输入输出和接口技术 课程要求学习各种类型接口芯片的基本工作原理基本程序设计芯片与CPU连接将各种芯片按要求的地址空间分配设计电路原理图.pptx

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1、冯冯.诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构 第1页/共59页输入输出接口输入输出设备是计算机与外界交换信息的设备。输入输出接口则是中央处理器与输入输出设备之间的控制电路。接口设计涉及两个基本问题：1.中央处理器如何识别各个设备；2.中央处理器如何控制设备的工作、响应设备的请求和进行数据交换。第2页/共59页计算机的总线结构计算机组成：CPU，内存条，硬盘驱动器（软盘驱动器），键盘，显示器，电源，机箱。磁盘控制器，显示卡，声卡通过计算机系统内部总线联接：数据总线、地址总线、控制总线 第3页/共59页接口的功能和基本结构 基本功能：实现在不同功能部件之间信息的有效的传输。接口电路一般由数据变换、数据缓

2、冲（锁存），以及控制和反映状态的电路组成。第4页/共59页接口电路 数据口：数据传送。（与系统数据总线连接）。地址总线+片选信号：片选信号的惟一性。控制口：用来完成对接口电路的操作。状态口：保存外设的工作状态。由一组寄存器构成。有的接口电路本身就带有微处理器，称为智能型接口。第5页/共59页数据传送形式只有两种方式：串行传送和并行传送。相对应分串行接口与并行接口。串行数据传送方式：任一时刻只能传送一位二进制数据。并行数据传送方式：同一时刻可传送多位二进制数据，每一位数据对应一根线路（数据总线组成）。信道第6页/共59页并行数据传送 若干根传送数据的导线，组成数据总线。根据同时可传送的数据位数，

3、有不同的总线宽度。8、16、32为控制数据传送过程，还需要表示数据状态的信息，和控制数据传送（方向）等控制信息。读、写和使能等信号控制总线。ALE、IO/M、RD、WR、DT/R、DEN、（CS）（INTR、INTA）第7页/共59页数据传送控制方式 对处理器而言，数据传送仍然为输入输出操作过程。8086/8088的传送指令MOV和输入输出指令IN、OUT。RD、WR、（M/IO）可有三种工作方式：查询、中断和DMA。查询方式：处理器询问外设。简单，效率不高，占用处理器较多的时间，或对外设服务不及时。用于对发光二极管、开关、继电器、电动机等简单设备操作和状态测试。第8页/共59页传送控制方式中

4、断方式：中断方式是外设主动向处理器申请服务。处理器工作效率高，并且能使外设及时得到服务。（第六章的中断系统）。DMA方式：在存储器与外设之间开辟一条高速数据通道，在传送过程中不需要处理器参与。大量数据传输时效率高。（第8章）。第9页/共59页简单输出接口采用（缓冲）锁存器作为输出接口。锁存器 74LS373（74LS374，74LS273）：封装相同，功能相似，引脚定义基本相同。与8282的逻辑功能类似。功能上的差别：373：电平触发，三态输出 374：边沿触发，三态输出 273：边沿触发，带总清。非三态输出第10页/共59页第11页/共59页8282逻辑及真值表第12页/共59页简单输入接口

5、缓冲器作为输入接口：必须具有三态输出功能。74LS244，74LS245等。与8286芯片逻辑类似。锁存器作为输入接口：带寄存器。（74LS373，74LS374）信号经“缓冲”后，增强驱动能力（可驱动8个TTL芯片）。74LS244，74LS245。第13页/共59页74LS244分为两组，每组4位。单向缓冲器、三态输出。控制信号：G第14页/共59页74LS2458位双向缓冲器、三态输出。控制信号：DIR、G第15页/共59页8286逻辑及真值表第16页/共59页采用74LS245和74LS373作为输入输出接口。注意：再简单的接口也有地注意：再简单的接口也有地址问题，址问题，CS为片选信

6、号，确为片选信号，确定地址。定地址。图中，一为输出、一为输入，因此CS可以不同，也可以相同（用同一地址）。每一个373可接8个发光二极管，每一个245（244）可接8个开关。第17页/共59页简单接口实验LAB6000带的硬件实验3、4。要求大约每一秒钟采样开关状态一次，并显示开关状态。（根据开关状态，改变显示方式：循环左移、循环右移、8位同时闪烁、间隔闪烁）第18页/共59页输入输出接口扩展CPU引脚数有限，（直接带负载能力有限）。扩大系统的适应能力只要适合应用目的的芯片都可以用。（注意逻辑与电平的匹配问题。）可编程芯片，功能比普通TTL、CMOS等芯片功能强，有多种工作方式。根据应用目的专

7、门设计。适合特定的工作领域。通用可编程芯片：PAL、GAL、CPLD、FPGA。第19页/共59页并行接口电路8255A 一种通用、可编程、接口电路芯片，（3个8位并行数据接口）。扩展了CPU端口。40个引脚，双列直插式封装；单5V电源，TTL电平；3种工作方式，可构成各种类型的接口电路。8255A内部有与外设接口和与处理器接口两部分组成。第20页/共59页8255A的内部结构和引脚 第21页/共59页与处理器接口 双向数据总线D7D0；读信号、写信号：、；地址信号A1、A0；片选信号 。复位信号RESET：高电平时复位8255A，使所有内部寄存器(包括控制寄存器)均被清除，所有数据端口(端口

8、A、B和C)均被置成输入方式。第22页/共59页8255A扩展端口 共有3个八位的并行端口（A、B、C）。对应的引脚分别是PA7PA0、PB7PB0，和PC7PC0。C口还可分为2个四位端口。都可以通过编程设定为输入或输出端口。三个端口分成A、B两组，共有三种工作方式。A组，端口A和端口C的上(高)半部分(PC7PC4)组成；B组，端口B和端口C的下(低)半部分(PC3PC0)组成。第23页/共59页CPU对8255A端口操作 PC XT计算机中8255A地址为60H7FH，共32个地址，实际用60H63H四个地址。第24页/共59页8255A的工作方式 8255A工作方式只需一条指令，即可设

9、置完成。D7=1 表示设置8255A工作方式，D6、D5为A组工作方式选择，有三种方式。D4为端口A的方向设定，D3为端口C上半部分方向设定。其中D4、D3设定还要根据A组的工作方式确定。D2、D1、D0为B组工作方式选择，只有方式0和方式1。第25页/共59页8255A控制字格式第26页/共59页8255A的工作方式 0基本输入输出方式，无应答式的联络信号。A、B、C三个端口都可以工作在方式0。方式0对输出数据锁存，输入数据不锁存。第27页/共59页8255A工作方式0端口C可以分成上、下两个4位端口，分别设置。因此8255A可看成有四个端口。两个8位端口，两个四位端口。同一端口的各位方向相

10、同。从四个端口全设为输出，到全设为输入，共有16种组合方式。（D4、D3、D1、D0）方式0功能最简单，并且在端口侧没有控制信号和状态信号。功能相当于373（输出），或244（输入）。第28页/共59页第29页/共59页8255A的工作方式1选通输入输出方式：可设置方向的单向端口，端口带控制逻辑。设置为工作方式，端口A和端口B作为数据端口，并且每个数据端口分别利用端口C指定的3个引脚作为应答联络信号。工作方式，输入、输出的数据都锁存。并且，端口具有中断请求逻辑和中断允许触发器。C端口的未被方式1征用的引脚仍可以工作在方式0。第30页/共59页方式1的选通输入方式第31页/共59页方式1的选通输

11、入方式端口C的3个引脚成为应答联络（控制）信号线，在输入方式下它们的功能为：STB：选通信号，输入，低电平有效。由输入设备来，将数据锁存至8255A内部输入锁存器控制信号。IBF：输入锁存器满信号，输出，高电平有效。向输入设备报告输入锁存器状态。STB为低电平时置高，CPU来的RD读数据信号的上升沿（后沿）使其变低。INTR：中断请求信号，高电平有效。8255A的输出信号，可用于向CPU提出中断请求。（接8259的IR脚）。注意要使INTR有效必须置为INTE（对应的C口引脚的内部寄存器）第32页/共59页方式1的选通输出方式 第33页/共59页方式1的选通输出方式OBF：输出缓冲（锁存）器满

12、信号，输出，低有效。表示CPU已将数据输出到指定的端口。它由CPU的WR信号上升沿（后沿）置有效，由外设来的ACK信号（取数据）恢复为高。ACK：外设响应信号，低有效。读端口数据。并清OBF。（注意不清输出锁存器）INTR：中断请求信号，输出，高有效。当外设接收数据后，8255A输出此信号向CPU提出中断请求。WR的下降沿使其复位。第34页/共59页方式1输入、出混合方式引脚 第35页/共59页方式2：双向选通传送方式 方式0和1，工作时均只能是单向。方式2是将方式1的选通输入输出功能组合成一个双向数据端口。8255A只有端口A可以工作于方式2，同时还要用到端口C的5根信号线。此时，端口B还可

13、工作于方式1(配合端口C的剩余3个引脚)，也可工作于方式0(端口C的剩余3个引脚也工作于方式0)。方式2时，输入和输出数据均进行锁存。并且输出锁存器满时，数据不出现在端口数据线上，只有ACK信号有效时，数据才出现在端口上。第36页/共59页方式2：双向选通传送方式第37页/共59页方式2：双向选通传送方式CPU对8255A的数据读写用RD和WR，外设对8255A数据的读写分别用ACK和STB。输入输出数据采用不同的缓冲寄存器，外设和CPU的读写顺序可任意。输出的中断允许触发器INTE1由PC6置位/复位控制。输入的中断允许触发器INTE2由PC4置位/复位控制。只有一个向CPU的中断请求线。（

14、8086/8088如何响应中断？）第38页/共59页方式2：双向选通传送方式A口工作在方式2时，CPU向8255A写时，数据写入8255A输出缓冲锁存器，不出现在端口线上，而是使OBF有效，等外设响应信号ACK有效时，数据才出现在端口。同样，外设数据送到PA口后，由STB信号送入8255输入缓冲锁存器。也不出现在系统数据总线。只有当CPU的RD有效时，才出现。数据在系统总线和PA口出现的顺序可以不相同，它们分别有各自的控制信号和状态信号。在双向通信时8255A成为双向带锁存的数据缓冲器。第39页/共59页第40页/共59页8255A编程 初始化编程较简单，3个端口设置只需一个方式控制字。第41

15、页/共59页写入方式控制字 8259只有一个控制字，方式控制字。写入地址（即A1A0=11）。控制字格式如上图。方式控制字的最高位D7为标志位，D7=1表明写方式控制字。D7=0，为对端口C的位操作（置1，或清0）第42页/共59页读写数据端口 IBM PC机用输入IN指令和输出OUT指令读写各端口。8255A各端口都具有输出锁存数据的能力。对设为输出方式的端口，同样可以执行读操作，但是读取的数据，不是外设的数据，而是上次CPU输出到外设的数据。第43页/共59页端口C操作 当端口A和B工作在方式0时，端口C被分成两个4位端口组，可按组分别置为输入或输出。当端口A和B工作在方式1或方式2（A口

16、）时，C口的某些引脚作为控制信号。此时，未用的C口引脚仍可工作在方式0。对端口C的数据输出有两种办法：1.通过端口C的I/O地址，向端口C直接写入字节数据，数据被写进C端口的输出锁存器，并从输出引脚输出。对设置为输入的引脚，写出的数据无效。2.通过控制字端口，向端口C写入位控制字，使端口C的某个引脚输出l或0，或置位、复位状态/控制字。第44页/共59页通过控制字端口写C端口最高位为0，端口C的位操作。对工作于方式1、2的引脚，置位/复位端口锁存器。A1A0=11第45页/共59页读端口C数据对未被端口A和B征用的引脚，从定义为输入的端口读到的是引脚上的输入信息；从定义为输出的端口读到的是上次

17、输出到锁存器的信息。对被A和B端口征用的作为控制线的引脚，读到的是反映8255A状态的状态字，如下图。第46页/共59页读端口C数据注意，图中仅说明在各种方式下读取的内容，并不是实际的组合。例如，可将A组设为输出，B组设为输入。此时组合也应调整。第47页/共59页8255A的应用 IBM PC/XT使用一片8255A管理键盘、控制扬声器和系统配置开关DIP的状态等。这片8255A的I/O地址范围为60H7FH。实际用60H63H。端口A、B和C的地址分别为60H、6lH和62H，63H为控制字寄存器地址。第48页/共59页在XT机中，8255A工作在基本输入输出方式。端口A为方式0输入，用来读

18、取键盘扫描码。PC微机中则采用独立的键盘，通过5芯电缆与主机连接。端口B工作于方式0输出，PB7和PB6进行键盘管理，PB1和PB0控制扬声器发声。端口C为方式0输入，高4位为状态测试位，低4位用来读取系统板的系统配置DIP开关的状态。第49页/共59页专用键盘接口 第50页/共59页LED数码管及其接口 第51页/共59页LED数码管及其接口第52页/共59页用8255A方式0与打印机接口打印机一般采用并行接口Contronics标准。Contronics接口是工业界的一个并行接口协议。该协议规定了36脚簧式插头座为打印机标准插座，并规定了36脚的信号，如表7-4-1所示。其中前11条线是主

19、要信号，它们是8条数据线、3条联络线（选通 、响应 和打印机忙BUSY）。还有一些特殊的控制线、状态线。在一些简单的场合，只用这11条信号线，就能使打印机正常工作。各种微型打印机的并行接口往往只用这11条信号线。第53页/共59页第54页/共59页打印机控制信号（输出）选择信号，输入。仅当该信号为低电平时，才能将数据输出到打印机。实际上，它是允许打印机工作的选中信号。初始化，低电平有效。打印机被复位成初始状态，打印机的数据缓冲区被清除。自动走纸，低电平有效。打印机自动走纸一行。选通信号，低电平有效。打印机接收数据的选通信号。第55页/共59页打印机状态信号（输入）BUSY 忙信号，高电平有效。

20、当BUSY信号有效时，表示打印机不能接收数据。响应，低电平有效。打印机接收一个数据字节后，就回送一个响应的负脉冲信号，表示打印机已准备好接收新数据。PE 无纸，高电平有效。打印机内部的检测器发出的信号，若为高，说明打印机无纸。SLCT 选择，高电平有效。该信号为高表示处于联机选中状态。错误，低电平有效。当打印机处于无纸、脱机等状态之一时，这个信号变为低电平 第56页/共59页8255A与微型打印机的接口微型打印机共需11根信号线，第57页/共59页作业讲义3、4、8微机与接口实验1。原理图上增加8255，要求地址8259为：从4000H起。8255从4010H起。8255A口接8个发光二极管，8255B口接8个开关。第58页/共59页感谢您的观看！第59页/共59页