第8章-输入输出接口及常用接口芯片-微型计算机原理(第三版)(共10章)课件

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8.1概述

8.3输入输出的数据传送方式

8.5可编程计数器／定时器8253

8.2输入输出端口

8.4可编程并行通信接口8255A

8.6可编程串行通信接口8251A09一月2023第1页8.1概述8.3输10一月2023第2页8.1接口电路概述8.1.1接口基本概念输入设备：输入信息输出设备：送出结果输入设备键盘、鼠标、扫描仪、磁带机、磁盘机、光盘机、解调器、A/D转换器输出设备显示器、打印机、绘图仪、磁带机、磁盘机、光盘机、调制器、D/A转换器

各设备的组成结构、电气性能和工作原理各不相同09一月2023第2页8.1接口电路概述8.1.110一月2023第3页接口电路：计算机之间，计算机与外围设备之间，计算机内部部件之间起连接作用的逻辑电路。接口电路是CPU与外部设备进行信息交互的桥梁。

输入、输出接口电路也称为I/O电路(INPUT/Output)，即通常所说的适配器、适配卡或接口卡。它是微型计算机与外部设备交换信息的桥梁。09一月2023第3页接口电路：计算机之10一月2023第4页

(1)接口电路结构：一般由寄存器组、专用存储器和控制电路几部分组成，当前的控制指令、通信数据、以及外部设备的状态信息等分别存放在专用存储器或寄存器组中。

(2)接口电路的连接：所有外部设备都通过各自的接口电路连接到微型计算机的系统总线上去。

(3)通信方式：分为并行通信和串行通信。并行通信是将数据各位同时传送；串行通信则使数据一位一位地顺序传送。09一月2023第4页(1)接口电路10一月2023第5页外部设备种类繁多，输入/输出的信号各不相同计算机只能处理数字信号，外设提供的是模拟信号或数字信号外设的数字信号可以是并行信号或串行信号，而计算机只能接收和发送并行信号外设的输入/输出速度有很大差别。计算机与外部设备之间传送的信息格式和电平高低也是多种多样外部设备需要接口电路与计算机相连，而为什么不能象存储器那样直接连接到数据总线、地址总线和控制总线呢？09一月2023第5页外部设备种类繁多，输入/输出的信号10一月2023第6页解决的办法：加入转换及控制电路，实现信号的转换及传输速度的匹配外设接口电路必然是多样化的定义：把外部设备同计算机连接起来实现数据传送的转换和控制电路称为外设接口电路，简称外设接口。计算机如何和这些电气性能不同、速度不同以及所处理的信息格式不同的设备连接，以便能够正确地输入/输出信息，而不造成信息的混乱、丢失呢？09一月2023第6页解决的办法：加入转换及控制电路，实10一月2023第7页8.1.2接口电路的功能外部设备的多样性，导致接口电路多样性。接口的基本功能传输信号提供缓冲功能满足接口两边的时序要求外设接口电路应具有的功能1．数据格式转换3．数据缓冲功能5．实现电平转换及驱动7．可编程序功能2．提供联络信号4．译码选址6．具备时序控制8．错误检测功能09一月2023第7页8.1.2接口电路的功能外部10一月2023第8页1．数据格式转换接口与系统总线之间，采用并行传送接口与外设之间，采用并行传送或串行传送串行外设，接口具有串/并转换、并/串转换能力并行外设，接口具有拼装和分解的能力接口产生校验位及对数据进行校验的功能2．提供联络信号即状态信息：协调数据传送3．数据缓冲功能具有输入缓冲、输出锁存的功能09一月2023第8页1．数据格式转换接口与系统总线之间10一月2023第9页4．译码选址根据地址信号提供地址译码的功能5．实现电平转换及驱动计算机与外设的电源可能不同数据总线的驱动能力有限6．具备时序控制对于工作同步，提供复位电路对于信号同步，具有时钟发生器7．可编程序功能编程决定接口的功能8．错误检测功能检测数据传输错误和覆盖错误09一月2023第9页4．译码选址根据地址信号提供地址译10一月2023第10页8.1.4通信的概念

CPU与外部设备之间,计算机和计算机之间需要进行信息交换，所有这些信息交换均称为1.并行通信是指数据的各位同时进行传送的方式，特点是传输速度快。例如，CPU将数据通过并口送给打印机等都属于并行通信。通信的基本方式分为并行通信和串行通信两种。当距离较远、位数又多时，则导致了通信线路复杂且成本高。09一月2023第10页8.1.4通信的概念10一月2023第11页2.串行通信是指数据的各位一位一位地进行传送,特点是通信线路简单，只需要一对传输线。节省传输线（优点）；数据传输率较低（缺点）主要适用于长距离、低速率的通信中。并行通信把一个字符各位用几条线同时进行传输。和串行通信相比，并行通信的信息实际传输速度快，信息传输率高。远距离成本高。09一月2023第11页2.串行通信是指数据的10一月2023第12页串行通信有三种情况：即单工通信方式、半双工通信方式和全双工通信方式。⑴

单工和双工通信方式发送器接收器单工发送器/接收器发送器/接收器半双工发送器/接收器发送器/接收器全双工09一月2023第12页串行通信有三种情况：即单工10一月2023第13页⑵

同步方式和异步方式

①异步通信：每个字符的前面要有一位起始位，起始位后面紧跟的是字符(数据字)，最后是停止位，两个字符间的传输间隔是任意的。

标准的异步通信数据格式

MARK1

1

1111第n个字符第n个字符第n+1个字符5～8位数据位0起始位校验位1位终止位1,1.5或2位先送低位09一月2023第13页⑵同步方式和异步方式①10一月2023第14页波特率的概念：单位时间内传送的二进制数据的位数，以位/秒（b/s）表示，也称为数据位率。它是衡量串行通信速率的重要指标。波特率因子的概念：通信时，发送端和接收端都要用时钟来测定每1位对应的时间长度，它们称做发送时钟和接收时钟，这两个时钟的频率相等，是信息位传输的16倍、32倍或者64倍。称为波特率因子。波特率因子=n×波特率一般n取1,16,32和64等。对于异步通信，常采用n=1609一月2023第14页波特率的概念：单位时间内传送的二10一月2023第15页当n=16时，数据传输监测示意图如下：能完成上述功能的部件为通用异步收发器(UART——UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter)。

09一月2023第15页当n=16时，数据传输监测示意图10一月2023第16页③同步通信同步串行通信是以数据块（字符块）为信息单位传送，而每帧信息包括成多个字符，传送一旦开始，要求每帧信息内部的每一位都要同步。

同步字符1同步字符2数据信息图9-1-3同步通信数据格式

有关串行通信的物理标准

字符格式：通信双方要约好字符的编码形式、奇偶校验形式以及起始位和停止位的规定。09一月2023第16页③同步通信同步串行通信是以数据10一月2023第17页波特率(Baudrate)：波特率或传输率就是指每秒传输信息的位数，衡量数据传送速率的指标要求发送端和接收端数据传送速率相同。例1：每个字符对应1个起始位，7个信息位，1个校验位，1个停止位，波特率为1200位/秒(波特)，则每秒传输的字符数为：1200/10=120个。每一位的传送时间Td就是波特率的倒数，如1200波特率，则：Td=1/1200=0.833ms09一月2023第17页波特率(Baudrate)：10一月2023第18页答：1）波特率是

(7位数据位+1位起始位+1位校验位+1位停止位)×240=2400b/s2）有效数据位传输位是：7×240=1680b/s3）传输效率是：1680/2400=70%例2：异步传输7位ASCII码，如果需要数据传输速率为240字符/秒，用1位奇偶校验位和1位停止位，则：1）波特率应该是多少？2）有效数据位传输位是多少？3）传输效率是多少？常用的标准波特率为：110，300，600，1200，1800，2400，4800，9600，19200，……。09一月2023第18页答：1）波特率是例2：异步传输710一月2023第19页3．远程串行通信

采用模拟载波传输方式。如在采用有形介质（如电话线）进行串行通信时，通信双方各接入一个专门设备——调制解调器，将数字信号调制成模拟信号在电话线上传输，在接收端将模拟信号解调，还原成数字信号。

电话线09一月2023第19页3．远程串行通信采用模拟载10一月2023第20页8.1.3接口信号与计算机交换的信息数据信息、状态信息和控制信息。1．数据信息数字量、模拟量、开关量2．状态信息外设发送给计算机，反映外设工作状态有BUSY和READY3．控制信息计算机发送给外设，控制外设的工作随着外设的具体工作原理不同而具有不同含义09一月2023第20页8.1.3接口信号与计算机交10一月2023第21页8.2输入输出端口8.2.1输入输出端口的概念数据信息、状态信息和控制信息都是信息，存放在接口的不同寄存器（端口，Port）中，每个端口有端口地址。数据端口：存放数据信息。输入端口、输出端口状态端口：存放外设或接口部件本身的状态信息控制端口：存放CPU发往接口的控制信息，以控制接口和外部设备工作09一月2023第21页8.2输入输出端口8.2.110一月2023第22页输入设备具备数据输入端口，状态端口，控制端口输出设备具备数据输出端口，状态端口，控制端口输入输出设备具备数据输入和输出端口，状态端口，控制端口典型的外设接口：I/O接口控制端口状态端口数据输出端口数据输入端口CPU外部输入设备或输出设备DB控制信息状态信息数据信息CBABABCB09一月2023第22页输入设备具备数据输入端口，状态端10一月2023第23页8.2.2输入输出端口编址方式对外设的访问实质上是对端口的访问外设I/O端口的地址安排I/O端口独立编址I/O端口与存储器统一编址独立编址的I/O端口，用I/O指令操作I/O端口与存储器统一编址，用通用数据传送等指令操作09一月2023第23页8.2.2输入输出端口编址方式10一月2023第24页存储器的地址空间为2n字节，地址范围为0~2n-1；若I/O寻址为16位，则I/O端口地址空间为216=65536字节，地址范围为0~65535存储器访问和I/O端口访问不会发生冲突存储器的读、写操作由MEMR和MEMW信号控制1．I/O端口独立编址方式（I/O指令寻址）端口的读、写操作由IOR和IOW信号控制，用IN指令和OUT指令操作两个独立的地址空间，地址空间重叠09一月2023第24页存储器的地址空间为2n字节，地址10一月2023第25页地址空间的分配接口与存储器空间相互独立09一月2023第25页地址空间的分配接口与存储器10一月2023第26页I/O端口独立编址方式的优点

端口地址码短，译码电路简单，指令执行速度快存储器与端口操作指令不同，程序清晰，便于理解存储器地址和端口地址独立，端口地址空间不占用存储器地址空间存储器和端口的控制结构相互独立，可分别设计，且利于系统扩展I/O端口独立编址方式的缺点需要专门的I/O指令，且只有IN和OUT两类指令只能对I/O端口进行输入和输出操作，不能进行其它运算处理所以程序设计的灵活性较差09一月2023第26页I/O端口独立编址方式的优点端10一月2023第27页2．I/O端口与存储器统一编址(存储器映像编址)端口被看作存储器单元，分配给一个地址存储器和I/O端口共用一个地址空间，两者的地址是连续的，大小总共为2n字节CPU把I/O端口当作存储单元一样进行访问，不再需要专门的I/O指令对I/O端口操作，可使用所有的存储器指令09一月2023第27页2．I/O端口与存储器统一编址(10一月2023第28页地址空间的分配接口与存储器空间合而为一09一月2023第28页地址空间的分配接口与存储器10一月2023第29页I/O端口与存储器统一编址的优点

所有指令都可用于I/O端口从而编程灵活，操作方便I/O端口与存储器统一编址的缺点

端口地址占用了存储器地址，使得存储器的地址空间相对减少受地址空间的限制，不利于系统扩展由于地址位数长，指令码相对增长，使得指令执行速度较慢09一月2023第29页I/O端口与存储器统一编址的优点10一月2023第30页8.2.3输入输出端口的地址译码通过CPU给出的地址信号选定一个端口可附加控制信号参与地址译码按照译码电路采用的元器件的不同，分为门电路译码与专用译码器译码

据使用的地址信号多少，分为全译码方式和部分译码方式09一月2023第30页8.2.3输入输出端口的地址10一月2023第31页全译码：全部地址信号参与译码部分译码：部分地址信号参与译码部分译码方式多个地址对应一个端口，因为未参与译码的地址线的信号可以为任意值当系统中端口较多时，为避免地址的冲突，采用全部地址译码当系统中端口较少，为减少译码电路的复杂性，可采用部分地址译码09一月2023第31页全译码：全部地址信号参与10一月2023第32页1．门电路译码如图示：I/O端口独立编址时的译码电路，对A0～A9地址信号进行译码，信号为1101001110B，即34EH。当接口电路中需要端口较少时采用此方式此为部分地址译码（由于A10～A15信号任意，则34EH、74EH、B4EH…等都有效）09一月2023第32页1．门电路译码如图示：I/O端口10一月2023第33页2．译码器译码A15～A3的地址组合为0000001110000时选中74LS138当接口电路中需多个端口地址时，采用专用译码器译码。09一月2023第33页2．译码器译码A15～A3的地址10一月2023第34页8.3输入输出的数据传送方式计算机与I/O接口间的数据传送即数据交换。数据传送的控制方式

程序直接控制传送方式、中断方式、DMA方式和I/O处理机方式8.3.1程序直接控制传送方式定义：是指在程序控制下进行的数据传送，通常是在用户程序中安排一段由I/O指令和其它指令组成的程序段，直接控制I/O接口的输入/输出操作。又分为无条件传送方式和程序查询传送方式09一月2023第34页8.3输入输出的数据传送方式10一月2023第35页1．无条件传送方式又称同步传送方式。传送时无需查询外设的状态，而直接使用I/O指令进行数据传送。外设的状态固定、事先已知其状态，不需进行查询判断，直接利用I/O指令进行数据的传送优点硬件、软件开销小只需等待一段时间后进行输入/输出即可使用场合用于对一些简单外设的操作，如读取开关状态、驱动七段数码管显示硬件不需要状态端口和控制端口软件09一月2023第35页1．无条件传送方式又称同步传送方10一月2023第36页无条件传送的接口电路：

接发光二极管接开关地址300H地址301H则输入/输出程序段为：CONTR:MOVDX,301H ;输入端口地址送入DXINAL,DX ;读取开关状态

MOVDX,300H ;输出端口地址送入DXOUTDX,AL ;控制发光二极管亮灭09一月2023第36页无条件传送的接口电路：接发光二10一月2023第37页采用无条件传送的数据采集系统八选一模拟开关A/D转换器通道选择转换为数字读取09一月2023第37页采用无条件传送的数据采集系统八选10一月2023第38页2．程序查询传送方式又称为条件传送，或异步传送I/O操作前，不断读取并测试外设的状态。就绪，则交换信息，否则继续查询等待，直到就绪。接口电路中应具有数据端口和状态端口传送过程①读取状态字②测试状态字的相应位是否满足“就绪”条件，如果不满足，则回到前一步继续读取状态字③如果状态字表明外设已经处于“就绪”状态，则传送数据

程序查询传送有查询输入和查询输出。09一月2023第38页2．程序查询传送方式又称为条件传10一月2023第39页⑴查询式输入工作过程为：①外设发选通信号，将外设的数据打入锁存器；另使D触发器输出1，送状态缓冲器；②读取状态缓冲器；③准备好则读取数据缓冲器

程序查询输入接口电路

查询式输入流程查询输入部分的程序为：INDATA:IN AL，STATUS_PORT ；从状态端口读入状态

TEST AL，01H ；测试是否“准备好”

JZ INDATA ；否，转INDATA循环测试

IN AL，DATA_PORT ；是，从数据端口读取数据复位状态状态数据09一月2023第39页⑴查询式输入工作过程为：10一月2023第40页⑵查询式输出工作过程:①外设空闲，发ACK复位D触发器作为外设状态；②CPU读取外设状态；③若外设空闲，则送出数据，并置位D触发器；读状态送数据置位09一月2023第40页⑵查询式输出工作过程:读状态送数10一月2023第41页OUTDATA:IN AL,STATUS_PORT ;读入状态 TEST AL,80H ;测试是否”忙”

JNZ OUTDATA ;是,转OUTDATA循环测试

MOV AL,STORE ;否,从缓冲区取数据

OUT DATA_PORT,AL ;输出到数据端口查询输出部分的程序为：09一月2023第41页OUTDATA:IN 10一月2023第42页⑶采用查询方式的数据采集系统图示电路为采用查询方式进行八路模拟量输入的数据采集系统。09一月2023第42页⑶采用查询方式的数据采集系统图示10一月2023第43页8.3.2中断传送方式程序直接控制数据传送方式的优点是电路简单、软件简练且清晰，但效率低。利用中断实现CPU和外设间的数据传送——中断传送方式。在外设就绪时暂停执行主程序在一定程度上实现了CPU和外设的并行工作在一定程度上也实现了外设与外设间的并行工作09一月2023第43页8.3.2中断传送方式程序直10一月2023第44页为了实现中断传送，计算机系统应提供相应的软件和硬件方面的支持。在软件方面，要编制中断申请对应的中断处理（服务）程序模块并装入内存，再将各模块的首地址写入中断向量表。在硬件方面，设置CPU使其能够响应中断，设置中断接口与中断控制。有关中断的详细内容见第8章中断系统。09一月2023第44页为了实现中断传送，计算机系统应提10一月2023第45页8.3.3DMA（直接存储器存取）方式中断传送方式需要保护断点、标志和保护现场等操作，存在着CPU运算资源得不到充分利用的问题。对于高速外设，中断传送方式甚至不能满足数据传送的要求。为此提出了在外设和内部存储器之间直接传送数据的方式，即DMA方式（DirectMemoryAccess）。DMA方式传送数据直接在外设与内部存储器之间进行，即开辟了一条数据传送通道，传送期间不需CPU干预也不需要软件介入，数据传送的速度的上限就取决于存储器的工作速度。DMA控制器(DMAC-DirectMemoryAccessController)实施DMA传送控制09一月2023第45页8.3.3DMA（直接存储器10一月2023第46页CPU存储器高速设备DMAC总线DMA控制器作为系统的核心，具有两个特性：总线从属性和总线主控性。总线从属性DMAC如同普通的I/O接口芯片，可由CPU通过对其端口进行读写，设置DMAC的工作方式总线主控性DMAC作为DMA系统的核心器件，在DMA传输中其表现如同CPU一样，可掌管总线控制权09一月2023第46页CPU存储器高速设备DMAC总线10一月2023第47页1.DMA控制器的功能通常地址总线、数据总线和一些控制信号线由CPU管理。在DMA传送时，DMA控制器接管这些总线。控制数据的传送、判断DMA传送是否结束以及发出DMA结束等信号。所以DMA控制器必须具备以下功能①DMAC能够向CPU发出总线请求信号HOLD

②DMAC接管对总线的控制，进入DMA方式09一月2023第47页1.DMA控制器的功能通常地址10一月2023第48页④在DMA传送期间，能发出读、写等控制信号⑤能决定传送的字节数，以及判断DMA传送是否结束⑥在DMA传送结束，向CPU发出DMA结束信号，将总线控制权交还给CPU，使CPU恢复正常工作状态③DMAC能发出地址信号，对存储器、外设进行寻址；在完成一次传送后修改地址指针，以便传送下一数据09一月2023第48页④在DMA传送期间，能发出读、写10一月2023第49页2.DMA接口DMA系统框图为：09一月2023第49页2.DMA接口DMA系统框图为10一月2023第50页关键是如何识别合适的、可挪用的周期，以避免与CPU的操作发生冲突（即同时使用总线）。就是利用CPU不访问存储器的那些周期“挪用”过来实现DMA操作，此时，DMA控制器可以使用总线而不用通知CPU也不会影响CPU的工作，这种方法称为“周期挪用”。3.DMA操作的基本方法周期挪用、周期扩展和CPU停机方式三种⑴周期挪用方式周期挪用方式不影响CPU的操作，也不减慢CPU的速度，但可能需要复杂的时序电路来判断可以挪用的周期，并且数据的传送是不连续的、不规则的，所以使用的不普遍。09一月2023第50页关键是如何识别合适的、可挪用的周10一月2023第51页⑵周期扩展方式周期扩展方式需使用专门的时钟发生器/驱动器电路当需要进行DMA传送时，由DMA控制器发出请求信号给时钟电路，于是时钟电路把提供给CPU的周期加宽，而提供给存储器和DMA控制器的时钟周期不变。这样，CPU在加宽的时钟周期内仍按正常的时钟周期继续操作，而加宽的时钟周期却相当于若干个正常的时钟周期，可用来进行DMA操作。这种操作方法使得CPU的处理速度降低，且CPU时钟周期的加宽是有限制的。因此，用这种方法进行DMA传送，一次只能传送一个字节。09一月2023第51页⑵周期扩展方式周期扩展方式需使用10一月2023第52页⑶CPU停机方式该方式是最常用也是最简单的DMA传送方式。当DMAC要进行DMA传送时，DMAC向CPU发出DMA请求信号，迫使CPU在现行机器周期结束后，让出总线控制权，使三总线对CPU处于高阻状态，并给出DMA响应信号，DMAC接到响应信号后，就接管总线的控制权，进行数据传送的控制操作，至DMA操作完成，DMAC撤消DMA请求信号，CPU再恢复对总线的控制权，继续执行被打断的程序。09一月2023第52页⑶CPU停机方式该方式是最常用也10一月2023第53页DMAC保持DMA请求信号的时间决定了CPU让出总线控制权的时间，所以可以进行字节传送或数据块的传送采用CPU停机方式进行DMA传送期间，CPU一直处于空闲状态，而不能进行任何操作，包括响应中断及动态存储器的刷新都不能正常进行，所以该方式降低了CPU的利用率，并且在使用时要考虑DMA控制器控制总线使用权的时间。09一月2023第53页DMAC保持DMA请求信号的时间10一月2023第54页4.DMA数据传送方式三种方式：单字节传送方式、成组（块）传送方式和请求传送方式。单字节传送方式每次DMA请求只传送一个字节的数据，传送结束后把总线控制权归还CPU接管。以后CPU又测试DMA请求信号是否有效，若有效则再次进入DMA周期。注意：①在DMA响应信号有效前，DMA请求信号必须一直保持有效；②既使连续请求DMA操作，在两个字节传送之间DMA控制器也必须释放总线控制权，中间至少有一个总线周期是让CPU使用的。09一月2023第54页4.DMA数据传送方式三种方式10一月2023第55页成组（块）传送方式每次DMA请求传送一组信息，不停顿地传送直到规定长度的字节传送完后，DMA控制器才撤消请求信号释放总线控制权。既使把DMA请求信号撤除，也能保证连续传送。结束信号只能由DMAC中的计数器产生。在DMA传送中，为了使源和目的间的数据传送取得同步，不同的DMA控制器在操作时都受到外设请求信号或准备就绪信号的限制。09一月2023第55页成组（块）传送方式每次DMA请求10一月2023第56页请求方式成组传送又称查询传送方式，类似于成组传送方式。每传送一个字节后，DMA控制器都检测DMA响应信号是否有效，若无效，则挂起，但并不释放总线；若有效，则继续DMA传送，直到一组信息传送结束或外加信号强制DMA控制器终止操作。09一月2023第56页请求方式成组传送又称查询传送方式10一月2023第57页5.DMA控制传送过程三个阶段：传送前的初始化、数据传送和传送后处理。DMAC的初始化工作前，完成必要的准备工作，向DMAC有关寄存器预置初态，包括：①数据传送方向，即指定I/O设备对存储器“读”还是“写”。通过指定控制/状态寄存器中相应控制位的值来实现；②数据来源于何处及传送到何处，即需要传送的数据块在主存和在I/O设备的首地址；③指定需要传送数据的字节数，即指定计数寄存器的初值。预置工作完成后，就将外设与主存之间数据传送的控制权交给了DMA控制器，即启动了DMA数据传送操作方式，CPU仍继续执行原来的程序09一月2023第57页5.DMA控制传送过程三个阶段10一月2023第58页DMA数据传送在外设准备好发送的数据（输入）或接收的数据已处理完毕（输出），外设向DMA控制器发DMA请求，再由DMA控制器向CPU发总线请求信号（HOLD）。当CPU允许进行DMA传送时（发回HLDA），便开始了一次DMA传送。09一月2023第58页DMA数据传送在外设准备好发送的10一月2023第59页②DMA请求触发器向控制/状态逻辑发出准备就绪信号，再由控制/状态逻辑向CPU发HOLD信号，申请进行一次DMA传输；以成组输入为例说明传送过程：①外设准备好一个数据后，发出选通脉冲，使输入数据送入缓冲寄存器，并使DMA请求触发器置“1”；③CPU在完成现行周期后，立即响应DMA请求，向DMA控制器发HLDA信号，并由控制/状态逻辑使DMA请求触发器复位，此时CPU悬空其总线，使总线处于高阻状态，DMAC接管系统总线控制权；09一月2023第59页②DMA请求触发器向控制/状态逻10一月2023第60页④DMAC控制系统总线，发存储器地址，并将数据缓冲寄存器的数据送到数据总线上，随后在其读/写信号线上发读命令；⑤数据通过数据总线直接在I/O设备与存储器之间传送；⑥每传送一个字，DMAC的地址寄存器加1，从而得到下一个地址，字计数器减1，如此循环，直到字计数器值为0，DMA传送完毕。09一月2023第60页④DMAC控制系统总线，发存储器10一月2023第61页DMA传送完毕时，可利字节计数器为0信号，由DMA控制器向CPU发中断请求，即本次DMA的结束中断，主机响应后，通过服务程序对DMA传送进行结束处理。DMA结束处理09一月2023第61页DMA传送完毕时，可利字节计数器10一月2023第62页综上所述，进行一次数据传送，CPU进行两次干预第一次是初始化，预置数据传输所必需的信息。第二次是进行中断后处理。可见，采用DMA方式传送数据，仍要调用程序、存在着程序中断，因而DMA接口还包括程序中断部件随着大规模集成电路技术的发展，DMA传送已经不再局限于存储器和外设间的信息交换，可以扩展为存储器的两个区域之间、两种高速外设之间的直接传送。09一月2023第62页综上所述，进行一次数据传送，CP10一月2023第63页8.3.4I/O处理机方式在DMA方式中，DMAC只能实现对数据输入/输出传送的控制，而对输入/输出设备的管理和其它操作，如信息的变换、装配、拆卸和数码校验等功能操作仍然需要由CPU来完成另外，DMA传送不管采用单字节方式、成组方式或CPU停机方式，同样存在着占用CPU时间的问题。为了使CPU完全脱离管理和控制输入/输出的负担，引入专门的设备控制数据传送，即I/O处理机(InputOutputProcessor，简称IOP)，提出了数据传送的I/O处理机方式。09一月2023第63页8.3.4I/O处理机方式在10一月2023第64页

8255A可编程并行输入/输出接口是Intel公司微处理器扩展系统所用的标准外围接口电路。它采用NMOS工艺制造，用单一+5V电源供电，具有40条引脚，采用双列直插式封装。8.4可编程并行通信接口8255A

在主机侧，能够方便地与各种微机系统相配；在设备侧，用8255A连接外部设备时，通常不需要再附加其它电路，给用户使用带来很大方便。

09一月2023第64页8255A可编10一月2023第65页8.4.18255A的内部结构

09一月2023第65页8.4.18255A的内部结10一月2023第66页1.8255具有2个独立的8位I/O口（A口和B口）和2个独立的4位I/O（C口上半部和C口下半部），提供TTL兼容的并行接口。输入时提供三态缓冲器功能，输出时提供数据锁存功能。其中，A口具有双向传输功能。2.8255有3种工作方式，方式0、方式1和方式2，能使用多种数据传送方式完成CPU与I/O设备之间的数据交换，如无条件方式、查询方式和中断方式。3.B口和C口的引脚具有复合晶体管驱动能力，在1.5V时输出1mA电流，适于作输出端口。4.

C口除用做数据口外，当8255工作在方式1和方式2时，C口的部分引脚作为固定的联络信号线。09一月2023第66页1.8255具有2个独立的8位10一月2023第67页5.读/写控制逻辑:读/写控制逻辑负责接收CPU的命令信号，管理8255A的数据传输过程。它接收以及来自系统地址总线的A1、A0和控制总线的RESET、RD、WR信号。6．数据总线缓冲器:数据总线缓冲器是8位双向三态数据缓冲器，8255A通过数据总线缓冲器与系统相连。8.4.28255A的芯片引脚信号

09一月2023第67页5.读/写控制逻辑:读/写控10一月2023第68页1．与外设相连的信号PA7～PA0：A口数据线；PB7～PB0：B口数据线；PC7～PC0：C口数据线.2．与主机相连的信号⑴Reset：复位信号，高电平有效。当Reset=1时，8255A内部寄存器都被清零。⑵D7～D0：数据线。通常和系统的数据总线低8位相连。⑶CS:片选信号，低电平有效。有效时允许8255A和CPU交换信息，一般情况由系统地址总线的某些位通过译码器产生信号。在不同工作方式下可兼作控制联络线09一月2023第68页1．与外设相连的信号2．与主机相10一月2023第69页⑷RD：读信号，低电平有效。当有效时，CPU可以从8255A中读取数据或状态字。⑸WR：写信号，低电平有效。当有效时，CPU可以向8255A中写入数据或控制字。和信号通常接系统中的读/写信号。⑹A1、A0：端口选择信号。在8255A内部有3个数据端口和1个控制端口。当8255A的A1、A0为00时，选中端口A，为01时，选中端口B，为10时，选中端口C，为11时，选中控制端口。09一月2023第69页⑷RD：读信号，低电平有效。当10一月2023第70页表 8255的端口与操作选择表

A1A0RDWRCS操作001010000111000A口内容读至数据总线B口内容读至数据总线C口内容读至数据总线

输入00110101

111100000000数据总线内容写至A口数据总线内容写至B口数据总线内容写至C口DB内容写至控制寄存器输出X1XX1XX01X11100端口输出为高阻非法端口输出为高阻禁止09一月2023第70页表 8255的端口与操作选择表10一月2023第71页8.4.38255A的控制字

通过指令向8255A的控制端口写控制字来决定各端口的工作方式。8255A有两种控制字：方式选择控制字和按位置位/复位控制字。

1.方式选择控制字:用来规定端口A、端口B和端口C的工作方式，其控制字的特征是：D7=1。8255A有三种基本工作方式。⑴

基本输入/输出方式——方式0，适用于端口A、端口B和端口C；⑵

选通输入/输出方式——方式1，适用于端口A和端口B；⑶双向方式——方式2，只适用于端口A。

09一月2023第71页8.4.38255A的控制字10一月2023第72页方式选择控制字格式

1

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0A口1：输入0：输出B口1：输入0：输出A组控制B组控制A组方式选择00：方式001：方式11X：方式2方式字标志C口高4位PC7～PC41：输入0：输出C口低4位PC3～PC01：输入0：输出B组方式选择0：方式01：方式109一月2023第72页方式选择控制字格式110一月2023第73页例如，若使端口A工作于方式0，输出；端口B工作于方式1，输入；端口C的高4位工作于方式0，输出。则方式选择控制字为：10000110B。10000110

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0A口0：输出B口1：输入A组方式选择00：方式0方式字标志C口高4位PC7～PC40：输出C口低4位PC3～PC0配合B口工作B组方式选择1:方式109一月2023第73页例如，若使端口A工作于方式0，输10一月2023第74页2.端口C的置位/复位控制字:C口可用来作为位控方式使用，这时用置位/复位控制字单独设置C口各位。该控制字的特征是：D7=0。0

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0无用

端口C置位/复位标志置位/复位1：置位0：复位位选择000:PC0001:PC1010:PC2011:PC3100:PC4101:PC5110:PC6111:PC7

09一月2023第74页2.端口C的置位/复位控制字:C10一月2023第75页【例8.2】端口C的PC7要求置1，PC3要求清0，分析置1/置0控制字并为其编制程序段。设8255A的控制口地址为00EEH。

分析：PC7置1，则控制字为00001111B，即0FH；PC3清0，则控制字为00000110B，即06H，下面的程序段可以实现上述要求。MOV AL，0FH ；对PC7置1的控制字MOV DX，00EEH ；控制口地址送DXOUT DX，AL ；对PC7置1操作MOV AL，06H ；对PC3置0的控制字OUT DX，AL ；对PC3操作

09一月2023第75页【例8.2】端口C的PC7要求10一月2023第76页1．方式0

方式0提供两个8位口（A和B）和两个4位口（PC7~PC4，PC3~PC0），任何一个口都可用做输入或输出，由CPU用简单的I/O指令来进行读/写。8.4.48255的工作方式—有三种工作方式一般用于无条件传送的场合，也可以用做查询式传送。习惯上将A口和B口作为数据口，将C口作为控制输出和状态输入口。

09一月2023第76页1．方式0方式0提供两个810一月2023第77页8255A方式0输入时序09一月2023第77页8255A方式0输入时序10一月2023第78页8255A方式0输出时序脉冲宽度tRRtRA端口输入数据CS,A1,A0tHRtLRtARRDD7～D0tDFtRD09一月2023第78页8255A方式0输出时序脉冲宽度10一月2023第79页2.方式1——选通输入/输出工作方式

当A口工作在方式1的输入/输出时，端口C的PC7、PC6、PC3或PC5、PC4、PC3配合口A工作；当B口工作在方式1的输入/输出时，端口C的PC2、PC1、PC0配合口B工作。

⑴

方式1输入09一月2023第79页2.方式1——选通输入/输出工作10一月2023第80页各控制信号说明如下:

STB(Strobl)：选通信号输入端，低电平有效。当有效时，8255A接收外设送来的8位数据，外设将数据打入8255A输入缓冲器。IBF(InputBufferFull)：缓冲器满输出信号，是输出的状态信号，高电平有效。有效时，表示当前已有一个新的数据在输入缓冲器中，一般供CPU查询。

INTR(InterruptRequest)：中断请求信号，高电平有效。向CPU的信号，IBF有效时向CPU发请求信号，表示选通信号结束、从而外设已将一个数据送进输入缓冲器中；在CPU读取输入缓冲器中的数据时，由读信号的下降沿将INTR清除为低电平。09一月2023第80页各控制信号说明如下:STB10一月2023第81页8255A工作在方式1输入的时序图IBFINTRRD端口数据输入数据输入外设→8255A8255A→CPUSTB

INTE为中断允许位，对应PC口的D6位（INTEA）和D2位（INTEB），可通过对PC口按位写方法设置；09一月2023第81页8255A工作在方式1输入的时序10一月2023第82页⑵方式1输出

当A口工作在方式1并作为输出端口时，端口C的PC7作为“输出缓冲器满信号”，PC6作为外设“接收数据后的响应”信号，PC3作为“中断请求信号”INTRA；当B口工作在方式1并作为输出端口时，端口C的PC1作为“输出缓冲器满信号”，PC2作为外设接收数据后的响应”信号，PC0作为“中断请求信号”INTRB。INTR端口数据输出数据输出CPU

→8255A8255A→外设数据有效WROBFACK方式1输出的时序图09一月2023第82页⑵方式1输出当A口工10一月2023第83页3.方式2——双向传输方式

方式2只能用于端口A，在方式2下，CPU既可以从A口读数据，又可以向A口写数据，此时端口C的5条引线配合端口A提供联络信号。

PA7-0INTE1PC7PC6PC2PC3I/OINTRAOBFA&I/OPC4PC5INTE2≥1&(b)方式2时各控制信号的意义STBAIBFAASKA

PC3～

PC7引脚与之配合；PC0、1、2可作为数据线使用。

中断条件：STB=1(无效)，IBF=1、INTE=1；09一月2023第83页3.方式2——双向传输方式10一月2023第84页8.4.58255A的应用举例

+5VD0~D7PA0A0PA1A1PA2PA3CSPA4PA5PA6PA7

RDPB3WRPB2PB1PB0RESET8255AA0A1A2…A15译码器11锁存器AD0~AD7A8~A15A16/S3~A19/S6ALERDM/IOWRRESETCPU【例8.3】B口4个开关用来输入4位二进制数，A口接的是8段显示器，要求根据8255A的B口输入的二进制情况，将其从A口输出。地址是0FFF8H、0FFFAH…

…

09一月2023第84页8.4.58255A的应用举10一月2023第85页分析：

A口:基本输出方式，B口:基本输入方式，方式控制字为82H。循环读取B口数据，然后到字段表中取段码，最后送到A口显示。程序如下：

MOV AL，82HMOV DX，0FFFEH；设置方式控制字OUT DX，ALL：MOV DL，0FAHIN AL，DX ；读B口开关数据AND AL，0FH ；屏蔽高4位MOV BX，OFFSETBUFFERXLAT ；取段码MOV DL，0F8H ；A口OUT DX，AL ；输出段码显示JMP LHLT09一月2023第85页分析：A口:基本输出方式，B口10一月2023第86页【例8.4】8255A作为连接打印机的接口，工作于方式0，连接如图9-2-15所示。

打印机数据线BUSYSTRD0H~D6HA0A1CS8255APC总线A0A1IORRDWRIOWPA0~PA7PC6PC2A2~A9D0~D7D0~D7数据线片选译码09一月2023第86页【例8.4】8255A作为连接打10一月2023第87页具体查询程序段如下：

PP：MOV AL，81H

OUT0D6H，AL

MOV AL，0CHOUT 0D6H，AL LSPT：IN AL，0D4HAND AL，04HJNZ LSPT

MOV AL，DATA[SI]OUT 0D0H，ALMOV AL，0DH

OUT 0D6H，ALDEC AL

OUT 0D6H，AL

…控制字，三个口工作于方式0，A口出，PC3～PC0入，PC7～PC4为输出方式。用置1/置0方式使PC6为0，即使STB为高电平测试D2位,如不为0，说明忙信号为1，即打印机处于忙状态，故循环测试如不忙，把一字符送端口A,09一月2023第87页具体查询程序段如下：控制字，10一月2023第88页【例8.5】使8255A工作于方式1，作为用中断方式工作的打印机的接口，电路如下。

设8255A的端口地址为：A端口：00C0HB端口：00C2HC端口：00C4H控制端口：00C6H。

8086D7～D0D7～D08255APC0PC6打印机ACKNLGPA7-PA0ACK接8259A的IR31PC309一月2023第88页【例8.5】使8255A工作于方10一月2023第89页【分析】8255A的A口作为数据通道，工作在方式1，输出，此时PC6作为ACK信号输入端，PC3自动作为INTR信号输出端，PC7作为OBF信号输出端。打印机需要一个数据选通信号，故由CPU控制PC0来产生选通脉冲。ACK接打印机的ACKNLG端；PC3连到8259A中断管理器的中断请求信号输入端IR3，中断类型号为0BH，中断向量放在主存的00H段2CH，2DH，2EH，2FH这4个单元中。对8255A初始化(设置控制字)程序段：MAIN：MOVAL，0A0H ；控制字，A口方式1，输出，PC3～PC0为输出。OUT0C6H，AL09一月2023第89页【分析】8255A的A口作为数据10一月2023第90页MOVAL，01H；置1/0方式使PC0=1，OUT0C6H，AL；即让选通无效MOVDX，OFFSETROUTINTRMOVAX，SEGROUTINTR ；取中断服务程序的偏移地址和段地址MOVDS，AXMOVAL，0BH ；选中断向量0BHINT21H ；设置中断向量MOVAL，0DH；使PC6为1，允许8255A中断OUT 0C6H，ALSTI ；开放中断向量09一月2023第90页MOVAL，01H10一月2023第91页中断处理子程序的主要程序段如下：ROUTINTR：MOVAL，[DI];打印字符缓冲区OUT0C0H，AL；将打印字符送口A口MOV AL，00HOUT 0C6H，AL；INCALOUT0C6H，ALINCDI…；后续处理…IRET；中断返回用置1/置0方式使PC0为0用置1/置0方式使PC0为1，09一月2023第91页中断处理子程序的主要程序段如下：10一月2023第92页8.5计数器／定时器

1．概述定时信号的产生可用软件和硬件两种方法获得。

软件方法：用延时子程序。一般是由循环程序并且包含一定量的指令完成的，设计者需要对这些指令的执行时间进行严格计算或精确测试，以便得到精确的延时时间，软件方法节省硬件，但是CPU执行延时子程序期间，不能做其它事，降低了CPU的效率，且不容易提供多作业环境。

硬件方法：用计数器/定时器来实现定时。即是一种靠硬件来实现的定时方法。本节主要介绍当前广泛应用的可编程计数器/定时器Intel8253的原理和使用方法。8.5.1计数器／定时器概述

09一月2023第92页8.5计数器／定时器1．10一月2023第93页2．计数器/定时器的工作原理可编程计数器/定时器的功能体现为:一是计数功能，由程序对计数器设置好计数初值，启动后便对外部事件开始减“1”计数，减为“0”时，输出一个信号；二是定时功能：也是由程序设置好定时常数后进行减“1”计数，按定时常数，不断输出为时钟周期整数倍的定时间隔。计数器/定时器有以下用途：⑴

在多任务的分时系统中，用来作为中断信号实现程序的切换；⑵

可以给外部设备提供精确的定时信号；⑶

作为可编程的波特率发生器；⑷

实现时间延时。

09一月2023第93页2．计数器/定时器的工作原理可编10一月2023第94页8.5.2可编程计数器/定时器8253

1．8253的结构和工作原理⑴

逻辑结构：Intel8253的逻辑结构即编程结构如图(a)所示，引脚如图(b)所示。8253是24脚封装。D7D6D5D4D3D2D1D0CLK0OUT0GATE0GND8253的引脚图8253123456789101112242322212019181716151413VCCWRRDCSA1A0CLK2OUT2GATE2CLK1GATE1OUT1CLK0GATE0OUT0CLK1GATE1OUT1CLK2GATE2OUT28253的编程结构数据总线缓冲器读/写逻辑控制寄存器计数器0计数器1计数器2D7-D0A0A1RDWRCS09一月2023第94页8.5.2可编程计数器/定时10一月2023第95页⑵8253的工作原理

⑴逻辑结构：8253内部有3个计数器，分别称为计数器0、计数器1和计数器2，它们的结构完全相同。每个计数器通过3个引脚和外部联系：一个时钟输入端CLK、一个门控信号输入端GATE和一个输出端OUT，每个计数器内部有一个8位的控制寄存器，还有一个16位的计数初值寄存器CR、一个计数执行部件和一个输出锁存器。8253的编程结构数据总线缓冲器读/写逻辑控制寄存器计数器0计数器1计数器2CLK0GATE0OUT0CLK1GATE1OUT1CLK2GATE2OUT2D7-D0A0A1RDWRCS09一月2023第95页⑵8253的工作原理⑴逻辑10一月2023第96页高8位低8位高8位低8位高8位低8位初值计数器减法计数器输出锁存器工作原理

①数据总线缓冲器：通过数据总线缓冲器，CPU可以对8253写入初始化命令字、写入计数初值、读取计数值。所以与数据总线缓冲器相连的外部引脚D7～D0接系统数据总线的低8位。

②计数器0、计数器1和计数器2：三个互相独立的计数器，各自可按不同的方式工作。计数器0、1、2三个计数器/定时器内部每个都由一个16位的可预置值的减法计数器构成。每个计数器操作独立，其内部结构相同，减法计数器由计数器初值寄存器装入初值，计数初值寄存器通过程序设置，输出寄存器用于锁存计数器的内容。09一月2023第96页高8位低8位高8位低8位高810一月2023第97页③读/写逻辑电路：读/写逻辑电路从系统总线接收输入信号，经过组合产生对8253的控制信号。④控制寄存器：写入控制字，决定计数器的工作方式。⑶8253的引脚功能与3个计数器有关的引脚计数器0：CLK0——计数器0的时钟输入

GATE0——计数器0的门脉冲控制输入

OUT0

——计数器0的输出片选信号输入，低电平有效。一般是由系统地址总线经过译码后接入，对8253进行使能控制。CS：读信号，低电平有效。它接系统控制总线的。当有效时，表示CPU正在对8253进行读操作。WR：写信号，低电平有效。它接系统控制总线的。当有效时，表示CPU正在对8253进行写操作。

09一月2023第97页③读/写逻辑电路：读/写逻辑电10一月2023第98页A1、A0：内部计数器及控制寄存器选择。CS、RD、WR和A1、A0命令关系如下表：无操作110

01读2#计数器当前计数值100

01读1#计数器当前计数值010

01读0#计数器当前计数值000

01向控制字寄存器写控制字11010计数初值写入2#计数器10010计数初值写入1#计数器01010计数初值写入0#计数器00010操作A1

A0

CSRDWR09一月2023第98页A1、A0：内部计数器及控制寄存10一月2023第99页2．8253的控制字格式D0(BCD)：设置计数器的计数数制。当BCD=0时，计数器按二进制计数，当BCD=1时，计数器按BCD码计数。D3、D2、D1(M2、M1、M0)：工作方式选择。有6种不同工作方式，如表9-7所示。

M2M1M0

工作方式

0

00001×10×11100101

方式0方式1方式2方式3方式4方式5

09一月2023第99页2．8253的控制字格式D010一月2023第100页D5、D4（RW1、RW0）：读/写指示位，具体如下：00：对计数器进行锁存操作，使当前计数值锁存到锁存器中，以便进行读操作；01：只读/写低8位字节；10：只读/写高8位字节；11：先读/写低8位字节，再读/写高8位字节。D7、D6(SC1、SC0)：用来选择计数器。

其对应关系为：D7、D6(SC1、SC0)00：选择计数器001：选择计数器110：选择计数器211：无效09一月2023第100页D5、D4（RW1、RW0）：10一月2023第101页原则：对计数器设置初值前，先写控制字:指出计数值是二进制还是十进制、工作方式、对哪个计数器的哪些字节进行操作等规定。在读计数器值时，必须先用锁存命令，锁住当前计数值，再进行读操作，否则，在读数时，计数器的数值可能处在改变过程中，这样，读出的计数值是一个不确定的数值。3．8253的编程命令4．8253的工作方式控制字的D3、D2、D1(M2、M1、M0)：工作方式选择。有6种不同工作方式。

09一月2023第101页原则：3．8253的编程命令10一月2023第102页GATE=1CLKOUTN43210FF⑴方式0——计数结束产生中断方式

CW写入控制字n=4写入初值4开始计数计数结束产生中断原则：工作特点：•计数时GATE=1，若GATE变为低电平停止计数。•初值为n时，OUT在n+1个时钟后产生高电平。•只计一遍数，不重复，直到写入新的控制字为止。•计数过程中，可改变计数初值，写入新初值后，重新开始计数。•GATE=0时写入初值，到GATE变1时才开始计数。09一月2023第102页GATE=1CLKOUTN4310一月2023第103页⑵方式1——单脉冲触发器(可重复触发的单稳态触发器)FFCWCLKGATEOUT321032n=3写入初值门控触发开始计数进入暂稳态计数时间到，回到稳态再次触发•计数过程中，可改变计数初值，这时当前计数不受影响，回0后OUT为高电平，若再次触发，则按新的初值进行计数。•计数过程中，又来一个门控信号，则再下一时钟脉冲后，又重新从初值开始计数，OUT仍维持为低电平，这样使输出脉冲比原来延长了。09一月2023第103页⑵方式1——单脉冲触发器(可10一月2023第104页⑵方式1——单脉冲触发器(可重复触发的单稳态触发器)重复周期写入初值开始计数重复周期CWn=3CLKGATE=1OUT321321321•可重复，不用重写初值。输出n-1个高，1个低电平脉冲波形。•计数过程中，如果改变计数初值，当前计数不受影响，在下一个输出周期中，将按新的计数值进行计数，这是GATE门一直有效的情况。

09一月2023第104页⑵方式1——单脉冲触发器(可10一月2023第105页⑷

方式3——方波发生器

CWn=4W重复周期CLKGATE=1OUT432143214负半周正半周负半周写入初值开始计数正半周OUT543215432重复周期09一月2023第105页⑷方式3——方波发生器CW10一月2023第106页⑸

方式4——软件触发选通

写入初值开始计数计数结束其特点是：•若计数初值为n，写入初值n+1个时钟周期后，输出一个时钟宽度的负脉冲。•GATE=1时，允许计数，GATE=0时，禁止计数，OUT端不受影响，维持当时的电平。FFFFCWn=5CLKGATE=1OUT54321009一月2023第106页⑸方式4——软件触发选通写10一月2023第107页⑹

方式5——硬件触发选通

计数时间到写入初值门控触发开始计数再次触发•在