输入输出接口技术幻灯片.ppt
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1、输入输出接口技术第1页,共65页,编辑于2022年,星期三4.1 4.1 概述概述接接口口电电路路是是介介于于主主机机和和外外设设之之间间、起起缓缓冲冲、转转换换和和匹匹配配作作用用的的电电路路。它它负负责责协协调调CPUCPU与与外外设设之之间间的的数数据传送据传送。CPUCPU接口接口接口接口电路电路电路电路 I/OI/O设备设备设备设备接口在接口在CPUCPU与外与外设之间设之间第2页,共65页,编辑于2022年,星期三常见接口常见接口PS2鼠标鼠标PS2键盘键盘千兆网千兆网10/100M网卡网卡USB并行口并行口MIDI/游戏接口游戏接口显示器接口显示器接口13941394a音箱音箱/
2、线入接线入接口口/麦克风麦克风串行口串行口第3页,共65页,编辑于2022年,星期三4.1 4.1 概述概述接口是指计算机中两个不同部件之间的电路和软件。接口是指计算机中两个不同部件之间的电路和软件。一、接口结构和功能接口通常包括数据端口、状态端口和控制端口。接口通常包括数据端口、状态端口和控制端口。第4页,共65页,编辑于2022年,星期三4.1 4.1 概述概述(2 2)状态端口状态端口:外设当前的状态信息,便于:外设当前的状态信息,便于CPUCPU测试。测试。(1 1)数据端口数据端口:传送数据信息,:传送数据信息,起起缓冲器缓冲器的作用。的作用。按按一次传送数据的位数一次传送数据的位数
3、可分为:可分为:串行传送串行传送:逐位分别传送。:逐位分别传送。并行传送并行传送:多位同时传送。:多位同时传送。CPUCPU只能读取状态信息,不能改写。只能读取状态信息,不能改写。(3 3)控制端口控制端口:暂存暂存CPUCPU发出的发出的控制命令控制命令。控制信息只能由控制信息只能由CPUCPU发出,不能由外设发出。发出,不能由外设发出。第5页,共65页,编辑于2022年,星期三4.1 4.1 概述概述v为什么要接口电路为什么要接口电路?外部设备种类繁多,从工作原理来讲,可分为机械式、外部设备种类繁多,从工作原理来讲,可分为机械式、电动式、电子式和其它形式等几类。它们对所传输的信息电动式、电
4、子式和其它形式等几类。它们对所传输的信息的要求也各不相同,这就给计算机和外设之间的信息交换的要求也各不相同,这就给计算机和外设之间的信息交换带来以下一些问题:带来以下一些问题:(1)(1)速度不匹配速度不匹配:CPU的速度很高,而外设的速度要低得的速度很高,而外设的速度要低得多,而且不同的外设速度差异甚大,它们之中既有每秒多,而且不同的外设速度差异甚大,它们之中既有每秒钟能传送兆位数量级的硬磁盘,也有每秒钟只能打印百钟能传送兆位数量级的硬磁盘,也有每秒钟只能打印百位字符的串行打印机或速度更慢的键盘。位字符的串行打印机或速度更慢的键盘。第6页,共65页,编辑于2022年,星期三4.1 4.1 概
5、述概述v为什么要接口电路为什么要接口电路?(2)(2)信号电平不匹配信号电平不匹配:CPU所使用的信号都是所使用的信号都是TTL电平,电平,而外设大多是复杂的机电设备,往往不能用而外设大多是复杂的机电设备,往往不能用TTL电平所电平所驱动,必须有自己的电源系统和信号电平。驱动,必须有自己的电源系统和信号电平。(3)(3)信号格式不匹配信号格式不匹配:CPU系统总线上传送的通常是系统总线上传送的通常是8位、位、16位或位或32位的并行数据,而各种外设使用的信息格式各位的并行数据,而各种外设使用的信息格式各不相同。有些设备上用的是不相同。有些设备上用的是模拟量模拟量,而有些是,而有些是数字量数字量
6、或或开关量开关量;有些设备上的信息是;有些设备上的信息是电流量电流量,而有些却是,而有些却是电压量电压量,有些设备采用有些设备采用串行方式串行方式传送数据,而有些则用并行方式。传送数据,而有些则用并行方式。(4)(4)时序不匹配时序不匹配:各种外设都有自己的定时和控制逻辑,与各种外设都有自己的定时和控制逻辑,与计算机的计算机的CPU时序不一致。时序不一致。第7页,共65页,编辑于2022年,星期三(1)数据格式转换数据格式转换功能功能(串串/并转换并转换)(2)联络联络功能功能(协调数据传送的状态信息协调数据传送的状态信息)(3)速度匹配速度匹配功能(缓冲、定时和控制)功能(缓冲、定时和控制)
7、(4)电平转换电平转换功能(功能(TTL、RS232)(5)负载匹配负载匹配功能(驱动和功率放大)功能(驱动和功率放大)接口功能接口功能4.1 4.1 概述概述第8页,共65页,编辑于2022年,星期三v概念概念I/OI/O端口端口:是接口电路中是接口电路中CPUCPU能访问的能访问的寄存器。寄存器。I/OI/O端口地址端口地址:为了区分不同的外设接口,微机系统为外设的为了区分不同的外设接口,微机系统为外设的每个寄存器进行了编号(即分配地址),又称端口号。每个寄存器进行了编号(即分配地址),又称端口号。I/OI/O操作操作:CPU:CPU对对I/OI/O接口电路接口电路(与设备相关与设备相关)
8、的操作。的操作。不是访问不是访问I/OI/O设备设备。v端口编址方式端口编址方式两种方式两种方式统一编址统一编址:将存储单元与:将存储单元与I/OI/O端口端口统一统一编址。编址。独立编址独立编址:将存储单元与:将存储单元与I/OI/O端口端口各自独立各自独立编址。编址。二、端口的编址4.1 4.1 概述概述第9页,共65页,编辑于2022年,星期三独立编址v优点:优点:I/O端口的地址空间独立端口的地址空间独立控制和地址译码电路相对简单控制和地址译码电路相对简单专门专门I/O指令使程序清晰易读指令使程序清晰易读v缺点:缺点:I/O指令没有存储器指令丰富指令没有存储器指令丰富内内存存空空间间I
9、/O空间空间FFFFF0FFFF80 x86采用采用I/O端口独立编址端口独立编址4.1 4.1 概述概述第10页,共65页,编辑于2022年,星期三统一编址v优点:优点:不需要专门的不需要专门的I/O指令指令I/O数据存取与存储器数据数据存取与存储器数据存取一样灵活存取一样灵活v缺点:缺点:I/O端口要占去部分存储器端口要占去部分存储器地址空间地址空间程序不易阅读(不易分清访程序不易阅读(不易分清访问内存和访问外设)问内存和访问外设)内存内存部分部分I/O部分部分存储器空间存储器空间00000FFFFF4.1 4.1 概述概述第11页,共65页,编辑于2022年,星期三三、CPU与外设的数据
10、传送方式 程序控制方式无条件传送方式查询传送方式中断传送方式DMA(直接存储器存取)方式4.1 4.1 概述概述程序控制方式:CPU与外设的输入/输出数据传送完全由程序控制。第12页,共65页,编辑于2022年,星期三1、无条件传送方式又称又称同步传送同步传送方式。方式。传送过程:传送过程:v外设已准备好,不查询外设的状态外设已准备好,不查询外设的状态v输入时,外设的数据已送到三态缓冲器。输入时,外设的数据已送到三态缓冲器。v输出时,输出时,CPU的输出信息已送到输出锁存器的的输出信息已送到输出锁存器的输入端。输入端。用途:用途:用于用于简单外设简单外设,外部动作时间固定且已知,外部动作时间固
11、定且已知v开关开关vLED显示器显示器4.1 4.1 概述概述第13页,共65页,编辑于2022年,星期三选中地址选中地址数据数据写信号写信号读信读信号号输出端口输出端口无条件传送无条件传送输入端口输入端口1、无条件传送方式4.1 4.1 概述概述第14页,共65页,编辑于2022年,星期三查询式数据传送过程查询式数据传送过程3个环节个环节:查询状态环节查询状态环节vCPU寻址状态口,读取状态字寻址状态口,读取状态字检测是否满足检测是否满足“就绪就绪”条件条件v如果不满足,回到第一步读取状态字如果不满足,回到第一步读取状态字数据传送环节数据传送环节v外设已处于外设已处于“就绪就绪”状态,寻址数
12、据口状态,寻址数据口v是输入,通过输入指令从数据端口读入数据是输入,通过输入指令从数据端口读入数据v是输出,通过输出指令向数据端口输出数据是输出,通过输出指令向数据端口输出数据特点:工作可靠,适用面宽,但特点:工作可靠,适用面宽,但传送效率低传送效率低输入状态输入状态就就绪绪?数据交换数据交换YN流程流程2、查询传送方式:查询传送方式:又称又称异步传送异步传送方式。方式。4.1 4.1 概述概述第15页,共65页,编辑于2022年,星期三1 1)查询输入查询输入:CPUCPU查询外设状态是否查询外设状态是否准备好准备好(就绪)(就绪),准准备好备好,执行输入执行输入;否则等待否则等待。2、查询
13、传送方式查询传送方式4.1 4.1 概述概述第16页,共65页,编辑于2022年,星期三2 2)查询输出查询输出:CPUCPU查询外设状态是否查询外设状态是否忙忙,不忙不忙,执行输出执行输出;否则等否则等待待。2、查询传送方式查询传送方式4.1 4.1 概述概述第17页,共65页,编辑于2022年,星期三当系统中有多个外设时当系统中有多个外设时查询方式如何工作?查询方式如何工作?2、查询传送方式查询传送方式4.1 4.1 概述概述轮询方式轮询方式第19页,共65页,编辑于2022年,星期三v优点:优点:接口电路和程序设计都较为简单,容易实接口电路和程序设计都较为简单,容易实现。现。v缺点:缺点
14、:CPU外设不能并行工作,外设不能并行工作,CPU的效率低,的效率低,外设得不到及时响应。外设得不到及时响应。v适用场合:适用场合:这种传送方式适用于一般这种传送方式适用于一般工作速度较工作速度较慢慢的外设,特别是的外设,特别是外设数量不多外设数量不多,实时性要求不实时性要求不高高的场合。的场合。2、查询传送方式查询传送方式4.1 4.1 概述概述第20页,共65页,编辑于2022年,星期三v原理原理 在每次外设在每次外设准备准备好或空闲好或空闲时,主动向时,主动向CPUCPU发出发出中断请求中断请求,以示要传送数据,以示要传送数据,CPUCPU响应响应该请求后,该请求后,执行执行中断服务程序
15、中断服务程序,实现与外设的实现与外设的数据传数据传送送。3、中断传送方式断断点点主程序主程序中断服务程中断服务程序序中断请求中断请求对外设对外设进行处理进行处理继续执行继续执行返回断点返回断点4.1 4.1 概述概述第21页,共65页,编辑于2022年,星期三v中断过程中断过程大致分为:大致分为:中断请求中断请求:由需要提供中断服务的设备提出;:由需要提供中断服务的设备提出;中断响应中断响应:CPUCPU给设备发出一个中断应答信号;给设备发出一个中断应答信号;现场保护现场保护:保护执行中断服务程序前的各种信息;:保护执行中断服务程序前的各种信息;执行中断服务程序执行中断服务程序:完成特定的操作
16、;:完成特定的操作;恢复现场恢复现场:恢复执行中断服务程序前的各种信息;恢复执行中断服务程序前的各种信息;中断返回中断返回:返回到主程序:返回到主程序3、中断传送方式4.1 4.1 概述概述第22页,共65页,编辑于2022年,星期三3、中断传送方式4.1 4.1 概述概述第23页,共65页,编辑于2022年,星期三3、中断传送方式4.1 4.1 概述概述第24页,共65页,编辑于2022年,星期三v优点:优点:系统的系统的工作效率高工作效率高,CPU、I/O设备可以并行工作,设备可以并行工作,外设可以主动向外设可以主动向CPU请求,能够得到请求,能够得到CPU的及时响应。的及时响应。v缺点:
17、接口电路比较复杂;缺点:接口电路比较复杂;每次传送数据,每次传送数据,CPU都要做许多都要做许多额外的工额外的工 作作,传,传送速度仍然不是很快。送速度仍然不是很快。v适用场合:适用场合:这种方式适用于一般这种方式适用于一般工作速度不是很快工作速度不是很快的外的外设,特别是设,特别是实时控制、检测实时控制、检测场合。场合。3、中断传送方式4.1 4.1 概述概述第26页,共65页,编辑于2022年,星期三4、直接存储器存取方式(DMA)(Direct Memory Access)v希望克服程序控制传送和中断传送的不足希望克服程序控制传送和中断传送的不足CPU外外设设存存储储器器数据数据数据数据
18、用专用接口直接数据传送用专用接口直接数据传送4.1 4.1 概述概述第27页,共65页,编辑于2022年,星期三DMAC的功能有哪些?能接受外设的请求,并能向能接受外设的请求,并能向CPUCPU发发DMADMA请求信号;请求信号;CPUCPU接到接到DMADMA请求信号,如果允许,请求信号,如果允许,CPUCPU发发DMADMA响应信号,响应信号,DMADMA控制器接管总线,进入控制器接管总线,进入DMADMA方式;方式;能寻址存储器,并修改地址;能寻址存储器,并修改地址;能向外设发读能向外设发读/写信号;写信号;能控制传送的字节数,判断能控制传送的字节数,判断DMADMA是否结束;是否结束;
19、DMADMA结束时,能向结束时,能向CPUCPU发出结束信号,将总线控制权交发出结束信号,将总线控制权交还还CPUCPU。4.1 4.1 概述概述第29页,共65页,编辑于2022年,星期三HLDA发存储器地址发存储器地址传送数据传送数据传送结束传送结束?DMA结束结束修改地址指针修改地址指针 DMA流程图流程图4.1 4.1 概述概述第30页,共65页,编辑于2022年,星期三几种数据传送方式特点?v无条件传送无条件传送:慢速外设需与:慢速外设需与CPU保持同步。保持同步。v查询传送查询传送:简单实用,效率较低。简单实用,效率较低。v中断传送中断传送:外设主动,可与:外设主动,可与CPU并行
20、工作,但中并行工作,但中断服务保护现场等需要额外时间开销,还需要硬断服务保护现场等需要额外时间开销,还需要硬件开销进行中断管理。件开销进行中断管理。vDMA传送传送:无需软件介入,:无需软件介入,DMAC控制,外设直控制,外设直接和存储器进行数据传送,适合大量、快速数据传送,接和存储器进行数据传送,适合大量、快速数据传送,需要硬件开销。需要硬件开销。4.1 4.1 概述概述第31页,共65页,编辑于2022年,星期三4.2 4.2 串行接口串行接口u数据在单条传输线上,一位接一位地按顺序传送数据在单条传输线上,一位接一位地按顺序传送的方式称为的方式称为串行通信串行通信。u串行通信方式用于串行通
21、信方式用于远程远程通信。通信。u串行通信主要优点是串行通信主要优点是节省通信线路节省通信线路,但具有,但具有数数据传输效率低据传输效率低的特点。的特点。u串行通信适合于远距离传送,可以从几米到串行通信适合于远距离传送,可以从几米到数千公里。对于数千公里。对于长距离、低速率长距离、低速率的通信,通常的通信,通常采用串行通信。采用串行通信。第32页,共65页,编辑于2022年,星期三串行接口与输入输出设备之间以串行方式传送数据,串行接口与输入输出设备之间以串行方式传送数据,与与CPU之间以并行方式传送数据。之间以并行方式传送数据。CPU串行串行接口接口外部外部设备设备串行串行并行并行4.2 4.2
22、 串行接口串行接口第33页,共65页,编辑于2022年,星期三u功能功能1 实现串行和并行数据实现串行和并行数据格式格式之间的之间的转换转换。u功能功能2 实现实现数据缓冲数据缓冲功能。功能。u功能功能3 控制控制功能。接收功能。接收CPU的命令,输出接口的状态的命令,输出接口的状态等。等。u串行接口的基本功能如下:串行接口的基本功能如下:4.2 4.2 串行接口串行接口第34页,共65页,编辑于2022年,星期三一、串行传输方式一、串行传输方式 在串行通信中在串行通信中,发送端发送数据时发送端发送数据时,一位一位往外发送一位一位往外发送,没有问没有问题题,问题是接收端问题是接收端,一根线传送
23、过来的信息一根线传送过来的信息01101100110110表示什么意表示什么意思思?不知道不知道.所以发、收双方一定要有所以发、收双方一定要有约定约定。1 1、接收方怎么知道数据传送的开始和结束?、接收方怎么知道数据传送的开始和结束?2 2、接收方怎么判断所接收数据的正确性。、接收方怎么判断所接收数据的正确性。所以,串行通信中,如何使所以,串行通信中,如何使收发双方同步收发双方同步工作是关键。工作是关键。为了实现同步,互相通信的双方必须就数据传输方式、为了实现同步,互相通信的双方必须就数据传输方式、同步控制方式、差错处理、应答方式和信号格式等问题作同步控制方式、差错处理、应答方式和信号格式等问
24、题作出共同遵守的一组规定,这种规定称为出共同遵守的一组规定,这种规定称为通信协议通信协议。常用的串行通信中数据传输的常用的串行通信中数据传输的同步方法有同步方法有2种种,即,即异异步方式步方式和和同步方式同步方式,相应的有异步通信协议和同步通信协议。,相应的有异步通信协议和同步通信协议。4.2 4.2 串行接口串行接口第35页,共65页,编辑于2022年,星期三1、异步通信:非同步通信或不同步通信、异步通信:非同步通信或不同步通信异步方式通信是以异步方式通信是以字符字符为单位进行传输的,字符之间为单位进行传输的,字符之间没有固定的时间间隔要求。没有固定的时间间隔要求。收、发双方取得同步的方法是
25、采用在字符格式中收、发双方取得同步的方法是采用在字符格式中设置设置起始位和停止位起始位和停止位。在一个有效字符正式发送前,发送器先发送一个起在一个有效字符正式发送前,发送器先发送一个起始位,然后发送有效字符位,在字符结束时再发送始位,然后发送有效字符位,在字符结束时再发送一个停止位,起始位至停止位构成一帧。一个停止位,起始位至停止位构成一帧。串行异步通信以串行异步通信以帧帧为基本单位发送和接收信息。一帧为基本单位发送和接收信息。一帧由由起始位起始位、字符字符、奇偶校验位奇偶校验位、停止位停止位组成。组成。4.2 4.2 串行接口串行接口第36页,共65页,编辑于2022年,星期三奇偶校验的基本
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