第7章 微型计算机接口技术概述8237

第7章微型计算机接口技术概述第7章微型计算机接口技术概述7.1概述7.2CPU与外设之间的数据传送方式7.3微型计算机I/O接口设计7.4DMA控制器习题与思考题第7章微型计算机接口技术概述前面我们已经讲述了组成微型计算机的核心部件CPU及存储器结构，并介绍了CPU与存储器的连接。本章中将介绍与CPU相连接设备的接口电路，即把CPU与外围设备连接起来实现数据传输控制的控制电路，简称外设接口。输入/输出是微机系统与外部设备进行信息交换的过程。7.1概述第7章微型计算机接口技术概述CPU与外设之间的信息交换，是通过它们之间接口电路中的I/O端口来进行的，由于同一个外部设备与CPU之间所要传送的信息类型不同，方向不同，作用也不一样（如数据信息、状态信息、控制信息等），所以接口电路中可以设置多个端口来分别处理这些不同的信息。第7章微型计算机接口技术概述CPU接口电路外部设备图7.1CPU与外设连接总体结构图CPU与外设连接总体结构如图7.1所示。第7章微型计算机接口技术概述1．什么是I/O接口电路•I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑控制电路。是CPU与外界进行信息交换的中转站。按功能分为两类：（1）使微处理器正常工作所需要的辅助电路，通过这些辅助电路，使处理器得到所需要的时钟信号或接收外部的多个中断请求等；（2）输入/输出接口电路，利用这些接口电路，使微处理器可以接收外部送来的信息或将信息发送给外部设备。第7章微型计算机接口技术概述2．为什么CPU与设备之间要增加接口电路•存储器与系统的连接不需要接口电路，直接连在总线上是因为存储器是用来保存信息的，功能单一，传送方式也单一，一次必定是传送一个字或一个字节；存储器的存取速度基本上可以和CPU匹配。•外设与CPU连接需要使用接口电路，是因为输入/输出设备的种类繁多，有机械式的、电子式的、机电式的、电磁式的和光电式的等；所处理的信号有数字信号第7章微型计算机接口技术概述、模拟信号、电压信号、电流信号等；输入/输出信息的速率也相差很大，且相差悬殊；CPU与外部设备之间的信息交换技术也比较复杂。在CPU与外设之间增加接口电路主要有以下作用：（1）微机的外部设备多种多样，外部设备与CPU的存取速度不匹配，外设的工作速度通常比CPU的速度低很多，需要增加接口电路起到缓冲的作用，解决CPU与外设的速度不匹配的矛盾。第7章微型计算机接口技术概述（2）不同的设备处理信息格式不同，有些设备处理的是模拟信号，有些设备处理的是串行信号，而CPU处理的是并行的数字信号。这些设备不能与CPU直接相连，必须经过接口电路将信号转换成CPU可以处理的数字信号。（3）外设的启动、工作方式的设置等操作，外设运行状态的监控，都是CPU通过接口来实现控制和监控的。第7章微型计算机接口技术概述（4）CPU可能同时访问多个设备，某一时刻CPU只能和一个外设交换信息。CPU输出地址信息选择设备，也是通过与其相连接的接口电路来实现寻址的。输入接口是将输入设备送来的信息变换成CPU能接收的格式，放在内部缓冲器中让CPU接收。输出设备将CPU送来的数据放到缓冲器中，转换成外部设备所需要的信息格式。因此，程序控制输入输出过程中，针对的是与设备相连接的接口电路。端口即接口电路的内部寄存器。第7章微型计算机接口技术概述3．输入/输出接口电路的端口寻址方式•微机系统采用总线结构形式，即通过一组总线来连接组成系统的各个功能部件，CPU、内存、I/O端口之间的信息交换都是通过总线来进行的，如何区分不同的内存单元与I/O接口电路中的端口，是I/O寻址方式所要讨论解决的问题。(回顾I/O寻址方式,P79)•根据微机系统的体系结构不同，I/O接口电路与存储器的编址方式也不相同。不同微型计算机系统中存储器与I/O端口的编址方式通常有两种形式：第7章微型计算机接口技术概述（1）统一编址方式。这种方式又称为无重复编址方式，在这种方式中把外设的一个端口与存储器的一个单元作同等对待，每一个I/O端口都有一个确定的端口地址，CPU与I/O端口之间的信息交换，与存储单元的读写过程一样，内存单元与I/O端口的不同，只在于它们具有不同的地址。这种编址方式的实质是存储器的连接与接口电路的连接共用同一套译码电路。第7章微型计算机接口技术概述统一编址方式的优点：(1)CPU对I/O端口的读/写操作可以使用全部存储器的读/写操作指令，也可以用对存储器的寻址方式来对I/O端口中的信息进行访问，直接进行算术、逻辑运算及循环、移位等操作；(2)内存与外设地址的统一分配，可以用统一的译码电路，减少了系统中的电路控制；(3)不需要专门的输入、输出操作指令，计算机的指令系统相对简化。第7章微型计算机接口技术概述•统一编址方式的缺点:(1)内存与I/O端口统一编址时，在地址总线数目一定的情况下，外设端口占用一部分地址空间，使系统中可以直接寻址的内存单元数减少；(2)一般情况下，系统中I/O端口数远小于内存单元数，所以在用直接寻址方式来寻址这些端口时，要表示一个端口地址，必须用与表示内存单元地址相同的字节数，使得指令代码较长，相应地读/写执行时间也较长，这对提高系统的运行速度是不利的；(3)程序的可读性降低，难以区分指令中的地址是访问内存还是外设端口。Motorola公司的M6800CPU等均采用这种寻址I/O端口的方式。第7章微型计算机接口技术概述（2）独立编址方式。这种编址方式也叫做重复编址。这种编址方式存储器与外设接口电路都有自己的译码电路，这样CPU与外设进行数据交换需要专用的I/O指令。•独立编址方式优点是(1)CPU对I/O端口的读/写操作与存储器的读/写操作指令分开，增强了程序的可读性；(2)内存与外设地址的分配，都有独立的译码电路，外设不占用内存空间；(3)专门的输入、输出操作指令可以加快外设的访问速度；独立编址方式的缺点在于(1)内存与I/O端口独立编址时，需要两套译码电路，增加了系统的复杂性；(2)需要专门的输入、输出操作指令，使指令系统复杂。•目前广泛使用的Intel系列CPU都是采用独立编址方式。第7章微型计算机接口技术概述4.CPU与外设之间所传送的信息类型•CPU与I/O接口之间所交换的信息，按其交换的信息类型，主要包括下列几种类型：（1）数据信息。包括数字量、模拟量、开关量等。在输入过程中，数据信息由外设经过接口电路进入到系统的数据总线，然后到达CPU。在输出过程中，数据信息从CPU经过系统数据总线，进入接口，然后到达外部设备。第7章微型计算机接口技术概述（2）状态信息。这是I/O端口送给CPU的有关本端口所对应的外设当前状态的信息。状态信息反映了外设所处的工作状态，CPU可通过接口的状态口读取外设的状态，以进行分析、判断和决策。（3）控制信息。控制信息是通过接口传送给外设的，CPU通过发控制命令来控制外设的工作。外设的启动信号、停止信号、工作方式设置及工作方式转换等控制命令都是常见的控制信息。第7章微型计算机接口技术概述•数据信息、状态信息和控制信息是不同类型的信息，它们所起的作用也不一样。但在8086/8088CPU的微机系统中，这三种不同类型的信息的输入、输出过程是相同的。为了加以区分，给它们不同的端口编址，在端口地址相同的情况下，可以规定操作的顺序，或者在输入/输出的数据中设置特征位。第7章微型计算机接口技术概述•一个典型的接口电路的内部结构如图7.2所示。CPU外部设备状态端口数据端口控制端口I/O接口DBABCB数据信息状态信息控制信息图7.2典型接口电路内部结构图第7章微型计算机接口技术概述5．端口与接口内部寄存器对应关系•接口电路能够在CPU和外设之间传送信息，主要是由内部的寄存器起到信息的暂时存放和缓冲作用，在程序控制中，CPU都是通过这些寄存器间接访问外部设备，也就是我们通常说的端口。端口和接口电路中的寄存器有什么样的对应关系呢？•一个寄存器对应一个端口，但是一个端口可能包含一个以上的寄存器，这种一对多的关系在端口访问时，区分同一端口内部的寄存器主要有以下三种方式：第7章微型计算机接口技术概述（1）根据信息传送方向不同。数据端口通常包含两种类型寄存器，输入数据缓冲器和输出数据缓冲器。根据其接受和传送数据的方向不同，这两个寄存器可以分配一个端口地址，读操作只能读输入数据缓冲器的内容，写操作只能将内容送到输出数据缓冲器中。控制寄存器和状态寄存器的原理与此类似，状态寄存器只能进行读操作，控制寄存器只能进行写操作。第7章微型计算机接口技术概述（2）一个端口中对应多个操作方向相同的寄存器，在命令字中通常有特征位来区分访问的寄存器。（3）除特征位外，区分一对多的方法，可根据规定的读写顺序。部分接口芯片初始化命令字就是按固定的顺序来写入芯片的。第7章微型计算机接口技术概述•外部设备运行速度相差较大。有些设备的运行速度较快，如硬盘可以达到每秒兆字节（MB/S）的传送速度；有些设备由于机械等因素影响，运行速度相当低，如键盘，输入一个字节数据需要几十毫秒。CPU何时与设备进行数据的写/读操作，成为计算机系统中复杂的定时问题。•CPU与外设间数据传输时，根据外设特点，控制方式通常有程序控制、中断控制、直接存储器存取DMA（DirectMemoryAccess）控制和I/O处理机控制4种方式。7.2CPU与外设之间的数据传送方式第7章微型计算机接口技术概述7.2.1程序控制方式•程序控制方式是指直接在程序控制下，用I/O指令来控制信息的传输，是一种软件控制方式，根据程序控制方法不同，可以分为无条件传送方式和条件传送方式。1.无条件传送方式•CPU在访问设备时，确信设备已经处于准备就绪状态，不需要查询设备的状态，直接通过I/O指令与设备传送数据，称为无条件传送方式。第7章微型计算机接口技术概述•无条件传送方式下，程序设计比较简单。虽然称为无条件传送，实际上是有条件的，要求数据传送不能太频繁，以保证每次数据传送时，设备处于准备就绪状态。无条件传送方式使用较少，只针对一些简单的外设操作，如开关、LED显示器等设备。•利用程控方式与外设交换信息时，如果输入/输出时能可以保证外设总是处于“准备好”状态，则可以直接利用I/O指令进行信息的输入/输出操作。这种设备的硬件连接比较简单，其结构如图7.3和图7.4所示。第7章微型计算机接口技术概述图7.3无条件输入接口电路结构图7.4无条件输出接口电路结构三态缓冲器译码电路8位数据总线地址总线M/IORD三态缓冲器地址译码器数据8位数据总线地址总线M/IOWR数据第7章微型计算机接口技术概述•从硬件电路上来看，输入操作时，高位地址线经过译码产生片选信号，地址线的低位与接口的地址线相连选中接口电路中的访问端口。CPU控制信号和信号共同作用，生成芯片的读控制信号。CPU用IN指令通过数据总线读取端口中数据。•在输出数据时，高位地址线经过译码产生片选信号，地址线的低位与接口的地址线相连选中接口电路中的访问端口。CPU控制信号和信号共同作用，生成芯片的写控制信号。CPU用OUT指令通过数据总线将数据送入端口锁存器，等待设备提取数据CSM/IORDCSM/IOWR第7章微型计算机接口技术概述•这种方式下的硬、软件设计都比较简单，但应用的局限性较大，因为很难保证外设在每次信息传送时都处于“准备好”状态。这种输入/输出方式适合于专用控制系统，不考虑CPU效率问题。第7章微型计算机接口技术概述2.条件传送方式•条件传送方式也称为查询方式。条件传送时，CPU首先通过状态端口查询设备状态，若设备处于“忙”状态，需要继续等待查询。设备处于“准备好”时，CPU执行I/O指令与外设交换信息。这样接口电路除数据端口外，还有状态端口。•一般外设均可以提供一些反映其状态的信号，对设备来说，它能提供“准备好”（READY）信号。READY=1表示输入数据已准备好，否则设备则提供“忙”(BUSY)信号，BUSY=1表示当前时刻不能与CPU进行数据交换，只有当READY=1或BUSY=0时，才表明它可以与CPU进行数据交换。