第6总线和接口.pptx

nI/O接接口口是是位位于于系系统统与与外外设设间间、用用来来协协助助完成数据传送和控制任务的逻辑电路完成数据传送和控制任务的逻辑电路nPC机机系系统统板板的的可可编编程程接接口口芯芯片片、I/O总总线线槽的电路板（适配器）都是接口电路槽的电路板（适配器）都是接口电路CPUCPU接口接口接口接口电路电路电路电路 I/O I/O设备设备设备设备6.1 什么是I/O接口？I/O设备与CPU进行数据交换存在的问题n速度不匹配n信号电平不匹配n信号格式不匹配n时序不匹配6.1.1 I/O接口的功能n设置数据缓冲器以解决两者速度差异n设置信号电平转换电路n设置信息转换逻辑以匹配各自的格式n设置时序控制电路来同步CPU和外设的工作n提供地址译码电路6.1.2 简单的输入输出接口芯片n最常用的简单输入输出接口芯片主要有缓冲器（Buffer）和锁存器（Latch）。n缓冲器74LS244和74LS245n锁存器74LS373缓冲器74LS244n8路数据缓冲器，分为两组，分别由门控信号1G和2G控制n用于8位数据缓冲时，1G和2G连在一起n当1G和2G为高电平时，输出呈高阻状态分析特点双向缓冲器74LS245n双向8路数据缓冲器，控制信号为门控信号输入端G，方向控制信号DIR。n只有当G为低电平，缓冲器才工作nDIR=1，数据从A到BnDIR=0，数据从B到A锁存器74LS373OEGDO低高高高低高低低低低锁存高高阻6.1.3 (1)I/O端口 P237n外部设备与主机的通信是通过I/O接口进行的n每个I/O接口包括一组寄存器，每个寄存器作为一个端口n每个寄存器给予一个端口地址，称为端口号三种I/O端口的比较端口名称主要作用传送方向数据端口CPU与外设交换信息的通道；起缓冲作用CPU外设CPU外设状态端口存放外设的当前状态由CPU读取，实现CPU与外设的握手CPU外设控制端口（命令端口）存放CPU向接口发出的各种命令，控制外设的动作CPU外设6.1.3(2)I/O端口的寻址方式P239n存储器映象寻址方式nI/O单独编址方式存储器映象寻址方式P239n特点：把系统中的每个I/O端口都看作一个存储单元，并与存储单元一起统一编址，这样访问存储器的所有指令均可用来访问I/O端口，不用设置专门的I/O指令n优点：简化指令；能用类型多、功能强的访问存储器指令对I/O设备进行操作；I/O地址空间大小可以灵活变化n缺点：I/O译码电路较复杂；输入输出操作较慢n典型CPU：MC6800、MC68000和68HC05I/O单独编址方式P239n特点：对系统中的输入输出端口地址单独编址，构成一个I/O空间，它们不占存储空间，而是用专门的IN、OUT指令来访问端口n优点：程序可读性强；执行速度快；I/O译码电路简单n缺点：必须有专门的IN和OUT指令来访问I/O端口；必须配有M/IO信号n典型CPU：8086系列、Z806.1.4 CPU与外设间的数据传送方式P239n程序控制方式n中断方式传送nDMA方式nIO通道方式1.程序控制方式P241nCPU与外设之间的数据传送是在程序控制下完成的，分为；n无条件传送方式（同步传送方式）：在这种方式下，程序不必检查外设的状态，在需要进行输入或输出操作时，直接执行输入输出指令即可n条件传送方式（查询传送方式）：在传送数据之前，CPU要先读取外设的状态无条件传送方式举例（1）：简单输入接口电路上拉电阻无条件传送方式举例（2）：简单输出接口电路SELSEL330330D0D0Q0Q0Q1Q1Q2Q2Q3Q3Q4Q4Q5Q5Q6Q6Q7Q7D4D4D5D5D6D6D7D7D3D3D2D2D1D1DATADATABUSBUS74ALS37474ALS374U1U1OCOCCLKCLK2 23 34 47 75 56 69 98 812121515161619191313141417171818+5V+5V1 11111限流电阻无条件传送方式特点n无条件传送方式的软、硬件简单，但用得较少，只用于一些简单外设，如开关、七段码显示器等。条件传送方式举例（1）：查询式输入接口电路分析电路特点工作过程n外设的数据已经准备好后，发出选通信号，一方面将数据送入8位锁存器，另一方面对D触发器触发，使状态信息标志位D0为1。n当CPU要求外设输入信息时，先检查状态信息。若数据已经准备好，则输入相应数据，并使状态信息清“0”。否则，等待数据准备“就绪”。查询式输入时数据和状态信息查询式输入流程图查询式输入代码片段条件传送方式举例（2）：查询式输出接口电路工作过程n当输出设备将数据输出后，会发出一个ACK信号，使D触发器翻转为0。nCPU查询到这个状态信息后，便知道外设空闲，可以执行输出指令，将新的输出数据发送到数据总线上，同时把数据口地址发送到地址总线上。n由地址译码器产生的译码信号和WR相“与”后，发出选通信号，将输出数据送至8位锁存器。同时，将D触发器置为1，并通知外设进行数据输出操作。查询式输出时数据和状态信息查询式输出流程图查询式输出代码片段查询方式特点 查询方式传送数据的优点：优点：是I/O接口简单；缺点：缺点：CPU要不断地查询外设，当外设未准备好时，CPU必须等待，不能做其它的工作，这就浪费了CPU的时间，而且设备多时难以及时地实施控制和管理。2.中断传送方式 P243n查询方式传送数据的致命缺点：CPU的利用率很低，不适合于实时数据处理的场合n中断传送方式下，CPU处于被动状态，如果外设数据没有准备好，CPU做自己的事情，只有当数据准备好了，CPU才会中断当前的工作，转去处理数据处理的工作。大大提高了CPU的效率。3 DMA传送方式 P243nDMA方式的提出nDMA数据传送方式概述DMA方式的提出n程序控制传送方式以CPU为中心，数据传送由CPU来控制n利用中断方式虽然可以提高效率，但也必须由CPU控制；CPU在执行中断服务程序、保护现场、恢复现场都会花费不少时间n总体评价：慢！不能满足高速数据传送的要求。n利用DMA可以实现高速数据传送！DMA数据传送方式概述n高速数据传送的需求nDMA方式特点nDMA方式传送数据路径nDMA方式的优点nDMA方式不是万能的nDMA的应用场合高速数据传送的需求n某些外部设备的数据传送非常快！n例如：硬盘，其数据的最低传送速率达5MB/S。用程序控制方法传送数据的速率最高也只能达到530KB/S。因此完成硬盘与存储器之间的数据实时传送实际上是不可能的！n因此，在这种情况下，数据传送采用DMA方式。DMA方式特点nDMA-Direct Memory Accessn在存储器和外部设备之间，直接开辟高速的数据传送通路。n数据的传送过程不需要CPU介入，只用一个总线周期，就能完成存储器和外设之间的数据传送。DMA方式传送数据路径CPU外设存储器总线程序控制数据输入/输出DMA方式数据传送DMA方式的优点n由DMAC提供源地址和目的地址；修改地址、控制传送操作的结束和发出传送控制信号都由DMAC承担。即DMA方式是一种由硬件代替软件的方法，因而数据传送的速度显著提高了。nDMA方式大大缩短了数据传送的响应时间。DMA方式不是万能的n在DMA方式传送数据时，CPU把总线的控制权让给DMAC，DMAC取代CPU控制总线，此时，CPU不能读取指令；n当DMAC控制总线时，CPU不能去检测和响应来自系统中其他设备的中断请求；nDMA传送也存在以下两个额外开销：总线访问时间；DMAC的初始化，CPU要对DMAC写入控制字；n总之，采用DMA方式，会增加硬件投资，提高系统的成本！DMA的应用场合n硬盘和软盘输入/输出n快速通信通道输入/输出n多处理机和多任务块传送n扫描操作：对CRT屏幕送数据，可采用DMA方式n高速数据采集n在PC机中，采用DMA进行DRAM的刷新操作6.2 总线n总线概述nIBM PC 总线nISA总线6.2.1 总线概述n总线是什么n总线的分类n总线标准6.2.1 总线概述-总线是什么P248 n在微型计算机系统中，用于各部件之间传送信息的公共通道称为总线总线的分类n按传送信息的类型分：n地址总线n数据总线n控制总线n按总线的规模、用途和应用场合分：n片级总线n系统总线n外部总线片级总线n也称元件级总线，是由芯片内部通过引脚引出的总线，用于芯片一级的互连线。n例如：nCPU与存储器nI/O接口电路间的连线系统总线n也称为内总线或板级总线，用于微型计算机中各插件板之间的连线n例如：nIBM PC总线nISA总线nPCI总线外部总线n也称为通信总线，用于微型计算机系统之间，或微型计算机系统与其他电子仪器或设备之间的通信n例如：nEIA-RS232C，25根线，用于串行通信nIEEE-488，25根线，用于微型计算机系统与计测仪器之间的连接总线标准n计算机界承认或推荐的系统中互连各个模块的标准，它通常对总线所用插座的尺寸、引线数目、各引线信号的含义和时序做了明确的统一规定n常用的标准外部总线：nEIA-232C总线nIEEE-488总线n常用的标准系统总线：nIBM PC机的62芯PC总线nISA 总线nPCI总线nAGP总线6.2.2 IBM PCI总线n1992年Intel 在发布486处理器的时候，也同时提出了32-bit 的PCI（周边组件互连）总线n特点：nPCI总线的地址总线与数据总线是分时复用的n即插即用（所谓即插即用，是指当板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需资源进行分配，如基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序）n中断共享6.2.2 IBM PC总线n引线总数目：62根n引线信号分类：n地址总线（20根）n数据总线（8根）n控制总线n电源线n地线6.2.3 ISA总线 P252nISA总线对PC总线做了修改，将数据总线的宽度由8位增加到16位，在PC总线62引脚的基础上增加了一个36引脚的插座。D18 D1C18 C1B31 .B1A31 .A1(标在印刷电路板上)6.2.4 PCI总线 254nPCI是是Peripheral Component Interconnect(外设部件互连标准外设部件互连标准)的缩的缩写，它是目前个人电脑中使用最为广泛写，它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。这种插槽。PCI插槽也是主板带有最多数插槽也是主板带有最多数量的插槽类型。量的插槽类型。PCI总线的特点：总线的特点：n1.高速度n2.即插即用性 Plug and Playn3.自动配置 n4.可靠性n5.扩展性好 n6.多路复用 作业nP259 1,2,3,4,8