《微机原理与应用教学资料》第六章io(课件).ppt
1,第六章 I/O 接口和总线,电气学院学习部资料库,2,6-1 I/O接口,一、采用I/O接口的必要性计算机和外设之间的信息交换存在以下问题：1、速度不匹配：解决方法：设置缓冲器、锁存器2、信号电平不匹配：CPU：TTL电平；外设：电源系统 解决方法：设置电平转换电路，MC14883、信号格式不匹配：CPU：16位的并行数据 外设：数字量、模拟量、开关量；串行、并行 解决方法：A/D、D/A转换；串变并、并变串电路，电压变电流,电气学院学习部资料库,3,4、时序不匹配 外设：各自的定时和控制逻辑 解决方法：设置时序控制电路，实现CPU与外设之间的握手联络，保证同步二、I/O接口的功能：1、寻址：统一、独立、片选、组内选2、数据输入、输出3、联络功能4、复位功能5、可编程功能6、检测功能,电气学院学习部资料库,4,三、简单的输入输出接口芯片总线与外设的接口应遵循以下原则：输入三态 输出锁存单向：缓冲器74LS244 锁存器74LS373双向：缓冲器74LS245,电气学院学习部资料库,5,6-2 I/O端口及其寻址方式,一、基本概念通信：计算机与外设间交换数据、状态和控制命令的过程，是在控制信号的作用下，通过数据总线来完成的I/O设备（外设）：输入输出设备。例：键盘、扫描仪、显示器、打印机、磁盘等I/O接口（电路）：外设和计算机之间传送信息的交接部件（界面），每一个外设都要通过接口电路才能与主机相连I/O端口：一个I/O接口电路中通常包含多个端口，一个端口对应一个地址 例：IN AL，60H；60H端口的内容AL,端口地址为60H,电气学院学习部资料库,6,I/O接口和I/O端口的关系：一个I/O接口电路中通常包含多个端口CPU在同一时刻只能选中某一个I/O端口CPU访问外设，实质上是对I/O接口电路中相应的端口进行访问I/O接口电路中必须包含译码电路以形成I/O端口地址（与存储器比较）,电气学院学习部资料库,7,一个双向工作的接口芯片通常有四个端口,数据输入寄存器,数据输出寄存器,控制寄存器,状态寄存器,外部输出入设备,数据,控制,状态,DB,CB,AB,数据端口,电气学院学习部资料库,8,二、I/O端口1、数据端口 作用：缓冲、暂存数据信息、8位2、状态端口 作用：指示外设的当前状态，每个状态用1位表示 常用的状态位有：Ready、Busy、Error3、控制端口 作用：用来存放CPU向接口发出的各种命令字和控制字，以便控制接口或设备的动作,电气学院学习部资料库,9,三、I/O端口寻址方式存储器映象寻址方式特点：1、将每一个I/O端口看作一个存储单元，I/O地址即为整个存储单元的一个部分，统一编址2、无专门I/O操作指令3、译码电路复杂、指令长度长I/O单独编址方式（用IN、OUT指令）特点：1、将I/O地址单独编址、构成一个I/O空间，不占用存储空间2、有专门的IN、OUT指令，程序清晰，可读性好3、CPU要提供区分存储器和I/O端口的信号，如M/IO4、译码电路较简单、指令执行速度快,电气学院学习部资料库,10,四、CPU与外设之间数据传送方式,程序方式中断方式DMA方式区别：CPU的利用率 数据传输效率,电气学院学习部资料库,11,1、程序控制方式 在程序控制下传送数据 缺点：CPU利用率低（1）无条件传送：数据传送不能频繁，适用于简单外设或外设的定时是固定或已知的场合例1：检测按键开关状态 图6-4,见后页 上拉电阻 三态门例2：控制LED灯亮，图6-5 74LS273锁存器，限流电阻 OUT PORT2,AL；执行时，WR=0，M/IO=0，地址信号使CS=0 CLK输出一上升沿，数据锁存并输出。,电气学院学习部资料库,12,上拉电阻的作用：保证开关断开时，有一高电平输入。1G、2G的作用：为低电平时，三态门打开，输入三态读开关状态：IN AL,PORT1；执行时，RD=0，M/IO=0，地址信号使CS=0 1G、2G=0，三态门打开，开关状态读入CPU,电气学院学习部资料库,13,（2）条件传送：在程序中通过选通信号接收接口的状态信号，确定数据是否处于准备好传送。确认之后，再传送。（握手）例3 图6-6,READ-S1:IN AL,PORT-S1 TEST AL,01H JZ READ-S1 IN AL,PORT-IN,电气学院学习部资料库,14,电气学院学习部资料库,15,1.选通 锁存状态，锁存数据2.CPU执行读指令，IN AL,PORT-S1;CS1有效，Q端高电平送至D0到CPU3.若D0=1，执行读数据指令，IN AL,PORT-IN,CS2有效，数据缓冲器打开，读入数据，同时D触发器清零，READY状态位清零,电气学院学习部资料库,16,2、中断方式 通过中断请求决定是否进行数据传送，数据的I/O是在中断处理子程序控制下完成，实时性较好 优点：CPU利用率比较高，由于可进行中断优先级的设定，适用于外设比较多的场合。缺点：传送数据仍须经CPU，且每传送一个数据就得中断一次，中断时，需要中断响应过程、保护现场和恢复现场、中断返回；所以数据传送的效率还比较低。以上两种方式，数据传送都必须逐个字节的进行，且数据必须由外设 CPU寄存器 内存,电气学院学习部资料库,17,3、DMA方式：直接存储器存储特点：数据在外部设备与内存间直接传送而不经CPU，大大提高数据传送速度。但须一专用的DMAC芯片8237A。例：磁盘和内存之间成批交换信息,电气学院学习部资料库,18,工作原理：外设 DMA控制器 CPU 内存,电气学院学习部资料库,19,S1:发送总线保持请求信号，要求CPU让出总线控制权 S1.1:外设接口 8237A S1.2:8237A CPUS2：取得总线控制权，由DMA控制器(8237A)取代CPU，临时接管总线S3：数据读写控制 能设定和修改传送的字节数 送地址:指出存储单元、外设地址，并能自动修改地址指针 产生R/W控制信号S4：交回总线控制权,保持请求信号,DMA请求信号,电气学院学习部资料库,20,地址锁存器,DMA控制器操作框图,AD15 AD0 ALE CPUHLDA HOLD,存储器,HRQ DMA 控制器HLDA,外设,数据总线,控制总线,地址总线,数据总线,控制总线,DREQ,DACK,DMA传输时数据方向,地址,控制,电气学院学习部资料库,21,6-3 I/O端口译码电路,8086：I/O单独编址方式 可寻址的范围：端口地址为0000FFFFH，共64K个I/O端口74LS138：输入：参与译码的地址信号，M/IO信号输出：I/O接口选择信号 接各I/O接口的CS端，从而选中相应的接口，继而选中相应的端口,A15A0参与译码,电气学院学习部资料库,22,例：某一微机系统中，有8块I/O接口芯片，每个芯片占有8个端口地址，8块芯片的地址连续分布。若如图所示连接I/O端口译码电路，试求出各I/O接口芯片的地址范围。I/O接口地址范围：1#C000HC007H 2#C008HC00FHA2 A1 A0用于片内寻址，用于对接口芯片中的每一个端口寻址,A15A14A13A12|A11A10A9A8|A7A6A5A4|A3A2A1A0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1,电气学院学习部资料库,23,6-4 总线,总线：计算机系统中，用于各部件之间传送信息的公共通路一、按传送的信息类型分：地址总线、数据总线、控制总线二、按规模、用途和应用场合分：1、片级总线（元件级总线）：由芯片内部通过引脚引出的总线2、系统总线（内部总线）：用于微机中各插件板之间的连线3、外部总线（通信总线）：用于微机系统之间或微机与其他电子设备之间的通信三、总线标准常用的标准系统总线：PC总线、ISA总线、EISA总线 外部总线：IEEE-488总线,电气学院学习部资料库,24,谢谢大家！,作业：6-7,电气学院学习部资料库,
