第六章接口技术07年.ppt

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1、第六章第六章输入输出接口输入输出接口1概述概述2主机与外设间的数据传送方式主机与外设间的数据传送方式3总线技术总线技术外设不能与外设不能与CPU直接相连，必须经过中间电路再与系统直接相连，必须经过中间电路再与系统相连，这些中间电路被称为相连，这些中间电路被称为I/O接口电路，接口电路，简称简称I/OI/O接口。接口。I/OI/O接口电路由寄存器和逻辑电路组成。接口电路由寄存器和逻辑电路组成。1概述概述CPU内存储器内存储器I/O接接口口电电路路一、接口一、接口二、接口的功能二、接口的功能1.数据缓冲功能数据缓冲功能2.接受和执行接受和执行CPU命令的功能命令的功能3.信号电平转换的功能信号电平

2、转换的功能4.数据格式变换功能数据格式变换功能5.设备选择功能设备选择功能6.中断管理功能中断管理功能7.可编程功能可编程功能三、信息分类三、信息分类通常主机与外设间传送数据要用到以下信息通常主机与外设间传送数据要用到以下信息数据信息数据信息CPU与外设传递的数据与外设传递的数据控制信息控制信息CPU控制外设启停的信号控制外设启停的信号状态信息状态信息反映外设当前所处的工作状态的信息反映外设当前所处的工作状态的信息这些信息在接口电路中用相应的寄存器存放。这些信息在接口电路中用相应的寄存器存放。四、接口的一般结构四、接口的一般结构从使用的角度来看接口电路：从使用的角度来看接口电路：数据寄存器数据

3、寄存器状态寄存器状态寄存器控制寄存器控制寄存器端端口口端端口口CPU外外设设ABDBCB五、接口分类五、接口分类1、按信息传送的方式分类按信息传送的方式分类并并行行接接口口接接口口与与外外设设之之间间按按字字节节传传送送，适适合合近近距距离离、高速传送。高速传送。串串行行接接口口接接口口与与外外设设之之间间按按位位传传送送，适适合合远远距距离离、慢速传送。慢速传送。2、按使用灵活性分类按使用灵活性分类可编程接口可编程接口不可编程接口不可编程接口3、按使用的通用性分类按使用的通用性分类通用接口通用接口专用接口专用接口六、六、I/O端口及寻址方式端口及寻址方式I/O接口电路中能被接口电路中能被CP

4、U直接访问的寄存器或某些特定的直接访问的寄存器或某些特定的器件称为器件称为I/O端口。每一个端口都有一个地址端口。每一个端口都有一个地址端口地址端口地址与存储器每个存储单元都有一个地址不同的是，接口内部与存储器每个存储单元都有一个地址不同的是，接口内部寄存器与端口地址之间不一定是一一对应的关系，有时可能是寄存器与端口地址之间不一定是一一对应的关系，有时可能是一个端口对应几个内部寄存器。一个端口对应几个内部寄存器。1.I/O端口地址的编址方式端口地址的编址方式2.1）统一编址（存储器映象方式）统一编址（存储器映象方式）3.从存储器空间中划出一部分空间留给从存储器空间中划出一部分空间留给I/O端口

5、。端口。端端口口特点：特点：*编址简单编址简单*访问指令类型多访问指令类型多*占用存储空间占用存储空间2）独立编址）独立编址端口地址与存储器的编址完全分开。端口地址与存储器的编址完全分开。Intel的的CPU就采就采用这种编址方法。用这种编址方法。特点：特点：*有专门有专门I/O端口的指令端口的指令*不占用存储器空间不占用存储器空间*指令类型少，只能进行简单操作。指令类型少，只能进行简单操作。01M存储器空间存储器空间064KI/O端口空间端口空间需要需要20根地址线根地址线需要需要16根地址线根地址线（地址总线的低（地址总线的低16位）位）8086的编址：的编址：2.8086的的I/O指令指

6、令类别类别指令指令操作操作说明说明直接直接输入输入输出输出指令指令INAL，PORTINAX，PORTOUTPORT，ALOUTPORT，AXAL（PORT）AX（PORT+1），（），（PORT）（PORT）AL（PORT+1），（），（PORT）AX字节传送字节传送字传送字传送字节传送字节传送字传送字传送间接间接输入输入输出输出指令指令INAL，DXINAX，DXOUTDX，ALOUTDX，AXAL（DX）AX（DX+1），（），（DX）(DX)AL（DX+1），（），（DX）AX字节传送字节传送字传送字传送字节传送字节传送字传送字传送PORT为为8位直接端口地址；位直接端口地址；若端口地

7、址为若端口地址为16位则必须用位则必须用DX进行间址。进行间址。eg：INAL，20H；将将20端口的内容送至端口的内容送至AL MOVDX，1432H INAL，DX；将将1432H端口的内容送至端口的内容送至ALOUT21H，AL；将；将AL的内容送至的内容送至21端口端口OUTDX，AL；将；将AL的内容送至的内容送至DX所指端口所指端口注意注意MOV指令的区别：指令的区别：MOVAL，20HINAL，20HMOVAX，DXINAL，DXMOV2000H，ALOUT21H，ALMOVDX，AXOUTDX，AL；AL20H ；AL（20H），M/IO=0，RD=0；AXDX ；AL（DX）

8、，M/IO=0，RD=0；（；（2000H）AL，M/IO=1，WR=0；（；（21H）AL，M/IO=0，WR=0；DXAX，；（；（DX）AL，M/IO=1，WR=02主机与外设间的数据传送方式主机与外设间的数据传送方式主机与外设见的数据传送方式有三种：主机与外设见的数据传送方式有三种：程序传送方式程序传送方式中断传送方式中断传送方式直接存储器存取（直接存储器存取（DMA）传送方式传送方式一、程序传送方式一、程序传送方式通过通过CPU执行程序中的执行程序中的I/O指令来完成传送。该方式可进一指令来完成传送。该方式可进一步分为：无条件传送和查询传送。步分为：无条件传送和查询传送。（一）无条件

9、传送及其接口（一）无条件传送及其接口在主机与某些简单外部设备（如在主机与某些简单外部设备（如LED，键盘等）交换键盘等）交换数据时，可以认为它们总是处于数据时，可以认为它们总是处于“就绪就绪”状态，随时可以状态，随时可以进行数据传送，这就是无条件传送，或称立即传送。进行数据传送，这就是无条件传送，或称立即传送。用于无条件传送的接口电路十分简单，接口中只考虑用于无条件传送的接口电路十分简单，接口中只考虑数据缓冲，不考虑信号联络。数据缓冲，不考虑信号联络。例：将输入设备的开关状态在输出设备发光二极管上显示。例：将输入设备的开关状态在输出设备发光二极管上显示。接口电路接口电路输出型输出型外设外设输入

10、型输入型外设外设NEXT：MOV DX，8000H；DX指向接口指向接口INAL，DX；从输入口读开关状态从输入口读开关状态NOTAL；反相反相OUTDX，AL；送输出口显示送输出口显示CALL DELAY；调子程序延时调子程序延时10msJMPNEXT；重复重复输入输出使用一个端口地址输入输出使用一个端口地址编写数据传送程序段编写数据传送程序段：特点：特点：简单，可靠性差简单，可靠性差（二）查询传送方式及其接口（二）查询传送方式及其接口 程序控制下的查询传送方式，其工作流程如图所示程序控制下的查询传送方式，其工作流程如图所示特点特点：工作可靠，适用面宽，但传送工作可靠，适用面宽，但传送 效率

11、低效率低 ，占用，占用CPUCPU资源资源分为两个步骤：分为两个步骤：1）查询）查询2）数据交换）数据交换1.查询输入查询输入D0设状态端口的地址为设状态端口的地址为8000H，数据端口的地址为数据端口的地址为8001H配合该接口工作的相应程序段为配合该接口工作的相应程序段为MOVDX，8000H；DX指向状态口指向状态口STATUS：INAL，DX；读状态口读状态口TEXTAL，01H；测试标志位测试标志位D0JZSTATUS；D0=0，未就绪，继续查询未就绪，继续查询INCDX；D0=1，就绪，就绪，DX改指数据口改指数据口INAL，DX；数据输入数据输入2.查询输出接口查询输出接口设状态

12、端口的符号地址为设状态端口的符号地址为8000H，数据端口的地址为数据端口的地址为8001H配合该接口工作的相应程序段为：配合该接口工作的相应程序段为：MOV DX，8000H；DX指向状态口指向状态口STA：INAL，DX；读状态口读状态口TEXT AL，80H；测试标志位测试标志位D7JNZSTA；D7=1，未就绪，继续查询未就绪，继续查询INCDX；D7=0，就绪，就绪，DX改指数据口改指数据口MOV AL，BUF；变量变量BUF送送ALOUTDX，AL；数据输出数据输出二、中断传送方式二、中断传送方式中中断断传传送送传传送送请请求求由由外外设设提提出出，CPU视视情情况况响响应应后后，

13、调调用用预先安排好的子程序来完成数据传送。预先安排好的子程序来完成数据传送。所谓所谓“中断中断”，是指这样一个过程：，是指这样一个过程：CPUCPU在程序在程序运行中，被内部或外部的事件所打断，转去执行一段运行中，被内部或外部的事件所打断，转去执行一段预先安排好的中断服务程序；服务结束后，又返回原预先安排好的中断服务程序；服务结束后，又返回原来的断点，继续执行原来的程序，整个中断过程由计来的断点，继续执行原来的程序，整个中断过程由计算机的中断系统，配合用户设计的中断服务程序来实算机的中断系统，配合用户设计的中断服务程序来实现。现。主主程程序序中中断断服服务务子子程程序序中断响应中断响应中断返回

14、中断返回中断申请中断申请中断源中断源断点断点中断传送的特点：中断传送的特点：CPUCPU工工作作效效率率高高，传传送送灵灵活活，CPUCPU可可为为多多个个外外设设提提供供更多的服务，但不适宜批量数据传送更多的服务，但不适宜批量数据传送三、直接存储器传输（三、直接存储器传输（DMADMA）方式方式DMA（DirectMemoryAccess）意指不通过意指不通过CPU、直接对直接对存储器进行访问，它由专门的硬件装置存储器进行访问，它由专门的硬件装置DMA控制器（控制器（DMAC）来完成。除了事先要用指令设置来完成。除了事先要用指令设置DMAC外，传送是应外设请外，传送是应外设请求、在硬件控制下

15、完成。所以，它具有极高的传送速率，适合求、在硬件控制下完成。所以，它具有极高的传送速率，适合大批量数据的传送。大批量数据的传送。DMAC控制器具有以下功能控制器具有以下功能:（1）接收）接收I/O设备通过接口发出的设备通过接口发出的DAM请求信号，并向请求信号，并向CPU发发出总线请求信号；出总线请求信号；（2）当）当CPU响应请求后，接管总线控制进入响应请求后，接管总线控制进入DMA操作方式；操作方式；（3）发出存储器地址，确定数据的传诵地址单元，并能自动）发出存储器地址，确定数据的传诵地址单元，并能自动修改地址指针；修改地址指针；（4）存储器和）存储器和I/O设备发出相应的读设备发出相应的

16、读/写控制信号，确定写控制信号，确定传送方向；传送方向；（5）控制数据传送字节数，并判断传送是否结束；）控制数据传送字节数，并判断传送是否结束；在在DMA传送结束后，能发出传送结束后，能发出DMA操作结束信号，释放总操作结束信号，释放总线，使线，使CPU恢复对总线的控制。恢复对总线的控制。高电平高电平高电平高电平DMACCPU存储器存储器I/O接接口口外外设设HOLDHLDADREQDACKHOLD：总线保持请求（在数据传送期间保持高电平）总线保持请求（在数据传送期间保持高电平）HLDA：总线保持响应（在数据传送期间保持高电平）总线保持响应（在数据传送期间保持高电平）DREQ：DMA请求请求D

17、ACK：DMA响应响应高电平高电平低电平低电平低电平低电平低电平低电平传送结束？传送结束？Y总线允许总线允许DMAC发送存储器地址发送存储器地址外设与存储器传送数据外设与存储器传送数据DMAC修改地址指针修改地址指针和字节计数器的值和字节计数器的值结束结束DMA传送传送NDMADMA工作流程：工作流程：在实际外设与主机之间数据传送过程中，三种传送方式并在实际外设与主机之间数据传送过程中，三种传送方式并不是单一存在的，而是相互结合。不是单一存在的，而是相互结合。如从键盘上输入数据到如从键盘上输入数据到CPUCPU中，就是中断传送方式中有程序传送方式，又如从硬盘中将要中，就是中断传送方式中有程序传

18、送方式，又如从硬盘中将要运行的程序装入主机的内存中，就是运行的程序装入主机的内存中，就是DAMDAM与中断方式的结合。与中断方式的结合。3总线技术总线技术CPU内存储器内存储器I/O接接口口电电路路微型计算机采用总线结构有以下的优点：微型计算机采用总线结构有以下的优点：1.简化了系统结构简化了系统结构2.简化了硬件、软件的设计简化了硬件、软件的设计3.采用总线标准化，方便了系统功能扩充或性能更新。采用总线标准化，方便了系统功能扩充或性能更新。一、总线基本概念一、总线基本概念总线总线：模块与模块之间或设备与设备之间传送信息的一组公模块与模块之间或设备与设备之间传送信息的一组公用共享信号线。用共享

19、信号线。总线传输速率总线传输速率：1秒内通过总线所能传输的最大字节数，即秒内通过总线所能传输的最大字节数，即B/s总线基本功能总线基本功能：完成计算机各个部件之间的各类信息（包完成计算机各个部件之间的各类信息（包括地址、数据和控制信息）的传送。括地址、数据和控制信息）的传送。总线的特点总线的特点：分时复用。即它同时挂接多个模块或设备，分时复用。即它同时挂接多个模块或设备，而在不同的时间选择不同的模块或设备进行通信。而在不同的时间选择不同的模块或设备进行通信。总线分类总线分类：片内总线、片总线、系统总线、外总线片内总线、片总线、系统总线、外总线总线控制总线控制存储器存储器I/O接口接口微微机机系

20、系统统电电子子仪仪器器I/O扩展扩展存储器扩展存储器扩展总总线线控控制制EUBIU总总线线控控制制CPU微型计算机微型计算机微型计算机系统微型计算机系统片内总线片总线或局部总线系统总线外总线或通信总线总线操作过程：总线操作过程：总线完成一个数据传输一般分为四个阶段：总线完成一个数据传输一般分为四个阶段：（1）总线请求和总线仲裁阶段）总线请求和总线仲裁阶段（2）寻址阶段）寻址阶段（3）数据传输阶段）数据传输阶段（4）结束阶段）结束阶段总线通信方式：总线通信方式：（1）同步通信或同步传输。指总线上的所有模块提通过总线进）同步通信或同步传输。指总线上的所有模块提通过总线进行信息传输时都是同意的时钟信

21、号控制下步调一致地进行。行信息传输时都是同意的时钟信号控制下步调一致地进行。（2）异步通信或应答传输。指总线上的模块通过总线传输时没）异步通信或应答传输。指总线上的模块通过总线传输时没有统一的时钟，通信双方采用有统一的时钟，通信双方采用“请求请求”和和“应答应答”两信号来协两信号来协调传输过程。调传输过程。总线仲裁（总线控制）总线仲裁（总线控制）：当系统中挂有多个主模块式当系统中挂有多个主模块式为保证任一时刻总线上最多有一个主模块占用总线，采用仲裁为保证任一时刻总线上最多有一个主模块占用总线，采用仲裁机构进行分配与管理机构进行分配与管理（1）串行仲裁或链式查询仲裁。）串行仲裁或链式查询仲裁。（

22、2）并行仲裁或独立请求仲裁。）并行仲裁或独立请求仲裁。总线标准总线标准：对系统总线的机械物理尺寸、引脚数目、信号对系统总线的机械物理尺寸、引脚数目、信号含义、功能和时序、数据传输率、工作频率、总线协议进行统含义、功能和时序、数据传输率、工作频率、总线协议进行统一的严格定义，使它具有高度的科学性和权威性，以便被计算一的严格定义，使它具有高度的科学性和权威性，以便被计算机界广泛接受。机界广泛接受。总线技术随计算机技术的发展而不断发展与完善，当总线技术随计算机技术的发展而不断发展与完善，当CPU的性能小不断提高时，完成信息传送的总线便成了制约计算机的性能小不断提高时，完成信息传送的总线便成了制约计算

23、机技术发展的瓶颈，这又促进总线技术的镶嵌发展和新总线标准技术发展的瓶颈，这又促进总线技术的镶嵌发展和新总线标准的推出，以提高计算机系统的整体性能。的推出，以提高计算机系统的整体性能。二、总线基本结构二、总线基本结构CPU存储器存储器I/O模块模块插板模块插板模块总线总线总线结构的典型物理实现总线结构的典型物理实现总线上模块总线上模块太多，将导致太多，将导致信息传输速率信息传输速率下降。下降。现代微型现代微型计算机大都采计算机大都采用多种总线标用多种总线标准的级连结构。准的级连结构。CPUCache局部局部I/O控制器控制器存储器存储器网络网络SCSI扩展总扩展总线接口线接口调制解调制解调器调器

24、串口串口局部总线局部总线系统总线系统总线扩展总线扩展总线传统总线结构图传统总线结构图小型计算机小型计算机系统接口系统接口CPUCache/桥电路桥电路主存储器主存储器网络网络SCSI扩展总扩展总线接口线接口调制解调制解调器调器串口串口局部总线局部总线系统总线系统总线扩展总线扩展总线高性能总线（高性能总线（PCI总线）结构图总线）结构图高速总线高速总线USB图形图形传真传真视频视频三、总线标准的分类三、总线标准的分类1.XT总线标准总线标准适用以适用以8088为为CPU的的IBMPC/XT为代表的为代表的8位微型计位微型计算机系统。用于扩充没有包含在微型计算机主板上的其他算机系统。用于扩充没有包

25、含在微型计算机主板上的其他控制功能。控制功能。62根信号线。其中有根信号线。其中有20根地址线、根地址线、8根数据线、根数据线、一些控制信号线、电源线、地线等。可访问一些控制信号线、电源线、地线等。可访问1M存储器。存储器。2.ISA总线标准（工业标准体系结构）总线标准（工业标准体系结构）ISA总线是在总线是在XT总线的基础上再扩充总线的基础上再扩充36根信号线而形根信号线而形成的成的16位系统总线，支持位系统总线，支持8位或位或16位数据传送，以保证位数据传送，以保证100%与与XT总线兼容。共总线兼容。共98根信号线。其中有根信号线。其中有24根地址线、根地址线、16根数据线、控制信号线、

26、电源线、地线。可访问根数据线、控制信号线、电源线、地线。可访问16M存存储器。储器。3.EISA总线标准（扩展工业标准体系结构）总线标准（扩展工业标准体系结构）EISA总线是在总线是在ISA总线的基础上再扩充总线的基础上再扩充98根信号线而根信号线而形成的形成的32位系统总线，支持位系统总线，支持8位或位或16位或位或32位数据存取，位数据存取，支持数据突发传送。有支持数据突发传送。有32根地址线、根地址线、32根数据线、控制信根数据线、控制信号线、电源线、地线。可访问号线、电源线、地线。可访问4GB存储器，其中前存储器，其中前1MB的的单元为基本存储空间与单元为基本存储空间与ISA总线地址空

27、间兼容。总线地址空间兼容。A1A31B31B1C1D1C18D18ISA总线总线36芯芯扩展槽排列扩展槽排列XT总线排列总线排列ISA总线总线E31F31F1E1G1H1G19H19ESIA总线总线4.PCI总线标准总线标准PCI总线是一种高性能局部总线标准。可同时支持多总线是一种高性能局部总线标准。可同时支持多组外备。不受制于处理器，为组外备。不受制于处理器，为CPU及高速外设提供数据传及高速外设提供数据传输通道，进行总线之间的数据传输管理。输通道，进行总线之间的数据传输管理。PCI采用高度综采用高度综合化的局部总线结构，以确保计算机各部件合化的局部总线结构，以确保计算机各部件、附加卡及系附

28、加卡及系统之间的可靠运行，并能兼容现有的统之间的可靠运行，并能兼容现有的ISA和和EISA总线总线CPUPCI桥路桥路主存储器主存储器网络网络SCSIISA总线总线控制器控制器调制解调制解调器调器串口串口CPU总线总线ISA总线总线PCI总线结构图总线结构图PCI总线总线USB图形图形传真传真视频视频作业作业1.接口电路的作用是什么接口电路的作用是什么?什么是端口？典型的接口电路通常包括哪些什么是端口？典型的接口电路通常包括哪些基本部分基本部分?它们的功能是什么它们的功能是什么?2.CPU与外设之间的数据传送方式有哪几种？各种方式的特点是什么与外设之间的数据传送方式有哪几种？各种方式的特点是什

29、么？3.8086CPU访问端口的指令哪些（举例说明）访问端口的指令哪些（举例说明）？访问端口时其控制信？访问端口时其控制信号线号线M/IO为什么状态？哪些地址线为有效地址线？为什么状态？哪些地址线为有效地址线？4.微型计算机采用总线结构有什么优点微型计算机采用总线结构有什么优点？5.现有一输入设备，其数据端口的地址为现有一输入设备，其数据端口的地址为FFE0H，并于端口，并于端口FFE2H提提供状态，当其供状态，当其D0位为位为1时表明输入数据备好。请编写采用查询方式进时表明输入数据备好。请编写采用查询方式进行数据传送的程序段，要求从该设备读取行数据传送的程序段，要求从该设备读取100个字节并输入到从个字节并输入到从2000H：2000H开始的内存中，注意在程序中加上注释。开始的内存中，注意在程序中加上注释。6.某字符输出设备，其数据端口和状态端口的地址均为某字符输出设备，其数据端口和状态端口的地址均为80H，在读取状，在读取状态时，当标志位态时，当标志位D7为为0时表明该设备闲。请编写采用查询方式进行数时表明该设备闲。请编写采用查询方式进行数据传送的程序段，要求将存放于符号地址据传送的程序段，要求将存放于符号地址ADDR处的一串字符（以处的一串字符（以为结束标志）输出给该设备，注意在程序中加上注释。为结束标志）输出给该设备，注意在程序中加上注释。