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微机接口I/O接口的基本结构接口数据传送的控制方式一、微机接口与接口技术微机系统为了便于实现CPU的控制处理，或者为了与各种复杂外设交换I/O信息，往往是通过挂接在系统总线上的各种接口电路来实现的。因此，微机接口是一个特定的管理/协调、信息变换/缓冲部件，在硬件线路与软件实现上，保证完成微机与外设之间具有其特定要求和方法的数据传送。接口技术是专门研究CPU与外设之间的数据传送方式、接口电路工作原理和使用方法的一门软、硬件综合应用技术。二、接口的分类1、按接口通用性分类通用接口：可供若干类外设使用的标准接口。如8255、8251等。专用接口：为某种用途或某类外设而专门设计的接口电路。如软磁盘控制器、DMA控制器等。2、按接口功能分类辅助/控制接口：是与主机配套的，使微机系统实现某特定系统功能所需要的辅助/控制电路，包括总线仲裁、存储管理、中断控制和DMA控制等。通用I/O接口：为服务于多种用途和多种设备为目标而设计的。如并行、串行通信接口，模/数、数/模转换接口等。专用I/O接口：为某种专门用途或某种I/O设备而设计的接口。如键盘接口、软盘接口等。3、按数据传送的格式分类并行接口：这类接口与系统总线之间、接口与外设之间都是以并行总线方式传送信息，即每次传送一个字节或一个字的全部代码。串行接口：这类接口与外设之间采用串行方式传送数据，即每个字节或字是逐位依次传送的，而接口与系统总线之间总是以并行方式传送数据。4、按接口硬件复杂程度分类接口芯片：是可编程的大规模集成电路，可以通过CPU输出不同的命令和参数，灵活地控制相连的外设进行相应的操作。如8253、8259、8255等。接口卡：是由若干个集成电路按一定的逻辑结构组装成的一个部件。可以直接集成在系统板上，也可制成一个插卡插在系统总线槽上。如硬盘驱动器控制卡等。三、接口的功能1、I/O数据缓冲/锁存功能为平衡CPU、存储器与外设之间在速度上存在的差异，接口中必须对数据进行缓冲或者锁存，以避免数据丢失，实现数据缓冲和速度匹配。2、设备选择和寻址功能CPU在同一时间通过译码电路对外设进行寻址来选择一台设备与其进行信息交换。3、数据格式转换功能对于外设与CPU之间采用不同数据格式进行数据传送的接口，必须具备数据格式转换功能。如“串-并”和“并-串”转换等。4、电平信号转换功能系统总线与外设的电源标准可能不同，需要利用接口实现电平的转换，使采用不同电源的设备之间能够进行信息传送。5、控制功能CPU是通过接口控制外设的，接口应能接收CPU的命令和解释命令，并根据命令的含义产生相应的控制信号送往外设。6、可编程功能为使接口具有较强的通用性和灵活性，应该有多种工作方式，且可以在程序中用软件来设置接口的工作方式，以适应不同的用途。7、错误检测功能接口应能对数据传送过程中出现的错误进行检测。接口的组成结构取决于接口与外设之间传送信息的类型和传送控制方式。一、接口与外设之间的信息1、数据信息包括：数字量、模拟量和开关量。2、控制信息是CPU通过接口向外设发布的各种控制命令信息。3、状态信息是外设向CPU提供当前工作状态的信息，CPU接收到这些状态就可以了解外设的情况，适时准确地进行有效的数据传送。二、I/O接口的基本组成I/O接口是CPU和外设间的连接界面，实现两者之间的信息传输。CPUI/O接口外设数据数据在微机系统中，CPU只能通过输入指令(IN)和输出指令(OUT)与接口交换信息。对CPU而言，接口的数据、状态和控制信息都是以“数据”的形式，通过数据总线与接口传输的。一个简单的I/O接口通常由端口、地址译码电路、数据缓冲/锁存器三部分组成。1、端口I/O接口通常设置有若干个寄存器，用来暂存CPU和外设之间传输的数据、状态和控制信息，这些接口内部的寄存器通常称为端口，分别为数据端口、状态端口、控制端口。每个端口有一个独立的地址，CPU可通过端口地址来读/写它们。CPU与外设间的数据输入/输出、联络、控制等操作，都是通过对相应端口的读/写操作来完成的。外设的地址，实质上是该设备接口的端口地址，一台外设可有几个相邻的端口地址。“端口”又称“I/O端口”或“外设端口”(1)数据输入/输出寄存器输入数据寄存器用来暂时存放外设送往CPU的数据，而输出数据寄存器用来暂时存放CPU送往外设的数据。(2)控制寄存器存放由CPU发来的，用以规定接口电路或外设的工作方式和功能的控制命令等信息。其内容只能由CPU写入，不能读出。(3)状态寄存器保存接口和外设的各种状态信息，供CPU查询。2、数据总线和地址总线缓冲器数据总线缓冲器用于实现接口内部数据总线与系统总线相连接，而地址总线缓冲器用于实现接口的地址选择线与系统地址总线的相应端连接。3、接口控制逻辑接口内部控制逻辑实现系统控制总线与内部控制总线信号之间的变换。控制逻辑主要产生对接口内部的控制信号。4.地址译码电路CPU与外设间进行数据传输的过程：i)端口地址送到地址总线，控制信号送到控制总线；ii)与数据总线交换信息。地址是对端口，而不是对接口中的部件而言的。端口地址可以复用，接口中的多个寄存器可使用同一个端口地址，即端口地址与接口内的寄存器并不一一对应。端口地址译码电路的功能是选通端口。端口地址码分为：i)高位地址码，译码产生接口的片选信号；ii)低位地址码，译码产生端口的选通信号；为保证CPU和外设之间正确有效地传送数据，针对不同的外设应采用不同的数据传送方式。常用的有：程序方式、中断方式、直接存储器存取（DMA）方式三种。4.3.1程序方式程序方式是指微机系统与外设之间的数据传输过程在程序的控制下进行。其特点是以CPU为中心，数据传输的控制来自CPU，通过执行预先编制的输入/输出程序来实现数据传输。1.无条件传输方式使用场合：简单外设。接口电路中需要/IOW、/IOR、/CS等控制信号。要求：每次传送时，外设都处于就绪状态。即前提是外设必须处于随时能提供数据或接收数据状态。2.条件传送（查询）方式(1)CPU从接口中读取状态字；(2)CPU检测状态字的相应位是否满足“就绪”条件，如果不满足，则转(1)，再读取状态；(3)如状态位表明外设已处于“就绪”状态，则传输数据。使用场合：适用于CPU不忙且传送速度要求不高时。缺点：CPU效率低，当外设较多时，实时性不好。在中断传输方式下，当输入设备将数据准备好或者输出设备可以接收数据时，便可以向CPU发出中断请求，使CPU暂时停止执行当前程序，而去执行一个数据输入/输出的中断服务程序，与外设进行数据传输操作，中断程序执行完后，CPU又转回继续执行原来的程序。特点：以外设为主动方，可实现主机与外设及多个外设的并行工作，提高了CPU的效率，且实时性很好；适用场合：慢速、中速的外设。中断方式的数据传输仍在程序的控制下执行，也可称为程序中断方式。4.3.2中断方式4.3.3直接存储器存取（DMA）方式DMA(DirectMemoryAccess)方式是指不经过CPU干预，直接在外设与内存之间进行数据传输的方式。1.DMA传送控制方式的特点（1）DMA方式可以响应随机DMA请求（2）DMA传送的插入在不影响CPU程序执行状态的前提下，满足了高速数据传送的速度要求，从而提高了整个系统的效率。（3）DMA方式本身只能处理简单的数据传送，无法识别和处理较复杂事态。适用场合：常用于成批数据的高速传送（如磁盘驱动器和内存之间的数据传送）。2.DMA传送过程（1）DMA方式的初始化设置CPU对DMA控制器设置传送的字节数、所访问内存单元的首地址以及DMA传送方式等初始化信息，并向I/O接口发操作控制命令，让I/O设备做好DMA传送准备工作。（2）DMA请求（3）DMA响应（4）DMA传送（5）DMA结束3.DMA传送控制总线的方式（1）周期挪用方式DMAC一次只传送一个字节，然后释放总线。总线控制权由DMAC和CPU轮流掌管，直到一批数据传送完毕。把CPU不访存的那些周期“挪用”来进行DMA操作优点：较好地发挥了CPU和内存的效率缺点：电路复杂（2）交替访问方式在CPU工作周期比内存存取周期长得情况下，采用交替访问内存的方法，以发挥最高效率。这种方式不需要总线使用权的申请建立和归还过程，总线使用权是通过CPU访存和DMA访存分别控制的。优点：由硬件完成总线控制权的转移，速度快、效率高。缺点：电路复杂（3）CPU停机方式DMA工作时，CPU空闲优点：简单，可适应高速成组数据传送缺点：CPU效率低