微机IO接口技术基础课件

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1、1,第六章 I/O接口技术基础,陆尧胜 谢军 主讲 暨南大学信息科学技术学院电子工程系,微机系统与接口,2,第6章 I/O接口技术基础,接口技术概述 可编程并行接口 可编程定时器/计数器 串行通讯接口 A/D、D/A接口,3,智能系统结构框图,输入放 大通道,PC 输入、输出 控制及 信号处理,D/A 转换部分,A/D 采样部分,输入 电极,输出 电极,输出 刺激器,输入控制,输出控制,4,生物反馈治疗系统,5,输入/输出接口（I/O接口）,什么是I/O接口？ 把外设连接到总线上的一组逻辑电路的总称。实现外设与主机之间的信息交换。 I/O接口要解决的问题 速度匹配 信号电平和驱动能力(电平转换

2、器、驱动器) 信号形式匹配(A/D、D/A) 信息格式(字节流、块、数据包、帧) 时序匹配(定时关系) 总线隔离(三态门),6,CPU与IO设备之间的接口信息,1数据（Data） （1）数字量 由键盘、CDROM光盘等输入的信息和向打印机、CRT显示器输出的信息，以及软、硬盘写入场出的信息是以二进制形式表示的数或以ASCDCG GEFIR PB TWF 。 （2）模拟量 当计算机用于控制时，大量的现场信息经过传感器把非电量的自然信息转换成模拟量的电信息，再由AD变换器转换后输入计算机；计算机的控制输出也必须先经过DA转换才能去控制执行机构。 （3）开关量 这是一些两个状态的量，如电机的运转与停

3、止、开关的合与断、阀门的打开和关闭等等。这些量只要用一位二进制数即可表示，故字长为8位的机器一次输入或输出可控制8个这样的开关量。,7,CPU与IO设备之间的接口信息,2状态信息（Status） 在输入时，有输入装置的信息是否准备好（Ready）；在输出时，输出装置是否有空（Empty），若输出装置正在输出信息，则以忙（Buby）指示等。 3控制信息（Control） 控制输入输出装置或接口的启动、停止等。 状态信息和控制信息与数据是不同性质的信息，必须要分别传送。但在大部分微型机中只有通用的IN和OUT指令，因此，外设的状态也必须作为一种数据输入；而CPU的控制命令，也必须作为一种数据输出。

4、为了使它们相互之间区分开，它们必须有自己的不同端口地址。 所以，一个外设或接口电路往往有几个端口地址，CPU寻址的是端口，而不是笼统的外设。,8,1）片内总线 2）片总线（又称为元件级总线或局部总线）：它是一台单板计算机或一块CPU插件板使用的板上总线，用于芯片一级的连接。它是微型机系统的重要总线，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芯片引脚的延伸，与CPU的关系密切。 3）内总线（又称为微机总线或板级总线，一般称为系统总线）：它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。一般谈到微型机总线，指的就是这一种总线。 4）外总线（又称为通信总线）：它用于系

5、统之间的连接，如微机系统之间、微型计算机系统与仪器或其他设备之间的连接。比较常用的外总线有：IEEE488总线 、RS232C总线。,9,从接口的角度:,（1）地址总线 （2）数据总线 （3）控制总线 （4）电源和地线 （5）备用线：留作功能扩充和用户的特殊要求使用。 系统总线一般都做成多个插槽的形式，各插槽相同的引脚都连到一起，总线就连到这些引脚上。总线接口引脚的定义、传输速率的设定、驱动能力的限制、信号电平的规定、时序的安排以及信息格式的约定等等，都有统一的标准。外总线则使用标准的接口插头，其结构和通信规定也是标准的。,10,I/O接口扩展,1.1、I/O接口的功能 总线技术 接口的作用

6、分析与设计接口电路的基本方法 1.2、I/O信息的传送方式 1.3、常用的I/O接口扩展芯片,11,I/O接口的定义与作用,所谓接口（Interface）就是微处理器或微机与外界的连接部件（电路），它是CPU与外界进行信息交换的中转站。 接口电路的作用，就是将计算机以外的信息转换成与计算机匹配的信息，使计算机能有效地传送和处理它,12,I/O接口的功能,1）数据缓冲功能: 实现和不同外设的速度匹配; 输出数据锁存;输入数据三态缓冲。为了解决CPU高速与外设低速的矛盾，接口中一般都设置数据寄存器或锁存器，避免因速度不一致而丢失数据信息或状态信息。 2）信号转换功能和数据格式变换的功能: 包括CP

7、U的信号与外设信号的逻辑关系、时序配合以及电平匹配上的转换；数据“并 串”和“串并”变换和数据宽度变换等。 3）设备选择功能: 接口具有设备和端口选择能力，以便CPU能根据需要启动其中部分设备或全部设备工作。而CPU在同一时间里只能选择一个端口进行数据传送。,13,I/O接口的功能,4）接收和执行CPU命令的功能: 接口电路应具有接收和执行CPU命令的功能，以便CPU向IO设备发出的控制命令得以转达并实施。 5）中断管理功能: 既做到微机系统对外界的实时响应，又使CPU与外设并行工作,提高了CPU的效率。 6）可编程功能: 在不改动硬件的情况下，只修改相应的驱动程序就可以改变接口的工作方式。,

8、14,分析与设计接口电路的基本方法,1）分析接口两侧的情况: 找出两侧进行连接时存在的差异；针对要消除两侧的这些差异，来确定接口应完成的任务； 2）进行信号转换: 要考虑作哪些信号变换 3）合理选用外围接口芯片: 选择什么样的元器件来进行这些变换 4）接口驱动程序分析。,15,I/O接口的编址方式 I/O端口： I/O信息的三种类型：数据、命令、状态。传送这三类信息的通道分别称为：数据端口(I、O)、命令端口(O)、状态端口(I)。 不同外设具有的端口数各不相同，计算机中为每一个端口都赋予一个惟一编号称为端口地址(或端口号)。 端口有两种编址方式：统一编址和独立编址。,16,1. 统一编址 把

9、外设接口与内存统一进行编址。各占据统一地址空间的不同部分。 优点 指令统一，灵活； 访问控制信号统一，使用同一组的地址/控制信号。 缺点 内存可用地址空间减小,0,地址空间(共1MB),内存地址 (960KB),I/O地址 (64KB),FFFFFH,EFFFFH F0000H,17,2. 独立编址 外设地址空间和内存地址空间相互独立。 优点：内存地址空间不受I/O编址的影响 缺点：I/O指令功能较弱，使用不同的读写控制信号,00000H,内存地址空间,内存空间 (1MB),I/O空间 (64KB),FFFFH,FFFFFH,I/O地址空间,0000H,18,IO端口地址分配,IO设备在微机系

10、统中占据一定的IO地址空间。系统中哪些端口是计算机制造厂家为今后的开发而保留的，哪些地址已分配给了别的设备，哪些端口地址是留给用户的，这些信息对配置IO设备和接口来说是十分必要的。 8086/8088的I/O端口最多可达64K 个，由A15 A 0参加寻址。 PC系列微机系统的端口数目是1024个，其端口地址空间是从0003FFH，由地址线A0A9进行译码。,19,PC中的IO接口电路分为两类：,1）主板上的IO接口芯片。 大多都是可编程的大规模集成电路，完成相应的接口操作，如定时器计数器、中断控制器、并行接口、DMA控制器以及键盘控制器等。在PCAT中，有8253、8259、8237A、82

11、55等芯片组成。但随着PLD技术的发展，目前PC机系统主板上的所有IO接口的功能已集成在一片或几片大规模集成电路芯片中。 2）扩展槽上的IO接口控制卡。这些接口控制卡是上若干个集成电路按一定的逻辑功能组成的接口部件，如多功能卡、图形卡、串行通信卡、网络接口卡等。 PC系列微机中的IO端口地址空间分为两部分，即1024个端口的前256个端口（0000FFH）专供IO接口芯片使用，后768个端口（1003FFH）为IO接口控制卡使用。,20,8088/8086系统 存储器操作与I/O操作的分别: 硬件/电路,指令,时序上的不同,21,8088/8086 CPU的I/O编址方式 采用I/O独立编址方

12、式(但地址线与存储器共用) 地址线上的地址信号用 来区分： 时为I/O地址 I/O操作只使用20根地址线中的16根： A15 A0 可寻址的I/O端口数为64K(65536)个 I/O地址范围为0FFFFH IBM PC只使用了1024个I/O地址(03FFH),22,I/O端口地址的译码 、 、 A15 A0 OUT指令将使总线的 信号有效 IN指令将使总线的 信号有效 当接口只有一个端口时，16位地址线一般应全部参与译码，译码输出直接选择该端口；当接口具有多个端口时，则16位地址线的高位参与译码（决定接口的基地址），而低位则用于确定要访问哪一个端口。 例如： 某外设接口有4个端口，地址为2

13、F0H2F3H，则其基地址为2F0H，由A9A2译码得到，而A1、A0用来确定4个端口中的某一个。,23,I/O数据的传送方式 并行 一个数据单位(通常为字节)的各位同时传送 速度快、距离短、成本高 例：PC机的并行接口(通常用于连接打印机) 串行 数据按位进行传送 速度慢、距离远、成本低 例： PC机的串行接口(通常用于串行通信),24,接口电路的基本结构,数据线,控制线,状态线,DB,CB,AB,数据输入寄存器 （or 三态门）,数据输出寄存器 （锁存器）,状态寄存器 （or 三态门）,命令寄存器,译码 电路,控制 逻辑,接外设,接主机,25,数据输入/输出寄存器暂存输入/输出的数据 命令

14、寄存器存放控制命令，用来设定接口功能、工作参数和工作方式。 状态寄存器保存外设当前状态，以供CPU读取。,26,LED显示器接口 1）字形口CS1；2）字位口CS2,27,共阴极的LED显示器接口,28,微机信息传递方式I/O控制方式,主机与外设之间数据传送的控制方式有以下四种： 无条件传送同步传送（同步传送方式 ） 查询式传送（异步传送方式 ） 中断方式传送 直接存储器存取 (DMA, Direct Memory Access),29,无条件传送方式适用于总是处于准备好状态的外设,以下外设可采用无条件传送方式： 开关 发光器件(如发光二极管、7段数码管、灯泡等) 继电器 步进电机 优点：软件

15、及接口硬件简单 缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄,30,查询方式传送,适用于外设并不总是准备好，而且对传送速率、传送效率要求不高的场合。 CPU在与外设交换数据前必须询问外设状态“你准备好没有？” 对外设的要求：应提供设备状态信息 对接口的要求：需要提供状态端口 优点：软件比较简单 缺点：CPU效率低，数据传送的实时性差， 速度较慢,31,查询式传送方式又称异步传送方式, 在传送前，查询一下外设的状态，当外设准备好了以后才传送；否则，等待。,32,查询方式的流程：,超时?,READY?,与外设进 行数据交换,超时错,读入并测试外设状态,Y,N,Y,N,传送完？,防止死循环,复位计时器,N,

16、Y,33,D5,D7-D0,A9 | A3,&,1,IOW,D7-D0,3F8H,外设,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,BUSY,CP,Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0,状态端口,G G2A G2B C B A,A2 A1 A0,74LS138,Y0,1,IOR,Y3,OE,74LS374,CP,Q,Q,D,S,STROBE,3FBH,34,例：电路图如上，用查询方式进行输出,外设状态端口地址为3FBH，第5位(bit5)为状态标志（=1忙，=0准备好） 外设数据端口地址为3F8H，写入数据会使状态标志置1 ；外设把数据读走后又把它置0。,35,中断技术,什么是中断? 与生活场景的比较,正在看书,电话铃响,接电话,继续看书,执行程序,事