《微型计算机原理与接口技术 教学课件 ppt 作者 吕林涛 主编 梁莉 宋继红 副主编 第五章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微型计算机原理与接口技术 教学课件 ppt 作者 吕林涛 主编 梁莉 宋继红 副主编 第五章（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、本章内容提要: I/O接口概述 I/O接口的基本功能 CPU与I/O端口的数据传输方式 I/O端口地址译码技术 I/O端口地址分配 接口硬件设计方法,5.1 I/O接口概述,5.1.1 接口,一个实际的微机系统，除了CPU、存储器、I/O设备，还必须有各种接口（interface）电路。其中，CPU是微机系统中运算与控制的中心；接口就是CPU与外部世界的连接电路，是CPU与外界进行信息交换的中转站。这里所说的“外部世界”，是指除CPU本身以外的所有设备或电路。 如图所示，接口是CPU与内存及CPU与外部设备之间通过总线进行连接的逻辑结构(电路)，是一个特定的管理/协调和信息缓冲部件，前者称为存
2、储器接口，后者称为I/O接口。选用不同的外部设备(简称外设)，配置相应的接口电路，可以构成不同用途的应用系统。下面主要讨论I/O接口。,5.1.1 I/O设备与I/O接口,外部设备是微机系统的重要组成部分。首先，任何计算机必须有一条接受程序和数据的通道，才能接收外界的信息来进行处理，这就必须要有输入设备，如键盘、操纵杆、鼠标、光笔、触摸屏和扫描仪等。如果没有输入设备，计算机就相当于人没有任何感知能力。处理的结果必须送给要求进行信息处理的人或设备。别外，还必须有输出设备，如CRT显示终端、打印机和绘图仪等。 为了将计算机应用于数据采集、参数检测和实时控制等领域，则必须向计算机输入反映测控对象的状
3、态和变化的信息，经过中央处理器处理后，再向控制对象输出控制信息。这些输入信息和输出信息的表现是千差万别的,可能是开关量或各种不同性质的模拟量，如温度、湿度、压力、流量、长度、刚度和浓度等，因此需要把各种传感器和执行机构与微处理器或微机连接起来。所有这些设备称为外部设备或输入/输出设备(I/O设备)。,I/O设备一般不和微机内部直接相连，而是必须通过I/O接口电路与微机内部进行信息交换。为什么不能像存储器那样直接连接到数据总线，地址总线和控制总线呢？ 这是因为外部设备的种类繁多，信号类型十分复杂，它既可以是机械式的、电动式的或电子式的，也可以是其他形式的；输入输出的信号可以是数字量或模拟量，也可
4、能与微机在信号线的功能定义、逻辑定义上都不一致；必须通过I/O接口实现微机与外部设备的隔离和信号转换。 其次，微机和I/O设备信号传输处理的速度也有很大的差别，可能是手动键盘输入，也可能是自动输入/输出，并且自动输入/输出设备的速度也各不相同，信号时序有很大差别，必须通过I/O接口来进行缓冲和协调。,再次，随着计算机技术的发展，I/O设备的种类日益丰富，一台多媒体微机可能要配置数十个I/O设备，若不通过接口，而由CPU直接对I/O设备的操作实施控制，就会使CPU一直忙于与外设打交道，大大降低CPU的效率。 最后，若I/O设备直接由CPU控制，也会使外设的硬件结构依赖于CPU，对外设本身的发展不
5、利。I/O接口的引入，使得CPU对I/O设备的操作转化为对I/O接口的操作。 接口技术是把由微处理器、存储器等组成的基本系统与外部设备连接起来，从而实现计算机与外部设备通信的一门技术。微处理器通过总线与接口电路连接，接口电路再与外部设备连接，因此CPU总是通过接口与外部设备发生联系。微机的应用是随着外部设备的不断更新和接口技术的发展而深入到各个领域的。实际上，任何一个微机应用系统的研制和设计，主要就是微机接口的研制和设计，需要设计的硬件是一些接口电路，所要编写的软件是控制这些电路按要求工作的驱动程序。,5.2 I/O接口的基本功能,5.2.1 I/O接口的基本功能,显然外设的多样性，必然导致接
6、口电路的多样性。简单地说，一个接口的基本功能是在计算机系统总线和I/O设备之间传输信号，提供缓冲功能，以满足两边时序要求。一般来说，CPU与I/O设备之间的接口应具有以下基本功能。 1.数据格式转换 接口与计算机系统总线之间，一般采用并行传送；而接口与外设之间，有可能采用并行或串行传送，这要视外设特性而定。对于串行数据处理的外设，则要求其接口具有数据格式的串/并转发，并/串转换的能力。对于并行传送，还要考虑数据通路宽度匹配问题。,2.数据缓冲功能 由于计算机与外设的工作速度存在很大的差异，所以接口要实现协调计算机与外设在时间上以及数据处理速度上的差异，使两者之间的信息交换取得同步，需要对传输的
7、数据加以缓冲或锁存。因此，I/O接口作为微机与I/O设备传递数据的缓冲。在接口电路中一般设置一个或几个数据缓冲寄存器，以补偿各设备的速度差，起到速度匹配的作用。 3.信号转换功能 由于I/O设备所需的控制信号和它所能提供的状态信号往往同微机的总线信号不兼容。不兼容性表现在两者的信号功能定义、逻辑关系、电平高低以及工作时序的不一致。因此，信号转换(包括CPU的信号与I/O设备的信号的逻辑关系上、时序配合上以及电平匹配上的转换)，就成为接口设计中的一个重要任务。,4.译码选址 在微机系统中一般带有多台外设，并且一个接口中还具有几个不同端口，而一个CPU在某一时刻里只能与一台外设的一个端口交换信息，
8、所以为了使计算机区分各个外设及外设内的各个端口，这就要在接口中对I/O设备进行寻址，选定需要与自己交换信息的设备。 5.提供联络信号 计算机与外设进行信息传送时，必须了解外设的工作情况，才能做到正确无误的传送。所以，接口应提供微机与I/O设备间交换数据所需的控制逻辑和状态信号。 6.具备时序控制 具备时序控制为满足计算机与外设在时序方面的要求，对于工作同步，要求接口电路应提供复位电路，使接口电路本身及所接外设进行重新启动；对于信号同步，要求接口电路需要具有自己的时钟发生器。,7.可编程功能 对于一些通用的、功能齐全的电路，应该具有可编程能力，根据不同的场合使接口具有不同的功能、起到不同的作用，
9、可用软件方便地实现接口功能的设定。这是现代接口电路发展的趋势。 8.错误检测功能 在接口电路中，经常需要考虑对错误的检测这个问题，如数据传输错误和覆盖错误。数据传输错误是由外部干扰造成的，可采用奇偶校验予以消除；覆盖错误是由于传输速度不当引起的，接口应能检测出错误，以便正确传输。 总之，I/O接口的功能就是完成数据、地址和控制三总线的转换和连接任务。当然，对应某个具体的接口电路，可能只具有这些功能的一部分，就能满足要求，而不具备全部功能。,5.2.2 I/O接口的组成,I/O接口的功能实现既需要硬件的支撑，也需要软件的驱动。I/O接口实际上是微机与I/O设备间的硬件连接和软件控制的总称。接口中
10、硬件和软件分别称为接口硬件和接口软件。 1.接口硬件 接口电路现在通常在一块大规模或超大规模集成电路芯片上，因而常被称为接口芯片。当然，有时也有根据需要而用中、小规模集成电路做成的。不同功能的接口电路，其结构虽各有不同，但都是由寄存器和控制逻辑两大部分组成，每部分又能包含几个基本组成部分，如图所示。,(1)数据缓冲寄存器 缓冲寄存器有时也简称缓存器，它分为输入缓存器和输出缓存器两种。前者的作用是将外设送来的数据暂时存放，以便处理器将它取走；后者的作用是用来暂时存放处理器送往外设的数据。有了数据缓存器，就可以在高速工作的CPU与慢速工作的外设之间起协调和缓冲作用，实现数据传送的同步。由于输入缓存
11、器的输入是接在数据总线上的，因此它必须有三态输出功能。 (2) 控制寄存器 控制寄存器用于存放处理器发来的控制命令和其他信息，以确定接口电路的工作方式和功能。由于现在的接口芯片大都具有可编程的特点，即可通过编程来选择或改变其工作方式和功能，这样，一个接口芯片就相当于具有多种不同的工作方式和功能，因此使用起来十分灵活和方便。控制寄存器是写寄存器，其内容只能由处理器写入，而不能读出。,(3) 状态寄存器 状态寄存器用于记录外设现行各种状态信息。它的内容可以被处理器读出，从而使CPU了解外设及数据传送过程中正在发生或最近已经发生的情况，作出正确的判断，使它能安全可靠地与接口完成交换数据的各种操作。特
12、别当CPU以程序查询方式同外设交换数据时，状态寄存器更是必不可少的。以上3种寄存器是接口电路中的核心部分。为了保证在处理器和外设之间通过接口正确地传送数据，接口电路还必须包括下面几种控制逻辑电路。 (4) 数据总线和地址总线缓冲器 数据总线和地址总线缓冲器用于实现接口芯片内部总线和处理器外部总线的连接。如接口的数据总线可直接和系统数据总线相连接、接口的端口选择根据I/O寻址方式的要求与地址总线恰当地连接。,(5)端口地址译码器 端口地址译码器用于正确选择接口电路内部各端口寄存器的地址，保证一个端口寄存器唯一地对应一个端口地址码，以便处理器正确无误地与指定外设交换信息，完成规定的I/O操作。 (
13、6)内部控制逻辑 内部控制逻辑用于产生一些接口电路内部的控制信号，实现系统控制总线与内部控制信号之间的变换。 (7)对外联络控制逻辑 对外联络控制逻辑用于产生与接收CPU和外设之间数据传送的同步信号。这些联络握手信号包括微处理器一边的终端请求响应、总线请求和响应以及外设一边的准备、就绪和选通等控制与应答信号。 当然，并非所有接口都具备上述全部组成部分。但一般来说，数据缓冲器、端口地址译码器和输入/输出操作控制逻辑是接口电路中的核心部分，任何接口都不可少。其他部分保证在处理器和外设之间通过接口正确地传送数据，至于是否需要，则取决于接口功能的复杂程度和CPU与外设的数据传送方式。,2.接口软件 接
14、口软件又称为设备驱动程序。从实现接口功能来看，一个完整的设备驱动程序大约包括如下一些程序段。 (1) 初始化程序段 对可编程接口芯片，都需要通过其方式命令或初始化命令设置工作方式及初始条件，这是驱动程序中的基本部分。 (2) 传送方式处理程序段 对I/O设备的处理，一般都涉及到输入/输出数据传送，针对CPU与I/O设备不同的数据传送方式，要有不同的处理程序段。,(3) 主控程序段 主控程序段即完成接口任务的程序段，如数据采集的程序段，包括发转换启动信号、查转换信号、读数据、计算以及保存结果等内容。 (4) 程序终止与退出程序段 程序终止与退出程序包括程序结束退出前对接口电路的保护程序，以及对操
15、作系统中数据的恢复程序等。 (5) 辅助程序段 该程序段主要解决人机对话等内容。 以上这些程序段的实现是相互依存、统为一体的，是为了分析一个完整的设备接口程序而划分成几个部分的。,5.3 CPU与I/O端口的数据传输方式,输入/输出是微机与外部设备之间的数据传送,实际上是CPU与接口之间的数据传送。传送的方式不同，CPU对外设的控制方式也不同。CPU与I/O设备之间传输数据的控制方式一般有3种，即程序控制方式、直接存储器存取方式和专用I/O处理机方式。,5.3.1程序控制方式,程序控制方式的数据传送分为无条件传送、条件传送和中断传送。这类传送方式的特点是以CPU以中心,数据传送的控制来自CPU
16、，通过预先编制好的输入或输出程序(传送指令和I/O指令)实现数据的传送。这种传送方式的数据传送速度较低，传送路径要经过CPU内部的寄存器，同时数据的输入/输出的响应也较慢。,1.无条件传送方式 无条件传送方式又称同步传送方式，这是一种最简单的传送方式，其特点是：输入时假设输入设备数据已经准备好，输出时假设输出设备是空闲的。无条件传送方式下的接口电路和程序设计都比较简单，应用场合也很少，只能用在一些简单外设的操作上。例如，主机对开关设备的操作以及CPU通过输出锁存器及驱动器控制LED显示器的数码显示等。一般情况下，使用无条件传送方式输入时需加缓冲器，输出时需加锁存器；在启动输入/输出传送时，CPU无须考虑I/O设备状态，直接使用IN/OUT指令在CPU与I/O接口间进行数据传送。,2.条件传送方式 条件传送方式又称查询方式，即CPU传送数据(包括输入和输出)之前，先要去查询外设是否“准备好”。若没有准备好，则继续查询其状态，直至外设准备好才进行数据传送。 条件传送方式是一种天然的同
