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万濠会捕鱼:微机原理与接口技术课件

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这是微机原理与接口技术课件,包括了微机接口及接口技术,I/O端口及其编址方式,端口地址译码,CPU与外设之间的数据传送方式等内容,欢迎点击下载。

第5章 输入输出接口
5.1 微机接口及接口技术
5.2 I/O端口及其编址方式
5.3 端口地址译码
5.4 CPU与外设之间的数据传送方式
5.1 微机接口及接口技术
5.1.1  为什么要设置接口电路
5.1.2  接口电路中的信息
5.1.3  接口的基本功能
5.1.4  接口的基本结构
5.1.1 为什么要设置接口电路
CPU与外设两者的信号线不兼容,在信号线功能定义、逻辑定义和时序关系上都不一致
两者的工作速度不兼容,CPU速度高,外设速度低
若不通过接口,而由CPU直接对外设的操作实施控制,就会使CPU处于穷于应付与外设打交道之中,大大降低CPU的效率
若外部设备直接由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利。
5.1.2 接口电路中的信息
1.数据信息
(1)数字量:
    通常以8位或16位的二进制数以及ASCII码的形式传输,主要指由键盘、磁盘、光盘等输入的信息或主机送给打印机、显示器、绘图仪等的信息。
(2)模拟量:
    模拟的电压、电流或者非电量。对模拟量输入而言,需先经过传感器转换成电信号,再经A/D转换器变成数字量;如果需要输出模拟控制量的话,就要进行上述过程的逆转换。
(3)开关量:
    用“0”和“1”来表示两种状态,如开关的通/断、电机的转/停、阀门的开/关等。
2.状态信息
CPU在传送数据信息之前,经常需要先了解外设当前的状态。如输入设备的数据是否准备好、输出设备是否忙等。
用于表征外设工作状态的信息就叫做状态信息,它总是由外设通过接口输入给CPU的。
状态信息的长度不定,可以是1个二进制位或多个,含义也随外设的具体情况不同而不同。
3.控制信息
用来发布控制命令、控制外设工作的信息,例如A/D转换器的启停信号。
控制信息总是CPU通过接口发出的。
5.1.3 接口的基本功能
1. 数据缓冲功能
2. 端口选择功能
3.  信号转换功能
4. 接收和执行CPU命令的功能
5.  中断管理功能  
6. 可编程功能
7.  返回外设状态的功能  
8.  数据宽度与数据格式转换的功能
1.  数据缓冲功能
接口电路中一般都设置有数据寄存器或锁存器数据口,以解决高速的主机与低速的外设之间的速度匹配问题,避免因主机与外设的速度不匹配而丢失数据。
2. 端口选择功能
微机系统中常有多个外设,而CPU在任一时刻只能与一个端口交换信息,因此需要通过接口的地址译码电路对端口进行寻址。
3.  信号转换功能
外设所提供的数据、状态和控制信号可能与微机的总线信号不兼容,所以接口电路应进行相应的信号转换。
4.  接收和执行CPU命令的功能
CPU对外设的控制命令一般以代码形式输出到接口电路的控制端口,接口电路对命令代码进行识别、分析,分解成若干控制信号,传送到I/O设备,并产生相应的具体操作。
5.  中断管理功能
当外设需要及时得到CPU的服务,特别是出现故障需要CPU立即处理时,就要求接口中设置中断控制器,以便于CPU处理有关中断事务(如中断请求、中断优先级排队、提供中断向量等)。
6. 可编程功能
由于I/O接口电路大多由可编程接口芯片组成,因此就有可能在不改变硬件电路的情况下,只要修改接口驱动程序就可以改变接口的工作方式,提高了接口的灵活性和可扩充性,使接口向智能化方向发展。
7.   返回外设状态的功能
接口电路在执行命令之前、执行命令过程中和执行命令之后,外部设备及接口电路都会有一些情况发生,包括正常工作状态和故障状态。
“忙”、“闲”、“准备就绪”、“未准备就绪”、“满”、“空”、“溢出错”、“格式错”等
接口中一般都设置状态寄存器,称“状态口”。状态信号以状态代码形式存放在接口电路的状态寄存器中。
CPU从状态口读取状态信息,供CPU作出判断与处理。
8.  数据宽度与数据格式转换的功能
CPU所处理的是并行数据,而有的外设只能处理串行数据,接口应具有数据“并串”、 “串并”的转换能力。
CPU与有些外设交换数据时,要求按照一定的数据格式传送,所以在CPU与通信设备之间进行数据格式转换。
5.1.4接口的基本结构
1.端口
2.地址译码电路
它由译码器或能实现译码功能的其它芯片构成。
它的作用是进行设备选择,是接口中不可缺少的部分。这部分电路不包含在集成接口芯片中,要由用户自行设计。
3.数据缓冲器与锁存器
在微机系统的数据总线上,连接着许多能够向CPU发送数据的设备,如内存储器、外设的数据输入端口等。
为了不使系统数据总线的信号传输发生“信息冲突”,要求所有的这些连接到系统数据总线的设备具有三态输出的功能。
也就是说,在CPU选中该设备时,它能向系统数据总线发送数据信号,而在其它时刻,它的输出端必须呈高阻状态。为此,所有接口的输入端口必须通过三态缓冲器与系统数据总线相连。
5.2  I/O端口及其编址方式
5.2.1 I/0端口
5.2.2 I/O端口的编址方式
5.2.3 I/O端口地址分配
5.2.1 I/0端口
端口(port)是接口电路中能被CPU直接访问的寄存器的地址。
计算机给接口电路中的每个寄存器分配一个端口,因此,CPU在访问这些寄存器时,只需指明它们的端口,不需指出是什么寄存器。
CPU对数据端口进行一次读或写操作,也就是与该接口连接的外设进行一次数据传输
CPU对状态端口进行一次读操作,就可以获得外设或接口自身的状态代码
CPU把若干位控制代码写入控制端口,则意味着对该接口或外设发出一个控制命令,要求该接口或外设按规定的要求工作
5.2.2  I/O端口的编址方式
1  端口地址和存储器地址统一编址,也称存储器映射方式
2  I/O端口地址和存储器地址分开独立编址,也称I/O映射方式
1  统一编址方式
从存储器空间划出一部分地址空间给I/O设备,把I/O接口中的端口当作存储器单元一样进行访问,不设置专门的I/O指令
优点:
访问I/O端口可实现输入/输出操作,还可以对端口内容进行算术逻辑运算、移位等等;
 能给端口有较大的编址空间,这对大型控制系统和数据通信系统是很有意义的;
缺点:
 端口占用了存储器的地址空间,使存储器容量??;
 指令长度比专门I/O指令要长,因而执行速度较慢;
2  独立编址方式
I/O端口地址空间和存储器地址空间是独立的、分开的,即I/O端口地址不占用存储器地址空间。
优点
I/O端口地址不占用存储器空间;
使用专门的I/O指令对端口进行操作,I/O指令短、执行速度快;
并且由于专门I/O指令与存储器访问指令有明显的区别,使程序中I/O操作和存储器操作层次清晰,程序的可读性强。
缺点
这种编址方式中,微处理器对存储器及I/O端口是采用不同的控制线进行选择的,因而接口电路比较复杂。
图解
访问存储单元用地址总线A19~A0,全译码后得到00000H~FFFFFH共1MB地址空间.
I/O端口只利用其中的一部分地址线,即A15~A0地址线,可译出0000H~FFFFH共64KB个I/O端口地址.
由于端口是与存储器隔离的,所以用户可扩展存储器到最大容量,而不必为I/O端口留出地址空间.
5.2.3 I/O端口地址分配
表5-1中分配给每个接口芯片的I/O端口地址,在实际使用中并未全部用完。
中断控制器8259A,只使用了前面2个端口地址,20H、21H(主片)和A0H,A1H(从片)。
并行接口芯片8255A,只使用了前面4个端口地址60H~63H。
使用端口地址最多的DMA控制芯片8237A,也只用了前面的16个地址(0~FH)。
表5-2扩展槽上接口控制卡的端口地址
从表5-2中,可以看到允许用户使用的端口地址是300H~31FH。这一段地址是留给用户在开发IBM-PC系列机功能??椋ú灏澹┦笔褂玫亩丝诘刂?,系统是不会占用它的。
 
除在表5-1和表5-2中已经分配了的I/O地址之外,其余的地址均由厂商保留使用。
I/O端口地址选用的原则
凡是被系统配置所占用了的地址一律不能使用
原则上讲,未被占用的地址,用户可以选用,但对计算机厂家申明保留的地址,不要使用,否则会发生I/O地址重叠和冲突,造成用户开发的产品与系统不兼容而失去使用价值
一般,用户可使用300~31FH地址
5.3  端口地址译码
5.3.1 门电路译码
5.3.2 译码器译码
5.3.3 比较器译码
5.4  CPU与外设之间的数据传送方式
5.4.1 程序控制方式
5.4.2 中断传送方式
5.4.3 直接存储器存取方式
 

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