【教学课件】第五章IO接口与总线.ppt
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1、第五章第五章 I/OI/O接口与总线接口与总线5.1 5.1 I/OI/O接口概述接口概述5.2 5.2 I/OI/O端口的编址方式端口的编址方式5.3 5.3 I/OI/O同步控制方式同步控制方式5.4 5.4 有关总线的基本概念有关总线的基本概念5.5 5.5 总线操作控制总线操作控制5.6 804865.6 80486的基本总线操作时序的基本总线操作时序5.7 805.7 80X86X86系列微机系统的标准总线系列微机系统的标准总线5.1 I/O接口概述qI/OI/O设备与设备与I/OI/O接口接口q接口分类接口分类q接口的基本功能与基本结构接口的基本功能与基本结构5.1.1 I/O5.
2、1.1 I/O设备与设备与I/OI/O接口接口 通过硬件、软件结合,把通过硬件、软件结合,把I/O设备与设备与CPU连连接起来,以实现两者间正确通信的技术。接起来,以实现两者间正确通信的技术。(为什么?)(为什么?)(为什么?)(为什么?)I/OI/O设备是微机系统必不可少的组成部分设备是微机系统必不可少的组成部分I/OI/O接口技术接口技术 任何任何I/OI/O设备都必须通过设备都必须通过I/OI/O接口与接口与CPUCPU相连相连5.1.2 5.1.2 接口分类接口分类 按微机系统中接口所连外设的形式和功能按微机系统中接口所连外设的形式和功能的不同,通常可分为四种的不同,通常可分为四种:微
3、处理器微处理器MPUMPU只读存储器只读存储器ROMROMABDBCB电源电源随机存储器随机存储器RAMRAM传感器传感器软磁盘驱动器软磁盘驱动器控制台及控制台及显示终端显示终端蒸汽调节阀蒸汽调节阀打印机打印机用户交互接口用户交互接口内务操作接口内务操作接口OOIOOI控制接口控制接口CICI传感接口传感接口SISI下节下节1.1.用户交互接口用户交互接口(UII)(UII)这类接口是指微机接收来自用户的信息这类接口是指微机接收来自用户的信息(数数据或命令据或命令)或向用户发送信息所需要的接口电路。或向用户发送信息所需要的接口电路。这类接口是任何应用系统不可缺少的。这类接口是任何应用系统不可缺
4、少的。其主要任务是完成信息表示方法的转换和其主要任务是完成信息表示方法的转换和数据传输速率的转换。数据传输速率的转换。5.1.2 5.1.2 接口分类接口分类back2.2.内务操作接口内务操作接口(OOI)(OOI)这类接口是使微处理器能发挥最基本的处理这类接口是使微处理器能发挥最基本的处理和控制功能所必需的接口电路。和控制功能所必需的接口电路。主要包括三大总线的驱动器、接收器或收发主要包括三大总线的驱动器、接收器或收发器,以及时钟电路、内存储器的接口等。器,以及时钟电路、内存储器的接口等。5.1.2 5.1.2 接口分类接口分类back3.3.传感接口传感接口(SI)(SI)这类接口是微型
5、计算机检测和控制系统中必这类接口是微型计算机检测和控制系统中必用的接口,有时也称模拟输入接口。用的接口,有时也称模拟输入接口。其主要任务是监视、感受外界被检测或控制其主要任务是监视、感受外界被检测或控制对象的变化,将这种变化转换成电压或电流的形对象的变化,将这种变化转换成电压或电流的形式,再进一步转换成微机所能接受的数字量。式,再进一步转换成微机所能接受的数字量。5.1.2 5.1.2 接口分类接口分类back4.4.控制接口控制接口(CI)(CI)这类接口是微机控制系统所必用的,有时这类接口是微机控制系统所必用的,有时也叫模拟输出接口。也叫模拟输出接口。其主要任务是解决信号的功率放大和数模其
6、主要任务是解决信号的功率放大和数模转换两个问题。转换两个问题。5.1.2 5.1.2 接口分类接口分类back5.1.3 5.1.3 接口的基本功能与基本结构接口的基本功能与基本结构总之,就是完成三大总线的转换和连接任务。总之,就是完成三大总线的转换和连接任务。1.1.接口的基本功能接口的基本功能作为微型机与外设传递数据的缓冲站;作为微型机与外设传递数据的缓冲站;正确寻址与微机交换数据的外设;正确寻址与微机交换数据的外设;提供微型机与外设间交换数据所需的控提供微型机与外设间交换数据所需的控 制逻辑和状态信号。制逻辑和状态信号。I/OI/O接口示意图:接口示意图:注意:通常所谓的注意:通常所谓的
7、I/OI/O操作,是指操作,是指I/OI/O端口操作,而不是指端口操作,而不是指I/OI/O 设备操作,即设备操作,即CPUCPU访问的是与外设相连的访问的是与外设相连的I/OI/O端口,而不端口,而不 是笼统的是笼统的I/OI/O设备。设备。MPUABDBCB接接 I/O端端口口1 I/O端口端口2口口 I/O端端口口3数据数据状态状态控制控制I/O设设备备5.1.3 5.1.3 接口的基本功能与基本结构接口的基本功能与基本结构2.2.接口的基本结构接口的基本结构外外设设内部控内部控制制逻辑逻辑系统数系统数据总线据总线数据总线数据总线缓冲器缓冲器系统地系统地址总线址总线MPU地址总线地址总线
8、缓冲与译码缓冲与译码中断请求中断请求控制控制寄存器寄存器输出缓冲输出缓冲寄存器寄存器状态状态寄存器寄存器输入缓冲输入缓冲寄存器寄存器联络联络控制控制逻辑逻辑I/OI/O数据数据总线总线准备好准备好选通选通联络线联络线控制控制总线总线5.1.3 5.1.3 接口的基本功能与基本结构接口的基本功能与基本结构下节下节1)1)数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器注意:输入缓存器的输出接在数据总线上,因此它注意:输入缓存器的输出接在数据总线上,因此它 必须有三态输出功能。必须有三态输出功能。输入缓存器输入缓存器-将外设送来的数据暂时存放,以便处理器将外设送来的数据暂时存放,以便处理器 将它取走。将它取走。输出缓
9、存器输出缓存器-用来暂时存放处理器送往外设的数据。用来暂时存放处理器送往外设的数据。数据缓存器在高速工作的数据缓存器在高速工作的MPUMPU与慢速工作的与慢速工作的 外设之间起协调、缓冲作用,实现数据传送外设之间起协调、缓冲作用,实现数据传送 的同步。的同步。又分为两种:又分为两种:5.1.3 5.1.3 接口的基本功能与基本结构接口的基本功能与基本结构back2)2)控制寄存器控制寄存器 用于存放处理器发来的控制命令和其它用于存放处理器发来的控制命令和其它信息,以确定接口电路的工作方式和功能。信息,以确定接口电路的工作方式和功能。控制寄存器是写寄存器,其内容一般只控制寄存器是写寄存器,其内容
10、一般只能由处理器写入,而不能读出。能由处理器写入,而不能读出。5.1.3 5.1.3 接口的基本功能与基本结构接口的基本功能与基本结构back 用于保存外设现行各种状态信息,其内容可用于保存外设现行各种状态信息,其内容可被处理器读出。被处理器读出。当当CPUCPU以程序查询方式同外设交换数据时,状以程序查询方式同外设交换数据时,状态寄存器必不可少。态寄存器必不可少。3)3)状态寄存器状态寄存器 数据缓冲寄存器、控制寄存器、状态寄存器数据缓冲寄存器、控制寄存器、状态寄存器是接口电路中的核心部分。通常所说的接口,大是接口电路中的核心部分。通常所说的接口,大都指这些寄存器,它们即为前面所说的都指这些
11、寄存器,它们即为前面所说的I/OI/O端口。端口。5.1.3 5.1.3 接口的基本功能与基本结构接口的基本功能与基本结构back5)5)地址总线缓冲与译码地址总线缓冲与译码 用于地址总线缓冲和正确选择接口电路内用于地址总线缓冲和正确选择接口电路内部各端口寄存器的地址。部各端口寄存器的地址。4)4)数据总线缓冲器数据总线缓冲器 用于实现接口芯片内部数据总线和外部处用于实现接口芯片内部数据总线和外部处理器数据总线的连接。理器数据总线的连接。5.1.3 5.1.3 接口的基本功能与基本结构接口的基本功能与基本结构back6)6)内部控制逻辑内部控制逻辑 用于产生一些接口电路内部的控制信号,实现系用
12、于产生一些接口电路内部的控制信号,实现系统控制总线与内部控制信号之间的变换。统控制总线与内部控制信号之间的变换。7)7)对外联络控制逻辑对外联络控制逻辑 用于产生用于产生/接收接口同接收接口同MPUMPU和外设之间交换数据的和外设之间交换数据的 外部同步信号。外部同步信号。5.1.3 5.1.3 接口的基本功能与基本结构接口的基本功能与基本结构back5.2 I/O5.2 I/O端口的编址方式端口的编址方式q存储器映象方式存储器映象方式q隔离隔离I/OI/O方式方式q8048680486的的I/OI/O端口编址方式端口编址方式5.2.1 5.2.1 存储器映象方式存储器映象方式 1.1.特点:
13、特点:将将I/OI/O端口与存储器单元同等看待,一起编端口与存储器单元同等看待,一起编址。所以也叫统一编址方式。址。所以也叫统一编址方式。实现方法:实现方法:在存储器地址空在存储器地址空 间中,预先指定一部分作间中,预先指定一部分作 为为I/OI/O地址空间,然后给每地址空间,然后给每 个个I/OI/O端口分配一个地址。端口分配一个地址。读读/写写 16 AB64K存存储储空空间间存储器存储器I/O端口端口控制控制控制控制逻辑逻辑MPU8 DBRDWR2)2)为识别一个端口,必须对全部地址线译码,增加为识别一个端口,必须对全部地址线译码,增加 了地址译码电路的复杂性,并使外设寻址时间增长。了地
14、址译码电路的复杂性,并使外设寻址时间增长。1)1)占用了部分存储空间,使可用内存空间减少。占用了部分存储空间,使可用内存空间减少。3.3.缺点:缺点:2)2)I/OI/O端口数目几乎不受限(只受存储器容量限制);端口数目几乎不受限(只受存储器容量限制);2.2.优点:优点:1 1)I/OI/O操作与存储器操作完全相同,无需使用专用操作与存储器操作完全相同,无需使用专用I/OI/O指令。指令。3)3)使微机系统的读写控制逻辑简单。使微机系统的读写控制逻辑简单。5.2.1 5.2.1 存储器映象方式存储器映象方式5.2.2 5.2.2 隔离隔离I/OI/O方式方式1.1.特点:特点:将将I/OI/
15、O端口和存储器分开编址,互相端口和存储器分开编址,互相“隔离隔离”。端口端口控制控制逻辑逻辑存储器存储器(64KB)MPUMEMRMEMWIORIOWR/W控制控制(256个个)I/O 采用这种编址方式,采用这种编址方式,MPUMPU访问访问I/OI/O端口必端口必须采用专用须采用专用I/OI/O指令。故也叫专用指令。故也叫专用I/OI/O方式。方式。由于系统需要的由于系统需要的I/OI/O端口寄存器一般比端口寄存器一般比存储器单元要少得多,故选择存储器单元要少得多,故选择I/OI/O端口只需端口只需用用8 81010根地址线即可。根地址线即可。在隔离编址方式中,在隔离编址方式中,MPUMPU
16、对对I/OI/O端口和存端口和存储单元的不同寻址是通过不同的读写控制信储单元的不同寻址是通过不同的读写控制信号号IOR/IOWIOR/IOW和和MEMR/MEMWMEMR/MEMW来实现的。来实现的。5.2.2 5.2.2 隔离隔离I/OI/O方式方式3)3)要求要求MPUMPU必须提供存储器和必须提供存储器和I/OI/O两组读写控制信号,两组读写控制信号,增加了控制逻辑的复杂性。增加了控制逻辑的复杂性。2)2)专用专用I/OI/O指令只能在规定的内部寄存器和指令只能在规定的内部寄存器和I/OI/O端口间端口间 交换信息,处理能力和灵活性不及存储器映象式强;交换信息,处理能力和灵活性不及存储器
17、映象式强;1)1)专用专用I/OI/O指令类型少,远不如存储器访问指令丰指令类型少,远不如存储器访问指令丰 富,使程序设计的灵活性较差;富,使程序设计的灵活性较差;3 3.缺点:缺点:3)3)使用专用使用专用I/OI/O指令和存储器访问指令有明显区指令和存储器访问指令有明显区 别,可使编制的程序清晰易懂,便于检查。别,可使编制的程序清晰易懂,便于检查。2)2)I/OI/O地址译码较简单,地址译码较简单,I/OI/O寻址速度较快;寻址速度较快;1)1)存储器全部地址空间都不受存储器全部地址空间都不受I/OI/O寻址影响;寻址影响;2.2.优点:优点:5.2.2 5.2.2 隔离隔离I/OI/O方
18、式方式5.2.3 804865.2.3 80486的的I/OI/O端口编址方式端口编址方式8048680486对存储器映象对存储器映象I/OI/O编址方式和隔编址方式和隔离离I/OI/O编址方式都提供了支持。编址方式都提供了支持。实际中一般使用隔离编址的实际中一般使用隔离编址的I/OI/O空间,空间,而将存储器映象编址的而将存储器映象编址的I/OI/O空间作为补充。空间作为补充。I/OI/O地址空间地址空间 I/OI/O指令指令I/OI/O保护保护与隔离与隔离I/OI/O编址方式有关的几个问题:编址方式有关的几个问题:1.I/O1.I/O地址空间地址空间 实际的实际的80X8680X86系统中
19、只用系统中只用A9A9A0A0这十根地址线对这十根地址线对I/OI/O寻址,即只使用了寻址,即只使用了1K1K字节的字节的I/OI/O空间。空间。对这对这1K1K字节的字节的I/OI/O地址空间大都按地址空间大都按ATAT系统的技术系统的技术标准作了分配。标准作了分配。80386/80486 80386/80486的的I/OI/O地址空间,由地址空间,由2 21616(64K)(64K)个可独立个可独立寻址的寻址的8 8位端口组成。位端口组成。任意两个相邻的任意两个相邻的8 8位端口可构成一个位端口可构成一个1616位端口;位端口;4 4个个相邻的相邻的8 8位端口可构成一个位端口可构成一个3
20、232位端口。位端口。5.2.3 804865.2.3 80486的的I/OI/O端口编址方式端口编址方式(1616、3232位端口的对准、不对准问题)位端口的对准、不对准问题)q 为了保证为了保证DMADMA控制器访问存储器时,不会同时选通控制器访问存储器时,不会同时选通I/OI/O空间空间 中相同地址的端口,一般在中相同地址的端口,一般在I/OI/O端口地址译码电路中还要加端口地址译码电路中还要加 一个限定信号一个限定信号“AENAEN”,使得,使得DMACDMAC访问时,访问时,AEN=1AEN=1,禁止,禁止I/OI/O 端口译码。端口译码。关于关于8048680486I/OI/O编址
21、方式的两点说明:编址方式的两点说明:5.2.3 804865.2.3 80486的的I/OI/O端口编址方式端口编址方式q 10 10根根I/OI/O地址线并非专设的,而是借用存储器寻址的低地址线并非专设的,而是借用存储器寻址的低1010 位地址线位地址线A9A9A0A0。为了与存储器的访问相区别,就要在。为了与存储器的访问相区别,就要在I/OI/O 端口地址译码电路上加限定信号端口地址译码电路上加限定信号IORIOR或或IOWIOW,这两个信号是,这两个信号是在执行在执行ININ指令或指令或OUTOUT指令时自动产生的。指令时自动产生的。qDXDX间接寻址端口的间接寻址端口的I/OI/O指令
22、:指令:IN AL,DX IN AL,DX 和和 OUT DX,ALOUT DX,AL AXAX,DXDX D DX,AXX,AX EAXEAX,DXDX D DX,EAXX,EAX;portport为为8 8位立即数,位立即数,故最多可直接寻址故最多可直接寻址 256 256个个I/OI/O端口。端口。;DXDX为为1616位,故可间接位,故可间接 寻址寻址64K64K个个I/OI/O端口。端口。2.I/O2.I/O指令指令 1)1)单项数据单项数据I/OI/O指令指令(IN(IN,OUT)OUT)分为两种:分为两种:q立即数直接寻址端口的立即数直接寻址端口的I/OI/O指令:指令:IN A
23、L,port IN AL,port 和和 OUT port,ALOUT port,AL AX,port port,AX AX,port port,AX EAX,port port,EAX EAX,port port,EAX 5.2.3 804865.2.3 80486的的I/OI/O端口编址方式端口编址方式2)2)串数据串数据I/OI/O指令指令(INS,OUTS)(INS,OUTS)这类这类I/OI/O指令有以下几个特点:指令有以下几个特点:通常与通常与REPREP前缀连用,这时隐含前缀连用,这时隐含CXCX作为重复次数计数器作为重复次数计数器 隐含隐含DXDX作为端口间接寻址寄存器作为端口
24、间接寻址寄存器 隐含隐含DS:ESIDS:ESI作为作为OUTSOUTS指令的源操作数指令的源操作数 隐含隐含ES:EDIES:EDI作为作为INSINS指令的目的操作数指令的目的操作数 隐含隐含DFDF对对ESIESI或或EDIEDI中的内存地址偏移值进行增中的内存地址偏移值进行增/减控制减控制5.2.3 804865.2.3 80486的的I/OI/O端口编址方式端口编址方式3.I/O3.I/O保护保护1)1)用用EFLAGSEFLAGS中的中的IOPLIOPL字段控制使用字段控制使用I/OI/O指令访问指令访问I/OI/O地址空间地址空间的权限。的权限。(操作系统可以为每个任务指定一个操
25、作系统可以为每个任务指定一个I/OI/O特权级,特权级,存放在各任务的标志寄存器副本的存放在各任务的标志寄存器副本的IOPLIOPL字段中,与字段中,与I/OI/O操作操作有关的指令只有在其当前特权级高于指定的有关的指令只有在其当前特权级高于指定的I/OI/O特权级时才特权级时才允许执行。)允许执行。)2)2)用任务状态段的用任务状态段的“I/O“I/O允许位映象允许位映象”控制对控制对I/OI/O地址空间中各具地址空间中各具体端口的访问权限。体端口的访问权限。(8048680486为每个任务在内存中建立一个任为每个任务在内存中建立一个任务状态段务状态段(TSS)(TSS),其中在,其中在TS
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- 教学课件 教学 课件 第五 IO 接口 总线
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