微机总线及IO接口标准
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微型计算机课件第03章IO接口
04 IO接口的编程实现
IO接口的编程语言
C语言
其他语言
C语言是一种通用编程语言，具有高 效、灵活和可移植性强的特点，常用 于IO接口的编程。
如Python、Java等高级编程语言也可 以进行IO接口编程，但可能存在性能 损失。
Assembly语言
Assembly语言是一种低级编程语言， 直接与硬件交互，适用于对性能要求 高的IO接口编程。
输入设备接口
键盘接口
用于输入字符、数字和 命令，是计算机最常用
的输入设备之一。
鼠标接口
用于定位光标位置和输 入选择指令，提高用户 与计算机的交互体验。
扫描仪接口
摄像头接口
用于将纸质文档转化为 数字格式，方便存储、
传输和编辑。
用于输入视频和图像数 据，广泛应用于视频通 话、监控和拍照等领域。
输出设备接口
微型计算机课件第03章 IO接口
目录
• IO接口概述 • IO接口的工作原理 • IO接口的应用场景 • IO接口的编程实现 • IO接口的未来展望
01 IO接口概述
IO接口的定义与功能
定义
IO接口是微型计算机中用于连接 外部设备和主机之间的桥梁，实 现数据传输和控制信号传递。
功能
IO接口的主要功能包括数据传输 、地址识别、中断响应、设备选 择等。
IO接口的编程模型
同步模型
同步模型中，IO操作会阻塞当前 线程，直到IO操作完成。
异步模型
异步模型中，IO操作不会阻塞当 前线程，可以继续执行其他任务。
事件驱动模型
事件驱动模型中，IO操作通过事 件触发，可以提高程序的响应速
度和并发性能。
IO接口的编程实例
串口通信
《I-O接口和总线I》课件
《I-O接口和总线I》PPT 课件
I-O接口和总线是计算机系统中的重要组成部分，本课程将详细介绍它们的定 义、作用、分类以及应用前景等内容。
I-O接口和总线的定义
1 什么是I-O接口和总线？
I-O接口和总线是计算机系统中用于连接外部设备和中央处理器的通信通道。
2 作用
I-O接口和总线起到数据传输和协调的作用，实现计算机与外设之间的交互。
I-O控制器的作用
1 定义
I-O控制器是用于管理和控制外设的芯片或电路。
2 作用
监控外设的状态、接收和发送数据、协调外设与计算机之间的通信等。
USB总线和Firewire总线
1
USB总线
U niversal Serial Bus，广泛应用的外部设备接口，支持热插拔。
2
Firewire总线
IEEE 1394，用于高速数据传输的接口，适用于音视频设备。
3
Thunderbolt总线
高速数据传输接口，用于连接外部存储设备和显示器。
I-O通知处理器发生了重要事件，启 动相应的中断处理程序。
DMA
直接存储器访问，允许外设直接访问系统内存， 提高数据传输效率。
端口和寄存器
1
端口
与计算机系统连接的接口，用于数据
寄存器
2
的输入和输出。
用于存储控制和状态信息，对I-O操作
进行管理。
3
寄存器与端口的关系
寄存器是端口的一部分，用于控制和 管理端口的功能。
控制总线
用于控制信息的传输和处理。
PCI总线和ISA总线
PCI总线
Perip heral C o m p o nent Interco nnect，高性 能总线，被广泛应用于主板上的扩展插槽。
I-O接口和总线是计算机系统中的重要组成部分，本课程将详细介绍它们的定 义、作用、分类以及应用前景等内容。
I-O接口和总线的定义
1 什么是I-O接口和总线？
I-O接口和总线是计算机系统中用于连接外部设备和中央处理器的通信通道。
2 作用
I-O接口和总线起到数据传输和协调的作用，实现计算机与外设之间的交互。
I-O控制器的作用
1 定义
I-O控制器是用于管理和控制外设的芯片或电路。
2 作用
监控外设的状态、接收和发送数据、协调外设与计算机之间的通信等。
USB总线和Firewire总线
1
USB总线
U niversal Serial Bus，广泛应用的外部设备接口，支持热插拔。
2
Firewire总线
IEEE 1394，用于高速数据传输的接口，适用于音视频设备。
3
Thunderbolt总线
高速数据传输接口，用于连接外部存储设备和显示器。
I-O通知处理器发生了重要事件，启 动相应的中断处理程序。
DMA
直接存储器访问，允许外设直接访问系统内存， 提高数据传输效率。
端口和寄存器
1
端口
与计算机系统连接的接口，用于数据
寄存器
2
的输入和输出。
用于存储控制和状态信息，对I-O操作
进行管理。
3
寄存器与端口的关系
寄存器是端口的一部分，用于控制和 管理端口的功能。
控制总线
用于控制信息的传输和处理。
PCI总线和ISA总线
PCI总线
Perip heral C o m p o nent Interco nnect，高性 能总线，被广泛应用于主板上的扩展插槽。
微机原理与接口技术_第6章 IO接口
三、I/O端口编址 （续） 2.I/O独立编址(续)
缺点： 专用I/O指令增加指令系统复杂性，且I/O指 令类型少，程序设计灵活性较差； 要求处理器提供MEMR#/MEMW#和IOR#/IOW#两 组控制信号，增加了控制逻辑的复杂性。
三、I/O端口编址 （续）
PC系列微机I/O端口访问 1.I/O端口地址空间
程序控制方式
程序控制方式是指CPU与外设之间的数据传送由程序 控制完成。 程序控制方式又分为无条件传送和条件传送两种 1.无条件传送方式（同步传送） 特点：输入时假设外设已准备好，输出时假设外设 空闲。 要求：输入接口加缓冲器，输出接口加锁存器。 应用：对简单外设的操作。
1. 无条件传送方式（同步传送） 输入接口的设计要求:
寻 址 确定输入端口地址 AB、M/ IO、ALE、DT/R 等待数据输入 等待数据输入 输入缓冲器 读入数据 输入缓冲器 DB CPU
一、 I/O 接口的功能 （续）
3. I/O接口应具有的功能（解决的方案）
1） 设置数据缓冲器以解决两者速度差异所带来的 不协调问题； 输出时： CPU DB 锁存器 输出设备数据线
以上三类信息分别通过各自的寄存器和相应的控制逻辑 来完成信息的传送。通常将这类寄存器和相应的控制逻辑称 为I/O端口。CPU与一个外设之间通常有三个端口。数据端口 (输入/输出)；状态端口；控制端口。
二、I/O接口的一般结构 （续） I/O接口组成：接口由接口硬件和接口软件组成。 1.接口硬件
接口
这类接口面对总线，因此要使用三态输出器件； 对于输入信号有记忆功能的一般使用三态门； 对于输入信号无记忆功能的一般还要增加锁存功能；
1. 无条件传送方式（同步传送）
第六章IO接口与总线
READY? N
MOV CX， COUNT_1
READ_SI:IN AL，PORT_SI TEST AL, 01H ；查询READY
Y 输入数据信息
JZ READ_SI
IN AL，PORT_IN MOV [BX],AL
请思考：
INC BX LOOP READ_SI
假如D1代表输出状态位BUSY，输 出的程序该如何完成？例：打印机
接口与端口：CPU要与多个外设打交道，一个外设又需和CPU 交换多种信息，所以一个接口通常包含多个端口。同一时刻 CPU只能和一个端口交换信息。
二、简单的输入输出接口芯片
1、缓冲器：74LS244
TTL 8位单向缓冲器 作用：缓冲+提高总线驱动能力 简述：分成4位的两组，当成8位 数据使用时，两个控制端连接在一 起。控制端低电平有效 常用连接：A端接外设，Y端接 CPU的数据总线。两个G端并接， 由CPU片选。
三 1、IO端口
CPU与外设通信时传送的信息由：数据信息、状态信息及控制信息
DB
主 AB
机 CB
接口电 路
数据信息
外 状态信息
设 制信息
不同的信息进入不同的寄存器，通常将这些寄存器和他们的控制 逻辑统称为IO端口。CPU可对端口的信息直接读写。对应三种 端口：数据端口、状态端口、命令端口（控制端口）。三种信息 分别进入三种端口的寄存器，完成不同的功能。但是传输的通道 都是一样的，都是通过数据总线。
传送前，CPU首先将有关参数，包括DMAC的工作方式， 要访问的存储单元的首地址，要传送的字节数等预先写入 DMAC。 当外设需要传送数据时，向DMAC提出请求，该信号应该 维持到DMAC响应为止。 DMAC收到请求后，向CPU提出HOLD总线请求，申请借 用总线，CPU在当前总线周期结束时，将响应该请求，发回 HLDA信号，然后输出高阻态放弃总线。 DMAC向外设发回响应，DMA传送开始。DMAC接管总 线，将数据从外设顺序传送到存储器，并进行地址增量，对 传送次数计数等操作，一直到传输完成，将HOLD信号置为 无效，将总线交还给CPU。
第二章 总线与接口标准
数据总线
地址总线
控制总线
电源线和地线 决定总线使用的电源种类及地线 分布和用法
2、1、4 总线的性能参数
总线的主要功能就是建立各模块之间的通信， 能否保证模块间优秀的通信质量是衡量总线性 能的关键指标。 1、总线时钟频率 也就是总线的工作频率，以MHz表示。 2、总线宽度 即数据总线的位数，用位（bit）表示，如总线 宽度为8位、16位、32位和64位等。 3、总线传输率 在总线上每秒钟传输的最大字节数，用MB/s表 示，即每秒多少兆字节。如果总线时钟频率为 33.3MHz，总线宽度为32位，则总线传输率为 133MB/s。
2、2 系统总线
EISA总线
由Compaq、HP、AST、Epson等9家公司联合 起来，在ISA总线的基础上，推出了一种与 ISA兼容的总线标准，称为增强型工业标准体 系结构EISA(Extended Industry Standard Architecture)。 EISA总线既保持了与PC/XT、ISA总线的100% 兼容，又能较好地满足了32位微处理器的数 据传输要求，支持多总线主控部件、猝发式 传送（Burst Transfer），是一种高性能的32 位标准总线
2.6.2 AGP图形加速端口 用于连接显卡 Intel公司开发的AGP总线旨在提高图形，尤其 是3D图形的处理能力。 AGP总线在主存与显示卡之间提供了一条直接 通路，使3D图形数据越过PCI总线直接送入显示 系统。
PCI 总线信号定义
必须信号线：主控设备49条，目标设备 47条 可选信号：51条 信号线总数：120条
2、4通用串行总线USB
USB（Universal Serial Bus）的中文含意 是通用串行总线。USB是以Intel公司为 主，联合IBM、Microsoft、Compaq、 DEC和NEC等公司共同开发，并于1994 年11月制定了第一个草案，1996年2月公 布了USB1.0版本，目前已经发展到了 USB2.0版本。
第六章 IO接口和总线
1、缓冲器 74LS244
单路基本组成：
真值表 A
B
G#
0
A
1
B
1
0 G
1
0
高阻
0
状态
1A1 1A2
/1G 1A1 2Y4 1A2 2Y3 1A3 2Y2 1A4 2Y1 GND
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1Y1 1Y2 1Y3 1Y4 2Y1 2Y2 2Y3 2Y4
244
20 19 18 17 16 15 14 13 12 11
需要输入设备送入信息，输出设备送出结果，这些输 入输出设备被称为外设。
通信：计算机（CPU）与外设间的数据、状态和控制
命令的交换过程统称为通信。
2、CPU与外设直接通信存在的问题 速度不匹配（CPU快，外设慢） 信号电平不匹配 （CPU使用TTL电平，外设多为机电设备） 信号格式不匹配 （CPU总线上为并行数字量，而外设有串行模拟量等） 时序不匹配 解决方案： 用I/O接口：把外设连接到CPU总线上的一组逻辑电 路的总称。用于协调外设与主机之间的信息交换。
2、译码的常用方法
线选法
利用一根地址线，产生指定的端口地址的选择信号。
A7
PORT1
当A7=1,选中PORT1，地址可为80H 当A6=1,选中PORT2，地址可为40H 当A5=1,选中PORT3，地址可为20H
A6
PORT2
对于PORT1，地址为81H，82H，83H
等仍可选中。
A5
PORT3
无条件输出电路例子 例：假设该端口号为
0# D0
80H，要想让0、2、4、
6号灯亮，如何编写
D1
1D 2D
微型计算机系统总线
386、486 微型计算机系统采用，后来被淘汰。
16
1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动 PCBA上的开关按键来实现功能的一种设计方式。
传统机械按键结构 层图：
按
PCB
键
A
开关 键
传统机械按键设计要点： 1.合理的选择按键的类 型，尽量选择平头类的 按键，以防按键下陷。 2.开关按键和塑胶按键 设计间隙建议留 0.05~0.1mm，以防按键 死键。 3.要考虑成型工艺，合 理计算累积公差，以防
3．VESA总线
5.2
VESA（video electronics standard association）总线是 1992 年由60家附件卡制造商联合推出的一种局部总线，简称为 VL(VESA local bus)总线。用于CPU与主存和Cache 的直接相 连。
32位数据线，且可 通过扩展槽扩 展到64 位，使用 33MHz时钟频率，最大传输率达132MB/s，可与 CPU同步工作。
18
4．PCI总线
5.2
PCI总线是当前最流行的总线之一
由Intel公司推出的一种局部总线。 它定义了32位数据总线，且可扩展为64位。 是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。
支持突发读写操作，和即插即用。
最大传输速率可达132MB/s， 可同时支持多组外围设备。
19
PCI 的外部引线信号
5.2
22
5.3 外部总线介绍
外部总线(External Bus)，用于微机与外设 以及微机与测量仪器仪表之间的通信。
分为并行总线和串行总线
23
1. RS-232-C串行通讯总线
5.3
美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。
《IO接口与总线》课件
IO口控制方式
1
程序控制方式
通过编程来控制IO口的状态和操作，灵活
直接控制方式
2
性高。
通过物理连接来控制IO口的状态和操作，
简单直接。
3
中断控制方式
通过处理中断信号来响应外部设备的输 入或输出操作，实时性高。
常见IO接口概述
Universal Serial Bus (USB)
USB是一种用于计算机与外部设 备之间数据传输和连接的通用接 口标准。
《IO接口与总线》PPT课 件
欢迎来到《IO接口与总线》PPT课件。本课程将介绍IO接口的定义、IO口与总 线的区别、IO口的通信和控制方式，以及常见IO接口和总线的概述。
IO接口定义
1 什么是IO接口?
IO接口是计算机系统中用 于与外部设备进行数据交 换的接口。
2 IO接口的作用
IO接口充当计算机和外部 设备之间的桥梁，使得计 算机可以与外部设备进行 通信和控制。
3 常见的IO接口
常见的IO接口包括USB、 HDMI、VGA、Serial等。
IO口通信方式
并行通信
并行通信通过同时发送多个数 据位来实现更高的通信速度。
串行通信
串行通信逐位地发送数据，适 用于长距离传输和高噪音环境。
同步通信
同步通信使用时钟信号来协调 发送和接收数据，在数据传输 过程中保持一致性。
1 什么是总线?
总线是计算机内部各个组件之间传输数据的公共通道。
2 总线的分类
常见的总线包括数据总线、地址总线和控制总线，用于传输数据、地址和控制信号。
3 常见的总线类型
常见的总线类型包括ISA总线、PCI总线、USB总线等。
总线通信方式
1ห้องสมุดไป่ตู้
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– 2. 接口标准
接口标准是外设接口的规范，包括接口信号线定义、信号 传输速率、传输方向、拓扑结构，以及电气特性和机械特性等。
2017年3月20日
第9页
微机原理与接口技术
第7章 微机总线及I/O接口标准
7.1概述
7.1.2 接口和接口标准
– 3．接口标准分类
传统的串行/并行接口标准。 通用外设接口标准。
第13页
微机原理与接口技术
第7章 微机总线及I/O接口标准
7.2系统总线标准
7.2.1 ISA总线
– 2．数据线
SD0～SD7为低8位数据线，SD8～SD15为高8位数据线。
– 3. 控制线
AEN：地址允许信号，输出线，高电平有效。 BALE：允许地址锁存，输出线，这一信号由总线控制器
8288提供，作为CPU地址的有效标志。 IOR ：I/O读命令，输出线，低电平有效，用来把选中的 I/O设备的数据读到数据总线上。 IOW ：I/O写命令，输出线，低电平有效，用来把数据总 线上的数据写入被选中的I/O端口。
2017年3月20日
第1页
微机原理与接口技术
第7章 微机总线及I/O接口标准
主要内容:
7.1 概述 7.2 系统总线标准 7.3 外部总线（接口）标准
2017年3月20日
第2页
微机原理与接口技术
第7章 微机总线及I/O接口标准
7.1概述
7.1.1 总线和总线标准
– 1．总线
总线是一组信号线的集合，是一种在各模块间传送信息的公 共通路。
– 2. 总线标准
总线标准，是指通过总线进行连接和传输信息时应遵守的一 些协议与规范。
2017年3月20日
第3页
微机原理与接口技术
第7章 微机总线及I/O接口标准
7.1概述
7.1.1 总线和总线标准
– 3．总线的分类
从总线的性质和应用来看，可分为3大类。
系统总线。它是微型计算机系统内部各部件（插板）之间 进行连接和传输信息的一组信号线。 局部总线。局部总线是介于CPU总线和系统总线之间的一 级总线。它有两侧，一侧直接面向CPU总线，另一侧面向 系统总线，分别由桥接电路连接。 通信总线。通信总线是系统之间或微型计算机系统与设备 之间进行通信的一组信号线。
2017年3月20日
第15页
微机原理与接口技术
第7章 微机总线及I/O接口标准
7.2系统总线标准
7.2.1 ISA总线
IRQ3～IRQ7和IRQ10～IRQ15：用于作为来自外部设备的中 断请求输入线，分别连到主片8259A和从片8259A中断控制 器的输入端。 DRQ0～DRQ3和DRQ5～DRQ7：来自外部设备的DMA请求输入 线，高电平有效，分别连到主片8237A和从片8237A DMA 控制器输入端。 DACK 0 ～DACK3 和DACK5 ～ DACK7 ：DMA应答信号，低电平有效。 T/C：DMA终止/计数结束，输出线。 MASTER ：输入信号，低电平有效。
微机原理与接口技术
第7章 微机总线及I/O接口标准
第7章 微机总线及I/O接口标准
总线结构是微型计算机的重要特征之一。有了 总线标准以后，微型计算机的组装、维护和扩 展才得以方便地进行，它使微型计算机系统能 够支持模块化设计，具有开放性、通用性和灵 活性等特点。 本章介绍总线、总线标准及接口标准的基本概 念和微型计算机系统中常有的系统总线标准及 接口等内容。
7.1概述
7.1.1 总线和总线标准
– 6．总线的优点及发展趋势
总线的主要发展趋势如下: 传输速率不断提高。 降低功耗。 功能结构不断调整更新。
2017年3月20日
第8页
微机原理与接口技术
第7章 微机总线及I/O接口标准
7.1概述
7.1.2 接口和接口标准
– 1．接口
外部设备与CPU交换数据的中间环节或称为“界面”，这个 中间环节就称为接口电路或接口。
RESET：系统复位信号，输出线，高电平有效。
第16页
2017年3月20日
微机原理与接口技术
第7章 微机总线及I/O接口标准
7.2系统总线标准
7.2.1 ISA总线
I/O CHCK ：I/O通道检测，输出线，低电平有效。
I/O CHRDY：通道就绪，输入线，高电平表示“就绪”。 该信号线可供低速I/O设备或存储器请求延长总线周期之用。 OWS ：零等待状态信号，输入线。
1 14 13 25
标准25针“D”型插头
2017年3月20日
第22页
微机原理与接口技术
第7章 微机总线及I/O接口标准
RS-232C总线的电气规范
带3～7kΩ 负载时驱动器的输出电平 不带负载时驱动器的输出电平 驱动器断开时的输出阻抗 输出短路电流 驱动器转换速率 接收器输入阻抗 接收器输入电压的允许范围 输入开路时接收器的输出 输入经300Ω 接地时接收器的输出 +3V输入接收器的输出 -3V输入接收器的输出 最大负载电容 逻辑1：-3～ -15V -25～+25V >300Ω <0.5A <30V/μ s 在3～7kΩ 之间 -25～+25V 逻辑1 逻辑1 逻辑0 逻辑1 2500pF 逻辑0：3～15V
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第24页
微机原理与接口技术
第7章 微机总线及I/O接口标准
RS-232C的引脚功能分配
插 脚 号 *1 *2 *3 *4 *5 插脚功能 保护地（PG） 发送数据（TXD） 接收数据（RXD） 请求发送（RTS） 允许发送（CTS） 插 脚 号 14 *15 16 *17 *18 插脚功能 （辅信道）发送数据（TXD） 发送信号单元定时 （辅信道）接收数据（RXD） 接收信号单元定时 未定义
有并行和串行两种传输。
定义的信号线少，且不齐全，一般是控制信号线、数据
信号线、地址信号线共用。
2017年3月20日
第12页
微机原理与接口技术
第7章 微机总线及I/O接口标准
7.2系统总线标准
7.2.1 ISA总线
ISA（Industry Standard Architecture）总线又称AT总线， 它具有16位数据宽度，最高工作频率为8MHz，数据传输速率达 到16MB/s，地址线24条，可寻访16MB地址单元。
第4页
2017年3月20日
微机原理与接口技术
第7章 微机总线及I/O接口标准
7.1概述
7.1.1 总线和总线标准
– 4．总线的组成
数据总线。用于传输数据，采用双向三态逻辑。 地址总线。用于传送地址信息，采用单向三态逻辑。 控制总线。用于传送控制和状态信号，根据不同的使用条 件，控制总线有的为单向，有的为双向，有的为三态，有 的为非三态。 电源线和地线。决定总线使用的电源种类及地线分布和用 法。
第19页
微机原理与接口技术
第7章 微机总线及I/O接口标准
7.2系统总线标准
7.2.3 PCI-E局部总线
– 1．PCI-E总线的主要特点
使用了串行差分技术 可扩展带宽模式
内建时钟与8b/10b
编码
2017年3月20日
第20页
微机原理与接口技术
第7章 微机总线及I/O接口标准
7.2系统总线标准
2017年3月20日
第14页
微机原理与接口技术
第7章 微机总线及I/O接口标准
7.2系统总线标准
7.2.1 ISA总线
SMEMR和SMEMW：存储器读/写命令，低电平有效，用于对
A0～A19这20位地址寻址的1MB内存的读/写操作。 MEMR 和MEMW ：低电平有效，存储器读/写命令，用于对 24位地址线全部存储空间的读/写操作。 MEMC16和I/O CS16 ：它们是存储器16位片选信号和I/O 16位片 选信号，分别指明当前数据传送是16位存储器周期和I/O周 期。 SBHE：总线高字节允许信号，该信号有效时，表示数据 总线上传送的是高位字节数据。
*6
*7 *8 9 10 7 12 13
数据通信设备（DCE）准备好（DSR ）
信号地（SG） 数据载波检测（DCD） （保留供数据通信设备测试） （保留供数据通信设备测试） 未定义 （辅信道）数据载体检测（DCD） （辅信道）清除发送（CTS）
19
*20 *21 *22 *23 *24 25
（辅信道）请求发送（RTS）
一般为并行传输。
定义的信号线多，且齐全，包括分离的数据、地址和控
制信号线及电源线。
2017年3月20日
第11页
微机原理与接口技术
第7章 微机总线及I/O接口标准
7.1概述
7.1.3 总线标准与接口标准的特点
– 2．接口标准的特点
专用性，一般是一个接口只接一类或一种设备。 一般设在机箱外，以接口插头（座）形式提供使用。
表7-3 PCI-E×1模式的引脚定义
2017年3月20日
第21页
微机原理与接口技术
第7章 微机总线及I/O接口标准
7.3 外部总线（接口）标准
7.3.1 传统的串行/并行接口标准
1. 串行接口标准
（1）RS-232C机械规范和电气规范
机械规范规定：RS-232C接口通向外部的连接器（插针和插 座）是一种标准的“D”型保护壳的25针插头。
外存储设备接口标准。
图形显示器接口标准。 测试仪器接口标准。
2017年3月20日
第10页
微机原理与接口技术