微处理器与微型计算机第5章-输入输出接口技术课件.ppt
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- 微处理器 微型计算机 输入输出 接口 技术 课件
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1、输入输出传送方式3I/O端口地址译码技术21 第5章 输入输出接口技术 微机接口概述1(1)微机的硬件结构微机的硬件结构2 5.1 微机接口 概述 数据总线(DB)控制总线(CB)地址总线(AB)中央 处理器(CPU)内存储器 I/O 接口 I/O 接口 I/O 设备 I/O 设备 CPU,微机的核心,基本功能:执行指令、控制和协调其它部件工作,进行数据运算和传输。存储和记忆装置,存储数据和程序。用于人机交互、数据和程序的输入、结果的输出。如:key,mouse,screen,printer。微机和外设间的中转站,在它们之间传输数据、状态和控制信息。(1)微机接口的概念微机接口的概念CPU与外
2、设间需频繁的进行信息交互交互。数据、程序和各种信息数据、程序和各种信息需通过外设输入到计算机内;计算机内的各种信息及运行结果各种信息及运行结果需通过外设进行输出。CPU与外设在速度、信号形式等方面有差异差异。接口:全称是输入输入/输出接口输出接口,简称I/O接口。它位于系系统总线统总线与外设外设之间,是CPU与外设的中转站。3因此,需要一种中间设备,即:因此,需要一种中间设备,即:接口接口。4n微机接口要解决的问题微机接口要解决的问题l速度匹配问题速度匹配问题。高速的CPU/低速的外设。l信号电平与驱动能力问题信号电平与驱动能力问题。CPU的TTL电平与低功率/外设的宽范围电平与大功率。l信号
3、类型匹配问题信号类型匹配问题。CPU数字量/外设模拟量。l信号格式问题信号格式问题。CPU并行数据/外设串行数据。l时序匹配问题时序匹配问题。CPU时序/外设时序。5(2)微机接口的功能接口电路用来有效地完成接口电路用来有效地完成CPU与外设的与外设的信息交换信息交换,协调协调CPU和外设之间的工作。和外设之间的工作。n功能包括:功能包括:lI/O地址译码与设备选择功能地址译码与设备选择功能所有外设都通过I/O接口挂接在系统总线上。同一时刻,总线只允许一个外设与CPU进行数据传递。只有通过地址译码被选中的I/O接口,才允许与总线相通;未被选中的I/O接口为高阻态,与总线隔离。l信息的输入信息的
4、输入/输出、缓冲与锁存功能输出、缓冲与锁存功能通过I/O接口,CPU可从外设输入各种信息,也可将处理结果输出到外设。由于CPU与外设存在时序和速度的差异差异,为确保两者间可靠传输信息,输入时需缓冲,输出时需锁存。6(1)微机接口的功能微机接口的功能l信号格式转换功能信号格式转换功能I/O接口要实现信息格式变换、电平转换、码制转换等功能。l联络功能联络功能接口从系统总线或外设收到数据时,能发出“数据到数据到”联络信号,通知CPU或外设将数据取走。数据传输完成后,发出“传输完传输完”信号,准备下次传输。l中断管理功能中断管理功能向CPU申请中断,发中断类型号以及中断优先权管理等。l其它功能其它功能
5、复位、错误检测、可编程功能(设定工作方式、工作参数等)。7l专用接口专用接口为某种用途或某类外设而专门设计的接口电路。通常制造成接口卡,插在主板上使用。科研项目举例科研项目举例l通用接口通用接口可供多种外设使用的标准接口。使用广泛,通常制造成集成电路芯片,称为接口芯片接口芯片。最初微机使用了6块芯片,后来将这些芯片集成为大规模集成电路芯片,称为芯片组芯片组。微机系统的南北桥芯片。如图所示。8(3)微机接口的分类9l智能接口智能接口具有处理能力处理能力的接口。单片机、DMA控制器或协处理器。l可编程接口可编程接口接口的功能可编程设定。FPGA/CPLD+VHDL。l简单接口简单接口指使用三态缓冲
6、器、锁存器、门电路以及D触发器等实现的简单接口。特点:不具备编程能力不具备编程能力,一旦设计制造完毕,其功能就不能改变。灵活性不足灵活性不足。10硬件电路组成硬件电路组成11(3)微机接口的组成 l数据缓冲数据缓冲/锁存器锁存器 连接系统总线,起缓冲和驱动作用。74LS244/245/573等。输入缓冲输入缓冲:暂存外设送来的信息。输出锁存输出锁存:暂存CPU送往外设的数据。lI/O端口端口 接口内部包含一个或多个CPU可进行读写的寄存器可进行读写的寄存器,称为I/O端口寄存器,简称I/O端口。数据端口数据端口:用于暂存CPU与外设间传送的数据。状态端口状态端口:用于暂存外设的状态。状态信息编
7、码称为状态字状态字。控制端口控制端口:暂存CPU对外设的控制信息信息。控制信息编码称为控制字控制字或命令字命令字。12l端口地址译码端口地址译码CPU访问外设时,向系统地址总线发送要访问的端口地址,译码电路根据该地址产生相应的选通信号,选中某端口进行操作。Map举例:地址译码信号举例:地址译码信号。l读读/写写/中断控制逻辑中断控制逻辑根据CPU发出的读、写和中断控制信号,以及外设发出的应答信号,产生内部各端口的读、写控制信号。13 每个每个I/O端口都有端口都有唯一的地址唯一的地址,CPU以以端口地址端口地址来区分不同的端口。来区分不同的端口。CPU对外设的各种操作,最终都对外设的各种操作,
8、最终都归结归结为对接口中各端口的读为对接口中各端口的读/写操作。写操作。科研项目:科研项目:PC104l接口软件接口软件接口硬件设计好后,CPU与外设间的数据交换要在程序的控制下程序的控制下来实现。该控制程序称为接口软件接口软件,或设备驱动程序设备驱动程序。Windows,Linux,DOS(汇编环境,BC/TC)。l接口软件的构成接口软件的构成初始化程序段初始化程序段:设置接口的工作方式、初始工作条件等。启动和终止程序段启动和终止程序段:有些接口需要命令字启动,如A/D转换;有些接口需要结束命令字,如中断结束命令EOI。数据输入、输出程序段数据输入、输出程序段:CPU与外设间的数据输入输出操
9、作。辅助程序段辅助程序段:实现人机对话、计算及结果保存等功能。14接口的软件组成n基本概念基本概念l接口内部包含一个或多个CPU可进行读写的寄存器,这些寄存器称为I/O端口。数据端口数据端口、状态端口状态端口和控制端口控制端口。lCPU对外设的各种操作,最终都归结为对接口中各端口的读/写操作,而不是直接对外设进行操作。l为了区分不同的端口,需为每个端口分配一个地址编号地址编号,称为I/O端口地址端口地址。l由于CPU地址总线既连接到存储器又连接到I/O端口,因此,需要一种机制来区分区分和寻址寻址要操作的内存单元或I/O端口,这种机制称为编址方式编址方式。l常用的两种I/O编址方式:I/O端口与
10、内存统一编址统一编址;I/O端口与内存独立编址独立编址。5.2 I/O端口地址译码技术15l基本内容基本内容I/O端口与内存单元统一进行地址分配统一进行地址分配,使用统一的指令统一的指令访问I/O端口或者内存单元。又称存储器映射编址方式存储器映射编址方式。Motorola公司的68系列、Apple系列微机即是统一编址。(1)I/O端口与内存统一编址16l优点优点把I/O端口当做存储单元来看待,可使用访存指令来访问I/O端口,故无需专门的无需专门的 I/O 指令指令。访存指令种类多访存指令种类多,功能全,可为访问外设提供方便。I/O控制信号可与存储器的控制器信号共用,应用方便。I/O端口数目几乎
11、不受限制。l缺点缺点I/O端口与内存单元共同统一的地址空间,相对减少了减少了内存可用的地址范围。从指令形式上不易区分不易区分访存还是访问外设,程序可读性低。访存指令比专用I/O指令长指令长,译码较为复杂,执行速度较慢。17l基本内容基本内容I/O端口与内存单元有各自独立的地址空间各自独立的地址空间,访问I/O端口使用专专门的门的I/O指令指令。又称I/O映射编址方式。8086/8088 CPU、IBM-PC系列系列和Z80系列机采用独立编址。(2)I/O端口与内存独立编址18l优点优点I/O端口与内存空间相对独立,I/O端口单独编址,不占用内存不占用内存空间。由于使用了专门的I/O指令,指令简
12、短指令简短,译码简单,速度快。I/O指令与访存指令区别明显指令区别明显,程序可读性强。l缺点缺点专用的I/O指令增加了指令系统的复杂性指令系统的复杂性,且指令类型少,功能弱,程序设计灵活性差。CPU需提供I/O读写与存储器读写2套控制信号套控制信号,增加了控制逻辑的复杂性。19l指令类型指令类型IN:从I/O端口读入数据到微处理器的累加器中。OUT:将微处理器累加器中的数据写入到I/O端口。注意:数据只在累加器(注意:数据只在累加器(AX或或AL)和端口间进行传递)和端口间进行传递。原则:传输字节数据字节数据时使用AL;传输字数据字数据时使用AX。l寻址方式寻址方式直接寻址直接寻址:当端口地址
13、 0FFH时,采用直接寻址,即在指令中直接写明端口地址。(也可用间接寻址方式)间接寻址间接寻址:当端口地址 0FFH时,采用间接寻址,使用DX存放端口地址。(3)独立编址下的I/O指令20l直接寻址指令格式直接寻址指令格式【例5-1】输入:IN AL/AX,port ;port是8位地址,0FFH 输出:OUT port,AL/AX21IN AL,2CH ;从2CH端口读入?到AL中IN AX,5BH ;从5BH端口读入?到AX中OUT 61H,AL ;将AL中的?写入到61H端口中OUT 1DH,AX ;将AX中的?写入到1DH端口中l间接寻址指令格式间接寻址指令格式 输入:MOV DX,p
14、ort ;port是16位地址,0FFH IN AL/AX,DX 输出:MOV DX,port OUT DX,AL/AX22判断下列指令格式是否正确。判断下列指令格式是否正确。(1)从218H端口读入一个字数据。IN AL,218H(2)将一个字节的数据写入到 254 端口。OUT 254H,AX23MOV DX,218HIN AL,DXMOV DX,254HOUT DX,AXOUT 254,AL 或OUT 0FEH,ALl标准标准C(头文件(头文件dos.h)inportb(int port)。outportb(int port,unsigned char value)inportw,out
15、portw。lVC+(头文件(头文件conio.h)int _inp(unsigned short port);int _outp(unsigned short port,int datatype);(4)高级语言下的输入输出操作【补充】24l高级语言编程举例高级语言编程举例利用 inportb()函数从端口2F0H读取一个字节的数据,并显示在屏幕上。main()unsigned char c;c=inportb(0 x2f0);printf(“%xn”,c);将数据0 x55输出到360H端口。main()outportb(0 x360,0 x55);25(1)I/O端口地址线端口地址线l8
16、0 x86系列PC采用独立编址方式,I/O地址线有16根,对应64K空间。l实际微机主板上仅使用A9A0 10根地址线,共1024个端口,地址范围为000H03FFH。l根据其复杂程度和应用形式,PC系列微机中I/O接口硬件电路可分为2类:系统板上的系统板上的 I/O 接口芯片接口芯片:大多是可编程大规模集成电路,如定时/计数器,中断控制器,DMA控制器,并口等。扩展槽上的扩展槽上的 I/O 接口控制卡接口控制卡:如图形卡、声卡等。5.2.2 I/O端口地址分配 26I/O接口名称接口名称PC/XTPC/ATDMA控制器10000 001FH0000 001FHDMA控制器200C0 00DF
17、HDMA页面寄存器0080 0083H0080 009FH中断控制器10020 0021H0020 0021H中断控制器200A0 00BFH定时器0040 0043H0040 005FH并行接口芯片0060 0063H键盘控制器0060 006FHRT/CMOS RAM0070 007FHNMI屏蔽寄存器00A0H 00BFH协处理器00F0 00FFH(2)系统板上的I/O接口芯片端口地址分配27I/O接口名称接口名称PC/XTPC/AT硬驱控制卡0320 032FH01F0 01FFH游戏控制卡0200 020FH0200 020FH扩展器/接收器0210 021FH并行口控制卡1037
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