1、第1章 微型計算機概述11.4 接口基礎1.4.1 接口概念1.4.2 CPU與外設之間所傳送的信息類型1.4.3 接口的功能1.4.4 I/O端口及其編址方式1.4.5 I/O端口地址譯碼 21.4.1 接口概念接口（Interface）包括軟件接口和硬件接口軟件接口 其一是指軟件本身的狹義“接口”，是軟件不同部分之間的交互接口。比如API應用程序編程接口 其二是指人與軟件之間的交互界面 “用戶界面”硬件接口，通常稱為I/O接口 就是把外圍設備同微型計算機連接起來的電路稱為外設接口電路，簡稱外設接口。3為什么要用接口部件呢？一般來說，由于CPU在與外部設備進行數據交換時通常存在：速度不匹配時

2、序不匹配信息格式不匹配信息類型不匹配 基于以上原因，為了要把外設與CPU連接起來，必須要有接口部件，以完成它們之間的速度匹配、信號匹配和完成某些控制功能。1.4.1 接口概念41.4.2 CPU與外設之間所傳送的信息類型CPU與I/O端口之間所交換的信息，可以有下列幾種類型：（1）數據信息：包括數字量、模擬量、開關量等，可以輸入、也可以輸出。（2）狀態信息：這是I/O端口送給CPU的有關本端口所對應的外設當前狀態的信息。供CPU進行分析、判斷和決策等。（3）控制信息：這是CPU送給I/O端口的控制命令，使相應的外部設備完成特定的操作。51.4.3 接口的功能微機的接口一般有如下的幾個功能： （

3、1）執行CPU命令的功能。（2）返回外設狀態的功能。（3）數據緩沖的功能。 （4）設備尋址的功能。（5）信號轉換的功能。（6）數據寬度與數據格式轉換的功能。61.4.4 I/O端口及其編址方式1I/O端口和I/O操作 端口（Port）是指接口電路中能被微處理器直接訪問的寄存器的地址。微處理器通過這些地址（即端口）向接口電路中的寄存器發送命令、讀取狀態和傳送數據。 I/O操作就是指對I/O端口的操作，即CPU所訪問的是與I/O設備相關的端口，而不是I/O設備本身。 72I/O端口編址方式一般來說，I/O端口有存儲器映像編址和獨立編址兩種方式。（1）存儲器映像編址的I/O端口 將I/O端口地址置于

4、存儲器空間，和存儲單元統一編址。 優點：對端口訪問非常靈活，存儲器的各種尋址方式都可用來尋址端口。而且I/O接口與CPU的連接方法和存儲器芯片與CPU的連接方法類似。 缺點：端口占用了一部分存儲空間，而且端口地址的位數和存儲器單元地址位數一樣，比獨立編址的I/O端口地址長，因而訪問速度較慢。1.4.4 I/O端口及其編址方式8（2）獨立編址的I/O端口 把接口中的端口地址單獨編址。這樣，在一個計算機系統中可形成兩個獨立的地址空間，即存儲器地址空間和I/ O地址空間。 優點：I/O端口地址不占用存儲器空間，使用專門的I/O指令對端口進行操作，I/O指令短，執行速度快，并且由于專門I/O指令與存儲

5、器訪問指令有明顯的區別，使程序中I/O操作和存儲器操作層次清晰，程序的可讀性強。 缺點：需設置專門的I/O指令和控制信號，增加了系統的開銷。 1.4.4 I/O端口及其編址方式91.4.5 I/O端口地址譯碼I/O地址譯碼電路：指CPU為了對I/O端口進行讀寫操作需要把來自地址總線上的地址代碼翻譯成所需要訪問的端口的過程。 I/O端口地址譯碼的方法靈活多樣，可按地址和控制信號不同的組合進行譯碼。一般情況下，可有兩種譯碼方案。 1）高位地址線與CPU的控制信號進行邏輯組合，經過譯碼電路產生I/O接口芯片的片選信號，實現系統中的片間尋址； 2）低位地址線不參與譯碼，直接連接I/O接口芯片，進行I/

6、O接口芯片的片內端口尋址，即寄存器尋址，此時，低位地址線又稱為接口電路中的寄存器尋址線，低位地址線的條數決定于接口中寄存器的個數。若從系統的角度考慮，低位地址線的條數應由系統中含有寄存器數目最多的接口芯片來決定。I/O端口地址譯碼電路的形式隨設計任務的復雜度而變化，一般可分為固定式單端口地址譯碼電路、固定式多端口地址譯碼電路和可選式地址譯碼電路。101固定式單端口地址譯碼電路 固定式單端口地址譯碼電路是指該譯碼電路只能產生一個不可更改的端口地址。由于形式比較簡單,故一般用門電路實現。例1.1 假設某微處理器共有12條地址線，即為A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0，試用74LS

7、20/30/32和74LS04設計I/O端口地址為2FFH（片選信號為低電平有效）。解：依題意，要產生2FFH端口地址，則譯碼電路的輸入地址線A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0的值應為001011111111，采用門電路的譯碼電路如圖1.4所示。&A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2 A1A074LS30&74LS2074LS32圖1.4 固定式單端口地址譯碼電路1.4.5 I/O端口地址譯碼112固定式多端口地址譯碼電路 固定式多端口地址譯碼電路能同時譯出多個地址，但每個地址是固定不變的，一般采用譯碼器譯碼比較方便。譯碼器的型號很多， 74LS138譯碼（3-8譯碼

8、器）、74LS154（4-16譯碼器）和74LS139（2-4譯碼器）等。3可選式地址譯碼電路 如果用戶要求接口電路的端口地址能適應不同的地址分配場合，或為系統以后擴充留有余地，則可采用可選式地址譯碼電路。其電路可由地址開關、譯碼器、異或門等組成，隨著PLD器件的普及，甚至可使用GAL、PAL等PLD器件來構成可選式地址譯碼電路。1.4.5 I/O端口地址譯碼12例1.2 分析圖1.5所示I/O端口地址譯碼電路，假設該微處理器共有12條地址線。解：依題意，若S3S2S1S0的狀態為全閉合，當CPU地址線的高4位A11A10A9A8（CPU地址線的高4位A11A10A9A8與比較器74LS85的

9、A3A2A1A0引腳相連）=0000時，74LS85的A=B引腳輸出為邏輯1。 由于74LS138的G2A、G2B引腳接CPU地址線的A7A6，要使74LS138能正常譯碼，A7A6必須為00，因此當比較器在A=B時，I/O端口地址對應的CPU地址線的高6位A11A10A9A8A7A6=000000，此時，74LS138按A5A4A3的值進行譯碼。另外，由于CPU地址線的低3位沒有進行連接，故這3位地址線的取值可能在000111之間的某一個值。依上述分析，當74LS138譯碼器譯碼后，若譯碼輸出端為Y0有效（即為低電平），表示A5A4A3=000，此時，對應的端口地址范圍為可能是000H007

10、H；若譯碼輸出端為Y5有效，表示A5A4A3=101，此時，對應的端口地址范圍為可能是028H02FH，等等。圖1.5 用比較器組成的可選式譯碼電路1.4.5 I/O端口地址譯碼131.5 CPU與外設數據的傳輸控制方式CPU與外設之間傳輸數據的控制方式通常有三種：程序方式中斷方式DMA方式141.5.1直接程序控制方式 1、程序控制方式（1）無條件傳送方式適用于總是處于準備好狀態的外設以下外設可采用無條件傳送方式：開關發光器件(如發光二極管、7段數碼管、燈泡等)繼電器步進電機優點：軟件及接口硬件簡單缺點：只適用于簡單外設，適應范圍較窄15（a）無條件傳送的輸入方式； (b) 無條件傳送的輸出

11、方式1.5.1直接程序控制方式16當進行輸入時，由于數據保持時間比CPU的處理時間長， 輸入端必須用輸入緩沖器與CPU的數據總線相連。當CPU執行輸入指令時，I/O讀信號IOR有效，來自輸入設備的數據到達數據總線，傳送給CPU。顯然，CPU在執行輸入指令時，要求外設的數據已經準備好，否則就會出錯。 當進行輸出時，由于外設速度較慢，要求接口有鎖存功能， 即CPU送給外設的數據應該在接口中保持一段時間。當CPU執行輸出指令時，I/O寫信號IOW有效，CPU輸出的信息經過數據總線進入輸出鎖存器，輸出鎖存器保持這個數據， 直到外設取走該數據。顯然，CPU在執行輸出指令時，必須保證鎖存器是空閑的。 從以

12、上分析可以看出，無條件傳送是最簡便的傳送方式， 它所需的硬件和軟件都較少。1.5.1直接程序控制方式17（2）查詢方式 適用于外設并不總是準備好，而且對傳送速率、傳送效率要求不高的場合。 CPU在與外設交換數據前必須詢問外設狀態“你準備好沒有？” 對外設的要求：應提供設備狀態信息 對接口的要求：需要提供狀態端口 優點：軟件比較簡單 缺點：CPU效率低，數據傳送的實時性差，速度較慢1.5.1直接程序控制方式181) 查詢式輸入 下圖所示為查詢式輸入的接口電路，該電路有兩個端口寄存器，即狀態口寄存器和數據口寄存器。1.5.1直接程序控制方式19 當輸入設備準備好數據之后，發出選通信號。它一方面把輸

13、入數據鎖存到數據鎖存器中，另一方面使狀態標志觸發器置1。狀態標志是一位信號，通過緩沖器后，接到CPU數據總線的某一位上，假設接至D7位。CPU先讀狀態口，查詢D7是否為1。若D7=1，表示輸入數據已經準備好，再讀數據口，取走輸入數據，同時使狀態標志觸發器復位。數據傳送過程的3個步驟：CPU先讀取狀態字檢查狀態字是否表明數據準備就緒如果準備就緒，則執行輸入指令讀取數據，且使狀態位清零。這樣便開始下一個數據傳輸過程。1.5.1直接程序控制方式202）查詢式輸出 當CPU要往一個外設輸出數據時，先讀取接口中的狀態字，如果狀態字表明外設有“空”或“不忙”,可以往外設輸出數據，此時CPU才執行輸出指令，

14、否則CPU等待。接口電路如圖：1.5.1直接程序控制方式21輸出過程： 當前輸出設備空閑時，狀態標志觸發器清0。 CPU在輸出數據之前，先讀取狀態信息。假設忙閑標志接至數據線D0位，當D0=0時，表示輸出設備空閑，CPU再對數據口執行輸出指令。 數據口選中信號一方面把輸出數據寫入鎖存器，一方面使狀態標志觸發器置1，通知輸出設備。當輸出設備取走當前數據后，向接口發出確認信號ACK，使狀態標志觸發器清0， 表示輸出設備空閑。1.5.1直接程序控制方式22 中斷控制的輸入和輸出方式，也稱中斷傳送方式，即當外設的輸入數據準備好或接收數據的鎖存器為空時，主動向CPU發出中斷請求，使CPU中斷原來執行的程

15、序(主程序)，轉去執行為外設服務的輸入或輸出操作，服務完畢，CPU再繼續執行原來的程序。 中斷傳送方式中， CPU和外設(甚至多個外設)可同時工作， 從而大大提高了CPU的效率和控制程序執行的實時性。必須經過 (1)暫停主程序，實現程序的轉移，即中斷響應。（2）保護和恢復有關寄存器內容。（3）執行I/O操作，并實現內存到累加器再到端口之間的傳送。（4）實現中斷返回。2、中斷控制的輸入/輸出方式1.5.2 中斷控制方式23中斷傳送時的接口電路如圖所示：輸入裝置鎖存器數據中斷類型碼5VDQ三態緩沖器INTR去數據總線DB地址總線選通裝置中斷允許WR地址譯碼器IO/M去數據總線DB三態緩沖器INTA

16、(中斷響應信號)&1.5.2 中斷控制方式243、直接存儲器存取(DMA：Direct Memory Access)控制方式數據在I/O接口與存儲器之間的傳送，不經CPU的干預，而是在專用硬件電路的控制下直接傳送。這種方法稱為DMA 。在這種方式下，傳送的速度就只取決于存儲器和外設的工作速度。這大大提高了數據傳送速度。DMA傳送主要應用于高速度大批量數據傳送的系統中，如磁盤存取、圖像處理、高速數據采集系統等，以提高數據的吞吐量。DMA傳送一般有三種形式存儲器與I/O設備之間的數據傳送；存儲器與存儲器之間的數據傳送；I/O設備與I/O設備之間的傳送。 1.5.3 直接存儲器存取控制方式25為實現

17、DMA工作方式而設計的專用接口電路，稱為DMA控制器(DMAC)。例如，Intel公司的8257、8237，Zilog公司的Z 8410(Z80 DMAC)，Motorola公司的MC6844等，都是能實現DMA方式的可編程DMAC芯片。DMA控制器必須有以下功能：能接收外設發出的DMA 請求信號，然后向CPU 發出總線接管請求信號。當CPU發出總線請求允許信號并放棄對總線的控制后，DMAC能接替對總線的控制，進入DMA方式。DMAC得到總線控制權后，要往地址總線發送地址信號，能修改地址指針，并能發出讀寫控制信號。能決定本次DMA傳送的字節數，判斷DMA傳送是否結束。DMA過程結束時，能發出DMA 結束信號，將總線控制權交還給CPU。1.5.3 直接存儲器存取控制方式261.5.4 數據傳送控制方式的發展數據傳送控制方式的發展大體上經歷了四個階段，早期階段接口模塊和中斷階段通道結構階段I/O處理機階段27本章小結本章介紹了微型計算機的基本概念、發展歷史以及微機系統的基本組成。微型計算機系統就是以微處理器為核心構成的計算機系統，微型計算機的發展史就是微處理器的一部發展史。目前，微機系統的處理