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粵ICP備17059708號
正在學(xué)習(xí)接口技術(shù)和計算機組成原理，中間有一些重疊的部分就放在一起了，至于DMA，中斷之類的會放在后面講解
6.1?接口綜述
硬件接口通常稱為I/O接口，把外圍設(shè)備同微型計算機連接起來的電路稱為外設(shè)接口電路，簡稱外設(shè)接口。I/O接口是CPU同外界進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站
使用接口的原因
* 速度不匹配 外設(shè)外慢
* 時序不匹配 各個外部設(shè)備都有自己的定時控制電路，以自己的速度進(jìn)行傳輸，同CPU的時序不匹配
* 信息格式不匹配，不同的外設(shè)存儲和處理信息的格式不同
* 信息類型不匹配，有些是數(shù)字電路，有些是模擬電路
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CPU與外設(shè)之間所傳送的數(shù)據(jù)類型
* 數(shù)據(jù)信息 包括模擬量，數(shù)字量，開關(guān)量，可以輸入也可以輸出
* 狀態(tài)信息 這是I/O端口送給CPU的有關(guān)本端口所對應(yīng)的外設(shè)當(dāng)前狀態(tài)的信息，供CPU參考分析
* 控制信息 這是CPU送給I/O設(shè)備的控制命令，使相應(yīng)的外部設(shè)備完成特定的操作
在8086/8088中，這三種信息的輸入輸出基本一致，可以分發(fā)不同的端口地址，在端口地址相同的情況下，可以規(guī)定操作的順序，或者在輸入輸出的數(shù)據(jù)中設(shè)置特征位
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接口的功能（背）
* 執(zhí)行CPU命令?CPU將對外設(shè)的控制命令發(fā)到接口電路的命令寄存器中，以便控制外設(shè)按要求進(jìn)行工作
* 返回外設(shè)狀態(tài) 通過外設(shè)寄存器（狀態(tài)口）完成，包括正常工作狀態(tài)和故障狀態(tài)
* 數(shù)據(jù)緩沖的功能 （平滑作用）接口電路中的數(shù)據(jù)寄存器（數(shù)據(jù)口）對CPU與外設(shè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行中轉(zhuǎn)
* 設(shè)備尋址的功能?CPU在某些時刻只能和一臺外設(shè)交換數(shù)據(jù)，CPU發(fā)給的地址信息經(jīng)過接口電路中的地址譯碼選中I/O設(shè)備
* 信號轉(zhuǎn)化的功能?ADC轉(zhuǎn)化啊，電平轉(zhuǎn)化啊之類的
* 數(shù)據(jù)寬度與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的功能 串并行轉(zhuǎn)化的功能之類的
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端口及編址方式
端口是指接口電路中能被微處理器直接訪問的寄存器的地址
微處理器通過這些地址（端口）向接口電路中的寄存器發(fā)送命令、讀取狀態(tài)、和傳送數(shù)據(jù)。
計算機給接口電路中的每一個寄存器都分配一個端口，CPU在訪問的時候，只需要指明他們的端口地址，不需要知道是訪問什么寄存器。這樣，在輸入輸出程序中訪問端口就是訪問接口電路的寄存器，通常所說的IO操作就是對IO端口的操作，即CPU所訪問的是與IO設(shè)備相關(guān)的端口，而不是IO設(shè)備本身
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輸入輸出的方式
輸入/輸出接口分類：
???????1、按數(shù)據(jù)傳送方式分：串行、并行
???????2、按CPU訪問外設(shè)的控制方式：
??????????程序查詢、中斷、DMA、通道控制、I/O處理機
???????3、按是否需要統(tǒng)一的控制時鐘：同步、異步
???????4、按通用性：通用、專用
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IO端口的編址方式
寄存器映像編址和獨立編址
寄存器編址就是把IO端口地址置于存儲器空間，和存儲單元統(tǒng)一編制
優(yōu)點：存儲器的各種尋址方式都可以用來尋址端口（可以用一個指令系統(tǒng)），缺點：占用存儲器地址，而且端口地址必須和存儲器長度一樣，運行速度慢
獨立編址：把接口的端口地址單獨編址，在計算機中形成兩個獨立的編址空間。優(yōu)點：不占用存儲器空間，有專門的IO指令，IO指令，運行的快，而且IO操作和存儲器操作分開，程序可讀性好，缺點就是要重新設(shè)計一個新的指令系統(tǒng)
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IO端口地址譯碼
三種譯碼電路——固定端口地址譯碼，固定多端口譯碼電路和可選式地址譯碼電路
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* 固定式單端口地址譯碼電路
固定式單端口地址譯碼電路是指該譯碼電路只能產(chǎn)生一個不可更改的端口地址
見課本240頁及筆記
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* 固定式多端口地址譯碼電路
固定式多端口地址譯碼電路能同時譯出多個地址，但每個地址是固定不變的
如74LS138（38譯碼器），74LS154（4-16譯碼器），74LS139（2-4譯碼器）
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74138的符號圖如下
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A0-A2是輸入端，Y0-Y7是輸出端，E2a和E2b低電平有效，E1高電平有效，這三個是使能端，E2A和E2B都是低電平有效，E1是高電平有效
* 可選式地址譯碼電路
如果用戶要求接口電路的端口地址能適應(yīng)不同的地址分配場合，或者系統(tǒng)以后擴展留下空間
介紹一種由比較器組成的可選式譯碼電路
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首先要知道這個如何工作，就得先知道比較器和三八譯碼器如何工作
三八譯碼器的工作原理在上面，不贅述了
下面來講講74LS85比較器
這玩意有八個端子，A0-A3，B0-B3，我們觀察到，A=B是連在了VCC上，所以這個玩意的功能是要求A和B要想等
那這個東西的比較法則如何呢
真值表如下
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首先比較高位，高位不相等直接輸出
然后逐位開始比較，到最后都相等的時候，輸出A=B端口為1
如果A=B，則輸出和輸入是相等的
如果A<B,??則輸出中A<B is high with A=B and A>B is low
反之亦然
所以該比較器可選譯碼電路就是如下原理
A8-A11連接了74LS85芯片的A0-A3，現(xiàn)在當(dāng)S0-S3的開關(guān)都打開，則B0-B3為1111，則A0-A3為1111，則A8-A11為1111
A6，A7為38譯碼器的使能端，為00
A3-A5為選擇端口，如果選擇Y2，則A5-A3為010
A0-A2為任意
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IO指令
* IO端口尋址 分為兩種，直接尋址和間接尋址
* 直接尋址，范圍是0-255
指令格式?IN AL，32H?；32H為8為端口地址
* 間接端口尋址
間接端口尋址由DX寄存器指出端口地址
指令格式為?IN AL，DX
記住，間接端口尋址的范圍是0-65535，必須要通過DX來間接尋址
2 IO操作指令
* 輸入指令
格式：?IN?累加器，端口
例如：IN AL?，21H?；把端口21H的8位數(shù)據(jù)放入AL中
?????????MOV DX，210H
?????????IN AX?，DX；把端口210H和202H放入AX中
* 輸出指令
格式?OUT?端口，累加器
OUT 22H，AL；把AL的內(nèi)容放入22H中
MOV DX，511H
OUT DX，AX
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CPU與外設(shè)數(shù)據(jù)的傳輸控制方式
有三種形式：程序查詢，中斷，DMA，（大型機巨型機的通道）
程序控制方式是指輸入輸出指令實現(xiàn)信息傳輸?shù)姆绞剑且环N軟件控制方式，根據(jù)程序控制的方法不同，可以分為無條件傳輸方式和有條件傳輸方式
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無條件傳輸
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這個無條件選擇就是當(dāng)RD為低電平（非門轉(zhuǎn)化為1），IO/M（上劃線）為高電平的時候，與門為1，經(jīng)過兩個非門后為1，到三態(tài)緩沖器，三態(tài)緩沖器打開，數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)總線送到CPU中
輸出類似
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在這種方式下，CPU不需要知道外設(shè)的工作狀態(tài)，只需每隔一段時間，CPU與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受
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有條件程序查詢式
條件傳送方式又稱查詢方式，即通過程序查詢相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)，如果該設(shè)備未處于“準(zhǔn)備好的狀態(tài)”則CPU不能進(jìn)行輸入輸出操作
邏輯圖如下：
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具體電路圖如下：
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當(dāng)輸入設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)之后，發(fā)出選通信號。它一方面把輸入數(shù)據(jù)鎖存到數(shù)據(jù)鎖存器中，另一方面使?fàn)顟B(tài)標(biāo)志觸發(fā)器置1。狀態(tài)標(biāo)志是一位信號，通過緩沖器后，接到CPU數(shù)據(jù)總線的某一位上，假設(shè)接至D7位。CPU先讀狀態(tài)口，查詢D7是否為1。若D7=1，表示輸入數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，再讀數(shù)據(jù)口，取走輸入數(shù)據(jù)，同時使?fàn)顟B(tài)標(biāo)志觸發(fā)器復(fù)位。
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數(shù)據(jù)傳送過程的3個步驟：
①CPU先讀取狀態(tài)字
②檢查狀態(tài)字是否表明數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒
③如果準(zhǔn)備就緒，則執(zhí)行輸入指令讀取數(shù)據(jù)，且使?fàn)顟B(tài)位清零。這樣便開始下一個數(shù)據(jù)傳輸過程。
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/*****自我總結(jié)
輸入的工作原理如下：
當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好的時候，會發(fā)送選通信號，一方面數(shù)據(jù)進(jìn)入鎖存器，另一方面觸發(fā)器D，使READY信號發(fā)送。當(dāng)CPU來讀的時候，IO/M選通，RD為0，地址譯碼，與門輸出為1，經(jīng)過兩個非門為1，三態(tài)緩存器選通，READY信號通過數(shù)據(jù)總線送到CPU，然后開始開始讀鎖存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，同時狀態(tài)位清零
******/
輸出的電路圖如下
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輸出過程：
??當(dāng)前輸出設(shè)備空閑時，狀態(tài)標(biāo)志觸發(fā)器清0。
??CPU在輸出數(shù)據(jù)之前，先讀取狀態(tài)信息。假設(shè)忙閑標(biāo)志接至數(shù)據(jù)線D0位，當(dāng)D0=0時，表示輸出設(shè)備空閑，CPU再對數(shù)據(jù)口執(zhí)行輸出指令。
??數(shù)據(jù)口選中信號一方面把輸出數(shù)據(jù)寫入鎖存器，一方面使?fàn)顟B(tài)標(biāo)志觸發(fā)器置1，通知輸出設(shè)備。當(dāng)輸出設(shè)備取走當(dāng)前數(shù)據(jù)后，向接口發(fā)出確認(rèn)信號ACK，使?fàn)顟B(tài)標(biāo)志觸發(fā)器清0，
表示輸出設(shè)備空閑。
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/******自我總結(jié)
工作原理：CPU通過地址總線，經(jīng)過地址譯碼器，輸出數(shù)據(jù)端口，IO/M為0，WD為1，發(fā)送選通信號，數(shù)據(jù)進(jìn)入接口鎖存器和觸發(fā)器D為1，這個D有兩個作用，一個告訴外設(shè)可以讀取數(shù)據(jù)了，另一個讓狀態(tài)寄存器為BUSY，防止CPU繼續(xù)寫數(shù)據(jù)。
當(dāng)外設(shè)把數(shù)據(jù)都讀完后，回送一個ACK，讓觸發(fā)器復(fù)位，D為0，清空狀態(tài)寄存器。
*******/
總結(jié)：得多看看，每次傳送數(shù)據(jù)的時候都會有一個狀態(tài)信息，然后讀完數(shù)據(jù)都會復(fù)位
優(yōu)點：軟件比較簡單
缺點：CPU效率低，數(shù)據(jù)傳送的實時性差，速度較慢
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中斷
???中斷控制的輸入和輸出方式，也稱中斷傳送方式，即當(dāng)外設(shè)的輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好或接收數(shù)據(jù)的鎖存器為空時，主動向CPU發(fā)出中斷請求，使CPU中斷原來執(zhí)行的程序(主程序)，轉(zhuǎn)去執(zhí)行為外設(shè)服務(wù)的輸入或輸出操作，服務(wù)完畢，CPU再繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。?
???中斷傳送方式中，?CPU和外設(shè)(甚至多個外設(shè))可同時工作，
從而大大提高了CPU的效率和控制程序執(zhí)行的實時性。必須經(jīng)過?(1)暫停主程序，實現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移，即中斷響應(yīng)。（2）保護(hù)和恢復(fù)有關(guān)寄存器內(nèi)容。（3）執(zhí)行I/O操作，并實現(xiàn)內(nèi)存到累加器再到端口之間的傳送。（4）實現(xiàn)中斷返回。
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輸入設(shè)備將數(shù)據(jù)送到鎖存器中，同時發(fā)送選通信號，選通信號一方面讓數(shù)據(jù)進(jìn)入三態(tài)緩沖期，另一方面令D為1，經(jīng)過與門讓INTR為1，發(fā)送中斷請求。當(dāng)CPU收到中斷請求之后，會通過地址譯碼器和讀寫信號，經(jīng)過與非門。與非門發(fā)送的信號一方面打開三態(tài)緩沖期，讓數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)總線，另一方面復(fù)位觸發(fā)器，D為0.中斷完成。
DMA
數(shù)據(jù)在I/O接口與存儲器之間的傳送，不經(jīng)CPU的干預(yù)，而是在專用硬件電路的控制下直接傳送。這種方法稱為DMA?。在這種方式下，傳送的速度就只取決于存儲器和外設(shè)的工作速度。這大大提高了數(shù)據(jù)傳送速度。
DMA傳送主要應(yīng)用于高速度大批量數(shù)據(jù)傳送的系統(tǒng)中，如磁盤存取、圖像處理、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，以提高數(shù)據(jù)的吞吐量。
DMA傳送一般有三種形式
①存儲器與I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送；
②存儲器與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送；
③I/O設(shè)備與I/O設(shè)備之間的傳送。
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DMA控制器必須有以下功能：
①能接收外設(shè)發(fā)出的DMA?請求信號，然后向CPU?發(fā)出總線接管請求信號。
②當(dāng)CPU發(fā)出總線請求允許信號并放棄對總線的控制后，DMAC能接替對總線的控制，進(jìn)入DMA方式。
③DMAC得到總線控制權(quán)后，要往地址總線發(fā)送地址信號，能修改地址指針，并能發(fā)出讀／寫控制信號。
④能決定本次DMA傳送的字節(jié)數(shù)，判斷DMA傳送是否結(jié)束。
⑤DMA過程結(jié)束時，能發(fā)出DMA?結(jié)束信號，將總線控制權(quán)交還給CPU
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計原中一些概念
輸入輸出系統(tǒng)：主要作用是連通計算機的各個功能部件和設(shè)備，在它們之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
輸入輸出系統(tǒng)的基本功能：是管理主機和外設(shè)以及外設(shè)與外設(shè)之間的信息交換，由硬件和軟件共同完成此項任務(wù)，基本原則是：不丟失數(shù)據(jù)，快速傳輸數(shù)據(jù)，成本低廉，主機和外設(shè)、外設(shè)和外設(shè)之間盡可能并行工作已充分發(fā)揮各自的潛力
輸入輸出設(shè)備的重要任務(wù)
* 將用戶編寫的程序/數(shù)據(jù)輸入至主機
* 將計算結(jié)果輸出給用戶
* 實現(xiàn)輸入/輸出系統(tǒng)與主機協(xié)調(diào)工作
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計算機總線：計算機各部件之間的公共通道（包括數(shù)據(jù)總線，控制總線和地址總線）
主機與外設(shè)的接口信息
* 數(shù)據(jù)信息 可以通過輸入設(shè)備送到計算機的輸入數(shù)據(jù)
* 控制信息?CPU對外設(shè)的控制信息或管理命令
* 狀態(tài)信息 表示外設(shè)的狀態(tài)
* 聯(lián)絡(luò)信息 主機和外設(shè)間工作的時間配合信息
* 外設(shè)識別信息?I/O尋址的信息
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數(shù)據(jù)傳送的方式：異步和同步
CPU訪問的方式：程序查詢式，中斷式，DMA式，通道式
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