微机原理第七章输入输出接口

第七章输入/输出接口

7.讨既述

7.2CPU与外设数据传送的方式

7.3可编程计数器/定时器8253

7.4串行通讯和串行接口

7.5并行接口

7.6DMA控制器8237

7.7D/A和A/D转换技术

7.1概述

、接口电路的分类和功能

外设必须通过接口电路与CPU相连接

数

线

据

外

线

控制

部

接口电路设

备

态线

状

、接口电路的分类和功能

接口电路按通用性分为两类：通用接口和专用接口

通用接口：可供多种外部设备使用的标准接口，目的是使微机正常

工作

通用接口通常制造成集成电路芯片，称为接口芯片。

最初的IBM-PC使用了6块接口芯片：8284、8288、8255、8259

8237、8253

后来的微机将这些芯片集成为大规模集成电路芯片，称为芯片

组。

如82430TX芯片组，由两片芯片组成：

北桥：82439TX

南桥：82371AB

PemimProaeasor

•一、接口电路的分类和功能

八

、接口电路的分类和功能

专用接口：为某种用途或某类外设而专门设计的接口电路，目

的

在于扩充微机系统的功能。

专用接口通常制造成接口卡，插在主板总线插槽上使用。

通用接口和专用接口的界限并不严格。

按照可编程性，接口芯片分成硬步线逻辑接口芯片和可编程接口

-4-HL_C

心片o

可编程接口芯片的功能可以由指令来控制0

、接口电路的分类和功能

接口电路的功能：

1）缓冲锁存数据P.228

2）地址译码

3）传递命令

4）码制转换

5）电平转换

二、接口电路的基本结构P.196

接口电路通常包含一组能够与处理器交换信息的寄存器，称为I/O

端口寄存器，简称为I/O端口

1）数据端口——存放数据信息

2）状态端口——存放状态信息，即反映外设当前工作状态的信息

3）控制端口——存放控制信息

状态信息与控制信息可以广义地看作数据信息，因此可以通过

数据总线传送

三、I/O端口的编址方式

•I/O端口与存储单元统一编址

•I/O端口独立编址

PC系列机采用I/O端口独立编址方式

Port0（32位）

三、I/O端口的编址方式

端口地址是一种重要资源

^Microsoft系统信息*>口|x|

文件星）编辑⑥查看②工具d）帮助⑻

H|昌|”电1

系统信息I/O范围设备

臼硬件资源xOOOO-xOOOF直接内存访问控制器

冲突/共享x0020-x0021可编程的中断控制器

DMAx0040-x0043系统计时器

强制硬件x0060-x0060标淮101/102建或Microsoft自然键盘

x0061-x0061系统扬声器

标港健或自然犍盘

IRQsx0064-x0064101/102Microsoft

系统实时钟

内存xOOTO-xOOTlCMOS/

直接内存访问控制器

®殂件x0080-x0090

国软件环境x0094-x009F直接内存访问控制器

xOOAO-xOOAl可编程的中断控制器

xOOCO-xOODE直接内存访问控制器

xOOFO-xOOFO数值数据处理器

xOlTO-x0177Intel82371AB/EBPCIBusMasterIDEContr

xOlTO—x0177SecondaryIDEcontroller(dual£i£o)

xOlFO-xOlFTIntel82371AB/EBPCIBusMasterIDEContr

xOlFO-x01F7PrimaryIDEcontroller(dualfifo)

卜11►1

若需要帮助,请按F1|当前的案统凝

，三、I/O端口的编址方式

-----------------------------------------------------------------

，•端口的寻址P.83

.•把端口地址放在DX寄存器中，对该端口进行读写

«INAL,DX

OUTDX,AL

■

.——可寻址的端口号为0〜65535(FFFFH)

L<•端口地址小于或等于FFH(255),可以用立即数表示端口地址

I.INAL,42H

OUT43H,AL

7.2CPU与外设数据传送的方式

无条件传送

程序传送方式

程序查询传送（条件传送）

中断传送方式

DMA传送方式

、程序传送方式

CPU与外设间的数据交换在程序控制下进行

••（一）无条件传送

不查询外设状态，认为外设已经准备就绪，直接与外设传送数据

外设准备就绪:对于输入设备，已经把数据放入接口电路的数

据输入寄存器，CPU可以读取；对于输出设备，已经准备好接

收数据（接口电路的数据输出寄存器已空），CPU可以向它输

出数据

由于不查询外设状态，接口电路不需要状态寄存器

、程序传送方式

输入缓存

输出锁存

无条件程序传送的原理，P.197

、程序传送方式

（二）程序查询传送

在执行输入输出前，要先查询接口中状态寄存器的状态。

输入时，状态寄存器的状态指示要输入的数据是否已经准备就2

输出时，状态寄存器的状态指示输出设备是否空闲

P.199

、中断传送方式

使用查询方式，CPU必须检测接口电路的状态寄存器，如果设备

未准备好，CPU就要不断地查询，降低了CPU的运行效率

中断方式：当外设作好传送准备后，主动向CPU请求中断，CPU

响应中断后在中断处理程序中与外设交换数据。若外设未准备好,

CPU可以执行其他程序，提高了CPU的利用率

每条指令完成后，CPU均可响应中断，因此当设备准备好时，可

及时与CPU交换数据，提高了实时性

三、DMA传送方式

对于高速外设（如磁盘、高速A/D）,中断方式不能满足数据

传输速度的要求。

DMA=DirectMemoryAccess-----直接存储器访问

DMA方式是一种由专门的硬件电路执行I/O的数据传送方式，

它可以让外设接口直接与内存进行高速的数据传送，而不必经

过CPU。这种专门的硬件电路称为DMA控制器，简称DMAC

7.3可编程计时器/计数器8253

-、计数/定时的工作原理

计数/定时的功能

•对外部事件发生次数进行计数

・计算机系统经常用到定时信号，如DRAM刷新定时

计数和计时本质上是相同的，它们都是对一个输入脉冲进行

计数，如果输入脉冲的频率一定，那么记录脉冲的个数与所

需的时间是一一对应的关系。

例如输入脉冲频率为2MHz,那么计数2x106<—>计时1秒

因此，使用同一个芯片，既能计数，又能计时计时器/计数器

、计数/定时的工作原理

组成：

控制寄存器——决定工作模式

状态寄存器——反应工作状态

初值寄存器——计数的初值

计数输出寄存器——CPU从中读

当前计数值

计数器——执行计数操作，

CPU不能访问

♦

、计数/定时的工作原理

,工作原理：对CLK信号进行减1计数

*首先，CPU把控制字写入控制寄存器，计数初始值写入初值寄存器

.计数从初值开始，每当CLK信号出现一次，计数值减1

•当计数值减到0,从OUT端输出规定的信号

.CLK信号出现时，计数器是否减1,由门控信号GATE控制

、计数/定时的工作原理

CLK是计数输入信号，计数器对CLK端出现的脉冲个数进行计

数

•CLK端可以输入外部事件

•CLK端可以接入固定频率的时钟信号，从而实现计时

OUT信号在计数结束时发生变化

•可将OUT作为外部设备的控制信号

•可将OUT作为向CPU申请中断的信号

CPU可以从计数输出寄存器读出当前计数值。

读前，应向控制寄存器发送锁存命令

二、8253的编程结构

1片8253内部有三个计数器，结构完全相同

8253的引脚、内部结构、寻址方式

P.229

每个计数器内部都有一个8位控制寄存器，三个控制寄存器使

用相同的端口，在编程结构图中画为一个

8253没有状态寄存器

二、8253的编程结构

每个计数器的初值寄存器（CR）、输出锁存器（OL）都是16位

的，但它们对应相同的一个8位端口地址，所以16位的CR、OL

作为两个8位寄存器读写，由控制寄存器控制读写高8位/低8位

8253控制字的格式

P.230

三、8253的编程命令

•初始化1）写入控制字

••2）按控制字要求写入计数初值

计数器初值计算：N/LKTOUT

例：设三个计数器的CR/OL端口地址为70H、71H、72H,控制

寄存器端口地址73H。计数器0,工作模式2,CR/OL仅使用低8

位，初值为100,计数值使用二进制

MOVAL,14H

OUT73H,AL

MOVAL,100

OUT70H,AL

三、8253的编程命令

例：设三个计数器的CR/OL端口地址为70H、71H、72H,控制

寄存器端口地址73H。计数器1,工作模式1,CR/OL使用16位,

初值为1234,计数值使用BCD

MOVAL,73H

OUT73H,AL

MOVAX,1234H

OUT71H,AL

MOVAL,AH

OUT71H,AL

三、8253的编程命令

•读出命令

1）发出锁存命令，使当前计数值锁存在OL中

2）读OL,获得当前计数值

例：设三个计数器的CR/OL端口地址为70H、71H、72H,控制

寄存器端口地址73H。读出计数器0的当前计数值，放在BX中

MOVAL,OH

OUT73H,AL

INAL,70H

MOVBL,AL

INAL,70H

MOVBH,AL

四、8253的工作模式

工作模式决定以下内容：

1）门控信号的影响

高电平允许，当GATE=O,即使出现CLK,也不计数

----模式0,2,3,4

上升沿允许（上升沿触发）

——模式1,5

2）OUT信号的状态

写入控制字后，OUT的状态

计数过程中，OUT的状态

计数终了，OUT的状态

3）计数操作可否重复

不可重复——模式0,4

自动重复——模式2,3

条件重复——模式1,5

四、8253的工作模式

六种工作模式

P.230

•计数初值写入初值寄存器后，要经过一个CLK输入后才开始计数

（或，经过一个CLK后，计数初值才到达计数执行部件）

・计数器在CLK的下降沿使计数值减1

四、8253的工作模式

方式0：

计数初值写入CR后，OUT由0到1跳变出现在n+1个时钟脉冲之

后

延迟时间TD=(H+1)TCLK

方式1：

单脉冲宽度T=nTCLK

方式2：

对输入端n个时钟脉冲，在输出端仅出现一个时钟脉冲

——N分频计数器

四、8253的工作模式

方式3：

例：计数器工作模式3,计数器初值15,时钟脉冲频率为

2MHz,确定OUT端输出方波的特性。

解：TCLK=l/2MHz=500ns

计数器初值15为奇数，输出分频波高电平宽度

TCLK(N+1)/2=4JIS

输出分频波低电平宽度

TCLK(N-1)/2=3.5|1S

方式4、5：

触发后n+1个时钟脉冲之后输出端产生选通脉冲信号

四、8253的工作模式

例：计数器0工作模式4,初始化计数器，使装入计数器10四后

产生选通信号（设时钟频率2MHz,8253端口地址为50H〜53H）。

解：n+l=T/TCIK=10/0.5=20

n=19=13H

MOVAL,18H

OUT53H,AL

MOVAL,13H

OUT50H,AL

五、8253的应用

1.PC机中8253的应用

计数器0：向系统日历时钟提供定时中断

模式3,控制字36H,计数器初始值0

计数器1：动态RAM刷新

模式2,控制字54H,计数器初始值18(12H)

计数器2：控制扬声器发声

模式3,控制字B6H,计数器初始值1331(533H)

PC机中，8253的端口地址为40H〜43H

五、8253的应用

2.扬声器控制

设计一个程序，使扬声器发出600Hz频率的声音，按下任意键

声音停止

PC机的发声系统以计数器2为核心。CLK2的输入频率1.19MHz,

改变计数器初值可以由OUT2得到不同频率的方波输出

对于600Hz,计数初值LI9MHz/600Hz=1938

发声系统受8255芯片B口的两个输出端线PBO、PB1的控制

PBO为1,使GATE2为1,计数器2能正常计数

PB1为1,打开输出控制门

五、8253的应用

CODESEGMENT2.扬声器控制

ASSUMECS:CODE

START:

INAL,61H

ORAL,03H

OUT61H,AL

MOVAX,1983

OUT42H,AL

MOVAL,AH

OUT42,AL

MOVAH,01H

INT21H

INA1,61H

ANDAL,OFCH

OUT61H,AL

MOVAH,4CH

INT21H

CODEENDS

ENDSTART

五、8253的应用

3.以2MHz输入8253,实现每5秒定时中断(设8253端口地址

40H〜43H)

分析：8253最大初值65536,CLK=2MHz可实现最大时间间隔

65536/(2xl06)=32.769ms

所以需要两个计数器串联，一个计数器的输出作为另一个计数

器的输入

五、8253的应用

计数器1：模式2,OUT1每5ms输出一个脉冲

初值(2x106)/(1/0.005)=10000

计数器0：模式2,OUTO每5s输出一个脉冲

每5秒产生

初值(1/0.005)/(1/5)=1000一个脉冲

OUTO