微机原理与接口技术：第6章 接口技术与常见接口芯片

1、1 第6章 接口技术与常见接口芯片2主要内容接口技术概述常用I/O接口芯片人机交互设备接口技术36.1 接口技术概述4了解和掌握：接口电路的主要功能端口的概念端口的编址方式I/O地址译码56.1.1 接口电路的功能对输入/输出数据进行缓冲、隔离和锁存对信号的形式和数据格式进行转换寻址功能负责对CPU送过来的命令进行解释和执行66.1.2 I/O端口数据端口：存放计算机可以直接发送、接收和处理的数据。状态端口：存放外设和接口电路的工作状态。控制端口：对外设（包括接口）的工作模式的设定以及控制外设的工作端口7I/O端口CPU数据状态控制外设I/O接口基本结构DB6.1.3 I/O指令的寻址方式8直

2、接端口寻址间接端口寻址I/O指令的两种寻址方式96.1.4 I/O端口的编址方式8086/8088的寻址能力：内存：1MB端口：64K个编址方式：与内存统一编址独立编址10端口与内存的统一编址特点：指令及控制信号统一内存和外设的地址分布是统一的内存地址资源减少内存地址960KBI/O地址64KB00000HF0000HFFFFFH11端口的独立编址特点：设有专门的I/O指令，端口指令功能不丰富；内存和外设的地址独立分布；I/O地址不占用内存单元地址；内存地址I/O地址00000HFFFFFHFFFFH0000H126.1.5 I/O地址的译码片选：指由微机系统的地址译码器，对端口地址的高端部分

3、译码，生成相应的片选信号字选：指通过芯片内的译码电路实现对片内寄存器的寻址I/O空间译码13端口地址的产生当接口只有一个端口时，16位地址线一般应 全部参与译码，译码输出直接选择该端口；当接口具有多个端口时，则16位地址线的高 位参与译码（决定接口的基地址），而低位 则用于确定要访问哪一个端口。14三态缓冲和锁存总线的逻辑电路往往是三态的，即输出电平有三种状态：逻辑“1”、逻辑“0”和“浮空”状态。三态缓冲器通过“允许/禁止”输入端来禁止其操作。禁止时，输出呈现高阻抗状态。在高阻抗状态下，可以认为输出与电路的其他部分被断开。锁存器74LS373、缓冲器74LS244CPU对外设的选择6.1.6

4、 CPU与设备的数据传送程序传送方式：（1）无条件传送方式； （2） 查询传送方式。中断传送方式直接存储器存取（DMA）传送方式 15三种数据传送方式：166.2 常用I/O接口芯片17了解掌握：常用接口芯片8255A、8251A、8253以及8237A都是主机与外设通信必不可少的中间设备，这些设备为主机提供了外设的工作状态和数据，为外设“传达”了主机下达的一切命令和数据，实现了主机和外设之间协调一致的工作。6.2.1 可编程并行接口芯片188255A的内部结构：19A1A0操 作01000写端口01001写端口01010写端口01011写控制字寄存器00100读端口00101读端口00110

5、读端口00111无操作8255A基本操作与端口地址208255A的外部特性8255A的40脚DIP封装的引脚图如图所示：各类引脚详细说明见教材。218255A的命令字8255A的控制字就是从CPU写到控制寄存器中的命令，由8位组成。控制字的最高位为1时，控制字是工作方式命令字；控制字最高位为0时，控制字是PC口按位置/复位命令字。方式命令字格式PC口按位置/复位命令字格式22例1：编程使PC5引脚输出低电平。命令字应为00001010B即0AH。将该命令写入8255A的控制寄存器，就会使得从PC口的PC5引脚输出低电平，其程序段为：MOV DX，8255A+3MOV AL，0AHOUT DX，

6、AL例2：编程使引脚PC5输出高电平。MOV DX，8255A+3MOV AL，0BHOUT DX，AL例3：见教材8255A的初始化编程对8255A的初始化编程涉及到两个内容：一是写控制字设置工作方式等信息；二是使C口的指定位置位/复位。238255A的工作方式从方式命令字知道，8255A的A组有方式0、方式1方式2三种工作方式，B组有方式0、方式1两种工作方式。方式0简单输入/输出，A、B、C三个端口均可；方式1选通输入/输出，A、B两个端口均可；方式2双向输入/输出，只有A端口才有。248255A的应用编程作为通用的并行接口电路芯片，8255A具有广泛的应用：1）8255A在IBM PC

7、/XT机上的应用。2）8255A与打印机接口。3）用8255A完成两机并行通信。256.2.2 可编程串行通信接口芯片串行通信是将数据信息分解成为二进制位，用一条信号线一位一位顺序传送的方式。串行通信的特点是用于通信的物理链路少，在远距离通信中可以极大地降低成本。本节从串行通信的基本概念出发，介绍串行通信的接口标准RS-232C、通用一步接收发送器8251A。26串行通信的特点在数据传输和接受时需要并行数据与串行数据流互相转换传输的二进制位流中必须包含数据流和控制流。通信的双方约定串行通信的数据格式串行通信中需要进行逻辑关系和逻辑电平的转换串行通信中的物理传输手段各不相同，如可以用电缆方式，也

8、可以用无线方式串行通信用于计算机与其周边设备间的信息交换时，连接线路简单27串行通信的几个基本概念单工：通信双方的一方只发送数据，而另一方只接收数据半双工：数据可以在两个方向上传送，但通信双方不能同时收发数据全双工：通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作28串行通信的的分类异步通信：传数据的每两个字符之间的间隔时间可以不相等串行同步通信：将数据顺序连接起来，以一个数据块（帧）为传输单位，只在每个数据块前加一个或二个同步字符，这种传输模式就是同步通信。29EIA-RS-232C标准的信号线EIA-RS-232C标准规定了在串行通信时，数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间的接口信号。（详细

9、见教材）30点对点通信的连接方式近距离通信：不采用调制解调器MODEM（称为零MODEM方式），通信双方可以直接连接远距离通信：由于通信线路少，所以一般要使用调制解调器MODEM。31近距离：零MODEM方式的两种连接方法 远距离：有MODEM的RS-232C典型连接NS16550的内部结构NS16550的主要性能特点如下：芯片内部包含发送控制电路和接收控制电路，可实现全双工通信；支持异步通信；8250的数据传输速率可在5019 200bps范围内选择，16550的数据传输速率可在50115 200bps范围内选择；具有控制MODEM功能和完整的状态报告功能；增加了FIFO模式。32NS165

10、50内部功能结构33NS16550的外部引脚3416550引脚功能图：详细引脚说明见教材16550的内部可编程寄存器16550内部有11个可寻址访问的功能寄存器，但只用3根地址选择线A2A0来寻址，因此必然有两个寄存器共用一个端口地址的情况，对它们的区分是由DLAB位（除数锁存器访问）和读、写信号来实现的。按照其用途，可以将寄存器分为如下5组：通信控制和状态寄存器、用于波特率发生器的除数寄存器、 Modem的控制和状态寄存器、中断控制用寄存器、数据接收/发送寄存器3516550的内部可编程寄存器及控制字格式3616550的内部可编程寄存器及控制字格式37通信线控制寄存器16550的内部可编程寄

11、存器及控制字格式38通信线状态寄存器16550的内部可编程寄存器及控制字格式39Modem控制寄存器16550的内部可编程寄存器及控制字格式40Modem状态寄存器16550的内部可编程寄存器及控制字格式41中断允许寄存器16550的内部可编程寄存器及控制字格式42中断识别寄存器16550的内部可编程寄存器及控制字格式43FIFO控制寄存器16550的编程为确定通信波特率设置除数寄存器对通信线路控制寄存器设置，以确定异步通信的字符格式设置FIFO控制寄存器。设置中断允许寄存器，以确定CPU与16550进行数据传送时，是否采用中断传送方式。设置Modem控制寄存器44主要步骤（实例见教材）：16

12、550的编程4516550的编程4616550的编程4716550的编程486.2.3 可编程定时/计数器8253/8254：在微型计算机及其应用系统中，常用到定时与计数技术，其实现的方法主要有三种，即软件方式、不可编程硬件方式和可编程硬件方式。8253/8254定时/计数器的工作原理8253的特点498253的内部结构8253芯片内部有6个功能模块，包括数据总线缓冲器、读写控制逻辑、控制寄存器和三个计数器部件。508253用作计数器时，加在CLK引脚上脉冲的间隔可以是不相等的；当它用作定时器时，则在CLK引脚应输入精确的时钟脉冲，8253所能实现的定时时间，取决于计数脉冲的频率和计数器的初值

13、，即：定时时间=时钟脉冲周期Tc预置的计数初值n作计数器用时，要求计数的次数可直接作为计数初值预置到减“1”计数器中；作定时器用时，计数初值即定时系数（要求定时的时间/时钟脉冲周期），应根据要求定时的时间和时钟脉冲周期进行如下换算得出。518253的外部引脚528253的外部引脚图:详细见教材8253的工作方式8253的每个计数器都有6种工作方式可供选择方式0计数结束时中断方式。538253的工作方式方式1可重复触发的单稳态触发器548253的工作方式方式2频率发生器。558253的工作方式方式3方波发生器。568253的工作方式方式4软件触发的选通信号发生器。578253的工作方式方式5硬件

14、触发选通方式。588253的方式控制字59方式控制字用来设置三个计数器的工作方式、计数方式及读写操作方式。方式控制字的格式如图8253的读操作直接读操作：直接读操作是通过控制计数器的GATE信号来实现的。计数器锁存命令：8254在8253计数器锁存命令字的基础上增加了一个读回命令字。读回命令：读回命令用来将指定计数器的CE的当前内容锁存入OL或将状态寄存器的内容锁存入状态锁存器或者是将两者同时锁存。608253的应用编程8253的编程应用主要是指通过编程设置计数器的工作方式、写入计数初值、在计数过程中读取计数值和状态信息或者改变某通道的计数初值。8253的初始化分两步进行（实例见教材）：写入控

15、制字写入计数初值618253的应用编程例如： 设8253端口地址为40H43H，要求计数器2工作于方式1，按BCD码计数，计数初值为十进制数4000，写出初始化程序段。628253在PC/AT机中的应用8253的三个计数器在PC/AT机中有专门的应用，其初始化由BIOS完成63 8253应用的硬件连接6.2.4 DMA控制器8237ADMA传输的特点有：不需要CPU执行输入输出指令来实现数据的传输需要专门的硬件电路DMA控制器（DMAC）来支持DMA操作，DMA控制器可以是一个独立的接口芯片，也可以集成在其他接口芯片中。 648237A的内部结构及寄存器8237包含4个独立的通道，其工作特点如

16、下：含有4个相互独立的通道，每个通道的DMA请求可以分别被允许/禁止；每个通道的DMA请求有不同的优先权，可以通过程序设置为固定的或者是旋转的方式；传送的最大数据块的长度为64K字节4种工作方式：单字节传送、数据块传送、请求传送、级连方式；允许用 输入信号来结束DMA传送或重新初始化8237可以级连以增加通道数。658237A的外部引668237A外部引脚图：详细见教材8237A的工作方式DMA有以下4种工作方式：单字节方式连续方式请求方式级联方式678237A的工作时序8237A的工作过程由两部分组成，即由空闲周期和工作周期组成。从时间顺序来看，可看成两种操作周期：DMA空闲周期（被动态）和

17、DMA有效周期（主动态）。每个操作周期由一定数量的时钟状态组成。8237A共有7种状态周期SI、S0、S1、S2、S3、S4及SW。每个时钟状态是一个完整的时钟周期T688237A的初始化编程698237的初始化流程706.3 人机交互设备接口技术6.3.1 键盘的分类键盘按其按键的结构形式来分一般有机械式、电容式、电感式、磁感式、薄膜式和橡胶垫式等。常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种71键盘按键结构示意图键盘插座示意图及各引脚功能6.3.2 键盘的工作原理72 非编码键盘接口原理6.3.3 PC系列机的键盘PC微机常用的键盘有101键的增强型键盘和102键的扩展键盘以及104键的Wind

18、ows键盘。各键数的键盘均具有如下特点：键盘由单片机、译码器和16行8列的键开关矩阵三大部分组成按键采用电容开关它是一种由单片机扫描、编码的智能化键盘它是一个与主机箱分开的独立部件，通过一根五芯电缆与主机相连接。73PC/XT机与键盘的接口PC/XT系列键盘主要由单片机、译码器和16行8列的键开关阵列三部分组成，如图：74PC/AT机与键盘的接口PC/AT机的键盘接口电路远比PC/XT的键盘接口电路复杂。PC/AT机采用8042（8741或8742）作为键盘接口控制电路，负责键盘接口的全部功能，实现了键盘与主机之间的双向数据传送。8042芯片是40引脚的双列直插式芯片，8042内部包括8位CP

19、U、2KB ROM、128B RAM、两个8位I/O端口、8位定时/计数器以及时钟发生器。75用作AT机键盘的接口76AT机键盘接口功能：接收键盘输出的键扫描码产生键盘中断接收并执行系统命令6.3.4 鼠标接口由于现代操作系统以日趋图形化，因此给用户提供的作业控制操作已由命令行方式改为图形方式，使用窗口菜单和按钮组成的图形界面。这种操作方式离不开鼠标，鼠标已成为现代操作系统人机交互的必不可少的输入设备。77鼠标器的分类从结构上可以把鼠标分为机械式鼠标和光电式鼠标两类。从鼠标器与主机的接口方式上可以把鼠标器分为总线式鼠标、标准RS-323C串口鼠标、PS/2鼠标和USB鼠标。从鼠标的按键形式上可

20、分为两键鼠标、三键鼠标和滚轮鼠标。78鼠标器的工作原理鼠标器的工作就是要将鼠标在平面上的移动变成光标在屏幕上的绝对位置，并在这个位置上按下按键或拨动滚轮完成相应的操作。79光电式鼠标结构示意图机械式鼠标器组成原理鼠标器与主机的连接对于标准RS-232C接口的鼠标器一般使用DB-9连接器和主机相连，鼠标器以标准RS-232C串行信号方式向主机发送串行数据。USB鼠标器使用标准USB接口与主机相连，用USB数据格式向主机发送鼠标事件的串行数据，占用一个普通的USB插口，也不再需要任何其他辅助电路。PS/2鼠标器采用专用六芯插接口来完成鼠标器与主机的连接，并配上专用的驱动程序。806.3.5 显示器接口技术显示器是任何计算机系统不可缺少的设备，它是人机交互的最基本的输出设备。81LED显示器接口技术LED显示器的结构LED显示器的七段字符编码82LED显示器的外形和内部图LED显示器的接口用多个数码管组成LED显示器的接口电路都比较简单，一般的驱动显示有两种方法：静态驱动法和动态驱动法。静态驱动法：通过硬件线路锁存要显示的字符动态驱动法：采用一般的并行驱动电路或锁存电路连接数码管显示器。83CRT显示器接口技术CRT（Cathode Ray Tube，阴极射线管）显示器是微机系统中一种最基本的人机交互输出设备。由于它能将计算机中