《输入输出接口》PPT课件.ppt

5.1微机接口与接口技术,5.2I/O端口及其编址方式,5.3端口地址译码,5.4CPU与外设之间的数据传送方式,第5章输入输出接口,图1-1微型计算机结构框图,CPU（控制器和运算器）,DBABCB,图5-1微机系统各类接口框图,5.1.1为什么要设置接口电路？,CPU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两者的工作速度不兼容，CPU速度高，外设速度低若不通过接口，而由CPU直接对外设的操作实施控制，就会使CPU处于穷于应付与外设打交道之中，大大降低CPU的效率若外部设备直接由CPU控制，也会使外设的硬件结构依赖于CPU，对外设本身的发展不利。,接口是微处理器与外部设备连接的部件，是CPU与外部设备进行信息交换的中转站。接口技术就是采用硬件与软件相结合的方法，使微处理器与外部设备进行最佳的匹配，实现CPU与外部设备之间高效、可靠地信息交换的一门技术。,5.1.2接口电路中的信息,数据信息,状态信息,控制信息。,三种信息：,数据口,状态口,控制口,三种端口：,为什么不是地址信息？,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,5.1.2接口电路中的信息,一般是8位或16位，大致有下列几种形式：（1）数字量：通常以8位或16位的二进制数以及ASCII码的形式传输，主要指由键盘、磁盘、光盘等输入的信息或主机送给打印机、显示器、绘图仪等的信息。（2）模拟量：模拟的电压、电流或者非电量。对模拟量输入而言，需先经过传感器转换成电信号，再经A/D转换器变成数字量；如果需要输出模拟控制量的话，就要进行上述过程的逆转换。（3）开关量：用“0”和“1”来表示两种状态，如开关的通/断、电机的转/停、阀门的开/关等。,1数据信息,2状态信息CPU在传送数据信息之前，经常需要先了解外设当前的状态。如输入设备的数据是否准备好、输出设备是否忙等。用于表征外设工作状态的信息就叫做状态信息，它总是由外设通过接口输入给CPU的。状态信息的长度不定，可以是1个二进制位或多个，含义也随外设的具体情况不同而不同。3控制信息用来发布控制命令、控制外设工作的信息，例如A/D转换器的启停信号。控制信息总是CPU通过接口发出的。,5.1.3接口的基本功能1数据缓冲功能解决高速的主机与低速的外设之间的速度匹配问题。2端口选择功能通过接口的地址译码电路对端口进行寻址。只有被选中的端口才能与CPU交换信息。,信号转换包括CPU信号与外设信号间的逻辑关系、时序匹配和电平转换等。4接收和执行CPU命令的功能一般以代码形式输出到接口电路的控制端口，接口电路分析、识别命令代码，并最终产生具体的控制动作。,3.信号转换功能,不仅使微机系统具有处理突发事件的能力，而且可以使CPU与外设并行工作，提高CPU的利用率。6可编程功能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。,5.中断管理功能,7.返回外设状态的功能,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。,接口应具有数据“并串”、“串并”的转换能力。接口应具有数据格式转换能力。,8.数据宽度与数据格式转换的功能,1端口I/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。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。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。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。,5.1.4接口的基本结构,2地址译码电路作用是进行设备选择。这部分电路不包含在集成接口芯片中，要由用户自行设计。,3数据缓冲器与锁存器,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、外设的数据输入端口等。为了不使系统数据总线的信号传输发生“信息冲突”，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。也就是说，在CPU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。,返回,5.2I/O端口及其编址方式,5.2.1I/O端口端口（port）是接口电路中能被CPU直接访问的寄存器的地址。计算机给接口电路中的每个寄存器分配一个端口，因此,CPU在访问这些寄存器时，只需指明它们的端口，不需指出是什么寄存器。CPU对数据端口进行一次读或写操作，也就是与该接口连接的外设进行一次数据传输CPU对状态端口进行一次读操作，就可以获得外设或接口自身的状态代码CPU把若干位控制代码写入控制端口，则意味着对该接口或外设发出一个控制命令，要求该接口或外设按规定的要求工作,5.2.2I/O端口的编址方式CPU与内部存储器或I/O端口交换信息，是通过地址总线访问内存单元或I/O端口来实现的，如何实现对内存单元或I/O端口的访问取决于这些内存及端口地址的编址方式,1.统一编址方式优点：指令类型多、功能齐全端口有较大的编址空间。缺点：存储器容量减小指令长度比专门I/O指令要长，因而执行速度较慢。,2.独立编址方式这种编址方式是指I/O端口地址空间和存储器地址空间是独立的、分开的，即I/O端口地址不占用存储器地址空间。,I/O端口地址空间和存储器地址空间是独立的、分开的，即I/O端口地址不占用存储器地址空间。优点I/O端口地址不占用存储器空间；使用专门的I/O指令对端口进行操作，I/O指令短、执行速度快；并且由于专门I/O指令与存储器访问指令有明显的区别，使程序中I/O操作和存储器操作层次清晰，程序的可读性强。缺点这种编址方式中，微处理器对存储器及I/O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。,*5.2.3I/O端口地址分配,表5-1系统板上接口芯片的端口地址,表5-2扩展槽上接口控制卡的端口地址,5.3端口地址译码,5.3.1门电路译码这是最基本的也是最简单的地址译码方法，通常采用各种门电路，如与门、或门、非门等电路的组合实现。,门电路译码实例例5-1使用74LS20/30/32和74LS04设计I/O端口地址为3D8H的只读译码电路。,表5-3译码电路输入地址线的值,设计时首先分配好地址，然后写成二进制形式，再根据地址总线数分配各与非门输入管脚地址。门电路译码需要芯片种类较多，且译出的端口地址单一，接口中用到的端口地址不能更改。,设计：按照表5-3中地址线的值，采用门电路就可以设计出译码电路，如图5-3所示。,图5-3简单译码电路,同理可设计出能执行读/写操作的2E2H端口地址的译码电路,Y（读）Y（写）,5.3.2译码器译码若接口电路中需使用多个端口地址，则采用译码器译码比较方便。,表5-474LS138的真值表,*例5-2使用74LS138设计一个系统板上接口芯片的I/O端口地址译码电路，并且让每个接口芯片内部的端口数目为32个。,表5-5译码电路输入地址线的值,5.3.3比较器译码这种方法的基本思路，是将比较器的A(或B)输入端输入地址信号，B(或A)端接一组DIP(DualIn-linePackage)开关,5.4CPU与外设之间的数据传送方式,在微型计算机系统中，微机与外设之间的数据传送，实际上是CPU与I/OCPU与外设间的数据传送方式一般有三种方式：程序控制方式、中断方式和DMA方式。,5.4.1程序控制方式,程序控制方式是指CPU与外设间的数据传送是在程序的控制下完成的一种数据传送方式。1无条件传送方式无条件传送方式一般适合于数据传送不太频繁的情况，如对开关、数码显示器等一些简单外设的操作无条件，就是假设外设已处于就绪状态，数据传送时，程序就不必再去查询外设的状态，而直接执行I/O指令进行数据传输。,图5-7无条件传送方式的接口电路,=0，则是IO操作，对应指令？,当简单外设作为输入设备时，其输入数据的保持时间相对于CPU的处理时间要长得多，所以可直接使用三态缓冲器与系统数据总线相连。当简单外设作为输出设备时，由于外设的速度较慢，CPU送出的数据必须在接口中保持一段时间，以适应外设的动作，因此输出采用锁存器。,2查询传送方式,查询传送方式在传送数据前先查询外设的状态。当外设准备好时，CPU执行I/O指令传送数据；若未准备好时，则CPU等待。这要求CPU与外设间的接口电路需要两个端口：数据端口和状态端口。,查询传送流程,图5-8查询传送方式输入接口电路,准备好RDY,例5-3设接口电路中状态端口的地址为STATUS，数据端口的地址为DATA，则CPU读取输入设备的数据应执行下列程序段：POLL:INAL,STATUSTESTAL,80H;10000000JEPOLLINAL,DATA,只判D7,D7=0,表示未准备好,图5-9查询传送方式输出接口电路,“忙”BUSY,例5-4设接口电路中状态端口的地址为STATUS，数据端口的地址为DATA，则CPU将内存STORE单元的内容送至输出设备应执行下列程序段：POLL:INAL,STATUSTESTAL,80HJNEPOLLMOVAL,STOREOUTDATA，AL,=1,表示忙,5.4.2中断传送方式,中断传送是一种效率更高，且具实时性的数据传送方式。在中断方式下，外设掌握向CPU申请服务的主动权，当输入设备将数据准备好，或者输出设备已做好接收数据的准备时，向CPU发出中断请求信号，要求CPU为其服务。若此时中断允许触发器是开放的，则CPU暂停目前的工作，与外设进行一次数据传输，等I/O操作完成以后，CPU继续执行原来的程序。,中断传送流程,5.4.3直接存储器存取方式,采用直接存储器存取(DMA)方式，使数据的传送不经过CPU，由DMA控制器来实现内存与外设，或外设与外设之间的直接快速传送。,DMA方式实际上是把输入/输出过程中外设与内存交换数据的那部分操作与控制交给了DMA控制器，简化了CPU对输入/输出的控制。但这种方式要求设置DMA控制器，电路结构复杂，硬件开销大。,DMA传送流程,