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第7章并行I/O接口本章内容7.1概述7.2MCS-51内部并行I/O端口及应用7.3并行I/O接口芯片7.4MCS-51并行I/O端口的扩展7.5MCS-51对LED/LCD/键盘的接口7.6MCS-51内部定时/计数器I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路。7.1概述什么是I/O接口？实现与外设的速度匹配外设普遍特点是工作速度较低；总线不允许一个设备长期占用，需要数据锁存器接口电路。改变数据传输方式并行和串行两种传送方式。改变信号的性质和电平串行系统负逻辑负电平:1正电平:07.1.1I/O接口电路的作用7.1.2外部设备的编址I/O端口(port)：简称I/O口，指I/O接口电路中带有端口地址的寄存器和缓冲器。用于对来自CPU和内存的数据或者送往CPU和内存的数据起缓冲作用的，这些端口叫数据端口。用来存放外部设备或者接口部件本身的状态，称为状态端口。用来存放CPU发出的命令，以便控制接口和设备的动作，这类端口叫控制端口（命令端口）。外设通过接口和系统的连接外设端口单独编址方式I/O端口地址空间与存储器地址空间是相互独立的。区分：专门的I/O指令与CPU进行信息传送。0000H存储器地址空间外设端口地址空间FFHFFFFH00HI/O端口的编址方式8086/8088的输入输出指令•输入指令（IN：将外设数据传送给CPU内的AL/AX）INAL,i8;字节输入INAL,DX;字节输入INAX,i8;字输入INAX,DX;字输入•输出指令（OUT：将CPU内的AL/AX数据传送给外设）OUTi8,AL;字节输出OUTDX,AL;字节输出OUTi8,AX;字输出OUTDX,AX;字输出与存储器统一编址方式I/O与存储器在同一地址空间进行编址。优点：CPU对I/O端口的操作与对存储器的操作一样。无需专门的I/O命令。缺点：I/O端口占用了存储的地址空间，使存储器的可用地址空间变小；由于访问I/O与访问内存的指令一样，在程序中不易分清是访问I/O还是访问内存，使程序阅读困难。0000H存储器地址外设端口地址FFFFHFF00H7.1.3CPU和外设之间的数据传送方式四种传送方式：同步传送\无条件传送异步传送\查询式传送中断传送DMA传送1.无条件传送不查询外设的状态而直接进行信息传输，称为无条件传输。适用场合：外设的工作速度非常快，可以和CUP数据传送速度相比，如开关、按钮、指示灯。外设速度虽不高，但两次数据传送的间隔足够长。2.查询传送方式在与外设进行传送数据前，CPU先查询外设状态，当外设准备好后，才执行I/O指令，实现数据传送。一般外设均可以提供一些反映其状态的信号，如对输入设备来说，它能够提供“准备好”（“READY”）信号，“READY”＝1表示输入数据已准备好。输出设备则提供“忙”(“BUSY”)信号，“BUSY”＝1表示当前时刻不能接收CPU来的数据，只有当“BUSY”＝0时，才表明它可以接受来自于CPU的输出数据。P241图7-4查询传送方式下CPU与外设工作过程示意图CPU外设传送传送传送查询等待查询等待I/O工作I/O工作特点：1.CPU通过不断查询外设状态，实现与外设的速度匹配2.CPU的工作效率低条件传送的三个环节(CPU)：CPU从接口中读取状态字。CPU检测状态字的对应位是否满足“就绪”条件，如果不满足，则回到前一步读取状态字。传送数据。对多个外设的情况，则CPU按一定顺序依次查询（轮询）。先查询的外设将优先进行数据交换查询环节–寻址状态口–读取状态寄存器的标志位–若不就绪就继续查询，直至就绪传送环节–寻址数据口–是输入，通过输入指令从数据端口读入数据–是输出，通过输出指令向数据端口输出数据输入状态就绪？数据交换YN流程查询传送流程3.中断方式为什么采用中断传送方式的原理？查询式优点是硬件开销小，使用起来比较简单。但CPU要不断地查询外设的状态，当外设未准备好时，CPU就只能循环等待，不能执行其它程序，这样就浪费了CPU的大量时间，降低了主机的利用率。主程序中断服务程序中断请求继续执行返回断点外设的数据已存入输入端口的数据寄存器；或端口的数据输出寄存器已空。CPU外设中断处理中断处理中断处理tCPU做其他工作做其他工作I/O工作I/O工作P242图7-5中断传送流程•希望克服程序控制传送的不足：外设→CPU→内存外设←CPU←内存•直接存储器存取DMA：外设→存储器外设←存储器•CPU释放总线，由DMA控制器管理4.DMA方式DMA传送方式的提出利用中断进行信息传送，可以大大提高CPU的利用率，但是其传送过程必须由CPU进行监控。每次中断，CPU都必须进行断点及现场信息的保护和恢复操作，这些都是一些额外的操作，会占用一定的CPU时间。如果需要在内存的不同区域之间，或者在内存与外设端口之间进行大量信息快速传送的话，用查询或中断方式均不能满足速度上的要求，这时应采用直接数据通道传送，即DMA数据传送方式。•优点：数据传输由DMA硬件来控制，数据直接在内存和外设之间交换，可以达到很高的传输速率（可达几MB/秒）•DMA（DirectMemoryAccess）意为直接数据传送，它是在内存的不同区域之间，或者在内存与外设端口之间直接进行数据传送，而不经过CPU中转的一种数据传送方式，可以大大提高信息的传送速度。DMA传送控制方式，解决了在内存的不同区域之间，或者内存与外设之间大量数据的快速传送问题，代价是需要增加专门的硬件控制电路，称为DMA控制器（DMAC）。总线由DMA控制器进行控制（CPU要放弃总线控制权），内存/外设的地址和读写控制信号均由DMAC提供。DMA传送流程P2427-6传送方式的比较•无条件传送：外设需与CPU保持同步•查询传送：简单实用，效率较低•中断传送：外设主动，可与CPU并行工作•DMA传送：DMAC控制，外设直接和存储器进行数据传送，适合大量、快速数据传送7.1.4I/O接口的类型•串行I/O接口串并、并串转换•并行I/O接口CPU和外设间速度和电平的匹配以及起到I/O数据的缓冲作用。7.2MCS-51内部并行I/O端口及其应用7.2.1MCS-51内部并行I/O端口8051共有四个8位的并行I/O口（P0、P1、P2、P3），共有32根I/O线。它们都具有双向I/O功能，均可作为数据输入/输出使用。作输出时数据可以锁存，作输入时数据可以缓冲。每个端口内部都有一个8位数据输出锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器，因此，CPU数据从并行I/O接口输出时可以得到锁存，输入时可以得到缓冲。在无片外扩展存储器的系统中，这4个端口的每个都可以作为准双向通用I/O端口使用。在具有片外扩展存储器的系统中，P2口作为高8位地址线，P0口分时作为低8位地址线和双向数据总线。P0口有三种操作方式：输出数据方式：输出数据送到端口引脚线上。读端口数据方式：对端口锁存器中数据读入。读引脚方式：从端口引脚读入数据。p244