第二章 输入输出接口技术和输入输出通道(授课)3

2-1第二章输入输出接口技术和输入输出通道§2.1概述输入输出接口技术——研究微处理器和外部设备之间信息交换的技术。输入输出接口——简称“接口”。2-2第二章输入输出接口技术和输入输出通道一、接口、通道及其功能（一)I／O接口电路1.主机和外围设备之间交换信息的连接部件。2.主机和外设能够协调工作，有效地完成信息交换。2-31.解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题；CPU是典型的高速处理器件，而一些外设（打印机、温控系统等）是慢速设备。2.解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题；CPU是按并行处理设计的高速处理器件，只能读入和输出并行数据。实际发送和接受的数据不仅是并行数据，还有很多情况是串行数据。3.解决CPU的负载能力和外围设备端口的选择问题。一是CPU总线的负载能力，二是外围设备端口的选择。2-4（一）接口电路的功能联络功能：接口电路应提供外设的状态寻址功能：能进行I/O端口地址译码。数据转换功能：能进行数据格式的转换，如正负逻辑转换、串并行间的转换等。2-5中断管理功能：如建立中断请求、进行中断排队、提供中断识别码等。提供有关电器特性的适配。提供时序控制。数据缓冲功能：用于解决高速主机与低速外设处理数据速度差异的矛盾。2-6（二）I／O通道也称过程通道。是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。信号的输入通路。信号的输出通路。输入和输出通路的主要功能———实现模拟量与数字量之间的信号变换。2-7CPUI/O设备译码数据端口状态端口DBABCB控制端口I/O接口一个典型的I/O接口2-8I/O端口的分类（寄存器）端口可分三类：数据端口：存放数据信。状态端口：存放状态信息。控制端口：存放控制信息。2-9二、I／O信号的种类通常有三类信息：数据信息数字量模拟量开关量脉冲量状态信息控制信息2-10CPU外部设备数据状态控制CPU外部设备数据状态控制CPU外部设备数据状态控制2-112-12三、计算机和外部的通信方式并行通信：串行通信：把一个字符的各数位用几条线同时进行传输数据按位进行传送的串行通信全双工方式半双工方式同步通信异步通信2-13全双工方式:数据信息能沿相反两个方向传送。发送A接收数据应答数据应答接收B发送发送A接收数据应答数据应答接收B发送发送A接收数据应答数据应答接收B发送2-14半双工方式:数据信息可沿数据传输线的两个方向传送，但同一时刻只能沿一个方向传送。发送AK1K2B接收接收发送发送AK1K2B接收接收发送发送AK1K2B接收接收发送2-15同步通信：在一组字符前后加同步字符，标志一组数据块的开始与结束，接收装置接收到同步字符而开始接收数据，直到接收后同步字符，一帧数据接收结束。SYNSYN控制字符控制字符数据字符...SYNSYNSYN控制字符控制字符数据字符...SYN2-16异步通信：要传送的字符代码前加一起始位，以示该字符代码开始，在字符代码后面加一停止位，以示该字符代码结束。2-17§2.2输人／输出的控制方式外部设备与微机之间的信息传送实际上是CPU与接口之间的信息传送。传送的方式不同，CPU对外设的控制方式也不同，从而使接口电路的结构及功能也不同。要设计接口电路，就要了解和熟悉CPU与外设之间传送信息的方式。2-18§2.2输人／输出的控制方式传送方式一般有四种无条件方式查询方式中断方式DMA方式2-19§2.2输人／输出的控制方式§2.21．程序控制方式1.无条件传送方式CPU已认定外设做好输入或输出准备；不必查询外设的状态而直接与外设进行数据传送。硬件电路和程序设计简单;常常用在对外设要求不高的系统;如交通灯管理、路灯管理开关、七段显示器和广告牌显示等系统中。2-20无条件传送方式传送特点：CPU无需查询状态，直接用IN和OUT指令完成与接口之间的数据传送。使用条件：传送不能太频繁，以保证每次传送时外设处于就绪状态。2-21D7~D0端口译码器输出寄存器输入缓冲器地址总线往输出设备来自输入设备无条件传送方式的工作原理WRRDIO/M端口译码器/2-222-23主机在传送数据（包括读入和写出）之前，要检查外设是否“准备好”?若没有准备好，则继续查询其状态，直至外设准备好为止，才能进行数据传送。CPU每传送一个数据，需花费很多时间来等待外设进行数据传送的准备，且CPU与外设不能同时工作，各种外设也不能同时工作，信息传送的效率非常低。这种方式传送数据比无条件传送数据的可靠性高，接口电路较简单，硬件开销小，在CPU不太忙且传送速度要求不高的情况下采用。2.查询传送方式（条件传送方式）2-24查询方式传送信息过程由三个环节组成：CPU从I/O端口读取状态字；CPU检测状态字，判断是否满足“准备就绪”条件，若不满足，则再读状态字；若满足“就绪”，则传送数据。2-252.查询传送方式（条件传送方式）查询式输入的接口电路2-26当数据准备好后，输入设备发送选通信号，作用是：把输入数据存入输入数据锁存器；使状态标志触发器置‘1’，使三态缓冲器的READY位置‘1’，CPU读状态口，查询到READY位为‘1’（即准备就绪），CPU读数据口，取走数据，并使标志触发器复位，为输入下一个数据作准备。输入过程:2-272-28查询式输入的流程图与程序:SCAN:INAL,状态口地址TESTAL，80HJZSCANINAL,数据口地址数据准备好了吗？读数据口→AL读取状态信息YN数据准备好了吗？读数据口→AL读取状态信息数据准备好了吗？读数据口→AL读取状态信息YN2-29CPU读取状态字，查询到BUSY为0，CPU执行输出指令，发出选通信号：把数据送入输出锁存器，D触发器置1。同时D触发器输出：告知输出设备来提取数据，使状态触发器置1，即BUSY为1，表示为忙状态，也告之CPU不能输出新的数据。输出设备取得数据后，发确认信号(ACK)，使状态触发器置0，表示输出设备空闲。输出设备空闲时，将状态标志触发器置‘0’，即BUSY位为0，表示为空闲状态。输出过程:2-30查询式输出接口电路2-31查询式输出的流程图读取状态信息输出设备忙?输出数据→ALYN读取状态信息输出设备忙?输出数据→ALYN2-32查询式输出的程序段：SCAN:INAL,状态口地址；读状态信息TESTAL,01H；检测BUSY标志JNZSCAN；忙，继续查状态MOVAL,数据OUT数据口地址，AL；空，输出数据2-33§2.22．中断控制I/O方式1.中断控制I/O时应解决的问题外部中断：通过I／O接口硬件向CPU发出中断请求信号;引起一个中断处理过程。2-34§2.22．中断控制I/O方式1.中断控制I/O时应解决的问题多重中断处理时必须解决四个问题：►保存现场;►正确判断中断源;►实时响应;►按优先权顺序处理;►恢复现场。2-35去数据总线DB(中断响应信号)A0-A7中断传输方式的接口电路地址译码器中断允许装置去数据总线DBINTR数据选通+5V锁存器三态缓冲器三态缓冲器中断矢量DQRDM/IOINTA输入装置2-36传送过程当输入设备输入一个数据时，发送通信号；并把数据存入锁存器；将D触发器置1，发出中断请求；CPU响应中断后，发回中断响应信号(INTA);转而执行中断服务程序，输入数据；中断处理完毕，CPU返回中断服务程序继续执行。2-37中断控制方式的优缺点传送的适时性强，CPU效率高；CPU内部必须要增加中断控制线路；CPU的中断响应过程要花时间。该传送方式适用于传送少量数据的中慢速外设的场合2-382.中断优先级问题的解决软件查询方式雏菊链法专用硬件方式2-391)软件查询方式2-402)雏菊链法3)专用硬件方式2-413、DMA控制方式DMA控制方式：是一种成块传送数据的方式。8237A的数据传送速率可达1.6M字节/s；8257A的数据传送速率可达1．25M字节/s。2-42DMA方式：CPU不介入传送控制，而用专门的硬件（DMA控制器）直接控制数据的传送。DMA方式的优缺点优点：传送速度快。缺点：要有专门的硬件电路，且电路复杂。2-43§2.3I/O接口设计§2.3.1I／O接口的编址方式I／O接口与存储器独立编址方式I／O接口与存储器统一编址方式2-44Inel8086+8288/MRDC/MWTCAB/IORC/IOWC译码器译码器去存储器去I/O接口......Inel8086+8288/MRDC/MWTCAB/IORC/IOWC译码器译码器去存储器去I/O接口......Inel8086+8288/MRDC/MWTCAB/IORC/IOWC译码器译码器去存储器去I/O接口......1.I／0接口与存储器独立编址方式2-45独立编址方式的优点：►执行I／O指令时间短，译码电路简单；►程序清晰易读；►硬件设计简单。独立编址方式的缺点：►专门I／O指令的功能有限，不如访问内存指令丰富；►增加了微处理器本身控制逻辑的复杂性。2-462．I／0接口与存储器统一编址方式又称存储器映像方式:把所有的I／O端口作为存储单元，每个外围设备的端口都给予相应的一个或几个16位地址号。Inel8086+8288AB/MRDC/MWTC/IORC/IOWC译码器不用…去存储器去I/O接口2-47Inel8086+8288AB/MRDC/MWTC/IORC/IOWC译码器不用…去存储器去I/O接口Inel8086+8288AB/MRDC/MWTC/IORC/IOWC译码器不用…去存储器去I/O接口Inel8086+8288AB/MRDC/MWTC/IORC/IOWC译码器不用…去存储器去I/O接口I／O接口与存储器统一编址方式2-48统一编址方式的优点：数据处理能力强；输入输出部分和存储器部分共用译码和控制电路；CPU不需区分访问内存或输入输出操作信号；减少相应引脚。I／O端口数目不受限制。统一编址方式的缺点：I／O操作需全字长地址译码，指令执行时间长；程序中较难区分I／O操作；I／O端口占用存储空间地址。2-49§2.3.2I／O接口与系统的连接接口芯片和CPU之间必须连接的信号有下列4类：数据信号D0~D7片选信号和地址线读／写控制信号时钟、复位、中断控制、联络信号2-502-51(a)图2－15通过I／O接口芯片与CPU和外围设备的连接8255A并行接口芯片2-52(b)图3－16通过I／O接口芯片与CPU和外围设备的连接8251串行接口芯片2-53§2.3.3I／O接口扩展1.地址译码器的扩展►使用译码器的目的►译码器常用的译码器有：2:4（四中选一）3:8（八中选一）4:16（十六中选一）2-5474LSl38扩展地址译码器2-55表2－274LSl38译码器功能图（P32）2-56图2－19采用74LSl38作地址译码器设计的微机主机板接口子系统地址译码电路8288总线控制器产生控制信号，不用CPU来单独完成这个功能2-57/Y0/Y1/Y2/Y3/Y4/Y5/Y67输出2-582.负载能力的扩展1)应用总线收发器提高总线驱动能力总线收发器——Intel8286－A0B0－－A1B1－－A2B2－－A3B3－－A4B4－－A5B5－－A6B6－－A7B7－－/OET－82862-59－A0B0－－A1B1－－A2B2－－A3B3－－A4B4－－A5B5－－A6B6－－A7B7－－/OET－8286－A0B0－－A1B1－－A2B2－－A3B3－－A4B4－－A5B5－－A6B6－－A7B7－－/OET－8286－A0B0－－A1B1－－A2B2－－A3B3－－A4B4－－A5B5－－A6B6－－A7B7－－/OET－82862-602-612-622)应用接口芯片常用：74LS244单向三态门