1、第第8 8章章 輸入輸出接口基礎與總線輸入輸出接口基礎與總線教學內容教學內容 8.1 概述 8.1.1 外圍設備及其信號 8.1.2 輸入/輸出接口的功能 8.2 CPU與端口之間的接口技術 8.2.1 最常用的簡單輸入/輸出接口芯片 8.2.2 端口的編址方式 8.2.3 端口與CPU之間的接口 8.3 CPU與端口之間的數據傳送方式 8.3.1程序控制方式 8.3.2 中斷技術傳送方式 8.3.3 DMA傳送方式 8.4 總線技術 8.4.1 概述 8.4.2 PC總線教學目標教學目標 1 理解輸入/輸出接口的功能。 2 了解端口的編址方法。 3 掌握四種傳送方式的特點。 4 了解總線技術

2、。重點內容重點內容 1 輸入/輸出接口的功能。 2 端口的編址方法。 3 端口與CPU之間的接口。 4 CPU與端口之間的數據傳送方式（無條件傳送方式、條件或查詢傳送方式、中斷傳送方式、DMA傳送方式）。難點內容難點內容 1 CPU與端口之間的數據傳送方式（無條件傳送方式、條件或查詢傳送方式、中斷傳送方式、DMA傳送方式）。學時數學時數 4學時8.1 8.1 概述概述 輸入/輸出接口是主機與外圍設備之間的緩沖電路。 8.1.1 8.1.1 外部設備及其信號外部設備及其信號 1、外部設備 （1）輸入設備 鍵盤、鼠標、掃描儀等。 （2）輸出設備 顯示器、打印機、繪圖儀等。 （3）IO復合設備 硬盤

3、、光驅等。 2、外部設備的信號 （1）數據信號（主要部分） 按照其物理形態可分： 1）數字量：以二進制形式表示的數據、圖形或文字信息。 2）模擬量：指那些以連續形態出現的物理量。 3）開關量：只有兩種狀態（0，1）的量。 4）脈沖量 （2）狀態信號 作用：指示外部設備當前的工作狀態，協調CPU與外部設備之間的操作。 （3）控制信號 作用：CPU向外設發出的命令。 8.1.2 8.1.2 輸入輸出接口的功能輸入輸出接口的功能 應具有以下基本功能： （l）解決CPU與外設之間速度不匹配問題 （2）實現信號電平的轉換 （3）實現信號格式的轉換 實現信號格式轉換的情況可分成以下三種： 1）模數與數模轉

4、換 2）開關量轉換 3）并行串行轉換 （4）實現CPU與外設之間同步工作 （5）實現CPU對端口的選擇8.2 CPU8.2 CPU與端口之間的接口技術與端口之間的接口技術8.2.1 8.2.1 最常用的簡單輸入輸出接口芯片最常用的簡單輸入輸出接口芯片主要有緩沖器、鎖存器和譯碼器。 （1）單向緩沖器74LS244 （2）雙向緩沖器74LS245 （3）鎖存器74LS373 （4）譯碼器74LS138 8.2.2 8.2.2 端口的編址方式端口的編址方式 1、端口 接口內部通常設置有若干個寄存器，用來暫存CPU和外設之間傳輸的數據、狀態和命令，這些寄存器被稱為端口。 端口根據寄存器內暫存的信息可分

5、為：數據端口、命令端口和狀態端口。 狀態信息的獲取：CPU對狀態端口進行一次讀操作。 數據的輸入輸出：CPU對數據端口進行一次讀或寫操作。 控制命令的輸出：CPU把若干位代碼寫入命令端口。 2、IO端口的尋址方法 IO端口的編址方式有兩種：統一編址方式和獨立編址方式。 （1）統一編址方式(存儲器映像尋址) 優點： 1）簡化了指令系統的設計，在微處理器指令集中不必包含IO操作指令； 2）訪問IO設備的指令類型多、功能強，能用訪問存儲器指令，對 IO設備進行方便、靈活的操作； 3）IO地址空間可大可小，能根據實際系統上的外設數目來調整。 缺點：IO端口占用了存儲單元的地址空間，且IO譯碼電路變得較

6、復雜。 其次，訪問存儲器的指令一般要比較長，這樣延長了輸入輸出操作時間。 （2）獨立編址方式 優點： 1）可讀性好，輸入輸出指令和訪問存儲器的指令有明顯的區別，使程序清晰； 2）IO指令長度短，執行的速度快，占用內存空間少； 3）IO地址譯碼電路較簡單。 缺點：CPU指令系統中必須有專門的IN和OUT指令，而且這些指令的功能沒有訪問存儲器的指令強。8.2.3 8.2.3 端口與端口與CPUCPU之間的接口之間的接口 1、簡單IO接口的組成 簡單IO接口的組成：由地址譯碼、數據鎖存與緩沖器、狀態寄存器、命令寄存器等 。 2、地址譯碼電路 地址譯碼電路是接口的重要組成部分。 地址譯碼電路分為兩個部

7、分：接口的選擇和端口的選擇。 例8-1 某接口有四個端口分別為數據端口A、數據端口B、數據端口C和控制端口。數據端口A和數據端口C為輸入口，數據端口B和控制端口為輸出口，系統分配給接口的地址是378H、379H、37AH、37BH。設系統為最小工作模式，試設計接口的譯碼電路。 解：該接口共有四個端口地址，取地址碼最低兩位A1、A0作為接口內不同端口的選擇，即：數據端口A、數據端口B、數據端口C和控制端口分別對應四種組合00、01、10、11，高14位地址碼譯出本接口的選擇地址378H（也是數據端口A的地址）。 3、8086 CPU與端口之間的硬件接口 硬件接口三種方法： （1） 僅使用8086

8、CPU偶地址的接口技術 例8-2設有某8位IO接口電路芯片，其內部有 4個可尋址的端口，并已知該IO接口電路芯片的起始地址為328H，僅使用8086CPU中偶地址的接口技術，試求出該IO接口電路芯片的其余地址并設計出該接口電路。 解： I/O接口電路的8位數據線只與CPU數據總線的低8位相連，只有A0為0時接口電路才會被選中。用CPU的二位地址線A2和A1作為IO接口電路芯片內部尋址，其余地址線經譯碼后可求得該芯片的片選信號，譯碼地址應為328H。其接口電路芯片內部的 4個可尋址的端口地址應為328H、32AH、32CH、32EH。該接口電路如圖8-6所示。 （2）僅使用8086CPU奇地址的

9、接口技術 I/O接口電路的8位數據線只與CPU數據總線的高8位相連，只有A0為1時接口電路才會被選中。 （3）使用8086CPU連續地址的接口技術 I/O接口電路的同時連接CPU數據總線的高8位和低8位，使用A0和 來決定使用高8位、低8位或同時使用高、低8位。 如圖8-7所示。BHE8.3 CPU8.3 CPU與端口之間的數據傳送方式與端口之間的數據傳送方式 CPU與端口之間的數據傳送方式有三種： 程序控制傳送方式 中斷技術傳送方式 DMA傳送方式8.3.1 8.3.1 程序控制方式程序控制方式 程序控制傳送方式在程序控制下進行信息傳送分為二種方式：無條件傳送和條件傳送。 1 無條件傳送方式

10、 在需要時直接進行輸入/輸出操作。 軟、硬件最簡單，但要求外部設備一直處于準備好狀態。 2、條件傳送方式（查詢式傳送 ） 一個數據傳送的過程軟件必須由以下三個環節組成： CPU從狀態端口中讀取一個狀態字。 CPU檢測狀態字的某對應位是否滿足“就緒”的條件，如果不滿足，則回到前一步重新讀取狀態字。 如果狀態字表明該外設已處于“就緒”狀態，則進行數據的傳送。 硬件須具備兩個端口：數據口和狀態口。 （1）查詢方式下的輸入接口 1）輸入接口硬件 電路包括狀態端口和數據端口。當輸入設備將數據鎖存到數據鎖存器時，同時使狀態寄存器置位；CPU讀數據時，同時清除狀態寄存器。 低電平有效。IO/M 2）輸入接口

11、軟件（如圖8-10） 例8-3設某接口的狀態端口地址為STATE，狀態位從D7位輸入，數據端口的地址為INPORT，輸入數據的總字節數為INCOUNT，試編制查詢式輸入數據的程序段。解： 設輸入數據存放在內存單元的首地址為BUFF MOV SI，BUFF MOV CX，INCOUNTINPUT： IN AL，STATE TEST AL，80H JZ INPUT IN AL， INPORT MOV SI，AL INC SI LOOP INPUT （2）查詢方式下的輸出接口 1）輸出接口硬件 CPU將數據送到數據鎖存器時，同時置位狀態寄存器輸出設備讀取數據后用 清除狀態寄存器。ACK 2）輸出接口

12、軟件（如圖8-12） 例8-4 設某接口的狀態端口地址為STATE，狀態位從D7位輸入，數據端口的地址為OUTPORT，輸出數據的總字節數為OUTCOUNT，試編制查詢式輸出數據的程序段。解：設輸出數據段在內存單元的首地址為BUFF MOV SI，BUFF MOV CX，OUTCOUNTOUTPUT： IN AL，STATE TEST AL，80H JNZ OUTPUT MOV AL，SI OUT OUTPORT，AL INC SI LOOP OUTPUT 8.3.2 8.3.2 中斷技術傳送方式中斷技術傳送方式 查詢方式的主要不足之處： （1）CPU的使用效率低 CPU將大量時間用在查詢和等

13、待外設狀態上。 （2）實時性差 查詢間隔時間中不能及時處理外部設備的服務請求。 中斷技術的特點在外部設備沒有傳送數據的要求時，CPU進行正常的工作，即執行主程序；當設備滿足傳送條件時，向CPU發出中斷請求，CPU響應中斷請求，暫停執行主程序，轉而進行中斷處理，進行數據傳送，傳送完畢后，再返回到主程序中。 中斷傳送方式能夠實現并行操作，CPU使用效率高，實時性好。軟件和硬件結構都較復雜。8.3.3 DMA8.3.3 DMA傳送方式傳送方式 DMA即直接存儲器傳送。將外設的數據不經過CPU直接送入內存儲器，或者從內存儲器不經過CPU直接送往外部設備。 DMACDMA控制器。 對于大量的數據，CPU

14、內是無法保存的，只能保存在存儲器中。這樣，存儲器CPU外設會降低傳送的速度。 1、DMA控制器的功能 （1）能向CPU發出總線請求信號。 （2）能實現對總線的控制。 （3）能發送地址信號并對內存儲器尋址。 （4）能修改地址指針。 （5）能向存儲器和外設發出讀寫控制信號。 （6）能判斷DMA傳送是否結束。 （7）能發出DMA過程結束信號，使CPU能正常工作 。 2、DMA傳送操作過程 DMA傳送操作的步驟： （1）初始化DMAC。 （2）外設通過DMAC向CPU發出DMA請求。 （3）CPU響應DMA請求。 （4）DMAC接管總線的控制權。 （5）實現數據傳送。 （6）DMA結束。8.4 8.4

15、 總線技術總線技術8.4.1 8.4.1 概述概述 總線在微型計算機系統中，采用一組公共的信號線作為微型計算機各部件之間的通信線，這種用于各部件之間傳送信息的公共信號線稱為總線（BUS）。 1、總線的分類 按信息傳送的類型可分為三種：地址總線、數據總線和控制總線，按總線的規模、用途和應用場合可分為四類： （l）芯片內部總線 （2）元件級總線也叫片級總線或局部總線， （3）系統總線系統總線也叫板級總線 （4）外部總線 2、總線的特性 （1）物理特性 這里的物理特性是指總線的物理連接方式(總線的根數、插頭插座形狀、引腳排列等)。 （2）功能特性 功能特性描寫的是總線中的每一根線所起的作用。三種功能

16、： 1）地址總線 它們是微型計算機用來傳送地址的單向、三態總線。 2）數據總線 它們是傳送數據或代碼的雙向、三態總線。 3）控制總線 用來實現控制信號傳送的總線。 （3）電氣特性 電氣特性定義總線中的每一根線上信號的傳送方向、有效電平范圍。一般規定送入CPU的信號叫輸入信號，從CPU送出的信號叫輸出信號。 （4）時序特性 時序特性定義總線中的每一根線在哪個時鐘周期有效，即每根線的時序。 3、總線的操作過程 總線完成一次數據傳輸的操作過程可分為四個階段。 （1）總線請求階段 總線上同一時刻只能有一個主器件使用總線，當系統中有多個主器件時，需要使用總線的主器件必須提出申請。 （2）尋址階段 主器件

17、取得總線使用權后，通過地址總線發出本次訪問的從器件的地址。 （3）傳輸階段：傳送數據。 （4）結束階段：當前主器件讓出總線使用權。 4、總線標準 總線標準指在計算機界承認或推薦的系統中互連各個模塊的標準。 常用的總線標準可分為兩大類：系統總線和外部總線。 （1）常用的標準系統總線 PC總線 ISA總線 PCI總線 S100總線 STD總線 （2）常用的標準外部總線 IEEE488總線。 EIA RS232總線8.4.2 PC8.4.2 PC總線總線 共共6262線線 1、地址總線（輸出） A0A19 2、數據總線（雙向） D0D7 3、控制總線 控制總線共有下列11條： （1）地址鎖存允許信號

18、（輸出）ALE。 （2）地址允許信號（輸出）ANE：由DMA控制器產生，用來表示CPU將總線的控制權交給DMA控制器。 （3）存儲器讀命令（輸出） 。 （4）存儲器寫命令（輸出） 。 （5）IO讀命令（輸出） 。 （6）IO寫命令（輸出） 。 （7）中斷請求信號（輸入）IRQ3IRQ7和IRQ9，共6條。MEMRMEMWIORIOW （8）DMA請求信號（輸入）DRQ1IRQ3，共3條。DRQ0已被系統用于動態存儲器刷新。 （9）DMA響應信號（輸出）DACK0DACK3，共4條。表示相應的DRQ已被接受。其中DACK0表示系統對存儲器刷新請求的響應。 （10）計數結束信號（輸出）T/C，當D

19、MA控制器的通道計數達到終點時， T/C產生高電平脈沖，向外設表明DMA傳送已經結束。 （11）系統總清信號（輸出）RESET DRV，用來使系統各部件復位。 4、狀態線 （1）IO通道奇偶校驗信號（輸入） ，表示I/O通道上的擴展存儲器的奇偶校驗出錯，使CPU進入不可屏蔽中斷服務程序。 （2）IO通道準備好信號（輸入）IOCHRDY，平時為高電平，慢速的存儲器或I/O設備需要延長讀、寫周期時，使其變為低電平。 5、電源線及其它輔助線 （1）晶體振蕩信號（輸出）OSC。 （2）系統時鐘信號（輸出）CLK。 （3）電源線：+5V、 -5V、 +12V、-12V、GND。IOCHK8.4.3 IS

20、A8.4.3 ISA總線總線 ISA總線是工業標準結構總線(Industry Standard Architecture)，它是以80286為CPU的IBM AT機的總線，也稱AT總線。它在PC總線的基礎上，增加了了一個36線的插座。 ISA總線的62線插槽中有2個引線與PC總線不同：B8和B19。 B8：在PC總線中為保留引腳，在ISA總線中B8引腳是“零等待狀態”信號OWS，表示在微處理器當前總線周期能完成，無需插入等待周期。 B19：在PC總線中作為內存動態RAM刷新DRQ的響應信號DACK0，在ISA總線中作為系統板上RAM刷新電路的信號REFRESH，這是因為AT機的動態RAM刷新不

21、再通過DMA傳輸來實現，而是直接由系統板上RAM刷新電路產生的信號REFRESH來實現。這樣，在ISA總線中把DRQ0和DACK0作為外接DMA請求和響應，將這兩個信號線安排在36線插槽中。 ISA總線新增的36線插槽引腳功能如下： 1、地址總線（輸出、鎖存） LA17LA23 。 2、數據總線 （1）數據總線高8位（雙向）SD8SD15 （2）高8位數據允許（輸出） ：表示數據總線SD8SD15傳送的是高位字節數據。 （3）存儲器16位片選（輸入） ：表示當前是16位存儲器傳送。信號由擴展插件板發送給系統板。 （4）I/O16位片選（輸入） ：表示當前是16位I/O數據傳送。信號由擴展插件板發送給系統板。 3、控制總線 （1）存儲器讀寫 ：作用同62線PC插槽上的對應信號，但這兩個選通線對全部存儲空間都有效。 （2）主控信號 ：I/O通道上的微處理器發出的主控信號，該信號和DRQ信號一起使用，使CPU處于高阻態，從而實現對系統的控制，直至 無效為止SBHEM16IO16MEMRMEMWMASTERMASTER （3）中斷請求（輸入）IRQ10IRQ14：是邊沿觸發且是三態門驅動。與PC總線插槽上的6根中斷請求輸入線合在一起，ISA總線一共可管理11級中斷。 （4）DMA請求（輸入）DRQ0、DRQ5DRQ