第八章接口技术1

信息科学与工程系1第八章接口技术信息科学与工程系2本章主要内容•I/O的基本知识（接口的功能与作用，端口编址方式，信息传送方式，端口地址分配与地址译码等）•定时与计数器•并行传输以其接口•DMA传输及DMA控制器•串行传输及其接口•D/A与A/D转换及其接口•其它接口：磁盘控制器接口，显示器接口，键盘接口等属于标准的外部设备接口，这里不予介绍。信息科学与工程系3外部设备是微机系统的重要组成部分，微机通过它们与外界进行数据交换。各种外部设备通过输入输出接口（I/OInterface）与系统相连，并在接口电路的支持下实现数据传送和操作控制。最常用的外部设备有键盘、鼠标、显示器、打印机、绘图仪、调制解调器、模数转换器、数模转换器等，这些设备通过挂接在总线上的各种接口电路与微处理器相连。信息科学与工程系4接口电路按功能可分为两大类：一类是微处理器工作所需的辅助/控制电路，通过这些辅助/控制电路，使微处理器得到所需的时钟信号或接收外部的多个中断请求等；另一类是输入/输出接口电路，利用这些接口电路，微处理器可接收外部设备送来的信息或将信息发送给外部设备信息科学与工程系5第一节I/O接口信息科学与工程系6一、I/O接口的重要作用•I/O接口电路是计算机和外设之间传送信息的部件，每个外设部件都要通过相应的接口与系统总线相连，实现与CPU之间的数据交换。所以I/O接口在系统中起着重要的桥梁作用。如图：总线主设备(CPU)总线I/O接口外设数据状态命令/控制图7.1I/O接口在系统中的位置信息科学与工程系7CPU与I/O设备之间传送的信息可分为数据信息、状态信息和控制信息三类。1.数据信息数字量、模拟量和开关量2.状态信息状态信息反映了外设当前所处的工作状态，是外设发送给CPU的，用来协调CPU和外设之间的操作。比如准备好（READY）信号、忙（BUSY）信号。3.控制信息控制信息是CPU发送给外设的，以控制外设的工作。如对外设的初始化、外设的启动和停止等信息。信息科学与工程系8一、I/O接口的重要作用（续）CPU要与外设直接交换信息存在着不少困难，原因是外设种类繁多，各种外设的工作原理也不尽相同，有机械式、电动式、电子式等；输入输出信息也不同，可以使数字量、模拟量等，所以我们需要解决以下几个重要问题：•速度不匹配•信号电平不匹配（TTL,CMOS,RS-232等）•信号格式不匹配（并行、串行、模拟、数字等）•时序不匹配（外设有自己的定时与控制逻辑）信息科学与工程系9微机系统中的各种I/O接口内存CPU内存接口电源输入接口输出接口通信接口过程控制接口外存接口智能仪器接口键盘光笔数字化仪声音输入图形输入打印机显示器绘图仪记录仪终端MODEM电传机通信仪表ADCDAC开关量输入/输出磁带机磁盘机光存储器各种数字化仪器图7.2微机系统各种I/O接口示意图系统总线信息科学与工程系10二、I/O接口的主要功能●数据缓冲功能（解决速度差异）●设备选择（端口地址，译码）●信号转换功能（电平，并、串，数、模等转换）●对外设的控制与监测功能（发命令，监测状态等）●中断请求与管理●可编程功能信息科学与工程系11三、I/O端口的编址方式●I/O端口:把I/O接口电路中能被CPU直接访问的寄存器或某些特定器件称之为端口（Port）。I/O接口中常设有数据口、命令口和状态口。●I/O端口的编址方式•与存储器统一编址（或存储器映射方式）优点：指令多且齐全；端口空间大。缺点：指令长且慢；占用内存空间。•I/O独立编址优点：指令短（设有单独的I/O指令）执行快；不占内存空间；程序易读。缺点：端口空间小；需要单独的I/O读、写信号。信息科学与工程系12四、CPU与I/O端口之间传送信息的方式主机与外设之间的信息传送实际上是CPU与接口之间的信息传送。在微机系统中，CPU与接口之间传送信息的方式有：无条件传送程序查询传送中断传送DMA传送信息科学与工程系13四、CPU与I/O端口之间传送信息的方式◎无条件传送电路简单，CPU访问时总认为I/O已准备好(READY)。下面是一个无条件传送的输入方式电路：来自外设数据三态缓冲器地址译码器数据总线地址总线AENIORA0~A9Y图7.3无条件传送的输入方式图中，AEN是地址允许信号。当AEN=0由CPU控制总线；当AEN=1时，由DMA控制总线。认为数据已准备就CPU读三态缓冲器时总绪信息科学与工程系14四、CPU与I/O端口之间传送信息的方式（续）◎程序查询传送方式读I/O端口状态信息，若准备就绪，就输入或输出，否则，就继续查询等待。显然，该方式CPU的大部分时间都用在了查询和等待了，所以传送效率不高。下图是一个查询输入的接口电路。其查询程序如下：wait1:movdx,stportinal,dxtestal,80h;当ready=1,数据已准备好。jzwait1;当ready=0,数据未准备好。movdx,dtport;准备好，读端口数据inal,dx信息科学与工程系15四、CPU与I/O端口之间传送信息的方式（续）读状态信息READY=1?NY输入数据输入设备锁存器（8）三态缓冲器（8）缓冲器（1）地址译码器状态信息A0~A9IORAENAENIOR（读状态）（读数据）到数据总线ReadyDRQ+5V图7.4查询输入的接口电路与输入程序流程图信息科学与工程系16四、CPU与I/O端口之间传送信息的方式（续）◎中断传送方式(第七章中断)该方式可大大提高CPU的工作效率。该方式是：当外设要求CPU交换数据时，可向CPU发出中断请求，CPU在执行完当前指令后，即可中断当前任务的执行，根据中断源提供的中断类型号，转入相应的中断处理程序，以实现对外设的数据传送和管理。该方式可实现CPU和外设并行工作。信息科学与工程系17四、CPU与I/O端口之间传送信息的方式（续）传送查询等待I/O工作传送查询等待I/O工作传送tCPU外设图7.5查询传送方式下CPU与外设工作过程示意图CPUCPU做其他工作I/O工作CPU做其他工作I/O工作外设中断处理中断处理中断处理t图7.6中断传送方式下CPU与外设工作过程示意图信息科学与工程系18四、CPU与I/O端口之间传送信息的方式（续）◎DMA传送方式（重点）DMA（DirectMemoryAccess）传送方式又称直接存储器存取方式。其原理就是在存储器与外设之间开辟一条高速数据通道，使外设与内存之间直接交换数据。这一数据通道是通过DMA控制器(DMAC)来实现的。在DMA传送期间，不需要CPU的任何干预，而是由DMA控制器控制系统总线，在其控制下完成数据传送任务。对于高速数据传送和与外设频繁交换信息的场合，DMA方式比中断传送方式效率高。因为中断传送要不断的保护断点和现场，使CPU的工作效率大为降低。信息科学与工程系19四、CPU与I/O端口之间传送信息的方式（续）DMA传送原理示意图如下：信息科学与工程系20四、CPU与I/O端口之间传送信息的方式（续）首先，应由CPU告诉DMA控制器：DMA传送由内存向外设传送，数据在内存的首地址及数据块长度，然后CPU启动DMA与外设，并把总线控制权交给DMAC。此后的传送完全由DMAC来管理，CPU可去干其他工作（但不能访问系统总线）。传送一个字节的过程如下：当外设可以接收一个字节时，外设向DMAC发出DMA请求。DMAC收到DRQ有效后，即向CPU发出总线请求HOLD，请求CPU让出系统总线。信息科学与工程系21CPU在收到HOLD有效后，在当前总线周期结束后，就使DB、AB和CB处于高阻态，发出HLDA来响应DMAC的请求，这时，CPU中止程序的执行，只监视HOLD的状态。DMAC检测到HLDA有效后：在AB上发出内存的地址，发出MEMR和IOW命令，同时向外设发出DACK和AEN。于是，由地址和MEMR所选中的内存单元的数据就送到DB上，而由DACK和IOW选中的外设来接收DB上的数据。DMAC撤销HOLD，使系统总线浮空。信息科学与工程系22五、PC机系列I/O端口地址分配•地址分配：前256个端口给系统板，后768个端口给扩展版•系统板上接口芯片的端口地址(000H~00FFH)I/O芯片端口地址DMA控制器1DMA控制器2DMA页面寄存器000~01FH0C0~0DFH080~09FH中断控制器1中断控制器2020~03FH0A0~0BFH定时器并口CMOSRAM协处理器040~05FH060~06FH070~07FH0F0~0FFH信息科学与工程系23五、PC机系列I/O端口地址分配（续）•扩展槽上接口控制卡的端口地址（100H~3FFH)I/O接口名称端口地址游戏控制卡200~20FH并行口控制卡1并行口控制卡2370~37FH270~27FH串行口控制卡1串行口控制卡23F8~3FFH2F8~2FFH用户实验卡300~31FH同步通信卡1同步通信卡23A0~3AFH380~38FH单显MDA彩显CGA彩显EGA/VGA3B0~3BFH3D0~3DFH3C0~3CFH硬驱控制卡软驱控制卡1F0~1FFH3F0~3F7HPC网卡360~36FH信息科学与工程系24六、I/O端口地址译码•译码电路的两种译码方式–固定式端口地址译码–可选式端口地址译码•译码电路的实现途径–门电路译码–译码器译码–GAL、FPGA器件实现译码（译码电路对外可保密）（由于涉及到开发工具与GAL编程，不要求掌握）信息科学与工程系25六、I/O端口地址译码（续）•全译码电路：读2F8H端口（A9~A0=1011111000B）•用门电路实现译码，IOR也参与译码注：AEN=0非DMA传送AEN=1DMA传送74LS2074LS30A9A8A3A2A1A0AENIORY74LS32信息科学与工程系26六、I/O端口地址译码（续）•读写2F8H端口（IOR与IOW都参与译码）74LS2074LS30A9A8A3A2A1A0AENYIORIOW读2F8口写2F8口74LS3274LS3274LS32信息科学与工程系27六、I/O端口地址译码（续）•举例74LS2074LS30A9A8A3A2A1A0AENYIORIOW读2F8口写2F8口74LS3274LS3274LS3274LS373LEOED0-D7Q0-Q7CPUDataBus74LS245GDIRABMOVDX,2F8HINAL,DXOUTDX,AL信息科学与工程系28六、I/O端口地址译码（续）•采用译码器可同时译出多个端口地址–常用译码器有3-8译码器74LS138、4-16译码器74LS154，双2-4译码器74LS139等ABCG2BG2AGY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774LS138信息科学与工程系29六、I/O端口地址译码（续）•例：采用74LS138译码器实现PC机系统板上的端口地址译码ABCG2BG2AGY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774LS138DMACS(000-01FH)INTRCS(020-03FH)T/CCS(040-05FH)PPICS(060-07FH)WRTDMAPGWRTNMIREG080-09FH0A0-0BFHIOWA5A6A7A8A9AEN信息科学与工程系30第二节定时器/计数器信息科学与工程系31定时与计数•计算机中和日常生活中一样广泛应用定时与计数•定时（日时钟，信号源的时钟周期，测试中的超时处理等）产生一个精确的时延•计数（产品计数、汽车流量计数、学生人数计数等）对特定事件进行计数•实质上，定时是通过计数来实现的。例如：一年365天，一天24小时，一小时60分。香港回归倒计时。信息科学与工程系32计算机系统中的定时•通常，一个计算机系统中定时功能是必需的。该定时器用来驱动操作系统的系统时钟。操作系统根据系统时钟完成任务调度等。定时长度可以是500ns，10ms，100ms等。•定时器的工作原理•Fosc—标准时钟发生器•预分频器—其输出作为计数器时钟（计时精度与计时长度）•时间常数寄存器（TCR）--存放计数初值，决定计时长度。•计数器—它从