微机原理与接口技术_基本输入输出接口技术

12020年2月24日星期一第6章基本输入输出接口技术【本章提要】本章首先概述I/O的基本知识，然后讨论输入/输出控制方式，I/O接口的读写技术，并行通信与串行通信，最后重点讨论常用可编程典型I/O接口芯片及其接口技术。【学习目标】了解I/O接口信息、I/O编址方法、I/O组织、I/O控制方式、并行通信及串行通信等输入输出基础知识。理解基本输入输出接口的操作。掌握简单I/O接口的读写技术。熟练掌握常用接口芯片16550/8250、8255和8253的工作原理及其编程应用。能综合运用接口芯片，构建和分析实际应用系统。22020年2月24日星期一第6章基本输入输出接口技术123675本章主要内容：概述输入/输出控制方式I/O接口读写技术并行通信与串行通信可编程接口芯片串行通信接口芯片并行通信接口芯片定时计数接口芯片43返回2020年2月24日星期一6.1概述一、输入/输出与输入/输出接口1.输入/输出：微处理器与外部设备之间的信息交换即通信。2.输入/输出接口：完成微处理器与外部设备数据通信即输入/输出任务的接口。包括:硬件接口电路和软件接口程序。4返回2020年2月24日星期一二、I/O接口的功能1.内部地址译码2.提供联络信号3.信号特性匹配（如电平转换）4.信息格式的转换（如正负逻辑的转换，串并格式，模数转换）5.数据缓冲与锁存6.对外设进行中断管理7.提供时序控制5返回2020年2月24日星期一三、CPU与I/O设备间的接口信息三种：数据信息、状态信息、控制信息这些信息均通过数据总线传输。6返回2020年2月24日星期一四、I/O端口的编址方法1.存储器映射编址含义：I/O端口的地址与存储器的地址统一混合编址。用访问存储器的指令，即可对整个地址空间（存储器和I/O）进行访问，而无需专用I/O指令。优点：访问I/O指令多，使用方便。内存与外设地址分布相同。无需专用的I/O指令。I/O端口I/O端口I/O端口EPROM或FlashMemoryRAM0000HFFFFH7返回2020年2月24日星期一2.I/O映射编址含义I/O端口与存储器分开独立编址，即I/O端口和存储器都有自己的一套地址空间，而且互不相干。优点–I/O设备不占用内存单元，节约了内存空间。–指令执行速度快。I/O端口–8086～Core2微机采用I/O映射的编址方法。–I/O端口的地址64K个8位口地址（0000H-FFFFH）。8返回2020年2月24日星期一五、I/O组织2.基于8086和8028616位I/O组织3.基于80386和8048632位I/O组织4.基于Pentium~Pentium4的64位I/O组织I/O组织1.基于8088的8位I/O组织9返回2020年2月24日星期一8位I/O组织-基于808864K个I/OA15~A0D7~D0RDWRD7~D0A15~A0IORCIOWC系统总线10返回2020年2月24日星期一16位I/O组织-基于8086~8028632K个I/OA15~A1D15~D0RDWRD7~D0A13~A0IORCIOWC系统总线32K个I/OA13~A0D7~D0RDWRCSCSA0BHED15~D8CS3A14~A2~D24CS3D7~D0CS3A14~A2~D24CS311返回2020年2月24日星期一32位I/O组织-基于80386~8048616K个I/OA15~A2D31~D0RDWRD31~D24A13~A0IORCIOWCW系统总线16K个I/OA13~A0D23~D16RDWRCSCSBE316K个I/OOEWED15~D8A13~A016K个I/OA13~A0D7~D0OEWECSCSBE2BE1BE012返回2020年2月24日星期一64位I/O组织-基于Pentium~Core28K个I/O(3)A15~A3D63~D0RDWRD31~D24A13~A08K个I/O(2)A13~A0D23~D16RDWRCSCSBE38K个I/O(1)RDWRD15~D8A13~A08K个I/O(0)A13~A0D7~D0RDWRCSCSBE2BE1BE08K个I/O(7)A15~A3RDWRD63~D56A13~A0IORCIOWC8K个I/O(6)A13~A0D55~D48RDWRCSCS8K个I/O(5)RDWRD47~D40A13~A08K个I/O(4)A13~A0D39~D32RDWRCSCSBE7BE6BE5BE413返回2020年2月24日星期一2.I/O端口的地址分配1.I/O地址范围0000H-FFFFH.共64K个8位端口从8086～Core2I/O地址采用A15～A0共16条地址线，且与存储器分开编址。2.系统板保留的1K个I/O端口（详见书P.238表6.1）000H-03FFH，共1K个8位端口3.查看当前系统I/O地址分配14返回2020年2月24日星期一系统板保留的1K地址I/O地址I/O设备端口I/O地址I/O设备端口0000-000FDMA控制器1200-207游戏口0020-0021中断控制器(主中断控制器)0274--0277ISA即插即用计数器0040-0043系统时钟278-27F并行打印机口0060键盘控制器控制状态口2F8-2FF串行通信口2（COM2）0061系统扬声器0376第二个IDE硬盘控制器0064键盘控制器数据口378-37F并行打印口10070-0071系统CMOS/实时钟3B0-03BBVGA显示适配器0081-0083DMA控制器103C0-03DFVGA显示适配器0087-DMA控制器103D0-03DF彩色显示器适配器0089-008BDMA控制器103F2-03F5软磁盘控制器00A0-00A1中断控制器（从中断控制器)03F6第一个硬盘控制器00C0-0DFDMA控制器203F8-03FF串行通信口1（COM1）00F0-00FF数值协处理器0170-0177H标准IDE/ESDI硬盘控制器01F0-01FF标准IDE/ESDI硬盘控制器没有指明的端口，用户可以使用。15返回2020年2月24日星期一I/O指令时序ABusIORCDBusADSP8或DX指示的地址ABusIOWCDBusADSP8或DX指示的地址(b)OUT指令操作时序OUTP8,AL或OUTDX，ALP8为8位端口地址(a)IN指令操作时序INAL,P8或INAL,DXP8为8位端口地址162020年2月24日星期一6.2输入输出控制方式直接程序控制方式中断控制方式DMA控制方式I/O处理机控制方式17返回2020年2月24日星期一一、直接程序控制方式含义：直接在程序控制下进行微处理器与外设之间的数据传送。分类：无条件传送方式和条件传送方式两种。1.无条件传送方式含义：不查询外设状态而直接进行输入输出的一种方式。特点：简单、经济，但可靠性差。18返回2020年2月24日星期一2.条件传送方式含义：首先查询外设状态，满足条件时才进行数据的传送，因此也叫查询传送方式。特点：简单、可靠性高，但CPU效率低。READY=1?输入数据后续处理开始输入状态信息NY准备输出数据读状态口的状态BUSY=1?输出数据YN输入输出19返回2020年2月24日星期一二、中断控制方式含义：在满足传输条件时，外设向CPU发请求传输的中断信号，CPU接收请求后进入服务程序，在中断服务程序中进行输入输出操作。特点：无需查询等待，CPU利用率大大提高。不足：中断控制方式仍需要一系列本与输入输出无关的操作（如压栈保护等），因此对于高速I/O设备效率仍不算快。20返回2020年2月24日星期一三、DMA控制方式含义：直接由DMA控制器硬件控制数据传输，传输过程无需CPU干预。特点：速度快（因为有DMA硬件直接控制），效率高。21返回2020年2月24日星期一外设/内存DMA方式与其它方式比较CPUDMA控制器内存/外设外设/内存MOV[XX]，ALOUTDX，ALINAL，DXMOVAL，[XX]无需CPU指令内存/外设22返回2020年2月24日星期一四、I/O处理机控制方式尽管DMA方式优点比较突出，但在DMA进行传输之前，对DMA的初始操作、对数据的运算和处理等都需要处理器事先干预。为了让处理器彻底摆脱管理和控制I/O设备的负担，引入了I/O处理机控制方式。这种方式下，由专用I/O协处理器负责I/O操作和处理。23返回2020年2月24日星期一6.3I/O接口的读写技术一、简单输入输出接口输入采用缓冲器,输出采用锁存器。1.常用缓冲器：1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:31-Jul-2004SheetofFile:F:\项目\北京自来水公司\抄表系统电路图\ZB2KM.DDBDrawnBy:123A74F1251A121A241A361A482A1112A2132A3152A4171Y1181Y2161Y3141Y4122Y192Y272Y352Y431G12G19U174LS2401A121A241A361A482A1112A2132A3152A4171Y1181Y2161Y3141Y4122Y192Y272Y352Y431G12G19U274LS244A02A13A24A35A46A57A68A79B018B117B216B315B414B513B612B711E19DIR1U374LS24574F24074F24474F2452G1G2G1GBiAiAi1Yi1Ai2Ai2Yi1Yi1Ai2Ai2Yi24返回2020年2月24日星期一简单I/O接口-锁存器2.常用锁存器25返回2020年2月24日星期一二、简单I/O接口的读控制读操作程序:MOVDX,377HINAL,DX26返回2020年2月24日星期一2.简单I/O接口的写控制写操作程序:MOVDX,0DFFFHOUTDX,AL27返回2020年2月24日星期一3.16位I/O接口的读操作读操作程序:MOVDX,2F6HINAX,DX28返回2020年2月24日星期一4.32位I/O接口的写操作写操作程序:MOVDX,3ECH;选中3ECH~3EFH4个端口OUTDX,EAX292020年2月24日星期一常用接口芯片及应用6.4并行通信与串行通信6.5可编程串行通信接口芯片6.6可编程并行通信接口芯片6.7可编程定时/计数器芯片1234302020年2月24日星期一6.4并行通信与串行通信并行通信与并行接口串行通信与串行接口串行通信方式及异步通信协议串行异步通信标准接口31返回2020年2月24日星期一一、并行通信与并行接口1.并行通信含义：并行通信是指将一个字节或一个字的各位同时进行传输的一种通信方式。要点：传输的各位同时传输（输入或输出）。特点：（1）传输速度快（2）传输的信息率高（3）比串行通信需要更多通信信号线用途：常用于传输距离短，数据传输速度要求高的场合。32返回2020年2月24日星期一含义：实现并行通信的接口称为并行通信接口。控制寄存器状态寄存器输入缓冲寄存器输出缓冲寄存器数据输入准备好数据输入回答数据输入数据输出数据输出准备好数据输出回答数据总线读信号写信号复位信号准备好中断请求地址地址译码片选内部端口选择CPU及总线控制器输入设备输出设备2.并行接口33返回2020年2月24日星期一二、串行通信与串行接口1.串行通信含义：串行通信是把传输的数据一位一位地顺序传送的一种通信方式。要点：按位传输，同一时刻仅传送一位。特点：（1）通信线少（2）成本低（3）但通信速度慢用途：适用于长距离数据传输。34返回2020年2月24日星期一完成串行通信任务的接口称为串行通信接口，简称串行接口。功能：（1）输入时，完成串行到并行格式转换（2）输出时，完成并行到串行格式转换。接收数据寄存器接收移位寄存器及其控制发送数据寄存器发送移位寄存器及其控制数据总线缓冲器控制逻辑串行外部设备数据总线RX