【精品】IO接口和总线精品ppt课件.ppt
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1、IO接口和总线接口电路:泛指任何两个系统之间的交接部分。在计算机系统里,接口电路:泛指任何两个系统之间的交接部分。在计算机系统里,接口指微机接口指微机(或或CPU)与外部设备之间的连接通道及有关与外部设备之间的连接通道及有关的控制电路。的控制电路。一面一面:微机微机(或或CPU)另一面另一面:外部设备外部设备InterfaceInterface接口技术:研究微机接口技术:研究微机(或或CPU)与外界进行最佳耦合、实现高效、与外界进行最佳耦合、实现高效、可靠信息交换的软、硬件技术技术。可靠信息交换的软、硬件技术技术。6-1 I/O6-1 I/O接口接口一一I/O 接口的功能接口的功能 I/O接口
2、(电路)是位于系统与外设间、用来协助完成数据传接口(电路)是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路送和控制任务的逻辑电路CPUCPU接口接口接口接口电路电路电路电路I/OI/O设备设备设备设备计算机与外设之间信息交换应解决的问题:计算机与外设之间信息交换应解决的问题:*速度不匹配速度不匹配*信号电平不匹配信号电平不匹配*信号格式不匹配信号格式不匹配*信号时序不匹配信号时序不匹配一一I/O 接口的功能接口的功能 对输入输出数据进行缓冲和锁存对输入输出数据进行缓冲和锁存 输入接口一般要有输入接口一般要有缓冲环节缓冲环节(如三态门如三态门),只有当,只有当CPU选通某选通某个输入
3、设备时才允许该设备选通,其它输入设备应与总线隔离。个输入设备时才允许该设备选通,其它输入设备应与总线隔离。输出接口一般要有输出接口一般要有锁存环节锁存环节(如锁存器如锁存器),使锁存器保持数据,使锁存器保持数据,以便使较慢的外设有足够的时间对数据进行处理。以便使较慢的外设有足够的时间对数据进行处理。对信号的形式和数据的格式进行变换对信号的形式和数据的格式进行变换 微机只能直接处理一定格式的数字量,与外设使用的信号微机只能直接处理一定格式的数字量,与外设使用的信号可能完全不同。例可能完全不同。例电平转换电平转换(TTL,MOS)、正负逻辑转换、串并、正负逻辑转换、串并转换、转换、A/D转换、转换
4、、D/A转换等转换等 对对I/O端口进行寻址端口进行寻址 一个微机系统中,通常会有多个外设,且每个外设可能会有一个微机系统中,通常会有多个外设,且每个外设可能会有多个多个I/O端口端口 与与CPU和和I/O设备进行联络设备进行联络 CPU与与I/O设备只有在双方都准备好的情况下才能可靠的进设备只有在双方都准备好的情况下才能可靠的进行数据传送。行数据传送。输入三态输入三态输出锁存输出锁存一一I/O接口的功能接口的功能各种接口功能的接口电路都已经做成集成电路芯片各种接口功能的接口电路都已经做成集成电路芯片 最简单的接口电路芯片有最简单的接口电路芯片有74LS244、74LS273等。等。目前常使用
5、可编程控制的接口电路芯片,部分芯片的复杂程度不目前常使用可编程控制的接口电路芯片,部分芯片的复杂程度不亚于亚于CPU。每种每种CPU都有与之配套的可编程控制的接口电路芯片。例并行接都有与之配套的可编程控制的接口电路芯片。例并行接口功能的接口芯片有:口功能的接口芯片有:8255(Intel系列系列)、6821(68000系列系列)、PIO(Z80系列系列)等等 本书以本书以Intel CPU的接口电路芯片系列为例进行研究,主要研究的接口电路芯片系列为例进行研究,主要研究的接口电路芯片有的接口电路芯片有8253(定时定时/计数接口功能计数接口功能)、8255(并行接口功能并行接口功能)、8250(
6、串行接口功能串行接口功能)、8237(DMA接口功能接口功能)、8259(中断接口中断接口功能功能)等。等。状态端口:状态信息反映了当前外设的工作状态,它是由外设状态端口:状态信息反映了当前外设的工作状态,它是由外设通过接口送入通过接口送入CPU。状态信息是输入信息。状态信息是输入信息。对于输入设备来说,通常用准备就绪对于输入设备来说,通常用准备就绪(Ready)信号来表示信号来表示待输入的数据是否准备就绪,如为准备就绪状态,则待输入的数据是否准备就绪,如为准备就绪状态,则CPU可以可以接收外设送来的数据信息,否则接收外设送来的数据信息,否则CPU等待。等待。对于输出设备来说,通常用用忙对于输
7、出设备来说,通常用用忙(Busy)信号来表示输出信号来表示输出设备是否处于空闲状态,如为空闲状态,则设备是否处于空闲状态,如为空闲状态,则CPU可以向外设发可以向外设发送数据信息,否则送数据信息,否则CPU等待。等待。控制端口:控制信息是控制端口:控制信息是CPU向接口发出的各种命令字或控制字,向接口发出的各种命令字或控制字,以便控制接口或外设的动作。以便控制接口或外设的动作。接口芯片的功能不同,命令字或控制字的内容也不同,接口芯片的功能不同,命令字或控制字的内容也不同,常见的命令字或控制字有工作方式选择控制字、操作命令字等。常见的命令字或控制字有工作方式选择控制字、操作命令字等。微机微机(或
8、或CPU)通过接口电路通过接口电路(芯片芯片)与外部设备交换信息。与外部设备交换信息。一个可编程的接口电路芯片通常含有多个寄存器一个可编程的接口电路芯片通常含有多个寄存器每个寄存器通常称之为一个端口每个寄存器通常称之为一个端口(port)。微机系统为每个端口都安排一个地址,以便能被微机系统访问微机系统为每个端口都安排一个地址,以便能被微机系统访问端口是接口电路的最基本的单元。端口是接口电路的最基本的单元。二、二、I/O 端口及寻址端口及寻址二、二、I/O 端口及寻址端口及寻址(一一)I/O端口的寻址端口的寻址存储器映像寻址方式;存储器映像寻址方式;I/O端口与存储器单端口与存储器单元在同一个地
9、址空间中元在同一个地址空间中进行统一编址。进行统一编址。独立编址。独立编址。I/O端口地址区域端口地址区域和存储器地址区域,分和存储器地址区域,分别各自独立编址。别各自独立编址。1.存储器映像寻址方式。存储器映像寻址方式。把每个把每个I/O端口都当作一个存储器单元看待,端口都当作一个存储器单元看待,I/O端口与存储端口与存储器单元在同一个地址空间中进行统一编址。或者说,在整个地址器单元在同一个地址空间中进行统一编址。或者说,在整个地址空间中划分出一小块连续的地址分配给空间中划分出一小块连续的地址分配给I/O端口。被分配给端口。被分配给I/O端端口的地址,存储器不能再使用。口的地址,存储器不能再
10、使用。采用这种编址方式的微处理器有采用这种编址方式的微处理器有6800、6502、68000等。等。优点:指令集中不含优点:指令集中不含I/O指令,简化指令系统的设计;访问存指令,简化指令系统的设计;访问存储器的指令种类多、寻址方式多,对访问外设带来了很大的灵活性。储器的指令种类多、寻址方式多,对访问外设带来了很大的灵活性。缺点:外设占用部分内存地址,减少了内存可用地址范围,缺点:外设占用部分内存地址,减少了内存可用地址范围,(二二)、I/O 端口的寻址端口的寻址2.I/O端口独立编址端口独立编址I/O端口独立编址端口独立编址(I/OMapped):也称为:也称为I/O隔离编址或隔离编址或I/
11、O指指令寻址方式,令寻址方式,I/O端口地址和存储器地址区域分别各自独立编址。端口地址和存储器地址区域分别各自独立编址。采用这种编址方式的微处理器有采用这种编址方式的微处理器有Z80、80X86等等例例:8088/8086CPU(20条地址线条地址线)-存储器最大可编址范围:存储器最大可编址范围:220=1MB(字节字节)IBMPC机的基本配置机的基本配置:64KBPC/XT机的基本配置机的基本配置:128KB-规定规定I/O端口的最大编址范围端口的最大编址范围(A0-A15):216=64KIBMPC机的编址范围机的编址范围限定为限定为:210=1024(二二)、I/O 端口的寻址端口的寻址
12、2.I/O端口独立编址端口独立编址I/O端口独立编址端口独立编址(I/OMapped):也称为:也称为I/O隔离编址或隔离编址或I/O指指令寻址方式,令寻址方式,I/O端口地址和存储器地址区域分别各自独立编址。端口地址和存储器地址区域分别各自独立编址。采用这种编址方式的微处理器有采用这种编址方式的微处理器有Z80、80X86等等优点:优点:I/O端口不占用存储器的地址空间;使用了专门的端口不占用存储器的地址空间;使用了专门的I/O指指令对端口访问,因而执行速度快、译码简单。令对端口访问,因而执行速度快、译码简单。缺点:专门的缺点:专门的I/O指令功能相对较弱,一般只有传送功能,而指令功能相对较
13、弱,一般只有传送功能,而没有运算功能。没有运算功能。(二二)、I/O 端口的寻址端口的寻址三、三、CPU与外设间的数据传送方式与外设间的数据传送方式(一一)简单的输入输出接口芯片简单的输入输出接口芯片简单的输入接口芯片简单的输入接口芯片74LS244、74LS245简单的输出接口芯片简单的输出接口芯片74LS273、74LS373 常用常用I/O芯片:缓冲器(芯片:缓冲器(Buffer)和锁存器(和锁存器(Latch)缓冲器:具有三态功能,一般无锁存功能,在外设和缓冲器:具有三态功能,一般无锁存功能,在外设和CPU之间起缓冲驱动和隔离作用。常用做输入接口芯片。之间起缓冲驱动和隔离作用。常用做输
14、入接口芯片。锁存器:具有还有数据锁存记忆功能以及缓冲功能。常用锁存器:具有还有数据锁存记忆功能以及缓冲功能。常用做输出接口芯片。做输出接口芯片。(一一)简单的输入输出接口芯片简单的输入输出接口芯片1.简单的输入接口芯片简单的输入接口芯片74LS244(8路单向数据缓冲器路单向数据缓冲器)第一组:四输入第一组:四输入 1A11A4;四输出;四输出1Y1 1Y4;允许端;允许端1G第二组:四输入第二组:四输入 2A12A4;四输出;四输出2Y1 2Y4;允许端;允许端2G(一一)简单的输入输出接口芯片简单的输入输出接口芯片2.简单的输入接口芯片简单的输入接口芯片74LS373:8D锁存锁存(缓冲缓
15、冲)器器具有三态输出的锁存器具有三态输出的锁存器8输入:输入:D1D88输出:输出:Q1Q8LE:锁存引脚,锁存引脚,电平触发电平触发OE:输出允许引脚:输出允许引脚2.简单的输入接口芯片简单的输入接口芯片74LS373:8D锁存锁存(缓冲缓冲)器器3.简单的输入接口芯片简单的输入接口芯片74LS273:8D锁存器锁存器具有三态输出的具有三态输出的8D锁存器锁存器8输入:输入:D1D88输出:输出:Q1Q8LE:锁存引脚,锁存引脚,电平触发电平触发OE:输出允许引脚:输出允许引脚8D锁存器锁存器8输入:输入:D1D88输出:输出:Q1Q8CLK:锁存引脚,:锁存引脚,上升沿触发上升沿触发CLR
16、:输出清零端:输出清零端三三、CPU与外设间的数据传送方式与外设间的数据传送方式(一一)简单的输入输出接口芯片简单的输入输出接口芯片(二二)CPU与外设间的数据传送方式与外设间的数据传送方式三三、CPU与外设间的数据传送方式与外设间的数据传送方式程序控制下的数据传送程序控制下的数据传送通过通过CPU执行程序中的执行程序中的I/O指令来完指令来完成传送,成传送,无条件传送无条件传送(同步传送同步传送)条件传送条件传送(查询传送查询传送)中断传送:实现主机和外设并行工作,提高效率中断传送:实现主机和外设并行工作,提高效率直接存储器存取(直接存储器存取(DMA)CPU停机停机把控制权交给把控制权交给
17、DMA控制器,由其控制控制器,由其控制DMA利用系统总线来完成外设和存储器间的利用系统总线来完成外设和存储器间的数据传送数据传送(一一)简单的输入输出接口芯片简单的输入输出接口芯片(二二)CPU与外设间的数据传送方式与外设间的数据传送方式1、无条件传送、无条件传送(同步传送同步传送)2、条件传送、条件传送(查询传送查询传送)3、中断传送、中断传送4、直接存储器存取(、直接存储器存取(DMA)三三、CPU与外设间的数据传送方式与外设间的数据传送方式(一一)简单的输入输出接口芯片简单的输入输出接口芯片(二二)CPU与外设间的数据传送方式与外设间的数据传送方式1、无条件传送、无条件传送u如果计算机能
18、够确信一个外设巳经准备就绪,就可以不查询外如果计算机能够确信一个外设巳经准备就绪,就可以不查询外设的状态而直接进行信息传输,这种方式即称为无条件传送方设的状态而直接进行信息传输,这种方式即称为无条件传送方式。无条件传送方式是最简单的输入式。无条件传送方式是最简单的输入/输出控制方法。输出控制方法。u选择输入接口电路的一般原则:选择输入接口电路的一般原则:输入三态输入三态(输入接口电路必须具有三态输出功能输入接口电路必须具有三态输出功能)输出锁存输出锁存(输出接口电路一般应具有输出锁存功能输出接口电路一般应具有输出锁存功能)u最简单的输入接口电路芯片最简单的输入接口电路芯片(8位位):74LS2
19、44最简单的输出接口电路芯片最简单的输出接口电路芯片(8位位):74LS2731、无条件传送无条件传送(同步传送同步传送)+5VA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9&M/IO&D0:D71Y0:Y7GA0:A774LS244A1A2:RD分析:分析:该接口电路的地址为该接口电路的地址为3F7H实现无条件输入的实例:实现无条件输入的实例:例,设计一个具有例,设计一个具有8个按键的输入接口电路,要求当开关个按键的输入接口电路,要求当开关K0接接下时,下时,CPU执行程序段执行程序段FUNC0;当开关;当开关K1接下时,接下时,CPU执执行程序段行程序段FUNC1;余类推;余类推1、无条件传送无
20、条件传送(同步传送同步传送)+5VA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9&M/IO&D0:D71Y0:Y7GA0:A774LS244A1A2:RD核心程序段:核心程序段:MOVDX,3F7HINAL,DXA1、无条件传送无条件传送(同步传送同步传送)+5VA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9&M/IO&D0:D71Y0:Y7GA0:A774LS244A1A2:RD核心程序段:核心程序段:MOVDX,3F7HINAL,DXAA“IN AL,DX”指令的时序分析指令的时序分析T1T2T3T4CLKM/IO0=IO1=MD15-D0DATA INRDA19-A0A19-A0+5VA0A1A2A
21、3A4A5A6A7A8A9&M/IO&D0:D71Y0:Y7GA0:A774LS244A1A2:RDA例,编程完成如下任务:当开关例,编程完成如下任务:当开关K0接下时,接下时,CPU执行程序段执行程序段FUNC0;当开关;当开关K1接下接下时,时,CPU执行程序段执行程序段FUNC1 。MOVDX,3F7HINAL,DXANDAL,01HJZFUNC0;假定程序段假定程序段FUNC0与本程序段在同一内存段中与本程序段在同一内存段中INAL,DXANDAL,02HJZFUNC1;假定程序段假定程序段FUNC1与本程序段在同一内存段中与本程序段在同一内存段中例,编程完成如下任务:当开关例,编程完
22、成如下任务:当开关K0接下时,接下时,CPU执行程序段执行程序段FUNC0;当开关;当开关K1接下时,接下时,CPU执行程序段执行程序段FUNC1 。1、无条件传送无条件传送(同步传送同步传送)实现无条件输入的实例:实现无条件输入的实例:1、无条件传送无条件传送(同步传送同步传送)实现无条件输入的实例实现无条件输入的实例实现无条件输出的实例实现无条件输出的实例L0L1L7D0:D7CPQ0Q1:1Q7174LS2731+5V:A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9&M/IO&D0:D71RDA核心程序段:核心程序段:MOVDX,3F7HOUTDX,ALT1T2T3T4CLKM/IO0=IO1
23、=MD15-D0DATA OUTWRA15-A0A15-A0“OUT DX,AL”指令的时序分析指令的时序分析AL0L1L7D0:D7CPQ0Q1:1Q7174LS2731+5V:A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9&M/IO&D0:D71RDA例例1,编写程序段,使,编写程序段,使L0、L7两两个个LED发亮,其它发亮,其它LED不亮:不亮:MOVDX,3F7HMOVAL,81HOUTDX,AL例例2,编写程序段仅使,编写程序段仅使L1发亮:发亮:MOVDX,3F7HMOVAL,02HOUTDX,AL 1、无条件传送、无条件传送2、条件传送、条件传送 (查询传送查询传送)条件传送方式又称
24、为程序查询方式。条件传送方式又称为程序查询方式。在采用有条件传送方式的接口电路中,除具有数据缓冲器或数在采用有条件传送方式的接口电路中,除具有数据缓冲器或数据锁存器外,还应具有状态寄存器,以给出外设当前的状态。据锁存器外,还应具有状态寄存器,以给出外设当前的状态。在接口电路中,状态寄存器也占用端口地址号。在接口电路中,状态寄存器也占用端口地址号。条件传送方式流程:条件传送方式流程:l首先读入设备状态标志信息;首先读入设备状态标志信息;l再根据所读入的状态信息进行判断;再根据所读入的状态信息进行判断;l若设备未准备就绪,则程序循环执行读设备状态信息;若设若设备未准备就绪,则程序循环执行读设备状态
25、信息;若设备准备好,则执行数据传送的备准备好,则执行数据传送的I/O指令,完成数据的传送。指令,完成数据的传送。1、无条件传送、无条件传送2、条件传送、条件传送 (查询传送查询传送)CPU需不断查询外设的状态,一旦外设满足数据传送的条件,需不断查询外设的状态,一旦外设满足数据传送的条件,就执行就执行IN或或OUT指令,读入或输出数据。指令,读入或输出数据。输入外设状态输入外设状态信号信号ReadyReady=1输入数据输入数据N查询输入查询输入Y输入外设状态输入外设状态信号信号BusyBusy=1输出数据输出数据N查询输出查询输出Y1、无条件传送、无条件传送2、条件传送、条件传送 (查询传送查
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