第6章 输入输出接口.pdf
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1、六单人出口 第寸输输接6.1 输入/输出接口基础(掌握)/输入/输出接口功能与结构/输入/输出端口编址6.2 接口地址译码(学握)6.3 接口信息传输方式(掌握)/程序杳询传输方式/程序中断传输方式/直接存储器访问 DMA 方式/通道方式6.4 并行接口(掌握)/无握手信号并行接口/带握手信号的并行接口,可编程并行接口6.5 率行接口 理解)/同步串行接口/异步串行接口6.1输入/输出接口(I/O接口)基础单行线构 简并总结主板CPU存储器AB-7 A输入设备 输出设备卜三总线处理器模块 CPU-cache 厂一羲百1其他处 理器,存储 器I/O 模块等存储器 模块接口I/O 模块凌日总线控制
2、 器(定时、总线仲裁 电源箜?r-Sa数据传送总线(地址、数据及控制线)仲裁总线 中断和同步总线公用线现代并行总线结构为什么要设置接口电路CPU与外设两者的信号不兼容,在信号类型、功能定义、逻辑定义和时序关系上都不一致。如:信号类型有机械的、物理的、电信号等,信号形式有脉冲、模拟量或数字量等;两者的工作速度不匹配,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;数据传输方式不同,有并行、串行之分。它们不能与CPU直接相连,必须经过中间电路再与系统相连,这 部分电路被称为I/O接口电路。接口结构与功能L
3、接口主要功能数据缓冲信号转换联络控制2.接口硬件结构存储器接口、外设接口3.接口技术组成ABDB编线驱动数据缓冲/锁存器;地址译码状态 寄存器逸制逻獴 控制 寄存器数据信息状态信息外硬件:地址译码、读写控制、总线(数据)缓冲软件:驱动程序(初始化、传送控制、结束控制等)CPU与外设 都是面向接口而非直接联络!接口分类r并行接口:一次传输多个数据位 传输方式串行接口:一次只有一位数据时序控制方式工作对象c同步接口:总线相连,并同步传输I异步接口:无共同的基准时钟传输控制方式程序查询方式:程序的执行实现中断方式:传输时由中断请求信号触发存储器直接存取访问方式(DMA)I通道控制器,I/O处理机外围
4、接口:与外设无关,是系统的一部分 外设接口:用于连接外设的接口6存储器接口与输入/输出接口的区别存储器接口 输入/输出接口 V作用:信息存储操作模式:字节的整数倍器件种类:少速度时序:CPU相当、匹配 作用:与外设间的信息交换 操作模式:位、字节、多字节 器件种类:多速度时序:差异很大、时序不同7端口编址 为了区分接口电路的各个寄存器,系统为它们各自分配了一个地址,称为I/O端口地址,以便对它们进行寻址并与存储器地址相区别I/O端口有两种编址方式:存储器映像方式、UO独立编址方式6.1.2赭口编址-一独立编址(INTEL)OOOOOHOOOO1H储元址 存单地FFOFFHFF100HFF101
5、HO 口址D端地 断点:是指CPU执行的现行程序被中断时的下一条指令的 地址,又称断点地址。中 断现场:是指CPU转去执行中 断服务程序前 的运行状态,包括CPU内部各寄存器、断点地址 等。中 断嵌套:若有更高级别的新中断源发出请 求,且新中 断源满足响应条件,贝!JCPU中止当前 的中 断服务程序,转而响应高级中断。这种多级(重)中断的处理方式称为“嵌套”。中新掂套必须具备的几个条件 正处于响应状态的中断服务程序中,应开放总 中断;新中 断应具有比原中断高的优先级,同级或区级 均不能嵌泰;为保护各级中断服务程序的数据不被破坏,所 有服务程序中均应有保护现场、恢复现场的指每个中断服务程序末尾必
6、须有中断返指令以示结束,从而返S中断的程序地址处。中断屏蔽:在某些情况下,CPU可能不对中断请求信号作出响应或处理,这就是中断屏蔽。中断屏蔽标志系统在父理优先级别较高的 中 断请求时,不会理睐后来的级别较低的中断请求O中新处理过程中断检测 CPU内部硬件自动完成中断判优是否已有中断,哪个优先级更高中断响应 CPU内部顼件自动完成中断处理服务中断服务是根据用户自行编制的指令顺序完成各项操作的。中断返S中)的全过程U1结束当前指令中断响应I期时序中氟赢储期中好响应周期 CLK _rT1vrT2JT3JT4vrT1d-T2T3T4JJINTA_/_J_/_AD7ADU_r类型码NCPU从别脚INTA
7、发中所响应信号,接口芯片接收此信号,把中断类型号准备好;CPU再从31脚INTA发中断响应信号,接口芯片接此信号后,将中断类型号送至数据总线上;CPU从数据总线获取中断类型号。中断优先级轲断一软件判断方法可由程序设置的 中断允许寄存器由外设设置的 中断请求寄存器雒菊花钱式排队电路至CPU的工NTR引脚_CPU的中断响应信号工NTA!可由程序设置的 中断允选寄存器2345678到设备1的中断.响应信号输出到设备2的中断一 响应信号输出到设备7的中断V 响应信号输出到设备8的中断 响应信号输出.L一 d12345678由外设设置的 中断请求寄存器设备优先级由链式 电路连接顺序确定。中断能否强套轲定
8、电路可由程序设置的 中断允避寄存器中断请求信号123456788-3 优先 编码 器比较器 卬A12345678由外设设置的 中断请求寄存器中断控制方式的接口电路程序中断与子程序调用的区别子程序的执行是程序员事先安排好的(由调用 子程序的指令转入);中断服务子程序的执行 一般由随用V的 中 斫事件别 发。子程序的执行受到主程序或上层子程序的控制;中断服务子程序一般与被中断的现行程序无 关。不存在同 时调用 多个子程序 的 情况,此子程序不需要进行优先级排队;而不同 中 断源则可 能同时向CPU提出服务请求。程序查询和程序中断方式的特点程序查询传送方式的特点 电路简单 不能实时响应 适用于简单的
9、天实时性要求的场合 娜要CPU参与程序中断传送方式的特点实时响应,需要中断控制电路适用于传输数据量较少,而要求实时性较高的场合需要CPU参与633直接忠储 器访问(DMA 方式程序/中断控制方式:以CPU为控制中心,数据传输时 首先从数据源读取数据到CPU内部的寄存器,然 后从寄存器写入数据目的地。(一次性传输大量数据不宜使用程序/中断控制方式)DMA控制方式:DMAC管理大部分的工/O事物,完成 传送后DM AC主动通知CPU。DM A特点:数据不通过CPU,而由DM AC直接完成存 储单元或工。端口之间的数据传送。DMA控制器结构CPU响 应DMA外设申请DMA操作DMA符送过程地址总线A
10、BI.可从存储器向I/O设备传送数据。2.可从I/O设备向存储器传送数据。3.可从存储器向存储器传送数据。DMA方式的特点 可在I/O设备和存储器之间直接传送数据。传送时,源和目的均直接由硬件指定。传输的数据块长度需要指定,计数由硬件自动进行。在一批数据传输完成后,一般通过中断方式通知CPU 进行后续处理。CPU和I/O设备能在一定程度上并行工作,效率高。一般用于高速大批量数据的传输。DMAC具备的功能 接收外设发来的DMA请求;向CPU发出总线请求信号;接收CPU发出的总线请求允许信号;向外设发出DMA请求允许信号;发出地址信息,能对存储器寻址及修改地址指针;能发出读/写等控制信号;能提供数
11、据的传输数量;能撤销总线请求信号,使CPU恢复正常工作。DMA和中断 DMA方式主要是直接依靠硬件实现单纯的数据 传送,不运行程序,不能处理较复杂的事件,不能完全取代中断方式。当某事件处理不是单纯的数据传送时,还须采用中断方式。当DMA方式传送完一批数据后,常常采用中断 方式通知CPU进行结束处理。通道方式工/。处理机:采用专用计算机(通道Channel、外 围处理机PPU 来负责工/。工作。智能终端、智能外设6.4J无握手并行接口(对应无条件程序控制方式j外设数据变化缓慢,始终处于就绪状态,如开关或LED 接口结构简单(通常只需要数据端口),适用面较窄DBABRbWRLED组开关组线性键盘楼
12、链接口并行端口一、线性键盘:按键并联方式与接 口连接每一个按键需要占用I/O接口的一根口线由程序处理按键的操作情况47矩阵键盘按键接口二、矩阵键盘:按键以行、列方式排列1.比线性键盘节约I/O 口线2.非编码键盘:CPU处理按键的操作,减低了CPU的效率3.编码键盘:专用的单片机处理按键操作,缓减了 CPU的负担第。行7 7 c+5V8位 并行 输入 端口_第1行X y 10kC _第2行1 OkQ1 1 1第7行呼1 OkQ1 1 1第。列第1歹!J第2歹!J第3歹!J.名自1万118位 并行 输出 端口若行线为M条,列线为N条,则矩阵键盘可构成M*N个按键,线性键盘为M 48+N个按键。那
13、么70个按键至少需要多少根接口线?行扫描法第一步:判断是否有键按下 输出端口的各位都为低电平,即各列都为0。读取输入端口数据,如果输入不等于FFH,则有键被按下。第二步:确定按键号确定按键的列数:令输出端口的每一列依次为低电平,其 它列为高电平;读取该列对应的输入端口值,直到有行线 处于低电平。确定按键的行数:低电平0对应的那一位。采用行反转法的8X8矩阵健盘8位并口人8位并DB第0行*第1行1k第2行X1k第7行1乂1第0羽i第1列第2列据(如“OFEH”。01.A口输出全0(OOH”)o10kQ2.B口输入如为全11_H OFFH”则表明无键按下,10kQ _退出;否则B口读入值包含按键1
14、10k。I所在列信息(如“OFEH”表示 按键在第。列)。lOkQ3.B口输出步骤2中读入的数4.A口读入按键所在行信息(如“OFBH”表示按键在)。5.根据步骤2及4中读入的信息 计算按键编码。第7列g10cc f9)m8a7b6分 aaa阳极控_k bL 1bD_c CV_d du_p e1L 1c制com_ f f_ Q gr|n rlnc 213e4dlpup(ipcom阴极控 制com口-瑛-ex花:至WDrRdD口RDDe便FDrddndDu代码gfedcba8sfedcba:0011111111000000COH100000110Ofii11111001T9H二01011011r
15、SH10100100A4H3010011114FH10110000BOH4011001105Si1001100199H,011011016Hi1001001092H60111110110000010S2H700000111CTH11111000FSHs01111111TH10000000SOH9011011115Hi100100009OHA01110111F10001000SSHB0111110010000011S3HC001110013SH11000110Q5HD01011110SU10100001A1HE01111001任10000110SHF01110001*IH10001110SEHP
16、01110011100011003CHH0111011010001001S9HL00111000SSK11000111CTH10000000SCH01111111TFH不显示00000000CCH11111111yra戴玛显示接口共阴结构:输入 控制端为高电平时,对应的LED亮;共阳结构:输入控制端为低电平时,对应的LED亮;多位数码曾组 成的数码显示屏 可以有动态和静 态两种显示方式戴玛屏显示方式一、管态显示:显示位数少好使用 各位(8段)输入控制端分别与接口电路的输出端相连,占用I/O端口资源多;各段 LED 恒定地导通或截止;二、动态显示:显示位数多时使用 各位共享输入控制端,占用I/O
17、端口资源少;需同时进行位选(选中被点亮的位)和段选(输入控制端 确定各LED的发光情况)各位轮流显示一遍的总时间不能过长(不大于20ms;6X8教码显示屏静态显示*t)7r存的输口 锁能行端 带功并出位3位1位0位2段选有效位选有效存的输口 锁能行端 带功并出带握手的并行接口数据端口读选通输出设备外设应具有必要的 联络(握手)信号如READY、BUSY等;接口避免了对端 口的“盲读”、“盲写”,数据传送 的可靠性高,且硬 件接口相对简单。缺点是CPU工作效 率低,。响应速度 慢;在有多个外设的 系统中,CPU的查询 顺序由外设的优先级 确定,实时性差。并行接口握手时序图BUSYDATA-(数学
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