第５章微型計(jì)算機(jī)接口接口及接口功能

CPU與外設(shè)之間的信號(hào)

CPU與接口之間的信息傳送方式接口與系統(tǒng)的連接5.1接口及接口的功能定義：接口是CPU和外界連接的部件，是CPU和外界交換信息的通道。5.1.1接口的必要性1.減輕CPU的負(fù)荷，提高CPU的效率；2.在CPU與外設(shè)之間起信息轉(zhuǎn)換作用；3.當(dāng)CPU與外設(shè)速度不匹配時(shí)，起緩沖與聯(lián)絡(luò)作用。5.1.2接口的功能接口的功能包括：地址譯碼和I/O設(shè)備選擇、信息的輸入輸出、信息的轉(zhuǎn)換、聯(lián)絡(luò)和中斷管理功能、可編程功能和錯(cuò)誤檢測(cè)功能。5.2CPU與外設(shè)之間的信號(hào)CPU和輸入／輸出外部設(shè)備之間的信息一般有三類，分別是數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。5.2.1數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息是CPU和I/O設(shè)備交換的基本信息，通常是8位或16位。在輸入過程中，數(shù)據(jù)信息一般是由外部設(shè)備通過接口芯片傳遞給系統(tǒng)的。數(shù)據(jù)信息由外設(shè)經(jīng)過外設(shè)和接口之間的數(shù)據(jù)線進(jìn)入接口，再到達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線，然后送入CPU；在輸出過程中，數(shù)據(jù)信息從CPU經(jīng)過數(shù)據(jù)總線進(jìn)入接口，再通過外設(shè)和接口之間的數(shù)據(jù)線，到達(dá)外設(shè)。5.2.2狀態(tài)信息狀態(tài)信息反映了當(dāng)前外設(shè)的工作狀態(tài)，它是由外設(shè)通過接口送入CPU的。對(duì)于輸入設(shè)備來說，用Ready信號(hào)來表示待輸入的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備就緒；對(duì)于輸出設(shè)備來說，用Busy信號(hào)來表示輸出設(shè)備是否處于空閑狀態(tài)，如空閑，則可接收CPU送來的數(shù)據(jù)信息，否則CPU等待。5.2.3控制信息控制信息是CPU通過接口送給外設(shè)的。CPU通過發(fā)送控制信息控制外設(shè)的工作。外設(shè)的種類不同，控制原理不同，控制信息也各不相同。常見的控制信息有：外設(shè)的啟動(dòng)、停止等。

2.有條件傳送方式有條件傳送方式又稱為程序查詢方式。這種傳送方式在接口電路中，除具有數(shù)據(jù)緩沖器或數(shù)據(jù)鎖存器外，還應(yīng)具有外設(shè)狀態(tài)標(biāo)志位，用來反映外部設(shè)備數(shù)據(jù)的情況。比如，在輸入時(shí)，若數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好，則將該標(biāo)志位置位；輸出時(shí)，若數(shù)據(jù)已空(數(shù)據(jù)已被取走)，則將標(biāo)志位置位。下面，就查詢輸入、查詢輸出舉例說明。（１）查詢輸入若CPU需要外設(shè)輸入數(shù)據(jù)時(shí)，首先應(yīng)從狀態(tài)端口讀入狀態(tài)信息，判斷數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好。D_PORTS_PORT接口程序清單：LT:INAL,S_PORT；從狀態(tài)口S_PORT讀入狀態(tài)ANDAL,80H；檢查READY=1?JZLT；READY=0，則繼續(xù)等待INAL,D_PORT；READY=1，則從數(shù)據(jù)口D_PORT讀入數(shù)據(jù)5.3.2中斷控制方式中斷是CPU與外部設(shè)備交換信息的一種方式，它是通過硬件手段來直接影響和改變CPU執(zhí)行程序的順序。CPU在執(zhí)行正常程序的過程中，當(dāng)出現(xiàn)某些異常事件或外設(shè)請(qǐng)求CPU服務(wù)時(shí)，CPU暫時(shí)中斷正在執(zhí)行的原程序，而去執(zhí)行對(duì)異常事件或外設(shè)請(qǐng)求的中斷處理程序；當(dāng)CPU執(zhí)行完中斷處理程序后，又回到原程序的斷點(diǎn)處，繼續(xù)執(zhí)行原程序。中斷方式使外設(shè)與CPU并行工作，提高了CPU的效率。中斷方式適用于CPU任務(wù)比較忙、傳送速度不太高的系統(tǒng)中，尤其適合實(shí)時(shí)控制及緊急事件的處理。5.3.3直接存儲(chǔ)器存取（DMA）控制方式雖然中斷傳送方式可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)CPU與外設(shè)并行工作，但是在外設(shè)與內(nèi)存之間，或在外設(shè)與外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，還是要經(jīng)過CPU中轉(zhuǎn)，這對(duì)高速外設(shè)在進(jìn)行大批量數(shù)據(jù)傳送時(shí)，會(huì)造成中斷次數(shù)過于頻繁，不僅傳送速度上不去，而且消耗大量CPU時(shí)間。為此，采用直接存儲(chǔ)器存取方式。用DMA方式傳送數(shù)據(jù)時(shí)，在存儲(chǔ)器和外部設(shè)備之間，直接開辟高速的數(shù)據(jù)傳送通路。數(shù)據(jù)傳送過程不要CPU介入，只用一個(gè)總線周期，就能完成存儲(chǔ)器和外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送。因此，數(shù)據(jù)傳送速度僅受存儲(chǔ)器的存取速度和外部設(shè)備傳輸特性的限制。對(duì)于輸出設(shè)備來說，用Busy信號(hào)來表示輸出設(shè)備是否處于空閑狀態(tài)，如空閑，則可接收CPU送來的數(shù)據(jù)信息，否則CPU等待。從狀態(tài)口S_PORT讀入狀態(tài)Intel80x86CPU中，I/O端口和存儲(chǔ)器是單獨(dú)編址的，采用專用的輸入/輸出指令訪問端口。3CPU與接口之間的信息傳送方式統(tǒng)一編址的缺點(diǎn)是外設(shè)占用了一部分內(nèi)存地址空間，減少了內(nèi)存可用的地址范圍，對(duì)內(nèi)存容量有潛在的影響。對(duì)于輸出設(shè)備來說，用Busy信號(hào)來表示輸出設(shè)備是否處于空閑狀態(tài)，如空閑，則可接收CPU送來的數(shù)據(jù)信息，否則CPU等待。有條件傳送方式又稱為程序查詢方式。100在CPU與外設(shè)之間起信息轉(zhuǎn)換作用；100比如，在輸入時(shí)，若數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好，則將該標(biāo)志位置位；INAL,D_PORT；在輸入過程中，數(shù)據(jù)信息一般是由外部設(shè)備通過接口芯片傳遞給系統(tǒng)的。狀態(tài)信息反映了當(dāng)前外設(shè)的工作狀態(tài)，它是由外設(shè)通過接口送入CPU的。1005.4接口與系統(tǒng)的連接5.4.1接口與系統(tǒng)的連接

數(shù)據(jù)線控制線狀態(tài)線DBCBAB數(shù)據(jù)輸入寄存器（or三態(tài)門）數(shù)據(jù)輸出寄存器（鎖存器）狀態(tài)寄存器（or三態(tài)門）命令寄存器譯碼電路控制邏輯接外設(shè)接主機(jī)圖5.1接口與系統(tǒng)的連接圖5.4.2口地址譯碼技術(shù)在微機(jī)系統(tǒng)中，端口的編址通常有兩種不同的方式，一是I/O端口與存儲(chǔ)器單元統(tǒng)一編址；二是I/O端口獨(dú)立編址。

1.I/O端口與存儲(chǔ)器單元統(tǒng)一編址

所謂I/O端口與存儲(chǔ)器單元統(tǒng)一編址，也稱為存儲(chǔ)器映像(MemoryMapped)I/O方式，既把每個(gè)I/O端口都當(dāng)作一個(gè)存儲(chǔ)器單元看待，I/O端口與存儲(chǔ)器單元在同一個(gè)地址空間中進(jìn)行統(tǒng)一編址。通常，是在整個(gè)地址空間中劃分出一小塊連續(xù)的地址分配給I/O端口。被分配給I/O端口的地址，存儲(chǔ)器不能再使用。內(nèi)存映射與I/O映射編址如下圖（a）所示。(a)統(tǒng)一編址(b)獨(dú)立編址圖5.2編址方式采用這種編址方式的微處理器有6800、6502、68000等，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)I/O控制信號(hào)與存儲(chǔ)器的控制信號(hào)共用，給應(yīng)用帶來極大的方便，另外由于訪問存儲(chǔ)器的指令種類多、尋址方式多樣化，對(duì)訪問外設(shè)帶來了很大的靈活性。對(duì)I/O設(shè)備可以使用功能強(qiáng)大且像訪問存儲(chǔ)器那樣的指令，如直接對(duì)I/O數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算等。統(tǒng)一編址的缺點(diǎn)是外設(shè)占用了一部分內(nèi)存地址空間，減少了內(nèi)存可用的地址范圍，對(duì)內(nèi)存容量有潛在的影響。此外，從指令上不易區(qū)分當(dāng)前指令是對(duì)內(nèi)存進(jìn)行操作還是對(duì)外設(shè)進(jìn)行操作。

2.I/O端口獨(dú)立編址所謂I/O端口獨(dú)立編址(I/OMapped)，即I/O端口地址區(qū)域和存儲(chǔ)器地址區(qū)域，分別各自獨(dú)立編址。訪問I/O端口使用專門的I/O指令，而訪問內(nèi)存則使用MOV、ADD等指令。CPU在尋址內(nèi)存和外設(shè)時(shí)，使用不同的控制信號(hào)來區(qū)分當(dāng)前是對(duì)內(nèi)存操作還是對(duì)I/O操作。在單CPU模式時(shí)，當(dāng)前的操作是由M/IO信號(hào)的電平來區(qū)別的。對(duì)于8086CPU系統(tǒng)，當(dāng)M/IO為高電平時(shí)，表示當(dāng)前執(zhí)行的是存儲(chǔ)器操作，地址總線上的地址是某個(gè)存儲(chǔ)單元地址；當(dāng)M/IO為低電平時(shí)，表示當(dāng)前執(zhí)行的是I/O操作，地址總線上的地址是某個(gè)I/O端口的地址。這種單獨(dú)編址的優(yōu)點(diǎn)是I/O端口不占用存儲(chǔ)器的地址空間，使用專門的I/O指令對(duì)端口進(jìn)行訪問，具有I/O指令短、執(zhí)行速度快、譯碼簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是專門的I/O指令功能相對(duì)較弱，一般只有傳送功能，而沒有運(yùn)算功能。Intel80x86CPU中，I/O端口和存儲(chǔ)器是單獨(dú)編址的，采用專用的輸入/輸出指令訪問端口。

3.I/O端口地址譯碼方法端口地址的譯碼方式有多種，可由地址和控制信號(hào)的不同組合去選擇口地址，也可用不同譯碼電路去選擇口地址。電路設(shè)計(jì)中，一般需需使用多個(gè)口地址，經(jīng)常用譯碼器件實(shí)現(xiàn)口地址譯碼，常用的74LS138、74LS139等。圖5.374LS138引腳和譯碼邏輯圖G1

CBA譯碼輸出100000=0，其余為1100001=0，其余為1100010=0，其余為1100011=0，其余為1100100=0，其余為110