1、 北京工業(yè)大學計算機學院1第三章 I/O接口與總線 北京工業(yè)大學計算機學院2本章主要內容I/O接口I/O接口的功能簡單的輸入輸出接口芯片I/O端口及其尋址方式CPU與外設之間的數(shù)據(jù)傳送方式PC機的I/O地址分配總線總線的概念IBM PC總線ISA總線 北京工業(yè)大學計算機學院36.1 I/O接口 定義: I/O接口是設置在CPU與外設之間的一組電路。其基本功能是對數(shù)據(jù)傳送的控制。 微機接口技術是采用硬件與軟件相結合的方法，研究微處理器如何與“外部世界”進行高效可靠的信息交換的一門技術。 北京工業(yè)大學計算機學院46 .1 .1 I/O接口的功能1、采用I/O接口的必要性 CPU與外部設備交換信息的

2、過程和CPU與存儲器交換數(shù)據(jù)一樣都要通過總線來完成，但外部設備種類繁多， CPU和外設之間直接進行信息交換會帶來的一些問題： 速度的不匹配： 信號電平的不匹配：CPU是TTL電平 信號格式的不匹配：CPU是8位、16、32位并行總線，設備是模擬量、開關量、脈沖量 時序的不匹配：各種外設都有自己的定時和控制邏輯 必須通過I/O接口電路來保證CPU和外設之間能在速度、電平、格式和時序上進行匹配。 北京工業(yè)大學計算機學院52、接口的功能 設置數(shù)據(jù)緩沖以解決速度不匹配 設置信號電平轉換電路解決信號電平不匹配 設置信息轉換邏輯滿足對各自格式的要求 設置信息轉換邏輯 如:A/D, D/A 并串轉換 設置時

3、序控制電路來同步CPU和外設的工作 提供地址譯碼電路，對I/O端口進行尋址 6 .1 .1 I/O接口的功能 北京工業(yè)大學計算機學院61、緩沖器74LS244和74LS245 6 .1 .2 簡單的輸入輸出接口芯片74LS2441G1A12Y41A22Y31A32Y21A42Y1GNDVCC2G1Y12A41Y22A31Y32A21Y42A11234567891020191817161514131211 北京工業(yè)大學計算機學院774LS373OE1O1D2D2O3O3D4D4OGNDVCC8O8D7D7O6O6D5D5OG12345678910201918171615141312112、鎖存器

4、74LS373 北京工業(yè)大學計算機學院8一、I/O端口 什么是I/O端口 CPU與外設通信時，傳送數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。這些信息分別進入不同的寄存器保存，這些寄存器和他們的控制邏輯電路統(tǒng)稱為I/O端口。 I/O端口的類型 數(shù)據(jù)端口：用來存放外設和CPU之間交換的數(shù)據(jù)，主要起數(shù)據(jù)緩沖的作用。 狀態(tài)端口：主要用來指示外設的當前狀態(tài)，每個外設可以有幾個狀態(tài)位，可由CPU讀取。 常見的狀態(tài)位有：準備就緒；忙碌、錯誤位 6 .1 .3 I/O端口及其尋址方式 北京工業(yè)大學計算機學院9命令端口也稱為控制端口，用來存放CPU向接口發(fā)出的各種命令和控制字，以便控制接口或設備的動作 常見的命令信息有啟動

5、位、停止位、允許中斷位等 常見的控制位有方式選擇控制字、操作命令字 CPU通過接口與外設交換數(shù)據(jù)時，只有IN、OUT兩種指令，所以狀態(tài)信息和控制信息都當作數(shù)據(jù)信息來傳送。 CPU可直接對端口中的信息讀/寫，給寄存器分配的地址為端口地址，各端口地址不能重復，8086允許64K個8位的I/O端口。即使用A15-A0這16根地址線訪問64K個I/O端口。 6 .1 .3 I/O端口及其尋址方式 北京工業(yè)大學計算機學院10 二. I/O端口的尋址方法 CPU對I/O接口電路相應的端口進行訪問，和存儲器一樣，也需要由譯碼電路來形成I/O端口地址，端口地址不能重復I/O端口的編址方式有兩種：存儲器映象尋址

6、方式和I/O 單獨尋址方式 1、存儲器映象尋址方式 把I/O端口和存儲單元一樣對待，統(tǒng)一編址，訪問存儲器的所有指令均可用來訪問I/O端口。實際上是把I/O地址映射到存儲空間作為存儲空間的一小部分。6 .1 .3 I/O端口及其尋址方式 北京工業(yè)大學計算機學院11 優(yōu)點：1、省去單獨的I/O指令和控制線。2、用于存儲器的所有指令均可用于I/O接口操作，因此使I/O接口功能較強，使用靈活。 缺點：1、占用了存儲器的一部分地址空間，縮小了存儲器的地址范圍。2、對I/O接口訪問需要全字長地址譯碼，指令執(zhí)行速度較慢。 北京工業(yè)大學計算機學院122、I/O單獨編址方式 CPU設立單獨的輸入輸出指令和控制線

7、，從而與存儲器指令區(qū)分開，將I/O接口地址區(qū)與存儲器地址區(qū)分別各自單獨編碼，用專門的IN和OUT指令。 8086允許64K個8位的I/O端口。即使用A15-A0這16根地址線訪問64K個I/O端口。 8086CPU在執(zhí)行訪問I/O端口的指令(IN或OUT)時,從硬件上會產生有效的RD或WR信號,同時使M/IO處于低電平,通過外部邏輯電路的組合產生對I/O端口的讀信號或I/O端口的寫信號. IN : 數(shù)據(jù)輸入,完成讀數(shù)據(jù),讀狀態(tài). OUT : 數(shù)據(jù)輸出,完成寫命令,輸出數(shù)據(jù)6 .1 .3 I/O端口及其尋址方式 北京工業(yè)大學計算機學院13(1)直接I/O尋址(取值范圍:00FFH)IN AL,

8、PORTOUT PORT , AL(2)間接I/O尋址(取值范圍:0000FFFFH)MOV DX , XXXXHIN AL , DXOUT DX , ALCPU對I/O接口的尋址方式 北京工業(yè)大學計算機學院14例:控制口地址為FFF8H , 命令為80HMOV DX , 0FFF8HMOV AL , 80HOUT DX , AL注: 1.CPU對外設尋址最大64K個端口地址 2.直接I/O尋址范圍 00H-FFH 3.間接I/O尋址范圍 0000H-FFFFH 北京工業(yè)大學計算機學院15 優(yōu)點：1、不占用存儲器的地址。 2、地址線少，譯碼電路簡單。3、執(zhí)行時間快。 缺點：1、指令少，編程不靈

9、活。2、要設置專門的控制線和操作碼進行I/O訪問。3、I/O端口數(shù)量受限制。 北京工業(yè)大學計算機學院16I/O端口譯碼門電路譯碼芯片(138,139,154) 北京工業(yè)大學計算機學院176 .1 .4 CPU與外設之間的數(shù)據(jù)傳輸方式 I/O設備種類繁多，速度差異懸殊，CPU與I/O設備之間的數(shù)據(jù)傳輸必須采用多種控制方式，主要有三種：程序控制方式 、中斷方式、DMA方式。一、程序控制方式：指CPU與外設之間的數(shù)據(jù)傳送時在程序控制下完成的，有可分為無條件傳送和條件傳送兩種方式。 1、無條件傳送：主要針對簡單外設，外設隨時準備接收或發(fā)出數(shù)據(jù)。程序不必檢查外設狀態(tài)，直接執(zhí)行 IN / OUT 指令進行

10、數(shù)據(jù)輸入或輸出。 如:輸入設備；按鍵、開關，輸出設備；LED發(fā)光二極管 北京工業(yè)大學計算機學院18例1. CPU無條件地讀取開關狀態(tài)+&D0A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15IOR+5VD0=0 K閉合D0=1 K打開K端口地址:(1111 1111 0000 0000) FF00H1 北京工業(yè)大學計算機學院19地址譯碼器輸出鎖存器D7D0WR地址總線至輸出設備來自輸入設備M/IORD輸入緩沖器6 .1 .4 CPU與外設之間的數(shù)據(jù)傳輸方式 北京工業(yè)大學計算機學院206 .1 .4 CPU與外設之間的數(shù)據(jù)傳輸方式2、條件傳送：CPU與外設交換數(shù)據(jù)時,很

11、難保證輸入設備總是準備好了,或者輸出設備已處在可以接收數(shù)據(jù)的狀態(tài),所以傳送前CPU需查詢狀態(tài)標志,以確定是否傳送或接收。 傳送過程：輸入： CPU在輸入數(shù)據(jù)前查詢外設數(shù)據(jù)是否準備好，然后決定是否發(fā)輸入數(shù)據(jù)。輸出： CPU在輸出數(shù)據(jù)前先用指令查詢外設緩沖器是否為空？然后決定是否輸出數(shù)據(jù)。 北京工業(yè)大學計算機學院21輸入設備數(shù)據(jù)鎖存器數(shù)據(jù)緩沖器三態(tài)緩沖器DQR+5V數(shù)據(jù)地址譯碼器READY狀態(tài)信號M/IORDM/IORD選通信號CCS1CS2A0A15D0D7查詢式輸入的接口電路：由數(shù)據(jù)口和狀態(tài)口組成。狀態(tài)口由一個D觸發(fā)器和一個三態(tài)門構成。輸入設備準備好數(shù)據(jù)，發(fā)一個選通信號，把外設數(shù)據(jù)打入接口的鎖

12、存器和使接口的Q端為1。6 .1 .4 CPU與外設之間的數(shù)據(jù)傳輸方式 北京工業(yè)大學計算機學院22N 查詢式輸入的流程圖初始化讀狀態(tài)處理緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳送到內存緩沖區(qū)處理數(shù)據(jù)讀入一個字或一個字節(jié)到CPU數(shù)據(jù)準保好？傳送完？后續(xù)處理YNY 北京工業(yè)大學計算機學院23ACKM/IO輸出設備 R DQ C鎖存器三態(tài)緩沖器+5VWR數(shù)據(jù)總線地址總線M/IORD狀態(tài)信息“BUSY”地址譯碼器D1CPUCS1CS2查詢式輸出的接口電路查詢式輸出的接口電路：當CPU檢查到BUSY=0時，才執(zhí)行數(shù)據(jù)輸出指令。輸出數(shù)據(jù)時，選通信號的下沿，使D觸發(fā)器的Q端置為1。選通信號 北京工業(yè)大學計算機學院24初始化讀入

13、狀態(tài)結束數(shù)據(jù)傳送到外設緩沖區(qū)輸出一個字或一個字節(jié)到外設忙否？操作完成否？YNNY 查詢式 輸出過程的流程圖 北京工業(yè)大學計算機學院25二、中斷傳送方式的原理 用查詢方式使CPU與外設交換數(shù)據(jù)時，CPU不斷檢查外部設備的狀態(tài),當外設的速度很低時,會占用很多的CPU時間，而真正用于CPU的時間又很少，使CPU的利用率變得很低。外設缺少主動性。見書上的例子， 當有多個設備工作，還需要輪詢，實時性很難保證 中斷方式：CPU平時可以執(zhí)行主程序，當外設準備好數(shù)據(jù)才向CPU發(fā)中斷請求。CPU響應中斷，轉去執(zhí)行中斷服務程序，完成一次CPU與外設的數(shù)據(jù)交換，CPU又返回執(zhí)行原來的程序繼續(xù)。優(yōu)點: CPU利用率高

14、,實時性好.6 .1 .4 CPU與外設之間的數(shù)據(jù)傳輸方式 北京工業(yè)大學計算機學院261、DMA方式的提出 中斷方式比程序控制方式大大提高了CPU的利用率，由于每完成一次數(shù)據(jù)交換，就要產生一次中斷。一次中斷需要CPU處理許多額外操作，造成效率下降。當CPU與高速外設交換信息時，中斷方式仍顯得太慢。例如：和磁盤之間的數(shù)據(jù)交換。 為了解決問題可采用DMA的傳送方式，直接存儲器存取，由硬件直接實現(xiàn)。 數(shù)據(jù)不經(jīng)過CPU控制傳送，而由外部單獨的專門控制器-DMA控制器來控制，使數(shù)據(jù)直接在I/O接口和存儲器之間傳送，這就是對存儲器的直接存取方式。簡稱DMA方式。三、DMA傳送方式 北京工業(yè)大學計算機學院2

15、76.2 總線將用于各部件之間傳送信息的公共通路稱為總線作為作為傳送信息的通道，在微型計算機中起著至關重要的作用。 減少了各部件之間的連線 便于采用模塊化設計方法，簡化系統(tǒng)設計 模塊化設計方式便于系統(tǒng)的擴充和升級 采用標準總線，提高了兼容性和互換性6.2.1 總線的概念 北京工業(yè)大學計算機學院281、總線標準的特性：總線標準一般包含四個方面：物理特性：指總線物理連接的方式，包括總線的根數(shù)、總線的插頭、尺寸、插座的形狀、引腳的寬度及引腳如何排列等6.2.1 總線的概念功能特性：一組總線中每一根線的功能.引腳的定義、信號的描述等電器特性：信號傳遞方向和信號的有效電平范圍時間特性：信號的時序每根線上

16、的信號在什么時間有效、相互之間的配合 北京工業(yè)大學計算機學院292 總線的分類 從總線的不同使用層次分：內部總線、元件級總線、系統(tǒng)總線、外部總線。 內部總線是微處理器內部各個部件之間傳送信息的通路可采用單總線結構、雙總線結構和三總線結構由微處理器芯片廠家生產設計 元件級總線是連接計算機系統(tǒng)中兩個主要部件的總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線總線方向可分為單向和雙向 北京工業(yè)大學計算機學院302 總線的分類系統(tǒng)總線是微處理機機箱內的底板總線，用來連接構成微處理機的各個插件板。80X86系列微機系統(tǒng)中主要的系統(tǒng)總線 ISA總線，8MB/s EISA總線，32MB/s PCI總線 ，132MB/s外

17、部總線是微處理機系統(tǒng)與系統(tǒng)之間，系統(tǒng)與外部設備之間的信息通路。并行方式和串行方式 USB總線 CAN總線 北京工業(yè)大學計算機學院313、總線的主要性能指標：總線帶寬：單位時間內總線上可傳送的數(shù)據(jù)量，用B/s（字節(jié)/秒）或MB/s（兆字節(jié)/秒）表示。總線寬度：總線能同時數(shù)據(jù)傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，用bit（位）表示，有8位、16位、32位和64位之分。在固定工作頻率下，總線帶寬與總線寬度成正比?？偩€工作頻率：也稱總線時鐘頻率，以MHz為單位，指用于協(xié)調總線上各種操作的時鐘信號的頻率。工作頻率越高則總線的帶寬越寬。總線帶寬取決于總線寬度和工作頻率，總線寬度越寬，工作頻率越高，則總線的帶寬越大。兩者需協(xié)調、

18、配合才能使總線的帶寬得到更大的提升。6.2.1 總線的概念 北京工業(yè)大學計算機學院32PC總線是IBM PC及 PC/XT機上使用的系統(tǒng)總線，又稱XT總線或8位ISA總線。它共有62引腳，其中，數(shù)據(jù)線8根、地址線20根、控制線21根、狀態(tài)線2根，還有時鐘、電源、地線.6.2.2 IBM PC總線 北京工業(yè)大學計算機學院33 北京工業(yè)大學計算機學院34ISA（Industry Standard Architecture，工業(yè)標準體系結構）總線是Intel公司、IEEE和EISA集團聯(lián)合開發(fā)的，與IBM PC/AT原裝機總線意義相近的一種標準總線，是8/16位“工業(yè)標準體系結構”總線。ISA總線又

19、可分為8位ISA和16位ISA。8位ISA與PC/XT的總線兼容，總線插槽由62個引腳組成，用于8位的插卡。16位ISA與PC/AT的總線兼容，在62線插槽的基礎上又擴展了一個36線插槽，共計98線。既支持16位插卡，又兼容8位的插卡。6.2.2 AT 總線或ISA總線 北京工業(yè)大學計算機學院35ISA總線 北京工業(yè)大學計算機學院36ISA總線的主要性能I/O地址空間：0100H03FFH24位地址線可直接尋址的內存容量為16MB數(shù)據(jù)總線寬度8/16位，最高時鐘頻率8MHz支持15級INTR7個DMA通道開放式總線結構，允許多個CPU共享總線資源6.2.2 AT 總線或ISA總線 北京工業(yè)大學

20、計算機學院37 北京工業(yè)大學計算機學院38EISA總線 386、486、PS/2等高性能微型機的出現(xiàn)，要求有高性能的系統(tǒng)總線配合。Compaq、HP、AST、Epson、NEC等9家公司聯(lián)合起來，在ISA的基礎于1988年推出了32位微機“擴展工業(yè)標準結構”EISA總線。 EISA總線在結構上與ISA總線完全兼容，能直接使用PC/AT的插件板，保護了原有投資，它支持8位、16位、32位數(shù)據(jù)傳輸，地址線也達到32位。它具有快速傳輸數(shù)據(jù)的能力。在正常支持多總線主控條件下，EISA外設可以33MB/s的速度做32位淬發(fā)式傳輸。6.2.3 其他系統(tǒng)總線 北京工業(yè)大學計算機學院39PCI總線 隨著圖形、

21、音頻、視頻以及多媒體技術的廣泛應用，要求微型機具有更快的處理速度、更大的存儲空間和更高的總線帶寬，這原有的ISA、EISA總線遠遠不能適應這些要求而成為整個系統(tǒng)的主要瓶頸。為此，1991年下半年，Intel公司首先提出PCI概念，并聯(lián)合IBM、Compaq、AST、HP 、DEC 等100多家公司成立了PCI集團，推出了PCI總線標準。PCI（Peripheral Component Interconnect，外圍設備互連）總線是一種不依附于某個具體處理器的局部總線，PCI總線在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的另一級總線，由橋接電路實現(xiàn)對這一層的管理，并實現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調數(shù)據(jù)的傳送。PC

22、I總線能和其它總線共存，把ISA/EISA總線作為作為一種外部設備與之進行數(shù)據(jù)交換。6.2.3 其他系統(tǒng)總線 北京工業(yè)大學計算機學院40PCI總線的主要性能總線寬度32/64位總線時鐘頻率33MHz/66MHz，最大數(shù)據(jù)傳輸率132(133) / 264(266) MB/s支持猝發(fā)傳輸與微處理器及系統(tǒng)時鐘頻率無關支持即插即用（Plug and Play）具有與處理器和存儲子系統(tǒng)完全并行操作的能力支持多主控器提供數(shù)據(jù)和地址的奇偶校驗功能，保證了數(shù)據(jù)的完整性和準確性6.2.3 其他系統(tǒng)總線 北京工業(yè)大學計算機學院41 北京工業(yè)大學計算機學院42IEEE-488總線 HP公司75年公布,也稱為HP-

23、IB總線或通用接口總線GPIB.是并行數(shù)據(jù)通信總線。主要解決計算機與外設的接口。24引腳的插座。幾點約定:1. 交換的信息必須是數(shù)字量,而不是模擬量.2. 在任何一條線上,數(shù)據(jù)傳輸率不得超過1MB/S.3. 總線上的設備數(shù)不得超過15個.4. 任何兩設備之間的互連電纜不能超過4米,而且電纜 總長度不得超過20米.5. 邏輯電平,使用TTL電平.6.2.4 其他外部總線 北京工業(yè)大學計算機學院43RS-232總線 電子工業(yè)協(xié)會EIA在20世紀60年代制定的.經(jīng)若干次修改,現(xiàn)在使用的是 RS232C. RS232C是串行數(shù)據(jù)通信總線.RS232C協(xié)議標準規(guī)定:1.信號電平 邏輯 1 為 -3V15

24、V(有負載時) 邏輯 0 為 +3V+15V(有負載時)2.接插件規(guī)格 25芯/9芯 D型接插件3.信號定義6.2.4 其他外部總線 北京工業(yè)大學計算機學院44 RS-232-C標準1234567891011121314151617181920212223242525芯D型插座 它是計算機等數(shù)據(jù)終端設備(DTE)與數(shù)據(jù)通訊設備(DCE)進行串行數(shù)據(jù)通訊的端口。其電特性和接口標準由EIA和CCITT制定。 它的最大傳輸率為115.2Kbps(低速標準) 它是25引腳連接器，21的信號。 北京工業(yè)大學計算機學院45引腳號 符號 方向 功能 2 TXD O 發(fā)送數(shù)據(jù) 3 RXDI 接收數(shù)據(jù) 4 RT

25、SO 請求發(fā)送 5 CTSI 允許發(fā)送 6 DSRI 數(shù)據(jù)裝置就緒 7 GND 信號地 8 DCDI 數(shù)據(jù)載波檢測 20 DTR O 數(shù)據(jù)終端就緒 22 RI I 響鈴指示常用RS-232-C接口信號 北京工業(yè)大學計算機學院46RTS： 主系統(tǒng)想要向終端發(fā)送數(shù)據(jù)時，這個信號動作，請求(O) 終端接收數(shù)據(jù)（請求發(fā)送）。CTS：如果終端處于可以接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，終端動作主系統(tǒng)的這個信號線，允許主系統(tǒng)進行傳送（批準發(fā)送） 。反之，這個信號不動作，因此可以抑制來自主系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送。DCD(DSR) ：終端準備向主系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)時，它動作主系統(tǒng)(I) 的這個信號，通知主系統(tǒng)準備接收數(shù)據(jù)。DTR：主系統(tǒng)處于能

26、接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)時，這個信號動作，(O) 允許終端傳送數(shù)據(jù)；反之，這個信號不動作，因此, 可以抑制終端進行數(shù)據(jù)傳送。常用RS-232-C接口信號 北京工業(yè)大學計算機學院47通用串行總線USB 隨著計算機技術的廣泛應用，連接的外部設備越來越多，如鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、掃描儀、數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、音頻系統(tǒng)、移動存儲設備等。如果為每個設備配備一個接口，將使系統(tǒng)的連接變得十分繁復。為此，Intel、Compaq、IBM、Microsoft、NEC、NorThern、和Telecom等7家公司共同推出了新一代接口標準USB (Universal Serial Bus)通用串行總線,是外圍設備與計算

27、機進行連接的新型接口。 其基本設計思想是:采用通用的連接器和自動配置及熱插拔技術和相應的軟件，實現(xiàn)資源共享以及外設簡單快速的與計算機的連接。USB外設的安裝十分簡單，所有的USB外設利用“ONE-SIZE-FITS-ALL”（統(tǒng)一規(guī)格）連接器都可以簡單方便地連接到計算機中，即支持即插即用功能。6.2.4 其他外部總線 北京工業(yè)大學計算機學院48USB的主要特點為所有的USB設備提供了單一的、易于操作的標準連接方式。用戶在連接時不必再判斷哪個插頭對應哪個插座。采用統(tǒng)一的接口標準，簡化了USB設備的設計。支持熱插拔提供全速:12Mbps、低速:1.5Mbps和高速:480Mbps（USB2.0）三

28、種速率來適應不同類型的設備。最大支持127臺物理設備的連接占用主機資源少是一種基于信息的協(xié)議總線采用集中控制，所有傳輸都是由USB主控制器引發(fā)的，因此總線上的信息傳輸不會引起沖突?？蔀樵O備提供電源（最高可達200mA）。 北京工業(yè)大學計算機學院49 在USB產生之前，外設與PC機的通信主要是通過PC機主板所提供的各種接口來實現(xiàn)。這些接口是在20世紀80年代提出的，存在很多缺陷: (1)它們是非共享式接口，大多只支持單個外設的連接。 (2)這些接口的體積龐大，它們幾乎占據(jù)了PC主機板的一半， 廠商不可能無限制地增加主板的面積來擴充老式接口。而且大體積的接口不利于PC機及外設的小型化。(3)這些接口的規(guī)格不統(tǒng)一。當用戶需要將一些外設連接到PC機時，它們不得不面對種類繁多的擴展槽，這使用戶很不方便。 北京工業(yè)大學計算機學院50(4)這些老式的接口采用傳統(tǒng)的I/O模式。外設被映射到CPU的I/O 的地址空間，并被分配指定一個中繼請求IRQ，