微機(jī)原理第八章

第8章輸入/輸出接口本章學(xué)習(xí)目標(biāo)：輸入輸出接口的功能與組成并行通信與串行通信的基本概念可編程并行通信接口芯片8255A可編程串行通信接口芯片8251A8.1I/O接口概述功能：1、CPU與外設(shè)信號(hào)線不兼容2、CPU與外設(shè)工作速度不兼容3、提高CPU的效率4、使外設(shè)的硬件結(jié)構(gòu)獨(dú)立于CPU組成：1、數(shù)據(jù)緩沖寄存器2、命令寄存器3、狀態(tài)寄存器4、端口地址譯碼電路8.1.1輸入輸出接口交換的信息

CPU與I/O設(shè)備之間交換的信息可分為數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息三類。

1．?dāng)?shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息又分為數(shù)字量、模擬量和開關(guān)量三種形式。

1)數(shù)字量數(shù)字量是計(jì)算機(jī)可以直接發(fā)送、接收和處理的數(shù)據(jù)。 例如：由鍵盤、顯示器、打印機(jī)及磁盤等I/O外設(shè)與CPU交換的信息，它們是以二進(jìn)制形式表示的數(shù)或以ASCII碼表示的數(shù)符。

2)模擬量 這些模擬量必須先經(jīng)過模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換)后才能輸入計(jì)算機(jī)。反過來，計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)都是數(shù)字量，也必須先經(jīng)過數(shù)字量向模擬量的轉(zhuǎn)換(D/A轉(zhuǎn)換)，把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量才能去控制現(xiàn)場(chǎng)。

3)開關(guān)量 這些開關(guān)量通常要經(jīng)過相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換才能與計(jì)算機(jī)連接。開關(guān)量只要用一位二進(jìn)制數(shù)即可表示。

2.狀態(tài)信息狀態(tài)信息作為CPU與外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)時(shí)的聯(lián)絡(luò)信息，反映了當(dāng)前外設(shè)所處的工作狀態(tài)，是外設(shè)通過接口送往CPU的。CPU通過對(duì)外設(shè)狀態(tài)信號(hào)的讀取，可得知輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好、輸出設(shè)備是否空閑等情況。因此，狀態(tài)信息能夠保障CPU與外設(shè)正確地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3．控制信息控制信息是CPU通過接口傳送給外設(shè)的，CPU通過發(fā)送控制信息設(shè)置外設(shè)(包括接口)的工作模式、控制外設(shè)的工作。如外設(shè)的啟動(dòng)信號(hào)和停止信號(hào)就是常見的控制信息。實(shí)際上，控制信息往往隨著外設(shè)的具體工作原理不同而含義不同。

8.1.2輸入輸出的控制方式

1程序傳送方式1）無(wú)條件傳送方式認(rèn)為輸入設(shè)備已隨時(shí)準(zhǔn)備好向CPU提供數(shù)據(jù)，而輸出設(shè)備也隨時(shí)準(zhǔn)備好接收CPU送來的數(shù)據(jù)，這樣，在CPU需要同外設(shè)交換信息時(shí)，不必查詢外設(shè)的狀態(tài)而直接進(jìn)行信息傳輸。2．查詢傳送方式查詢傳送也稱為條件傳送，是指在執(zhí)行輸入指令(IN)或輸出指令(OUT)前，要先查詢相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)，當(dāng)輸入設(shè)備處于準(zhǔn)備好狀態(tài)，輸出設(shè)備處于空閑狀態(tài)時(shí)，CPU才執(zhí)行輸入/輸出指令與外設(shè)交換信息。為此，接口電路中既要有數(shù)據(jù)端口，還要有狀態(tài)端口。

圖7.6查詢傳送方式的流程圖

查詢傳送方式的主要優(yōu)點(diǎn)：是能保證主機(jī)與外設(shè)之間協(xié)調(diào)同步地工作，且硬件線路比較簡(jiǎn)單，程序也容易實(shí)現(xiàn)。查詢傳送方式突出的缺點(diǎn)：浪費(fèi)CPU時(shí)間，實(shí)時(shí)性差。2中斷傳送方式

中斷傳送方式是指當(dāng)外設(shè)需要與CPU進(jìn)行信息交換時(shí)，由外設(shè)向CPU發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，使CPU暫停正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作，數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，CPU再繼續(xù)執(zhí)行被暫停的程序。

3直接存儲(chǔ)器存取(DMA)傳送方式

DMA傳送方式是在存儲(chǔ)器和外設(shè)之間、存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送(如磁盤與內(nèi)存間交換數(shù)據(jù)、高速數(shù)據(jù)采集、內(nèi)存和內(nèi)存間的高速數(shù)據(jù)塊傳送等)，傳送過程無(wú)需CPU介入，直接在DMA控制器操縱下進(jìn)行。并行通信與串行通信串行通信：把一個(gè)字符的各數(shù)位用一條線一位一位進(jìn)行傳輸。并行通信：把一個(gè)字符的各數(shù)位用幾條線同時(shí)進(jìn)行傳輸。速度快、需要的傳輸導(dǎo)線多速度慢、需要的傳輸導(dǎo)線少8.2并行通信與并行接口8.3可編程并行通信接口芯片8255A1.8255芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能1.3個(gè)并行輸入/輸出端口(A口、B口、C口)2. A組和B組控制部件3.數(shù)據(jù)總線緩沖存儲(chǔ)器4.讀/寫控制部件組成：A1A0=00——端口AA1A0=01——端口BA1A0=10——端口CA1A0=11——控制字寄存器端口地址：片內(nèi)占用四個(gè)端口地址方式0方式1方式2工作方式：只有PA口可用PA、PB、PC口都可用8.3.2 8255A芯片的控制字及其工作方式1.控制字（1）定義工作方式控制字：它可以使8255A的三個(gè)端口工作于不同的工作方式。（2）置位/復(fù)位控制字：它可以使C口中的任何一位進(jìn)行置“1”或置“0”操作。2.工作方式（1）工作方式0

基本輸入/輸出方式。不提供固定的聯(lián)絡(luò)信號(hào)適合輸入輸出設(shè)備隨時(shí)準(zhǔn)備就緒的場(chǎng)合（2）工作方式1

選通型(應(yīng)答式)輸入/輸出方式。提供固定的聯(lián)絡(luò)信號(hào)由PC口端線提供1.工作方式1下輸入：STB——選通信號(hào)，由外部輸入IBF——輸入緩沖器滿信號(hào)，向外部輸出INTR——中斷請(qǐng)求信號(hào)，向CPU輸出1.工作方式1下輸出：0BF——輸出緩沖器滿信號(hào)，向外部輸出ACK——外部應(yīng)答信號(hào)，外部輸入INTR——中斷請(qǐng)求信號(hào)，向CPU輸出（3）工作方式2

帶選通的雙向傳送方式，用來在兩臺(tái)處理機(jī)之間實(shí)現(xiàn)雙向并行通信。只允許A口工作于方式2。8.3.38255A應(yīng)用舉例

利用8255A作為輸出設(shè)備打印機(jī)的接口。其連接方法如圖所示。A口：工作于方式0輸出B口：不用。C口：PC3~PC0：為輸入方式PC7~PC4：為輸出方式端口A：0380H端口B：0381H端口C：0382H控制寄存器端口：0383H打印機(jī)驅(qū)動(dòng)程序流程圖 ；8255初始化程序

BEGIN：MOVAL，10000001B

MOVDX，0383H OUTDX，AL

；送工作方式選擇控制字至控制寄存器 ；A、B、C口均為工作方式0。 ；A口、B口為輸出方式。PC4~PC7為輸出，PC0~PC3為輸入。

MOVAL，00001101B ；送C口置1/置0控制字，置PC6=1。

OUTDX，AL ；使STB初始狀態(tài)為高電平。 ；下面為控制程序，設(shè)欲打印的字符已存于CL中， ；經(jīng)8255A的A口輸出至打印機(jī)。

CONP：MOVDX，0382H LPST：INAL，DX ；

讀入C口值。

ANDAL，04H ；

保留PC2(Busy)狀態(tài)。

JNZLPST ；若Busy=1,則等待，等于0則向下執(zhí)行。

MOVAL，CL ；

將(CL)字符送A口。

MOVDX，0380H OUTDX，AL MOVAL，0CH

MOVDX，0383HOUTDX，ALMOVCX，XXH；為使寬度≥1μs，送延時(shí)程序。EDLAY：DECCXJNZDELAYMOVAL，0DH；再使為高電平。 ；地址指向控制口。

OUTDX，AL

；向下執(zhí)行后續(xù)程序。 …8.4串行通信及串行接口串行通信：數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，每一位數(shù)據(jù)占據(jù) 一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。8.4.1串行通信線路的工作方式：?jiǎn)喂し绞剑褐辉试S一個(gè)方向傳輸數(shù)據(jù)。半雙工方式：允許兩個(gè)方向傳輸數(shù)據(jù)，但不能同時(shí)傳輸。全雙工方式：允許兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。串行通信中數(shù)據(jù)的傳送模式(a)單工通信模式；(b)半雙工通信模式；(c)全雙工通信模式

8.4.2串行通信數(shù)據(jù)的收發(fā)方式：

在數(shù)據(jù)通信中為使收、發(fā)信息準(zhǔn)確，收發(fā)兩端的動(dòng)作必須相互協(xié)調(diào)配合。這種協(xié)調(diào)收發(fā)之間動(dòng)作的措施稱為“同步”。在串行通信中數(shù)據(jù)傳送的同步方式有異步傳送和同步傳送兩種。

1異步傳送所謂異步傳送，是指發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備在約定的波特率(每秒鐘傳送的位數(shù))下，以事先確定的數(shù)據(jù)格式來傳輸數(shù)據(jù)。在進(jìn)行異步傳送時(shí)必須確定波特率及數(shù)據(jù)格式。

波特率：每秒傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)。

① 起始位。每個(gè)字符的開始必須是持續(xù)一個(gè)比特時(shí)間的邏輯“０”電 平，標(biāo)志著每一個(gè)字符的開始。數(shù)據(jù)格式：② 數(shù)據(jù)位。有5-8位，緊跟著起始位之后，是字符中的有效數(shù)據(jù)位。傳 送數(shù)據(jù)時(shí)，先送低位，后送高位數(shù)據(jù)。④停止位。1位或1.5位，或2位。并規(guī)定為邏輯“1”狀態(tài)。

奇偶校驗(yàn)位。2同步傳送所謂同步傳送，就是以字符塊為信息單位，而每幀信息包括成百上前個(gè)字符。這種通信方式對(duì)時(shí)鐘同步要求非常嚴(yán)格，因此收/發(fā)兩端必須使用同一時(shí)鐘來控制。(a)單同步數(shù)據(jù)格式；(b)雙同步數(shù)據(jù)格式；(c)SDLC數(shù)據(jù)格式;(d)HDLC數(shù)據(jù)格式；(e)外同步格式8.4可編程串行通信接口芯片8251A

8.4.18251A的結(jié)構(gòu)其功能：

1.內(nèi)部模塊功能：

(1)發(fā)送器及發(fā)送控制。該模塊的功能是從CPU接收并行數(shù)據(jù)，自動(dòng)加上適當(dāng)?shù)某蓭盘?hào)并轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)后從TXD引腳發(fā)送出去。

(2)接收器及接收控制。該模塊的功能是從RXD引腳接收串行數(shù)據(jù)，按指定的方式裝配成并行數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)總線緩沖器。8251A與CPU相互交換的數(shù)據(jù)和控制字就存放在這里，共有三個(gè)緩沖器。

①狀態(tài)字緩沖器。它用來存放8251A內(nèi)部的工作狀態(tài)，供CPU查詢、測(cè)試之用；②接收數(shù)據(jù)緩沖器。用來存放接收器已經(jīng)裝配完畢的字符，準(zhǔn)備CPU來讀??；③發(fā)送數(shù)據(jù)/命令緩沖器。用來寄存CPU送入8251A的數(shù)據(jù)或命令。

(4)讀/寫控制邏輯。該模塊的功能是接收CPU的控制信號(hào)，控制數(shù)據(jù)的傳送方向。

(5)調(diào)制解調(diào)器控制。該模塊提供和調(diào)制解調(diào)器的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。2.8251A與CPU及外設(shè)的連接

1)與CPU之間的接口引腳

(1)數(shù)據(jù)信號(hào)D0D7：與CPU的數(shù)據(jù)總線對(duì)應(yīng)連接

(2)讀/寫控制信號(hào)：

RD——讀選通信號(hào)輸入線，低電平有效。

WR——寫選通信號(hào)輸入線，低電平有效。

C/D——信息類型信號(hào)輸入線。低電平時(shí)傳送的是數(shù) 據(jù)，高電平時(shí)傳送的是控制字或狀態(tài)信息，通常將該引 腳與CPU地址總線A0引腳相連，以實(shí)現(xiàn)對(duì)8251A內(nèi)部寄存 器的尋址。C/D、WR、RD三者的控制編碼與相應(yīng)的操作功 能如表8.5所示。CPU對(duì)8251A的讀/寫控制

(3)收發(fā)聯(lián)絡(luò)信號(hào)：

TXRDY(TransmitterReady)——發(fā)送準(zhǔn)備好信號(hào)，輸出，高電平有效。當(dāng)發(fā)送寄存器空閑且允許發(fā)送(CTS為低電平、命令字中TXEN位為1)時(shí)，TXRDY輸出為高電平，以通知CPU當(dāng)前8251A已做好發(fā)送準(zhǔn)備，CPU可以向8251A傳送一個(gè)字符。當(dāng)CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入8251A后，TXRDY恢復(fù)為低電平。TXRDY可作為8251A向CPU發(fā)送的中斷請(qǐng)求信號(hào)。

TXEMPTY(TransmitterEmpty)——發(fā)送器空信號(hào)，輸出，高電平有效。TXE=1時(shí)，表示發(fā)送器中沒有要發(fā)送的字符，當(dāng)CPU把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入8251A中后，TXE自動(dòng)變?yōu)榈碗娖健?/p>

RXRDY(ReceiverReady)——接收器準(zhǔn)備好信號(hào)，輸出，高電平有效。RXRDY=1時(shí)，表明8251A已經(jīng)從串行輸入線接收了一個(gè)字符，正等待CPU將此數(shù)據(jù)取走。因此，在中斷方式時(shí)，RXRDY可作為向CPU申請(qǐng)中斷的請(qǐng)求信號(hào)；在查詢方式時(shí)，RXRDY的狀態(tài)供CPU查詢之用。

SYNDET(SynchronousDetect)——同步檢測(cè)信號(hào)。用于內(nèi)同步狀態(tài)輸出或外同步信號(hào)輸入。此線僅對(duì)同步方式有意義。（4）片選信號(hào)CS，低電平有效，它由CPU的地址信號(hào)譯碼而形成。CS低電平有效，8251A被CPU選中。

2)8251A與外部設(shè)備(調(diào)制解調(diào)器)之間的接口信號(hào)。DTR(DataTerminalReady)——數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好。輸出、低電平有效。這是當(dāng)CPU對(duì)8251A輸出命令字使控制寄存器D1位置“１”，從而使DTR變?yōu)榈碗娖?，以通知外設(shè)，CPU當(dāng)前已準(zhǔn)備就緒。RTS(RequestToSend)——請(qǐng)求發(fā)送。輸出、低電平有效。此信號(hào)等效于DTR，CPU通過將控制寄存器的D5置“１”，可使RTS低電平有效，用于通知外設(shè)(調(diào)制解調(diào)器)，CPU已準(zhǔn)備好發(fā)送。

TxD(TransmitterData)——發(fā)送器發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸線。

DSR(DataSetReady)——數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好。輸入、低電平有效。這是由外設(shè)(或調(diào)制解調(diào)器)送入8251A的信號(hào)，用以表示調(diào)制解調(diào)器或外設(shè)的數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好。當(dāng)DSR端出現(xiàn)低電平時(shí)會(huì)在8251A的狀態(tài)寄存器的D7位反映出來。CPU可通過對(duì)狀態(tài)寄存器進(jìn)行讀取操作，可查詢D7位即DSR狀態(tài)。CTS(CleartoSend)——清除發(fā)送。輸入、低電平有效。這是由外設(shè)(或調(diào)制解調(diào)器)送往8251A的低電平有效信號(hào)。