微機原理與接口技術課件PPT

1、第第5章章 輸入輸出接口輸入輸出接口v5.1 微機接口及接口技術微機接口及接口技術v5.2 I/O端口及其編址方式端口及其編址方式v5.3 端口地址譯碼端口地址譯碼v5.4 CPU與外設之間的數(shù)據(jù)傳送方式與外設之間的數(shù)據(jù)傳送方式5.1 微機接口及接口技術微機接口及接口技術 5.1.1 為什么要設置接口電路為什么要設置接口電路 5.1.2 接口電路中的信息接口電路中的信息 5.1.3 接口的基本功能接口的基本功能 5.1.4 接口的基本結構接口的基本結構返返 回回數(shù)字化存儲數(shù)字化存儲示波器、數(shù)示波器、數(shù)字化萬用表字化萬用表終端、調制終端、調制解調器解調器 A/D轉換器轉換器 開關量輸入開關量輸入

2、 D/A轉換器轉換器 開關量輸出開關量輸出鍵盤、鼠標、數(shù)鍵盤、鼠標、數(shù)字化字化 儀、光筆、儀、光筆、圖形輸入儀麥克圖形輸入儀麥克風、掃描儀風、掃描儀 打印機打印機顯示器顯示器磁盤磁帶磁盤磁帶軟盤光盤軟盤光盤智能儀器接口智能儀器接口通信接口通信接口過程控制接口過程控制接口輸入接口輸入接口輸出接口輸出接口外存接口外存接口CPU內存內存 DB AB CB圖圖1-11-1微機系統(tǒng)各類接口框圖微機系統(tǒng)各類接口框圖 返返 回回5.1.1 5.1.1 為什么要設置接口電路為什么要設置接口電路CPUCPU與外設兩者的信號線不兼容，在信號線功能定義、邏與外設兩者的信號線不兼容，在信號線功能定義、邏輯定義和時序關

3、系上都不一致輯定義和時序關系上都不一致 兩者的工作速度不兼容，兩者的工作速度不兼容，CPUCPU速度高，外設速度低速度高，外設速度低 若不通過接口，而由若不通過接口，而由CPUCPU直接對外設的操作實施控制，就直接對外設的操作實施控制，就會使會使CPUCPU處于窮于應付與外設打交道之中，大大降低處于窮于應付與外設打交道之中，大大降低CPUCPU的的效率效率 若外部設備直接由若外部設備直接由CPUCPU控制，也會使外設的硬件結構依賴控制，也會使外設的硬件結構依賴于于CPUCPU，對外設本身的發(fā)展不利。，對外設本身的發(fā)展不利。 5.1.2 5.1.2 接口電路中的信息接口電路中的信息 v數(shù)據(jù)信息數(shù)

4、據(jù)信息v狀態(tài)信息狀態(tài)信息v控制信息控制信息習慣上把分別傳送這三種信息的端口稱為習慣上把分別傳送這三種信息的端口稱為 數(shù)據(jù)口、狀態(tài)口、控制口數(shù)據(jù)口、狀態(tài)口、控制口 1數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息v（1）數(shù)字量：數(shù)字量： 通常以通常以8位或位或16位的二進制數(shù)以及位的二進制數(shù)以及ASCII碼的形式傳碼的形式傳輸，主要指由鍵盤、磁盤、光盤等輸入的信息或主輸，主要指由鍵盤、磁盤、光盤等輸入的信息或主機送給打印機、顯示器、繪圖儀等的信息。機送給打印機、顯示器、繪圖儀等的信息。v（2）模擬量：模擬量： 模擬的電壓、電流或者非電量。對模擬量輸入而言，模擬的電壓、電流或者非電量。對模擬量輸入而言，需先經過傳感器轉換成電信

5、號，再經需先經過傳感器轉換成電信號，再經A/D轉換器變成轉換器變成數(shù)字量；如果需要輸出模擬控制量的話，就要進行數(shù)字量；如果需要輸出模擬控制量的話，就要進行上述過程的逆轉換。上述過程的逆轉換。v（3）開關量：開關量： 用用“0”和和“1”來表示兩種狀態(tài)，如開關的通來表示兩種狀態(tài)，如開關的通/斷、電斷、電機的轉機的轉/停、閥門的開停、閥門的開/關等。關等。2狀態(tài)信息狀態(tài)信息CPU在傳送數(shù)據(jù)信息之前，經常需要先了解外在傳送數(shù)據(jù)信息之前，經常需要先了解外設當前的狀態(tài)。如輸入設備的數(shù)據(jù)是否準備好設當前的狀態(tài)。如輸入設備的數(shù)據(jù)是否準備好、輸出設備是否忙等。、輸出設備是否忙等。v用于表征外設工作狀態(tài)的信息就

6、叫做狀態(tài)信息，用于表征外設工作狀態(tài)的信息就叫做狀態(tài)信息，它總是由外設通過接口輸入給它總是由外設通過接口輸入給CPU的。的。v狀態(tài)信息的長度不定，可以是狀態(tài)信息的長度不定，可以是1個二進制位或個二進制位或多個，含義也隨外設的具體情況不同而不同多個，含義也隨外設的具體情況不同而不同。3控制信息控制信息v用來發(fā)布控制命令、控制外設工作的用來發(fā)布控制命令、控制外設工作的信息，例如信息，例如A/D轉換器的啟停信號。轉換器的啟停信號。v控制信息總是控制信息總是CPU通過接口發(fā)出的通過接口發(fā)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 數(shù)據(jù)緩沖功能數(shù)據(jù)緩沖功能v2 2 端口選擇功能端口選

7、擇功能v3. 3. 信號轉換功能信號轉換功能v4 4 接收和執(zhí)行接收和執(zhí)行CPUCPU命令的功能命令的功能v5. 5. 中斷管理功能中斷管理功能 v6 6 可編程功能可編程功能v7. 7. 返回外設狀態(tài)的功能返回外設狀態(tài)的功能 v8. 8. 數(shù)據(jù)寬度與數(shù)據(jù)格式轉換的功能數(shù)據(jù)寬度與數(shù)據(jù)格式轉換的功能1. 1. 數(shù)據(jù)緩沖功能數(shù)據(jù)緩沖功能v接口電路中一般都設置有數(shù)據(jù)寄存器或鎖存器數(shù)據(jù)口，以解決高速的主機與低速的外設之間的速度匹配問題，避免因主機與外設的速度不匹配而丟失數(shù)據(jù)。2 2 端口選擇功能端口選擇功能v微機系統(tǒng)中常有多個外設，而CPU在任一時刻只能與一個端口交換信息，因此需要通過接口的地址譯碼電

8、路對端口進行尋址。3. 3. 信號轉換功能信號轉換功能v外設所提供的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信號可能與微機的總線信號不兼容，所以接口電路應進行相應的信號轉換。4 4 接收和執(zhí)行接收和執(zhí)行CPUCPU命令的功能命令的功能vCPU對外設的控制命令一般以代碼形式輸出到接口電路的控制端口，接口電路對命令代碼進行識別、分析，分解成若干控制信號，傳送到I/O設備，并產生相應的具體操作。5. 5. 中斷管理功能中斷管理功能v當外設需要及時得到CPU的服務，特別是出現(xiàn)故障需要CPU立即處理時，就要求接口中設置中斷控制器，以便于CPU處理有關中斷事務（如中斷請求、中斷優(yōu)先級排隊、提供中斷向量等）。6 6 可編程功能可編

9、程功能v由于I/O接口電路大多由可編程接口芯片組成，因此就有可能在不改變硬件電路的情況下，只要修改接口驅動程序就可以改變接口的工作方式，提高了接口的靈活性和可擴充性，使接口向智能化方向發(fā)展。7. 7. 返回外設狀態(tài)的功能返回外設狀態(tài)的功能v接口電路在執(zhí)行命令之前、執(zhí)行命令過程中和執(zhí)行命令之后，外部設備及接口電路都會有一些情況發(fā)生，包括正常工作狀態(tài)和故障狀態(tài)。v“忙”、“閑”、“準備就緒”、“未準備就緒”、“滿”、“空”、“溢出錯”、“格式錯”等v接口中一般都設置狀態(tài)寄存器，稱“狀態(tài)口”。狀態(tài)信號以狀態(tài)代碼形式存放在接口電路的狀態(tài)寄存器中。vCPU從狀態(tài)口讀取狀態(tài)信息，供CPU作出判斷與處理。8

10、. 8. 數(shù)據(jù)寬度與數(shù)據(jù)格式轉換的功能數(shù)據(jù)寬度與數(shù)據(jù)格式轉換的功能vCPU所處理的是并行數(shù)據(jù)，而有的外設只能處所處理的是并行數(shù)據(jù)，而有的外設只能處理串行數(shù)據(jù)，接口應具有數(shù)據(jù)理串行數(shù)據(jù)，接口應具有數(shù)據(jù)“并串并串”、 “串串并并”的轉換能力。的轉換能力。vCPU與有些外設交換數(shù)據(jù)時，要求按照一定的與有些外設交換數(shù)據(jù)時，要求按照一定的數(shù)據(jù)格式傳送，所以在數(shù)據(jù)格式傳送，所以在CPU與通信設備之間進與通信設備之間進行數(shù)據(jù)格式轉換。行數(shù)據(jù)格式轉換。返返 回回5.1.45.1.4接口的基本結構接口的基本結構v1端口v2地址譯碼電路v3數(shù)據(jù)緩沖器與鎖存器1端口端口vI/O接口通常設置有若干個寄存器，用來暫存C

11、PU和外設之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息。v一般有三類寄存器，分別是數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器、控制寄存器。v接口內的寄存器通常被稱為端口。根據(jù)寄存器內暫存信息的類型，分別稱為數(shù)據(jù)端口、控制端口和狀態(tài)端口。v每個端口有一個獨立的地址，CPU可以用端口地址代碼來區(qū)別各個不同的端口，并對它們分別進行讀/寫操作。2地址譯碼電路地址譯碼電路v 它由譯碼器或能實現(xiàn)譯碼功能的其它芯片它由譯碼器或能實現(xiàn)譯碼功能的其它芯片構成。構成。v它的作用是進行設備選擇，是接口中不可它的作用是進行設備選擇，是接口中不可缺少的部分。這部分電路不包含在集成接缺少的部分。這部分電路不包含在集成接口芯片中，要由用戶自行設計?？谛酒?/p>

12、，要由用戶自行設計。3數(shù)據(jù)緩沖器與鎖存器數(shù)據(jù)緩沖器與鎖存器v在微機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線上，連接著許多能夠向在微機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線上，連接著許多能夠向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)的設備，如內存儲器、外設的數(shù)據(jù)輸入端發(fā)送數(shù)據(jù)的設備，如內存儲器、外設的數(shù)據(jù)輸入端口等?？诘?。v為了不使系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的信號傳輸發(fā)生為了不使系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的信號傳輸發(fā)生“信息沖信息沖突突”，要求所有的這些連接到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的設備，要求所有的這些連接到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的設備具有三態(tài)輸出的功能。具有三態(tài)輸出的功能。v也就是說，在也就是說，在CPU選中該設備時，它能向系統(tǒng)數(shù)據(jù)選中該設備時，它能向系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線發(fā)送數(shù)據(jù)信號，而在其它時刻，它的輸出端必總線發(fā)送數(shù)據(jù)

13、信號，而在其它時刻，它的輸出端必須呈高阻狀態(tài)。為此，所有接口的輸入端口必須通須呈高阻狀態(tài)。為此，所有接口的輸入端口必須通過三態(tài)緩沖器與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。過三態(tài)緩沖器與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。返返 回回5.2 I/O5.2 I/O端口及其編址方式端口及其編址方式 5.2.1 I/0端口 5.2.2 I/O端口的編址方式 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 端口（端口（portport）是接口電路中能被）是接口電路中能被CPUCPU直接訪問的寄存器的直接訪問的寄存器的地址。地址。 v 計算機給接口電路中的每個寄存器分配一個端口，因計算機給接口電路中的每

14、個寄存器分配一個端口，因此此,CPU,CPU在訪問這些寄存器時，只需指明它們的端口，不需在訪問這些寄存器時，只需指明它們的端口，不需指出是什么寄存器。指出是什么寄存器。 v CPUCPU對數(shù)據(jù)端口進行一次讀或寫操作，也就是與該接口連對數(shù)據(jù)端口進行一次讀或寫操作，也就是與該接口連接的外設進行一次數(shù)據(jù)傳輸接的外設進行一次數(shù)據(jù)傳輸v CPUCPU對狀態(tài)端口進行一次讀操作，就可以獲得外設或接口對狀態(tài)端口進行一次讀操作，就可以獲得外設或接口自身的狀態(tài)代碼自身的狀態(tài)代碼v CPUCPU把若干位控制代碼寫入控制端口，則意味著對該接口把若干位控制代碼寫入控制端口，則意味著對該接口或外設發(fā)出一個控制命令，要求該

15、接口或外設按規(guī)定的要或外設發(fā)出一個控制命令，要求該接口或外設按規(guī)定的要求工作求工作返返 回回5.2.2 I/O端口的編址方式端口的編址方式v1 端口地址和存儲器地址統(tǒng)一編址，也稱存儲器端口地址和存儲器地址統(tǒng)一編址，也稱存儲器映射方式映射方式v2 I/O端口地址和存儲器地址分開獨立編址，也稱端口地址和存儲器地址分開獨立編址，也稱I/O映射方式映射方式 1 統(tǒng)一編址方式統(tǒng)一編址方式v從存儲器空間劃出一部分地址空間給從存儲器空間劃出一部分地址空間給I/O設備，把設備，把I/O接口中的端口當作存儲器單元一樣進行訪問，不設置接口中的端口當作存儲器單元一樣進行訪問，不設置專門的專門的I/O指令指令v優(yōu)點：

16、優(yōu)點：v訪問訪問I/O端口可實現(xiàn)輸入端口可實現(xiàn)輸入/輸出操作，還可以對端口內輸出操作，還可以對端口內容進行算術邏輯運算、移位等等；容進行算術邏輯運算、移位等等；v 能給端口有較大的編址空間，這對大型控制系統(tǒng)和能給端口有較大的編址空間，這對大型控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是很有意義的；數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是很有意義的；v 缺點：缺點：v 端口占用了存儲器的地址空間，使存儲器容量??；端口占用了存儲器的地址空間，使存儲器容量小；v 指令長度比專門指令長度比專門I/O指令要長，因而執(zhí)行速度較慢；指令要長，因而執(zhí)行速度較慢； 2 獨立編址方式獨立編址方式vI/O端口地址空間和存儲器地址空間是獨立的、分開端口地址空間和

17、存儲器地址空間是獨立的、分開的，即的，即I/O端口地址不占用存儲器地址空間。端口地址不占用存儲器地址空間。v優(yōu)點優(yōu)點vI/O端口地址不占用存儲器空間；端口地址不占用存儲器空間；v使用專門的使用專門的I/O指令對端口進行操作，指令對端口進行操作，I/O指令短、執(zhí)指令短、執(zhí)行速度快；行速度快；v并且由于專門并且由于專門I/O指令與存儲器訪問指令有明顯的區(qū)指令與存儲器訪問指令有明顯的區(qū)別，使程序中別，使程序中I/O操作和存儲器操作層次清晰，程序操作和存儲器操作層次清晰，程序的可讀性強。的可讀性強。v缺點缺點v這種編址方式中，微處理器對存儲器及這種編址方式中，微處理器對存儲器及I/O端口是采端口是采用

18、不同的控制線進行選擇的，因而接口電路比較復雜。用不同的控制線進行選擇的，因而接口電路比較復雜。MEMRMEMWCPU控制邏輯控制邏輯存儲器存儲器（1MB）I/O端口端口（64K個）個）R/W 控制控制20 AB 2016 DB 16168IORIOW圖圖5-2 獨立編址方式獨立編址方式 圖解圖解v 訪問存儲單元用地址總線訪問存儲單元用地址總線A19A0，全譯碼后得到，全譯碼后得到00000HFFFFFH共共1MB地址空間地址空間.v I/O端口只利用其中的一部端口只利用其中的一部分地址線，即分地址線，即A15A0地地址線，可譯出址線，可譯出0000HFFFFH共共64KB個個I/O端口端口地址

19、地址.v 由于端口是與存儲器隔離由于端口是與存儲器隔離的，所以用戶可擴展存儲的，所以用戶可擴展存儲器到最大容量，而不必為器到最大容量，而不必為I/O端口留出地址空間端口留出地址空間.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中分配給每個中分配給每個接口芯片的接口芯片的I/O端口端口地址，在實際使用中地址，在實際使用中并未全部用完。并未全部用完。v 中斷控制器中斷控制器8259A，只使用了前面只使用了前面2個端個端口地址，口地址，20H、21H（主片）和（主片）和A0H，A1H（從片）。（從片）。v 并行接口芯片并行接口芯片8255A，只使用了前面只使用了前面4個端個端口

20、地址口地址60H63H。v 使用端口地址最多的使用端口地址最多的DMA控制芯片控制芯片8237A，也只用了前面的也只用了前面的16個個地址（地址（0FH）。）。04004005FH05FH06006006FH06FH07007007FH07FH0F00F00FFH0FFH定時器定時器并行接口芯片（鍵盤接口）并行接口芯片（鍵盤接口）RT/CMOS RAMRT/CMOS RAM協(xié)處理器協(xié)處理器02002003FH03FH0A00A00BFH0BFH中斷控制器中斷控制器1 1中斷控制器中斷控制器2 200000001FH01FH0C00C00DFH0DFH08008009FH09FHDMADMA控制

21、器控制器1 1DMADMA控制器控制器2 2DMADMA頁面寄存器頁面寄存器端口地址端口地址I/OI/O芯片名稱芯片名稱表表5-15-1系統(tǒng)板上接口芯片的端口地址系統(tǒng)板上接口芯片的端口地址 表表5-2擴展槽上接口控制卡的端口地址擴展槽上接口控制卡的端口地址I/O接口名稱接口名稱端口地址端口地址游戲控制卡游戲控制卡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單顯單顯MDAMDA彩顯彩顯CGAC