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1、第六章 I/O接口和总线,本章要点,概念：接口、端口I/O接口的功能、CPU控制外设的方式、I/O端口的编址方式 简单的接口芯片及其应用 I/O端口编址方法 总线、总线的分类、总线结构的优点,6-1 I/O接口,一、I/O接口的概念和功能 I/O接口：是指CPU和存储器、外设或这两种外设、两种机器之间通过系统总线进行连接的逻辑部件或电路它是CPU与外设进行信息交换的中转站。 注意I/O接口与I/O设备的区别,2、采用I/O接口的必要性,（1）CPU与外设的速度不匹配 （2） 信号电平不匹配（CPU信号是TTL电平） （3）信号格式（位数、传送方式、模拟/数字）不匹配） （4）时序不匹配。,3、
2、接口的功能,设置数据缓冲来解决速度不匹配的问题（缓冲器和锁存器特点、作用） 设置信号电平转换电路 设置信息转换逻辑 设置时序控制电路来同步CPU和外设的工作 提供地址译码电路实现设备选择 设置输入输出控制、读写控制及中断控制,二、简单的输入输出接口芯片,缓冲器74LS244和缓冲器74LS245 锁存器缓冲器74LS373,三、I/O端口及其寻址方式,I/O端口：接口电路中存放信息的寄存器和他们的控制逻辑统称为I/O端口，CPU可对端口信息直接读写。 I/O端口的类型：数据端口（8位）、状态端口、命令端口（常用D触发器和三态门来构成）,I/O端口寻址方法,端口中的寄存器可由程序进行读或写，类似
3、于存储器的单元，所以又称他们为可编程序的I/O端口，统称为外设端口（PORT）。通常由系统给他们各分配一个地址，称端口地址。CPU访问外设就是通过寻址端口来实现的。 存储器映象方式（MCS-51） I/O单独编址方式（8086/8088）,四、CPU与外设间的数据传送方式,程序控制方式 （1）无条件传送方式 适用于对简单外设进行操作，这类外设任何时刻均已准备好或处于接收数据状态。 （2）条件传送方式（查询式） 中断方式 DMA方式DIRECT MEMORY ACESS,程序传送方式 无条件传送方式,程序传送方式 查询传送方式 查询方式的数据传送过程如下： （1）CPU从状态端口读取状态字。 （
4、2）CPU判断状态位是否“准备就绪”，如果没准备好，就返回上一步，继续读取状态字。 （3）如果准备好，则执行数据传送操作。,中断传送方式,当外设准备好后，外设接口便主动向CPU发“中断请求”信号。CPU响应这样这一请求，则暂停正在执行的程序，而转入与外设操作有关的中断服务程序。在中断服务程序中完成数据的输入或输出，中断服务程序执行完毕，CPU返回到原来程序的断点继续执行。,DMA传送方式,在存储器和外设之间建立起直接的数据传送通路，即不经由CPU，而由专门的DMA控制器实现存储器和外设之间的操作。于是，传送就不必进行保护现场等一系列额外操作，从而减轻了CPU的负担，因此特别适合于高速度大批量数
5、据传送的场合。但是，这种方式要增设DMA控制器，硬件电路比前两种方式更为复杂。,DMA传送方式,DMA传送方式,6-2 总线,总线的概念 用于各部件之间传送信息的公共通路。,总线的分类,片内总线：位于CPU内部，用于ALU、寄存器等功能单元之间相互连接。 片级总线：用于芯片一级的连接。在将接口芯片与CPU连接时就要与这种总线打交道。它一般是CPU引脚的延伸。（当CPU连接的芯片较多时，为提高驱动能力，往往需增加锁存、驱动电路。 内总线（系统总线）：用于微机系统各插件板之间的连接，是微机系统最重要的一种总线。有的系统总线是片总线经过重新驱动和扩展而成，其性能与某种CPU有关，但有的系统总线可为多
6、种CPU极其配套芯片所使用。（PC总线、ISA、EISA、S-100、STD） 外总线（通信总线） （1）并行外总线：GP-IB（IEEE-488） （2）串行外总线：RS-232/422/485、USB、IEEE-1394（火线）,总线信号分类 数据总线、地址总线、控制总线 总线性能参数 总线时钟频率、总线宽度、总线传输速率 总线标准 机械结构规范、功能结构规范、电气规范 总线发展趋势,系 统 总 线,ISA总线 特点： 8位ISA扩展I/O插槽由62个引脚组成，用于8位的插卡；8/16位的扩展插槽除了具有一个8位62线的连接器外，还有一个附加的36线连接器，这种扩展I/O插槽既可支持8位的
7、插卡，也可支持16位插卡。,系 统 总 线,ISA总线性能指标： I/O地址空间0100H03FFH 24位地址线可直接寻址的内存容量为16MB 8/16位数据线 62+36引脚 最大位宽16位 最高时钟频率8MHZ 最大稳态传输率16MB/S 中断功能 DMA通道功能 开放式总线结构，允许多个CPU共享系统资源,系 统 总 线,EISA总线 .开放式结构。EISA和ISA兼容，现有的ISA扩充板可以用于EISA总线上. 32位地址域直接寻址范围为4GB 32位数据线，最大时钟频率8.3MHz 最大传输率33MB/S EISA插槽由于要与ISA和EISA插卡兼容，因此在结构上和以往的插槽不同，
8、采用了双层结构。,系 统 总 线,PCI总线 PCI（peripheral component interconnect）总线是Intel公司推出的外围设备互连总线，是另一种局部总线规范。 PCI总线的主要性能： 支持10台外设 总线时钟频率33.3MHz/66MHz 最大数据传输速率133MB/s 时钟同步方式 与CPU及时钟频率无关 总线宽度32位（5V）/64位（3.3V） 能自动识别外设 特别适合与Intel的CPU协同工作,外 部 总 线,RS-232-C总线 美国电子工业协会EIA制定的一种串行物理接口标准。 RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，
9、在多数情况下主要使用主通道，对于双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。 RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。,外 部 总 线,RS-232-C总线 1、 RS-232-C电气特性 （1）信号逻辑电平 在TXD和RXD上：逻辑1(MARK)=3V15V 逻辑0(SPACE)=+3V 15V 在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上： 信号有效（接通，ON状态，正电压）+3V+15V 信号无效（断开，OFF状态，负电压）=3V15V 。 （2）信号电
10、平转换 常用芯片MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。,RS-232-C总线 （3）信号的传输速率 RS-232-C标准允许信号传输速率在0 20000bps之间。在实际使用中被限制在19200bps以内。 2、RS-232-C机械特性 RS-232C标准接口有25条线，4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线，常用的只有9根，介绍如下：,外 部 总 线,2、RS-232-C机械特性 联络控制信号线 数据装置准备好（Data set ready-DSR） 数据终端准备好（Data s
11、et ready-DTR） 请求发送（Request to send-RTS） 允许发送（Clear to send-CTS） 接收线信号检出（Received Line detection-RLSD） 振铃指示（Ringing-RI）,外 部 总 线,2、RS-232-C机械特性 数据发送与接收线： 发送数据（Transmitted data-TXD） 接收数据（Received data-RXD） 地线有两根线SG、PG 3、RS-232-C接口的连接方式 RS-232-C接口既可以用于同步通信，也可以用于异步通信。当传输距离较远时，两个数据终端设备（如一台计算机与一台终端）需要通过MOD
12、EM相连。但当相距较近时，不需要MODEM，就成了两个DTE通过RS-232-C接口直接相连。这时需要做一条通信电缆来连接两个数据终端设备。,外 部 总 线,左边的接线方法是零MODEM方式的简单连法，只要任何一方自身请求发送有效和数据终端就绪有效，即可实现发送和接收。 右边的接线方法是按照RS-232-C标准定义的控制MODEM的规则进行引脚连接的，双方的DTE仍以为与自己一侧的DCE在通讯，其实双方DTE都跳过了DCE，而实现异步通信。,外 部 总 线,外 部 总 线,RS-485总线 适用范围：通信距离为几十米到上千米 特性： 采用平衡发送和差分接收 采用半双工工作方式 用于多点互连时非
13、常方便，可以省掉许多信号线。 应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。,外 部 总 线,RS-485总线 性能指标： （1）机械特性 采用RS232/ RS485连接器（如ADAM4520）将PC串口RS2232信号转换成RS-485信号，或接入TTL/RS-485转换器（如MAX485）将I/O接口芯片TTL电平信号转换成RS485信号，进行远距离高速双向串行通信。 （2）电气特性 信号负逻辑，2V6V表示“0”，- 6V- 2V表示“1” 。 （3）功能特性 RS485总线的数据链路协议，除有的采用符合ISO高级数据链路控制协议（High Data
14、 Link ControlHDLC）的数据链路处理器件或专有接口器件执行外，多数是参照HDLC或其他一些标准自行定义而成，由此可组建经济实用型工业局域网。,外 部 总 线,IEEE-488总线并行总线接口标准 特性： （1）设备总线：总线上所连接的设备包括计算机在内，最多不超过15台。 （2）传输距离：互连电缆的传输路经总长度不超过20米。 （3）传输速度：信号传输速度一般为500KB/S，最大传输速度为1MB/S。 （4）信息传输方式：并行总线，数据采用位并行，字节串行的传输方式。每一个字节的传输均采用三条通信联络线进行（即所谓三线握手），以保证异步通信的可靠性。 （5）信号逻辑：总线上的信
15、息采用负逻辑进行，低电平0.8V对应“1”，高电平2.0V对应“0”。,外 部 总 线,USB总线串行总线接口标准 通用串行总线USB（universal serial bus）是一种标准的连接接口，允许不必重新配置规划系统。 特性： （1）快速： （2）即插即用与热插拔的特性，能自动检测与配置系统的资源。 （3）USB接口采用了统一的接口规范 （4）为外设提供电源 （5）USB最多可以连接127个接口设备。,外 部 总 线,USB总线串行总线接口标准 USB系统拓扑结构 ： 一般分为三个主要的部分： USB主机控制器根集线器（HOST CONTROLLER/ROOT HUB）； USB集线器（USB HUBS）； USB设备（USB DEVICES）。 ；,外 部 总 线,微 型 计 算 机 的 最 小 系 统,输入/输出接口芯片8282、8286,
