微机原理与接口技术PPT_第6章 总线和接口

第六章I/O接口与总线I/O接口总线I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板（适配器）都是接口电路CPU接口电路I/O设备什么是I/O接口？I/O设备与CPU进行数据交换存在的问题速度不匹配信号电平不匹配信号格式不匹配时序不匹配I/O接口的功能设置数据缓冲器以解决两者速度差异设置信号电平转换电路设置信息转换逻辑以匹配各自的格式设置时序控制电路来同步CPU和外设的工作提供地址译码电路简单的输入输出接口芯片最常用的简单输入输出接口芯片主要有缓冲器（Buffer）和锁存器（Latch）。缓冲器74LS244和74LS245锁存器74LS373缓冲器74LS2448路数据缓冲器，分为两组，分别由门控信号1G和2G控制用于8位数据缓冲时，1G和2G连在一起当1G和2G为高电平时，输出呈高阻状态双向缓冲器74LS245双向8路数据缓冲器，控制信号为门控信号输入端G，方向控制信号DIR。只有当G为低电平，缓冲器才工作DIR=1，数据从A到BDIR=0，数据从B到A锁存器74LS373OEGDO低高高高低高低低低低×锁存高××高阻I/O端口外部设备与主机的通信是通过I/O接口进行的每个I/O接口包括一组寄存器，每个寄存器作为一个端口每个寄存器给予一个端口地址，称为端口号三种I/O端口的比较端口名称主要作用传送方向数据端口CPU与外设交换信息的通道；起缓冲作用CPU外设CPU外设状态端口存放外设的当前状态由CPU读取，实现CPU与外设的握手CPU外设控制端口存放CPU向接口发出的各种命令，控制外设的动作CPU外设I/O端口的寻址方式存储器映象寻址方式I/O单独编址方式存储器映象寻址方式特点：把系统中的每个I/O端口都看作一个存储单元，并与存储单元一起统一编址，这样访问存储器的所有指令均可用来访问I/O端口，不用设置专门的I/O指令优点：简化指令；能用类型多、功能强的访问存储器指令对I/O设备进行操作；I/O地址空间大小可以灵活变化缺点：I/O译码电路较复杂；输入输出操作较慢典型CPU：MC6800、MC68000和68HC05I/O单独编址方式特点：对系统中的输入输出端口地址单独编址，构成一个I/O空间，它们不占存储空间，而是用专门的IN、OUT指令来访问端口优点：程序可读性强；执行速度快；I/O译码电路简单缺点：必须有专门的IN和OUT指令来访问I/O端口；必须配有M/IO信号典型CPU：8086系列、Z80CPU与外设间的数据传送方式程序控制方式中断方式传送DMA方式程序控制方式CPU与外设之间的数据传送是在程序控制下完成的，分为；无条件传送方式（同步传送方式）：在这种方式下，程序不必检查外设的状态，在需要进行输入或输出操作时，直接执行输入输出指令即可条件传送方式（查询传送方式）：在传送数据之前，CPU要先读取外设的状态简单输入接口电路·10KSEL161514131211109248613111517432561871912A42A32A11A31A41A21A11Y12A21G2G1Y31Y21Y51Y41Y61Y71Y8141618912753U174ALS24412345678VCC161514131211109简单输出接口电路SEL330D0Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D4D5D6D7D3D2D1DATABUS74ALS374U1OCCLK234756981215161913141718+5V111查询式输入接口电路工作过程外设的数据已经准备好后，发出选通信号，一方面将数据送入8位锁存器，另一方面对D触发器触发，使状态信息标志位D0为1。当CPU要求外设输入信息时，先检查状态信息。若数据已经准备好，则输入相应数据，并使状态信息清“0”。否则，等待数据准备“就绪”。查询式输入时数据和状态信息查询式输入流程图查询式输入代码片段(书上例题)查询式输出接口电路工作过程当输出设备将数据输出后，会发出一个ACK信号，使D触发器翻转为0。CPU查询到这个状态信息后，便知道外设空闲，可以执行输出指令，将新的输出数据发送到数据总线上，同时把数据口地址发送到地址总线上。由地址译码器产生的译码信号和WR相“与”后，发出选通信号，将输出数据送至8位锁存器。同时，将D触发器置为1，并通知外设进行数据输出操作。查询式输出时数据和状态信息查询式输出流程图查询式输出代码片段中断传送方式查询方式传送数据的致命缺点：CPU的利用率很低，不适合于实时数据处理的场合中断传送方式下，CPU处于被动状态，如果外设数据没有准备好，CPU做自己的事情，只有当数据准备好了，CPU才会中断当前的工作，转去处理数据处理的工作。大大提高了CPU的效率。DMA传送方式DMA方式的提出DMA数据传送方式概述DMA方式的提出程序控制传送方式以CPU为中心，数据传送由CPU来控制利用中断方式虽然可以提高效率，但也必须由CPU控制；CPU在执行中断服务程序、保护现场、恢复现场都会花费不少时间总体评价：慢！不能满足高速数据传送的要求。利用DMA可以实现高速数据传送！DMA数据传送方式概述高速数据传送的需求DMA方式特点DMA方式传送数据路径DMA方式的优点DMA方式不是万能的DMA的应用场合高速数据传送的需求某些外部设备的数据传送非常快！例如：硬盘，其数据的最低传送速率达5MB/S。用程序控制方法传送数据的速率最高也只能达到530KB/S。因此完成硬盘与存储器之间的数据实时传送实际上是不可能的！因此，在这种情况下，数据传送采用DMA方式。DMA方式特点DMA----DirectMemoryAccess在存储器和外部设备之间，直接开辟高速的数据传送通路。数据的传送过程不需要CPU介入，只用一个总线周期，就能完成存储器和外设之间的数据传送。DMA方式传送数据路径CPU外设存储器总线程序控制数据输入/输出DMA方式数据传送DMA方式的优点由DMAC提供源地址和目的地址；修改地址、控制传送操作的结束和发出传送控制信号都由DMAC承担。即DMA方式是一种由硬件代替软件的方法，因而数据传送的速度显著提高了。DMA方式大大缩短了数据传送的响应时间。DMA方式不是万能的在DMA方式传送数据时，CPU把总线的控制权让给DMAC，DMAC取代CPU控制总线，此时，CPU不能读取指令；当DMAC控制总线时，CPU不能去检测和响应来自系统中其他设备的中断请求；DMA传送也存在以下两个额外开销：①总线访问时间；②DMAC的初始化，CPU要对DMAC写入控制字；总之，采用DMA方式，会增加硬件投资，提高系统的成本！DMA的应用场合硬盘和软盘输入/输出快速通信通道输入/输出多处理机和多任务块传送扫描操作：对CRT屏幕送数据，可采用DMA方式高速数据采集在PC机中，采用DMA进行DRAM的刷新操作PC机中的I/O地址分配（端口分配表）系统板上的I/O接口芯片8259A中断控制器8237ADMA控制器8255并行接口芯片8253计数器/定时器I/O扩展槽磁盘控制器显示适配器并行/串行通信口声卡、网卡……系统主板上I/O端口译码电路总线总线概述IBMPC总线ISA总线总线概述总线是什么总线的分类总线标准总线是什么在微型计算机系统中，用于各部件之间传送信息的公共通道称为总线总线的分类按传送信息的类型分：地址总线数据总线控制总线按总线的规模、用途和应用场合分：片级总线系统总线外部总线片级总线也称元件级总线，是由芯片内部通过引脚引出的总线，用于芯片一级的互连线。例如：CPU与存储器I/O接口电路间的连线系统总线也称为内总线或板级总线，用于微型计算机中各插件板之间的连线例如：IBMPC总线ISA总线PCI总线外部总线也称为通信总线，用于微型计算机系统之间，或微型计算机系统与其他电子仪器或设备之间的通信例如：EIA-RS232C，25根线，用于串行通信IEEE-488，25根线，用于微型计算机系统与计测仪器之间的连接总线标准计算机界承认或推荐的系统中互连各个模块的标准，它通常对总线所用插座的尺寸、引线数目、各引线信号的含义和时序做了明确的统一规定常用的标准外部总线：EIA-232C总线IEEE-488总线常用的标准系统总线：IBMPC机的62芯PC总线ISA总线PCI总线AGP总线PCI总线概述1992年Intel在发布486处理器的时候，也同时提出了32-bit的PCI（周边组件互连）总线特点：PCI总线的地址总线与数据总线是分时复用的即插即用（所谓即插即用，是指当板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需资源进行分配，如基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序）中断共享IBMPC总线引线总数目：62根引线信号分类：地址总线（20根）数据总线（8根）控制总线电源线地线信号名称A19~A0地址总线输出D7~D0数据总线输入/输出ALE地址锁存允许输出MEMR/MEMW存储器读/存储器写输出低电平IOR/IOWI/O读/I/O写输出低电平IRQ2~IRQ76级中断请求信号输入DRQ1~DRQ3DMA请求信号输入AEN地址允许信号输出T/C计数技术信号输出RESETDRV系统总清信号输出IOCHCKI/O通道奇偶校验信号输入低电平I/OCHRDYI/O通道准备好信号输入高电平OSC晶体振荡信号输出CLK系统时钟信号输出CARDSLCTD插件板选中信号+5V-5V+12V-12V电源线GND地线ISA总线ISA总线对PC总线做了修改，将数据总线的宽度由8位增加到16位，在PC总线62引脚的基础上增加了一个36引脚的插座。D18……D1C18……C1B31……..B1A31…….A1(标在印刷电路板上)作业3、4、5、8