第6章-并行输入输出接口

输入/输出接口的基本知识第6章并行输入/输出接口CPU和外设之间的数据传送DMA控制器Intel8237A简单并行I/O接口可编程并行I/O接口芯片Intel8255AIntel8255A的应用举例【本章重点】本章重点介绍输入输出接口的基本概念和输入输出接口的功能；着重讨论不同外设数据传送的不同方法及简单接口的应用。【本章难点】掌握无条件传送和查询传送的工作原理，难点是接口芯片的应用。6.1输入输出接口的基本知识输入输出接口（简称I/O接口）是连接微型计算机与外部设备（简称外设）的纽带，是微型计算机与外设之间交换信息的通路。外设只有通过I/O接口才能与CPU的总线相连，实现与微机之间的信息交换正如第1章图1-1所示，绝大多数I/O设备均是通过I/O接口与系统总线相连，从而与CPU进行信息交换。数据总线（DB）控制总线（CB）地址总线（AB）中央处理器CPU内存储器I/O接口I/O接口I/O设备I/O设备图1-1微机系统结构示意图伴随着计算机技术的飞速发展，各种功能繁多的外设不断出现。这些外设的组成及工作原理千差万别（机械式、电子式、光电式），所采用的信号形式也各不相同（数字量、模拟量、开关量），工作速度差异也很大（高速、中速、低速），……。由于它们的多样性和复杂性，使得这些外设不可能像存储器那样直接连在系统总线上，CPU也无法直接对所有外设进行管理与控制。因此，CPU与外设之间必须有某个中间环节，这就是接口：是CPU与外界的连接部件（电路），是CPU与外界进行信息交换的中转站。早期的接口电路是由小规模集成电路构成的功能简单的逻辑电路。随着大规模集成电路及计算机技术的发展，目前微机接口本身已不再是一些逻辑电路的简单组合，而是采用硬件与软件相结合的方法，使微处理器与外部世界进行最佳耦合、匹配，以在CPU与外界之间实现高效、可靠的信息交换的一门技术。因此，接口技术是硬件和软件相结合的综合技术。一.I/O接口的定义常见的外设：键盘、鼠标、打印机、扫描仪、显示器。。。等等外设的特点：（1）品种多（2）工作速度慢且分布范围广（3）信号类型多：开关信号、数字信号、模拟信号（4）信号电平范围广（5）信息结构格式多样：串行的、平行的，同步的、异步的等接口的定义：连接CPU总线与输入输出设备（外设）之间的电路称为I/O接口。能够实现CPU与外设之间的并行（或串行）信息交换。二.接口的功能从解决CPU与外设在连接时存在的矛盾的观点看，CPU与外设之间的接口一般应具备如下功能：数据缓冲和锁存提供联络信息接收和执行CPU命令设备选择（寻址）中断管理信号与信息格式转换可编程一.I/O接口的基本结构CPUI/O接口外设数据端口地址控制数据状态控制RnR1R2…图6-1I/O接口的基本结构6.2接口的基本结构及I/O端口的编址方式根据I/O接口的功能，接口电路的典型结构如图6-1所示。接口作为一个“桥梁”，一边连着系统总线，另一边连着外部设备，是CPU与外设进行信息交换的中转站。正如上图所示，每个接口部件都包含一组寄存器，CPU与外设之间进行数据传输时，各种不同的信息（数据信息、状态信息和控制信息）进入不同的寄存器。通常把I/O接口电路中能被CPU直接访问的寄存器或某些特定的器件称之为端口（Port）。所以接口中一般包含三种类型的端口：数据端口、状态端口和控制端口/命令端口。通常情况下，数据端口是可读、可写或可读写的，状态端口一般是只读的，而控制端口一般是只写的。这样，CPU对外设的访问实际上就是CPU对I/O接口中端口的读/写操作。二.I/O端口的编址方式像存储单元一样，为了便于CPU访问所有的I/O端口，每个端口都需要一个唯一的编号，即端口地址。通常的I/O端口编址方式有两种：一种是存储器映射方式，即把I/O端口地址与存储器地址纳入一个一维线性地址空间，统一编址；另一种是I/O映射方式，即把I/O端口地址与存储器地址分开放在两个一维线性地址空间中，独立编址。1.统一编址方式这种方式是从存储空间中划出一部分地址空间分配给I/O设备，而把I/O接口的端口跟存储单元一样对待，即利用访问存储器的指令来访问I/O端口，不需要设置专门的I/O指令。优点：I/O端口地址空间大；访问I/O端口的指令比较齐全，功能强，使用方便；CPU的I/O控制逻辑比较简单。缺点：减少了内存可用空间；I/O操作时间较长，而且从指令上不易区分一条指令是访问内存还是访问外设，程序可读性差。2.独立编址方式这种方式中，内存地址空间和I/O端口地址是相对独立的。比如在8086/8088CPU中，其内存地址是从00000H～FFFFFH连续的1M字节，而I/O地址范围从0000H～FFFFH，它们相互独立，互不影响。同时，设置了专门的IN、OUT等I/O指令。优点：不占用内存空间；访问I/O端口的指令格式较短，速度快，程序可读性强。缺点：需设置专用指令，这些指令功能较弱；CPU的I/O控制逻辑相对比较复杂。6.2CPU与外设之间的数据传送二。CPU与外设信息交换的方式为保证CPU和外设之间正确而有效地进行数据传输，必须针对不同的外设、不同的使用场合，采用不同的数据传送控制方式。对微机来说，CPU与外设之间的数据传送控制方式通常有四种：1.无条件传送方式是一种最简单的I/O控制方式，它所需要的硬件和软件都较简单，其所有的操作均是通过执行程序来完成的。这种方式要求外设和CPU始终是准备好的，且接口中一般只需数据端口。无条件传送方式在实际应用中使用的场合较少，只用于对一些简单外设（如开关、发光二极管等）的操作和控制。其接口非常简单，输入接口器件一般选择三态门，输出接口器件则选择锁存器。图6-2和6-3分别给出了无条件传送方式下输入和输出接口的一般连接模式。可见无论数据输入还是输出，在无条件传送方式中，数据的交换总是同I/O指令的执行同步，所以该方式也称作同步传送方式。一。CPU与外设交换的信息类型CPU与外设之间交换的信息有数据、状态、控制。这是三种不同性质的信息，应通过不同的端口分别传送。IOR系统总线D0D7～…A0A15～Y0Y7～A0A7～外设D0D7～E译码器I/O地址三态门图6-2三态门作为数据输入接口的一般连接模式INAL,PORT系统总线D0D7～…A0A15～D0D7～Q0Q7～外设D0D7～CP译码器I/O地址锁存器图6-3锁存器作为数据输出接口的一般连接模式IOWOUTPORT,AL2.查询方式（条件传送方式）查询方式是指CPU在传送数据之前，要先检查外设是否“准备好”，若未准备好则继续查询其状态，只有当外设准备好时才进行数据传输。其传送一次数据的过程如图6-4所示：查询方式也称为应答式，在实际应用中使用的场合较多，只要外设的速度比较慢，且对CPU的工作效率要求不高，那么CPU就可采用查询方式与外设进行信息交换。其接口中必有状态端口和数据端口，所用硬件数量较少，代价是软件开销较大。图6-4查询方式传送一次数据的流程读状态端口读/写数据端口进行数据传送准备好？YN3.中断方式查询方式尽管很简单，但它有以下两方面的限制：①CPU在对外设进行查询时不能做其他工作，特别是在对多个外设轮询时，无论是否必要都要查询外设状态，造成处理器时间浪费，CPU工作效率降低。②CPU在对多个外设以查询方式实现I/O操作时，如果某外设要求CPU对其服务的时间间隔小于CPU对多个外设轮询一个循环所需的时间，则CPU就不能与外设进行实时数据交换，可能会造成数据丢失。为进一步提高CPU的效率、使系统具有实时性，引入了中断方式。所谓中断是指某事件的发生引起CPU暂停当前程序的执行，转去对所发生的事件进行处理，处理结束后又回到原程序被打断处接着执行这样一个过程。当外设已准备好，需要和CPU交换数据时，它就通过I/O接口给CPU一个中断请求信号；CPU响应接口的中断请求，暂停正在执行的程序，插入I/O操作程序，完成数据传输。由于CPU省去了对外设状态的查询和等待时间，从而使CPU与外设可并行工作，大大提高了系统效率。4.DMA方式中断方式由于以下两个因素不适合于大批量数据的高速传输：①在中断方式下，I/O操作仍需通过CPU执行IN、OUT、MOV等指令来实现外设与内存之间的信息传送，因为上面诸条指令的执行会花费不少的时间。②每次中断的进入和返回，以及中断现场的保存和恢复都要花去大量时间。采用DMA（DirectMemoryAccess,直接存储器存取）方式，使得CPU不参与数据的输入输出，而是由专用硬件－DMA控制器来实现内存与外设之间、外设与外设之间的直接快速传送。DMA方式不需要CPU干预，也不需要软件介入，而是用硬件代替软件以加快速度，但它是以硬件接口和控制的复杂性为代价的。注意中断和DMA的详细内容参见后续章节6.3简单并行I/O接口1.简单并行接口的结构输入端口输出端口DCLK来自输入设备Q0Q1Q7至输出设备CPU地址译码器地址及控制总线6.4可编程并行I/O接口芯片Intel8255A可编程接口芯片概述片选概念读/写概念可编程接口的概念“联络”的概念可编程接口芯片概述接口电路中多数具有如下电路单元：（1）输入/输出数据锁存器和缓冲器用以解决CPU与外设之间速度不匹配的矛盾，以及起隔离和缓冲的作用；（2）控制命令和状态寄存器以存放CPU对外设的控制命令，以及外设的状态信息；（3）地址译码器用来选择接口电路中的不同端口（寄存器）；（4）读写控制逻辑；（5）中断控制逻辑。从早期的逻辑电路板到大规模集成电路芯片为主的接口芯片。片选概念必须要有一个地址信号选中接口芯片后，才能使该接口芯片进入电路工作状态，实现数据的输入/输出。选通端CE（ChipEnable），又称片选端CS（ChipSelect）。CE端是控制接口芯片进入电路工作状态的引脚端。读/写概念：用IN，OUT指令读/写。可编程接口的概念接口芯片大部分是多通道、多功能的。多通道是指一个接口芯片一面与CPU连接，另一面可接几个外设；多功能是指一个接口芯片能实现多种接口功能，实现不同的电路工作状态。在接口芯片中，各硬件单元不是固定接死的，可由用户在使用中选择，即通过计算机的指令来选择不同的通道和不同的电路功能，称为“编程控制”。接口电路的组态（即电路工作状态）可由计算机指令来控制的接口芯片称为“可编程序接口芯片”。用来存放控制电路组态的控制字节的寄存器，称为“控制寄存器”。“联络”的概念接口芯片常常需要和外设间有一定的“联络”信号，以保证信息的正常传送。通常采用两个“联络”（Handhake）信号：（选通信号，strobe）和RDY（就绪信号，Ready）。可编程并行接口芯片8255A8255A的工作方式8255A的初始化8255A的应用举例8255A的结构和引脚功能16位系统中的并行接口可编程并行接口芯片8255AIntel8255A是一种通用的可编程序并行I/O接口芯片，又称“可编程外设接口芯片”PPI（ProgrammablePeripheralInterface）。8255A的结构和引脚功能一、8255A的内部结构有三个8位端口PA、PB和PC，都可由程序设定为各种不同的工作方式。通常PA口与PB口用作输入/输出的数据端口，PC口通常用作控制或状态信息的端口，PC口可以分成两个4位的端口。二、8255A的引脚功能8255A采用40条引脚的双列直插式(DIP，Dualin-1inepackage)封装，其引脚信号教材：有2条地址线A1.A04个端口地址A1A000PA口地址01PB口地址10PC口地址11控制口地址8.2.28255A的工作方式一、方式0—基本输入输出8255A在方式0工作时：CPU可以采用无条件读写方式与8255A交换数据。若把C口的两个部分用作控制和状态口，与外设的控制和状态端相连，CPU也可通过对C口的读写，实现A口与B口的查询方式工作。输出的数据被锁存，而输入数据是不锁存的。二、方式1—选通输入输出（应答式输入输出）C口可分成两部分，分别作