微机接口与编程第五章数字量输入输出1.

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1、1 微机接口与编程微机接口与编程 许庆阳 机电与信息工程学院 2 计算机发展计算机发展 第一代计算机：电子管计算机，1946年，以 电子管为逻辑元件。 第二代计算机：晶体管计算机，1958年，以 晶体管为逻辑元件。 第三代计算机：集成电路计算机，1965年， 以中、小规模集成电路为逻辑元件。 第四代计算机：大规模集成电路计算机， 1970年，以超大规模集成电路为逻辑元件 。 3 微处理器发展微处理器发展 微处理器发展经历五代： 第一代微处理器：1971年 （4位和8位微处理器） 第二代微处理器：1973年 （8位微处理器） 第三代微处理器：1978年 （16位微处理器） 第四代微处理器：198

2、3年 （32位微处理器） 第五代微处理器：1993年 （64位微处理器） 4 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成 外部设备 软件 内存储器 总线 输入输出 接口电路 运算器 控制器 寄存器组 微处理器(MPU) 微控制器 (MCU) 微型计算机系统 5 微机产品微机产品 数据采集模块 变送器 测试仪器 机械手 自动控制系统 6 微机应用微机应用 微机应用场合： 数值计算: 基本功能，但此功能应用逐渐缩小； 信息处理：数据库，管理信息系统，办公自动化系统 ；目前世界约80的计算机用于信息处理； 自动化控制：过程控制，生产自动化 辅助分析、设计：CAD，CAM，CAI 仿真计算：系统仿真；

3、网络应用：网络产品； 人工智能：模式识别、神经网络、专家系统、机器人 等 微机系统已经渗透到人类社会各个领域，微机系统已经渗透到人类社会各个领域， 已成为社会发展不可缺少的基础设备。已成为社会发展不可缺少的基础设备。 7 接口的定义接口的定义 接口是微处理器（CPU）与外界的连接部 分（电路），是CPU与外界进行信息交换 的中转站。 接口技术是研究CPU如何与外部世界进行最 佳耦合与匹配，以实现双方高效、可靠地 交换信息的一门技术，它是软硬件结合的 体现，是微型计算机应用的关键。 8 CPU与外部接口之间的不协调问题： n速度不匹配 CPU速度高，外设速度低。不同的外设速度差异大。 n信号格式

4、不匹配 CPU与外设之间的串并行数据转换。 n信号电平与类型的转换 形式、格式、电平、功率、码制等（设备的信息类型 （数字、模拟量等）、电平（TTL电平、非TTL。电 平等）及码制（二进制、十进制等）和信息格式（并 行到串行或反之）。 1 1、TTL TTL 电平电平 输出输出 HH：2.4V2.4V5.0V L:0V5.0V L:0V0.4V0.4V 输入输入 HH：2.0V2.0V以上以上 L:0.8VL:0.8V以下以下 输入与输出之间容许有输入与输出之间容许有0.4V0.4V电压差，抗干扰能力差电压差，抗干扰能力差 2 2、CMOS CMOS 电平电平 输出输出 HH：4.99V L:

5、0.01V4.99V L:0.01V 输入输入 HH：3.5V3.5V以上以上 L:1.5VL:1.5V以下以下 输入与输出之间容许有输入与输出之间容许有1.49V1.49V电压差，抗干扰能力强电压差，抗干扰能力强 9 接口的功能特点接口的功能特点 寻址功能 输入/输出功能 数据缓冲功能 设备选择功能 信号转换功能 接受、解释并执行CPU命令的功能 中断管理功能 可编程功能 错误检测功能 复位功能 10 PCI插槽 BIOS芯片 南桥芯片 AGP插槽 CPU 北桥芯片 内存插槽 软驱接口 IDE接口 11 12 微微 机机 接接 口口 与与 编编 程程 接口基础、编址、译码、传输方式接口基础、

6、编址、译码、传输方式 系统总线系统总线 可编程并行接口可编程并行接口82558255 计数计数/ /定时器定时器82538253 键盘显示接口键盘显示接口 8259 8259、82378237 AD AD接口接口 DA DA接口接口 8250 8250及通信及通信 13 第五章第五章 数字量输入输出数字量输入输出 主要内容： 5.1概述 5.2系统总线及简单接口 5.5 并行输入输出接口与 8255 5.4 计数定时接口与 8253 常用外围设备及接口 5.6 串行输入输出接口与 8250 5.3 中断控制与 Intel 8259A 5.7 直接存储器存取控制与 8237 14 5.1概述 一

7、、I/O信号 1.开关信号 2.数字信号 3.脉冲信号 4.模拟信号 第五章第五章 数字量输入输出数字量输入输出 二、I/O接口 主机接口外设 输出 输入 CPU实现 接口实现 只有两状态0、1 所有信号在数字计算 机内部都以二进制形 式存储和处理 多于两状态，多位二进制 0/1的跳变，用于选通或计数 数值和时间上连续变化 计算机由面向外设变为面向接口 15 中央 处理器 8088 协处 理器 8087 总线 驱动器 总线 控制器 8288 RAM 存储 器 ROM 存储 器 8 级 中断 电路 4 通道 DMA 8 通道 定时/ 计数器 喇叭 电路 键盘 接口 8 个 扩 展 插 座 CB

8、AB DB 时钟 信号 发生器 8284 CPU外围I/O接口 存储器接口 外围I/O接口 IBM PC/XT IBM PC/XT的接口的接口 IOR IO读 IOW IO写 MEMR 存储器读 MEMW 存储器写 16 P230 图 5.1 典型的I/O接口 数据锁存及缓冲 地址译码 控制逻辑 不同端口应占用不同地址。 数据、状态和控制这三类端口I/O的内容仅在 外设表现不同作用，在CPU执行I/O指令时都 是通过数据线传送。 每一类端口可能不只一个。 17 接口电路通常包含若干个寄存器，数据传送 时，不同的信息送入不同的寄存器。能够 用IN/OUT指令对其进行读写操作的寄存器 称为端口寄存

9、器，即能被CPU直接访问的寄 存器，简称“端口”。 端口由一个或多个寄存器组成 接口由若干个端口加上相应的控制逻辑组成 不同的寄存器有不同的端口地址， 端口通过地址进行访问 18 1. 采用存储器映像方式（统一编址） 统一编址是将存储空间划出一部分给I/O端口 。对I/O操作与对存储单元操作完全相同。其 特点是I/O操作能使用对存储器操作的所有指 令，不需要专门的I/O指令，它使CPU访问I/O 端口的操作比较灵活、方便，有利于提高端 口数据处理速度。但I/O端口占用了有效的存 储器空间。 三、三、I/OI/O端口的编址端口的编址 19 外设接口与内存统一进行编址 。各占据统一地址空间的不同

10、部分。 优点 指令统一，灵活； 访问控制信号统一，使用同一 组的地址/控制信号。 缺点 内存可用地址空间减小 0 地址空间(共1MB) 内存地址 (960KB) I/O地址 (64KB) FFFFFH EFFFFH F0000H 20 特点: I/O端口相当于内存的一部分, 使内存容量减小 对I/O端口的读/写与对存储器的读/写相同， 所有可对内存操作的指令对I/O端口均可使用 指令系统中不专设I/O指令。 例 motorola的M6800系列 MCS51系列 21 2. I/O映像方式（独立编址） 独立编址是指I/O端口地址不占用存储空间 ，所有的I/O端口地址单独构成一个I/O空间 ，访问

11、I/O端口使用专用I/O指令（IN/OUT ）。其特点是取周期较短，效率较高，寻 址范围大，是微机系统中普遍采用的一种 编址方式，但需要专门的信号区分是访问 存储器还是I/O端口。 22 主存储器地址空间和I/O端口地址空间相互独立，分别 编址。CPU通过指令来区分是访问I/O口还是存储单元 优点：主存和I/O端口的地址可用范围都比较大； 缺点：I/O指令的功能一般比较弱，在I/O操作中必须 借助CPU的寄存器进行中转 00000H 内存地址空间 内存空间 (1MB) I/O空间 (64KB) FFFFH FFFFFH I/O地址空间 0000H 23 特点： l 端口与存储器分别独立编址 端

12、口不占用内存空间 l 设有专门的 I/O指令对端口进行读写， 对内存操作的指令不能用于I/O端口 例 80X86 ,MCS96系列，Z80系列 例 MOV 0040H , AL 对内存操作 IN AL ,40H 对端口操作 24 3. I/O3. I/O端口地址的译码端口地址的译码 中央 处理器 8088 协处 理器 8087 总线 驱动器 总线 控制器 8288 RAM 存储 器 ROM 存储 器 8 级 中断 电路 4 通道 DMA 8 通道 定时/ 计数器 喇叭 电路 键盘 接口 8 个 扩 展 插 座 CB AB DB 时钟 信号 发生器 8284 25 地址译码的方法灵活多样 高位地

13、址线与CPU的控制信号进行组合，经译码电路 产生I/O接口芯片的片选信号CS，实现系统中的接 口芯片寻址 低位地址线直接接到I/O接口芯片的地址引脚，进行 I/O接口芯片的片内端口寻址 固定式地址译码：接口中用到的端口地址不能更改 用逻辑门电路进行译码 用译码器进行地址译码 可选式地址译码 26 译码电路的构成 可用门电路、译码器或者两者的组合实现。 门电路： 与门、非门、或门、与非门、或非门等 译码器： 24线译码器 74LS139 38线译码器 74LS138 27 逻辑门（门电路） 第第6 6章章 输入输入/ /输出和中断输出和中断 在数字电路中实现逻辑运算的电路，简称逻辑门或门电路。

14、逻辑门的表示方法：逻辑门的表示方法： A B Y 为测试 Waiting: in AL, DX test AL, READY_BIT ; 测试“准备好”位 jz Waiting ; 未准备好，查询 mov DX, DATA_PORT ; 为输出数据 mov AL, DATA out DX, AL mov DX, STATUS_PORT ; 为复位 in AL, DX and AL, NOT_READY_BIT ; 清除“准备好”位 out DX, AL READY? 读取状态端口 读/写数据端口 Y Y N N 状态端口复位 44 CPU反复查询接口状态，认为条件成熟才进行 传送 特点:增加状态端口,接口较简单,CPU效率低 轮询：多个外设可以轮流查询适当提高效率 。 查询方式由程序启动，又由程序完成，是典 型的程序控制I/O方式。 45 CPU和外设并行工作，接口主动提出请求， CPU响应后由中断服务程序完成I/O传送。 3.3.中断方式中断方式 中断方式的接口及过程 CPU I/O 接 口 INT申请 DB AB CB INTA应答 IRQ请求 中断 管理 电路 发送中断类型号 转入中断服务程序 46 中断方式的程