【计算机硬件基础】输入输出接口

漕第8章

输h输出接口

1

主要内容

■基本输入输出接口的特点

-简单接口芯片的应用

-两种可编程数字接口芯片的应用

■工业闭环控制系统概述

■模拟量输入输出接口芯片的功能及应用

2

§8.1箱单数字接口电路

掌握:

■接口电路的分类及特点;

■两类简单接口芯片的应用

3

一、接口电路的基本构成

I/O接口：

4

接口的基本构成

5

接口的基本构成

■数据输入/输出寄存器一暂存输入/输出

的数据

-命令寄存器——存放控制命令，用来设定

接口功能、工作参数和工作方式。

■状态寄存器——保存外设当前状态，以供

CPU读取。

6

外设接口

输入接口并行接口数字接口

输出接口串行接口模拟接口

输入输出接口的特点

输入接口：

-要求对数据具有控制能力（常用三态门实现）

输出接口：

■要求对数据具有锁存能力（常用锁存器实现）

8

二、基本输入接口

三态门接口：高电平、低电平、高阻态

三态门的工作波形:

A0-A15-~〈地址有效〉

欣-----\r~

译码输出-------\/----

D0~D7〈开关状^^

10

74LS244接口

■含8个三态门的集成电路芯片

-不具备数据的保存能力

■在外设具有数据保持能力时用来输入接口

P341图

11

三态门接口应用例

■利用三态门作为输入接口（接口地址380H）

接至U地址范围为70000H——71FFFH的

EEPROM芯片的READY/BUSY端，当三态门

输出高电平时，可向98c64A写入一个字节数

据，输出低电平时则不能写入。试画芯片与系

统的连接图

12

三态门接口应用例

D0~D7DO〜D7

AoAo

A12A12

MEMWWE

MEMROE

高位地A译码CE

址信弓

READYBUSY

DO

IOR

译码

Ao~A12380H13

锁存器接口

■通常由D触发器构成；

■特点：

具有对数据的锁存能力；

不具备对数据的控制能力

14

常用锁存器芯片

■74LS273

8D触发器，不具备数据的控制能力

P343图

■74LS374

含有8个带有三态输出的8D触发器，具

有对数据的控制能力

Ml”

锁存器芯片74LS374

做输出口:做输入口:

Q0

DO〜D7D0~D7

［设

译码器CPQ7译码器►OEQ7

OECP

自外设

16

简单:I/O接口综合应用例

■根据开关状态在7段数码管上显示数字或

符号

-设输出接口的地址为FOH

■设输入接口地址为F1H

■当开关的状态分别为0000〜:1工工工时,

在7段数码管上对应显示。〜F

17

FOH=OOOO000011110000

F1H=0000000011110001

74LS2737406Rx8

a

b

DO〜D7

c

d

译码器

e

IOW#f

g

Dp

A7〜A4《

A15〜A8vo+5V

74LS244K0〜K3

A3DO01IIo-o

A2D1。

A10212/o

D2

AO03135o

D30414o-o

IOR#E1

18

形状7段码符号形状7段码

符号.gfedcba.gfedcba

Li匚।

，（rI_I001111118口01111111

i000001109口01100111

Ti-i

二i4

01011011匚।01110111

2匚|—।

二1।

301001111匚।01111100

I_I1一

4"I01100110'C00111001

L।

5j01101101，D'匚।01011110

L匚

6口01111101Er01111001

一1

7100000111'F'01110001

19

简单1/0接口综合应用例

GO:INAL,OF1H

Seg7DB3FHQ6H,

ANDAL,OFH

5BH,4FH,66H,6DH，

MOVSI,AX

7DH07H7FH67H77H

55555MOVAL,LBX+SI]

7CH39H,5EH79H71H

555OUTOFOH,AL

JMPGO

LEABX,Seg7

MOVAH,0

20

§8.2可编程数字接口芯片

掌握:

-芯片的引线及内部结构

-工作方式及工作时序

・芯片的应用：

r芯片与系统的连接

二芯片的初始化编程

21

一、可编程定时器8253

■16位硬件减法计数器

-含三个独立定时/计数器

■最大计数初值为0

内部结构框图

22

主要引线功能

连接系统端的主要引线:

DO--D7AlAO

CS00CNTO

RD

01CNT1

WR

10CNT2

AO,Al

11控制寄存器

23

主要引线功能

连接外设端的主要引线:

■CLK.................时钟脉冲输入

■GATE...............门控信号输入

■OUT..................定时输出

24

结构特点

r16位初值寄存器

■计数器

I16位计数寄存器

■控制寄存器一►存放8位控制命令字

■控制逻辑

25

计数启动方式

GATE端为高电平

「软件启动|置入计数初值后的第2个

ICLK脉冲的下降沿启动

rGATE端有一个上升沿

（硬件启动I对应CLK脉冲的下降沿启动

26

工作方式

「软件启动，不自动重复计数。

方式0《装入初值后输出端变低电平,

I计数结束输出高电平

「硬件启动，不自动重复计数

方式工Y装入初值后输出端变高电平，

计数开始输出低电平，结束后又变高

27

工作方式

「软、硬件启动，自动重复计数

方式2\装入初值后输出端变高电平，

I计数到最后一个脉冲时输出低电平

「软、硬件启动，自动重复计数

方式31装入初值后输出端变高电平，

输出对称方波

28

工作方式

「软件启动，不自动重复计数。

方式4V装入初值后输出端变高电平，

I计数结束输出一个CLK宽度的低电平

硬件启动，不自动重复计数

方式5

波形与方式4相同

29

控制字

■用于确定各计数器的工作方式

30

8253的应用

■与系统的连接

-芯片初始化［编

■置计数初值J程

31

与系统的连接示急

8253

D0-D7

外

WRCLK

部

RDGATE电

AlOUT路

AO

译码器CS

32

初始化程序流程

写入顺序：

写控制字

可以计数器为

单位，也可先

写计数值低8位写所有计数器

控制字，再写

入初值

写计数值高8位

▼

33

8253应用例

■采用8253作定时/计数器，其接口地址为

0120H<v0123Ho

-要求计数器。每10ms输出一个CLK脉冲宽的

负脉冲；用计数器工产生工OKHz的连续方波信

号，计数器2在定时5ms后产生输出高电平。

输入8253的时钟频率为2MH。

■画线路连接图，并编写初始化程序。

34

8253应用例

■计算计数初值：

CNTO：10ms/0.5us=20000

CNT1：2MHz/10KHz=200

CNT2：5ms/0.5us=10000

■确定控制字：

CNT0：方式2,16位计数值

CNT1：方式3,低8位计数值

CNT2：方式0,16位计数值

35

8253应用例

+5V

8253

GATEO

DBD0~D7GATE12MHz

GATE2

IOWWR

CLKO

RDCLK14

AlCLK2

AOOUTO

OUT1

CS

OUT2

36

8253应用例初始化程序

CNTO：MOVAL,AH

MOVDX,0123HOUTDX,AL

MOVAL,34H

OUTDX,ALCNT1：

MOVDX,0120H

MOVAX,20000CNT2：

OUTDX,AL

37

二、并行接口8255

特点：

-含3个独立的8位并行输入/输出端口，各

端口均具有数据的控制和锁存能力

-可通过编程，设置各端口工作在某一确定

状态下。

38

引线

连接系统端的主要引线:

■DO--D7

AlAO

■CS

■RD00A端口

■WR01B端口

■AO,Al10c端口

■REAST11控制寄存器

39

引线

连接外设端的引脚:

■PAOPA7)分别对应

■PBOPB7卜A、B、C

PC7J三个端口

■PCO

40

结构

端口A

A组1

〔端口C的高4位

「端口B

B组\

I端口C的低4位

41

8255与系统的连接示意图

8255

D0-D7

IOW

IOR

A1

A0

42

工作方式

「基本输入/输出方式（方式0）

J选通工作方式（方式1）

j双向传送方式（方式2）

43

［方式0：7

-相当于三个独立的8位简单接口

・各端口既可设置为输入口，也可设置为输出口,

但不能同时实现输入及输出

・C端口可以是一个8位的简单接口，也可以分为

两个独立的4位端口

・常用于连接简单外设（适于无条件或查询方式）

44

方式0的应用:

■常使A端口和B端口作为8位数据的输入或输

出口，使C口的某些位作状态输入

45

方式工

■利用一组选通控制信号控制A端口和B端口

的数据输入输出

■A口、B口作输入或输出口，C口的部分位用

作选通控制信号

■A口、B口在作为输入和输出时的选通信号

不同■

F输出

输入

46

方式工的应用

■方式工主要用于中断控制方式下的输入输出

-C口的8位除用作选通信号外，其余位可工

作于方式0下，作为输入或输出口

47

方式2

■双向输入输出方式-----可以既作为输入口,

又作为输出口

■只有A端口可工作在方式2下

48

方式2的应用

■可使A端口作为双向端口所有

-用于中断控制方式

■当A口工作于方式2时，B口可工作于方式工

（此时C口的所有位都用作选通控制信号的

输入输出），也可工作于方式0（此时CD

的剩余位也可工作于方式0）

49

方式控制字及状态字

■利用软件编程确定3个端口工作于何种方

式下；

■C端口可以按位操作。当其工作于方式。下

且作为输出口时，需要对输出线设置初始

状态（即初始化）。

50

方式控制字与状态字格式

■控制字......确定3个端口的工作方式

■状态字......确定C口某一位的初始状态

51

8255芯片的应用

「芯片与系统的连接

Y芯片的初始化

-相应的控制程序

52

8255应用例2:

-利用8255实现开关检测和继电器控制电路；

-当开关K闭合时，使8个继电器通电动作；

■系统每隔100ms检测一次开关状态，实现相

应的控制；

■初始状态下继电器都不动作。

53

题目分析

■采用中断控制方式（每100ms中断一次）

■使8255的A端口和B端口均工作于方式0

-8253计数器0和计数器工均工作于方式3,利用OUTO

的输出作为计数器工的时钟信号，使OUTO输出频率为

2KHz,OUT1输出频率为10Hz。用OUT工信号作为

中断源。

■8253两个计数器的计数初值分别为：

CNTO：2MHz/2KHz=1000

CNT1：100ms/0.5ms=200

54

继电器x8

8255

Q

D0-D7DBPAO

■

■

IOR#RD

PA7

IOW#WR

Al-AAlPBO

AOAO

384H~387HCSPB7

OUT1aINTR（每秒10次）

Al

OUTO

AO

CLK1

388H~38BHCS

CLK0<2MHz时钟脉冲

825355

8255的初始化程序

MOVDX,387H

MOVAL,82H;10000010

OUTDX,AL

XORAL,AL；所有继电器均断电

MOVDX,384H

OUTDX,AL

56

8253的初始化程序

初始化命令字：置计数初值：

MOVDX,38BHMOVDX,388H

MOVAX,2000

MOVAL,36H

OUTDX,AL

OUTDX,AL

MOVAL,AH

MOVAL,56H

OUTDX,AL

OUTDX,AL

MOVDX,389H

MOVAL,200

OUTDX,AL

57

8255的中断服务程序

（主程序及中断初始化部分略）

■■■■■■

MOVDX,385H；PB口输入开关状态

WAITO：INAL,DX

ANDAL,1;K闭合否？

JNZWAITO

MOVDX,384H;PA口控制继电器

MOVAL,OFFH；所有继电器动作

OUTDX,AL

■■■■■■

58

数字接口电路部分作业:

■8.1

■8.3

■8.5

■8.7

■8.10

■8.11*

59

§8.3模拟量输入输出接口

主要内容：

-模拟量输入输出通道的组成

.D/A转换器的工作原理、连接及编程

■A/D转换器的工作原理、连接及编程

60

一、模拟量输入输出通道7

-模拟量的输入通道：

将工业现场的模拟信号或非电的物理信号转换为

计算机的标准输入信号——数据采集

■模拟量的输出通道

将计算机输出的数字信号转换为模拟量以驱动生

产现场的执行器件一过程控制

61

模拟量I/O通道的组成:

输入通道

传

感放大多路转换A/D输入10101100微

器滤波转换接口--------->

'也采样保持

型

上

il

物理量1:信号！：信号I/O

产变换：：处理：：变换

接口算

!，输出通道

过

机

执行f\J放大：IO/A输出00101101

程机构9r驱动9L转换接口

模拟电路的任务模拟接口电路的任务

62

模拟量I/O接口

J

模拟量输入模拟量输出

（数据采集）（过程控制）

63

二、数/模（D/A）变换器

掌握：

-D/A变换器的工作原理

-D/A变换器的主要技术指标

■DAC0832的三种工作模式

■DAC0832的应用

64

1.D/A变换器的基本构成

（模拟开关

＜电阻网络＜权电阻网络

R・2R梯形电阻网络

＜运算放大器

Rf

数字量

65

2.基本变换原理

■运放的放大倍数足够大时，输出电压V。与输入

电压Vm的关系为：

*

R

66

基本变换原理

■若输入端有n个支路，则输出电压V。与输入电

压M的关系为：

67

基本变换原理

■令每个支路的输入电阻为》R,并令基准电压

Vref=(Rf/RPVP则有

〃1〃1

von=f乙y----a--vref=-y-vref

i=1NHfi=1N

68

基本变换原理

■如果每个支路由一个开关Si控制，Sj=l

表示Si合上，Si=O表示与断开，则上式

变换为

n1

V0=TTS/Vre/

i=12

若Si=1,该项对V。有贡献；若Sj=O,该项对V。无贡献

69

权电阻网络:

这里，上式中的11=8

70

基本变换原理

■如果用8位二进制代码来控制图中的S]

（Dj=：l时与闭合；5=0时导断开），则不同的二进制

代码就对应不同输出电压V0；

■当代码在。〜FFH之间变化时，V。相应地在。〜

■(255/256)Vref之间变化;

■为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的

D/A转换器采用R・2R梯形电阻网络，它只用两

种阻值的电阻（R和2R）。

71

3.主要技术指标

■分辨率(Resolution)

输入的二进制数每±1个最低有效位(LSB)

使输出变化的程度。

-可用输入数字量的位数来表示，如8位、10

位等；也可用一个LSB使输出变化的程度来

表o

■LSBLeastSignificantBit

72

分辩率

■一个满量程为5V的10位D/A变换器，土工

LSB的变化将使输出变化

5/(210-1)=5/1023

=0.04888V

=48.88mV

73

转换精度（误差）

实际输出值与理论值之间的最大偏差

-可用最小量化阶，来度量：

/二±1/2LSB

-也可用满量程的百分比来度量：

如0.05%FSR

(FSR-FullScaleRange)

74

转换时间

■从开始转换到与满量程值相差±1/2LSB所对

应的模拟量所需要的时间。

1/2LSB

4.DAC0832

特点:

■8位电流输出型D/A转换器

■T型电阻网络

■差动输出

76

DAC0832的内部结构：

8位

8位8位・'REF

入

输L#IoUT2

存DACD/A

—寄

数据寄存转换

D713-16二।•loUTl

器器r

LE1LE2Rib।|•Rfb

CS1•AGND（模拟地）

WRi

丽18

XFER~

DAC0832框图

77

主要引线功能

DAC0832

输入寄存器控制信号：

CS—12()—Vcc

WRi一：ILE

919

■D7〜DO：输入数据线AGND一

318UWR2

D3一UxFER

输入锁存允许117

-ILE：D2:

516—Di

-CS：片选信号Di—615—D5

UDG

■WRi：写输入锁存器Do—/11

VREE-813—D7

Rrb—912--L0UT2

DGND.

1()11—LOUTI

78

主要引线功能

用于DAC寄存器的控制信号：

■瓯：写DAC寄存器

-XFER：允许输入锁存器的数据传送到DAC

寄存器

79

主要引线功能

其它引线：

■VREF：参考电压。

-10V-+10V,一般为+5V或+10V

■IQUTI>IQUT2*D/A转换差动电流输出。

用于连接运算放大器的输入

■Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出

■AGND、DGND：模拟地和数字地

80

工作时序

Do—D7X

CS

写输入

寄存器”

WR!\/

ILE

写

DACWR2

寄存器

XFER

（模拟输出电流变化）

81

工作模式

■单缓冲模式

-双缓冲模式

・无缓冲模式

82

单缓冲模式

■使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于直通,

即芯片只占用一个端口地址。

■CPU只需一次写入即开始转换。写入数据的程

序为：

MOVDX,PORT

MOVAL,DATA

OUTDX,AL

83

双缓冲模式（标准模式）

-对输入寄存器和DAC寄存器均需控制；

■当输入寄存器控制信号有效时，数据写入输入寄存

器中；再在DAC寄存器控制信号有效时，数据才写

入DAC寄存器，并启动变换；

■此时芯片占用两个端口地址；

■优点：数据接收与D/A转换可异步进行；

可实现多个DAC同步转换输出

-特点：分时写入、同步转换

84

双缓冲模式同步转换例

4W

MOVAL,data

MOVDX,portl―►0832T的输入寄存器地址

OUTDX,AL

MOVDX,port2—►0832-2的输入寄存器地址

OUTDX,AL

MOVDX,port3―►DAC寄存器地址

OUTDX,AL

HLT

86

无缓冲器模式

■使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟

输出始终跟随输入变化。

■不能直接与数据总线连接，需外加并行接口

（如74LS373、8255等）。

87

5.D/A转换器的应用

「向D/A转换器写入某种按规

「信号发生器Y律变化的数据，即可在输出

〔端获得相应的各种波形

I用于闭环控制系统

88

三、模/数（A/D）转换器

主要内容：

-A/D转换器的一般工作原理；

■A/D转换器的主要技术指标；

「与系统的连接

'A/D转换器的应用数据采集程序的编写

89

1.A/D转换器用途

■用于将连续变化的模拟信号转换为数字信

号的装置，简称ADC,是模拟系统与计算

机之间的接口部件。

90

2.A/D转换器类型

■计数型A/D转换器

——速度慢、价格低，适用于慢速系统

-双积分型A/D转换器

——分辩率高、抗干扰性好、转换速度慢，适用于中速系统

-逐位反馈型A/D转换器

——转换精度高、速度快、抗干扰性差

91

J逐位反馈型A/D转换器

原理：类似天平称重量时的尝试法，逐步用祛码的累积重量去逼近被称物

92

3.主要技术指标

■转换精度

「量化误差

影响精度的误差I非线性误差

［其它误差

■总误差二各误差的均方根

量化间隔

■一个最低有效位对应的模拟量，即

△=Vmax/

■例：某8位ADC的满量程电压为5V,则其分

辨率为：

5V/255=19.6mV

94

量化误差

・绝对量化误差=1/2△

■相对量化误差二(1/2)x1LSBx100%

95

量化误差

■例：

设满量程电压=：LOV,

A/D变换器位数=10位，贝IJ：

绝对量化误差a10/211=4.88mV

相对量化误差«1/211*100%=0.049%

96

转换时间

■实现一次转换需要的时间

■精度越高（字长越长），转换速度越慢。

97

输入动态范围

■允许转换的电压的范围

如。〜5V、0〜10V等。

4.ADC0809

■8通道（8路）输入

■8位字长

■逐位逼近型

■转换时间lOOps

・内置三态输出缓冲器

99

主要引脚功能

-D7〜DO：输出数据线（三态）

■IN0-IN7：8通道（路）模拟输入

■ADDA、ADDB、ADDC：通道地址

■ALE：通道地址锁存

■START：启动转换

■EOC：转换结束状态输出

■OE：输出允许（打开输出三态门）

■CLK：时钟输入（1OKHZ〜L2MHz）

100

内部结构：

8

个

模

拟

输

入

通

道

VREF(+)VREF(-)

101

工作时序

ADDA—ADDC

地址启动

锁存

ALE/START

EOC

转换时间

0E

DO—D7

ADC0809工作过程

-送通道地址，以选择要转换的模拟输入;

-锁存通道地址到内部地址锁存器；

-启动A/D变换；

-判断转换是否结束；

-读转换结果

103

ADC0809的应用

■芯片与系统的连接

■编写相应的数据采集程序

104

芯片与系统的连接

模拟输入端工此:

ADC0809

输

入0

输

入1

入

输2

入