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第五章输入输出接口 第一节概述第二节输入 输出接口的编址方法与常用芯片第三节CPU与外设之间传送信息方式 第一节概述 什么是I O接口 电路 I O接口是位于系统与外设之间 用来协助完成数据传送和控制任务的中间连接电路PC机系统板的可编程接口芯片 I O总线槽的电路板 适配器 都是接口电路 为什么需要I O接口 电路 微机的外部设备多种多样 各种外设工作原理 驱动方式 信息格式 以及工作速度方面彼此差别很大它们不能与CPU直接相连 必须经过中间电路再与系统相连 输入输出设备是构成微机系统的重要组成部分 而输入输出接口就是主机和外围设备之间的一种缓冲电路 一 外围设备及其信号1 外围设备各种外围设备的内部结构 工作原理 使用方法各不相同 按外设与CPU的传输方向来分可以分为 输入设备 输出设备和I O复合设备 2 外围设备的信号外围设备的信号归纳起来可以分为三种 数据信号 状态信号和控制信号 1 数据信号 数字量 模拟量 开关量 2 状态信号用来指示外设当前的工作状态 协调CPU与外设之间的操作 3 控制信号是CPU向外设发出的命令 用来控制外设的动作 3 外设的特点 种类和品种繁多 工作速度慢 信号类型和电平种类不同二 输入输出接口的功能1 地址译码和I O设备选择功能CPU要和某一特定的外设进行数据交换 就必须给外设的各个端口设定一个地址 2 输入与输出的功能接口电路能够根据送来的读 写信号决定当前进行的是输入操作还是输出操作 能从总线上接收来自CPU的数据和控制信息 还能接受外设的数据或状态信息以便CPU读取 3 信息格式转换功能CPU系统总线上一般传送的是8位 16位 32的并行数据 而外设使用的信息格式各不相同 因此接口要完成信息格式的转换 1 A D于D A转换2 开关量转换3 并行 串行转换4 信息电平转换功能进出CPU的信号是TTL电平 而外设的信号不一定是TTL电平 甚至有的外设的信息是模拟信号 为此需要能够进行电平转换的接口电路或者将TTL电平转换为模拟量信号 模拟量信号转换为TTL电平的接口电路 完成CPU和外设之间信息转换 5 实现CPU与外设的同步工作外设都有自己的定时和控制逻辑 与CPU的时序并不一致 必须通过接口电路来解决 6 解决CPU与外设之间速度不匹配问题CPU的速度很高 外设的速度低 且不同的外设速度差异很大 可以通过在接口中设置数据缓冲解决这个问题 对于输出接口 可把CPU的数据先送到锁存器中 等外设作好接收数据的准备工作再把数据取走 对于输入接口 可把数据先送到锁存器 再发联络信号通知CPU取走数据 当输入数据时 必须在锁存器和数据总线之间放一个缓冲器 只有CPU发出的选通命令到达时 指定的输入缓冲器被选通 外设送来的数据才允许送上数据总线 7 中断管理功能有些接口能够对中断进行管理和控制 具有发送中断请求信号和接收中断响应信号的功能 还有发送中断类型号的功能 高级的接口还具有优先级管理功能 8 可编程功能9 复位和错误检测功能 三 输入输出接口模型接口电路作为微机系统和外设之间的桥梁 实现外设与微机之间数据格式 速度 负载 电平等方面的匹配 并提供查询 中断等管理方式 1 总线连接方式 I O接口的结构特点 具有两个连接面 系统级接口通常与系统总线连通 设备级接口通常与I O连通 连接示意图如下 系统总线中I O接口经常连接的信号线有 1 数据线 用于传送数据 一般以字或字节为单位连接 2 设备选择线 用于传送设备地址 其位数与I O指令中的设备码位数有关 通常利用地址总线的一部分组成 3 命令线 传送CPU向I O设备发的控制命令 启动 清除 读 写等 通常由控制总线中相应的信号线承担 4 状态线 用来向CPU传送I O设备的状态 通常由控制总线中相应的信号线承担 2 I O接口的基本组成 第二节输入 输出接口的编址方法与常用芯片 一 输入输出接口的编址1 端口 接口内部通常设置有若干个寄存器 用来暂存CPU和外设传输的数据 状态和命令 这些寄存器被称为端口 如数据缓冲寄存器叫数据端口 状态寄存器叫状态端口 命令寄存器叫控制端口 等等 注意 I O接口和I O端口是两个不同的概念 一个接口中往往包含若干个端口 因此接口地址往往包含有若干个端口地址 2 I O端口的寻址方法CPU对外设的访问实质上是对I O接口电路中相应的端口进行访问 和存储器一样 由译码电路来形成I O接口的端口地址 I O端口的编址方式有两种 统一编址方式和独立编址方式 1 统一编址方式统一编址方式也称存储器映象寻址 就是把系统中的每一个端口都看作是一个存储单元 并与存储单元一起统一编址 这种方式的优点是 1 简化了指令系统的设计 在微处理器指令集中不用再设置专门的I O指令 2 访问I O设备的指令类型多 功能强 能用访问存储器指令对I O设备进行方便灵活的操作 3 I O地址空间可大可小 能根据实际系统上的外设数目来调整 主要缺点是I O端口占用了存储单元的地址空间 且I O译码电路变得复杂 2 独立编址方式独立编址方式是指对系统中的I O端口地址单独编址 并且使用专门的I O指令来访问I O端口 8086微处理器采用独立编址方式 使用IN和OUT指令访问I O端口 8086用地址总线的低16位来寻址I O端口 最多可访问65536个I O口 这种寻址方式的优点是 1 可读性好 输入输出指令与访存指令有明显的区别 2 I O指令长度短 执行速度快 占用内存空间少 3 I O地址译码电路比较简单 缺点是CPU指令系统中必须有专门输入输出指令 而且这些指令的功能没有访问存储器的指令强 二 常用芯片I O接口电路中经常要用到一些常用的芯片 如驱动器 锁存器和译码器等 1 单向缓冲器74LS244 用于数据总线和地址总线的缓冲驱动 244是一种8路单向数据缓冲器 常用来构成外设的输入数据端口 这时244的输入端A与外设数据线相连 输出端Y接CPU的数据总线 244的数据只能从A端传送到Y端 2 双向缓冲器74LS24574LS245是一种8路双向数据缓冲器 用于总线收发 缓冲驱动 3 锁存器74LS37374LS373是一种具有暂存数据能力的8位锁存器 用于锁存地址数据信息传输 4 译码器 n位输入 在2n位输出中只有对应于输入的一位才有有效输出 其典型应用如3 8译码器 74LS138即三八译码器 三个输入对应8个输出 当E1 E2 0 E3 1时 对三个输入A B C C为高位 进行译码 当CBA 000时 对应输出Y0 0 其它全为1 当CBA 001时 对应输出Y1 0 其它全为1 与 或 非门 最基本的门电路 将它们适当地连接 可得到任意复杂的逻辑功能 与非 或非 异或门与非门 是数字集成电路中构成其它器件的基础异或门 是构成运算器的关键 第三节CPU与外设之间传送信息方式 CPU与外设CPU与外设之间信息交换的基本输入输出方法有 程序控制I O方式 具体分为无条件传送方式与条件传送方式 中断控制方式 直接存储器存取 DMA 方式 一 程序控制I O方式1 无条件传送方式无条件传送方式主要适用于对简单外设进行I O操作 如一些开关量的输入 输出等 以及外设的定时是固定的或已知的应用场合 2 条件传送方式条件传送方式也称查询方式 当CPU在运行现行程序的过程中 如果需要访问I O 可直接在现行程序中加入一段由I O指令编制的程序来完成I O交换 交换完后 又继续执行现行程序 1 单个数据的交换过程 I O交换程序的核心部分主要由三步完成 启动外设 CPU通过I O指令访问外设的控制端口 发送相应的控制字 启动外设作交换数据的准备 测试 转移 CPU不断地对I O状态进行测试 每测一次 都有两种可能的结果 I O准备就绪 转3 I O未准备就绪 转2 继续测试 直到I O准备好为止 交换一个数据 字或字节 现行程序 特点 当I O未准备就绪时 CPU需反复查询I O状态而不能作其它事 因此称此阶段为 踏步等待 踏步等待的存在对CPU工作效率有显著的影响 2 成块数据交换过程 如果CPU需要用程序查询方式交换一批数据 只要在单个数据交换流程的基础上 增加交换个数控制步骤即可 3 程序轮询方式为了减少踏步等待时间的浪费 CPU可对多个I O设备轮流进行查询 称为程序轮询方式 这是程序查询方式的改进方案 程序轮询方式时 查询的先后顺序决定了I O设备的优先级别 即 优先级高的先查 优先级低的后查 如果查询的设备个数安排的不合适 可能有些设备总是不被查询 导致数据丢失 二 中断控制传送方式CPU和外设之间通过程序查询方式实现数据传送虽然解决了CPU与外设之间工作速度的协调问题 但仍有以下缺点 1 CPU的使用效率低CPU需要不断地查询外设接口中地状态 占用了CPU大量地工作时间 大大降低了CPU地工作效率 尤其是对一些低速外设来说 2 实时性差查询方式中CPU占主动地位 要不断地查询外设 当系统中外设较多时 这种方式就很难满足外设的实时性需要 为了提高CPU的实时性 充分发挥CPU的效率 可以采用中断方式进行I O接口的数据输入 输出处理 所谓中断是指某事件的发生引起CPU暂停当前程序运行 转入对所发生事件的程序处理 执行中断服务子程序 处理结束后又回到被打断的原程序断点处继续执行原程序的过程 因此 对于要求CPU有较高工作效率或者与CPU交换数据的外设有较高实时性的场合选择中断控制方式进行数据传送则更为适宜 三 直接存储器存取 DMA 方式直接存储器存取 DMA 方式是在高速外设和主存储器间自动成批传送信息而尽量减少CPU干预的输入 输出方式 DMA方式在I O与主存之间开辟了一条直接的数据通路 I O交换不需通过CPU进行 大大提高了交换速度 另外 交换操作不影响CPU现行程序的执行 CPU工作效率不会下降 DMA的特点及应用1 特点 靠硬件控制传送不用保护现场不具备处理故障的能力优先级高 响应速度快2 DMA应用场合 用于高速数据传送的场合硬盘及软盘的I O接口通信信道的I O接口多处理机和多任务系统CRT扫描