《微機(jī)原理與應(yīng)用教學(xué)資料》第六章io(課件)

1 第 六 章 I/O 接 口 和 總 線 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 2 6-1 I/O接 口一 、 采 用 I/O接 口 的 必 要 性計(jì) 算 機(jī) 和 外 設(shè) 之 間 的 信 息 交 換 存 在 以 下 問(wèn) 題 ：1、 速 度 不 匹 配 ： 解 決 方 法 ： 設(shè) 置 緩 沖 器 、 鎖 存 器2、 信 號(hào) 電 平 不 匹 配 ： CPU： TTL電 平 ； 外 設(shè) ： 電 源 系 統(tǒng) 解 決 方 法 ： 設(shè) 置 電 平 轉(zhuǎn) 換 電 路 ， MC14883、 信 號(hào) 格 式 不 匹 配 ： CPU： 16位 的 并 行 數(shù) 據(jù) 外 設(shè) ： 數(shù) 字 量 、 模 擬 量 、 開 關(guān) 量 ； 串 行 、 并 行 解 決 方 法 ： A/D、 D/A轉(zhuǎn) 換 ； 串 變 并 、 并 變 串 電 路 ， 電 壓 變 電 流 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 3 4、 時(shí) 序 不 匹 配 外 設(shè) ： 各 自 的 定 時(shí) 和 控 制 邏 輯 解 決 方 法 ： 設(shè) 置 時(shí) 序 控 制 電 路 ， 實(shí) 現(xiàn) CPU與 外 設(shè) 之 間的 握 手 聯(lián) 絡(luò) ， 保 證 同 步二 、 I/O接 口 的 功 能 ：1、 尋 址 ： 統(tǒng) 一 、 獨(dú) 立 、 片 選 、 組 內(nèi) 選2、 數(shù) 據(jù) 輸 入 、 輸 出3、 聯(lián) 絡(luò) 功 能4、 復(fù) 位 功 能5、 可 編 程 功 能6、 檢 測(cè) 功 能 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 4 三 、 簡(jiǎn) 單 的 輸 入 輸 出 接 口 芯 片總 線 與 外 設(shè) 的 接 口 應(yīng) 遵 循 以 下 原 則 ： 輸 入 三 態(tài) 輸 出 鎖 存單 向 ： 緩 沖 器 74LS244 鎖 存 器 74LS373雙 向 ： 緩 沖 器 74LS245 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 5 6-2 I/O端 口 及 其 尋 址 方 式一 、 基 本 概 念通 信 ： 計(jì) 算 機(jī) 與 外 設(shè) 間 交 換 數(shù) 據(jù) 、 狀 態(tài) 和 控 制 命 令 的 過(guò) 程 ，是 在 控 制 信 號(hào) 的 作 用 下 ， 通 過(guò) 數(shù) 據(jù) 總 線 來(lái) 完 成 的I/O設(shè) 備 （ 外 設(shè) ） ： 輸 入 輸 出 設(shè) 備 。例 ： 鍵 盤 、 掃 描 儀 、 顯 示 器 、 打 印 機(jī) 、 磁 盤 等I/O接 口 （ 電 路 ） ： 外 設(shè) 和 計(jì) 算 機(jī) 之 間 傳 送 信 息 的 交 接 部 件（ 界 面 ） ， 每 一 個(gè) 外 設(shè) 都 要 通 過(guò) 接 口 電 路 才 能 與 主 機(jī) 相 連I/O端 口 ： 一 個(gè) I/O接 口 電 路 中 通 常 包 含 多 個(gè) 端 口 ， 一 個(gè) 端 口對(duì) 應(yīng) 一 個(gè) 地 址 例 ： IN AL ， 60H ； 60H端 口 的 內(nèi) 容 AL 端口地址為60H電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 6 v I/O接 口 和 I/O端 口 的 關(guān) 系 ： 一 個(gè) I/O接 口 電 路 中 通 常 包 含 多 個(gè) 端 口 CPU在 同 一 時(shí) 刻 只 能 選 中 某 一 個(gè) I/O端 口 CPU訪 問(wèn) 外 設(shè) ， 實(shí) 質(zhì) 上 是 對(duì) I/O接 口 電 路 中 相 應(yīng) 的 端 口 進(jìn)行 訪 問(wèn) I/O接 口 電 路 中 必 須 包 含 譯 碼 電 路 以 形 成 I/O端 口 地 址 （ 與存 儲(chǔ) 器 比 較 ） 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 7 一 個(gè) 雙 向 工 作 的 接 口 芯 片 通 常 有 四 個(gè) 端 口數(shù) 據(jù) 輸 入 寄 存 器數(shù) 據(jù) 輸 出 寄 存 器控 制 寄 存 器狀 態(tài) 寄 存 器 外部輸出入設(shè)備數(shù) 據(jù)控 制狀 態(tài)DB CB AB 數(shù)據(jù)端口 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 8 二 、 I/O端 口1、 數(shù) 據(jù) 端 口 作 用 ： 緩 沖 、 暫 存 數(shù) 據(jù) 信 息 、 8位2、 狀 態(tài) 端 口 作 用 ： 指 示 外 設(shè) 的 當(dāng) 前 狀 態(tài) ， 每 個(gè) 狀 態(tài) 用 1位 表 示 常 用 的 狀 態(tài) 位 有 ： Ready、 Busy、 Error3、 控 制 端 口 作 用 ： 用 來(lái) 存 放 CPU向 接 口 發(fā) 出 的 各 種 命 令 字 和 控 制字 ， 以 便 控 制 接 口 或 設(shè) 備 的 動(dòng) 作 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 9 三 、 I/O端 口 尋 址 方 式 存 儲(chǔ) 器 映 象 尋 址 方 式特 點(diǎn) ：1、 將 每 一 個(gè) I/O端 口 看 作 一 個(gè) 存 儲(chǔ) 單 元 ， I/O地 址 即 為 整個(gè) 存 儲(chǔ) 單 元 的 一 個(gè) 部 分 ， 統(tǒng) 一 編 址2、 無(wú) 專 門 I/O操 作 指 令3、 譯 碼 電 路 復(fù) 雜 、 指 令 長(zhǎng) 度 長(zhǎng) I/O單 獨(dú) 編 址 方 式 （ 用 IN、 OUT指 令 ）特 點(diǎn) ：1、 將 I/O地 址 單 獨(dú) 編 址 、 構(gòu) 成 一 個(gè) I/O空 間 ， 不 占 用 存 儲(chǔ)空 間2、 有 專 門 的 IN、 OUT指 令 ， 程 序 清 晰 ， 可 讀 性 好3、 CPU要 提 供 區(qū) 分 存 儲(chǔ) 器 和 I/O端 口 的 信 號(hào) ， 如 M/IO4、 譯 碼 電 路 較 簡(jiǎn) 單 、 指 令 執(zhí) 行 速 度 快 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 10 四 、 CPU與 外 設(shè) 之 間 數(shù) 據(jù) 傳 送 方 式 程 序 方 式 中 斷 方 式 DMA方 式v 區(qū) 別 ： CPU的 利 用 率 數(shù) 據(jù) 傳 輸 效 率 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 11 程 序 控 制 在 程 序 控 制 下 傳 送 數(shù) 據(jù) 缺 點(diǎn) ： CPU利 用 率 低（ 1） 無(wú) 條 件 傳 送 ： 數(shù) 據(jù) 傳 送 不 能 頻 繁 ， 適 用 于 簡(jiǎn) 單 外 設(shè) 或外 設(shè) 的 定 時(shí) 是 固 定 或 已 知 的 場(chǎng) 合例 1： 檢 測(cè) 按 鍵 開 關(guān) 狀 態(tài) 圖 6-4,見 后 頁(yè) 上 拉 電 阻 三 態(tài) 門例 2： 控 制 LED燈 亮 ， 圖 6-5 74LS273鎖 存 器 ， 限 流 電 阻 OUT PORT2,AL； 執(zhí) 行 時(shí) ， WR=0， M/IO=0， 地 址 信號(hào) 使 CS=0 CLK輸 出 一 上 升 沿 ， 數(shù) 據(jù) 鎖 存 并 輸 出 。 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 12上 拉 電 阻 的 作 用 ： 保 證 開 關(guān) 斷 開 時(shí) ， 有 一 高 電 平 輸 入 。1G 、 2G 的 作 用 ： 為 低 電 平 時(shí) ， 三 態(tài) 門 打 開 ， 輸 入 三 態(tài)讀 開 關(guān) 狀 態(tài) ： IN AL, PORT1； 執(zhí) 行 時(shí) ， RD=0， M/IO=0， 地 址信 號(hào) 使 CS=0 1G 、 2G =0， 三 態(tài) 門 打 開 ， 開 關(guān) 狀 態(tài) 讀 入 CPU 1Y1 1A11Y2 1A2 74LS2442Y4 2A4 1G 2GD0D1D7M/IOCSRD 上 拉 電 阻+5V 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 13 （ 2） 條 件 傳 送 ： 在 程 序 中 通 過(guò) 選 通 信 號(hào) 接 收 接 口 的 狀 態(tài) 信 號(hào) ，確 定 數(shù) 據(jù) 是 否 處 于 準(zhǔn) 備 好 傳 送 。 確 認(rèn) 之 后 ， 再 傳 送 。 （ 握 手 ）例 3 圖 6-6 初 始 化 讀 入 狀 態(tài) 位 數(shù) 據(jù) 準(zhǔn) 備 好 ？ 輸 入 數(shù) 據(jù) 到 CPUN READ-S1: IN AL,PORT-S1 TEST AL, 01H JZ READ-S1 IN AL, PORT-IN 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 14電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 15 1.選通 鎖存狀態(tài)，鎖存數(shù)據(jù)2.CPU執(zhí)行讀指令，IN AL, PORT-S1; CS1有效，Q端高電平送至D0到CPU3.若 D0=1， 執(zhí) 行 讀 數(shù) 據(jù) 指 令 ， IN AL, PORT-IN, CS2有效， 數(shù) 據(jù) 緩 沖 器 打 開 ， 讀 入 數(shù) 據(jù) ， 同 時(shí) D觸發(fā) 器 清 零 ， READY狀 態(tài) 位 清 零 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 16 2、 中 斷 方 式 通 過(guò) 中 斷 請(qǐng) 求 決 定 是 否 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 傳 送 ， 數(shù) 據(jù) 的 I/O是 在 中斷 處 理 子 程 序 控 制 下 完 成 ， 實(shí) 時(shí) 性 較 好 優(yōu) 點(diǎn) ： CPU利 用 率 比 較 高 ， 由 于 可 進(jìn) 行 中 斷 優(yōu) 先 級(jí) 的 設(shè) 定 ，適 用 于 外 設(shè) 比 較 多 的 場(chǎng) 合 。 缺 點(diǎn) ： 傳 送 數(shù) 據(jù) 仍 須 經(jīng) CPU， 且 每 傳 送 一 個(gè) 數(shù) 據(jù) 就 得 中 斷一 次 ， 中 斷 時(shí) ， 需 要 中 斷 響 應(yīng) 過(guò) 程 、 保 護(hù) 現(xiàn) 場(chǎng) 和 恢 復(fù) 現(xiàn) 場(chǎng) 、 中斷 返 回 ； 所 以 數(shù) 據(jù) 傳 送 的 效 率 還 比 較 低 。以 上 兩 種 方 式 ， 數(shù) 據(jù) 傳 送 都 必 須 逐 個(gè) 字 節(jié) 的 進(jìn) 行 ， 且 數(shù) 據(jù) 必須 由 外 設(shè) CPU寄 存 器 內(nèi) 存 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 17 3、 DMA方 式 ： 直 接 存 儲(chǔ) 器 存 儲(chǔ) 特 點(diǎn) ： 數(shù) 據(jù) 在 外 部 設(shè) 備 與 內(nèi) 存 間 直 接 傳 送 而 不 經(jīng)CPU， 大 大 提 高 數(shù) 據(jù) 傳 送 速 度 。 但 須 一 專 用 的DMAC芯 片 8237A。例 ： 磁 盤 和 內(nèi) 存 之 間 成 批 交 換 信 息 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 18 工 作 原 理 ： 外 設(shè) DMA控 制 器 CPU 內(nèi) 存 數(shù)據(jù)S1.1 (8237A) S1.2 HOLD 1S4 HOLD 0S2 HLDA 1S3 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 19 v S1:發(fā) 送 總 線 保 持 請(qǐng) 求 信 號(hào) ， 要 求 CPU讓 出 總 線 控 制 權(quán) S1.1:外 設(shè) 接 口 8237A S1.2:8237A CPUv S2： 取 得 總 線 控 制 權(quán) ， 由 DMA控 制 器 (8237A)取 代 CPU， 臨 時(shí)接 管 總 線v S3： 數(shù) 據(jù) 讀 寫 控 制 能 設(shè) 定 和 修 改 傳 送 的 字 節(jié) 數(shù) 送 地 址 :指 出 存 儲(chǔ) 單 元 、 外 設(shè) 地 址 ， 并 能 自 動(dòng) 修 改 地 址 指 針 產(chǎn) 生 R/W控 制 信 號(hào) v S4： 交 回 總 線 控 制 權(quán)保持請(qǐng)求信號(hào)DMA請(qǐng)求信號(hào)電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 20 地 址 鎖存 器DMA控 制 器 操 作 框 圖 AD15 AD0 ALE CPUHLDA HOLD 存 儲(chǔ) 器H RQ DMA 控 制 器H LDA 外 設(shè)數(shù) 據(jù) 總 線控 制 總 線 地 址 總 線數(shù) 據(jù) 總 線控 制 總 線 DREQDACK DMA傳 輸 時(shí) 數(shù) 據(jù) 方 向地 址 控 制電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 21 6-3 I/O端 口 譯 碼 電 路8086： I/O單 獨(dú) 編 址 方 式 可 尋 址 的 范 圍 ： 端 口 地 址 為 0000FFFFH， 共 64K個(gè) I/O端 口74LS138：輸 入 ： 參 與 譯 碼 的 地 址 信 號(hào) ， M/IO信 號(hào)輸 出 ： I/O接 口 選 擇 信 號(hào) 接 各 I/O接 口 的 CS端 ， 從 而 選中 相 應(yīng) 的 接 口 ， 繼 而 選 中 相 應(yīng) 的 端 口A15A0參與譯碼 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 22 例 ： 某 一 微 機(jī) 系 統(tǒng) 中 ， 有 8塊 I/O接 口 芯 片 ， 每 個(gè) 芯 片 占 有 8個(gè)端 口 地 址 ， 8塊 芯 片 的 地 址 連 續(xù) 分 布 。 若 如 圖 所 示 連 接 I/O端口 譯 碼 電 路 ， 試 求 出 各 I/O接 口 芯 片 的 地 址 范 圍 。 I/O接 口 地 址 范 圍 ： 1# C000HC007H 2# C008HC00FHA 2 A1 A0用 于 片 內(nèi) 尋 址 ， 用 于 對(duì) 接 口 芯 片 中 的 每 一 個(gè) 端 口 尋 址 G1G2BC BAM/IOA13A6 A5A4A3 G2A Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774LS38A14A15 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 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 23 6-4 總 線總 線 ： 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 中 ， 用 于 各 部 件 之 間 傳 送 信 息 的 公 共 通 路一 、 按 傳 送 的 信 息 類 型 分 ： 地 址 總 線 、 數(shù) 據(jù) 總 線 、 控 制 總 線二 、 按 規(guī) 模 、 用 途 和 應(yīng) 用 場(chǎng) 合 分 ：1、 片 級(jí) 總 線 （ 元 件 級(jí) 總 線 ） ： 由 芯 片 內(nèi) 部 通 過(guò) 引 腳 引 出 的 總線2、 系 統(tǒng) 總 線 （ 內(nèi) 部 總 線 ） ： 用 于 微 機(jī) 中 各 插 件 板 之 間 的 連 線3、 外 部 總 線 （ 通 信 總 線 ） ： 用 于 微 機(jī) 系 統(tǒng) 之 間 或 微 機(jī) 與 其 他電 子 設(shè) 備 之 間 的 通 信三 、 總 線 標(biāo) 準(zhǔn)常 用 的 標(biāo) 準(zhǔn) 系 統(tǒng) 總 線 ： PC總 線 、 ISA總 線 、 EISA總 線 外 部 總 線 ： IEEE-488總 線 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù) 24謝 謝 大 家 ！ 作 業(yè) ： 6-7 電 氣 學(xué) 院 學(xué) 習(xí) 部 資 料 庫(kù)