1、7-1 I/O interface and bus一、一、function 1、采用、采用I/O接口的必要性接口的必要性 necessary 通讯通讯 communication：指计算机与外设间交换数据、状态和命令的过程。指计算机与外设间交换数据、状态和命令的过程。要通讯则需解决如下问题要通讯则需解决如下问题（必要性）必要性）：1）速度不匹配问题）速度不匹配问题 speed CPU速度快速度快 I/O接口接口 外设速度慢外设速度慢 2）信号电平不匹配问题）信号电平不匹配问题 signal CPU使用使用TTL电平，外设是复杂的信号。电平，外设是复杂的信号。TTL 电平电平 转为外设所需信号转
2、为外设所需信号 外设信号外设信号 转为转为TTL 电平电平 3）信号格式不匹配问题）信号格式不匹配问题 format CPU总线上传送总线上传送8位、位、16位、位、32位并行数据位并行数据 外设：所需信号种类有模拟量，数字量，外设：所需信号种类有模拟量，数字量，开关量等；电压，电流；串行方式，并行方开关量等；电压，电流；串行方式，并行方式。式。4）时序不匹配问题）时序不匹配问题 time sequence CPU的时序与外设自己的定时和控制逻辑不的时序与外设自己的定时和控制逻辑不一样。一样。2、接口功能、接口功能 interface function 主要作用：解决主要作用：解决CPU与外设
3、间的不匹配，不与外设间的不匹配，不 能协调工作的问题。能协调工作的问题。功能如下：功能如下：1）设置数据缓冲器）设置数据缓冲器buffer，解决速度差异。，解决速度差异。2）设置电平转换电路）设置电平转换电路 如串行接口芯片如串行接口芯片 MAX232（TTL 12V）3）设置信息逻辑转换电路：）设置信息逻辑转换电路：如如A/D，D/A，接触器的通，接触器的通/断等。断等。4）设置时序控制路实现）设置时序控制路实现CPU与外设同步，与外设同步，如状态，应答信号。如状态，应答信号。5）具备地址译码电路）具备地址译码电路 选择不同外设进行操作选择不同外设进行操作 二、简单的二、简单的I/O接口芯片
4、（接口芯片（P248 自学）自学）三、三、I/O端口及寻址方式端口及寻址方式 port and addressing 1、I/O端口：端口：CPU与外设通讯时，传送的信息与外设通讯时，传送的信息 1）数据信息）数据信息 数据数据R 数据口数据口 2）状态信息）状态信息 状态状态R 状态口状态口 3）控制信息）控制信息 控制控制R 命令口命令口1）数据端口：存放）数据端口：存放CPU与外设间交换的数据，长度与外设间交换的数据，长度 1-2字节，其数据缓冲作用。字节，其数据缓冲作用。2）状态端口：指示外设当前状态，每种状态用）状态端口：指示外设当前状态，每种状态用1位表示位表示 常用状态位：常用状
5、态位：READY（准备就绪）（准备就绪）READY=1时时 输入口：数据已准备好，等待输入口：数据已准备好，等待CPU读取，读取，CPU取走后，取走后，READY置置0。输出口：输出输出口：输出R已空，可接收下一数据，已空，可接收下一数据，收到下一数据，收到下一数据，READY置置0。BUSY忙碌位忙碌位 表明输出设备能否接受数据。表明输出设备能否接受数据。BUSY=1：忙，不接收：忙，不接收CPU传送数据传送数据 BUSY=0：闲，可接收：闲，可接收CPU传送数据传送数据错误位（错误位（ERROR）：数据传递出错位）：数据传递出错位 如奇如奇/偶校验错，溢出错。偶校验错，溢出错。3）命令端口
6、（控制口）：）命令端口（控制口）：存放存放CPU对对I/O设备的命令和控制字。设备的命令和控制字。如：启动，停止，允许中断。如：启动，停止，允许中断。控制字有：方式选择控制字，操作命令字等控制字有：方式选择控制字，操作命令字等2、I/O端口的寻址方法：端口的寻址方法：两种编址方式：存储器映两种编址方式：存储器映象象导址，导址，mapping I/O指令寻址。指令寻址。I/O instruction存储器映象导址方式：存储器映象导址方式：把把I/O端口做一个存储单元，与存储单元统一端口做一个存储单元，与存储单元统一 编址。编址。优点：无需专用优点：无需专用I/O指令，简化了指令系统，端指令，简化
7、了指令系统，端 口空间可大可小。口空间可大可小。缺点：占用了存储空间，指令字节数比专用缺点：占用了存储空间，指令字节数比专用I/O 指令长。指令长。如：如：MC6800，MC68000，单片机，单片机51、96系列。系列。I/O单独编址方式：单独编址方式：不占用存储器空间，构成一个不占用存储器空间，构成一个I/O空间。空间。用专用的用专用的IN，OUT指令指令 8086中：用中：用A15A0导址导址I/O端（可访问端（可访问64K个）个）用用M/IO控制信号区分控制信号区分I/O导址和存储器导址导址和存储器导址 优点：可读性好（专用指令）优点：可读性好（专用指令）速度快（指令字节少）速度快（指
8、令字节少）不占用内存空间不占用内存空间缺点：专用缺点：专用IN，OUT，指令系统复杂，指令系统复杂 功能不如访问存贮器的指令强功能不如访问存贮器的指令强 增加了控制信号（增加了控制信号（M/IO）四、四、CPU与外设间数据传送方式与外设间数据传送方式 data transfer 程序控制方式程序控制方式 program 三种类型三种类型 中断方式中断方式 interrupt DMA方式（硬件实现）方式（硬件实现）DMA1、程序控制方式：、程序控制方式：无条件传送（同步传送）无条件传送（同步传送）条件传送（查询方式）条件传送（查询方式）1）无条件数据传送方式）无条件数据传送方式 uncondit
9、ional 应用场合：用于外设在任何时刻均已处于准应用场合：用于外设在任何时刻均已处于准 备好或接收状态。备好或接收状态。举例：定时采集和现实三部位的温度举例：定时采集和现实三部位的温度 端口地址端口地址10H，11H，12H是与三个温度是与三个温度 源相连的源相连的A/D转换器的地址。转换器的地址。编程：编程：START：IN AL，10H；采集温度；采集温度 CALL DISPLAY1；显示；显示 IN AL ，11H；采集温度；采集温度 CALL DISPLAY2；显示；显示 IN AL，12H；CALL DISPLAY3；CALL DELAY；调延时；调延时 JMP START；2）条
10、件传送（查询方式）条件传送（查询方式）conditional query CPU不断查询状态，满足条件后则传送，不断查询状态，满足条件后则传送，否则等待。否则等待。查询输入流程图查询输入流程图 初始化初始化读入状态读入状态数据准备好数据准备好 传送完传送完NN 输入一数据 CPU数据 内存缓冲区YY结束查询输入接口电路：查询输入接口电路：输入设备 数据锁存器（8位）数据缓冲器（8位）D R QC I/O译码+5V选通信号D触发器ReadyRD（读状态）CS2 CS1RD（读数据）2D7-D0M/IOA15-A01编程：设状态口：编程：设状态口：PORT_SI 数据口：数据口：PORT_IN 传
11、送数据字节数：传送数据字节数：COUNT_1 MOV BX,0 ;初始化指针初始化指针 MOV CX,COUNT_1 ;字节数字节数READ_SI：IN AL，PORT_SI ;读入状态位读入状态位 TEST AL，01H ;D0=1？准备好？准备好？JZ READ_SI ;否，转。否，转。IN AL，PORT_IN ;已准备好已准备好,读入数据读入数据 MOV BX，AL ;存于缓冲区存于缓冲区 INC BX ;修改指针修改指针 LOOP READ_SI ;未完，待续未完，待续 ;已完，执行别的程已完，执行别的程序序查询工作过程：查询工作过程：输入设备准备好后，发选通信号输入设备准备好后，发
12、选通信号 a：数据锁存起来：数据锁存起来 b:D触发器触发器Q=1CPU执行执行 IN AL，PORT_S1后后:M/IO=0，RD=0 A15A0给出状态端口码给出状态端口码CS1=0 状态三态门打开，状态送入D0位上CPU执行执行 IN AL，PORT_IN 后：后：M/IO=0 RD=0 A15A0 给出数据端口码，CS2=0 缓冲器将数据送出，同时清0 READY 状态 P256 图7-8 查询输出接口电路（详细讲解）条件传送数据的缺点：条件传送数据的缺点：反复查询过程，浪费CPU的时间，CPU利用率低。M/IOA15-A0D7-D0输出设备 数据锁存器（8位）R CQ D I/O译码
13、D触发器RD（读状态）WR（写数据）21ACKD1（数据线）+5V选通信号BUSYCS1CS2查询输出接口电路 2、中断方式数据传送：平时CPU执行主程序，只有输入数据准备就绪或输出设备已闲，才向CPU申请中断。CPU响应中断后，执行中断服务程序，进行一次数据交换，然后返回继续执行原程序。（详细讲授在第八章中进行）3、DMA方式：问题的提出 problem formulation：虽然中断方式CPU利用率高，但执行中断仍需时间。DMA方式是数据传递时，要CPU让出总线，由DMA控制利用总线直接与外设进行数据传送，不占用CPU时间。传递完后，DMA控制器再将总线还给CPU。DMA方式传送数据的速
14、度取决外设和内存速度。存储器 外 设HRQ DMAHLDA 控制器地址地址锁存器锁存器数据总线数据总线控制总线控制总线控制总线数据总线AD15AD0 ALECPUHLDA HOLDIORDREQ DACK地址总线IOWMEMW MEMR微机系统中微机系统中DMA控制器操作框图控制器操作框图P258 微机系统中DMA控制器操作框图（详讲）DMA方式读磁盘工作过程：procedure系统启动时：开关接通CPU总线，存储器（总线属于CPU）同时对DMA控制器初始化（传送字节数，起始地址，选DMA芯片通道）CPU向磁盘发读命令，磁盘控制器找到数据位置，开始读数据 数据准备好后，外设向DMA 控制器发请
15、求信号 DREQ。若DMA输入通道未屏蔽，DMA 发HRQ到CPU的HOLD端。CPU收到后，中止当前程序运行，总线浮空并发保持响应信号HLDA，DMA控制器发信号使开关向下，总线与DMA控制器接通（DMA控制总线）DMA发送第一个数据地址且发出确认信号DACK，通知磁盘控制器准备好要输出的数据字节 DMA控制器使I/O读信号IOR、存储器写信号MEMW有效，磁盘输出数据到总线，并将总线数据写入存储器。(6)每传送一个字节数据后：DMA自动修改地址 R 的内容，指向下一地址，字节计数器减1，重 复上述过程，直到计数值减为0，并由0减到 FFFF为止。(7)DMA结束后，HRQ无效，总线连接到C
16、PU。CPU恢复执行原中止程序。五、I/O译码电路和PC机的I/O地址分配 1、I/O端口译码电路。2、PC机的I/O端口地址分配PC/XT机端口分配机端口分配 CPU:8088(兼容机兼容机8086)接口芯片：接口芯片：中断控制器中断控制器 8259A 1片片 主板上主板上 DMA控制器控制器8237A-5 1片片 并行并行I/O芯片芯片8255A-5 1片片 计数计数/定时器定时器8253-5 1片片 主板上还有主板上还有8个个I/O扩展槽。（扩展槽。（I/O通道）通道）提供磁盘驱动器提供磁盘驱动器I/O接口接口 I/O扩展槽扩展槽 打印机接口打印机接口 插入适配器插入适配器 CRT接口接
17、口 异步通讯接口等异步通讯接口等PC/XT机中：机中：用用A9A0进行进行I/O寻址寻址 A9=0寻址主板寻址主板I/O端口（端口（512个端口）个端口）A9=1寻址寻址I/O通道（通道（512个端口）个端口）主板上，主板上，I/O端口译码电路如下图所示：端口译码电路如下图所示：G1G2AG2BCBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774LS138AEN A9A8A7A6A5IOWDMACS（去（去8237A-5）INTRCS（去（去8259A）T/CCS（去（去8253-5）PPICS（去（去8255A-5）WRTDMAPG（写（写DMA页面寄存器）页面寄存器）WRTNMIREG（写（写NMI
18、屏蔽寄存器）屏蔽寄存器）当AEN=1 A8A9=00时74LS138开始工作主板I/O地址范围：0000FFH(256)A9=1时，I/O通道（槽）：2003FFPC/XT机的I/O端口分配表如表1所示；PC/AT及兼容机的I/O端口地址分配表如表2示 系 统 板 I/O 通 道00001F（000F）02003F（2021）04005F（4043）06007F（6063）08009F（8083）0A00BF（A0）0C00DF0E00FF20020F2F8 2FF300 31F320 32F378 37F380 38F3B0 3BF3F0 3F73F8 3FF8237A-5 DMA控制器控制
19、器8259A 中断控制器中断控制器8253-5 计数计数/定时器定时器8255A-5 并行接口并行接口DMA页寄存器页寄存器 NMI屏蔽寄存器屏蔽寄存器保留保留保留保留游戏游戏I/O口口异步通信异步通信2（COM2）实验卡（原型卡）实验卡（原型卡）硬磁盘适配器硬磁盘适配器并行打印机接口并行打印机接口同步通信控制器同步通信控制器单显单显/打印机适配器打印机适配器软磁盘适配器软磁盘适配器异步通信异步通信1（COM1）分类 地址范围（H）I/O设备（端口）表表1 PC/XT机的I/O端口分配表 系 统 板 I/O 通 道00001F02003F04005F06006F07007F08009F0A00
20、BF0C00DF0F00F10F8 0FF1F0 1F8200 207278 27F2F8 2FF300 31F360 36FDMA控制器控制器1,8237A-5中断控制器中断控制器1,8259A(主片主片)定时器定时器 8254-2键盘接口处理器，键盘接口处理器，8042 实时时钟，实时时钟，NMI屏蔽寄存器屏蔽寄存器DMA页寄存器，页寄存器，74LS612中断控制器中断控制器2 8259A(从片从片)DMA控制器控制器2，8237A-5清除协处理器忙信号清除协处理器忙信号复位协处理器复位协处理器协处理器协处理器硬磁盘硬磁盘游戏游戏I/O口口并行口并行口2（LPT2）串行口串行口2（COM2
21、）实验卡（原型卡）实验卡（原型卡）保留保留分类 地址范围（H）I/O设备（端口）I/O 通 道378 37F380 38F3A03AF3B0 3BF3C0 3CF 3D0 3DF3F0 3F73F8 3FF并行打印机口并行打印机口1（LPT1）SDLC,双同步通信口双同步通信口2双同步通信口双同步通信口1单显单显/打印机适配器打印机适配器保留保留彩色彩色/图形监视器适配器图形监视器适配器软磁盘控制器软磁盘控制器串行口串行口1（COM1）分类 地址范围（H）I/O设备（端口）表表2 PC/AT及兼容机的及兼容机的I/O端口地址分配表端口地址分配表在在PC/AT机中：机中：80286 10地址线（
22、地址线（A9A0）I/O寻址，地址寻址，地址范围范围0003FFH 其中：其中：DMA控制器控制器8237A2片片 中断控制器中断控制器8259A2片片 定时器定时器 8254-27-2 总线 bus一、概念一、概念 definition 总线：各部件间传送信息的公共通道。总线：各部件间传送信息的公共通道。1、总线分类：、总线分类：category 片级总线（元件级总线）：片级总线（元件级总线）：芯片的引脚芯片的引脚 系统总线（内总线，板级总线）：系统总线（内总线，板级总线）：各插板间的连线（微机总线）各插板间的连线（微机总线）外部总线（通讯总线）：外部总线（通讯总线）：微机之间或微机与仪器间
23、的连线微机之间或微机与仪器间的连线2、总线标准：、总线标准：standard 标准：插座尺寸，引线数目，各引线信号含标准：插座尺寸，引线数目，各引线信号含 义及时序等。义及时序等。常用标准系统总线有：常用标准系统总线有：PC总线，总线，AT总线（总线（ISA总线），高性能的总线），高性能的 EISA总线，总线，PCI总线，总线，S100总线，总线，STD 总线。总线。常用标准外部总线：常用标准外部总线：IEEE488总线，总线，EIARS232总线。总线。二、二、IBM PC总线总线 P265 (自学自学)三、三、AT总线总线 P267 (自学自学)四、四、EISA总线总线 P270 (自学自
24、学)五、五、IEEE488总线总线 P273 (自学自学)其实，世上最温暖的语言，其实，世上最温暖的语言，“不是我爱你，而是在一起。不是我爱你，而是在一起。”所以懂得才是最美的相遇！只有彼此以诚相待，彼此尊重，所以懂得才是最美的相遇！只有彼此以诚相待，彼此尊重，相互包容，相互懂得，才能走的更远。相互包容，相互懂得，才能走的更远。相遇是缘，相守是爱。缘是多么的妙不可言，而懂得又是多么的难能可贵。否则就会错过一时，错过一世！相遇是缘，相守是爱。缘是多么的妙不可言，而懂得又是多么的难能可贵。否则就会错过一时，错过一世！择一人深爱，陪一人到老。一路相扶相持，一路心手相牵，一路笑对风雨。在平凡的世界，不
25、求爱的轰轰烈烈；不求誓择一人深爱，陪一人到老。一路相扶相持，一路心手相牵，一路笑对风雨。在平凡的世界，不求爱的轰轰烈烈；不求誓言多么美丽；唯愿简单的相处，真心地付出，平淡地相守，才不负最美的人生；不负善良的自己。言多么美丽；唯愿简单的相处，真心地付出，平淡地相守，才不负最美的人生；不负善良的自己。人海茫茫，不求人人都能刻骨铭心，但求对人对己问心无愧，无怨无悔足矣。大千世界，与万千人中遇见，只是相识的人海茫茫，不求人人都能刻骨铭心，但求对人对己问心无愧，无怨无悔足矣。大千世界，与万千人中遇见，只是相识的开始，只有彼此真心付出，以心交心，以情换情，相知相惜，才能相伴美好的一生，一路同行。开始，只有
26、彼此真心付出，以心交心，以情换情，相知相惜，才能相伴美好的一生，一路同行。然而，生活不仅是诗和远方，更要面对现实。如果曾经的拥有，不能天长地久，那么就要学会华丽地转身，学会忘记。然而，生活不仅是诗和远方，更要面对现实。如果曾经的拥有，不能天长地久，那么就要学会华丽地转身，学会忘记。忘记该忘记的人，忘记该忘记的事儿，忘记苦乐年华的悲喜交集。忘记该忘记的人，忘记该忘记的事儿，忘记苦乐年华的悲喜交集。人有悲欢离合，月有阴晴圆缺。对于离开的人，不必折磨自己脆弱的生命，虚度了美好的朝夕；不必让心灵痛苦不堪，人有悲欢离合，月有阴晴圆缺。对于离开的人，不必折磨自己脆弱的生命，虚度了美好的朝夕；不必让心灵痛苦
27、不堪，弄丢了快乐的自己。擦汗眼泪，告诉自己，日子还得继续，谁都不是谁的唯一，相信最美的风景一直在路上。弄丢了快乐的自己。擦汗眼泪，告诉自己，日子还得继续，谁都不是谁的唯一，相信最美的风景一直在路上。人生，就是一场修行。你路过我，我忘记你；你有情，他无意。谁都希望在正确的时间遇见对的人，然而事与愿违时，人生，就是一场修行。你路过我，我忘记你；你有情，他无意。谁都希望在正确的时间遇见对的人，然而事与愿违时，你越渴望的东西，也许越是无情无义地弃你而去。所以美好的愿望，就会像肥皂泡一样破灭，只能在错误的时间遇到错的人。你越渴望的东西，也许越是无情无义地弃你而去。所以美好的愿望，就会像肥皂泡一样破灭，只
28、能在错误的时间遇到错的人。岁月匆匆像一阵风，有多少故事留下感动。愿曾经的相遇，无论是锦上添花，还是追悔莫及；无论是青涩年华的懵懂赏岁月匆匆像一阵风，有多少故事留下感动。愿曾经的相遇，无论是锦上添花，还是追悔莫及；无论是青涩年华的懵懂赏识，还是成长岁月无法躲避的经历识，还是成长岁月无法躲避的经历愿曾经的过往，依然如花芬芳四溢，永远无悔岁月赐予的美好相遇。愿曾经的过往，依然如花芬芳四溢，永远无悔岁月赐予的美好相遇。其实，人生之路的每一段相遇，都是一笔财富，尤其亲情、友情和爱情。在漫长的旅途上，他们都会丰富你的生命，使其实，人生之路的每一段相遇，都是一笔财富，尤其亲情、友情和爱情。在漫长的旅途上，他
29、们都会丰富你的生命，使你的生命更充实，更真实；丰盈你的内心，使你的内心更慈悲，更善良。所以生活的美好，缘于一颗善良的心，愿我们都能你的生命更充实，更真实；丰盈你的内心，使你的内心更慈悲，更善良。所以生活的美好，缘于一颗善良的心，愿我们都能善待自己和他人。善待自己和他人。一路走来，愿相亲相爱的人，相濡以沫，同甘共苦，百年好合。愿有情有意的人，不离不弃，相惜相守，共度人生的每一路走来，愿相亲相爱的人，相濡以沫，同甘共苦，百年好合。愿有情有意的人，不离不弃，相惜相守，共度人生的每一个朝夕一个朝夕直到老得哪也去不了，依然是彼此手心里的宝，感恩一路有你！直到老得哪也去不了，依然是彼此手心里的宝，感恩一路有你！感谢您对文章的阅读跟下载，希望本感谢您对文章的阅读跟下载，希望本篇文章能帮助到您，建议您下载后自篇文章能帮助到您，建议您下载后自己先查看一遍，把用不上的部分页面己先查看一遍，把用不上的部分页面删掉哦，当然包括最后一页，最后祝删掉哦，当然包括最后一页，最后祝您生活愉快您生活愉快!
