第6章輸人-輸出技術(shù)

第6章輸入/輸出技術(shù)6.1輸入/輸出接口概述6.2中斷系統(tǒng)6.3并行接口6.4串行接口6.5DMA控制技術(shù)6.6定時器/計數(shù)器6.7A/D及D/A接口6.1輸入/輸出接口概述6.1.1 輸入輸出接口電路微型計算機接口技術(shù)在微機系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用過程中，都占有極其重要的地位。無論是系統(tǒng)內(nèi)部的信息交換還是與系統(tǒng)外部的信息交換，都是通過接口來實現(xiàn)。所謂接口是指CPU和存儲器、外部設(shè)備或者兩種外部設(shè)備之間，或者兩種機器之間通過系統(tǒng)總線進行連接的邏輯部件（或稱電路），它是CPU與外界進行信息交換的中轉(zhuǎn)站。

圖6-1為一個微型計算機的輸入輸出接口結(jié)構(gòu)圖?？梢钥闯?，一個簡單的微機系統(tǒng)需要CPU、存貯器、基本輸入輸出接口以及將它們連接在一起的各種信號線和接口電路。返回下一頁6.1輸入/輸出接口概述1．I/O信息的組成

CPU通過接口與外設(shè)交換信息，這些信息包括數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。（1）數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息可分為數(shù)字量、模擬量和開關(guān)量。數(shù)字量是鍵盤、CRT、打印機及磁盤等I/O外設(shè)與CPU交換的信息，它是以二進制形式表示的數(shù)或以ASCII碼表示的數(shù)或字符。當微型計算機用于控制系統(tǒng)時，大量的現(xiàn)場信息經(jīng)過傳感器把非電量(如溫度、壓力、流量、位移等)轉(zhuǎn)換成電量，并經(jīng)放大處理得到模擬量的電壓或電流。這些模擬量必須先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量才能輸入計算機；計算機控制信號的輸出也必須先經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量才能去控制執(zhí)行機構(gòu)。上一頁返回下一頁6.1輸入/輸出接口概述開關(guān)量即兩個狀態(tài)的量。如開關(guān)的斷開與閉合、閥門的打開與關(guān)閉等。通常開關(guān)量要經(jīng)過相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換才能與計算機連接。每個開關(guān)量只要一位二進制數(shù)表示，故對于字長為8位(或16位)的計算機，一次可輸入或輸出8位(或16位)開關(guān)量。（2）狀態(tài)信息狀態(tài)信息是CPU與外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)時的聯(lián)絡(luò)信息。CPU通過讀取外設(shè)狀態(tài)信號，可知外設(shè)的工作狀態(tài)。如輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)是否準備好，輸出設(shè)備是否空閑。輸出設(shè)備正在輸出信息，則用BUSY信號通知CPU暫停送數(shù)。因此，狀態(tài)信號是CPU與I/O外設(shè)正確進行數(shù)據(jù)交換的重要條件。上一頁返回下一頁6.1輸入/輸出接口概述（3）控制信息控制信息是設(shè)置I/O外設(shè)(包括I/O接口)的工作模式、命令字的有關(guān)信息。如“啟動”、“停止”信息。2．I/O接口的作用(1)轉(zhuǎn)換信息格式。(2)提供聯(lián)絡(luò)信號，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳送的狀態(tài)信息。(3)協(xié)調(diào)定時差異。(4)進行譯碼選址。(5)實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。(6)具備時序控制。(7)可編程。上一頁返回下一頁6.1輸入/輸出接口概述3．微處理器與I/O接口電路的連接微處理器通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲器及輸入輸出接口電路連接，為了保證系統(tǒng)工作的可靠性，在構(gòu)成系統(tǒng)時必須考慮以下幾個方面的問題。(1)負載能力的匹配：器件輸出端所接的負載不能超過器件的負載能力。(2)速度配合問題：存儲器或輸入輸出端口的讀/寫時間必需小于CPU在讀/寫周期中提供的讀/寫時間。在CPU提供的時間不足時，可以通過選取適當速度的芯片或改變CPU的時鐘頻率等方法滿足上述條件，也可通過READY引腳，請求CPU插入TW周期以實現(xiàn)速度配合。(3)邏輯連接的正確性：正確連接地址線、數(shù)據(jù)線及控制總線，保證CPU在執(zhí)行對某一存儲單元或輸入輸出端口的讀寫指令時，該單元或端口確實被選中并進行相應(yīng)的操作。上一頁返回下一頁6.1輸入/輸出接口概述6.1.2 CPU與外設(shè)數(shù)據(jù)傳送的方式1．程序控制的輸入輸出程序控制方式是指CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送是在程序控制下完成，它又可成無條件傳送方式和查詢方式兩類。（1）無條件傳送方式無條件傳送方式是一種最簡單的輸入/輸出控制方式。該方式認為外設(shè)始終是準備好的，能隨時提供數(shù)據(jù)，一般適用于經(jīng)過較長時間間隔數(shù)據(jù)才有顯著變化的情況。這時無需檢查端口的狀態(tài)，就可以立即采集數(shù)據(jù)。這時的端口不需要加鎖存器而直接用三態(tài)緩沖器與系統(tǒng)總線相連。采用無條件傳送方式接口電路如圖6-2所示。上一頁返回下一頁6.1輸入/輸出接口概述（2）查詢傳送方式由于CPU和I/O設(shè)備的工作往往是異步的，這就很難保證當CPU輸入時，外設(shè)已準備好數(shù)據(jù)；輸出時，外設(shè)的數(shù)據(jù)鎖存器是空的。因此，在CPU傳送數(shù)據(jù)前，應(yīng)去查一下外設(shè)的狀態(tài)，若設(shè)備準備好，就進行數(shù)據(jù)傳送，否則，CPU就等待。①查詢式輸入

圖6-3所示為查詢式輸入的接口電路，該電路有兩個端口寄存器，即狀態(tài)口寄存器和數(shù)據(jù)口寄存器。當輸入設(shè)備準備好數(shù)據(jù)之后，發(fā)出選通信號。②查詢式輸出

圖6-4所示為查詢式輸出接口電路，它的狀態(tài)口和數(shù)據(jù)口合用一個地址。當前輸出設(shè)備空閑時，狀態(tài)標志觸發(fā)器清0。CPU在輸出數(shù)據(jù)之前，先讀取狀態(tài)信息。假設(shè)忙閑標志接至數(shù)據(jù)線D0位，當D0=0時，表示輸出設(shè)備空閑，CPU再對數(shù)據(jù)口執(zhí)行輸出指令。上一頁返回下一頁6.1輸入/輸出接口概述2．中斷傳送方式查詢方式除占用CPU時間多的缺點外，另一個缺點是難于滿足實時控制的需要。因為在查詢方式下CPU處于主動地位，外設(shè)處于消極被查詢的被動地位。而在實時系統(tǒng)中，外設(shè)要求CPU為它的服務(wù)是隨機的，這就要求外設(shè)有主動申請CPU服務(wù)的權(quán)利。此時，可以采用中斷傳送方式。上一頁返回下一頁6.1輸入/輸出接口概述

CPU啟動外部設(shè)備后，繼續(xù)執(zhí)行主程序，當外部設(shè)備準備好傳送數(shù)據(jù)時向CPU發(fā)出中斷請求，CPU響應(yīng)這個請求后就轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序去進行相應(yīng)的輸入輸出操作。當對外設(shè)的請求處理完畢后，再返回到被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。采用這種中斷方式時，CPU不再等待或查詢。而是由外部設(shè)備決定什么時候為它服務(wù)，這種方法允許CPU與外設(shè)（甚至多個外設(shè)）同時工作（或者說并行工作），提高了CPU效率，而且能在需要的時候隨時為外設(shè)服務(wù)，實時性好。一般CPU內(nèi)部均設(shè)有相應(yīng)的硬件線路使其能在執(zhí)行指令的同時監(jiān)測通過中斷引腳送入的中斷請求信號并響應(yīng)中斷請求。上一頁返回下一頁6.1輸入/輸出接口概述3．DMA工作方式中斷方式盡管可以較為實時地外部中斷源的請求，但由于它需要額外開銷時間（用于中斷響應(yīng)、斷點保護與恢復等）以及中斷處理的服務(wù)時間，使得中斷響應(yīng)頻率受到了限制。當高速外設(shè)與計算機系統(tǒng)進行信息交換時，若采用中斷方式，將會出現(xiàn)CPU頻繁響應(yīng)中斷而不能有效地完成主要工作或者根本來不及響應(yīng)中斷而造成數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。采用直接存儲器存取DMA(DirectMemoryAccess)技術(shù)可以確保外設(shè)與計算機系統(tǒng)進行高速信息交換，即DMA方式。在DMA方式下，要由DMA控制器（DMAC）用硬件完成對傳送過程的控制，即控制和修改內(nèi)存地址，控制DMA的開始與結(jié)束等。因此，在DMA方式下，要由DMAC來控制地址總線、數(shù)據(jù)總線和相應(yīng)的控制信號線，而CPU必須讓出這些總線的控制權(quán)，在這種工作方式下，數(shù)據(jù)傳送速率可以達到很高，一般可在每秒0.5M字節(jié)以上。上一頁返回下一頁6.1輸入/輸出接口概述4．I/O處理機方式雖然，DMA方式已能較好的實現(xiàn)高速度、大批量的數(shù)據(jù)傳送，但是，仍然需要CPU對DMAC進行初始化，啟動DMA操作，以及完成每次DMA操作之后檢查傳送的狀態(tài)等。對于I/O數(shù)據(jù)的處理，如對數(shù)據(jù)的變換、拆、裝、檢查等，更是離不開CPU的支持。為了能讓CPU進一步擺脫I/O數(shù)據(jù)傳送的負擔，提出了I/O處理機方式。這種方式下，采用專門的I/O協(xié)處理器，它不僅能控制數(shù)據(jù)的傳送，而且，還可以執(zhí)行算術(shù)邏輯運算、轉(zhuǎn)移、搜索和轉(zhuǎn)換等。當CPU需要進行I/O操作時，它只要在存儲器中建立一個信息塊，將所需要的操作和有關(guān)的參數(shù)按照規(guī)定列入，然后通知I/O協(xié)處理器來讀取。I/O協(xié)處理器讀得控制信息后，能自動完成全部的I/O操作。在這種系統(tǒng)中，所有的I/O操作都是以塊為單位來進行的。上一頁返回下一頁6.1輸入/輸出接口概述6.1.3 I/O端口的編址方式

CPU和I/O設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳送，在接口中就必須有一些寄存器或特定的硬件電路供CPU直接存取訪問，稱之為I/O端口，如圖6-5所示。為了區(qū)分不同的I/O端口，也必須像存儲器一樣給它們編號，這就是I/O端口的地址。CPU通過這些地址讀取狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)，即端口向接口電路中的寄存器發(fā)送命令，因此一個接口可以有多個端口，如命令端口、狀態(tài)端口和數(shù)據(jù)端口，分別對應(yīng)于控制寄存器、狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)輸入緩沖器等。上一頁返回下一頁6.1輸入/輸出接口概述1．統(tǒng)一編址方式將所有I/O接口電路中的寄存器或三態(tài)緩沖器當作存儲單元一樣對待，每一個接口寄存器都給予相應(yīng)的16位地址編碼。這樣，對外設(shè)進行輸出輸入操作就如對某一存儲單元進行讀/寫操作一樣，只是各自具有不同的地址而已。采用統(tǒng)一編址方式的微型計算機系統(tǒng)中，CPU不需要設(shè)置輸入/輸出的指令，也不需要提供區(qū)別訪內(nèi)操作與訪外操作的控制信號。應(yīng)指出，設(shè)置輸入/輸出類指令的微處理器也能按照統(tǒng)一編址法組成系統(tǒng)。上一頁返回下一頁6.1輸入/輸出接口概述2．I/O獨立編址方式采用獨立編址方式的微型計算機系統(tǒng)中，CPU的指令系統(tǒng)包含有訪內(nèi)指令和訪外指令，在執(zhí)行這些指令時，控制器會產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號分別控制訪內(nèi)和訪外操作。

I/O獨立編址方式的優(yōu)點是： ⑴I/O端口的地址碼一般比同系統(tǒng)中存儲單元的地址碼短，譯碼電路較簡單； ⑵存儲器同I/O端口的操作指令不同，程序比較清晰； ⑶存儲器和I/O端口的控制電路結(jié)構(gòu)相互獨立，可以分別設(shè)計。它的缺點是需要專門的I/O指令，這些I/O指令一般沒有存儲器訪問指令豐富，所以程序設(shè)計的靈活性較差。上一頁返回6.2 中斷系統(tǒng)6.2.1 中斷系統(tǒng)基本概念中斷是指CPU在正常執(zhí)行程序時，由于內(nèi)部或外部事件或程序的預先安排引起CPU暫時終止執(zhí)行現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行請求CPU為其服務(wù)的服務(wù)程序，待該服務(wù)程序執(zhí)行完畢，又能自動返回到被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。這種中斷就是人們通常所說的外部中斷。但是隨著計算機體系結(jié)構(gòu)不斷地更新?lián)Q代和應(yīng)用技術(shù)的日益提高，中斷技術(shù)發(fā)展的速度也是非常迅速，中斷的概念也隨之延伸，中斷的應(yīng)用范圍也隨之擴大。除了傳統(tǒng)的外圍部件引起的硬件中斷外，又出現(xiàn)了內(nèi)部的軟件中斷概念，外部中斷和內(nèi)部軟件中斷就構(gòu)成了一個完整的中斷系統(tǒng)。返回下一頁6.2 中斷系統(tǒng)1．中斷源微型計算機中能引起中斷的外部設(shè)備或內(nèi)部原因稱為中斷源。不同的計算機的設(shè)置有所不同，通常微機系統(tǒng)的中斷源一般有以下幾種：(1)一般的輸入/輸出設(shè)備，如鍵盤、打印機等(2)實時時鐘。(3)故障源。(4)軟件中斷。上一頁返回下一頁6.2 中斷系統(tǒng)2．8086/8088的中斷類型

8086/8088CPU有一個簡單而靈活的中斷系統(tǒng)，采用矢量型的中斷結(jié)構(gòu)，共有256個中斷矢量號，又稱中斷類型號。中斷可以由外部設(shè)備啟動，也可以由軟件中斷指令啟動，在某些情況下，也可由CPU自身啟動。8086CPU中斷分類如圖6-6所示。（1）硬件中斷硬件中斷是由CPU的外部中斷請求信號觸發(fā)的一種中斷，分為不可屏蔽中斷NMI和可屏蔽中斷INTR。（2）軟件中斷軟件中斷也稱內(nèi)部中斷，是由CPU檢測到異常情況或執(zhí)行軟件中斷指令所引起的一種中斷。通常有除法出錯中斷、單步中斷、INTO溢出中斷、INTn中斷、斷點中斷等。上一頁返回下一頁6.2 中斷系統(tǒng)3．中斷優(yōu)先權(quán)實際的中斷系統(tǒng)常常有多個中斷源，而中斷申請引腳往往只有一條中斷請求線。于是在多個中斷源同時請求時，CPU必須確定為哪一個中斷源服務(wù)，要能辨別優(yōu)先權(quán)最高的中斷源并響應(yīng)之。當CPU在處理中斷時，也要能響應(yīng)更高級別的中斷申請，而屏蔽掉同級或較低級的中斷申請，這就是中斷優(yōu)先權(quán)問題。通常有兩種方法解決中斷優(yōu)先權(quán)的識別問題。（1）用軟件查詢方法確定中斷優(yōu)先權(quán)采用軟件查詢中斷方式時，中斷優(yōu)先權(quán)由查詢順序決定，先查詢的中斷源具有最高的優(yōu)先權(quán)。軟件查詢方法的接口電路如圖6-7所示。上一頁返回下一頁6.2 中斷系統(tǒng)優(yōu)點：電路簡單。軟件查詢的順序就是中斷優(yōu)先權(quán)的順序，不需要專門的優(yōu)先權(quán)排隊電路，可以直接修改軟件查詢順序來修改中斷優(yōu)先權(quán)，不必更改硬件。缺點：當中斷源個數(shù)較多時，由逐位檢測查詢到轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序所耗費的時間較長，中斷響應(yīng)速度慢，服務(wù)效率低。（2）硬件優(yōu)先權(quán)排隊電路又稱菊花環(huán)式優(yōu)先權(quán)排隊電路。它是利用外設(shè)連接在排隊電路的物理位置來決定其中斷優(yōu)先權(quán)的，排在最前面的優(yōu)先權(quán)最高，排在最后面的優(yōu)先權(quán)最低，電路如圖6-9所示。上一頁返回下一頁6.2 中斷系統(tǒng)4．中斷管理

8086CPU可管理256種中斷。每種中斷都指定一個中斷矢量號，每一種中斷矢量號都與一個中斷服務(wù)程序相對應(yīng)。中斷服務(wù)程序的入口地址存放在內(nèi)存儲器的中斷矢量表內(nèi)。中斷矢量表是中斷矢量號與它相應(yīng)的中斷服務(wù)程序的轉(zhuǎn)換表。8086以中斷矢量為索引號，從中斷矢量表中取得中斷服務(wù)程序的入口地址。在8086/8088微機系統(tǒng)的內(nèi)存中，把0段的0000～03FFH區(qū)域設(shè)置為一個中斷向量表。每一個中斷向量占4個存儲單元。其中，前兩個單元存放中斷子程序入口地址的偏移量（IP），低位在前，高位在后；后兩個單元存放中斷子程序入口地址的段地址（CS），也是低位在前，高位在后。在中斷向量表中，這些中斷是按中斷類型的序號，從0單元開始，順序排列。8086/8088的中斷向量表見圖6-10，中斷矢量表分為三部分：上一頁返回下一頁6.2 中斷系統(tǒng)(1)專用中斷：類型0～類型4，共有5種類型。專用中斷的中斷服務(wù)程序的入口地址由系統(tǒng)負責裝入，用戶不能隨意修改。(2)備用中斷：類型5～類型3FH，這是Intel公司為軟、硬件開發(fā)保留的中斷類型，一般不允許用戶改作其他用途。(3)用戶中斷：類型40H～類型FFH，為用戶可用中斷，其中斷服務(wù)程序的入口地址由用戶程序負責裝入。上一頁返回下一頁6.2 中斷系統(tǒng)5．中斷處理過程微機系統(tǒng)的中斷處理過程如圖6-11所示，大致可分為中斷請求、中斷響應(yīng)、中斷處理和中斷返回四個過程，這些步驟有的是通過硬件電路完成的，有的是由程序員編寫程序來實現(xiàn)的。上一頁返回下一頁6.2 中斷系統(tǒng)6．中斷處理子程序的結(jié)構(gòu)模式所有的中斷處理子程序都有如下的結(jié)構(gòu)模式：⑴ 中斷處理子程序的開始必須通過一系列推入堆棧指令來進一步保護中斷時的現(xiàn)場，即保護CPU各寄存器的值。⑵ 在一般情況下，應(yīng)該用指令設(shè)置中斷允許標志IF來開放中斷，以允許級別較高的中斷請求進入。⑶ 中斷處理的具體內(nèi)容是中斷處理子程序的主要部分。⑷ 中斷處理子程序的尾部則是一系列彈出堆棧指令，使得各寄存器恢復進入中斷處理時的值。⑸最后是中斷返回指令，中斷返回指令的執(zhí)行會使堆棧中保存的斷點值和標志值分別裝入IP、CS和標志寄存器。上一頁返回下一頁6.2 中斷系統(tǒng)6.2.2 可編程中斷控制芯片8259A1．8259A芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

8259A可編程中斷控制器28條引腳，雙列直插式封裝，各引腳的信號功能見圖6-12。8259A芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖6-13。2．8259A的中斷管理方式

8259A具有非常靈活的中斷管理方式，可滿足使用者的各種不同要求。而中斷優(yōu)先權(quán)是管理的核心問題。8259A對中斷的管理可分為對優(yōu)先權(quán)的管理和對中斷結(jié)束的管理。（1）中斷優(yōu)先權(quán)管理

8259A對中斷優(yōu)先權(quán)的管理，可概括為完全嵌套方式、自動循環(huán)方式和中斷屏蔽方式。上一頁返回下一頁6.2 中斷系統(tǒng)（2）中斷結(jié)束的管理當8259A響應(yīng)某一級中斷而為其服務(wù)時，中斷服務(wù)寄存器ISR的相應(yīng)位置“1”，當有更高級的中斷請求進入時，ISR的相應(yīng)位又要置“1”，因此，中斷服務(wù)寄存器ISR中可有多位同時置“1”。在中斷服務(wù)結(jié)束時，ISR的相應(yīng)位應(yīng)清“0”，以便再次接收同級別的中斷。中斷結(jié)束的管理就是用不同的方式使ISR的相應(yīng)位清“0”，并確定隨后的優(yōu)先權(quán)排隊順序。8259A中斷結(jié)束的管理可分為以下2種情況：①完全嵌套方式②自動循環(huán)方式上一頁返回下一頁6.2 中斷系統(tǒng)3．8259A的中斷響應(yīng)過程8259A應(yīng)用于8086CPU系統(tǒng)中，其中斷響應(yīng)過程如下：⑴ 當中斷請求線（IR0～IR7）上有1條或若干條為高電平時，則使中斷請求寄存器IRR的相應(yīng)位置位。⑵ 當IRR的某一位被置“1”，就會與IMR中相應(yīng)的屏蔽位進行比較，若該屏蔽位位1，則封鎖該中斷請求；若該屏蔽位為0，則中斷請求被發(fā)往優(yōu)先權(quán)電路。⑶ 優(yōu)先權(quán)電路接收到中斷請求后，分析其優(yōu)先權(quán)，把當前優(yōu)先權(quán)最高的中斷請求信號由INT引腳輸出，送到CPU的INTR端。上一頁返回下一頁6.2 中斷系統(tǒng)⑷若CPU處于開中斷狀態(tài)，則在當前指令執(zhí)行完后，發(fā)出INTA中斷相應(yīng)信號。⑸ 8259A接收到第一個INTA信號，把允許中斷的最高優(yōu)先級請求位放入ISR，并清除IRR中相應(yīng)位。⑹ CPU發(fā)出第二個INTA，在該脈沖期間，8259A發(fā)出中斷類型號。⑺ 若8259A處于自動中斷結(jié)束方式，則第二個INTA結(jié)束時，相應(yīng)的ISR位被清“0”。在其他方式中，ISR相應(yīng)位要由中斷服務(wù)結(jié)束時發(fā)出的EOI命令來復位。⑻ CPU收到中斷類型號，將它乘4得到中斷矢量表的地址然后轉(zhuǎn)至中斷服務(wù)程序。上一頁返回下一頁6.2 中斷系統(tǒng)4．8259A的編程可編程中斷控制器8259A的初始化操作可明確地分成兩個部分，首先要通過預置命令字(ICWi)對8259A進行初始化，然后8259A將自動進入操作模式。可在8259A操作過程中通過操作命令字(OCWi)來定義8259A的操作方式，而且在8259A的操作過程中允許重置操作命令字，以動態(tài)地改變8259A的操作與控制方式。每片8259A包含兩個內(nèi)部端口地址，一個偶地址端口(A0＝0)，一個奇地址端口(A0＝1)，其他高位地址碼由用戶定義，用來作為8259A的片選信號(CS)。上一頁返回下一頁6.2 中斷系統(tǒng)1）預置命令字

8259A的預置命令字共四個(ICW1~ICW4)。不是任何情況下都需要設(shè)置四個預置命令字，可根據(jù)8259A的使用情況來選取。ICW1

和ICW2是必須的，ICW3

是級聯(lián)使用時才需要設(shè)置，ICW4

是只在8086/8088-8259A配置系統(tǒng)中需要設(shè)置。(1)芯片控制初始化命令字ICW1，其格式如下。上一頁返回下一頁6.2 中斷系統(tǒng)(2)中斷類型碼初始化命令字ICW2，其格式如下。(3)主/從片初始化命令字ICW3

當ICW1中的SNGL位為0時工作與級聯(lián)方式，才需要寫ICW3

設(shè)置8259A的狀態(tài)。對于主片，ICW3

格式為：上一頁返回下一頁6.2 中斷系統(tǒng)

D7～D0

對應(yīng)于IR7～IR0

引腳上的連接情況，當某一引腳上接有從片，則對應(yīng)位為1，否則為0。對于從片，ICW3格式為：上一頁返回下一頁6.2 中斷系統(tǒng)2）操作命令字的編程

8259A經(jīng)預置完命令字后已進入工作狀態(tài)，可接收來自IRi

端的中斷請求。在8259A工作期間，可通過操作控制字OCW來使它按不同的方式操作。操作控制字共有3個OCW1

～OCW3，可獨立使用。(1)中斷屏蔽操作命令字OCW1(2) 控制中斷結(jié)束和優(yōu)先權(quán)循環(huán)的操作命令字OCW2上一頁返回6.3 并行接口6.3.1 并行通信與并行接口并行通信是把一個字符的各數(shù)位用幾條線同時進行傳輸，傳輸速度快，信息率高。但它比串行通信所用的電纜多，因此，并行通信常用在傳輸距離較短(幾米至幾十米)、數(shù)據(jù)傳輸率較高的場合。實現(xiàn)并行通信的接口就是并行接口。一個并行接口可設(shè)計為只作為輸出接口，如一個并行接口連接一臺打印機；還可設(shè)計為只作為輸入接口，如一個并行接口連接卡片讀入機。另外，還可以設(shè)計成既作為輸入又作為輸出的接口。它可以用兩種方法實現(xiàn)，一種是利用同一個接口中的兩個通路，一個作輸入通路，一個作輸出通路；另一種是用一個雙向通路，既作為輸入又作為輸出。前一種方法是用在主機需要同時輸入和輸出的情況，如此接口既接紙帶讀入機，又接紙帶穿孔機。后一種方法是用在輸入、輸出動作并不同時進行的主機與外設(shè)之間，如連接兩臺磁盤驅(qū)動器。

返回下一頁6.3 并行接口典型的并行接口和外設(shè)連接如圖6-16所示。圖中的并行接口用一個通道和輸入設(shè)備相連，用另一個通道和輸出設(shè)備相連，每個通道中除數(shù)據(jù)線外均配有一定的控制線和狀態(tài)線。從圖6-16中看到，并行接口中應(yīng)該有一個控制寄存器用來接收CPU對它的控制命令，有一個狀態(tài)寄存器提供各種狀態(tài)位供CPU查詢。為了實現(xiàn)輸入和輸出，并行接口中還必定有相應(yīng)的輸入緩沖寄存器和輸出緩沖寄存器。上一頁返回下一頁6.3 并行接口1．并行接口的輸入過程外設(shè)首先將數(shù)據(jù)送給接口，并使狀態(tài)線“數(shù)據(jù)輸入準備好”成為高電平。接口把數(shù)據(jù)接收到數(shù)據(jù)輸入緩沖寄存器的同時，使“數(shù)據(jù)輸入回答”線變?yōu)楦唠娖?，作為對外設(shè)的響應(yīng)。外設(shè)接到此信號，便撤除數(shù)據(jù)和“數(shù)據(jù)輸入準備好”信號。數(shù)據(jù)到達接口中后，接口會在狀態(tài)寄存器中設(shè)置“輸入準備好”狀態(tài)位，以便CPU對其進行查詢，接口也可以在此時向CPU發(fā)一個中斷請求。所以，CPU既可以用軟件查詢方式，也可以用中斷方式來設(shè)法讀取接口中的數(shù)據(jù)。CPU從并行接口中讀取數(shù)據(jù)后，接口會自動清除狀態(tài)寄存器中的“輸入準備好”狀態(tài)位，并且使數(shù)據(jù)總線處于高阻狀態(tài)。此后，又可以開始下一個輸入過程。上一頁返回下一頁6.3 并行接口2．并行接口的輸出過程每當外設(shè)從接口取走一個數(shù)據(jù)之后，接口就會將狀態(tài)寄存器中的“輸出準備好”狀態(tài)位置“1”，以表示CPU當前可以往接口中輸出數(shù)據(jù)，這個狀態(tài)位可供CPU進行查詢。此時，接口也可以向CPU發(fā)一個中斷請求。所以，CPU既可以用軟件查詢方式，也可以用中斷方式設(shè)法往接口中輸出一個數(shù)據(jù)。當CPU輸出的數(shù)據(jù)到達接口的輸出緩沖寄存器中后，接口會自動清除“輸出準備好”狀態(tài)位，并且將數(shù)據(jù)送往外設(shè)，同時，接口往外設(shè)發(fā)送一個“驅(qū)動信號”來啟動外設(shè)接收數(shù)據(jù)。外設(shè)被啟動后，開始接收數(shù)據(jù)，并往接口發(fā)一個“數(shù)據(jù)輸出回答”信號。接口收到此信號，便將狀態(tài)寄存器中的“輸出準備好”狀態(tài)位重新置“l(fā)”，以便CPU輸出下一個數(shù)據(jù)。上一頁返回下一頁6.3 并行接口3．8255A芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能

8255A有40條引腳，如圖6-17所示。內(nèi)部主要有數(shù)據(jù)輸入輸出端口即A口、B口和C口，A組控制器和B組控制器，數(shù)據(jù)緩沖器及讀寫控制邏輯。8255A內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖6-18所示4．8255A芯片的控制字及其工作方式

8255A中各端口可有三種基本工作方式：方式0基本輸入/輸出方式、方式1選通輸入/輸出方式和方式2向傳送方式。端口A可處于三種工作方式，端口B只可處于兩種方式（方式0和方式1），端口C常常被分成高4位和低4位兩部分，可分別用來傳送數(shù)據(jù)或控制信息。用戶可用軟件來分別定義三個端口的工作方式，可使用的控制字有定義工作方式控制字和置位/復位控制字。上一頁返回下一頁6.3 并行接口6.3.3 8255A的編程及應(yīng)用1．8255A初始化與連接

8255A是計算機外圍接口芯片中典型的一種，主要用于接口擴展、外設(shè)擴展應(yīng)用等。對8255A編程，首先應(yīng)對8255A進行初始化，即向8255A寫入控制字，規(guī)定8255A的工作方式，A口、B口、C口的工作方式等。然后，如果需要中斷，則用控制字將中斷允許標志置位。再以后就可以按相應(yīng)的要求向8255A送入數(shù)據(jù)或從8255A讀出數(shù)據(jù)。上一頁返回下一頁6.3 并行接口2．8255A應(yīng)用舉例可編程并行接口8255A可為8086/8088微處理機提供三個獨立的并行輸入/輸出端口。用輸出端口與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連，可控制輸出模擬量的大小，用它去控制工業(yè)現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)。這個模擬量可以是電壓的高低、電流的大小、速度的快慢、聲音的強弱以及溫度的升降等。利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器又可將控制現(xiàn)場的采集信息變換為數(shù)字量，通過并行輸入端口送回微機系統(tǒng)中。這樣一種閉環(huán)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)在實踐中應(yīng)用非常廣泛。上一頁返回6.4 串行接口6.4.1 串行通信及串行接口1．串行通信線路的工作方式串行通信指的是數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個固定的時間長度。這種情況只要少數(shù)幾條線就可以在系統(tǒng)間交換信息，特別適用于計算機與計算機、計算機與外設(shè)之間的遠距離通信，但串行通信的速度比較慢。串行通信線路有如下三種方式：返回下一頁6.4 串行接口⑴ 單工通信：它只允許一個方向傳輸數(shù)據(jù)，如圖6-26(a)所示，A只作為數(shù)據(jù)發(fā)送器，B只作為數(shù)據(jù)接收器，不能進行反方向傳輸。⑵半雙工通信：它允許兩個方向傳輸數(shù)據(jù)，但不能同時傳輸，只能交替進行，A發(fā)B收或B發(fā)A收，如圖6-26(b)所示。在這種情況下，為了控制線路換向，必須對兩端設(shè)備進行控制，以確定數(shù)據(jù)流向。這種協(xié)調(diào)可以靠增加接口的附加控制線來實現(xiàn)，也可用軟件約定來實現(xiàn)。⑶ 全雙工通信：它允許兩個方向同時進行數(shù)據(jù)傳輸，A收B發(fā)的同時可A發(fā)B收，如圖6-26(c)所示。顯然，兩個傳輸方向的資源必須完全獨立，A與B都必須有獨立的接收器和發(fā)送器，從A到B和從B到A的數(shù)據(jù)通路也必須完全分開(至少在邏輯上是分開的)。上一頁返回下一頁6.4 串行接口2．串行接口串行接口有許多種類，典型的串行接口如圖6-27所示，它包括四個主要寄存器，即控制寄存器、狀態(tài)寄存器、數(shù)據(jù)輸入寄存器及數(shù)據(jù)輸出寄存器。3．串行通信數(shù)據(jù)的收發(fā)方式在串行通信中數(shù)據(jù)的收發(fā)可采用異步和同步兩種基本的工作方式。（1）異步通信方式異步通信所采用的數(shù)據(jù)格式是以一組不定“位數(shù)”數(shù)組組成。第一位稱起始位，它的寬度為1bit，低電平；接著傳送一個字節(jié)(8bit)的數(shù)據(jù)，以高電平為“l(fā)”，低電平為“0”；最后是停止位，寬度可以是1bit、1.5bit或2bit，在兩個數(shù)據(jù)組之間可有空閑位。異步通信的數(shù)據(jù)格式見圖6-28。上一頁返回下一頁6.4 串行接口（2）同步通信方式在同步通信時所使用的數(shù)據(jù)格式根據(jù)控制規(guī)程分為：面向字符及面向比特的兩種。① 面向字符型的數(shù)據(jù)格式面向字符型的同步通信數(shù)據(jù)格式可采用單同步、雙同步及外同步三種數(shù)據(jù)格式，見圖6-29所示。單同步是指在傳送數(shù)據(jù)之前先傳送一個同步字符“SYNC”，雙同步則先傳送兩個同步字符“SYNC”。接收端檢測到該同步字符后開始接收數(shù)據(jù)。外同步通信的數(shù)據(jù)格式中沒有同步字符，而是用一條專用控制線來傳送同步字符，使接收端及發(fā)送端實現(xiàn)同步。當每一幀信息結(jié)束時均用兩個字節(jié)的循環(huán)控制碼CRC為結(jié)束。上一頁返回下一頁6.4 串行接口② 面向比特型的數(shù)據(jù)格式根據(jù)同步數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程(SDLC)，面向比特型的數(shù)據(jù)以幀為單位傳輸，每幀由六個部分組成。第一部分是開始標志“7EH”；第二部分是一個字節(jié)的地址場；第三部分是一個字節(jié)的控制場；第四部分是需要傳送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)都是位(bit)的集合；第五部分是兩個字節(jié)的循環(huán)控制碼CRC；最后部分又是“7EH”，作為結(jié)束標志。面向比特型的數(shù)據(jù)格式見圖6-30。上一頁返回下一頁6.4 串行接口6.4.2 可編程串行通信接口芯片8251A1．8251A芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能

8251A引腳信號見圖6-31所示。內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖6-32所示。由發(fā)送器、接收器、數(shù)據(jù)總線緩沖器、讀/寫控制電路及調(diào)制/解調(diào)控制電路等5部分組成。2．8251A芯片的控制字及其工作方式可編程串行通信接口芯片8251A在使用前必須進行初始化，以確定它的工作方式、傳送速率、字符格式以及停止位長度等，可使用的控制字如下：1）方式選擇控制字方式控制字的使用格式如圖6-33所示。上一頁返回下一頁6.4 串行接口2）操作命令控制字使用格式如圖6-34所示，TxEN

位是允許發(fā)送位，TxEN＝1，發(fā)送器才能通過TxD

線向外部串行發(fā)送數(shù)據(jù)。3）狀態(tài)控制字

CPU可在8251A工作過程中利用IN指令讀取當前8251A的狀態(tài)控制字，其使用格式如圖6-35所示。上一頁返回下一頁6.4 串行接口6.4.3 8251A的編程及應(yīng)用1．8251的初始化在傳送數(shù)據(jù)前對8251進行初始化，才能確定發(fā)送方與接收方的通信格式，以及通信的時序，從而保證準確無誤地傳送數(shù)據(jù)。由于三個控制字沒有特征位，且工作方式控制字和操作命令控制字放入同一個端口，因而要求按一定順序?qū)懭肟刂谱?，不能顛倒?251A初始化編程的操作過程可用流程圖來描述，如圖6-36所示。上一頁返回下一頁6.4 串行接口2．8251和CPU的通信方式（1）查詢方式【例6-4】若采用查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)，且假定要發(fā)送的字節(jié)數(shù)據(jù)放在TABLE開始的數(shù)據(jù)區(qū)中，且要發(fā)送的字節(jié)數(shù)據(jù)放在BX中，則發(fā)送數(shù)據(jù)的程序段如下所示:上一頁返回下一頁6.4 串行接口（2）中斷方式【例6-6】利用中斷方式可實現(xiàn)8251和CPU的串行通信。現(xiàn)設(shè)想系統(tǒng)以查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)，以中斷方式接收數(shù)據(jù)。波特率系數(shù)為16，1位停止位，7位數(shù)據(jù)位，奇校驗。程序如下：上一頁返回6.5 DMA控制技術(shù)6.5.1 可編程DMA控制器8237A

DMA控制器8237是Intel80系列微處理器的配套芯片，可用來接管CPU對總線的控制權(quán)，在存儲器與高速外設(shè)之間建立直接進行數(shù)據(jù)塊傳送的高速通路。

8237必須與一個8位鎖存器(8282或其他代用芯片)配套使用，才可形成完整的四通道DMA控制器。各通道可分別完成三種不同的操作：

DMA讀操作——讀存儲器送外設(shè)。

DMA寫操作——讀外設(shè)寫存儲器。

DMA校驗操作——通道不進行數(shù)據(jù)傳送操作，只是完成校驗功能。

8237可處于兩種不同的工作狀態(tài)，在8237未取得總線控制權(quán)以前，CPU處于主控狀態(tài)，而8237處于從屬狀態(tài)；一旦8237取得總線控制權(quán)后，8237便上升為主控狀態(tài)，完全在8237控制下完成存儲器和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送功能，CPU不再參與數(shù)據(jù)傳送的操作。返回下一頁6.5 DMA控制技術(shù)

8237可處于兩種不同的工作狀態(tài)，在8237未取得總線控制權(quán)以前，CPU處于主控狀態(tài)，而8237處于從屬狀態(tài)；一旦8237取得總線控制權(quán)后，8237便上升為主控狀態(tài)，完全在8237控制下完成存儲器和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送功能，CPU不再參與數(shù)據(jù)傳送的操作。

8237可編程DMA控制器有40條引腳，采用雙列直插式封裝，其引腳信號功能見圖6-37。由數(shù)據(jù)總線緩沖器、讀寫邏輯部件、控制邏輯部件工作方式寄存器、狀態(tài)寄存器、優(yōu)先選擇邏輯及四個DMA通道組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖6-38。上一頁返回下一頁6.5 DMA控制技術(shù)6.5.2 8237A的編程及應(yīng)用

8237共包含4個通道，每個通道占用2個端口地址，再加上工作方式寄存器和狀態(tài)寄存器合用1個端口，因此整個8237芯片共包含9個端口地址，可用最低4位地址碼（A3～A0）來對它們尋址，如表6-7所示。高位地址碼（A15～A4）經(jīng)譯碼后，可用來形成8237的片選信號，使CS有效，與I/OW、I/OR和地址碼A3配合可完成對有關(guān)寄存器的讀寫操作，如表6-8所示。上一頁返回6.6定時器/計數(shù)器6.6.1 可編程定時器/計數(shù)器8253A1．內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能可編程定時器8253的外部引線如圖6-42所示，相應(yīng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖6-43所示。2．工作方式從內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可以看到，可編程定時器8253內(nèi)部有三個相同的16位計數(shù)器。它們都能夠工作在如下六種方式之下。(1)方式0計數(shù)結(jié)束產(chǎn)生中斷(2)方式１可編程單穩(wěn)(3)方式2頻率發(fā)生器(4)方式3方波發(fā)生器(5)方式4軟件觸發(fā)選通返回下一頁6.6定時器/計數(shù)器(6)方式5硬件觸發(fā)選通3．8253的控制字8253的控制字格式如圖6-44所示。6.6.2 8253A的編程及應(yīng)用1．8253的初始化對8253的初始化，也可稱為對8253的編程。完成初始化后，8253即開始自動按設(shè)置好的工作方式工作。初始化程序包括兩部分，一是寫各計數(shù)器的控制字，二是設(shè)置計數(shù)初始值。上一頁返回下一頁6.6定時器/計數(shù)器2．8253在PC機中的應(yīng)用

IBMPC/XT使用了一片Intel8253，3個計數(shù)通道分別用于日時鐘計時、DRAM刷新定時和控制揚聲器發(fā)聲。圖6-45為8253的連接圖。IBMPC/AT使用與8253兼容的Intel8254，在AT機的連接使用與XT機一樣。上一頁返回6.7 A/D及D/A接口6.7.1 D/A轉(zhuǎn)換器及其與CPU的接口

D/A轉(zhuǎn)換器是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的集成電路，它的模擬量輸出（電流或電壓）與參考量（電流或電壓）以及二進制數(shù)成比例，—般來說，可用下面的式子表示模擬量輸出和參考量及二進制數(shù)的關(guān)系：

D/A轉(zhuǎn)換器由于實現(xiàn)的原理各不相同，而且實現(xiàn)的工藝技術(shù)也不盡相同，因而有多種D/A芯片。作為微機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計者，應(yīng)特別關(guān)心的是微機與DAC的接口、DAC的模擬輸出特性，以及使它們正常工作需要外加的電路。返回下一頁6.7 A/D及D/A接口1．D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標包括以下幾個方面。⑴ 分辨率：是當輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化（即1LSB）時，所對應(yīng)的輸出模擬量的變化量，即等于模擬量輸出的滿量程值的1/(2N-1)N為數(shù)字量位數(shù)）。在實際使用中，表示分辨率大小的方法也可用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示。⑵ 轉(zhuǎn)換精度：是指一個實際的D/A轉(zhuǎn)換器與理想的D/A轉(zhuǎn)換器相比較的轉(zhuǎn)換誤差。精度反映D/A轉(zhuǎn)換的總誤差。其主要誤差有失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差。非線性誤差是實際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想轉(zhuǎn)換特性曲線之間的最大偏差。一般要求此誤差不大于±LSB。D/A轉(zhuǎn)換器的失調(diào)和增益調(diào)整一般不能完全消除非線性誤差，但可以使之顯著減小。微分非線性誤差是指任意兩個相鄰數(shù)碼所對應(yīng)的模擬量間隔與理想值之間的偏差。上一頁返回下一頁6.7 A/D及D/A接口⑶ 建立時間：當D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，輸出模擬量達到穩(wěn)定數(shù)值，即進入規(guī)定的精度范圍內(nèi)所需要的時間。⑷ 溫度系數(shù)：D/A轉(zhuǎn)換器的各項性能指標一般在環(huán)境溫度為25℃下測定。環(huán)境溫度的變化會對D/A轉(zhuǎn)換精度產(chǎn)生影響，這一影響分別用失調(diào)溫度系數(shù)、增益溫度系數(shù)和微分非線性溫度系數(shù)來表示。這些系數(shù)的含義是當環(huán)境溫度變化1℃時該項誤差的相對變化率，單位是×10-6/℃。2．DAC0832D/A轉(zhuǎn)換器

DAC0832是美國數(shù)據(jù)公司的8位雙緩沖D/A轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)帶有數(shù)據(jù)鎖存器，它具有與微機連接簡單、轉(zhuǎn)換控制方便、價格低廉等特點，微機系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

DAC0832的邏輯結(jié)構(gòu)如圖6-47所示。引腳信號見圖6-48，各引腳功能見表6-11。上一頁返回下一頁6.7 A/D及D/A接口3．DAC0832工作方式根據(jù)對DAC0832的輸入鎖存器和DAC寄存器的不同的控制方法，DAC0832有如下三種方式。⑴單緩沖方式適用于只有一路模擬量輸出或幾路模擬量非同步輸出的情形。方法是控制輸入寄存器和DAC寄存器同時接收數(shù)據(jù)，或者只用輸入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。⑵ 雙緩沖方式適用于多個DAC0832同時輸出的情形。方法是先分別使這些0832的輸入寄存器接收數(shù)據(jù)，再控制這些0832同時傳送數(shù)據(jù)到DAC寄存器以實現(xiàn)多個D/A轉(zhuǎn)換同步輸出。上一頁返回下一頁6.7 A/D及D/A接口⑶直通方式適用于連續(xù)反饋控制線路中。方法是數(shù)據(jù)不通過緩沖器，即WR1，WR2，XFER，CS均接地，ILE接高電平。此時必須通過I/O接口與CPU連接，以匹配CPU與D/A的轉(zhuǎn)換。由于0832內(nèi)部已有數(shù)據(jù)鎖存器，所以在控制信號作用下，可以對總線上的數(shù)據(jù)直接進行鎖存。在CPU執(zhí)行輸出指令時，WR1和CS信號處于有效電平。要使DAC0832實現(xiàn)一次D/A轉(zhuǎn)換，可采用以下程