微机原理与接口技术课件 第2章

现代微机原理与接口技术22.1接口概述2.1.1I/O接口基本概念1.为什么要引入接口•微机和I/O设备的信息类型和格式可能不一样。•微机和I/O设备信号传输处理的速度可能不匹配。•不用接口，I/O直接接CPU，随着外设增加，会大大降低CPU的效率。•I/O直接接CPU，会使外设硬件结构过于依赖CPU，对外设本身发展不利。定义：接口是CPU与“外部世界”的连接电路，负责“中转”各种信息。2.接口的概念分类：存储器接口和I/O接口。位置：介于系统总线与外部设备之间。接口与I/O设备不同I/O设备对应I/O接口不同。I/O接口受CPU控制，I/O设备受I/O接口控制。为增加通用性，I/O接口电路一般均具有可编程功能。微机的应用离不开外部设备接口的设计、选用和连接。CPU接口外设数据数据控制信号控制信号状态信号状态信号可能是单向的、I/O接口功能数据缓冲功能：通过寄存器或锁存器实现。存放数据的寄存器或锁存器称之为数据口。接受和执行CPU命令功能：存放CPU命令代码的寄存器称之为命令口，存放执行状态信息的寄存器称之为状态口。设备选择功能：CPU通过地址译码选择不同外设。即CPU通过地址译码选择不同I/O接口和I/O接口中连接的不同的设备。信号转换功能：协调总线信号与I/O设备信号。转换包括信号的逻辑关系、时序配合和电平转换。可编程功能：增加接口的灵活性和智能性。、I/O接口组成接口由接口硬件和接口软件组成。1.接口硬件核心部分侧引脚信号：外设侧引脚信号：数据信号：接口缓冲寄存器与外设间的数据交换；状态信号：外设工作状态送给接口的状态寄存器；控制信号：接口的内部控制逻辑控制外设工作的控制信号和同步信号。地址信号：选择I/O接口中的不同寄存器；数据信号：命令或数据写入到相应寄存器，或者从相关寄存器读出数据或状态；控制信号：控制命令的执行、时序、信号同步和片选；状态信号：接口的部分工作状态信号。内部控制逻辑：根据控制寄存器、状态寄存器、总线控制信号及外设状态信号控制I/O接口的工作。网卡USB并行口MIDI/游戏接口显示器接口13941394a麦克风/音箱/线入接口串行口接口软件（设备驱动程序）初始化程序段：设置接口工作方式及初始条件。传送方式处理程序段：CPU针对不同的I/O设备有不同的处理方式。如设置中断向量等。主控程序段：完成接口任务的程序。程序终止与退出程序段：对接口电路硬件保护及操作系统中数据恢复。辅助程序段：提供人-机对话手段。无条件传送方式特点：I时假设外设已准备好，O时假设外设空闲。要求：接口I时加缓冲器，O时加锁存器。应用：对简单外设的操作。2.条件传送方式（查询方式）工作原理：CPU查询外设已准备好后，才传送数据。特点：CPU与外设间自然同步。要求：需要增加表示外部设备状态的简单硬件电路。应用：适用在CPU不太忙且传送速度要求不高时。中断传送方式特点：CPU与外设可同时工作。要求：接口中需要中断控制逻辑支持。应用：适用与非高速度大量数据传送时。2.2.2直接存储器存取(DMA)方式特点：数据的传送不经过CPU而由DMA负责，但I/O设备管理由CPU控制，简化CPU对I/O的控制。要求：需要DMA控制器及相关逻辑支持。应用：适用与高速度大量数据传送时。处理机方式特点：I/O处理机接管了CPU的各种I/O操作及I/O控制功能，CPU能与IO处理机并行工作。I/O处理机有自己的指令系统，能独立地直接存取主存储器、对外设和I/O过程进行管理。要求：需要IO处理机支持。应用：高速I/O归IO处理机管理，低速I/O设备归CPU管理。编址与访问2.3.1I/O端口1.I/O端口I/O端口是供CPU直接存取访问的接口中的寄存器或电路。接口中的命令口、状态口和数据口均为I/O端口。2.I/O端口地址是对接口中的不同寄存器或电路的编号，该编号加上该接口的基地址称为该端口的I/O端口地址。CPU通过向命令端口发命令来对接口，最终对设备进行控制。访问设备实际上是访问相关的端口。3.命令、接口与I/O端口关系一个接口中有多个I/O端口；一个I/O端口可接受多种命令，对应多个寄存器。端口编址1.I/O统一编址（存储器映象I/O编址）一个I/O端口等同于一个存储器单元。存储单元和I/O端口统一编址。优点：对I/O端口的访问命令与对存储器单元访问相同，不必使用专用I/O指令；外设数目或I/O寄存器数几乎不受限制。系统读写控制逻辑较简单。缺点：I/O端口占用部分MEM空间，可用MEM空间减小；对MEM访问指令较长，执行速度较慢；I/O端口地址译码时间较长。MEM空间I/O空间N-1KK-10存储类指令应用：Motorola系列和Apple系列均采用此方式独立编址I/O端口地址空间与存储器地址空间相互独立。应用：Z-80系列和x86系列均采用此方式。优点：MEM地址空间不受I/O端口地址空间影响；I/O端口数量不多，占用地址线少，地址译码简单，速度较快，使得此类指令执行速度快；使用专用I/O命令(IN/OUT)，与MEM访问命令(LOAD/STORE、MOV)有明显区别,便于理解和检查。MEMI/O设备N-10存储类指令I/O类指令K-10缺点：3.Intel系列微机I/O编址Intel系列微处理器支持I/O独立编址方式和I/O统一编址（存储器映象编址）方式。Intel系列微机系统仅支持I/O独立编址方式。专用I/O指令增加指令系统复杂性，且I/O指令类型少，寻址方式也少，程序设计灵活性较差；要求处理器提供MEMR/MEMW和IOR/IOW两组控制信号，增加了控制逻辑的复杂性。端口访问2.I/O端口地址寻址方式I/O端口支持直接寻址和间接寻址方式。直接寻址是使用一字节立即数寻址，端口寻址范围为00H~FFH共256个。间接寻址是使用DX寄存器间接给出I/O端口地址，可寻址的范围是0000H~FFFFH共64K个端口。1.I/O端口地址空间I/O端口地址空间：理论上有64K个独立编址的8位端口空间。两个连续8位端口可作为16位端口，4个连续的8位端口可作为32位端口处理。注意端口地址对齐。I/O端口地址信号：借用地址线信号和IOW/IOR信号线以及表示DMA正在工作的AEN的反相信号组成。端口与存储器间I/O指令——块I/O指令格式：INSB/W/D、OUTSB/W/D。参数：用DX指定I/O端口地址，输入/输出时的目的/源RAM地址用ES:DI(EDI)/DS:SI(ESI)指定。EFLAG寄存器中DF位来决定地址加和减。结果：通过前缀REP在I/O端口和连续的存储器空间之间传送数据。3.I/O端口与累加器间I/O指令——寄存器I/O指令格式：IN、OUT。结果：完成I/O端口和EAX、AX、AL之间的数据传送，可使用直接寻址和间接寻址方式。举例：movdx,3fdhmoval,36hinal,dxout43h,al~A16/S6~S3CS82540H00H43H[AL]OUT43H,ALWR(IOW)IO/M保护I/O保护在保护模式下有效，在实地址模式下无效。1.I/O特权级IOPL保护保护通过比较当前任务的特权级CPL和标志寄存器的IOPL字段实现的。若CPL≤IOPL，可执行IN、OUT、INS、OUTS、CLI、STI等敏感指令(对IOPL敏感)；否则不行。每个任务都有自己的IOPL，0级特权的过程可通过POPF和IRET指令修改任务的IOPL。允许位映象保护I/O允许位映象用来修正IOPL对I/O敏感指令的影响，允许低特权的程序访问某些I/O端口。I/O允许位映象是一个位向量，每位对应一个端口的操作权限(0表示允许)。操作系统可通过改变任务TSS中的I/O允许映象来为某任务分配端口。（一定是在0级）思考：如何让普通任务访问I/O端口？•通过操作系统提供的接口函数；•通过设备驱动程序（其运行在0级上）；•通过操作系统的漏洞。思路：设法进入到0级保护模式和V86模式I/O访问流程接口硬件分类系统板上I/O芯片和I/O扩展槽接口卡。2.I/O端口地址分配PC系列I/O地址线有16根，对应64K空间；I/O端口译码只使用了A0-A9，共1024个端口，地址范围为0000H~03FFH。不同的微机系统对I/O端口地址的分配不同。初期：A9=0端口(512个)为系统板所用，其他端口(512个)为扩展槽所用。芯片名称地址范围DMAC1DMAC2DMA页面寄存器0000-001FH00C0-00DFH0080-009FH中断控制器1中断控制器20020-003FH00A0-00BFH定时器并行接口芯片(键盘接口)RT/CMOSRAM协处理器0040-005FH0060-006FH0070-007FH00F0-00FFH系统板I/O接口芯片端口地址(0000H-00FFH)：PC/AT：A8=A9=0端口(256个)为系统板所用，其他端口(768个)为扩展槽所用。返回30页接口卡端口地址(0100H-03FFH)：I/O接口名称地址范围游戏控制卡0200-020FH并行口控制卡1并行口控制卡20370-037FH0270-027FH串行口控制卡1串行口控制卡203F8-03FFH02F8-02FFH原型插件板(用户可用)0300-031FH同步通信卡1同步通信卡203A0-03AF0380-038FH单显MDA彩显CGA彩显EGA/VGA03B0-03BFH03D0-03DFH03C0-03CFH软驱控制卡硬驱控制卡03F0-03FFH01F0-01FFHPC网卡0360-036FH现代微机原理与