常用芯片接口技术

cpu使用率过高怎么办时间:2021-01-11 阅读:()

教师:王晓甜Email:xtwang@mail.
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cnContentsContents回顾:输入输出指令CPU读写操作:CPU对内存的操作是读写操作,对外设的操作也是各种读写操作CPU对内存直接用地址线寻址访问,对外设要通过I/O接口电路进行访问INDST,SRCOUTDST,SRCMOVDST,SRC为什么外设需要I/O接口内存不需要接口电路,是因为内存的结构和对象单一,只需要通过译码电路访问存储单元,进行数据交流,而且都是以字节为单位的二进制存储单元,且内存的工作速度较为一定.

外设:种类繁多(机械式,电子式,电动式,电磁式)信号类型复杂(数字量,模拟量,开关量)处理速率相差甚远(键盘,鼠标,显示器,扫描仪)数据的传递方式(并行的,串行的)所以,对不同的外设要用不同的接口电路对信号进行转化,或储存,供CPU使用.

我们所说的接口电路,通常就是I/O接口电路的简称7.
1概述接口接口指CPU和外设之间通过系统总线进行连接的电路部分,是CPU与外界进行信息交换的中转站.

接口技术接口技术是研究CPU如何与外部世界进行最佳耦合与匹配,实现双方高效、可靠地交换信息的一门技术,是软件、硬件结合的体现,是微机应用的关键.

7.
1概述输入/输出系统计算机中完成输入/输出(简称I/O)操作部件称为输入/输出系统,包括I/O软件I/O硬件两部分.
而I/O硬件和软件的综合设计称为I/O接口技术.

CPU通过I/O接口与外设交换信息7.
1概述(1)I/O软件I/O软件的作用是在I/O硬件的基础上实现输入/输出操作.
在不同结构和性能的计算机中,所采用的I/O软件技术差异很大,比如在微型计算机中,I/O软件主要包括使用I/O指令编写的输入/输出程序,以及操作系统中有关管理模块.

7.
1概述(2)I/O硬件I/O控制部件完成对输入和输出操作过程的控制,并且有效地提高输入/输出的效率,典型的I/O控制部件包括中断控制器、DMA控制器等.
I/O设备常见的有键盘、鼠标、显示器、硬盘机、打印机、调制解调器、扫描仪等设备I/O接口实现I/O设备和系统总线的连接.
7.
1概述接口的分类(1)I/O接口芯片这些芯片大都是集成电路,通过CPU输入不同的命令和参数,并控制相关的I/O电路和简单的外设作相应的操作,常见的接口芯片如定时/计数器、中断控制器、并行接口等.

(2)I/O接口控制卡有若干个集成电路按一定的逻辑组成为一个部件,或者直接与CPU同在主板上,或是一个插件插在系统总线插槽上.

接口电路的作用:协调CPU与外设之间所有不和谐的矛盾7.
1概述7.
1概述外设与CPU之间的主要矛盾速度不匹配:I/O设备的工作速度要比CPU慢许多,而且由于种类的不同,他们之间的速度差异也很大,例如硬盘的传输速度就要比打印机快出很多.

时序不匹配:各个I/O设备都有自己的定时控制电路,以自己的速度传输数据,无法与CPU的时序取得统一.
信息格式不匹配:不同的I/O设备存储和处理信息的格式不同,例如可以分为串行和并行两种;也可以分为二进制格式、ACSII编码和BCD编码等.

信息类型不匹配:不同I/O设备采用的信号类型不同,有些是数字信号,而有些是模拟信号,因此所采用的处理方式也不同.
7.
1概述I/O接口的主要功能地址选择–地址译码电路控制功能-传达CPU的控制信息状态指示–监视外设,反馈外设状态速度匹配–提高输入/输出效率转换信息格式–串并转换,A/D转换电平转换可编程性–多功能选择,提高通用性7.
1概述I/O接口的分类数据传送方式并行接口串行接口通用性通用接口专用接口可编程性可编程接口不可编程接口复杂性芯片式卡槽式7.
1概述I/O接口的逻辑组成I/O接口的组成CPU与I/O设备之间交换的信息有数据信息、控制信息和状态信息三种信息.
由I/O内部的三种寄存器来完成.

系统总线通信总线Contents7.
2外设接口的编址方式I/O端口和I/O接口接口:系统,集成电路,连接部件端口(Port):I/O接口内部的各个寄存器12一个接口内通常存在若干个端口34端口=寄存器完成输入/输出操作每个端口有自己固定的地址单元一个接口内通常有多个端口EG:可编程中断控制器8259A:2个端口定时/计数器8253:4个端口并行接口芯片8255A:4个端口一个I/O接口有几个端口就说明:该I/O接口至少占用几个地址I/O端口I/O接口与存储器的编址分配问题7.
2外设接口的编址方式I/O端口的编址方式通常情况下一个微型计算机系统内有多个I/O接口CPU要访问任何一个单元,都要通过地址查询,因此,要给每个I/O端口分配一个特定的地址,这样的地址称为I/O端口地址,或者简称I/O地址.

8086CPU的地址线共20根,寻址空间1MB,这些空间里,又要给存储器,又要给I/O,这就存在一定的分配机制.
对I/O端口安排地址的方式称为I/O端口的编址方式7.
2外设接口的编址方式I/O端口的编址方式端口与存储器分别独立编址端口与存储器统一编址7.
2外设接口的编址方式(1)独立编址方式00000H00001H0FFFFH00000H00001HFFFFFH{{……同一个地址,有可能指向I/O,也有可能指向存储器读写控制RDWR7.
2外设接口的编址方式注意:8086/8088系统都是典型的独立编址方式8086/8088分配给的I/O地址线只有16根PC/XT分配给I/O的地址线有10根7.
2外设接口的编址方式8086/8088的独立编址方式7.
2外设接口的编址方式独立编址方式优点存储器的容量可以达到与地址总线所决定的地址空间相同访问I/O端口时的地址位数可以较少,提高总线的利用率独立编址方式缺点必须设置专门的I/O指令,增加了指令系统和有关硬件的复杂性7.
2外设接口的编址方式(2)统一编址方式(或称为存储器映射编址)00000H00001HFFFFFH…00002H}一个地址对应一个单元所有的存储单元只占用其中一部分地址,而I/O端口则占用另外一部分地址.

优缺点与独立编址相反统一编址方式的优点无需专门的I/O指令,编程较为灵活无需专门的控制线区分寻址内容统一编址方式的缺点I/O端口占用了存储器的一部分地址空间因而影响到系统中存储器的容量访问存储器和访问I/O端口必须使用相同位数的地址,使指令地址码加长,总线中传送信息量增加两种编址方式中地址空间的关系:(a)独立编址方式(b)统一编址方式Contents7.
3I/O的基本工作方式输入/输出的控制方式是指以何种方式控制计算机的主机(包括微处理器、存储器等)与I/O接口之间进行数据传送.
根据I/O设备与主机的并行工作程度,微型计算机的输入/输出控制方式主要有:无条件传送方式程序查询方式I/O中断方式DMA方式输入输出操作的工作效率是影响系统性能的重要因素7.
3I/O的基本工作方式输入输出操作的定义:输入:从外设向CPU发送数据,即写入CPU输出:从CPU向外设发送数据接口接口任何时候分析输入输出操作,都是以CPU为主语地位进行分析输入输出基本工作模式7.
3I/O的基本工作方式1.
无条件传送方式(又称"同步传送方式")指I/O设备可以在微处理器限定的时间内准备就绪,可以直接执行预先编制的I/O程序实现输入/输出操作,而无需查询I/O设备的状态.

最简单的输入/输出控制方式所需要的软、硬件较少,实现简单.
但前提条件是要求I/O设备能够及时准备就绪.

EG:开关,发光二极管,LED数码管等7.
3I/O的基本工作方式无条件传送方式典型的输入/输出接口形式:(a)输入数据端口的典型结构猜猜看这是哪个系统7.
3I/O的基本工作方式在输入端口的设计中,输入接口芯片的输出端必须具有三态功能,避免发生总线竞争.

74LS244,74LS245P2127.
3I/O的基本工作方式无条件传送方式典型的输入/输出接口形式:(b)输出数据端口的典型结构7.
3I/O的基本工作方式在输出端口的设计中,输出接口芯片的输出端必须具有锁存功能,保障快速CPU与慢速外设的速度匹配问题74LS3737.
3I/O的基本工作方式7.
3I/O的基本工作方式7.
3I/O的基本工作方式2.
程序查询式程序查询方式也称为"异步传送方式"或者"有条件传送方式"右图为微处理器采用程序查询方式从一个I/O设备输入一个数据块(如硬盘的一个扇区)并存放到主存的基本流程图:7.
3I/O的基本工作方式多个I/O同时工作的程序查询工作方式7.
3I/O的基本工作方式程序查询方式的特点优点对外设的响应速度要求降低缺点I/O没有准备好时,需要不断重复查询,"原地踏步",CPU效率极低多I/O轮流查询时,某I/O准备就绪时,CPU不一定能及时反应,实时性差程序查询方式是串行的工作方式7.
3I/O的基本工作方式3.
I/O中断方式不需要微处理器"原地踏步"查询I/O设备的状态,CPU在等待过程中可以做自己的事情.
只有I/O准备就绪且发出中断信号才予以响应7.
3I/O的基本工作方式I/O中断工作方式的特点优点CPU和外设并行工作,提高输入输出操作效率多个外设同时工作时,通过硬件排队电路和中断屏蔽寄存器可以灵活的选择具有较好的实时性缺点增加相关软、硬件设计中断请求电路、中断控制电路、中断优先级的设定和选择、中断允许和屏蔽机制,增加中断向量表等(第八章详细讲解)7.
3I/O的基本工作方式4.
DMA工作方式(DirectMemoryAccess)中断开始之前需要执行中断服务子程序(保护现场,转移现场)对于每个字或字节的传送,需要1个I/O总线周期,和1-2个系统总线周期虽然中断控制方式尤为经典,但在高速传送大量数据块时,仍没有达到最高效DMA:直接存储器访问方式4.
DMA工作方式DMA(DirectMemoryAccess)方式称为直接存储器访问方式,其含义是直接在主存储器和I/O设备之间成块传送数据,既不需要微处理器的参与,数据也不需要在微处理器中进行中转.
7.
3I/O的基本工作方式4.
DMA工作方式7.
3I/O的基本工作方式以输入设备为例,一个完整的DMA传送过程下:微处理器启动输入设备,并且将数据块在主存储器的起始地址、数据块的字或字节数,以及DMA的工作方式等内容写入地址寄存器、字计数器和控制/状态寄存器,完成对DMA控制器的设置;输入设备准备就绪后将一个字节写入DMA控制器的数据缓存器中,并向DMA控制器提出DMA请求;7.
3I/O的基本工作方式DMA控制器向微处理器发出HOLD信号,申请总线的使用权.
微处理器释放总线,并通过HLDA信号向DMA控制器做出应答;DMA控制器占用总线,通过总线给出地址、数据和写信号,将一个字节数据写入主存储器中,然后将字计数器减1,并向输入设备做出DMA应答;重复②-④步,直至计数器为0,然后DMA控制器通过中断方式通知微处理器传送结束,并释放总线.

7.
3I/O的基本工作方式7.
3I/O的基本工作方式DMA传送方式的突出优点传送过程无需处理器的控制,数据也无需经过微处理器,而是直接在I/O设备与主存储器间进行,因此既节省了微处理器的时间,也使传送速率大大提高,特别适合于硬盘等高速I/O设备的输入/输出操作.

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常用芯片接口技术教师:王晓甜Email:xtwang@mail.
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4常用芯片的接口技术一、I/O地址译码及译码电路在I/O地址译码中,采用的译码电路形式,也和存储器地址译码一样,有:门电路译码专用译码器译码数字比较器译码可编程逻辑器件(如CPLD/FPGA)译码等I/O和存储器译码的唯一区别是:地址总线个数不同,控制总线不同7.
4常用芯片的接口技术I/O用到的系统总线8088最小方式系统:8088最大方式系统:IBMPC/XT系统:8086最大方式系统:8086最小方式系统:7.
4常用芯片的接口技术注意,IBMPC系统机采用的CPU为8088,给I/O分配地址只用了A9~A010条地址线,所以I/O地址空间为,即()其中前512B地址分配给主机板上的I/O,后512B地址分配给插件板上的I/O.
而且当AEN=1时表示正在进行DMA操作,因此,设计译码电路时,应该使AEN=0.

注意:当8位接口芯片与8086CPU16位数据总线相连时,低8位数据总线只能传送I/O为偶地址的端口数据,高8位数据总线只能传送I/O为奇地址的端口数据.
7.
4常用芯片的接口技术①I/O端口仅使用偶地址只使用偶地址的I/O接口地址线连接方法②I/O端口使用连续的地址8位接口与16位数据总线的连接方法7.
4常用芯片的接口技术二、系统总线驱动及控制在较大的微机应用系统中,I/O插件板设计时要考虑系统总线的负载能力,必要时可以通过缓冲器或总线驱动来提高总线的负载能力.
常用的缓冲器或总线驱动器有74LS373、74LS244(单向8位)和74LS245(双向8位)等对单向的地址总线及控制总线的驱动可以74LS373、74LS244等芯片缓冲的方式7.
4常用芯片的接口技术对双向系统数据总线的驱动与控制,要遵循下列原则:只有当CPU读板内I/O端口时,驱动器指向系统总线的三态门才允许导通;只有当CPU写板内I/O端口时,驱动器指向板内的三态门是导通的;当CPU不去寻址板内I/O端口时,驱动器两边均处于高阻状态.
7.
4常用芯片的接口技术例7.
1在PC/XT系统总线上扩充设计一个数据输出端口,分配给该端口的地址为280H,输出端口芯片用74LS374,输出设备为8个LED发光二极管.

(1)画出此输出端口与PC/XT系统总线以及与LED发光二极管的连接图.
(2)编写使8个LED发光二极管每间隔一段时间交替亮灭的功能段程序.
典型例题7.
4常用芯片的接口技术解题思路:所有有关I/O设计的问题都分两部分完成:硬件电路搭建和软件程序编写硬件电路设计接口芯片基本绘图:输入输出,使能信号译码电路接口与系统总线的连接:数据线,地址线,控制线与外设的连接7.
4常用芯片的接口技术Step1.
硬件电路分析设计(1)搞清楚挂接的微处理器系统型号PC/XT8根数据总线,10根地址总线,AEN,IOW(2)搞清楚片选地址范围,画译码电路计算地址范围,与地址总线联系(3)搞清楚芯片型号,画芯片简图输入输出,使能端(374与373类似,只是使能端极性相反)(4)搞清楚外设连接外设的类型,数量,连接方式(5)将系统总线,I/O接口芯片,地址译码电路,外设相连7.
4常用芯片的接口技术例7.
1的连接图使能端,不是选通信号7.
4常用芯片的接口技术Step2.
软件编程设计编写使8个LED发光二极管每间隔一段时间交替亮灭的功能段程序如下:MOVDX,280H;地址选择好LOP:MOVAL,0FFH;数据准备好OUTDX,AL;写数据,使8个LED发光二极管亮CALLDELAY1S;调用1秒延时子程序MOVAL,00HOUTDX,AL;使8个LED发光二极管灭CALLDELAY1S;调用1秒延时子程序JMPLOP7.
4常用芯片的接口技术EG7.
2在8086CPU工作在最小方式组成的微机系中.
扩充设计一个数据输入端口,分配给该端口的地址8001H,输入端口芯片用74LS245,输入设备为8个乒乓开关.

(1)画出此输入端口与8086系统总线以及与输入设备的连接图.
(2)编写程序检测K0开关,若K0断开,程序转向PROG1;K0闭合,程序转向PROG2.
7.
4常用芯片的接口技术解:由于为8086系统,且端口地址8001H为奇地址,所以使用高8位数据线,且在I/O端口地址译码中,=0要参加译码.
设计的此输入端口与8086系统总线以及与输入设备的连接图如图7.
10所示.
7.
4常用芯片的接口技术7.
4常用芯片的接口技术若K0开关断开程序转向PROG1,K0闭合程序转向PROG2的程序如下:MOVDX,8001HINAL,DXTESTAL,01HJZPROG2PROG1:···PROG2:······7.
4常用芯片的接口技术EG7.
3某一输出设备的工作时序如图7.
11所示.
当它不忙时,其状态信号BUSY=0,CPU可经接口向外设输出数据,而当数据加到外设上时,必须利用负脉冲将数据锁存于外设,并命令外设接收该数据.
设数据输出端口地址为02F8H,命令输出端口地址为02F9H,状态输入端口地址为02FAH试将其外设连接到8088系统总线上.
2.
编程序实现将内存40000H开始的连续50个字节单元的数据,利用查询法输出给该设备.
7.
4常用芯片的接口技术图7.
11外设工作时序7.
4常用芯片的接口技术解:选用两片74LS273分别作数据输出和命令输出端口寄存器利用1片74LS244作BUSY状态输入端口寄存器译码器用74LS138.
7.
4常用芯片的接口技术图7.
12用查询方式实现的接口电路D0~STBD7~BUSY7.
4常用芯片的接口技术将内存40000H开始的连续50个字节单元的数据,利用查询法输出给该设备的程序如下:MOVAX,4000HMOVDS,AXMOVSI,0MOVCX,50;CX初始化MOVDX,2F9HMOVAL,01HOUTDX,AL;使STB=17.
4常用芯片的接口技术GODON:MOVDX,2FAHWAIT1:INAL,DXTESTAL,80H;查询外设状态JNZWAIT1;若忙,则等待MOVDX,2F8HMOVAL,[SI];准备好数据OUTDX,AL;输出数据MOVDX,2F9HMOVAL,00H7.
4常用芯片的接口技术OUTDX,AL;使STB=0,输出负脉冲NOPNOPMOVAL,01HOUTDX,AL;使STB=1INCSILOOPGODONHLT7.
5小结通过本章学习,要求了解I/O接口技术的有关概念,包括输入/输出系统的组成,I/O接口的功能及分类,I/O端口的编址方式,在此基础上了解I/O接口与I/O端口之间的区别.