输入输出接口技术

4.1概述接口电路是介于主机和外设之间、起缓冲、转换和匹配作用的电路。它负责协调CPU与外设之间的数据传送。CPU接口电路I/O设备接口在CPU与外设之间常见接口PS2鼠标PS2键盘千兆网10/100M网卡USB并行口MIDI/游戏接口显示器接口13941394a音箱/线入接口/麦克风串行口4.1概述接口是指计算机中两个不同部件之间的电路和软件。一、接口结构和功能接口通常包括数据端口、状态端口和控制端口。4.1概述（2）状态端口：外设当前的状态信息，便于CPU测试。（1）数据端口：传送数据信息，起缓冲器的作用。按一次传送数据的位数可分为：串行传送：逐位分别传送。并行传送：多位同时传送。CPU只能读取状态信息，不能改写。（3）控制端口：暂存CPU发出的控制命令。控制信息只能由CPU发出，不能由外设发出。4.1概述为什么要接口电路?外部设备种类繁多，从工作原理来讲，可分为机械式、电动式、电子式和其它形式等几类。它们对所传输的信息的要求也各不相同，这就给计算机和外设之间的信息交换带来以下一些问题：(1)速度不匹配：CPU的速度很高，而外设的速度要低得多，而且不同的外设速度差异甚大，它们之中既有每秒钟能传送兆位数量级的硬磁盘，也有每秒钟只能打印百位字符的串行打印机或速度更慢的键盘。4.1概述为什么要接口电路?(2)信号电平不匹配：CPU所使用的信号都是TTL电平，而外设大多是复杂的机电设备，往往不能用TTL电平所驱动，必须有自己的电源系统和信号电平。(3)信号格式不匹配：CPU系统总线上传送的通常是8位、16位或32位的并行数据，而各种外设使用的信息格式各不相同。有些设备上用的是模拟量，而有些是数字量或开关量；有些设备上的信息是电流量，而有些却是电压量，有些设备采用串行方式传送数据，而有些则用并行方式。(4)时序不匹配：各种外设都有自己的定时和控制逻辑，与计算机的CPU时序不一致。(1)数据格式转换功能(串/并转换)(2)联络功能(协调数据传送的状态信息)(3)速度匹配功能（缓冲、定时和控制）(4)电平转换功能（TTL、RS232）(5)负载匹配功能（驱动和功率放大）接口功能4.1概述概念I/O端口:是接口电路中CPU能访问的寄存器。I/O端口地址:为了区分不同的外设接口，微机系统为外设的每个寄存器进行了编号（即分配地址），又称端口号。I/O操作:CPU对I/O接口电路(与设备相关)的操作。不是访问I/O设备。端口编址方式——两种方式统一编址：将存储单元与I/O端口统一编址。独立编址：将存储单元与I/O端口各自独立编址。二、端口的编址4.1概述独立编址优点：I/O端口的地址空间独立控制和地址译码电路相对简单专门I/O指令使程序清晰易读缺点：I/O指令没有存储器指令丰富内存空间I/O空间FFFFF0FFFF80x86采用I/O端口独立编址4.1概述统一编址优点：不需要专门的I/O指令I/O数据存取与存储器数据存取一样灵活缺点：I/O端口要占去部分存储器地址空间程序不易阅读（不易分清访问内存和访问外设）内存部分I/O部分存储器空间00000FFFFF4.1概述三、CPU与外设的数据传送方式程序控制方式无条件传送方式查询传送方式中断传送方式DMA（直接存储器存取）方式4.1概述程序控制方式：CPU与外设的输入/输出数据传送完全由程序控制。1、无条件传送方式又称同步传送方式。传送过程：外设已准备好，不查询外设的状态输入时，外设的数据已送到三态缓冲器。输出时，CPU的输出信息已送到输出锁存器的输入端。用途：用于简单外设，外部动作时间固定且已知开关LED显示器4.1概述选中地址数据写信号读信号输出端口无条件传送输入端口1、无条件传送方式4.1概述查询式数据传送过程3个环节：查询状态环节CPU寻址状态口，读取状态字检测是否满足“就绪”条件如果不满足，回到第一步读取状态字数据传送环节外设已处于“就绪”状态，寻址数据口是输入，通过输入指令从数据端口读入数据是输出，通过输出指令向数据端口输出数据特点：工作可靠，适用面宽，但传送效率低输入状态就绪？数据交换YN流程2、查询传送方式：又称异步传送方式。4.1概述1）查询输入：CPU查询外设状态是否准备好（就绪）,准备好,执行输入;否则等待。CPU数据缓冲器数据锁存器输入设备D7~0D7~0D7~0地址译码电路地址线状态信息（Ready）CPU数据锁存器输出设备D7~0D7~0地址译码电路地址线状态信息（Busy）状态信息（Busy）查询输出方式查询输入方式2、查询传送方式4.1概述2）查询输出：CPU查询外设状态是否忙,不忙,执行输出;否则等待。CPU数据缓冲器数据锁存器输入设备D7~0D7~0D7~0地址译码电路地址线状态信息（Ready）CPU数据锁存器输出设备D7~0D7~0地址译码电路地址线状态信息（Busy）状态信息（Busy）查询输出方式查询输入方式2、查询传送方式4.1概述当系统中有多个外设时查询方式如何工作？1号外设准备就绪？对1号外设服务是否2号外设准备就绪？对2号外设服务是否3号外设准备就绪？对3号外设服务是否2、查询传送方式4.1概述轮询方式优点：接口电路和程序设计都较为简单，容易实现。缺点：CPU外设不能并行工作，CPU的效率低，外设得不到及时响应。适用场合：这种传送方式适用于一般工作速度较慢的外设，特别是外设数量不多，实时性要求不高的场合。2、查询传送方式4.1概述原理在每次外设准备好或空闲时，主动向CPU发出中断请求，以示要传送数据，CPU响应该请求后，执行中断服务程序，实现与外设的数据传送。3、中断传送方式断点主程序中断服务程序中断请求对外设进行处理继续执行返回断点4.1概述中断过程大致分为：中断请求：由需要提供中断服务的设备提出；中断响应：CPU给设备发出一个中断应答信号；现场保护：保护执行中断服务程序前的各种信息；执行中断服务程序：完成特定的操作；恢复现场：恢复执行中断服务程序前的各种信息；中断返回：返回到主程序3、中断传送方式4.1概述3、中断传送方式INTRCPU数据缓冲器数据锁存器输入设备D7~0D7~0D7~0地址译码电路地址线INTRCPU数据锁存器输出设备D7~0D7~0地址译码电路地址线中断输出方式中断输入方式准备好准备好4.1概述3、中断传送方式INTRCPU数据缓冲器数据锁存器输入设备D7~0D7~0D7~0地址译码电路地址线INTRCPU数据锁存器输出设备D7~0D7~0地址译码电路地址线中断输出方式中断输入方式闲闲4.1概述优点：系统的工作效率高，CPU、I/O设备可以并行工作，外设可以主动向CPU请求，能够得到CPU的及时响应。缺点：接口电路比较复杂；每次传送数据，CPU都要做许多额外的工作，传送速度仍然不是很快。适用场合：这种方式适用于一般工作速度不是很快的外设，特别是实时控制、检测场合。3、中断传送方式4.1概述4、直接存储器存取方式（DMA）(DirectMemoryAccess)希望克服程序控制传送和中断传送的不足CPU外设存储器数据数据用专用接口直接数据传送4.1概述DMAC的功能有哪些？①能接受外设的请求，并能向CPU发DMA请求信号；②CPU接到DMA请求信号，如果允许，CPU发DMA响应信号，DMA控制器接管总线，进入DMA方式；③能寻址存储器，并修改地址；④能向外设发读/写信号；⑤能控制传送的字节数，判断DMA是否结束；⑥DMA结束时，能向CPU发出结束信号，将总线控制权交还CPU。4.1概述HLDA发存储器地址传送数据传送结束？DMA结束修改地址指针DMA流程图4.1概述几种数据传送方式特点？无条件传送：慢速外设需与CPU保持同步。查询传送：简单实用，效率较低。中断传送：外设主动，可与CPU并行工作，但中断服务保护现场等需要额外时间开销，还需要硬件开销进行中断管理。DMA传送：无需软件介入，DMAC控制，外设直接和存储器进行数据传送，适合大量、快速数据传送，需要硬件开销。4.1概述4.2串行接口数据在单条传输线上，一位接一位地按顺序传送的方式称为串行通信。串行通信方式用于远程通信。串行通信主要优点是节省通信线路，但具有数据传输效率低的特点。串行通信适合于远距离传送，可以从几米到数千公里。对于长距离、低速率的通信，通常采用串行通信。串行接口与输入输出设备之间以串行方式传送数据，与CPU之间以并行方式传送数据。CPU串行接口外部设备串行并行4.2串行接口功能1实现串行和并行数据格式之间的转换。功能2实现数据缓冲功能。功能3控制功能。接收CPU的命令，输出接口的状态等。串行接口的基本功能如下：4.2串行接口一、串行传输方式在串行通信中,发送端发送数据时,一位一位往外发送,没有问题,问题是接收端,一根线传送过来的信息0110110……表示什么意思?不知道.所以发、收双方一定要有约定。1、接收方怎么知道数据传送的开始和结束？2、接收方怎么判断所接收数据的正确性。所以，串行通信中，如何使收发双方同步工作是关键。为了实现同步，互相通信的双方必须就数据传输方式、同步控制方式、差错处理、应答方式和信号格式等问题作出共同遵守的一组规定，这种规定称为通信协议。常用的串行通信中数据传输的同步方法有2种，即异步方式和同步方式，相应的有异步通信协议和同步通信协议。4.2串行接口1、异步通信：非同步通信或不同步通信异步方式通信是以字符为单位进行传输的，字符之间没有固定的时间间隔要求。收、发双方取得同步的方法是采用在字符格式中设置起始位和停止位。在一个有效字符正式发送前，发送器先发送一个起始位，然后发送有效字符位，在字符结束时再发送一个停止位，起始位至停止位构成一帧。串行异步通信以帧为基本单位发送和接收信息。一帧由起始位、字符、奇偶校验位、停止位组成。4.2串行接口奇偶校验的基本原理利用信息位中“1”的个数的奇偶性来达到检验目的的编码称为奇偶校验码。使整个信息位“1”的个数为奇数的编码叫奇校验码；而使整个信息位“1”的个数为偶数的编码叫偶校验码。附加的信息位称为奇偶校验位，简称校验位。需要传送的数据位本身称为有效信息位。在所传输的有效数据中附加冗余位（即检验位），使整个信息位（包括有效位和检验位）中“1”的个数具有奇数或偶数的特性。整个信息位经过线路传输后，若原来所具有的“1”的个数的奇偶性发生了变化，则说明出现了传输错误，可由专门的检测电路检测出来。4.2串行接口有效信息位是1011101，采用偶校验，则附加的校验位是1。最后得到的信息是10111011有效信息位是1011011，采用奇校验，则附加的校验位是0。最后得到的信息是10110110例1例24.2串行接口起始位校验位停止位空闲位数据位低位高位字符0/10/10/10/110111…起始位——每个字符开始传送的标志，起始位采用逻辑0电平数据位——数据位紧跟着起始位传送。由5～8个二进制位组成，低位先传送校验位——用于校验是否传送正确；可选择奇检验、偶校验或不传送校验位停止位——表示该字符传送结束。停止位采用逻辑1电平，可选择1、1.5或2位空闲位——传送字符之间的逻辑1电平，表示没有进行传送4.2串行接口比如ASCII字符‘A’,二进制是01000001(8位)，它们在起始位和2位停止位之间传送，并使用了1位奇偶校验位。4.2串行接口串行接口的工作过程CPU串行接口外部设备接收发送串行接口将CPU送来的并行数据转换成串行数据，并对有效数据“包装”，即加上起始位、奇偶校验位和停止位，再发送出去。发送数据接收数据串行接口将串行输入的数据转换成并行数据，同样要对有效数据进行处理（去掉起始位、奇偶校验位和停止位），然后等待CPU取走。4.2串行接口波特率（Baud）数据传输率数据传输率是指单位时间内传输的信息量，可用波特率来表示。单位时间内传送的二进制数据的位数，以位/秒（b/s）表示，也称为数据位率。它是衡量串行通信速率的重要指标。常用波特率：1200、2400、48