第六章 IO接口和总线

第六章I/O接口和总线本章要点概念：接口、端口I/O接口的功能、CPU控制外设的方式、I/O端口的编址方式简单的接口芯片及其应用I/O端口编址方法总线、总线的分类、总线结构的优点6-1I/O接口一、I/O接口的概念和功能I/O接口：是指CPU和存储器、外设或这两种外设、两种机器之间通过系统总线进行连接的逻辑部件或电路它是CPU与外设进行信息交换的中转站。注意I/O接口与I/O设备的区别2、采用I/O接口的必要性（1）CPU与外设的速度不匹配（2）信号电平不匹配（CPU信号是TTL电平）（3）信号格式（位数、传送方式、模拟/数字）不匹配）（4）时序不匹配。。3、接口的功能设置数据缓冲来解决速度不匹配的问题（缓冲器和锁存器特点、作用）设置信号电平转换电路设置信息转换逻辑设置时序控制电路来同步CPU和外设的工作提供地址译码电路实现设备选择设置输入输出控制、读写控制及中断控制二、简单的输入输出接口芯片缓冲器74LS244和缓冲器74LS245锁存器缓冲器74LS373三、I/O端口及其寻址方式I/O端口：接口电路中存放信息的寄存器和他们的控制逻辑统称为I/O端口，CPU可对端口信息直接读写。I/O端口的类型：数据端口（8位）、状态端口、命令端口（常用D触发器和三态门来构成）I/O端口寻址方法端口中的寄存器可由程序进行读或写，类似于存储器的单元，所以又称他们为可编程序的I/O端口，统称为外设端口（PORT）。通常由系统给他们各分配一个地址，称端口地址。CPU访问外设就是通过寻址端口来实现的。存储器映象方式（MCS-51）I/O单独编址方式（8086/8088）四、CPU与外设间的数据传送方式程序控制方式（1）无条件传送方式适用于对简单外设进行操作，这类外设任何时刻均已准备好或处于接收数据状态。（2）条件传送方式（查询式）中断方式DMA方式——DIRECTMEMORYACESS程序传送方式无条件传送方式程序传送方式查询传送方式查询方式的数据传送过程如下：（1）CPU从状态端口读取状态字。（2）CPU判断状态位是否“准备就绪”，如果没准备好，就返回上一步，继续读取状态字。（3）如果准备好，则执行数据传送操作。中断传送方式当外设准备好后，外设接口便主动向CPU发“中断请求”信号。CPU响应这样这一请求，则暂停正在执行的程序，而转入与外设操作有关的中断服务程序。在中断服务程序中完成数据的输入或输出，中断服务程序执行完毕，CPU返回到原来程序的断点继续执行。DMA传送方式在存储器和外设之间建立起直接的数据传送通路，即不经由CPU，而由专门的DMA控制器实现存储器和外设之间的操作。于是，传送就不必进行保护现场等一系列额外操作，从而减轻了CPU的负担，因此特别适合于高速度大批量数据传送的场合。但是，这种方式要增设DMA控制器，硬件电路比前两种方式更为复杂。DMA传送方式DMA传送方式6-2总线总线的概念用于各部件之间传送信息的公共通路。总线的分类片内总线：位于CPU内部，用于ALU、寄存器等功能单元之间相互连接。片级总线：用于芯片一级的连接。在将接口芯片与CPU连接时就要与这种总线打交道。它一般是CPU引脚的延伸。（当CPU连接的芯片较多时，为提高驱动能力，往往需增加锁存、驱动电路。内总线（系统总线）：用于微机系统各插件板之间的连接，是微机系统最重要的一种总线。有的系统总线是片总线经过重新驱动和扩展而成，其性能与某种CPU有关，但有的系统总线可为多种CPU极其配套芯片所使用。（PC总线、ISA、EISA、S-100、STD）外总线（通信总线）（1）并行外总线：GP-IB（IEEE-488）（2）串行外总线：RS-232/422/485、USB、IEEE-1394（火线）总线信号分类数据总线、地址总线、控制总线总线性能参数总线时钟频率、总线宽度、总线传输速率总线标准机械结构规范、功能结构规范、电气规范总线发展趋势系统总线ISA总线特点：8位ISA扩展I/O插槽由62个引脚组成，用于8位的插卡；8/16位的扩展插槽除了具有一个8位62线的连接器外，还有一个附加的36线连接器，这种扩展I/O插槽既可支持8位的插卡，也可支持16位插卡。系统总线ISA总线性能指标：·I/O地址空间0100H～03FFH·24位地址线可直接寻址的内存容量为16MB·8/16位数据线·62+36引脚·最大位宽16位·最高时钟频率8MHZ·最大稳态传输率16MB/S·中断功能·DMA通道功能·开放式总线结构，允许多个CPU共享系统资源系统总线EISA总线.开放式结构。EISA和ISA兼容，现有的ISA扩充板可以用于EISA总线上.·32位地址域直接寻址范围为4GB·32位数据线，最大时钟频率8.3MHz·最大传输率33MB/SEISA插槽由于要与ISA和EISA插卡兼容，因此在结构上和以往的插槽不同，采用了双层结构。系统总线PCI总线PCI（peripheralcomponentinterconnect）总线是Intel公司推出的外围设备互连总线，是另一种局部总线规范。PCI总线的主要性能：·支持10台外设·总线时钟频率33.3MHz/66MHz·最大数据传输速率133MB/s·时钟同步方式·与CPU及时钟频率无关·总线宽度32位（5V）/64位（3.3V）·能自动识别外设·特别适合与Intel的CPU协同工作外部总线RS-232-C总线美国电子工业协会EIA制定的一种串行物理接口标准。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。外部总线RS-232-C总线1、RS-232-C电气特性（1）信号逻辑电平在TXD和RXD上：逻辑1(MARK)=－3V～－15V逻辑0(SPACE)=+3V～15V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）＝+3V～+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压）=－3V～－15V。（2）信号电平转换常用芯片MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。RS-232-C总线（3）信号的传输速率RS-232-C标准允许信号传输速率在0～20000bps之间。在实际使用中被限制在19200bps以内。2、RS-232-C机械特性RS-232C标准接口有25条线，4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线，常用的只有9根，介绍如下：外部总线2、RS-232-C机械特性联络控制信号线数据装置准备好（Datasetready-DSR）数据终端准备好（Datasetready-DTR）请求发送（Requesttosend-RTS）允许发送（Cleartosend-CTS）接收线信号检出（ReceivedLinedetection-RLSD）振铃指示（Ringing-RI）外部总线2、RS-232-C机械特性数据发送与接收线：发送数据（Transmitteddata-TXD）接收数据（Receiveddata-RXD）地线有两根线SG、PG3、RS-232-C接口的连接方式RS-232-C接口既可以用于同步通信，也可以用于异步通信。当传输距离较远时，两个数据终端设备（如一台计算机与一台终端）需要通过MODEM相连。但当相距较近时，不需要MODEM，就成了两个DTE通过RS-232-C接口直接相连。这时需要做一条通信电缆来连接两个数据终端设备。外部总线左边的接线方法是零MODEM方式的简单连法，只要任何一方自身请求发送有效和数据终端就绪有效，即可实现发送和接收。右边的接线方法是按照RS-232-C标准定义的控制MODEM的规则进行引脚连接的，双方的DTE仍以为与自己一侧的DCE在通讯，其实双方DTE都跳过了DCE，而实现异步通信。外部总线外部总线RS-485总线适用范围：通信距离为几十米到上千米特性：采用平衡发送和差分接收采用半双工工作方式用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。外部总线RS-485总线性能指标：（1）机械特性采用RS－232/RS－485连接器（如ADAM4520）将PC串口RS2232信号转换成RS-485信号，或接入TTL/RS-485转换器（如MAX485）将I/O接口芯片TTL电平信号转换成RS—485信号，进行远距离高速双向串行通信。（2）电气特性信号负逻辑，＋2V～＋6V表示“0”，-6V～-2V表示“1”。（3）功能特性RS－485总线的数据链路协议，除有的采用符合ISO高级数据链路控制协议（HighDataLinkControl—HDLC）的数据链路处理器件或专有接口器件执行外，多数是参照HDLC或其他一些标准自行定义而成，由此可组建经济实用型工业局域网。外部总线IEEE-488总线－并行总线接口标准特性：（1）设备总线：总线上所连接的设备包括计算机在内，最多不超过15台。（2）传输距离：互连电缆的传输路经总长度不超过20米。（3）传输速度：信号传输速度一般为500KB/S，最大传输速度为1MB/S。（4）信息传输方式：并行总线，数据采用位并行，字节串行的传输方式。每一个字节的传输均采用三条通信联络线进行（即所谓三线握手），以保证异步通信的可靠性。（5）信号逻辑：总线上的信息采用负逻辑进行，低电平≤＋0.8V对应“1”，高电平≥＋2.0V对应“0”。外部总线USB总线－串行总线接口标准通用串行总线USB（universalserialbus）是一种标准的连接接口，允许不必重新配置规划系统。特性：（1）快速：（2）即插即用与热插拔的特性，能自动检测与配置系统的资源。（3）USB接口采用了统一的接口规范（4）为外设提供电源（5）USB最多可以连接127个接口设备。外部总线USB总线－串行总线接口标准USB系统拓扑结构：一般分为三个主要的部分：USB主机控制器／根集线器（HOSTCONTROLLER/ROOTHUB）；USB集线器（USBHUBS）；USB设备（USBDEVICES）。；外部总线微型计算机的最小系统输入/输出接口芯片8282、8286