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单元四接口概述讲稿单元四接口概述讲稿pptppt课课件件4.1为什么需要接口？为什么需要接口？n总的来说，I/O接口具有下述三方面功能：n（1）速度的匹配n（2）信息格式的变换：包括串并转换，A/D,D/A转换，电平转换等。n（3）提供主机和外设间传送数据所必须的状态和控制信息。4.2 I/O接口的基本结构接口的基本结构n外设通过I/O接口电路与CPU相连。每个接口电路包含一组寄存器：n数据输入寄存器n数据输出寄存器n状态寄存器n控制寄存器n通常称这些寄存器为I/O端口(I/O PORT)，每个端口有一个端口地址I/O接口的编址接口的编址n计算机中计算机中I/O端口也是可以编址的，编址的端口也是可以编址的，编址的方法与存储器编址方法类似。方法与存储器编址方法类似。n如何理解存储器和如何理解存储器和I/O端口寻址的区别？端口寻址的区别？以城市类比计算机以城市类比计算机地址种类地址种类相对城市含义相对城市含义 本质含义本质含义存储器地址存储器地址门牌号码门牌号码存储器单元存储器单元I/O端口地址端口地址 城市道路编号城市道路编号 接口芯片寄存器接口芯片寄存器I/O接口地址的编址方案接口地址的编址方案n混合编址：存储器地址和混合编址：存储器地址和I/O端口地址统一端口地址统一编址，编址，Motorola系列系列CPU采用混合编址；采用混合编址；n1. I/O端口和存储器统一编址（端口和存储器统一编址（Memory Mapped I/O）n优点：可以用访问存储器的指令来访问优点：可以用访问存储器的指令来访问I/O端口。端口。n例如例如 :ADD AL, 2000HXXXXH0XXXXHI/O存储器整个地址空间一个一个I/O端口的内容端口的内容n2. I/O端口和存储器分开编址（I/O Mapped I/O）n指令系统中分别设立面向存储器的指令和面向I/O操作的指令。（IN指令和OUT指令）n在微型计算机中，地址总线为存储器和I/O端口所共享，那么，CPU输出的地址信号究竟是给谁的？是给M，还是I/O?n在CPU芯片上设置专门的控制信号线M/IO（80 x86均如此）。I/O接口芯片连线的寻址原理接口芯片连线的寻址原理n对对I/O接口芯片的的寻址通过地址线连接：接口芯片的的寻址通过地址线连接：地址线地址线含义含义连接方法连接方法低位地址线低位地址线 片内地址片内地址 CPU低位地址线与芯片低位地址线与芯片上地址线直接相连上地址线直接相连高位地址线高位地址线 片外地址片外地址 CPU高位地址线经过译高位地址线经过译码器接芯片片选信号码器接芯片片选信号（CE、CS）74LS138译码器的连线方法译码器的连线方法n假设：假设：I/O接口芯片的片内地址为接口芯片的片内地址为370H377H，求，求CPU如何通过如何通过74LS138译码器进行寻址？译码器进行寻址？n分析：片内地址分析：片内地址8个，说明芯片具有片个，说明芯片具有片内地址线内地址线3位位A0A2，高位地址为，高位地址为A3A9，按照全局译码的原理，按照全局译码的原理，A3A9是高位地址线，要通过译码器连接是高位地址线，要通过译码器连接到片选信号。到片选信号。74LS138译码器的连线方法译码器的连线方法n370H377H对应的二进制为：对应的二进制为：11011100001101110111，根据界线原理：低三位直接连接，根据界线原理：低三位直接连接，主要说明高位地址线的接法。主要说明高位地址线的接法。74LS138译码器的连线步骤译码器的连线步骤n第一步：比较第一步：比较CPU高位地址线位数高位地址线位数和和74LS138译码器输入端位数的译码器输入端位数的关系，有三种可能：相等、大于或关系，有三种可能：相等、大于或小于；小于； CPU高位地址线高位地址线7位（位（A3-A9），）， 74LS138译码器输入端译码器输入端6位。位。74LS138译码器的连线步骤译码器的连线步骤n第二步：将高位地址线中第二步：将高位地址线中0和和1分类；分类；n第三步：接线，为第三步：接线，为0的端口线先接的端口线先接G2A、G2B，为，为1的端口先接的端口先接G1；其余接线端；其余接线端自由接自由接A、B、C端；当端；当CPU高位地址高位地址线比线比74LS138译码器输入端数量多时，译码器输入端数量多时，要用逻辑门电路过渡，减少接线端。要用逻辑门电路过渡，减少接线端。74LS138译码器的连线步骤译码器的连线步骤n第四步：根据第四步：根据A、B、C的值确定的值确定Yi的输出选择，接芯片的片选。的输出选择，接芯片的片选。问题：如何根据问题：如何根据74LS138译码器的译码器的接线判断芯片的地址？接线判断芯片的地址？4.3 接口数据传送的控制方式接口数据传送的控制方式程序方式；程序方式；中断方式；中断方式；DMA方式。方式。程序方式程序方式有两种：无条件传送方式和条有两种：无条件传送方式和条件传送（查询）方式，无条件件传送（查询）方式，无条件传送方式可靠性差，一般采用传送方式可靠性差，一般采用条件传送（查询）方式。条件传送（查询）方式。程序方式程序方式通信需要发送和接收双方的配合。通信需要发送和接收双方的配合。接收数据缓冲器发送数据缓冲器输入就绪输入状态检测就绪数据线输入就绪状态检测输出状态检测输出有效输出有效状态检测接收端发送端程序方式程序方式输入就绪？发送数据YN发送端发送操作接收端接收操作输出有效？读数据YN程序方式程序方式问题：问题：如何检测如何检测“接收就绪接收就绪”和和“发送发送有效有效”的状态信号？的状态信号？发送操作如何实现？发送操作如何实现？接收操作如何实现？接收操作如何实现？程序方式程序方式检测接收就绪和发送有效状态信号：检测接收就绪和发送有效状态信号：先读取接口状态字节（先读取接口状态字节（inportb()），然），然后用后用“与与”（&）位操作取得状态位；）位操作取得状态位；发送操作：写端口数据（发送操作：写端口数据（outportb()）接收操作：读接口数据（接收操作：读接口数据（inportb()）补：补：C语言的接口操作和位操作语言的接口操作和位操作（1）outportb()，向指定端口地址，向指定端口地址输出字节输出字节原形：原形：void outportb(int portid,unsigned char value)调用方式：调用方式：outportb(端口号端口号,要输出要输出的字节的字节);头文件：头文件：dos.h补：补：C语言的接口操作和位操作语言的接口操作和位操作（2）inportb()，从指定端口读入字节，从指定端口读入字节原形：原形：unsigned char inportb(int portid)调用方式：字符变量调用方式：字符变量=inportb(0 x端口端口号号)；头文件：头文件：dos.h补：补：C语言的位操作运算符语言的位操作运算符“按位与按位与” 运算：运算：&“按位或按位或” 运算：运算：|“按位异或按位异或” 运算：运算：“按位取反按位取反” 运算：运算：移位运算：移位运算：右移，右移，左移左移补：补：C语言的位操作运算符语言的位操作运算符如何取得状态信息：如何取得状态信息：读入状态字节用与运算获得状态位信息判断状态信息是否为“真”s7 s6 s5 s4 s3 s2 s1 s0状态信息如何判断？如何判断？读入状态字节用与运算获得状态位信息判断状态信息是否为“真”补：补：C语言的位操作运算符语言的位操作运算符用用C语言的输入语言的输入/输出函数和位输出函数和位操作相结合可以实现对计算机操作相结合可以实现对计算机接口的基本操作，是接口的基本操作，是C语言的语言的基本功能。基本功能。程序方式程序方式有条件查询方式的缺点：有条件查询方式的缺点：CPU工作效率低；工作效率低；以串行接口通信为例，以串行接口通信为例，CPU的利用率只有的利用率只有0.5%中断方式中断方式中断的基本思想：中断的基本思想：CPU平时正常运行用平时正常运行用户程序，只有在有特殊事件需求时才进户程序，只有在有特殊事件需求时才进行服务，服务完成后立即返回原来运行行服务，服务完成后立即返回原来运行的程序，目的是提高的程序，目的是提高CPU的工作效率。的工作效率。中断的定义：中断的定义：CPU暂停正在运行的程序，暂停正在运行的程序，处理需要服务的事件，等服务完成以后，处理需要服务的事件，等服务完成以后，返回到原来运行的程序。返回到原来运行的程序。发出中断请求信号：提供检测中断发出中断请求信号：提供检测中断源的输入线路；源的输入线路；定向中断服务子程序：为指定事件定向中断服务子程序：为指定事件提供相应的服务；提供相应的服务；中断方式中断方式的功能的功能断点的保护和返回：进行中断服务断点的保护和返回：进行中断服务前保存当前程序地址，以便中断服前保存当前程序地址，以便中断服务结束后程序返回；务结束后程序返回；现场的保护和恢复：在中断服务前现场的保护和恢复：在中断服务前保存当前程序运行条件下的数据，保存当前程序运行条件下的数据，以便中断服务结束后继续使用。以便中断服务结束后继续使用。中断方式中断方式的功能的功能中断中断流程流程中断的相关概念中断的相关概念中断源：产生中断申请的设备中断源：产生中断申请的设备或事件；或事件；中断申请：中断源向中断申请：中断源向CPU发出发出服务请求；服务请求；中断响应：中断响应： CPU接收中断请求，接收中断请求，中断源加入中断队列；中断源加入中断队列；中断的相关概念中断的相关概念中断服务程序：进行中断事件处理中断服务程序：进行中断事件处理的程序；的程序；中断优先级：中断源申请中断服务中断优先级：中断源申请中断服务的优先级别；的优先级别；中断嵌套：运行中断服务程序时，中断嵌套：运行中断服务程序时，优先级别高的中断服务程序能够中优先级别高的中断服务程序能够中断优先级别低的中断服务程序。断优先级别低的中断服务程序。关于中断原理的说明关于中断原理的说明CPU如何检测中断请求？如何检测中断请求？同时产生多个中断请求怎么办？同时产生多个中断请求怎么办？中断服务程序如何与中断源对应？中断服务程序如何与中断源对应？如何理解中断的随机性？如何理解中断的随机性？对中断源的选择性？对中断源的选择性？CPU如何检测中断请求？如何检测中断请求？CPU一般利用中断控制器处理中一般利用中断控制器处理中断事件，中断源一般是通过电平信断事件，中断源一般是通过电平信号或脉冲信号产生中断请求，所以，号或脉冲信号产生中断请求，所以，需要中断服务的设备和部件首先要需要中断服务的设备和部件首先要提供中断请求信号到中断控制器，提供中断请求信号到中断控制器，由中断控制器向由中断控制器向CPU申请中断服申请中断服务。务。CPU如何检测中断请求？如何检测中断请求？CPU中断中断控制器控制器INTRINTAIRQ接设备和部件接设备和部件同时产生多个中断请求怎么办？同时产生多个中断请求怎么办？中断控制器支持优先级设置，先为中断控制器支持优先级设置，先为不同接入端设置不同优先级，在接不同接入端设置不同优先级，在接线时根据外设（或部件）的重要程线时根据外设（或部件）的重要程度和特征设置不同的优先级。当同度和特征设置不同的优先级。当同时有多个中断源申请中断时，按照时有多个中断源申请中断时，按照“同级先到先服务，不同级按优先同级先到先服务，不同级按优先级顺序服务级顺序服务”。中断服务程序如何与中断源对应？中断服务程序如何与中断源对应？CPU在响应中断、进行中断服务在响应中断、进行中断服务前可以检测到中断源，中断源可前可以检测到中断源，中断源可能的中断服务要求是可以预先处能的中断服务要求是可以预先处理，准备好现成的程序，这个程理，准备好现成的程序，这个程序的起始地址就是中断服务程序序的起始地址就是中断服务程序的入口地址。的入口地址。中断服务程序如何与中断源对应？中断服务程序如何与中断源对应？在内存中专门设置一个区间存放在内存中专门设置一个区间存放中断服务程序的入口地址，显然，中断服务程序的入口地址，显然，一个中断源应该有一个中断服务一个中断源应该有一个中断服务程序，一个中断服务程序就有一程序，一个中断服务程序就有一个入口地址，这个入口地址就是个入口地址，这个入口地址就是中断向量。中断向量。中断服务程序如何与中断源对应？中断服务程序如何与中断源对应？中断源中断源接入位置接入位置(中断号中断号)中断中断向量向量中断服务中断服务程序入口地址程序入口地址中断控制器内信息中断控制器内信息内存信息内存信息中断源中断源中断服务程序入口地址中断服务程序入口地址如何理解中断的随机性？如何理解中断的随机性？中断源的服务请求时间是不确定的中断源的服务请求时间是不确定的,其含义是其含义是:一是不知道是否有请求一是不知道是否有请求?二是不知道何时产生请求二是不知道何时产生请求?中断方式所提供的优势在于可以在中断方式所提供的优势在于可以在接收到请求后，在微秒（接收到请求后，在微秒（us）量）量级的时间范围进行服务，特别适合级的时间范围进行服务，特别适合外部设备通信和控制。外部设备通信和控制。对中断源的选择性？对中断源的选择性？如果不允许某个中断源申请，如果不允许某个中断源申请，可以设置中断屏蔽；可以设置中断屏蔽；中断控制器支持对单中断源和中断控制器支持对单中断源和所有中断源的中断屏蔽。所有中断源的中断屏蔽。CPU如何屏蔽中断请求？如何屏蔽中断请求？CPU中断中断控制器控制器INTRINTAIRQ接设备和部件接设备和部件中断过程中断过程序号序号中断过程中断过程执行部件执行部件1外中断源申请外中断源申请外部设备（部件）外部设备（部件）2中断号生成中断号生成中断控制器中断控制器3中断屏蔽和优先级处理中断屏蔽和优先级处理中断控制器中断控制器4中断申请中断申请中断控制器中断控制器5响应中断申请，取得中断号响应中断申请，取得中断号CPU6由中断号确定中断向量内存地址由中断号确定中断向量内存地址CPU7取中断向量，保护现场取中断向量，保护现场CPU8程序跳转，执行中断服务程序程序跳转，执行中断服务程序CPU9恢复现场，返回原执行程序恢复现场，返回原执行程序CPU中断的特点中断的特点有效协调高速运行的有效协调高速运行的CPU与慢速与慢速工作的外部设备之间的速度关系，工作的外部设备之间的速度关系，提高提高CPU的工作效率；的工作效率；需要中断控制器硬件支持，并将外需要中断控制器硬件支持，并将外部设备连接到中断控制器上。部设备连接到中断控制器上。中断的缺点中断的缺点 不能支持特别高速的设备，不能支持特别高速的设备，在设备需要通信信号的时间间隔小在设备需要通信信号的时间间隔小于中断服务最小时间间隔时，中断于中断服务最小时间间隔时，中断服务将无法实现。服务将无法实现。中断控制器作用中断控制器作用信访局信访局中断控制器中断控制器信访局信访局接收中断请求接收中断请求接收群众意见接收群众意见中断屏蔽中断屏蔽对某些问题不与上传对某些问题不与上传向向CPU发申请发申请向政府部门转交意见向政府部门转交意见中断服务程序（中断服务程序（CPU） 处理群众意见（政府部门）处理群众意见（政府部门）中断优先级中断优先级反映问题的轻重缓急反映问题的轻重缓急PC机支持的中断种类机支持的中断种类中断种类中断种类中断源中断源说明说明非屏蔽中断非屏蔽中断NMI软件故障（被零除）软件故障（被零除） 内部程序内部程序硬件故障硬件故障内部程序内部程序外中断外中断由外部设备产生由外部设备产生经过中断控经过中断控制器连接制器连接软件中断软件中断系统调用系统调用软件应用软件应用PC机支持的中断种类机支持的中断种类PC机支持的中断种类机支持的中断种类PC/XT的外部中断表中断源中断源中断类型中断类型中断向量存储地址中断向量存储地址用用 途途NMI02H0008H奇偶校验错、奇偶校验错、I/O通道通道NMI、8087NMIIRQ008H0020H8253的的0通道通道IRQ109H0024H键盘键盘IRQ20AH0028H保留保留IRQ30BH002CH保留保留IRQ40CH0030HRS232CIRQ50DH0034H硬盘驱动器中断硬盘驱动器中断IRQ60EH0038H软盘驱动器中断软盘驱动器中断IRQ70FH003CH打印机中断打印机中断PC机支持的中断种类机支持的中断种类PC机支持的中断种类机支持的中断种类中断源中断源中断类型中断类型中断向量存储地址中断向量存储地址用途用途NMINMI02H02H0008H0008H奇 偶 校 验 错 、奇 偶 校 验 错 、 I / OI / O 通 道通 道 N M IN M I 、8087NMI8087NMIIRQ0IRQ008H08H0020H0020H82538253的的0 0通道通道IRQ1IRQ109H09H0024H0024H键盘键盘IRQ2IRQ20AH0AH0028H0028H扩展，通过扩展，通过8259A8259A从片引入中断源从片引入中断源IRQ3IRQ30BH0BH002CH002CHRSRS232C COM1232C COM1IRQ4IRQ40CH0CH0030H0030HRSRS232C COM2232C COM2IRQ5IRQ50DH0DH0034H0034H硬盘驱动器中断硬盘驱动器中断IRQ6IRQ60EH0EH0038H0038H软盘驱动器中断软盘驱动器中断IRQ7IRQ70FH0FH003CH003CH打印机中断打印机中断中断功能调用中断功能调用BIOSBIOS（BASIC INPUT/OUTPUT SYSTEMBASIC INPUT/OUTPUT SYSTEM），基本输入），基本输入/ /输出系统是存储于计算机输出系统是存储于计算机ROMROM系统中的程序模块，其系统中的程序模块，其功能是管理计算机的标准硬件系统，如：显示器、磁功能是管理计算机的标准硬件系统，如：显示器、磁盘（硬盘、软盘）、串行接口、打印机等。盘（硬盘、软盘）、串行接口、打印机等。BIOSBIOS程序可以为其他程序所调用，这个功能就叫做程序可以为其他程序所调用，这个功能就叫做BIOSBIOS功能调用，亦称为功能调用，亦称为BIOSBIOS调用。调用。BIOSBIOS功能调用在本质上是软件中断，在中断向量表功能调用在本质上是软件中断，在中断向量表中，存储了中，存储了BIOSBIOS程序中不同功能模块的入口地址，当程序中不同功能模块的入口地址，当在汇编语言程序中执行指令在汇编语言程序中执行指令INT INT * * *H H 时，将自动运时，将自动运行位于行位于ROMROM中的模块。中的模块。DMA方式方式 程序控制的数据输入/输出 DMA 控制的数据输入/输出CPU总线外设存储器采用采用DMA方式的原因：方式的原因：DMA控制器的作用控制器的作用CPU存储器存储器DMA控制器控制器I/O接口接口和设备和设备总线总线请求请求总线总线允许允许DMA请求请求DMA允许允许DMA控制器的功能结构控制器的功能结构1）总线控制功能。）总线控制功能。2）具有用于提供交换数据地址的地址寄）具有用于提供交换数据地址的地址寄存器。存器。3）具有数据块长度计数器。）具有数据块长度计数器。4）具有编程寄存器和状态寄存器。）具有编程寄存器和状态寄存器。 DMADMA数据传送的基本过程数据传送的基本过程1）外部设备向）外部设备向DMAC发出发出DMA传送请求信号传送请求信号（DREQ）。）。2）DMAC向总线仲裁机构请求占用总线。向总线仲裁机构请求占用总线。3）DMAC接到接到HLDA信号后成为总线的主控者。信号后成为总线的主控者。4）向存储器和进行）向存储器和进行DMA传送的外设发出读写传送的外设发出读写命令，开始命令，开始DMA传送（外设和内存之间）。传送（外设和内存之间）。5）撤消对）撤消对CPU的总线请求，交回系统总线的的总线请求，交回系统总线的管理和控制权。管理和控制权。通信方式比较通信方式比较通信方式使用场合主要特征环境要求网络计算机之间高速，非实时网络协议程序同步计算机与外设、计算机之间高速、实时简化查询各种速度、实时简化中断硬件中断非高速、实时简化软件中断高速、实时简化DMA外设与内存高速、实时简化通信程序示例通信程序示例已知条件：已知条件：Buffer为首址的为首址的100个字节，从个字节，从A设设备发送，数据端口地址备发送，数据端口地址60H、状态、状态端口地址端口地址62H，状态位，状态位D3=1，表示，表示设备忙，设备忙，D4=0表示设备未联机；表示设备未联机；编写发送数据程序；编写发送数据程序；通信程序流程通信程序流程联机判断联机判断？计数初始为计数初始为0“忙忙”？发送一个发送一个字节字节100字节满？字节满？提示提示信息信息NYYN返返回回NY流程图反映编程流程图反映编程的基本思路和过的基本思路和过程，根据流程图程，根据流程图进行程序设计在进行程序设计在目前仍然是行之目前仍然是行之有效的方法；有效的方法；通信程序流程通信程序流程#include #include Main() int portt=0 x60,ports=0 x62,I,j; int maxnum=100; unsigned char buffer100,tem; tem=inportb(ports); /*读状态字节读状态字节*/ if(tem&0 x10=0) 通信程序流程通信程序流程 tem=inportb(ports); /*读状态字节读状态字节*/ if(tem&0 x10=0) printf(“未联机，请检查接线未联机，请检查接线”)； return; I=0; while(Imaxnum) tem=inportb(ports); 通信程序流程通信程序流程while(Imaxnum) tem=inportb(ports); if(tem&0 x8=0) outputb(portt,bufferI+);