第8章 IO接口和总线.doc

第8章 I/O接口和总线
输入输出系统包括外部设备及其与主机之间的控制部件。该控制部件称为设备控制器，有时也称设备适配器或接口，其作用是控制并实现主机与外部设备之间的数据传送，负责按CPU的指示启动或停止I/O设备工作、了解I/O设备的工作状态、发出相应的I/O控制命令、完成数据的I/O交换。而总线是许多信号线的集合，它是微型计算机芯片间、各部件间和外部设备间相互进行信息或数据交换的通路。由于计算机内部定向的信息流和数据流在总线中的流动，就形成了计算机的各种操作。
8-1 I/O接口
随着微型计算机的普及和广泛应用，接口技术已成为十分重要、十分关键的技术。因为计算机的强大功能往往是由接口外围设备的能力和处理外界信息的能力表现出来的。
　　所谓接口（Interface）就是微处理器或微机与外界的连接部件，它是CPU与外界进行信息交换时，所必需的电路。键盘、显示器、打印机、软磁盘和硬磁盘、光盘都要有自己的接口，这样我们输入的、并经过计算机处理的信息才能得以显现，我们才可以大大的扩充计算机的存储空间。同样，多个微型计算机组成分布式系统，也要通过接口的连接，其多机并行运算可以达到数亿次以上；计算机只有通过接口处理各种各样的自然界模拟信号，才能应用到控制与测试等领域，实现机电仪一体化；将计算机配上接口组成计算机网，实现信息资源共享，使社会信息化。
　　由于计算机的应用越来越广泛，要求与计算机接口的外围设备越来越多，越来越复杂， 微机接口本身已不是一些逻辑电路的简单组合，而是采用硬件与软件相结合的方法，使微处理器与外部世界进行最佳耦合与匹配，以在CPU与外部世界之间实现高效、可靠的信息交换的一门技术。因而接口技术是硬件和软件的综合技术。
8-1-1 I/O接口的功能
接口电路是专门为解决CPU与外设之间的不匹配、不能协调工作而设置的，它处在总线和外设之间。从解决CPU与外设在连接时存在的不匹配的观点出发，接口一般应具有如下功能：
1. 数据缓冲功能以解决两者的速度不匹配
CPU和外设间速度不协调的问题可以通过设置数据缓冲来解决，也就是事先把要传送的数据准备在那里，在需要的时刻完成传送。经常使用锁存器和缓冲器，并配以适当的联络信号来实现这种功能。
例如，为了解决CPU高速与外设低速的不匹配，接口中一般都设置数据寄存器或锁存器，称之为数据口。数据口可分为数据输入口、数据输出口或兼顾输入输出的双向数据口。为了实现CPU与外设之间的联络，接口电路还要提供寄存器“空”、“满”、“准备就绪”、“忙”、“闲”等状态信号，以便向CPU报告接口或外设的工作情况，称之为状态口。而值得注意的是：接口技术中的输入、输出方向是指CPU的输入、输出的方向，即输入、输出的方向是以CPU为基准的。
2. 接收和执行CPU命令的功能
CPU对I/O设备的控制命令一般均以代码的形式送到接口的命令寄存器中，再由接口电路对命令代码进行识别和分析，产生若干个控制信号，再传到I/O设备，使其产生相应的具体操作。一般，CPU与外设所交换的信息包括：
（1）真正的数据信息，包括输入数据和输出数据两种。
（2）状态信息。
（3）命令信息。
其中后两种信息称为控制信息，在真正数据传输时，起控制作用。
3. 信号电平转换功能
外设所需的控制信号和它所能提供的状态信号往往与微机的总线信号不匹配，此时，可通过在接口电路中设置电平转换电路来解决。这种信号的转换包括CPU的信号与外设信号的逻辑关系、时序配合以及电平匹配上的转换，传送方式的转换等。它是接口设计中的一个重要内容。
4. 设备选择功能
微机系统中一般带有多种外设，同一种外设也可能配备多台，一台外设也可能包含多个I/O端口，这就要借助于接口中的地址译码电路对外设进行I／O端口寻址。与存储器的片选、字选操作十分类似，通常将高位地址用于外设接口芯片的选择，低位地址用于芯片内部寄存器或锁存器的选择，以选定需要与自己交换信息的设备，由于外设端口不能长期与CPU相连，只有被CPU选中的设备才能与数据总线进行数据交换或通信。端口地址的译码也可有全译码、部分译码、线选译码等方式。
5. 数据宽度变换的功能
计算机的数据总线传送的通常是8位或16位的并行数据，而有些外设采用串行方式传送数据，所以必须将CPU送出的并行数据，经并变串电路转换成串行信息后，才能送给串行外设。反之，串行设备的数据，也必须经串变并的转换后才能送给CPU。即使是使用并行数据的外设，其数据长度和数据格式也可能与主机的不同，因而也需要进行数据格式的转换，这些工作可以通过编程改变接口性能及工作方式的接口芯片称为通用接口芯片，反之，称为专用接口芯片。
6. 可编程功能
现在的接口芯片基本上都是可编程的，这样在不改动硬件的情况下，只