微机原理 第八章 面向外设的输入 输出接口

第8章

面向外设的输入/输出接口本章的结构和重难点内容： 8.1微型计算机的最小系统8.2CPU和外设间数据传送的方式8.3寻址电路的设计8.4并行接口芯片82128.5可编程并行接口芯片8255A8.6串行接口通信的基本概念8.7可编程串行接口芯片8251A

输入输出系统是计算机主机与外界交换信息时的硬件和软件的总称，简称I/O系统。包括：①外部设备②设备控制器与接口③I/O总线概念：输入/输出设备是计算机与外界进行信息交换的接口设备，因此把输入/输出设备又称为外部设备；输入设备的作用是将各种形式的信息转换为计算机所能接受的数据形式；输出设备的作用是将计算机处理的结果转换为人或其他设备所能识别的信息形式。输入/输出接口概念：CPU与外设都是面向接口而非直接联络接口功能（解决微处理器与外设之间的差异）实现CPU与外设间的数据传送（双方）解决数据传输率不同解决外设种类多不好分辨信号类型有机械的、物理的、电信号等信号形式有脉冲、模拟量或数字量协助CPU完成对外设的控制数据传输方式不同，有并行、串行之分输入/输出接口概述：握手信号CPU存储器数据输入寄存器数据输出寄存器控制寄存器状态寄存器外部输入/输出设备输入输出接口数据线控制线状态线系统总线接口电路中的信息数据信息、状态信息及控制信息ABDBCBCPUI/O接口I/O设备端口数据控制状态ABDBCBCPUI/O接口I/O设备端口控制状态数据信息数据信息：要交换的数据本身。数字量：通常以8位或16位的二进制数以及ASCII码的形式传输，主要指由键盘、磁带机、磁盘等输入的信息或主机送给打印机、显示器、绘图仪等的信息开关量：用“0”和“1”来表示两种状态，如开关的通/断模拟量：模拟的电压、电流或者非电量。对模拟量输入而言，需先经过传感器转换成电信号，再经A/D转换器变成数字量；如果需要输出模拟控制量的话，就要进行上述过程的逆转换数据传输方向：CPU←→I/O接口←→外设控制信息控制信息：控制外设工作的命令，CPU通过接口发出，如扫描仪的启/停信号数据传输方向：CPU→I/O接口→外设

状态信息状态信息：表征外设工作状态的信息对输入接口,CPU是否准备好接收数据，“READY”准备好吗?对输出接口,外设是否准备好接收数据，“BUSY”外设忙吗?数据传输方向：CPU←I/O接口←外设8.1微型计算机的最小系统8086/8088CPU的地址线、数据线公用AD15~AD0引脚，地址线、状态线公用A19/S6~A16/S3引脚，如何把地址信息和数据信息分开，把地址信息和状态信息分开，即微型计算机最小系统的设计是本节要讨论的问题8.1.1输入/输出接口芯片8282、828612345678910201918171615141312118282DI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7OEGNDVcc(+5V)DO0DO1DO2DO3DO4DO5DO6DO7STB8282是典型的8位锁存器芯片，单向传送8位数据。工作过程：OE=0（工作）STB=1（开启）STB=0（保存）DI0~DI7为数据输入引脚DO0~DO7为数据输出引脚STB和OE为控制信号引脚12345678910201918171615141312118286A0A1A2A3A4A5A6A7OEGNDVcc(+5V)

B0B1B2B3B4B5B6B7T8286为8位收发器芯片，双向传送8位数据。A0~A7为双向传送数据引脚B0~B7为双向传送数据引脚T和OE为控制信号引脚工作过程：OE=0（工作）T=1A→B（写）T=0B→A（读）8.1.2微型计算机的最小系统A0...A7A8...A15A16.A19地址总线AD0...AD7AD8...AD15A16~S3A19~S6ALEDENDI/R80868.2CPU和外设之间数据传送的方式程序控制输入输出方式：无条件传送方式查询传送方式中断控制方式DMA工作方式（直接存储器访问）

I/O处理机方式（IOP方式）8.2.1程序传送方式认为外部设备始终是准备好的，能随时提供数据，无需检查端口的状态就可进行数据传输。对于输入设备和输出设备的操作。特点：采用这种方法要求事先知道外设在启动后经过多长时间才能准备好发送或接受数据，延时等待时间例题1.无条件工作方式[例8.1]把开关键的状态通过74LS244接口芯片采集进来，把采集结果再通过74LS373接口芯片驱动8个指示灯显示出来。汇编程序如下：MOVDX，04A2H；74LS244芯片选中地址INAL，DX；采集开关状态MOVDX，04A0H；74LS373芯片选中地址OUTDX，AL；输出数据使指示灯显示查询控制的程序流程

READY?读取状态端口读/写数据端口YN状态端口复位2.查询传送方式：通过检测外设状态决定是否能在CPU与外设间进行数据交换。对于输入设备和输出设备的操作。特点：针对外设进行检测。例题[例8.2]利用图8.7输入数据的接口电路编写一段采集数据的程序。设三态门控制端地址为04A2H，三态缓冲器片选信号地址为04A0H，三态门输出端READY线连接到数据总线D0端。（Ready=0忙；ready=1不忙。）汇编程序如下。MOVDX，04A2H；三态门控制端地址送DXAA1∶INAL，DX；采集READY状态

TESTAL，01H；测试是否准备好

JZAA1；测试是否准备好

MOVDX，04A0H；三态缓冲器地址送DX

INAL，DX；采集数据[例8.3]利用图8.8输出数据的接口电路编写一段输出数据的程序。设三态门控制端地址为04A4H，锁存器片选信号地址为04A6H，三态门输出端BUSY线连接到数据总线D1端。

（busy=1忙；busy=0不忙。）MOVDX，04A4H；三态门控制端地址送DXAA2∶INAL，DX；采集BUSY端状态TESTAL，02H；测试是否忙JNZAA2MOVDX，04A6H；输出锁存器地址送DXMOVAL，**H；输出的数据（**H为任一数据）OUTDX，AL；输出数据优点：采用程序直接控制模式简单、控制接口硬设备较少。缺点：①

CPU与外部设备只能串行工作。由于CPU的速度比外部设备的速度快得多，因此，CPU的大量时间都处于空闲、等待状态，系统的效率较低。②

CPU在一段时间内只能和一台外部设备交换信息，无法使其他外部设备同时工作。③发现和处理预先无法估计的错误和异常比较困难。注：这种输入输出控制方式多用于CPU速度不高、外部设备种类不多的情况。8.2.2中断控制方式只有外设有数据传送要求时，CPU才停下正在执行的程序，进行与外设间的数据传送，这就是中断控制方式；这种方法允许CPU与外设（可以是多个外设）同时工作（并行工作），提高了CPU效率，而且能在需要的时间随时为外设服务，实时性好；CPU对打印机的中断服务1.不可屏蔽中断请求当8088/8086CPU的NMI引脚上出现从低电平到高电平的跳变时，将引起不可屏蔽中断请求，它不受中断允许标志位IF的影响，CPU在当前指令结束后立即响应NMI中断请求，转入中断服务程序。8.2.2中断控制方式2.可屏蔽中断请求中断请求中断响应中断流程中断系统的组成多重中断（1）中断源（2）中断请求的提出（3）中断排队（4）中断屏蔽（5）中断的禁止和开放（1）断点和现场的保存与恢复（2）转中断服务子程序入口8.2.2DMA传送方式不要CPU介入，而在I/O设备与存储器之间直接交换数据，则可以大大提高数据传送速度，这种工作方式通常称为直接存储器存取方式，即DMA方式；在DMA方式下，要由DMA控制器DMAC用硬件完成对传送过程的控制，即它来控制地址总线，数据总线和响应的控制总线，CPU必须让出这些总线的控制权。这种方式数据传送速率很快；8.3寻址电路的设计当系统有多台外部设备要与CPU交换数据时，CPU为识别各个外部设备，必须给每台设备赋予不同的编号，这种编号称为地址。CPU应具备识别每台设备的能力，即寻址能力。8.3.1寻址电路的基本接口芯片1234561514131211109774LS138ABCG1G2AG2BY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7G1=1

G2A=0

G2B=0

，满足时译码器工作。输入变量C、B、A，分别唯一对应一个输出为0，其余为1。八个输出变量Y0~Y7

，低电平有效。74LS138输入输出关系，见表8.18.3.2外设端口的编址方式CPU与I/O接口进行数据传送之前，首先要给I/O接口电路进行地址编码；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并与存储器地址相区别；I/O端口有两种编址方式：统一编址方式和I/O独立编址方式；微处理器与I/O接口电路的连接统一编址和独立编址的示意图

（b）独立编址方式I/O空间00HFFH00000H内存空间FFFFFH1M内存空间

（a）统一编址方式

00000H供I/O接口使用FFFFFHFFFFH0000H统一编址和独立编址：统一编址：每个接口寄存器都给予一个16位的地址编码（划在内存中，16位是偏移量）；特点：CPU不需要设置输入/输出指令，也不需要提供区别访内或访外操作的控制信号；独立编址：每个接口寄存器给予一个8位独立地址；特点：CPU需要用输入/输出指令和相应的控制引脚来控制是访问内存还是I/O口；P191例题8.48.58.4并行接口芯片82121234567891011128212DS1MDDI0DO0DI1DO1DI2DO2DI3DO3STB

GND242322212019181716151413VCCINTDI7DO7DI6DO6DI5DO5DI4DO4CLR

DS21.数据锁存器WR=MD·DS1

·DS2+MD·STB2.输出缓冲器EN=MD+DS1

·DS23.控制逻辑电路DS1、DS2、MD、STB、CLR4.中断的发出INT=STB+DS1

·DS28.5可编程并行接口芯片8255A8255A是Intel80系列微处理机的配套并行接口芯片，可为8086/8088CPU与外设之间提供并行输入/输出的通道。可编程，通过软件来设置芯片的工作方式，因此，用8255A连接外设时，通常不用再附加外部电路，给用户带来方便；特点：3个8位并行输入/输出端口：端口A、端口B、端口C可用编程的方式设置端口作为输入或输出端口使用。有三种工作方式：方式0、方式1、方式2有三种数据传送方式:无条件、查询、中断可以针对C端口进行操作：既可作数据口、也可做控制口1.8255A芯片结构及其引脚功能A口B口C口PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7D0D1D2D3D4D5D6D7A0A1CSRDWRRESETVccGND344333322311304029392838273718

8255A19920821622523362435251415161713261271110PA7~PA0：A端口数据信号引脚

PB7~PB0：B端口数据信号引脚

PC7~PC0：C端口数据信号引脚

D7~D0：8位数据线，和CPU系统数据总线相连

/CS：片选信号

/RD：读信号

/WR：写信号

A1和A0：端口选译信号，用来指明哪一个端口被选中。8255A的读写操作控制/CS有效说明8255A被选中A1和A0组合选择是那个端口数据总线缓冲器读/写控制部件A组控制部件B组控制部件A组端口A（8）A组端口C高四位（4）B组端口C低四位（4）B组端口B（8）/CSRESETA1A0/WR/RDD0~D7双向数据总线8位内部数据总线I/OPA7~PA0I/OPC7~PC4I/OPC3~PC0I/OPB7~PB08.5.28255A的控制字8255A是可编程接口芯片。可编程就是用指令的方法先对芯片进行初始化，决定芯片的端口是处于输入数据状态还是处于输出数据状态，以及每个端口的工作方式。工作方式和工作状态的建立是通过向8255A的控制口写入相应的控制字完成的8255A芯片的控制字及其工作方式可使用的控制字有工作方式控制字和对C口置位/复位控制字；8255A的端口可有三种工作方式：方式0——基本输入/输出方式；方式1——选通输入/输出方式；方式2——双向传送方式；端口A可处于任意一种工作方式下；端口B只有方式0和方式1；端口C常被分成两部分，可用来传送数据或控制信息，只能工作在方式0；可用指令（软件的方法）定义三个端口的工作方式；1.工作方式控制字例如，要把A口指定为方式1输入，C口上半部为输出，B口为方式0输出，C口下半部为输入，工作方式字应为10110001B或B1H。初始化程序为MOVDX，0100H；8255A控制口地址MOVAL，B1H；置工作方式控制字OUTDX，AL；送控制字到控制8255A工作方式控制字格式18255AC口按位置位/复位控制如，要对端口的PC7位置1，则控制字应为00001111B，即0FH；而端口C的PC3要置0，则控制字应为00000110B，即06H。程序段为：MOVAL，0FH；送对PC7置1控制字MOVDX，0100H；控制口地址送DXOUTDX，AL；对PC7

，置1MOVAL，06H；送控制字06H到ALOUTDX，AL；对PC3置02.端口C的置位/复位控制字8255A的编程控制字（1）工作方式控制字：用来设定通道的工作方式及数据的传送方向的。（2）C口按位置位/复位控制字：向控制寄存器写入控制字，而使它的每一位置位或复位。（3）两个控制字的差别

工作方式控制字放在程序的开始部分；按位置位/复位控制字可放在初始化程序以后的任何地方。P200例题：8.68.78.5.38255A的工作方式（1）方式０（基本输入/输出方式）只能完成简单的并行输入／输出操作；CPU可从指定的端口输入信息，也可向指定的端口输出信息；如果三个端口同为方式0的话，则可由工作方式字定义16种工作方式组合；CPU与3个端口之间交换数据可直接由CPU执行IN和OUT指令来完成；1000

X

X

X

X方式0控制字格式标志位★P201例题8.88.9P201例题8.8P201例题8.9（2）工作方式1（选通输入/输出方式）数据输入/输出操作要在选通信号控制下完成。采用方式1进行输入操作时，控制信号：/STB选通信号。由外部输入，低电平有效；IBF输入缓冲器满信号。向外部输出，高电平有效；INTR中断请求信号。向CPU输出，高电平有效。INTE中断允许位，INTE=0禁止中断，可事先用位控方式写入；PC4写入INTEA，PC2写入INTEB；方式1输入（a）A通道方式1引脚配置

（b）B通道方式1引脚配置8255A方式1输入RDSTBaIBFaINTRaI/OPC4PC5PC3PA7~PA0INTEAPC6-7STBbINTRbIBFbRDPC2PC1PC0PB7~PB0INTEB采用方式1进行输出操作，需要的控制信号：/OBF输出缓冲器满信号。向外部输出，低电平有效；/ACK外部应答信号。由外部输入，低电平有效；INTR中断请求信号、INTE中断允许位，他们的作用和方式1输入时相同；方式1输出（a）A通道方式1引脚配置

（b）B通道方式1引脚配置OBFaACKaINTRaI/OWRPC6PC7PC3PA7~PA0INTEAPC4、PC5OBFbINTRbWRPC2PC1PC0PB7~PB0INTEBACKb(3)工作方式2（带选通的双向传送方式）8255A中只允许端口A处于工作方式2(可用来在两台处理机之间实现双向并行通信)；也是由端口C提供控制信号，并向CPU发中断请求；当A工作在方式2，B允许工作在方式0或方式1上；方式2的特点：需要五个控制信号分别由端口C的PC7~PC3来提供；若B工作在方式0，则C的PC2~PC0可做数据输入/输出；若B工作在方式1，PC2~PC0做B的控制信号；方式2的特点：方式2在输入/输出数据时被锁存；方式2可以用查询方式和中断传送方式进行数据的输入/输出方式2实际上是方式1下输入和输出两种操作时的组合；INTR既可做输入又可做为输出；8255A方式2引脚定义8.6串行接口通信的基本概念串行通信是指数据一位一位按照顺序依次传输，每一位占据一个固定的时间长度。特点：使用的线路条数少，适合远距离传输情况，成本低，但传输速度相对并行通信要慢；传送过程：P212波特率：每秒钟传送二进制数码的位数，以位/秒为单位；P213例题串行通信的三种方式：单工通信、半双工通信和全双工通信；如图：8.6.3数据传送的工作方式发送器接收器发送器发送器接收器接收器单工方式半双工方式全双工方式数据发送器发送器接收器接收器数据数据串行接口的一般结构数据总线收发器联络信号逻辑地址译码发送时钟接收时钟状态寄存器控制寄存器数据输入寄存器串行输入/并行输出并行输入/串行输出数据输出寄存器/CSA0中断请求串行输入串行输出来自地址总线读写控制串行接口典型结构8.6.4串行通信的方式分为异步和同步两种；1.异步通信方式（不连续的）由三部分组成：起始位、数据位和停止位；D1D0D2D3D4D5D6D7D01100n-1n+1第n个字符起始位数据位空闲位停止位2.同步通信方式分为面向字符和面向比特两种；面向字符型的数据格式：单同步、双同步和外同步三种；同步字符同步字符数据字节1数据字节nCRC1CRC2数据字节3数据字节nCRC1CRC2数据字节1数据字节2同步字符数据字节1数据字节2数据字节nCRC1CRC2帧同步字符单同步在传送数据之前先传送一个同步字符，接收端检测到该同步字符后开始接收数据双同步先传送两个同步字符外同步的数据格式中没有同步字符；而是用专用控制线来传送同步字符两个字节的循环控制码来结束一帧的传送8.7可编程串行接口芯片8251A用来使CPU以同步或异步的方式与外部设备进行串行通信；如图：适用于长距离通信系统和计算机网络；CPU外部电器TXDRXD8251A1.8251A芯片内部结构及其功能数据总线缓冲器读/写控制逻辑电路调制/解调控制电路发送缓冲器串----并转换发送控制电路接收缓冲器串----并转换接收控制电路内部总线TXDTXRDYTXMPTY/TXCRXDRXRDYRXCSYNDET/BRKEDTD7~D0RESETCLKC//D/RD/WR/CS/DSR/DTR/CTS/RTS发送器接收器五大组成部件：1、发送器：包括发送缓冲器、发送移位寄存器（并/串转换）及发送控制电路三部分；与发送器相关的引脚信号：TXD：数据发送线，输出串行数据；TXRDY：发送器已准备信号，表示发送数据缓冲器已满；TXEMPTY：发送器空闲信号，表示发送移位寄存器已空；/TXC：发送器时钟信号，是外部输入线；接收数据存入发送缓冲器TxRDY置低电平调制解调器准备就绪，返回/CTS有效TxEN置高电平串行传输开始传送完毕TxEMPTY有效CPU写入下一个数据2、接收器：包括接收缓冲器、接收移位寄存器及接收控制电路三部分；与接收器有关的引脚信号如下：RXD：数据接收线，输入串行数据；RXRDY：接收器已准备好信号，表示接收缓冲寄存器已接收到一个数据符号，等待向CPU输入；SYNDET/BRKDET：双功能的检测信号，高电平有效；/RXC：接收器时钟，由外部输入；此时钟频率决定8251A接收数据的速率；RxE和/DTR有效开始监视RxD数据从外部进入进行相关的接收RxRDY有效，CPU取走数据3、数据总线缓冲器是CPU与8251A之间信息交换的通道。包含3个8位缓冲寄存器，其中两个存放CPU向8251A读取的数据及状态，当CPU执行IN指令时，便从这2个寄存器中读取数据字及状态字；另一个缓冲寄存器存放CPU向8251A写入的数据或控制字。当CPU执行OUT指令时，可向这个寄存器写入；4、读/写控制电路与读/写控制电路接收的控制信号如下：RESET：复位信号；输入，高电平有效；CLK：主时钟；输入，用来产生8251A内部的定时信号；/CS：片选信号；输入，低电平有效；/RD和/WR：读和写控制信号，输入，低电平有效；C//D：控制/数据信号；为1时表示当前通过数据总线传送的是控制字或状态信息；为0时表示当前传送的是数据；P219表格8.35、调制/解调控制电路8251A与调制解调器之间的接口信号如下：/DTR：数据终端准备好信号，向调制解调器输出，低电平有效；有效表示CPU准备好接收数据；/DSR：数据装置准备好信号，由调制解调器输入，低电平有效；有效表示调制解调器或外设已准备好发送数据，实际上是对/DTR的应答信号；/RTS：请求发送信号，向调制解调器输出，低电平有效。有效表示CPU已准备好发送数据；/CTS：清除发送信号，由调制解调器输入，低电平有效；有效表示调制解调器已作好接收数据准备，只要控制字中TXEN位为1，发送器才可串行发送数据；它实际上是对/RTS的应答信号；8.7.28251A控制字及初始方法8251A在使用之前必须进行初始化，以确定它的工作方式、传送速率、字符格式以及停止位长度等；可使用的控制字如下：1、工作方式控制字：

D7

D6D5

D4D3

D2

D1

D0

S2S1EPPENL2L1B2B1

S2S1位用来定义异步方式的停止位长度（1、1.5或2位）。对于同步方式，S1位用来定义是外同步（为1）还是内同步，S2定义是单同步（为1）还是双同步；PEN位用来定义是否带奇偶校验，成为校验允许位（为1允许）。EP定义是采用奇校验还是偶校验；L2L1位用来定义数据字符的长度，可为5、6、7或8位；B2B1位用来定义8251A是同步方式还是异步方式；如果是异步方式还可由B2B1确定传送速率；2、操作命令控制字

D7

D6D5

D4D3

D2

D1

D0

EHIRRTSERSBRKRXEDTRTXEN

允许发送位，为1时发送器才能通过TXD向外串行发送数据；数据终端准备好位；为1CPU已准备好接收数据；这时DTR引脚输出有效；允许接收位，为1时接收器才能通过RXD从外部串行接收数据；发送断缺字符位；为1时通过TXD一直发送0信号。通常通信过程该位保持为0清除错误标志位，为1时将PE、OE和FE标志同时清0；请求发送信号；为1时迫使8251A输出RTS有效，表示CPU已作好发送数据准备，请求向调制解调器或外设发送数据；内部复位信号；为1时迫使8251A回到接收方式选择控制字的状态；跟踪方式位；只对同步时有效，为1时表