安大模板--第2章-計(jì)控 - 第一二次課

1、微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)張媛媛張媛媛第二章第二章 輸入輸出接口技術(shù)輸入輸出接口技術(shù) 和輸入輸出通道和輸入輸出通道第2頁(yè) 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 第二節(jié)第二節(jié) I/O控制方式控制方式 第三節(jié)第三節(jié) I/O接口設(shè)計(jì)接口設(shè)計(jì) 第四節(jié)第四節(jié) I/O通道通道 第五節(jié)第五節(jié) D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 第六節(jié)第六節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 第七節(jié)第七節(jié) I/O通道的抗干擾措施通道的抗干擾措施 第3頁(yè) 由于由于存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的功能單一、品種有限（的功能單一、品種有限（ROM、RAM）、速度和）、速度和CPU速度匹配，故可以直接掛在速度匹配，故可以直接掛在CPU總線上。總線上。 而計(jì)算機(jī)的兩類(lèi)外圍設(shè)備：而計(jì)算機(jī)

2、的兩類(lèi)外圍設(shè)備：（1 1）鍵盤(pán)、）鍵盤(pán)、CRTCRT、打印機(jī)等；、打印機(jī)等；（2 2）被控設(shè)備、儀表、顯示裝置、操作臺(tái)等。）被控設(shè)備、儀表、顯示裝置、操作臺(tái)等。兩類(lèi)外設(shè)都必須通過(guò)兩類(lèi)外設(shè)都必須通過(guò)輸入輸出輸入輸出(I/O)接口電路接口電路和輸入輸出和輸入輸出(I/O)通道通道與與CPU的總線相連。的總線相連。第4頁(yè)圖圖1-1 主機(jī)的外設(shè)插口主機(jī)的外設(shè)插口數(shù)據(jù)類(lèi)型；數(shù)據(jù)類(lèi)型；數(shù)據(jù)傳輸方向；數(shù)據(jù)傳輸方向；速度；速度；第5頁(yè)種類(lèi)繁多。機(jī)械式、機(jī)電式、電子式。種類(lèi)繁多。機(jī)械式、機(jī)電式、電子式。輸入或輸出類(lèi)型。輸入或輸出類(lèi)型。速度多樣。有的比速度多樣。有的比CPU速度快，有的比速度快，有的比CPU速度慢

3、。速度慢。信息類(lèi)型多樣。數(shù)字量、模擬量。信息類(lèi)型多樣。數(shù)字量、模擬量。傳送方式多樣。并行方式、串行方式。傳送方式多樣。并行方式、串行方式。第6頁(yè)I/O接口電路是主機(jī)和外圍設(shè)備之間交換信息的電路。它在主機(jī)和外設(shè)之間架起了橋梁和紐帶。1.速度不匹配:外設(shè)的工作速度一般要比CPU慢許多。主機(jī)的一個(gè)最基本總線周期是400納秒。而一般的外設(shè)，如打印機(jī)是毫秒級(jí)。而且外設(shè)的速度差異也很大。通過(guò)接口電路（通常含有數(shù)據(jù)鎖存器、緩沖器、狀態(tài)寄存器、中斷控制電路），CPU采用查詢或中斷控制方式為慢速的外設(shè)提供服務(wù)，提高了CPU的利用率。2.數(shù)據(jù)格式不匹配:CPU只能讀入和輸出并行(8位/16位)數(shù)據(jù)。外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)

4、許多是串行(成本低)的。需要由接口芯片完成格式匹配工作。第7頁(yè)3.時(shí)序不匹配:各個(gè)I/O設(shè)備都有自己的定時(shí)控制電路，以自己的速度傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)法與CPU的時(shí)序取得統(tǒng)一。4.解決總線負(fù)載能力和外圍設(shè)備端口選址問(wèn)題:CPU總線的負(fù)載能力有限，采用接口電路分擔(dān)CPU總線的負(fù)載。CPU和外設(shè)之間是通過(guò)雙向數(shù)據(jù)總線交換信息，如果外設(shè)數(shù)據(jù)線直接掛在CPU上，則無(wú)法區(qū)分不同數(shù)據(jù)的來(lái)源和去向。通過(guò)具有三態(tài)門(mén)的輸出鎖存器或輸入緩沖器，控制使能信號(hào)，決定CPU某一時(shí)刻選通某個(gè)外設(shè)。第8頁(yè) 定義：它是計(jì)算機(jī)和之間信息傳送和變換的連接通道。功能：它將從被控對(duì)象采集的參數(shù)（模擬量）變換成計(jì)算機(jī)所要求的數(shù)字量（或開(kāi)關(guān)量）形

5、式送入計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后， I/O通道再將結(jié)果以數(shù)字量（開(kāi)關(guān)量）形式或轉(zhuǎn)換為模擬量形式輸出到被控對(duì)象。簡(jiǎn)言之，就是數(shù)模轉(zhuǎn)換。在實(shí)際應(yīng)用中，通常把I/O接口和I/O通道都做在一塊集成電路上。例如A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片。本章主要解決微機(jī)與外部（外設(shè)，被控對(duì)象等）的連接問(wèn)題。第9頁(yè)數(shù)據(jù)信息：包括數(shù)字量、模擬量、開(kāi)關(guān)量、脈沖量。狀態(tài)信息控制信息第10頁(yè)（一）數(shù)據(jù)信息：是主機(jī)和外圍設(shè)備交換的基本信息，通常是8、16位數(shù)據(jù)，并行或串行的形式傳送。1.數(shù)字量：由鍵盤(pán)等設(shè)備輸入，或者計(jì)算機(jī)輸出給外設(shè)的信息，是二進(jìn)制碼的數(shù)據(jù)或ASCII碼表示的數(shù)據(jù)字符等。2.模擬量：來(lái)自工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種參數(shù)，一般

6、要經(jīng)過(guò)傳感器采集變?yōu)殡娦盘?hào)，要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量后才能輸入計(jì)算機(jī)處理。3.開(kāi)關(guān)量：只表示兩個(gè)狀態(tài)的量（開(kāi)關(guān)的閉，合；電機(jī)的啟動(dòng)，停止），只用一位二進(jìn)制代碼表示即可。4.脈沖量：是一個(gè)一個(gè)傳送的脈沖序列。脈沖的頻率和個(gè)數(shù)可以表示某種物理量。例如檢測(cè)電機(jī)軸上的脈沖信號(hào)發(fā)生器，可以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速和角位移的信息。第11頁(yè) （二）狀態(tài)信息狀態(tài)信息：又稱為應(yīng)答信息和握手信：又稱為應(yīng)答信息和握手信息。息。外設(shè)通過(guò)接口向CPU提供的反映外圍設(shè)備工作狀態(tài)的信息。用作二者的聯(lián)絡(luò)信號(hào)，如Ready信號(hào)和Busy信號(hào)）。 （三）控制信息控制信息：是CPU通過(guò)接口傳送給外設(shè)的，它用來(lái)控制外設(shè)的操作，隨著外設(shè)的不同控

7、制信號(hào)也不同。有的控制數(shù)據(jù)的流向（輸入或輸出），有的控制數(shù)據(jù)的格式（并行或串行），有的用于端口尋址等。第12頁(yè) 三種不同的信息都是通過(guò)三種不同的信息都是通過(guò)CPU的數(shù)據(jù)總線傳送的。的數(shù)據(jù)總線傳送的。為了便于區(qū)分，各種信息存放在不同的端口中（可為了便于區(qū)分，各種信息存放在不同的端口中（可由由CPU讀寫(xiě)的寄存器），由此形成了數(shù)據(jù)口、狀態(tài)讀寫(xiě)的寄存器），由此形成了數(shù)據(jù)口、狀態(tài)口、控制口。由于狀態(tài)信息一般只需口、控制口。由于狀態(tài)信息一般只需12位二進(jìn)制位二進(jìn)制代碼即可，所以多個(gè)外設(shè)可以共享一個(gè)狀態(tài)口。代碼即可，所以多個(gè)外設(shè)可以共享一個(gè)狀態(tài)口。圖圖1-2 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線第13頁(yè)第14頁(yè)（一）并行通信第

8、15頁(yè)第16頁(yè)第17頁(yè) 串行通信是數(shù)據(jù)按位傳送。每一位數(shù)據(jù)占據(jù)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。 （好比按縱隊(duì)跑步，有先有后，占用時(shí)間順序不同，占用的路面窄，修路成本低，效率慢。） 基本概念：數(shù)據(jù)傳輸率；時(shí)鐘；通信協(xié)議 串行通信的分類(lèi)： 從數(shù)據(jù)傳輸方向傳輸方向分為：全雙工，半雙工。 從數(shù)據(jù)格式格式分為：同步通信和異步通信。第18頁(yè) 數(shù)據(jù)傳輸率是指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?，可用比特率和波特率?lái)表示。 比特率：比特率是指每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)，用bps （bit/s)表示。 波特率，波特率是指每秒傳輸?shù)姆?hào)數(shù)，若每個(gè)符號(hào)所含的信息量為1比特，則波特率等于比特率。 例如:電傳打字機(jī)最快傳輸率為每秒10個(gè)字符/秒，每個(gè)字符

9、包含11個(gè)二進(jìn)制位,則數(shù)據(jù)傳輸率為:11位/字符10個(gè)字符/秒=110位/秒=110波特（Baud）計(jì)算機(jī)中常用的波特率是：110、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、28800、33600，目前最高可達(dá)56Kbps. 位時(shí)間Td 位時(shí)間是指?jìng)魉鸵粋€(gè)二進(jìn)制位所需時(shí)間，用Td 表示。Td = 1/波特率 = 1/B 第19頁(yè) 在串行通信中，傳輸?shù)拿恳晃坏某掷m(xù)時(shí)間是在串行通信中，傳輸?shù)拿恳晃坏某掷m(xù)時(shí)間是固定的，由發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘的頻率決定。固定的，由發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘的頻率決定。 波特率因子波特率因子：F=n*B；F是時(shí)鐘頻率，是時(shí)鐘頻率，B是波是波特率，特率，n

10、是波特率因子是波特率因子(可以設(shè)定可以設(shè)定)，例如，例如n=1,16,64。同步通信中，。同步通信中，n=1。 第20頁(yè) 1.全雙工方式：串行接口和外設(shè)間有兩條數(shù)據(jù)傳輸線，串口可以同時(shí)輸入輸出數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)可以同時(shí)發(fā)送接收數(shù)據(jù)，效率比較高。圖圖1-4 全雙工方式全雙工方式第21頁(yè) 2.半雙工方式：串口和外設(shè)間只有一根數(shù)據(jù)線，某一時(shí)刻數(shù)據(jù)只能沿著一個(gè)方向傳送，要么輸入/要么輸出。效率比較低。 打印機(jī)是半雙工方式。圖圖1-5 半雙工方式半雙工方式第22頁(yè) 3.同步通信：在約定的通信速度下，發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘信號(hào)頻率始終保持一致， 將許多字符組成一組，稱為信息幀(可能包含幾十甚至上千字符) 。在每幀

11、信息的開(kāi)始加上一個(gè)同步字符，表示下面要開(kāi)始信息發(fā)送了；然后再一個(gè)一個(gè)發(fā)送該幀的數(shù)據(jù)位(每一位具有固定的時(shí)間間隔)。接收端在收到對(duì)方發(fā)來(lái)的同步字符時(shí)(同步字符是預(yù)先約定的)，就開(kāi)始按約定的傳輸速率接受對(duì)方發(fā)來(lái)的信息。若無(wú)數(shù)據(jù)傳輸，要發(fā)送“空閑”字符。 優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)異步通信，同步通信的速度較快。 缺點(diǎn)：為保持精確的同步時(shí)鐘，成本較高。第23頁(yè)異步通信：通信中兩個(gè)字符之間的時(shí)間間隔是不固定的，一個(gè)字符中各位的時(shí)間間隔是固定的。異步通信格式為：起始位、數(shù)據(jù)位(58位)、奇偶校驗(yàn)位、停止位(高電平)組成。起始位和停止位之間的一串?dāng)?shù)據(jù)稱為幀。異步通信的幀，只包含一個(gè)字符。第24頁(yè) 傳輸從字符的低位向高位進(jìn)行

12、。 當(dāng)要開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)了，輸出線由“1”跳變?yōu)椤?”，叫做起始位，表示數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始。 在起始位后可以傳遞58位的有效數(shù)據(jù)位，結(jié)束后加上電平為“1”的停止位。表示信息傳輸結(jié)束，停止位可以由1位，1.5位或2位數(shù)據(jù)位組成。第25頁(yè) 每接收一個(gè)字符，發(fā)送方和接收方要重新同步一串。 優(yōu)點(diǎn)：硬件成本低。 缺點(diǎn)：傳輸效率較低，因?yàn)楦郊有畔⑽欢唷D圖1-6 標(biāo)準(zhǔn)的異步通信數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)的異步通信數(shù)據(jù)格式第26頁(yè) RS232;RS422;RS485; USB; IEEE1394第27頁(yè) 請(qǐng)思考。請(qǐng)思考。 課堂提問(wèn)。課堂提問(wèn)。第28頁(yè) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中連接了大量的外圍設(shè)備，各個(gè)外設(shè)的工作速度差別極大。為了協(xié)調(diào)外圍設(shè)

13、備的工作，CPU必須對(duì)它們采用分時(shí)控制，每個(gè)外設(shè)只在規(guī)定的時(shí)間片斷內(nèi)得到服務(wù)。 為使外設(shè)在CPU控制下協(xié)調(diào)高效的工作，就要規(guī)定一個(gè)CPU控制各外設(shè)的控制策略，即控制方式。 常用的控制方式： 一、程序控制方式(無(wú)條件、查詢式) 二、中斷控制方式 二、直接存儲(chǔ)器存取方式第29頁(yè) 以CPU為中心，CPU通過(guò)程序控制數(shù)據(jù)傳送，即通過(guò)傳送指令和I/O指令實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。 特點(diǎn)：速度較低，傳送路徑要經(jīng)過(guò)CPU內(nèi)部寄存器。第30頁(yè) （一）無(wú)條件I/O方式（同步傳送方式）：不必查詢外設(shè)的狀態(tài)直接進(jìn)行信息傳送。 適用范圍：適用于簡(jiǎn)單外設(shè)，或者外設(shè)的工作時(shí)間已知。所需軟硬件配置較少。 要求外設(shè)始終處于就緒狀態(tài)

14、，如開(kāi)關(guān)和LED數(shù)碼管。 缺點(diǎn)：一旦已知信息有誤，可能就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗，數(shù)據(jù)丟失。第31頁(yè)圖圖2-1 無(wú)條件無(wú)條件I/O方式的接口電路原理圖方式的接口電路原理圖或門(mén)第32頁(yè) 除數(shù)據(jù)端口之外，還有狀態(tài)端口。 要首先通過(guò)狀態(tài)口的“0”和“1”來(lái)表示外設(shè)是否就緒。 CPU通過(guò)執(zhí)行輸入指令從狀態(tài)口讀取當(dāng)前狀態(tài)信息，當(dāng)外設(shè)為“就緒”或者“空閑”狀態(tài)時(shí)，CPU才執(zhí)行“輸入”或“輸出”指令。否則，CPU將繼續(xù)不斷測(cè)試狀態(tài)信息，只到外設(shè)就緒為止。 當(dāng)有多個(gè)外設(shè)時(shí)，CPU逐個(gè)查詢各外設(shè)的狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)位為“1”時(shí)，表示外設(shè)準(zhǔn)備好或空閑，請(qǐng)求CPU輸入或輸出數(shù)據(jù)，則CPU將為其服務(wù)（傳送數(shù)據(jù)），完成后將清除該設(shè)

15、備的狀態(tài)位。再繼續(xù)查詢下一個(gè)外設(shè)。當(dāng)所有外設(shè)的狀態(tài)都查詢完畢則回到第一個(gè)外設(shè)開(kāi)始新一輪的查詢，服務(wù)。第33頁(yè)端口譯碼11_IO_WR_RD327441LS327441LS輸入緩沖器輸出鎖存器數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線M/1三態(tài)緩沖器數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出外設(shè)狀態(tài)外設(shè)狀態(tài)CPU不斷讀入并測(cè)試狀態(tài)口的狀態(tài)，只有當(dāng)狀態(tài)口的信號(hào)為“1”時(shí)，CPU才發(fā)出輸入輸出指令，此時(shí)_IOM/才為低電平，譯碼器才開(kāi)始工作。地址總線圖圖2-2 查詢式查詢式I/O方式的接口電路原理圖方式的接口電路原理圖需讀狀態(tài)信息第34頁(yè) MOV FLAG ,0 設(shè)置標(biāo)志為設(shè)置標(biāo)志為0DVC1: IN AL , STAT 讀入外圍設(shè)備

16、狀態(tài)讀入外圍設(shè)備狀態(tài) TEST AL, 01H 測(cè)試外圍三個(gè)設(shè)備的測(cè)試外圍三個(gè)設(shè)備的狀態(tài)（是否請(qǐng)求服務(wù)）狀態(tài)（是否請(qǐng)求服務(wù)） JZ DVC2 CALL CCS1 （外設(shè)（外設(shè)1的的I/O處理）處理） DVC2: IN AL , STAT TEST AL, 02H JZ DVC3 CALL CCS2DVC3: IN AL , STAT TEST AL, 04H JZ DDS CALL CCS3DDS: CMP FLAG,1 JNZ DVC1指令指令TEST是將兩個(gè)操作數(shù)作是將兩個(gè)操作數(shù)作“按位與按位與”，影響標(biāo)志位，影響標(biāo)志位圖圖2-3 查詢式查詢式I/O方式的軟件流程方式的軟件流程第35頁(yè) 優(yōu)

17、點(diǎn)：1、比無(wú)條件I/O方式可靠。 2、接口電路簡(jiǎn)單，不占用中斷輸入線，程序簡(jiǎn)單，易于調(diào)試。 3、外設(shè)的工作通過(guò)CPU執(zhí)行程序完成，故外設(shè)與程序的執(zhí)行保持同步，特別適用于多個(gè)按一定規(guī)律工作的生產(chǎn)過(guò)程的控制。 缺點(diǎn)：1.CPU要不斷讀取并測(cè)試狀態(tài)，不管設(shè)備是否提出了請(qǐng)求都會(huì)對(duì)他的狀態(tài)位進(jìn)行測(cè)試，占用時(shí)間，效率低。 2.當(dāng)CPU與一個(gè)外設(shè)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，其他設(shè)備只能等待。 3.只能處理預(yù)先設(shè)定的操作，無(wú)法發(fā)現(xiàn)和處理突然出現(xiàn)和預(yù)先無(wú)法估計(jì)的特殊情況。 適用范圍：適用于實(shí)時(shí)性要求不高，外設(shè)不太多，CPU不太忙的場(chǎng)合。第36頁(yè) 外設(shè)的服務(wù)時(shí)間指執(zhí)行某外設(shè)服務(wù)子程序所需的時(shí)間。設(shè)備最短響應(yīng)時(shí)間指某臺(tái)設(shè)備相鄰兩次

18、請(qǐng)求服務(wù)的最短時(shí)間間隔。CPU必須在最短響應(yīng)時(shí)間內(nèi)為該設(shè)備服務(wù)，否則可能造成控制失誤。 因?yàn)橛?jì)控系統(tǒng)必須滿足實(shí)時(shí)性的要求，則為查詢式I/O方式提出了一個(gè) 最短響應(yīng)時(shí)間：某臺(tái)設(shè)備相鄰兩次請(qǐng)求服務(wù)的最短時(shí)間間隔。 查詢式I/O方式適用于各外設(shè)的服務(wù)時(shí)間不長(zhǎng)，最短響應(yīng)時(shí)間區(qū)別不大的情況。第37頁(yè) 為了更好地滿足實(shí)時(shí)性的要求，通常采用中斷控制I/O方式。當(dāng)外設(shè)提出中斷請(qǐng)求時(shí)，CPU才響應(yīng)。停止當(dāng)前的工作，去執(zhí)行外圍設(shè)備的中斷服務(wù)程序，當(dāng)它執(zhí)行完后回到剛才的執(zhí)行點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行先前未完成的程序。沒(méi)有中斷請(qǐng)求時(shí)，CPU運(yùn)行主程序。 計(jì)控系統(tǒng)一般采用外部中斷方式。即通過(guò)I/O接口硬件向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)。 8

19、086有兩個(gè)中斷引腳：NMI和INTR。NMI是非屏蔽中斷，不受中斷允許標(biāo)志IF控制的，只要收到信號(hào)立即響應(yīng)中斷服務(wù)程序。一般用來(lái)處理設(shè)備的中斷故障。INTR為可屏蔽中斷，只有當(dāng)中斷允許標(biāo)志位IF1時(shí)才響應(yīng)中斷服務(wù)程序。第38頁(yè)第39頁(yè) （1）保存現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。記錄一些現(xiàn)場(chǎng)的地址，數(shù)據(jù)信息，保存通用寄存器的內(nèi)容。PUSH,POP （2）正確判斷中斷源。必須正確判斷是哪個(gè)外設(shè)提出的中斷請(qǐng)求，并找到該設(shè)備的中斷服務(wù)程序的入口地址。往往借助中斷管理器8259A芯片。 （3）實(shí)時(shí)響應(yīng)。保證每個(gè)外設(shè)的每次中斷能夠在其最短響應(yīng)時(shí)間內(nèi)得到響應(yīng)，并給予服務(wù)。 （4）按優(yōu)先順序處理。應(yīng)該對(duì)不同的設(shè)備根據(jù)要求服

20、務(wù)的輕重緩急來(lái)設(shè)定他們中斷的優(yōu)先級(jí)別，從而實(shí)現(xiàn)中斷嵌套，先執(zhí)行級(jí)別高的中斷服務(wù)程序。第40頁(yè)三種方式處理中斷優(yōu)先級(jí)：1、軟件查詢方式；2、雛菊鏈法；3、專(zhuān)用硬件方式.第41頁(yè) PUSH AX 程序中要用到AX寄存器，故堆棧保存DVC1: IN AL , STAT1 TEST AL, 20H JZ DVC2 CALL CCS1 JMP DVAND DVC2: IN AL , STAT2 TEST AL, 20H JZ DVC3 CALL CCS2 JMP DVANDDVC3: IN AL , STAT3 TEST AL, 20H JMP DVAND CALL CCS3 DVEND: POP AX

21、 IRET外圍設(shè)備中斷的優(yōu)先權(quán)由所處查詢序列中的外圍設(shè)備中斷的優(yōu)先權(quán)由所處查詢序列中的位置決定。位置決定。D4數(shù)據(jù)位是狀態(tài)位，決定是否有中斷請(qǐng)求。數(shù)據(jù)位是狀態(tài)位，決定是否有中斷請(qǐng)求。圖圖2-4 軟件查詢中斷控制的接口電路軟件查詢中斷控制的接口電路第42頁(yè)_INTA_INTA11111INTR中斷回答中斷應(yīng)答信號(hào)。中斷應(yīng)答信號(hào)。圖圖2-5 雛菊鏈邏輯電路雛菊鏈邏輯電路中斷請(qǐng)求 _INTA非門(mén)或門(mén)1000100_INTA_INTA11111INTR中斷回答中斷應(yīng)答信號(hào)。中斷應(yīng)答信號(hào)。中斷請(qǐng)求 _INTA非門(mén)或門(mén)1011100第43頁(yè)在雛菊鏈電路中在雛菊鏈電路中如果某級(jí)設(shè)備發(fā)出中斷請(qǐng)求，則截獲該選通

22、信號(hào)，如果某級(jí)設(shè)備發(fā)出中斷請(qǐng)求，則截獲該選通信號(hào)，從而使自己的中斷請(qǐng)求得到響應(yīng)。并且使后面的設(shè)備無(wú)法再獲得選從而使自己的中斷請(qǐng)求得到響應(yīng)。并且使后面的設(shè)備無(wú)法再獲得選通信號(hào)。通信號(hào)。該設(shè)備截獲選通信號(hào)后則撤銷(xiāo)自己的中斷請(qǐng)求，然后發(fā)一該設(shè)備截獲選通信號(hào)后則撤銷(xiāo)自己的中斷請(qǐng)求，然后發(fā)一個(gè)中斷類(lèi)型號(hào)，使個(gè)中斷類(lèi)型號(hào)，使CPU找到正確的中斷程序入口。找到正確的中斷程序入口。 如果該設(shè)備沒(méi)有提出請(qǐng)求，則該選通信號(hào)會(huì)繼續(xù)往后傳遞。如果該設(shè)備沒(méi)有提出請(qǐng)求，則該選通信號(hào)會(huì)繼續(xù)往后傳遞。 當(dāng)有幾個(gè)設(shè)備同時(shí)提出中斷請(qǐng)求時(shí)，當(dāng)有幾個(gè)設(shè)備同時(shí)提出中斷請(qǐng)求時(shí)，最接近最接近CPU的設(shè)備先得到的設(shè)備先得到響應(yīng)，優(yōu)先級(jí)最高響

23、應(yīng)，優(yōu)先級(jí)最高。作法：在每個(gè)外圍設(shè)備對(duì)應(yīng)的接口連接上一個(gè)邏輯電路，這些邏輯作法：在每個(gè)外圍設(shè)備對(duì)應(yīng)的接口連接上一個(gè)邏輯電路，這些邏輯電路構(gòu)成一個(gè)鏈，稱為雛菊鏈，由它控制中斷應(yīng)答信號(hào)的通路。電路構(gòu)成一個(gè)鏈，稱為雛菊鏈，由它控制中斷應(yīng)答信號(hào)的通路。這種方法是利用外設(shè)在系統(tǒng)中的物理位置來(lái)決定中斷這種方法是利用外設(shè)在系統(tǒng)中的物理位置來(lái)決定中斷優(yōu)先權(quán)的。優(yōu)先權(quán)的。最靠近最靠近CPU的接口，優(yōu)先級(jí)最高。的接口，優(yōu)先級(jí)最高。第44頁(yè)CPU及總線控制邏輯INTR_INTA設(shè)備1接口雛菊鏈邏輯電路1中斷應(yīng)答11中斷請(qǐng)求設(shè)備2接口雛菊鏈邏輯電路中斷應(yīng)答中斷請(qǐng)求圖圖2-6 雛菊鏈邏輯電路雛菊鏈邏輯電路/INTA可以

24、沿著雛菊璉向后傳遞；若有中斷請(qǐng)求信號(hào)，則可截獲可以沿著雛菊璉向后傳遞；若有中斷請(qǐng)求信號(hào)，則可截獲/INTA信號(hào)。信號(hào)。第45頁(yè) 在計(jì)控系統(tǒng)中最常用的中斷控制方式是采用專(zhuān)用硬件芯片中斷控制器來(lái)進(jìn)行中斷優(yōu)先級(jí)的管理（如8259A）。1片8259A可以管理8級(jí)中斷源。效率高，使用靈活方便。第46頁(yè)圖圖2-7 8259A芯片芯片第47頁(yè)第48頁(yè)第49頁(yè)第50頁(yè)第二次的課后復(fù)習(xí)題：第二次的課后復(fù)習(xí)題：（一）設(shè)置（一）設(shè)置I/O接口的必要性？接口的必要性？（二）（二）I/O接口的主要功能？接口的主要功能？（三）（三）I/O接口的控制方式？接口的控制方式？（四）三態(tài)門(mén)，是哪三態(tài)？（四）三態(tài)門(mén)，是哪三態(tài)？第5

25、1頁(yè)第二次的課后復(fù)習(xí)題簡(jiǎn)要答案：第二次的課后復(fù)習(xí)題簡(jiǎn)要答案：一：速度、時(shí)序、信息格式、信息類(lèi)型不匹配。一：速度、時(shí)序、信息格式、信息類(lèi)型不匹配。二：設(shè)置數(shù)據(jù)的緩沖器、鎖存器；串行和并行轉(zhuǎn)二：設(shè)置數(shù)據(jù)的緩沖器、鎖存器；串行和并行轉(zhuǎn)換；電平轉(zhuǎn)換；換；電平轉(zhuǎn)換；A/D轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換；D/A轉(zhuǎn)換；協(xié)調(diào)時(shí)序差轉(zhuǎn)換；協(xié)調(diào)時(shí)序差異；地址譯碼；設(shè)置中斷和異；地址譯碼；設(shè)置中斷和DMA擴(kuò)展邏輯。擴(kuò)展邏輯。三：程序控制（無(wú)條件傳輸；查詢；中斷），三：程序控制（無(wú)條件傳輸；查詢；中斷），DMA方式。方式。 四：高電平，低電平，高阻態(tài)。四：高電平，低電平，高阻態(tài)。第52頁(yè)第53頁(yè) 軟件查詢的中斷控制方式軟件查詢的中斷控制

26、方式，按照優(yōu)先級(jí)由高到低逐個(gè)檢測(cè)中斷請(qǐng)求狀態(tài)位，逐個(gè)服務(wù)。 假設(shè)有n個(gè)中斷方式控制的外設(shè)。把它們按照最短響應(yīng)時(shí)間從小到大從小到大的順序排列。各外設(shè)的實(shí)際服務(wù)時(shí)間為S1，S2,.Si。設(shè)其中第i個(gè)設(shè)備的服務(wù)時(shí)間最長(zhǎng)。即。 最壞的情況是，CPU剛響應(yīng)第i個(gè)外設(shè)時(shí)，其它所有的外設(shè)都提出中斷請(qǐng)求。假設(shè)不采用中斷嵌套，那么CPU為第i個(gè)設(shè)備服務(wù)完后，才能依次按照優(yōu)先級(jí)順序，逐個(gè)給予服務(wù)。 要滿足實(shí)時(shí)性要求，必須在各設(shè)備的最短響應(yīng)時(shí)間內(nèi)使它們都得到服務(wù)，則必須滿足：第54頁(yè) 采用中斷嵌套時(shí)，響應(yīng)時(shí)間短、優(yōu)先權(quán)高的設(shè)備，采用中斷嵌套時(shí)，響應(yīng)時(shí)間短、優(yōu)先權(quán)高的設(shè)備，其實(shí)時(shí)響應(yīng)要求容易滿足。其實(shí)時(shí)響應(yīng)要求容易滿

27、足。 但是若這樣的設(shè)備頻繁中斷其它設(shè)備的服務(wù)程序，但是若這樣的設(shè)備頻繁中斷其它設(shè)備的服務(wù)程序，則其它設(shè)備的中斷請(qǐng)求能否得到實(shí)時(shí)響應(yīng)，就是麻煩則其它設(shè)備的中斷請(qǐng)求能否得到實(shí)時(shí)響應(yīng)，就是麻煩事了。事了。1max12max12max112.jikkCSSCSSSiCSS外圍設(shè)備 ：外圍設(shè)備 ：外圍設(shè)備 ： 要滿足實(shí)時(shí)性要求，必須在各設(shè)備的最短響應(yīng)時(shí)間內(nèi)(兩次請(qǐng)求之間的間隔時(shí)間)使它們都得到服務(wù)，則必須滿足：第55頁(yè) 局限性：雖然比程序控制方式的效率高，但仍無(wú)法滿足高速傳遞數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。 原因：在進(jìn)入中斷服務(wù)程序和中斷返回時(shí)都要進(jìn)行大量的準(zhǔn)備工作，即入棧和出棧(保存斷點(diǎn)，狀態(tài)信息；恢復(fù)斷點(diǎn)，狀態(tài)信息);

28、而且數(shù)據(jù)的傳遞仍然是通過(guò)CPU執(zhí)行輸入輸出指令實(shí)現(xiàn)的，效率相對(duì)來(lái)說(shuō)不是很高。第56頁(yè) 該方式不經(jīng)過(guò)CPU，在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間直接高速交換數(shù)據(jù)。 使用DMAC（直接存儲(chǔ)器控制器，例如芯片8237A），用硬件的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，速度快。 內(nèi)存與I/O之間；內(nèi)存與內(nèi)存之間；I/O與I/O之間的數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送。第57頁(yè) 直接存儲(chǔ)器控制器(DMAC)暫時(shí)占用數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。 步驟： 1、當(dāng)外設(shè)就緒，需要進(jìn)行DMA操作時(shí)，向DMAC發(fā)出請(qǐng)求； 2、DMAC收到請(qǐng)求后，再向CPU發(fā)出總線請(qǐng)求信號(hào)； 3、若被CPU接受，則發(fā)出DMA響應(yīng)信號(hào)，同時(shí)釋放總線，交給DMAC控制。此時(shí)，在內(nèi)存和外設(shè)

29、間直接完成高速數(shù)據(jù)傳送，不需要CPU的干預(yù)。圖圖2-8 8237A的用途的用途第58頁(yè) 4、DMA過(guò)程結(jié)束后，DMAC向CPU發(fā)出結(jié)束信號(hào)，再將總線控制權(quán)還給CPU。 5、8086系統(tǒng)中，CPU的HOLD引腳接受DMAC的總線請(qǐng)求，在HLDA引腳上向DMAC發(fā)送總線請(qǐng)求的允許信號(hào)，二者均為高電平有效。圖圖2-8 8237A的用途的用途第59頁(yè) 8086系統(tǒng)中，CPU的HOLD引腳接受DMAC的總線請(qǐng)求HRQ，在HLDA引腳上向DMAC發(fā)送總線請(qǐng)求的允許信號(hào)，二者均為高電平有效。 DMAC先使HOLD為高電平，請(qǐng)求占用總線；CPU響應(yīng)請(qǐng)求后，CPU使HLDA輸出高電平，表示DMAC可以占用總線；

30、 當(dāng)DMAC完成數(shù)據(jù)傳送后，將HOLD變?yōu)榈碗娖?，CPU隨后將HLDA變?yōu)榈碗娖健tCPU重新控制總線。第60頁(yè) 在在DMAC的控制下，外設(shè)直接和存儲(chǔ)器（也可的控制下，外設(shè)直接和存儲(chǔ)器（也可外設(shè)與外設(shè)，存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器之間）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，外設(shè)與外設(shè)，存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器之間）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，而不必經(jīng)過(guò)而不必經(jīng)過(guò)CPU ，傳送速度基本取決于外設(shè)與存儲(chǔ)，傳送速度基本取決于外設(shè)與存儲(chǔ)器的速度，從而傳送效率大大提高。器的速度，從而傳送效率大大提高。 如如磁盤(pán)磁盤(pán)與與存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器之間的傳輸速度每秒高達(dá)幾兆之間的傳輸速度每秒高達(dá)幾兆字節(jié)，這是采用中斷方式（用字節(jié)，這是采用中斷方式（用CPU執(zhí)行指令傳輸數(shù)執(zhí)行指令傳輸

31、數(shù)據(jù)）所實(shí)現(xiàn)不了的。據(jù)）所實(shí)現(xiàn)不了的。第61頁(yè)1. 接收接收CPU發(fā)出的讀寫(xiě)信號(hào)發(fā)出的讀寫(xiě)信號(hào)初始化；初始化；2. 接收外設(shè)發(fā)來(lái)的接收外設(shè)發(fā)來(lái)的DMA請(qǐng)求請(qǐng)求；3. 向向CPU發(fā)出總線請(qǐng)求信號(hào)；發(fā)出總線請(qǐng)求信號(hào)；4. 接收接收CPU發(fā)出的總線請(qǐng)求允許信號(hào)；發(fā)出的總線請(qǐng)求允許信號(hào)；5. 向外設(shè)發(fā)出向外設(shè)發(fā)出DMA請(qǐng)求允許信號(hào)；請(qǐng)求允許信號(hào)；6. 發(fā)出地址信息，能對(duì)存儲(chǔ)器尋址及修改地址指針；發(fā)出地址信息，能對(duì)存儲(chǔ)器尋址及修改地址指針；7. 能發(fā)出讀能發(fā)出讀/寫(xiě)等控制信號(hào)；寫(xiě)等控制信號(hào)；8. 能提供數(shù)據(jù)的傳輸數(shù)量；能提供數(shù)據(jù)的傳輸數(shù)量；9. 能撤銷(xiāo)總線請(qǐng)求信號(hào)，使能撤銷(xiāo)總線請(qǐng)求信號(hào)，使CPU恢復(fù)正常

32、工作?；謴?fù)正常工作。第62頁(yè)傳輸率：1.6MB/s。4個(gè)獨(dú)立通道：每個(gè)通道包含16位地址寄存器和16位字節(jié)計(jì)數(shù)器，8位模式寄存器。4個(gè)通道公用控制寄存器和狀態(tài)寄存器。不同的通道可以用來(lái)處理不同的數(shù)據(jù)交換工作：軟盤(pán)數(shù)據(jù)，硬盤(pán)數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交換等。圖圖2-9 8237A芯片基本結(jié)構(gòu)芯片基本結(jié)構(gòu)第63頁(yè) I/O接口設(shè)計(jì)的任務(wù)：根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備的具體要求以及外設(shè)的特點(diǎn)，選定合適的I/O控制方式，設(shè)計(jì)合適的I/O接口硬件電路和相應(yīng)的接口控制程序，使CPU和外設(shè)間能實(shí)時(shí)可靠地交換信息。 控制方式的選定主要考慮信息交換的速度和CPU的工作效率。 硬件和軟件的選擇取決于控制速度、可靠性和成本。第64頁(yè) 為

33、什么要進(jìn)行編址？在CPU的數(shù)據(jù)總線上同時(shí)掛有多種外設(shè)和存儲(chǔ)器。當(dāng)CPU輸入輸出數(shù)據(jù)時(shí)必須確定數(shù)據(jù)的來(lái)源和去向，所以要涉及到端口尋址的問(wèn)題。 兩種編址方式： I/O接口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址； I/O接口獨(dú)立編址。第65頁(yè) 定義：把所有I/O接口的端口都當(dāng)作是存儲(chǔ)器的一個(gè)單元來(lái)對(duì)待，接口芯片和存儲(chǔ)單元統(tǒng)一編址。不設(shè)置專(zhuān)門(mén)的I/O指令。 優(yōu)點(diǎn)：訪問(wèn)內(nèi)存的指令都可以用來(lái)訪問(wèn)I/O接口，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。 I/O接口可以和存儲(chǔ)器公用“譯碼和控制電路”。 I/O地址空間靈活，根據(jù)實(shí)際情況使用。 缺點(diǎn)：I/O接口占用了存儲(chǔ)空間；沒(méi)有專(zhuān)用的I/O指令，程序可讀性較差。 I/O 接口的編址方式是由所用的微處理器決定。

34、Intel51系列和96系列單片機(jī)。第66頁(yè)圖圖2-3-1 統(tǒng)一編址方式統(tǒng)一編址方式第67頁(yè) 定義：將存儲(chǔ)器地址空間和I/O接口地址空間分開(kāi)設(shè)置。設(shè)有專(zhuān)門(mén)的輸入（IN）、輸出（OUT）指令完成I/O操作。 很多微處理器都采用這種編址方式：8086、Z80、8088、8080等。 優(yōu)點(diǎn)：將輸入輸出指令和訪問(wèn)內(nèi)存的指令分開(kāi)，使程序可讀性好。I/O指令執(zhí)行速度快，不占有內(nèi)存空間，I/O譯碼電路簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)：專(zhuān)門(mén)的輸入輸出指令。要采用專(zhuān)用I/O周期和I/O控制線。微處理器復(fù)雜化。第68頁(yè)圖圖2-3-2 獨(dú)立編址方式獨(dú)立編址方式第69頁(yè)1 1：80868086有有1616條地址線，端口為條地址線，端口為

35、2 21616(65536(65536，64K)64K)個(gè)，端口號(hào)為個(gè)，端口號(hào)為0000H0000HFFFFHFFFFH。2 2：尋址方式分為直接尋址和間接尋址。：尋址方式分為直接尋址和間接尋址。80868086的的輸入輸出指令，分為直接輸入輸出指令，間接輸輸入輸出指令，分為直接輸入輸出指令，間接輸入輸出指令。前者只能用于入輸出指令。前者只能用于00H00HFFHFFH端口，即前端口，即前256256個(gè)端口，個(gè)端口，IN AL,55H;OUT 70H AXIN AL,55H;OUT 70H AX；后者可以；后者可以用于所有的用于所有的64K64K個(gè)端口，且必須將端口號(hào)放入個(gè)端口，且必須將端口號(hào)

36、放入DXDX寄存器中。寄存器中。IN AX,DX;OUT DX,ALIN AX,DX;OUT DX,AL第70頁(yè) I/O接口與外部的連接如圖所示。 劃分為兩部分： 第一部分和外設(shè)相連。該部分的接口結(jié)構(gòu)和設(shè)備傳輸要求和數(shù)據(jù)格式有關(guān)。隨外設(shè)不同而不同。 第二部分和系統(tǒng)總線相連。該部分的接口結(jié)構(gòu)對(duì)不同的接口芯片都基本相同。實(shí)現(xiàn)與CPU的啟動(dòng)、接口的選中等信號(hào)的配合，提供傳輸數(shù)據(jù)的I/O端口。圖圖2-10 典型的典型的I/O口和外部的連接口和外部的連接第71頁(yè) 數(shù)據(jù)信號(hào)D0D7:CPU與外設(shè)之間的信息交換、CPU對(duì)接口芯片的編程命令、接口芯片送到CPU的狀態(tài)信息都從數(shù)據(jù)線上傳輸。 讀寫(xiě)控制信號(hào) (或

37、):低電平有效。 片選信號(hào) 和地址線A0,A1。片選信號(hào)是由地址信號(hào)線和 經(jīng)過(guò)譯碼器得到的。用來(lái)選擇不同的外設(shè)。A0,A1 用來(lái)尋址片內(nèi)寄存器。 時(shí)鐘、復(fù)位、中斷控制、聯(lián)絡(luò)信號(hào)等控制信號(hào)，接口芯片不同這些控制信號(hào)也有所不同。_IOW_WR_RD_IOR_CS_IOM/第72頁(yè)第73頁(yè)第74頁(yè)第75頁(yè) 各種微型機(jī)都配有各種可編程的I/O接口電路（8253定時(shí)器計(jì)數(shù)器， 8251A串行接口芯片， 8255A并行接口芯片等），但是可能接口數(shù)量和內(nèi)存仍然不滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，必須擴(kuò)展，這是計(jì)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。 擴(kuò)展I/O接口需要解決端口的編址、選址問(wèn)題。每個(gè)通用接口芯片都包含一組寄存器，各類(lèi)信

38、息進(jìn)入不同的端口。CPU和外部之間的信息交換都通過(guò)這些端口實(shí)現(xiàn)，因此擴(kuò)展的地址譯碼電路不僅要提供接口芯片的片選信號(hào)，還要內(nèi)區(qū)分各個(gè)芯片的內(nèi)部寄存器。 地址擴(kuò)展常用的譯碼器：74LS138（3：8）譯碼器第76頁(yè) 常用是38譯碼器，74LS138。由譯碼器芯片的C、B、A可以使引腳Y0Y7分別為低電平有效，從而選通不同的芯片。第77頁(yè) 擴(kuò)展的I/O接口和存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)線掛在CPU的數(shù)據(jù)總線上；各芯片的地址和控制線掛在CPU的地址總線和控制總線上。如果CPU總線的負(fù)載太重，各信號(hào)線的電平將偏離正常值?！?”電平過(guò)高，“1”電平過(guò)低，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，抗干擾能力差，甚至?xí)p壞器件。 常用的器件：TT

39、L器件和MOS器。TTL器件又分為標(biāo)準(zhǔn)TTL器件74 和低功耗肖特基TTL器件74LS TTL和MOS器件的邏輯電平一致，但功耗和驅(qū)動(dòng)能力不同。MOS器件的輸入電流小，驅(qū)動(dòng)能力也差。 總線收發(fā)器可以提高總線驅(qū)動(dòng)能力，例如INTEL的收發(fā)器芯片8286，TI公司的74LS245。第78頁(yè) 1、了解分析常用外設(shè)或被控設(shè)備與CPU之間信息交換的要求（需要的聯(lián)絡(luò)信號(hào)、I/O數(shù)據(jù)格式、最短響應(yīng)時(shí)間和服務(wù)時(shí)間的估計(jì)、確定I/O控制方式）。 2、考慮硬件和軟件的功能分配。 3、進(jìn)行I/O端口的數(shù)量統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)流向安排、端口地址號(hào)分配。 4、I/O接口硬件電路的擴(kuò)展設(shè)計(jì)（擴(kuò)展方案選擇、地址譯碼器擴(kuò)展、負(fù)載能力擴(kuò)

40、展）。 5、I/O接口控制軟件設(shè)計(jì)。 6、接口硬件和軟件的聯(lián)調(diào)。第79頁(yè) 使用專(zhuān)門(mén)的廠家生產(chǎn)的現(xiàn)成的多功能使用專(zhuān)門(mén)的廠家生產(chǎn)的現(xiàn)成的多功能I/O接口接口板。板。 自己設(shè)計(jì)，安裝自己設(shè)計(jì)，安裝I/O接口電路。采用通用的大接口電路。采用通用的大規(guī)模集成電路接口芯片擴(kuò)展規(guī)模集成電路接口芯片擴(kuò)展I/O接口電路，例接口電路，例如如Intel 8255A；采用普通的緩沖器、鎖存器、；采用普通的緩沖器、鎖存器、譯碼器構(gòu)成）。譯碼器構(gòu)成）。第80頁(yè) 8088的的CPU系統(tǒng)。有系統(tǒng)。有8組組8位的數(shù)字量和開(kāi)關(guān)位的數(shù)字量和開(kāi)關(guān)量由外部輸入，同時(shí)有量由外部輸入，同時(shí)有8組組8位的控制和顯示位的控制和顯示數(shù)據(jù)輸出到外部。數(shù)據(jù)輸出到外部。 指定輸入端口地址為指定輸入端口地址為E8HEFH，輸出端口地，輸出端口地址為址為F0HF7H，輸入輸出信息均采用，輸入輸出信息均采用無(wú)條件無(wú)條件傳送傳送。 按照以上要求，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)接口電路。按照以上要求，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)接口電路。第81頁(yè) 在外設(shè)接口電路中，經(jīng)常需要對(duì)傳輸過(guò)程中的信息在外設(shè)接口電路中