的、分开端口地址空间和存储器地址空间是独立的、分开的，即的，即I/O端口地址不占用存储器地址空间。端口地址不占用存储器地址空间。v优点优点vI/O端口地址不占用存储器空间；端口地址不占用存储器空间；v使用专门的使用专门的I/O指令对端口进行操作，指令对端口进行操作，I/O指令短、执指令短、执行速度快；行速度快；v并且由于专门并且由于专门I/O指令与存储器访问指令有明显的区指令与存储器访问指令有明显的区别，使程序中别，使程序中I/O操作和存储器操作层次清晰，程序操作和存储器操作层次清晰，程序的可读性强。的可读性强。v缺点缺点v这种编址方式中，微处理器对存储器及这种编址方式中，微处理器对存储器及I/O端口是采端口是采用不同的控制线进行选择的，因而接口电路比较复杂。用不同的控制线进行选择的，因而接口电路比较复杂。MEMRMEMWCPU控制逻辑控制逻辑存储器存储器（1MB）I/O端口端口（64K个）个）R/W控制控制20AB2016DB16168IORIOW图图5-2独立编址方式独立编址方式图解图解v访访问问存存储储单单元元用用地地址址总总线线A19A0，全全译译码码后后得得到到00000HFFFFFH共共1MB地址空间地址空间.vI/O端端口口只只利利用用其其中中的的一一部部分分地地址址线线，即即A15A0地地址址 线线，可可 译译 出出 0000HFFFFH共共64KB个个I/O端端口口地址地址.v由由于于端端口口是是与与存存储储器器隔隔离离的的，所所以以用用户户可可扩扩展展存存储储器器到到最最大大容容量量，而而不不必必为为I/O端口留出地址空间端口留出地址空间.返返 回回5.2.3 I/O端口地址分配端口地址分配v表表5-1中中分分配配给给每每个个接接口口芯芯片片的的I/O端端口口地地址址，在在实实际际使使用用中中并并未全部用完。未全部用完。v中中断断控控制制器器8259A，只只使使用用了了前前面面2个个端端口口 地地 址址，20H、21H（主主片片）和和A0H，A1H（从片）。（从片）。v并并行行接接口口芯芯片片8255A，只只使使用用了了前前面面4个个端口地址端口地址60H63H。v使使用用端端口口地地址址最最多多的的DMA控控制制芯芯片片8237A，也也只只用用了了前前面面的的16个地址（个地址（0FH）。）。04004005FH05FH06006006FH06FH07007007FH07FH0F00F00FFH0FFH定时器定时器并行接口芯片（键盘接口）并行接口芯片（键盘接口）RT/CMOS RAMRT/CMOS RAM协处理器协处理器02002003FH03FH0A00A00BFH0BFH中断控制器中断控制器1 1中断控制器中断控制器2 200000001FH01FH0C00C00DFH0DFH08008009FH09FHDMADMA控制器控制器1 1DMADMA控制器控制器2 2DMADMA页面寄存器页面寄存器端口地址端口地址I/OI/O芯片名称芯片名称表表5-15-1系统板上接口芯片的端口地址系统板上接口芯片的端口地址 表表5-2扩展槽上接口控制卡的端口地址扩展槽上接口控制卡的端口地址I/O接口名称接口名称端口地址端口地址游戏控制卡游戏控制卡20020FH并行口控制卡并行口控制卡1 1并行口控制卡并行口控制卡2 237037FH27027FH串行口控制卡串行口控制卡1 1串行口控制卡串行口控制卡2 23F83FFH2F02FFH原型插件板原型插件板30031FH同步通信卡同步通信卡1 1同步通信卡同步通信卡2 23A03AFH38038FH单显单显MDAMDA彩显彩显CGACGA彩显彩显EGA/VGAEGA/VGA3B03BFH3D03DFH3C03CFH硬驱控制卡硬驱控制卡软驱控制卡软驱控制卡1F01FFH3F03F7HPCPC网卡网卡36036FHv从从表表5-2中中，可可以以看看到到允允许许用用户户使使用用的的端端口口地地址址是是300H31FH。这这一一段段地地址址 是是 留留 给给 用用 户户 在在 开开 发发IBM-PC系系列列机机功功能能模模块块（插插板板）时时使使用用的的端端口口地地址，系统是不会占用它的。址，系统是不会占用它的。v除除在在表表5-1和和表表5-2中中已已经经分分配配了了的的I/O地地址址之之外外，其其余余的的地地址址均均由由厂厂商商保保留留使用。使用。I/O端口地址选用的原则端口地址选用的原则v凡是被系统配置所占用了的地址一律不能使用凡是被系统配置所占用了的地址一律不能使用v原则上讲，未被占用的地址，用户可以选用，但原则上讲，未被占用的地址，用户可以选用，但对计算机厂家申明保留的地址，不要使用，否则对计算机厂家申明保留的地址，不要使用，否则会发生会发生I/O地址重叠和冲突，造成用户开发的产品地址重叠和冲突，造成用户开发的产品与系统不兼容而失去使用价值与系统不兼容而失去使用价值v一般，用户可使用一般，用户可使用30031FH地址地址返返 回回5.3 5.3 端口地址译码端口地址译码5.3.1 门电路译码5.3.2 译码器译码5.3.3 比较器译码返返 回回