第8章 微机接口技术与应用

第8章

微机接口技术与应用并行I/O接口8.2计数与定时技术8.4接口概述8.1串行通信接口8.3并行I/O接口8.2计数与定时技术8.4接口概述8.1串行通信接口8.38.1接口概述8.1.1接口及相关概念

接口位于系统与外设之间，用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路被称为I/O接口电路，通过接口电路对输入/输出过程起一个缓冲和联络的作用。接口技术是连接计算机系统中的各种功能部件，构成一个完整的、实用的计算机系统。是把由处理器、RAM、ROM等组成的基本系统与外部设备连接起来，从而实现计算机与外部世界通信的一门技术，即仅指I/O设备接口技术。接口是CPU与外界的连接电路，具有如下功能：寻址能力输入/输出功能信号量转换数据转换功能联络功能中断管理错误检测具有对输入/输出数据进行缓冲、隔离和锁存缓冲数据的传送功能具有定时／计数功能8.1.2接口的I/O端口与系统的连接

CPU和外设进行数据传输时，各类信息在接口中进入不同的寄存器，一般称这些寄存器为I/O端口，每个端口有一个端口地址。

１.接口部件的I/O端口分为数据端口控制端口状态端口

数据线控制线状态线DBCBAB数据输入寄存器(or三态门)数据输出寄存器(锁存器)状态寄存器(or三态门)命令寄存器译码电路控制逻辑外部输入或输出设备

I/O接口中的端口分类图

2.I/O接口信息分类数据信息包括三种形式：数字量、模拟量、开关量状态信息是外设通过接口往CPU传送的，如：“准备好(READY)”信号、“忙（BUSY）”信号控制信息是CPU通过接口传送给外设的，如：外设的启动、停止信号就是常见的控制信息

3.I/O接口与系统的连接从结构上看，接口分为两个部分：用来和I/O设备相连用来和系统总线相连并行I/O接口8.2计数与定时技术8.4接口概述8.1串行通信接口8.38.2并行I/O接口并行通信就是把一个字符的n位同时用几条数据线进行传输，即每一位数据位占用一条数据线进行传输。

优点：传输速度快，信息率高

缺点：电缆要多，随着传输距离的增加，电缆的开销会成为突出的问题

适用于：传输速率要求较高，而传输距离较短的场合8.2并行I/O接口典型双通道的并行接口，包括输入锁存寄存器、输出缓冲寄存器、控制寄存器和状态寄存器。8.2.1并行接口功能与特点

1.并行接口功能一个并行接口电路应具有以下3方面的功能：（1）实现与系统总线的连接，提供数据的输入输出功能。（2）实现与I/O设备的连接，具有与I/O设备进行应答的同步机构，保证有效地进行数据的接收/发送：（3）有中断请求与处理功能，使得数据的输入/输出可以采用中断的方法来实现功能。

2.并行接口的特点（1）并行接口是在多根数据线上，以数据字节(字)为单位与输入/输出设备或被控对象传送信息的。（2）并行口的“并行”含义是指接口与I/O设备或被控对象一侧的并行数据线。（3）并行传送的信息，不要求固定的格式。（4）从并行接口的电路结构来看，并行口有硬线连接接口和可编程接口之分。3.并行接口内部结构及信号（1）并行接口电路内由数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器、其他控制电路等组成。（2）并行接口电路的外部信号由数据信号、控制信号、状态信号、地址译码信号、读写信号、中断申请与应答信号等组成。8.2并行I/O接口8.2.2并行接口的分类常用的并行接口电路按操作方式有两大类：一类是非编程的接口电路，如74LS244/245、74LS273/373、8212等。硬线连接接口的工作方式及功能用硬线连接来设定。一类是可编程接口，接口的工作方式及功能可以用软件编程的方法加以改变，则称为可编程接口。8.2.3非编程并行接口

CPU可以通过输入输出口随时读取外设的信息或向它们发送控制命令，我们把这类接口称为简单并行口，或叫无条件传送方式接口。

1.简单并行输入

在输入量是稳定的情况下，当微机在收集被控对象的状态信息，控制量不变时，状态信息在一个较长的时间内也不发生改变。当一组设定的开关量为输入时，此时可以采用三态门74LS244/74LS245直接读取，如图8-4所示。无锁存功能的非可编程并行接口

(a)单向驱动74LS244引脚图(b)双向驱动74LS245引脚图

74ls244并口输入应用电路

74LS244CPUK6K5K4K3K2K1K0&+5VR状态标志

2.简单并行输出由于微处理器的信息出现在数据总线的时间很短，一般只有毫微秒级。因此，输出接口中要有数据锁存能力，将输出的数据保持足够长的时间，以便输出设备能够使用。（1）74LS373概述74LS373是常用的地址锁存器芯片，它实际是一个是带三态缓冲输出的8D锁存器触发器，在计算机系统中为了扩展外部存储器。（2）内部逻辑结构及引脚

(a)74LS373引脚图(b)74LS373内部结构图(c)74LS373电路连接图8.2.4可编程并行接口芯片8255A概述1．8255A的基本特性（1）8255A具有两个8位(A和B口)和两个4位(C口高/低四位)并行输入辅出的端口的接口芯片。TTL电平；C口可单独置位/复位。（2）8255A能适应CPU与I/O接口之间的多种数据传送方式的要求。如无条件传送，应答方式(查询)传送，中断方式传送；以及多种工作方式。（3）8255A的两条命令(方式字和控制字)提供了灵活方便的编程环境。（4）8255APC口具有特殊功能。（5）8255A芯片内部主要由控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器组成。

resetD7~D0A9~A2A1A0IORIOW片选译码数据缓冲器读写控制片内译码CSRESETA1A0RDWRPC7~PC0PB7~PB0PA7~PA0控制口端口A端口C(7-4)端口C(3-0)端口B+5VGNDD7~D0A组8255A总线B组2.8255A的内部结构（1）数据总线缓冲器。8位、双向、三态缓冲器。（2）8255A有三个8位输入输出端口(PORT)PA、PB和PC，各端口都可以由程序设定为不同的工作方式。（3）A组和B组的控制电路。（4）读/写控制逻辑。2.8255A的内部结构3．8255A引脚（1）面向CPU的引脚信号及功能。

D0～D7数据线：8位，双向、三态数据线，用来与系统数据总线相连。CPU通过它向8255A发送命令、数据；8255A通过它向CPU回送状态、数据。片选信号：低电平有效。由系统地址译码器产生，用以选择8255A的内部端口。只有当为“0”时，8255A芯片才工作。当为高电平时，8255A芯片未选中不工作。A1～A0内部端口地址选择输入信号线（端口选择）。与系统的地址总线低位相连。8255A内部共有4个端口：PA口，PB口，PC口和控制口，两位地址，可形成片内四个端口地址。3．8255A引脚（1）面向CPU的引脚信号及功能。：读信号。输入，低电平有效。控制8255A将数据或状态信息送给CPU（从外设输入的数据）。：写信号。输出，低电平有效。控制CPU将数据或控制信息送到8255A（向外设输出的数据）。RESET：复位信号，高电平有效。用来清除8255A的内部寄存器，并置PA口，PB口，PC口均为输入方式。输出寄存器和状态寄存器被复位，并且屏蔽中断请求。24条I/O线呈现高阻悬浮状态。这种势态，一直维持，直到用方式命令才能改变，使其进入用户所需的工作方式。3．8255A引脚（2）面向外设的引脚信号及功能。

PA0～PA7：A组输入输数据线，用来连接外设；

PB0～PB7：B组输入输数据线，用来连接外设；

PC0～PC7：C组输入输数据线，用来连接外设或者作为控制信号。8.2.58255A的初始化编程8255A的控制字（1）工作方式控制字。

方式控制字的作用是：指定3个并行端口(PA、PB、PC)的工作方式及端口功能，即是作为输入端口还是为输出端口。B口0输出1输入0方式01方式1D7D6D5D4D3D2D1D0特征位，D7=1表示是方式控制字PC3~PC00

输出1输入B组工作方式PC7~PC40输出1输入A口0输出1输入A组工作方式00方式001方式11x方式28255A方式选择控制字【例8-5】8055A工作方法控制的用法如果把端口PA设定为方式1，输出；端口PB设定为方式0，输入；端口PC上半部给端口PA，下半部设定为输出。则方式选择控制字为：10101010B=AAH。若将此控制字内容写入8255A的控制寄存器，即实现了对8255A工作方式的设定，就是完成了对8255A的初始化。设控制口地址为303H，初始化的程序段为：MOVDX，303H ；8255A的控制口地址MOVAL，OAAH ；初始化（工作方式）控制字OUTDX，AL ；控制字写入控制端口（2）PC口按位置位/复位控制字按位置位/复位控制字的作用：是使指定PC口的某一位输出为高电平或低电平，以用于控制或应答信号。则程序段如下：MOVDX，303H ；8255A控制口地址MOVAL，09H ；控制字，PC4置1OUTDX，AL ；控制字写入控制端口如果要使该引脚(PC4)复位，则用下列程序段实现：M0V Dx，303H ；8255A控制口地址MOV AL，08H ；使PC2=1的控制字OUT DX，AI ；送到控制口

【例8-6】PC口置位/复位控制字的用法。若要使PC口的PC4端输出高电平，则按位置位/复位控制字应为00001001B=09H，将该控制字写入8255A的控制寄存器，即可在PC4引脚得到一个高电平的操作。设控制口地址为0303H，8.2.68255A的工作方式8255A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——双向传输方式

可以通过往控制寄存器中写入控制字来选择其工作方式。1．工作方式0：基本的输入/输出工作方式方式0是一种基本的输入/输出工作方式，它不需要应答式的联络信号方式0下，8255A分成彼此独立的两个8位和两个4位并行口，这四个并行口都能被指定作为输入或者作为输出用，共有16种不同的使用组态。端口信号线之间无固定的时序关系，由用户根据数据传送的要求决定输入输出的操作过程。方式O没有设置固定的状态字。是单向I/O，一次初始化只能指定端口作输入或作输出，不能指定端口同时既作输入又作输出。方式0适合于两种情况：一种是无条件传送，另一种是查询方式传送。2.工作方式1：选通输入/输出方式方式1是一种采用选通（应答式）联络信号的输入/输出方式。在面向I/O设备的24根线中，设置专用的中断请求和联络信号线。数据的输入输出都被锁存。PA口和PB口为数据端口，而PC口的大部分引脚分配作联络信号用，用户对这些引脚不能再指定作其他用途。3．8255A的工作方式2：双向选通输入/输出方式把PA口作为双向输入输出口，把PC口的5根线(PC3～PC7)作为专用应答线。所以8255A只有PA口具有方式2的功能。为双向选通输入/输出。可指定PA口既作输入口又作输出口。既能发送数据，又能接收数据。这一点和方式0及方式1一次初始化只能指定为输入口或为输出口的单向传送不同。

8.2.78255A应用举例利用PA口的8条I/O线PA7—PA0分别控制8只LED发电管，令其按走马灯方式连续不停的工作。

分析：8255A只用A口的输出方式，可选用方式0、方式1.和方式2，由于控制LED灯为走马灯形式，不受其他条件控制，因此选用方式0，故方式字为80H。 MOV AL,80H OUT 83H,AL ;初始化TOP： MOV CL,8 MOV AL,80H ;自左开始点亮LED_1： OUT 80H,AL ROR AL,1 LOOP LED_1 JMP TOP HLT并行I/O接口8.2计数与定时技术8.4接口概述8.1串行通信接口8.38.3串行通信接口1.串行通信的基本概念串行通信：是指利用一条传输线将数据一位位地顺序传送。

2.在串行通信时收发双方要解决的问题双方约定以何种速率进行数据的发送和接收（波特率）。约定采用何种数据格式（帧格式），如果包含控制信息那它的定义又是什么。接收方如何得知一批数据的开始和结束（帧同步）。接收方如何从位流中正确地采样到位数据（位同步）。接收方如何判断收到数据的正确性（数据校验）。收发出错时如何处理（出错处理）。8.3.1串行通信概述根据同步方式的不同，将串行通信分为，即异步通信（ASYNC）和同步通信(SYNC)两种方式。1.异步通信方式异步通信以帧为传输单位，每个帧中包含有多个字符，其通信协议是起止式异步通信协议，通信中两个字符间的时间间隔是不固定的，然而在同一个字符中的两个相邻位代码间的时间间隔是固定的。起始位——每个字符开始传送的标志，起始位采用逻辑0电平起始位校验位停止位空闲位数据位低位高位字符0/10/10/10/110111…数据位——数据位紧跟着起始位传送。由5～8个二进制位组成，低位先传送校验位——用于校验是否传送正确；可选择奇检验、偶校验或不传送校验位停止位——表示该字符传送结束。停止位采用逻辑1电平，可选择1、1.5或2位空闲位——传送字符之间的逻辑1电平，表示没有进行传送异步通信协议格式波特率：是衡量数据传送速率的指标。表示每秒钟传送的二进制位数。

例如数据传送速率为120字符/秒，而每一个字符为10位则其传送的波特率为10×120＝1200字符/秒＝1200波特。2.同步串行通信方式同步通信以数据块为传输单位，每个数据块附加1个或2个同步字符，最后以校验字符结束，在通信过程中，每个字符间的时间间隔是相等的，而且每个字符中各相邻位代码间的时间间隔也是固定的。同步通信的规程有以下两种：（1）面向比特(bit)型规程：以二进制位作为信息单位。现代计算机网络大多采用此类规程。最典型的是HDLC(高级数据链路控制)通信规程。（2）面向字符型规程：以字符作为信息单位。字符是EBCD码或ASCII码。最典型的是IBM公司的二进制同步控制规程(BSC规程)。在这种控制规程下，发送端与接收端采用交互应答式进行通信。ABABAB单工半双工全双工3.数据传送方式根据数据传送方向的不同，串行通信通常采用全双工或半双工传输制式4.基带传输方式

在传输线路上直接传输不加调制的二进制信号。它要求传送线的频带较宽，传输的数字信号是矩形波。基带传输方式仅适宜于近距离和速度较低的通信。5.频带传输方式（1）调制和解调。（2）采用频带传输时，通信双方各接一个调制解调器，将数字信号寄载在模拟信号(载波)上加以传输。因此，这种传输方式也称为载波传输方式。

常用的调制方式有三种：调幅、调频和调相。8.3.2串行传送总线接口

1.RS232C总线串行接口标准。指的是计算机或终端(数据终端设备DTE)的串行接口电路与调制解调器MODEM等(数据通信设备DCE)之间的连接标准。RS-232C总线的电气规范。RS-232C标准采用EIA电平，规定：“1”的逻辑电平在-3V~-15v之间，“0”的逻辑电平在+3V~+15V之间。RS-232C标准与TTL标准之间的转换。2．RS-423A总线美国电子工业协会在1987年提出了RS-423A总线标准。RS-423A总线全称是“不平衡型电压数字接口电路的电气特性”，该标准的主要优点是在接收端采用了差分输入。8.3.2串行传送总线接口3．RS-422A总线RS-422A总线也称为“平衡型电压数字接口电路的电气特性”，采用平衡输出的发送器和差分输入的接收器。采用普通双绞线时，RS-422A可在1200m范围内以38400的波特率进行通信。在短距离（200m），RS-422A的线路可以轻易地达到200K以上的波特率。4．RS-485总线RS-485适用于收发双方共用一对线路进行通信，也适用于多个点之间共用一对线路进行总线方式联网，通信只能是半双工的，100Kbps波特率可传送达1200米；9600bps时可传送15千米；10Mbps时则只能传送15米。8.3.3可编程串行接口芯片8251A1.可编程串行接口芯片8251A概述基本性能。同步传送和异步传送两种工作方式。同步方式下的格式。每个字符用5～8位来表示，内部能自动检测同步字符。允许同步方式奇/偶校验。异步方式下的格式。每个字符用5～8位来表示，时钟频率为传输波特率的1：16或64倍，用1位奇/偶校验位，1位起始位。并能根据编程为每个数据增加1、1.5或2位的停止位。可以检查起始位，自动检测和处理终止字符。全双工的工作方式。其内部提供具有双缓冲器的发送器和接收器。提供出错检测。具有奇偶、溢出和帧错误三种校验电路。2.8251A的内部结构及引脚2.8251A的内部结构及引脚（1）发送器。发送器由发送缓冲器和发送控制电路两部分组成。（2）接收器。接收器由接收缓冲器和接收控制电路两部分组成。（3）数据总线缓冲器。数据总线缓冲器是CPU与8251A之间的数据接口。包含3个8位的缓冲寄存器：两个寄存器分别用来存放CPU向8251A读取的数据或状态信息。一个寄存器用来存放CPU向8251A写入的数据或控制。（4）读/写控制电路。读/写控制电路用来配合数据总线缓冲器的工作。（5）调制/解调器控制电路。调制解调控制电路用来简化8251A和调制解调器的连接。8.3.48251A的编程1．方式选择控制字（模式字）2．操作命令控制字（控制字）3．状态字例如，若要查询8251A接收器是否准备好，则可用下列程序段完成：

MOV DX，0FFF2H；状态口L：IN AL，DX ；读状态口 AND AL，02H ；查Dl＝1？即准备好了吗？ JZ L ；未准备好，则等待 MOV DX，OFFF0H

；数据口 IN Al，DX ；已准备好则输入数据4.8251A的初始化编程

8251A芯片复位以后，第一次用奇地址端口写入的值作为模式字进入模式寄存器。如果模式字中规定了8251A工作在同步模式，由CPU用奇地址端口写入的值将作为控制字送到控制寄存器，而用偶地址端口写入的值将作为数据送到数据输出缓冲寄存器。

对8251A异步通信初始化程序段如下：MOV AL，0FAH；设置方式字OUT 52H，ALMOV AL，37H；设置命令字，启动发送器、接收器OUT 52H，AL…并行I/O接口8.2计数与定时技术8.4接口概述8.1串行通信接口8.38.4计数与定时技术8.4.1计数与定时概述1.计数与定时系统微机系统中的定时，可分为两类：一类是计算机本身运行的时间基准——内部定时，因而使计算机每种操作都是按照严格的时间节拍执行的；另一类是外部设备实现某种功能时，在外设和CPU之间或外设与外设之间的时间配合——外部定时。2.定时方法(1)软件定时利用CPU内部定时机构，使每执行一条指令需要若干个机器周期的原理，运用软件编程，循环执行一段程序而产生等待延时。这是常用的一种定时方法，主要用于短时延时。(2)硬件定时采用可编程通用的定时/计数器或单稳延时电路产生定时或延时。这种方法的优点是不占用CPU的时间，定时时间长，使用灵活，故得到广泛应用。8.4.2定时/计数器82531.8253的主要功能功能：8253芯片上有3个独立的16位计数器。每个计数器都可以按照二进制或二－十进制计数。每个计数器的计数速率可高达2MHz。每个计数器有6种工作方式，可由程序设置和改变所有的输入输出都与TTL电平兼容。2.8253的内部逻辑结构2.8253的内部逻辑结构(1)数据总线缓冲器数据总线缓冲器是一个8位三态、双向寄存器，用于将8253与系统数据总线D0～D7相连。数据总线缓冲器有三个基本功能：CPU在初始化编程时，向8253写入确定8253工作方式的控制字。CPU向某一计数寄存器装入值。CPU从某一计数寄存器读出计数器的值。2.8253的内部逻辑结构(2)读/写控制逻辑读/写逻辑由CPU发来的读、写信号和地址信号，选择读出或写入寄存器，并且确定数据传输的方向：是读出还是写入（既产生整个器件的工作控制信号）。(3)控制字寄存器

控制字寄存器接受CPU送来的工作方式控制字。可以用来选择某一计数器及相应的工作方式。控制字寄存器只能写入，不能读出。(4)计数器

8253有三个独立的计数器，即计数器0、计数器1、计数器2。每个计数器的内部结构完全相同，每一个计数器由一个16位减1计数器，16位计数初值寄存器和16位输出锁存器组成。3.8253的引脚（1）数据与控制引脚的功能定义

D0~D7：数据线：双向、三态，它们为三态输出输入线，用于连接CPU的数据线。供CPU向8253读写数据、命令和状态信息。：片选信号：输入信号、低电平有效。只有当‘’为0时CPU选中8253，可以向8253进行读写；通常接地址译码信号，由CPU输出的地址码经译码产生。：读信号、输入信号、低电平有效。由CPU发出，用于对8253寄存器读数据操作。：写信号、输入信号、低电平有效。由CPU发出，用于对8253寄存器写入数据或命令字操作。3.8253的引脚（2）计数器功能引脚CLK：时钟输入信号GATE：门控制信号

OUT：计数器输出信号

8.4.38253的初始化及编程每个计数器可通过输入/输出指令对其进行访问。8253有两种工作状态： 计数模式、定时模式8253有两个计数方式： 二进制计数、十进制计数（BCD码）8253有六种工作方式： 方式0、方式1、方式2、方式3、方式4、方式5。1.8253的初始化初始化编程的步骤。（1）写入计数器控制字，规定计数器的工作方式。（2）写入计数初值。若规定只写低8位，则写入的为计数初值的低8位，高8位自动置0。若规定只写高8位，则写入的为计数初值的高8位，低8位自动置0。若是16位计数初值，则分两次写入，先写入低8位，再写入高8位。[例]8253初始化编程举例若要用计数器0，工作在方式1，按二－十进制计数，计数初值