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1、1,第5章 典型接口芯片原理和应用,5.1 简单I/O接口电路及其应用 5.2 可编程外围接口芯片8255A及其应用 5.3 可编程计数器/定时器8253及其应用 5.4 串口通信和可编程接口芯片8251A及其应用,2,5.1 简单I/O接口电路及其应用,I/O接口的功能 采用I/O接口的必要性 计算机和外设之间的信息交换带来一些问题： 速度不匹配 信号电平不匹配 信号格式不匹配 时序不匹配 因此I/O设备不能直接与CPU的系统总线相连，必须在CPU与外设之间设置专门的接口电路来解决这些问题。,3,接口的功能： 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 设置信号电平转换电路 设置信息
2、转换逻辑以满足对各自格式的要求 设置时序控制电路来同步CPU和外设的工作 提供地址译码电路，使CPU在同一时刻只能选中某一个I/O端口。 I/O接口电路是外设和计算机之间传送信息的交换部件，也称为界面，它使两者之间能很好地协调工作，每一个外设都要通过接口电路才能和主机相连。,CPU,接口,外设,4,随着大规模集成电路技术的发展，出现了许多通用的可编程接口芯片，可用它们来方便地构成接口电路。后面几章将介绍常见的可编程I/O接口芯片的原理、编程方法及与CPU的连接方法。 可编程中断控制器8259A 可编程计数器/定时器8253 可编程外围接口芯片8255A 串行通信和可编程接口芯片8251A A/
3、D和D/A转换芯片。 本章介绍最常用的简单I/O接口芯片,主要有缓冲器(Buffer)和锁存器(Latch)。,可编程输入输出接口芯片,5,二、简单的输入输出接口芯片,缓冲器74LS244和74LS245 连接在总线上的缓冲器都具有三态输出能力。 在CPU或I/O接口电路需要输入输出数据时，在它的使能控制端EN（或G）作用一个低电平脉冲，使它的内部的各缓冲单元接通，即处在输出0或1的透明状态。数据被送上总线。 当使能脉冲撤除后，它处于高阻态。这时，各缓冲单元像一个断开的开关，等于将它所连接的电路从总线脱开。 74LS244和74LS245就是最常用的数据缓冲器。除缓冲作用外，它们还能提高总线的
4、驱动能力。,6,（1）74LS244 单向数据缓冲器,8个三态缓冲单元，分成两组，分别由门控信号1G和2G控制。1G和2G为低电平时，数据传送；高电平时，输出高阻态。 单向缓冲器，只能从A端到Y端。,7,（2）74LS245 双向数据缓冲器,8个双向、三态缓冲器。 门控信号输入端G。 方向控制端DIR，高电平时，数据从A端传向B端；低电平时，从B端传向A端。,8,2. 锁存器74LS373,锁存器具有暂存数据的能力，能将数据锁住，在输出控制信号的作用下将数据传送出去。74LS373是一种常用的8D锁存器，它可以直接挂在总线上，并具有三态总线驱动能力。 两个控制输入端：输入使能端G和允许输出端O
5、E。 OE为低时：G为高时，D端数据到O端；G为低时，O端将是前面锁存的数据，不受D端的变化影响。 OE为高时：输出将呈高阻态。,真值表,9,三、I/O端口及其寻址方式,I/O端口 CPU与外设通信时，传送的信息主要包括数据信息、状态信息和控制信息。 这些信息分别进入不同的寄存器，通常将这些寄存器和它们的控制逻辑统称为I/O端口（Port），CPU可对端口中的信息直接进行读写。,数据信息,状态信息,控制信息,I/O接口,外设,数据端口,数据端口,状态端口,控制端口,10,数据端口（Data Port） 用来存放CPU与外设之间交换的数据，长度一般为1-2个字节，主要起缓冲作用。 状态端口（St
6、atus Port） 用来指示外设的当前状态。每种状态用1位表示，由CPU读取。几种最常用的状态位有： 准备就绪位（Ready） 针对CPU输入端口：1：数据寄存器已准备好数据，等待CPU读取，取走后，位清0。 针对CPU输出端口：1：输出数据寄存器已空，可以接收下一个数据；新数据到达后，位清0。 忙碌位（Busy） 表明外设是否能接收数据。1：外设忙，暂时不允许CPU送信的数据过来。0：外设已空闲，允许CPU发送下一个数据。 错误位（Error） 1：指示在数据传送过程中出现错误。CPU进行相应的处理，如重新传送或中止操作等。,11,命令端口（Command Port） 也称为控制端口（Co
7、ntrol Port），用来存放CPU向接口发出的各种命令和控制字，以便控制接口和设备的动作。 常见的命令信息有启动位、停止位、允许中断位等。 接口芯片不同，控制字的格式和内容是各不相同的，常见的控制字有方式控制字、操作命令字等。,在微型计算机系统中，CPU通过接口和外设交换数据时，只有输入（IN）和输出（OUT）两种指令，所以只能把状态信息和命令信息当作数据来传送，并且将状态信息作为输入数据，控制信息作为输出数据，于是三种信息都可以通过数据总线来传送了。 这三种信息被送入三种不同端口的寄存器，因而能实施不同的功能。,12,2. I/O端口的寻址方法,存储器映像寻址方式（Memory Mapp
8、ed I/O） I/O单独编址方式,CPU对外设的访问实质上是对I/O接口电路中相应端口的访问，因此和存储器一样，也需要由译码电路来形成I/O端口地址。,13,四、CPU与外设间的数据传送方式,软件实现：程序控制方式、中断方式。 硬件实现：DMA方式。,程序控制方式 无条件方式（同步传送方式） 最简单的传送方式，主要用于对简单的外设进行操作，或者外设的定时是固定的或已知的场合。 程序可以不必检查外设的状态，而在需要进行I/O操作时，直接执行I/O指令。,14,无条件传送方式,开关连接到三态缓冲器，缓冲器输出端接到CPU的数据总线。 开关断开：高电平输入； 开关闭合：低电平输入。 执行输入指令，
9、使M/IO、RD和片选信号CS同时变为低电平，经过反向与非门变成有效的低电平开启缓冲器的三态门，使开关的当前状态以二进制的形式被读入CPU。 检查字节各位的内容，就能了解各开关当前状态。,简单输入端口,CPU查询按键开关的状态,15,无条件传送方式,用一个由锁存器构成的输出端口来把LED接到计算机的数据总线上，并串接一个限流电阻，共阴连接。 点燃LED的位是1，灭的是0。 输出指令使M/IO、WR和片选信号CS同时变低，相与后的低电平信号经反相后出发锁存器。 由于锁存器的作用，输出值能一直保持到下一个输出指令到达为止，这段时间内，LED的状态也将保持不变。,简单输出端口,控制LED显示器的点灭
10、,16, 条件传送（查询式传送）,一般情况下，CPU在执行I/O时，很难保证输入设备总是准备好数据，或是输出设备已经处在接收数据状态。CPU必须先确认外设已处于准备传送数据状态，才能进行传送。 CPU必须先执行一条输入指令，从外设的状态口读取当前的状态。如果外设未准备好或处于忙碌状态，则程序要转回去反复执行读状态指令，不断检测外设的状态；直到外设准备就绪为止，然后CPU才可以进行正常的I/O操作。,17,A、查询式输入方式,当输入设备准备好数据后，就向I/O接口电路发一个选通信号。 将外设的数据打入数据锁存器中。 使D触发器的Q端置1，表明数据准备好。 CPU先执行IN指令读状态口的信息，三态
11、门开启，Q端的1送到D0位，并被读入累加器。 程序检测到D0为1后，便执行IN指令读数据口。 开启数据缓冲器，将外设送到锁存器中的数据经缓冲器送到数据总线后进累加器。 将D触发器清0，一次数据传送完毕。,18,A、查询式输入方式,设状态口的地址是PORT_S1,输入数据口的地址是PORT_IN,传送数据的总字节数为COUNT_1: MOV BX,0 ；初始化地址指针BX MOV CX,COUNT_1 ；字节数 READ_S1:IN AL,PORT_S1 ；读入状态位 TEST AL,01H ；数据准备好否？ JZ READ_S1 ；否，循环检测 IN AL,PORT_IN ；已准备好，读数据
12、MOV BX,AL ；存到内存缓冲区 INC BX ；修改地址指针 LOOP READ_S1 ；未传送完，继续传送.,19,查询式输出方式,当CPU准备向外设输出数据时，先执行IN指令读状态口的信息。三态门开启，从数据总线D1位读入BUSY状态。 若BUSY=1，表示外设在接收上一个数据的忙碌状态。 只有在BUSY=0时，CPU才能向外设输出新的数据。 程序检测到D1(BUSY)为0后，便执行OUT指令输出数据。 选通数据锁存器，将数据送向外设。 选通信号的后沿使D触发器翻转，置Q为高电平，将状态口的BUSY置1。 输出设备从接口中取出数据后，就送回一个应答信号ACK，将D触发器清0，即置BU
13、SY为0，允许CPU送出下一个数据。,20,B、查询式输出方式,设状态口的地址是PORT_S2,输出数据口的地址是PORT_OUT,传送数据的总字节数为COUNT_2:MOV CX，COUNT_2 ；传送的字节数 READ_S2: IN AL,PORT_S2 ；读入状态位TEST AL,02H ；忙否？JNZ READ_S2 ；忙，循环检测MOV AL,输出数据 ；不忙OUT PORT_OUT,AL；存到内存缓冲区LOOP READ_S2 ；未传送完，循环. ；已送完,21,2、中断方式,用查询方式须反复查询外设的状态。由于许多外设的速度很低，查询等待过程会占去CPU的绝大部分时间，而真正用于
14、数据交换的数据却很少，使CPU的利用率变得很低。为了提高CPU的利用率和进行实时数据处理，CPU常采用中断方式与外设交换数据。 采用中断方式后，CPU平时可以执行主程序，只有当输入设备将数据准备好，或输出设备的数据缓冲器已空时，才向CPU发出中断请求。 CPU响应中断后，暂停执行当前的程序，转去执行管理外设的中断服务程序。其中，用输入或输出指令在CPU和外设之间进行一次数据交换。 等输入输出操作完成之后，CPU又回去执行原来的程序。,22,5.2 可编程外围接口芯片8255A及其应用,0. 概述 1. 8255的外部引脚及内部结构 2. 8255的工作方式 3. 8255的控制字及状态字 4.
15、 8255的应用举例,23,0. 概述,并行接口：一次可以同时传送一个数据的所有位 并行接口的数据传送方向：一是单向传送(只作为输入口或输出口)，另一种是双向传送(既可作为输入口，也可作为输出口) 并行接口的可编程性：不可编程：简单(如锁存器或三态门)可编程：复杂，功能完善的并行接口中一般都包括输入/输出数据寄存器、控制寄存器(存放控制命令)、状态寄存器(保存当前工作状态)和总线缓冲器等部件8255是Intel公司为8086系列CPU配套的可编程并行接口芯片。通用性较强；使用灵活；典型的可编程并行接口。,24,1. 8255的外部引脚及内部结构,25,内部结构,26,与系统总线的连接示意图,2
16、7,2. 8255的工作方式,三种基本的工作方式：方式0：基本输入/输出方式 方式1：选通的输入/输出方式 方式2：双向传输方式 A口可以工作在方式0、方式1或方式2，B口和C口只能工作于方式0或方式1。 3个端口的工作方式可通过软件编程来设定。,28,方式0,A口、C口的高4位，B口、C口的低4位可分别定义为输入或输出，它们互相独立，故共有16种不同的组合。例如，可定义A口和C口高4位为输入口，B口和C口低4位为输出口,定义为输出的口均有锁存数据的能力，而定义为输入的口则无锁存能力 在方式0下，C口有按位进行置位和复位的能力,29,方式0的应用方式之一 无条件传送方式：传送数据的双方互相了解，不需要发控制信号给对方，也不需要查询对方状态，CPU只需直接执行输入/输出指令便可将数据读入或写出。 在无条件传送方式下，A、B、C 3个口的全部24位都可以用做数据线,30,方式0的应用方式之二 查询工作方式：需要通信双方互相了解对方的状态，但方式0由于没有规定固定的应答信号，这时常将C口的高4位(或低4位)定义为输入，用来接收外设的状态信号；而将C口的另外4位定义为输出，用来产生控制信号。 此时的A、B口可用来传送数据。,
