chapter6南航微机原理课件吴宁版

第6章输入/输出和中断输入/输出及接口输入/输出的传送方式中断技术80x86/Pentium中断系统8259A可编程中断控制器中断程序设计数据总线DB控制总线CB地址总线AB存储器I/O接口输入设备I/O接口输出设备CPU微型计算机的结构示意图第6章输入/输出和中断南京航空航天大学电子信息工程学院键盘鼠标CRT打印机绘图仪存贮器功能单一：（1）传送方式单一(传送一个字节)（2）品种单一RAM、ROM(控制信号确定)（3）格式单一（并行数字信号）（4）工作速度匹配外设功能复杂：（1）仅作输入(输出)、入/出兼作（2）格式多种（并串）,位数多种（3）外设品种繁多（光、机、电、声、磁等）（4）信号形式有脉冲、模拟量或数字量（5）速度不匹配6.1输入/输出及接口为什么外设不能象存贮器一样直接挂在CPU上?计算机外设接口南京航空航天大学电子信息工程学院第6章输入/输出和中断6.1.1I/O信息的组成（1）数据信息——要交换的数据本身，有并行和串行两种传送方式①数字量：按一定的编码标准（2#/ASCII码），由若干位组合所表示的数或字符。如：通过键盘/CRT/打印机等与CPU交换的信息。②模拟量：现场信息（如温度/压力/流量/位移等非电量）经传感器而转换成的电量（电压、电流）。模拟量经A/D、D/A转换器在CPU与外设间交换。③开关量：一位2#信息：0、1。如：开关的断开/闭合；控制电机的启/停等。通常开关量要经过相应的电平转换才能与计算机连接。数据信息、状态信息、控制信息第6章输入/输出和中断南京航空航天大学电子信息工程学院（2）状态信息——在CPU与外设之间交换数据时的联络信息第6章输入/输出和中断（3）控制信息——CPU发给外设的命令信息如：A/D转换器的启/停信号，设置外设工作模式的信息等。对输入接口，CPU是否准备好接收数据：如“READY”?对输出接口，外设是否准备好接收数据：如“BUSY”?接口（interface）与端口（port）：传送这三种信息（数据、状态、控制）的接口电路中的寄存器称为数据、状态和控制端口。不同的寄存器（组）对应不同的端口，以地址来区别。端口由一个或多个寄存器组成。接口由若干个端口加上相应的控制逻辑组成。CPU对外设输入/输出的控制，通过对接口中各I/O端口的读/写操作完成6.1.2I/O接口概述第6章输入/输出和中断①对输入/输出数据缓冲、隔离和锁存；②完成信息格式的变换，如串-并转换等；③实现电气特性的匹配；④选择设备或地址译码等。1.I/O接口的功能CPU外设总线驱动控制逻辑地址译码数据缓冲器控制寄存器状态寄存器DBABCB数据信息状态信息控制信息接CPU一侧接外设一侧I/O接口电路端口2.I/O接口的构成实现对CPU数据总线驱动能力的匹配实现各端口寻址操作实现对各端口的读/写操作和时序控制南京航空航天大学电子信息工程学院第6章输入/输出和中断3.I/O接口类型与I/O接口电路分类I/O接口电路分类按数据传送方式：并行接口/串行接口；功能选择的灵活性：可编程接口/不可编程接口；通用性：通用接口（8253定时/计数器、8259中断控制器、8257DMA、8251串行接口、8255并行接口等）专用接口（CRT8275、键盘显示8279、SATA硬盘、U盘接口等）I/O接口类型早期：串行接口（RS-232）/并行接口。现代：USB接口、IEEE1394接口、VGA接口和RJ-45接口等。1.存储器映像方式I/O端口与存储器共享一个寻址空间，统一编址。在这种系统中，CPU用同样的指令对I/O端口和存储器单元进行访问。例：Motorola的M6800系列、日立H8S单片机系列等第6章输入/输出和中断6.1.3I/O端口的编址为了区分接口电路的各个寄存器，系统为它们分配不同的地址，称为I/O端口地址，以便对它们进行寻址。I/O端口有两种编址方式：存储器映像方式、I/O独立编址方式优点：对I/O口的访问灵活方便，有利于提高端口数据的处理能力。缺点：I/O端口占用了主存地址，相对减少了主存的可用范围。南京航空航天大学电子信息工程学院优点：主存和I/O端口的地址可用范围都比较大。缺点：I/O指令的功能一般比较弱，在I/O操作中必须借助CPU的寄存器进行中转。第6章输入/输出和中断2.I/O端口独立编址（I/O映射）方式主存地址空间和I/O端口地址空间相互独立，分别编址。CPU通过指令来区分是访问I/O口还是存储单元。80x86系列微处理器采用独立的I/O编址方式（1）CPU通过IO/M来区分对MEM还是对I/O操作。（2）CPU使用地址总线中A0～A15来寻址I/O口，最大I/O空间是64K个字节端口（或32K个字端口）。若用直接寻址方式寻址外设，可寻址256个端口，A0~A7译码。若用DX间接寻址外设，端口地址是16位的，用A15~A0译码。（3）I/O寻址通常采用的是部分译码。对于8086系统而言，最低端的地址线A0往往不参与译码，选择其中的偶地址作为I/O地址。在PC/XT中，扩展总线上用A9~A0作为外设端口译码（部分译码方式），共可寻址210=1K个端口。（1）当A9=0时，寻址主机板上的512个外设端口。（2）当A9=1时，寻址I/0扩展槽上的512个外设端口。3.I/O端口地址选用的原则自行设计接口电路或给微机系统添加接口卡时，必须避免端口地址发生冲突。系统申明保留的地址不要使用。用户可使用300H--31FH地址。第6章输入/输出和中断80386微处理器或此后的微处理器构成的微机系统，采用全译码的方法.PC/XT、PC/AT及Pentium系列微机系统的I/O空间分配见表6-1/6-2。4.I/O接口的访问控制南京航空航天大学电子信息工程学院第6章输入/输出和中断5.I/O端口的地址译码（1）将来自地址总线上的地址译为所需要访问端口的选通信号（2）I/O端口地址译码电路结构①高位地址线（或组合CPU的控制信号），经译码电路产生I/O接口电路的片选信号CS，实现系统中的接口电路（芯片）寻址。②低位地址线直接接到I/O接口电路（芯片）的地址引脚，进行I/O接口电路（芯片）的片内端口寻址。③地址信号选择：由地址范围决定。④端口的读写控制：输入需要缓冲，输出需要锁存。微机系统的每个端口应有唯一的端口地址。I/O端口读写控制的关键：除了由译码器产生片选信号外，还必须将读/写信号（RD、WR、IO/M）加入接口电路的选通或控制。第6章输入/输出和中断南京航空航天大学电子信息工程学院逻辑门（门电路）在数字电路中实现逻辑运算的电路，简称逻辑门或门电路。逻辑门的表示方法ABY&ABY≥1AY1逻辑门国家标准符号教材使用符号ABYABYYA与门Y=A∧B或门Y=A∨B非门Y=A第6章输入/输出和中断南京航空航天大学电子信息工程学院逻辑门国家标准符号教材使用符号异或门Y=A∨B与非门Y=A∧B或非门Y=A∨BABY≥1ABY&ABY=1ABYABYABY第6章输入/输出和中断三态门AYEN高电平低电平高阻态逻辑门高电平低电平AY②逻辑门有两种输出状态：高电平（逻辑1）、低电平（逻辑0）③三态门比逻辑门增加了一个控制端EN（又称使能端），当控制端有效时，三态门处于工作态，否则处于高阻态。高阻态的特点:处于高阻状态的三态门，其输出端既不会有电流流出，也不会有电流流入。如果与总线相连，此时三态门电路仍连在总线，但电气上与总线处于断开状态，对总线上的信号无影响。第6章输入/输出和中断南京航空航天大学电子信息工程学院在总线结构的微机系统中，任一时刻只能有一个设备利用总线进行数据传送，输入设备的数据线应通过三态门与系统相连。（1）当设备1与CPU进行数据传送时，设备2的数据信号应处于三态（2）当设备2与CPU进行数据传送时，设备1的数据信号应处于三态总线CPU输入设备1EN1EN2输入设备2第6章输入/输出和中断南京航空航天大学电子信息工程学院输出设备利用锁存器接收CPU输出的数据。（1）使某输出设备锁存器的控制端处于触发状态，数据通过该锁存器.（2）当触发信号消失，数据锁存在锁存器中，外设侧数据不随总线侧数据的变化而变化，使慢速外设有足够的时间处理数据。CPU总线输出设备1CP1锁存器1输出设备2CP2锁存器2输出设备3CP3锁存器36.1.4简单的I/O接口I/O接口硬件分类不可编程可编程8253定时/计数器8259中断控制器通用接口8257DMA8250、8251串行接口芯片或8255、8155并行接口芯片硬盘/U盘控制器专用接口CRT8275键盘显示8279不可编程的I/O接口属简单I/O接口，典型的芯片是三态缓冲器和数据锁存器。如：74LS244，245；74LS373，374增强总线的负载能力并隔离第6章输入/输出和中断南京航空航天大学电子信息工程学院1.三态缓冲器第6章输入/输出和中断IOR＝IO/M+RDAEN为低时，AEN为高，表示CPU掌管总线常用缓冲器：74LS244（单向），74LS245（双向）。凡输入数据到CPU的设备须经三态缓冲器挂在CPU的数据总线上。当该设备被选通时，占据总线并送上数据，否则让出总线（浮空），以防总线冲突。INAL，端口使RD、IO/M有效。南京航空航天大学电子信息工程学院第6章输入/输出和中断输入缓冲电路当读有效（INAL，端口）时，才将缓冲器中的三态门打开，使外设的数据进入系统的数据总线；其它时间，三态门处于高阻状态，不影响总线上的其它操作。微处理器系统外部输入设备A0B0A1B1A2B2A3B3A4B4A5B5A6B6A7B7EDIR234567891817161514131211119译码片选IORDIR=1，A→BDIR=0，B→A74LS245第6章输入/输出和中断2.数据锁存器锁存器：74LS373，低电平锁存，高电平直通。在微机接口电路中，常用74LS273（上升沿触发）D触发器，上升沿将数据Di输出。当CPU输出数据到外设时，需将输出的数据锁存，以便较慢的外设有足够的时间进行处理，而CPU则脱身去做其它的工作。上升沿将上升沿之前的数据打入273，并由273输出。当触发信号消失，273输出端数据不再变化。设端口地址为：0000001000000000B即0200H，则MOVDX,0200HOUTDX,AL使WR、IO/M有效。IOW＝IO/M+WR南京航空航天大学电子信息工程学院第6章输入/输出和中断输出锁存D0Q0D1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q6D7Q7CLKCLR34781314171825691215161974LS27311译码片选IOW74LS32+5V1锁存器控制端处于触发状态(OUT端口,AL)时,总线上数据进入锁存器;当触发信号消失，不管总线上的数据（锁存器输入端）如何变化，只要没有再次使锁存器触发信号有效，锁存器的输出端就一直保持原来锁存的信息不变。微处理器系统外部输出设备南京航空航天大学电子信息工程学院6.2输入/输出的传送方式6.2.1程序控制的输入和输出第6章输入/输出和中断CPU与外设之间信息交换的方式可分为三种：程序控制的输入和输出中断控制的输入和输出直接存储器存取（DMA）——在程序中安排相应的I/O指令来完成和外设间的信息交换（1）当编程人员预先知道何时进行数据交换时，使用这种方式。根据需要将有关的I/O指令置于程序的相应位置。（2）这种方式又分为‘无条件传送方式和查询传送方式’两种。1.无条件传送（外设始终是准备好的，与CPU始终同步）——无需查询外设状态而直接使用I/O指令进行输入输出特点：简单，适用于慢速外设（LED(输出)/乒乓开关(输入））CPU认为需要时，随时与外设交换数据。南京航空航天大学电子信息工程学院第6章输入/输出和中断微处理器系统外部输入设备A0B0A1B1A2B2A3B3A4B4A5B5A6B6A7B7EDIR234567891817161514131211119译码片选IORDIR=1，A→BDIR=0，