第二章-輸入輸出接口和輸入輸出通道-2-2

本節(jié)主要任務(wù)：學(xué)會對存儲器、I/O端口的編址；掌握I/O接口與系統(tǒng)的連接，I/O接口的擴(kuò)展技術(shù)；設(shè)計一般的I/O接口硬件電路。2.3I/O接口設(shè)計12/8/20221I/O接口設(shè)計任務(wù)：（1）根據(jù)生產(chǎn)過程和生產(chǎn)機(jī)械或管理的要求及外設(shè)的特性選定I/O控制方式；（這取決于對信息交換的速度和CPU的工作效率的要求）（2）設(shè)計I/O接口硬件并編寫相應(yīng)的接口控制程序。（這取決于控制速度、可靠性及成本）12/8/20222一、I/O接口的編址方式編址方式是為了區(qū)別存儲器和I/O接口讀寫操作而設(shè)定的。分為I/O接口和存儲器統(tǒng)一編址，I/O接口獨立編址。編址方式是由所選定的微處理器決定的。（一）I/O接口獨立編址方式將存儲器地址空間和I/O接口地址空間分開設(shè)置，互不影響。設(shè)有專門的IN、OUT指令來完成I/O操作。如：Z80利用MREQ和IORQ區(qū)分訪問存儲器還是I/O接口。8086在最小模式下利用M/IO來區(qū)分訪問存儲器還是I/O接口。（Ｐ２９）12/8/202238086在最大模式下，由于引腳不夠用，沒有直接輸出M/IO、RD、WR，而是由S2，S1，S0輸出三個總線周期狀態(tài)信號編碼送至總線控制器8288，經(jīng)8288解決后，再生成IORC（讀I/O口）IOWC（寫I/O口），即S0

S1

S2

CPU總線時間8288控制信號００１讀I/O口IORC０１０寫I/O口IOWC１０１讀存儲器MRDC１１０

寫存儲器MWTC12/8/20224獨立編址方式示意圖存儲器I/O端口00000HFFFFFH0000HFFFFH執(zhí)行指令MOV，ADD，SHL，……執(zhí)行指令I(lǐng)N，OUT12/8/20225（二）I/O接口與存儲器統(tǒng)一編址方式

該方式把所有的I/O接口的端口都當(dāng)作是存儲器的一個單元對待，不設(shè)專門的I/O指令，所有傳送和訪問存儲器的指令都可用來對I/O口操作。Intel51系列、96系列單片機(jī)都是采用統(tǒng)一編址方式的。比較兩種編址方式：（Ｐ２９）獨立編址：內(nèi)存地址空間和I/O接口地址空間分開，互不影響，譯碼電路較簡單；設(shè)有專門的I/O指令，程序易區(qū)分、執(zhí)行時間短。缺點是要采用專門的I/O周期、I/O控制線和有限的I/O指令，使微處理器復(fù)雜化。統(tǒng)一編址：I/O接口可與存儲器公用譯碼和控制電路；訪問內(nèi)存的指令都可以用于I/O操作，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。缺點是I/O接口要占用存儲器地址空間的一部分；指令共用，難以區(qū)分I/O操作。12/8/20226二、I/O接口與系統(tǒng)的連接常用的I/O接口芯片有Z-80PIO、8255A和8251A。I/O接口與外設(shè)之間的連接12/8/20227接口芯片與CPU之間必要的連接信號有4類：1）數(shù)據(jù)信號2）讀寫控制信號3）片選信號和地址線A1、A04）時鐘、復(fù)位、中斷控制、聯(lián)絡(luò)等信號12/8/2022812/8/2022912/8/202210三、I/O接口擴(kuò)展1擴(kuò)展I/O接口地址及存儲器容量。1)地址擴(kuò)展常用地址譯碼器有2：4（四中選一）、3：8（八中選一）和4：16（十六中選一）譯碼器等。比如74LS138（3：8）譯碼器和74LS139和74LS155（雙2：4）譯碼器。12/8/20221174LS138（3：8）譯碼器12/8/202212解答步驟：第一步、了解設(shè)計中所涉及到的芯片的引腳分布及其工作原理；Z80CPU、并行接口芯片PIO、計數(shù)器/定時器CTC、8位ADC0808、8位DAC0832第二步、分析各芯片地址分配情況；第三步、連線。例一:采用8位的Z80CPU微機(jī)控制系統(tǒng)，按控制要求擴(kuò)展一個并行接口芯片PIO、一個計數(shù)器/定時器CTC、一個8位的A/D轉(zhuǎn)換器ADC0808和一個8位的D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832。指定它們的地址分別是40H~43H、44H~47H、58H和5CH。12/8/20221312/8/202214試分析下圖中8237A、8259A、8253、8255A的地址范圍12/8/2022152存儲器容量的擴(kuò)展存儲器容量：指一個存儲器芯片所能存儲的二進(jìn)制信息量。容量=字?jǐn)?shù)X字長如：Intel2732表示為4KX8B、Intel27512表示為64KX8B。當(dāng)單片存儲器芯片（RAM或ROM）的容量不能滿足系統(tǒng)要求時，許多片組合以擴(kuò)充字長（位擴(kuò)充）或字?jǐn)?shù)（字?jǐn)U充）。a）存儲器位擴(kuò)充——舉例說明用1KX1B的SRAM芯片位擴(kuò)充形成1KX8B的芯片組，所需芯片為：12/8/202216位擴(kuò)展示意圖這8篇芯片地址線A0~A9、片選信號CS以及讀/寫控制信號WE都分別連到一起，只有數(shù)據(jù)輸出端8片各自獨立，每片代表一位。當(dāng)CPU訪問該芯片組時，其發(fā)出的地址和控制信號同時傳給8個芯片，選中每個芯片的同一單元（一位），其單元內(nèi)容被同時讀至數(shù)據(jù)線的相應(yīng)位或數(shù)據(jù)總線上的內(nèi)容分別同時寫入相應(yīng)單元。12/8/202217字?jǐn)U展示意圖存儲器位數(shù)滿足要求需要擴(kuò)充字?jǐn)?shù)（單元數(shù)）時，同樣需要多個芯片組成芯片組。如，用上述的1KX8B芯片組擴(kuò)充成4KX8B芯片組，則需要的芯片組數(shù)12/8/202218例二:用4片16KX8B的存儲器芯片組成64KX8B存儲器連接線路。分析：16K存儲器芯片的地址為14位，而64K存儲器的地址應(yīng)有16位。連接時，各芯片的14位地址線可直接接地址總線的A0~A13，而地址總線的A15、A14則接到2—4譯碼器的輸入端，其輸出端四根選擇線分別接到四片芯片的片選CS端。4000H12/8/202219用16KX8B的存儲器芯片組成64KX8B存儲器12/8/2022203負(fù)載能力的的擴(kuò)展

擴(kuò)展的I/O接口和存儲器的數(shù)據(jù)線都同時掛在CPU的數(shù)據(jù)線上，各芯片的地址都要掛到CPU的地址線上，控制線也都掛到CPU的控制總線上。但系統(tǒng)總線的負(fù)載能力有限，所以在設(shè)計者自己設(shè)計微機(jī)控制系統(tǒng)時，需要考慮CPU各總線的負(fù)載能力。微機(jī)系統(tǒng)中，通常采用兩種不同工藝制造的器件，即TTL器件和MOS器件（TTL又分標(biāo)準(zhǔn)TTL器件74XXX，和低功耗肖特基TTL器件74LSXXX）。它們之間級連使用，邏輯電平是一致的（“1”電平≥

1.8~3.8V，”0”電平≤

0.8~0.3V），但功耗和驅(qū)動能力有差別。表2-4列出了TTL和MOS器件的I/O電流。12/8/202221MOS器件的輸入電流小，驅(qū)動能力也差。一個MOS器件只能帶一個標(biāo)準(zhǔn)74XXX器件（約-1.6mA）或四個74LSXXX器件（-0.4mA），但它可以驅(qū)動10個左右的MOS器件。通常，同類器件帶8~10個沒有問題，若超過了就要加驅(qū)動器。12/8/20222212/8/20222312/8/20222412/8/202225四、I/O接口設(shè)計的方法、步驟及設(shè)計舉例1)I/O接口設(shè)計的方法、步驟接口設(shè)計的任務(wù)包括確定各外圍設(shè)備的控制方式，接口硬件電路設(shè)計和接口控制軟件設(shè)計。具體設(shè)計步驟如下：首先：了解外設(shè)或被控設(shè)備與CPU之間信息交換的要求；（聯(lián)絡(luò)信號、I/O數(shù)據(jù)格式、I/O線數(shù)量、最短響應(yīng)時間和服務(wù)時間估算、I/O控制方式等）其次：考慮軟硬件功能分配；（速度、成本、特性、設(shè)計難以程度等）再次：進(jìn)行I/O端口的數(shù)量統(tǒng)計、數(shù)據(jù)流向安排和端口地址號分配；12/8/202226四、I/O接口設(shè)計的方法、步驟及設(shè)計舉例第四：I/O接口硬件電路的擴(kuò)展設(shè)計；（包括擴(kuò)展方案選擇、地址譯碼器擴(kuò)展和負(fù)載能力擴(kuò)展等）第五：I/O接口控制軟件設(shè)計。最后：軟硬件聯(lián)調(diào)。

I/O接口擴(kuò)展方案選擇:購置現(xiàn)成的多功能I/O接口板自行設(shè)計、安裝接口電路12/8/2022272）舉例說明I/O接口設(shè)計例1：8088CPU系統(tǒng)，有8組8位的數(shù)字量和開關(guān)量由外部輸入，同時有8組8位的控制和顯示數(shù)據(jù)輸出到外部。若指定8個輸入端口號為E8H～EFH，8個輸出端口地址號為F0H～F7H，所有輸入輸出信息交換均可采用無條件傳送方式。試按此要求為該微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計I/O接口電路。12/8/20222812/8/20222912/8/20223012/8/20223112/8/20223212/8/202233

例2：在8086最小模式系統(tǒng)中，采用8255A作為連接打印機(jī)的接口，若指定分給8255A的A、B、C和控制端口號分別為FFF8H、FFFAH、FFFCH和FFFEH，試設(shè)計接口電路和有關(guān)的軟件。12/8/202234設(shè)計過程：（1）8255A與打印機(jī)端口的連接

CPU與打印機(jī)的聯(lián)絡(luò)既可以用程序控制方式，也可以用中斷方式，這里以程序控制方式來設(shè)計。設(shè)定8255A的A端口工作于方式0，輸出方式，向打印機(jī)傳送字符數(shù)據(jù)。B端口不用。C端口用于傳送狀態(tài)和控制信息，也工作于方式0，分配PC2做狀態(tài)線來接收打印機(jī)的忙狀態(tài)信號。分配PC6作為控制信號，由它產(chǎn)生和輸出一個負(fù)脈沖作為數(shù)據(jù)選通信號，將數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)打入打印機(jī)緩沖器。12/8/202235（2）8086與8255A的連接

8086的MN/MX端接+5V，表示其工作于最小模式。因8255A只用8位數(shù)據(jù)線，用8086的低8位數(shù)據(jù)線與之相連即可。選用3片正電平觸發(fā)的八D觸發(fā)器74LS373作為地址鎖存器，鎖存地址信號AD0~AD19和BHE信號。其中A2、A1經(jīng)鎖存器后，直接加到8255A的A1、A0端；A3~A15及BHE接到地址譯碼器74LS138上。A15~A6A5A4A3A2A1A0FFF8H1111000FFFAH1111010FFFCH1111100FFFEH1111110接74LS133（13與非門）接74LS138的

C、B、A8255A的A1、A0接地12/8/2022368086和打印機(jī)接口原理電路12/8/20223712/8/202238圖2-17Z80CPU引腳12/8/202239圖2-18Z80PIO芯片引腳12/8/202240圖2-19Z80CTC芯片引腳12/8/202241圖2-20ADC0808芯片引腳12/8/202242圖2-21DAC0832芯片引腳12/8/202243地址分配情況PIO：40~43H CTC：44~47HADC0808：58H DAC0832：5CH芯片地址腳A7A6A5A4A3A2A1