54第6章 输入输出接口技术

第6章输入/输出接口技术6.1输入输出及接口6.2输入和输出的传送方式（重点）6.3可编程定时/计数器（重点）6.4可编程并行接口（重点）6.5串行通信和串行接口（重点）6.6模拟通道接口1．地址译码和I/O设备的选择主机和I/O设备（端口，input/outputport）的接口均挂在同一总线上，主机与I/O设备之间的数据传送经I/O接口通过数据总线进行。当主机进行I/O操作时，每个时刻只允许被选中的I/O接口与数据总线相通，与主机进行数据传送。其它非选中的I/O设备的接口应呈高阻状态，与数据总线隔离.随着大规模、超大规模集成电路工艺技术的发展，各种专用或通用接口芯片应运而生。通常，一个I/O接口具有下列功能：2．信息的输入与输出当主机选中I/O接口中的某个端口，则可在它们之间传送相应信息（数据、状态、控制）。3．数据的缓冲及锁存缓冲器：加强驱动能力锁存器：信息暂存4．信息的转换串—并、并—串转换；数字量—模拟量转换；电平（TTL电平、RS232电平等）转换；码制转换等。第7章微型机接口技术5．状态信息检测外设准备好（READY），空（EMPTY），忙（BUSY），收到（ACKNOWLEDGE），转换结束（EOC）等。6．外时钟定时计数器等。第7章微型机接口技术80X86系统常用接口芯片（一）并行接口芯片Intel8255，有三个8位端口A,B,CIntel8155，有三个端口,内带256字节RAM,两个定时器。（二）串行接口芯片Intel8251，同步异步串行接口。Intel8250，异步串行接口芯片。（三）计数定时器Intel8253/8254，三个通道16位定时计数器。（四）直接存取控制器（DMAC）Intel8237上述接口芯片功能可由程序改变，称为可编程接口芯片。数据总线DB控制总线CB地址总线AB存储器I/O接口输入设备I/O接口输出设备CPU微型计算机的结构示意图第6章输入/输出接口技术为什么外设不能象存贮器一样直接挂在CPU上第6章输入/输出接口技术6.1输入输出及接口计算机外设接口键盘鼠标CRT打印机绘图仪存贮器功能单一：（1）传送方式单一(传送一个字节)（2）品种单一RAM、ROM（控制信号确定)（3）格式单一（并行数字信号）（4）工作速度匹配外设功能复杂：（1）仅作输入、仅作输出、入/出兼作。（2）格式多种（并串），位数多种（3）外设品种繁多（光、机、电、声、磁等）（4）信号形式有脉冲、模拟量或数字量（5）速度不匹配6.1.1I/O信息的组成一、数据信息——要交换的数据本身1.数字量：按一定的编码标准（2#，ASCII码）由若干位组合所表示的数或字符。如键盘、CRT、打印机等设备与CPU交换的信息。2.模拟量：现场信息（如温度、压力、流量、位移等非电量）经过传感器而转换成电量（电压、电流），这些模拟量经过A/D、D/A转换器在CPU与外设间交换。3.开关量：一位2#信息：0、1。如开关的断开与闭合；控制电机的启、停等。通常这些开关量要经过相应的电平转换才能与计算机连接。第6章输入/输出接口技术数据的传送可采用并行（n位同时传送）串行（一位一位地传送）数据信息、状态信息及控制信息二、状态信息——表征外设的工作状态对输入接口,CPU是否准备好接收数据，“READY”准备好?对输出接口,外设是否准备好接收数据，“BUSY”外设忙吗?三、控制信息——CPU控制外设工作的命令CPU通过接口发出，如A/D转换器的启/停信号，设置外设的工作模式等。第6章输入/输出接口技术☆接口（interface）与端口（port）：传送这三种信息（数据、状态、控制）的接口电路中的寄存器称为数据、状态和控制端口。不同的寄存器有不同的端口地址，即用地址来访问。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，地址不是对接口而言。第6章输入/输出接口技术6.1.2I/O接口的作用数据缓冲或锁存设备选择信号转换（电平、格式）接收、解释并执行CPU的命令中断管理可编程功能1.I/0接口电路的功能2.I/0接口电路分类数据传送方式：并行接口串行接口功能选择的灵活性：可编程接口不可编程接口通用性：通用接口（8253定时/计数器、8259中断控制器、8257DMA、82508251串行接口、8255并行接口）专用接口（软盘控制器82718272、CRT8275、键盘显示8279）第6章输入/输出接口技术3.I/0接口电路的结构数据缓冲器状态寄存器控制寄存器接外设一侧主机外设总线驱动地址译码控制逻辑接CPU一侧DBABCB数据信息控制信息状态信息端口接口实现对CPU数据总线速度和驱动能力的匹配实现各寄存器端口寻址操作实现接口电路中的各寄存器端口的读/写操作和时序控制第6章输入/输出接口技术6.1.3I/O端口的编址方法为了区分接口电路的各个寄存器，系统为它们各自分配了一个地址，称为I/O端口地址，以便对它们进行寻址。I/O端口有两种编址方式：存储器映像方式、I/O独立编址方式1.存储器映像方式指I/O端口与存储器共享一个寻址空间，又称为统一编址。在这种系统中，CPU可以用同样的指令对I/O端口和存储器单元进行访问。优点：对I/O口的访问灵活方便，有利于提高端口数据的处理能力。缺点：I/O端口占用了主存地址，相对减少了主存的可用范围。第6章输入/输出接口技术2.I/O独立编址指主存地址空间和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。80X86系列微处理器采用独立的I/O编址方式CPU通过IO/M来区分对MEM还是对I/O操作。对应的指令不同，该信号线输出不同的电平。CPU使用地址总线中的A0～A15来寻址I/O口，故最大I/O空间是64K个字节端口（或32K个字端口）若用直接寻址方式寻址外设，可寻址256个端口，A0~A7译码。若用DX间接寻址外设，端口地址是16位的，用A15~A0译码。第6章输入/输出接口技术▲在PC/XT中，扩展总线上用A9~A0作为外设端口译码（部分译码方式），共可寻址210=1K个端口。当A9=0时，寻址主机板上的512个端口。当A9=1时，寻址I/0卡上的512个端口。80386微处理器或此后的微处理器构成的微机系统，采用全译码的方法，端口为64K个字节端口或32K个字端口。I/O端口地址选用的原则自行设计接口电路或给微机系统添加接口卡时，必须避免端口地址发生冲突.申明保留的地址，不要使用。用户可使用300H--31FH地址。第6章输入/输出接口技术I/O端口的地址译码将来自地址总线上的地址翻译成为所需要访问端口的选通信号I/O端口地址译码电路结构高位地址线与CPU的控制信号进行组合，经译码电路产生I/O接口电路的片选信号CS，实现系统中的接口电路（芯片）寻址。地址信号：由地址范围决定低位地址线直接接到I/O接口电路（芯片）的地址引脚，进行I/O接口电路（芯片）的片内端口寻址。端口的读写控制：输入需要缓冲，输出需要锁存I/O接口的访问控制微机系统的每个端口都有唯一的端口地址。端口读写控制的关键：除了由译码器产生片选信号外，还必须将读/写控制信号(RD、WR、IO/M)参加接口电路的选通或控制。逻辑门（门电路）第6章输入/输出接口技术在数字电路中实现逻辑运算的电路，简称逻辑门或门电路。逻辑门的表示方法：ABY&ABY≥1AY1逻辑门国家标准符号常用符号ABYABYYA与门Y=A∧B或门Y=A∨B非门Y=A逻辑门国家标准符号常用符号异或门Y=A∨B与非门Y=A∧B或非门Y=A∨BABY≥1ABY&ABY=1ABYABYABY第6章输入/输出接口技术三态门AYEN高电平低电平高阻态逻辑门高电平低电平AY逻辑门有两种输出状态：高电平（逻辑1）、低电平（逻辑0）三态门比逻辑门增加了一个控制端EN（又称使能端），当控制端有效时，三态门处于工作态，否则处于高阻态。第6章输入/输出接口技术高阻态的特点:处于高阻状态的三态门，其输出端既不会有电流流出，也不会有电流流入。如果与总线相连，此时三态门电路仍连在总线,但电气上与总线处于断开状态，对总线上的信号无影响.在总线结构的微机系统中，•任一时刻只能有一个设备利用总线进行数据传送，•输入设备的数据线应通过三态门与系统相连。当设备1与CPU进行数据传送时，设备2的数据信号应处于高阻态当设备2与CPU进行数据传送时，设备1的数据信号应处于高阻态总线CPU输入设备1EN1EN2输入设备2第6章输入/输出接口技术输出设备利用锁存器接受CPU输出的数据。1.使某输出设备锁存器的控制端处于触发状态，数据通过该锁存器.2.当触发信号消失，数据锁存在锁存器中，外设侧数据不随总线侧数据的变化而变化，使慢速的外设有足够的时间处理数据。CPU总线输出设备1CP1锁存器1输出设备2CP2锁存器2输出设备3CP3锁存器36.1.4简单的I/O接口I/0接口硬件分类不可编程可编程8253定时/计数器8259中断控制器通用接口8257DMA8250、8251串行接口芯片或8255、8155并行接口芯片软盘控制器8271、8272专用接口CRT8275键盘显示8279不可编程的I/O接口属简单的I/O接口，典型的芯片是三态缓冲器和数据锁存器。如：74LS244，245；74LS373,374增强总线的负载能力并隔离第6章输入/输出接口技术第6章输入/输出接口技术1.三态缓冲器凡输入数据到CPU的设备须经三态缓冲器挂在CPU的数据总线上。当该设备被选通时，占据总线并送上数据，否则让出总线（浮空），以防总线冲突。常用缓冲器：74LS244（单向），74LS245（双向）。IOR＝IO/M+RD第6章输入/输出接口技术输入缓冲电路当读有效时，才将缓冲器中的三态门打开，使外设的数据进入系统的数据总线其它时间，三态门处于高阻状态，不影响总线上的其它操作微处理器系统外部输入设备A0B0A1B1A2B2A3B3A4B4A5B5A6B6A7B7EDIR234567891817161514131211119译码片选IORDIR=1，A→BDIR=0，B→A74LS245第6章输入/输出接口技术上升沿将上升沿之前的数据打入273，并由273输出。设端口地址为：0000001000000000B即0200H，则MOVDX,0200HOUTDX,AL使WR、IO/M有效。IOW＝IO/M+WR2.数据锁存器当CPU输出数据到外设时，需将输出的数据锁存，以便较慢的外设有足够的时间进行处理，而CPU则脱身去做其它的工作。常用锁存器：74LS373，低电平锁存，高电平直通74LS273，上升沿将数据Di输出第6章输入/输出接口技术输出锁存微处理器系统外部输出设备D0Q0D1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q6D7Q7CLKCLR34781314171825691215161974LS27311译码片选IOW74LS32+5V1选中锁存器时，总线上的数据才能进入锁存器此后不管总线上的数据（锁存器输入端）如何变化，只要没有再次使锁存器的信号有效，锁存器的输出端就一直保持原来锁存的信息不变。第6章输入/输出接口技术3.简单接口举例NEXT：MOVDX，PORT_ININAL，DX；通过输入接口读入开关状态NOTALOUTDX，AL；通过输出接口控制发光二极管显示CALLDELAYJMPNEXT通过以下程序控制，实现发光二极管显示开关的开合状况。该例中输入接口和输出接口使用相同的口地址，不会出现矛盾。6.2输入/输出的传送方式☆程序控制的输入和输出☆中断控制的输入和输出☆直接存储器存取（DMA）第6章输入/输出接口技术6.2.1程序控制的输入和输出——在程序中利用I/O指令来执行输入和输出的一种方式。这种方式中,何时进行数据的传送是预先