微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù) 第6章 總線和接口

1、第六章 I/O接口與總線nI/O接口n總線nI/O接口是位于系統(tǒng)與外設(shè)間、用來協(xié)助接口是位于系統(tǒng)與外設(shè)間、用來協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的邏輯電路完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的邏輯電路nPC機(jī)系統(tǒng)板的可編程接口芯片、機(jī)系統(tǒng)板的可編程接口芯片、I/O總總線槽的電路板（適配器）都是接口電路線槽的電路板（適配器）都是接口電路什么是I/O接口？I/O設(shè)備與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換存在的問題n速度不匹配n信號(hào)電平不匹配n信號(hào)格式不匹配n時(shí)序不匹配I/O接口的功能n設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖器以解決兩者速度差異n設(shè)置信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路n設(shè)置信息轉(zhuǎn)換邏輯以匹配各自的格式n設(shè)置時(shí)序控制電路來同步CPU和外設(shè)的工作n提供地址譯碼電路簡(jiǎn)單的

2、輸入輸出接口芯片n最常用的簡(jiǎn)單輸入輸出接口芯片主要有緩沖器（Buffer）和鎖存器（Latch）。n緩沖器74LS244和74LS245n鎖存器74LS373雙向緩沖器74LS245n雙向8路數(shù)據(jù)緩沖器，控制信號(hào)為門控信號(hào)輸入端G，方向控制信號(hào)DIR。n只有當(dāng)G為低電平，緩沖器才工作nDIR=1，數(shù)據(jù)從A到BnDIR=0，數(shù)據(jù)從B到A鎖存器74LS373OEGDO低高高高低高低低低低鎖存高高阻I/O端口n外部設(shè)備與主機(jī)的通信是通過I/O接口進(jìn)行的n每個(gè)I/O接口包括一組寄存器，每個(gè)寄存器作為一個(gè)端口n每個(gè)寄存器給予一個(gè)端口地址，稱為端口號(hào)三種I/O端口的比較端口名稱主要作用傳送方向數(shù)據(jù)端口CP

3、U與外設(shè)交換信息的通道；起緩沖作用CPU外設(shè)CPU外設(shè)狀態(tài)端口存放外設(shè)的當(dāng)前狀態(tài)由CPU讀取，實(shí)現(xiàn)CPU與外設(shè)的握手CPU外設(shè)控制端口存放CPU向接口發(fā)出的各種命令，控制外設(shè)的動(dòng)作CPU外設(shè)I/O端口的尋址方式n存儲(chǔ)器映象尋址方式nI/O單獨(dú)編址方式存儲(chǔ)器映象尋址方式n特點(diǎn)：把系統(tǒng)中的每個(gè)I/O端口都看作一個(gè)存儲(chǔ)單元，并與存儲(chǔ)單元一起統(tǒng)一編址，這樣訪問存儲(chǔ)器的所有指令均可用來訪問I/O端口，不用設(shè)置專門的I/O指令n優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)化指令；能用類型多、功能強(qiáng)的訪問存儲(chǔ)器指令對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行操作；I/O地址空間大小可以靈活變化n缺點(diǎn)：I/O譯碼電路較復(fù)雜；輸入輸出操作較慢n典型CPU：MC6800、MC

4、68000和68HC05I/O單獨(dú)編址方式n特點(diǎn)：對(duì)系統(tǒng)中的輸入輸出端口地址單獨(dú)編址，構(gòu)成一個(gè)I/O空間，它們不占存儲(chǔ)空間，而是用專門的IN、OUT指令來訪問端口n優(yōu)點(diǎn)：程序可讀性強(qiáng)；執(zhí)行速度快；I/O譯碼電路簡(jiǎn)單n缺點(diǎn)：必須有專門的IN和OUT指令來訪問I/O端口；必須配有M/IO信號(hào)n典型CPU：8086系列、Z80CPU與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送方式n程序控制方式n中斷方式傳送nDMA方式程序控制方式nCPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送是在程序控制下完成的，分為；n無條件傳送方式（同步傳送方式）：在這種方式下，程序不必檢查外設(shè)的狀態(tài)，在需要進(jìn)行輸入或輸出操作時(shí)，直接執(zhí)行輸入輸出指令即可n條件傳送方式（查

5、詢傳送方式）：在傳送數(shù)據(jù)之前，CPU要先讀取外設(shè)的狀態(tài)中斷傳送方式n查詢方式傳送數(shù)據(jù)的致命缺點(diǎn)：CPU的利用率很低，不適合于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的場(chǎng)合n中斷傳送方式下，CPU處于被動(dòng)狀態(tài)，如果外設(shè)數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好，CPU做自己的事情，只有當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，CPU才會(huì)中斷當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)去處理數(shù)據(jù)處理的工作。大大提高了CPU的效率。DMA傳送方式nDMA方式的提出nDMA數(shù)據(jù)傳送方式概述DMA方式的提出n程序控制傳送方式以CPU為中心，數(shù)據(jù)傳送由CPU來控制n利用中斷方式雖然可以提高效率，但也必須由CPU控制；CPU在執(zhí)行中斷服務(wù)程序、保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)都會(huì)花費(fèi)不少時(shí)間n總體評(píng)價(jià)：慢！不能滿足高速數(shù)據(jù)傳送的要

6、求。n利用DMA可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳送！DMA數(shù)據(jù)傳送方式概述n高速數(shù)據(jù)傳送的需求nDMA方式特點(diǎn)nDMA方式傳送數(shù)據(jù)路徑nDMA方式的優(yōu)點(diǎn)nDMA方式不是萬能的nDMA的應(yīng)用場(chǎng)合高速數(shù)據(jù)傳送的需求n某些外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送非?？?！n例如：硬盤，其數(shù)據(jù)的最低傳送速率達(dá)5MB/S。用程序控制方法傳送數(shù)據(jù)的速率最高也只能達(dá)到530KB/S。因此完成硬盤與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送實(shí)際上是不可能的！n因此，在這種情況下，數(shù)據(jù)傳送采用DMA方式。DMA方式特點(diǎn)nDMA-Direct Memory Accessn在存儲(chǔ)器和外部設(shè)備之間，直接開辟高速的數(shù)據(jù)傳送通路。n數(shù)據(jù)的傳送過程不需要CPU介入，只用一個(gè)總線

7、周期，就能完成存儲(chǔ)器和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送。DMA方式傳送數(shù)據(jù)路徑CPU外設(shè)存儲(chǔ)器總線程序控制數(shù)據(jù)輸入/輸出DMA方式數(shù)據(jù)傳送DMA方式的優(yōu)點(diǎn)n由DMAC提供源地址和目的地址；修改地址、控制傳送操作的結(jié)束和發(fā)出傳送控制信號(hào)都由DMAC承擔(dān)。即DMA方式是一種由硬件代替軟件的方法，因而數(shù)據(jù)傳送的速度顯著提高了。nDMA方式大大縮短了數(shù)據(jù)傳送的響應(yīng)時(shí)間。DMA方式不是萬能的n在DMA方式傳送數(shù)據(jù)時(shí)，CPU把總線的控制權(quán)讓給DMAC，DMAC取代CPU控制總線，此時(shí)，CPU不能讀取指令；n當(dāng)DMAC控制總線時(shí)，CPU不能去檢測(cè)和響應(yīng)來自系統(tǒng)中其他設(shè)備的中斷請(qǐng)求；nDMA傳送也存在以下兩個(gè)額外開銷： 總

8、線訪問時(shí)間； DMAC的初始化，CPU要對(duì)DMAC寫入控制字； n總之，采用DMA方式，會(huì)增加硬件投資，提高系統(tǒng)的成本！DMA的應(yīng)用場(chǎng)合n硬盤和軟盤輸入/輸出n快速通信通道輸入/輸出n多處理機(jī)和多任務(wù)塊傳送n掃描操作：對(duì)CRT屏幕送數(shù)據(jù)，可采用DMA方式n高速數(shù)據(jù)采集n在PC機(jī)中，采用DMA進(jìn)行DRAM的刷新操作PC機(jī)中的I/O接口芯片n系統(tǒng)板上的I/O接口芯片n8259A中斷控制器(20H21H)n8237A DMA控制器(00H0FH)n8255并行接口芯片(60H63H)n8253計(jì)數(shù)器/定時(shí)器(40H43H)nI/O擴(kuò)展槽n磁盤控制器n顯示適配器n并行接口(378H37FH)n串行通信

9、口1，COM1(3F8H3FFH)n串行通信口2，COM2(2F8H2FFH)總線n總線概述nIBM PC 總線nISA總線nPCI總線總線概述n總線是什么n總線的分類n總線標(biāo)準(zhǔn)總線是什么n在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，用于各部件之間傳送信息的公共通道稱為總線總線的分類n按傳送信息的類型分：n地址總線n數(shù)據(jù)總線n控制總線n按總線的規(guī)模、用途和應(yīng)用場(chǎng)合分：n片級(jí)總線n系統(tǒng)總線n外部總線片級(jí)總線n也稱元件級(jí)總線，是由芯片內(nèi)部通過引腳引出的總線，用于芯片一級(jí)的互連線。n例如：nCPU與存儲(chǔ)器nI/O接口電路間的連線系統(tǒng)總線n也稱為內(nèi)總線或板級(jí)總線，用于微型計(jì)算機(jī)中各插件板之間的連線n例如：nIBM PC總線n

10、ISA總線nPCI總線外部總線n也稱為通信總線，用于微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間，或微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與其他電子儀器或設(shè)備之間的通信n例如：nEIA-RS232C，25根線，用于串行通信nIEEE-488，25根線，用于微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與計(jì)測(cè)儀器之間的連接總線標(biāo)準(zhǔn)n計(jì)算機(jī)界承認(rèn)或推薦的系統(tǒng)中互連各個(gè)模塊的標(biāo)準(zhǔn)，它通常對(duì)總線所用插座的尺寸、引線數(shù)目、各引線信號(hào)的含義和時(shí)序做了明確的統(tǒng)一規(guī)定n常用的標(biāo)準(zhǔn)外部總線：nEIA RS-232C總線nIEEE-488總線n常用的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線：nIBM PC機(jī)的62芯PC總線nISA 總線nPCI總線nAGP總線PCI總線概述n1992年Intel 在發(fā)布486處理器的時(shí)候，也同時(shí)提出了32-bit 的PCI（周邊組件互連）總線n特點(diǎn)：nPCI總線的地址總線與數(shù)據(jù)總線是分時(shí)復(fù)用的n即插即用（所謂即插即用，是指當(dāng)板卡插入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)板卡所需資源進(jìn)行分配，如基地址、中斷號(hào)等，并自動(dòng)尋找相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序）n中斷共享IBM PC總線n引線總數(shù)目：62根n引線信號(hào)分類：n地址總線（20根）n數(shù)據(jù)總線（8根）n控