第9章 扩展IO接口设计.ppt
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1、 I/O的基本模型的基本模型第第第第9 9章章章章 扩展扩展扩展扩展I/OI/O接口设计接口设计接口设计接口设计 并行接口并行接口 8255A 9.1 I/O接口基本模型接口基本模型微微型型计计算算机机系系统统可可通通过过系系统统总总线线与与外外设设相相连连,进进行行系系统统的的扩扩展展与与开开发发,而而外外设设必必须须通过通过接口接口才能与才能与CPU交换信息。交换信息。CPU或或 系统总线系统总线I/O 接口接口电路电路外外设设9.1.19.1.1 I/OI/O接口的交换信息接口的交换信息接口的交换信息接口的交换信息1.1.数据信息数据信息数据信息数据信息 (DATA)DATA)(1)数字
2、量数字量 由由键键盘盘、光光电电输输入入机机等等输输入入的的信信息息。(通通常常以以二二进进制制表表示示的的数数或或以以 ASCII 码码表表示示的数或字符的数或字符)CPU与与外外设设交交换换的的基基本本信信息息是是数数据,有三种类型:据,有三种类型:(2)模拟量模拟量非电量信息非电量信息传感器传感器电量电量信号信号处理处理A/DCPU(3)开关量开关量两个状态的量两个状态的量(可以用可以用0、1表示表示)例如电机的启与停,开关的合与开等。例如电机的启与停,开关的合与开等。2.2.2.状态信息状态信息状态信息状态信息状态信息状态信息(STATUS)STATUS)STATUS)输入时,输入设备
3、是否准备好?输入时,输入设备是否准备好?(READY)输出时,输出设备是否空闲?输出时,输出设备是否空闲?(BUSY)反映当前外设工作状态的信息,例如:反映当前外设工作状态的信息,例如:3.3.3.控制信息控制信息控制信息控制信息控制信息控制信息(CONTROL)CONTROL)CONTROL)例如控制例如控制I/O 设备启动或停止等。设备启动或停止等。CPUI/O设备设备 I/O接口接口123ABDBCBDATASTATUSCONTROLCPU 与外设之间的接口信息与外设之间的接口信息 通过接口输出用以控制外设工作的信息。通过接口输出用以控制外设工作的信息。(1)速度的匹配)速度的匹配外外设
4、的的读写速度可能很慢。写速度可能很慢。CPU与端口与端口进行快行快速数据交速数据交换,端口与外,端口与外设进行慢速交行慢速交换。端口端口作作为微型机与外微型机与外设间传递数据的中数据的中间缓冲站冲站。9.1.2 I/O9.1.2 I/O接口的功能接口的功能接口的功能接口的功能(2)信息格式的)信息格式的变换外部外部设备的数据形式可能是的数据形式可能是数字量、模数字量、模拟量或量或开关量开关量等,数字量可能采用等,数字量可能采用并行方式或串行并行方式或串行方式方式。接口。接口电路的功能之一是将不同信息格路的功能之一是将不同信息格式式变换为CPU能接收的能接收的标准并行信息准并行信息,如串,如串并
5、并转换、A/D、D/A转换等。等。(4)信号)信号电平的匹配平的匹配 即即电平配合、信号平配合、信号类型、信号型、信号电平、信号格式等的平、信号格式等的转换(3)时序的匹配序的匹配CPU时序与外序与外设时序可能不一致,由接口序可能不一致,由接口电路路实现匹匹配。配。(5)数据)数据缓冲冲 对所所传送的数据提供送的数据提供缓冲、隔离以及寄存的功能。冲、隔离以及寄存的功能。(7)校)校验和和检查 在微机系在微机系统中,通常中,通常为I/O接口配接口配备有校有校验功能,并功能,并且可以将出且可以将出错信息信息报告告给微微处理器。理器。(6)地址)地址译码 通通过地址地址译码电路路对外外围设备I/O地
6、址地址寻址。址。外外部部设设备备与与微微处处理理器器进进行行信信息息交交换换必必须须通通过过访访问问该该外外设设相相对对应应的的端端口口来来实实现现。具体访问这些外设端口的过程叫做具体访问这些外设端口的过程叫做寻址寻址。通通常常有有两两种种寻寻址址方方式式:存存储储器器映映像像的的I/OI/O寻址方式寻址方式和和I/OI/O端口端口单单独独寻寻址方式址方式。9.1.3 I/O 端口及其寻址方式端口及其寻址方式9.1.4 I/O接口的数据传送方式接口的数据传送方式微微处处理理器器与与外外设设间间的的数数据据传传送送通通常常包包括括无无条条件件传传送送、查查询询传传送送、中中断断传传送送、以以及及
7、DMA方式方式。1 1、无条件传送方式、无条件传送方式、无条件传送方式、无条件传送方式 无无条条件件传传送送一一般般适适合合于于数数据据传传送送不不太太频频繁繁的的情情况况,如如对对开开关关、数数码码显显示示器器等等一一些些简简单单外外设设的的操操作作。所所谓谓无无条条件件,就就是是假假设设外外设设已已处处于于就就绪绪状状态态,数数据据传传送送时时,程程序序就就不不必必再再去去查查询询外外设设的的状状态态,而而直直接接执执行行相应指指令令进行数据传输。进行数据传输。2 2、条件传送方式、条件传送方式、条件传送方式、条件传送方式 条条件件传传送送也也称称为为查查询询传传送送方方式式。它它在在执执
8、行行输输入入输输出出操操作作之之前前,需需通通过过测测试试程程序序对对外外部部设设备备的的状状态态进进行行检检查查。当当所所选选定定的的外外设设已已准准备备“就就绪绪”后后,才开始才开始进行输入输出进行输入输出操作。操作。查询传送方式流程图 查询传送方式工作流程包括三个基本工作环节查询传送方式工作流程包括三个基本工作环节(2 2)查询环节)查询环节 CPUCPU从读取状态寄存器的标志位。从读取状态寄存器的标志位。(3 3)传送环节)传送环节 当上一环节完成后,将对数据口实现寻址,当上一环节完成后,将对数据口实现寻址,从数据端口输入数据,或从数据端口输出数从数据端口输入数据,或从数据端口输出数据
9、。据。(1 1)读取状态字)读取状态字主要通过检测状态寄存器的标志位来检查外主要通过检测状态寄存器的标志位来检查外设是否设是否“就绪就绪”。3 3、中断传送方式中断传送方式中断传送方式中断传送方式为为了了进进一一步步提提高高CPU的的效效率率和和使使系系统统有有实实时时性性能能,可可以以采采用用中中断断传传送送方方式式。在在中中断断传传送送方方式式下下,当当外外设设准准备备好好时时,主主动动向向CPU发发出出中中断断请请求求,请请求求CPU进进行行数数据据的输入输出。的输入输出。中断方式的数据输入中断方式的数据输入 采采用用中中断断传传送送方方式式时时,外外设设处处于于主主动动地地位位,无无需
10、需CPU花花费费大大量量时时间间去去查查询询外外设设的的工工作作状状态态。与程序方式相比,大大提高了与程序方式相比,大大提高了CPU的效率。的效率。外设请求中断外设请求中断 INTR有效有效主主程程序序中中断断服服务务程程序序输入输入 数数据据外外设设准准备备数数据据4 4、DMADMA方式方式方式方式DMA(Direct Memory Access):是是存存储储器器与与外外设设或或存存储储器器之之间间进进行行大大量量数数据据传传送送的的方方法法,是是在在DMA控控制制器器(DMAC)的的控制下进行的。控制下进行的。CPU总 线存储器外设程序控制的数据输入/输出DMADMA与程序控制数据传送
11、路径比较与程序控制数据传送路径比较DMADMA与程序控制数据传送路径的比较与程序控制数据传送路径的比较与程序控制数据传送路径的比较与程序控制数据传送路径的比较传送方式的比较无条件传送:慢速外设需与CPU保持同步查询传送:简单实用,效率较低中断传送:外设主动,可与CPU并行工作,但每次传送需要大量额外时间开销 DMA传送:DMAC控制,外设直接和存储器进行数据传送,适合大量、快速数据传送 微机系统的信息交换有微机系统的信息交换有并行通信并行通信 和和串行通信串行通信两种方式。两种方式。并行通信是以微处理器的字长为传输单并行通信是以微处理器的字长为传输单并行通信是以微处理器的字长为传输单并行通信是
12、以微处理器的字长为传输单位;适合于外部设备与微机之间进行近距离、位;适合于外部设备与微机之间进行近距离、位;适合于外部设备与微机之间进行近距离、位;适合于外部设备与微机之间进行近距离、大量和快速的信息交换。大量和快速的信息交换。大量和快速的信息交换。大量和快速的信息交换。实现并行通信的接口称之为并实现并行通信的接口称之为并行接口。行接口。9.2 8255A9.2 8255A概述概述概述概述 22西北农林科技大学水利与建筑工程学院Intel公司的80/85系列接口电路都可以直接与MCS-51接口。常用的接口器件为:8255:可编程通用并行接口电路;8253/8254:可编程定时/计数器;8155
13、/8156:可编程RAM/IO/TIMER扩展芯片;8251:可编程串行接口电路;8279:可编程键盘显示接口电路;以上器件最大的特点是工作方式的确定和改变需要软件实现。因此称为可编程接口芯片。并行输入并行输入/输出端口输出端口A、B、C:8255A芯芯片片具具有有24个个可可编编程程输输入入输出引脚,分成输出引脚,分成3个个8位端口。位端口。9.2.1 9.2.1 可编程并行通信接口可编程并行通信接口可编程并行通信接口可编程并行通信接口8255A8255A8255A采采 用用 40线线 双双列列直直插插封封装装,引引脚脚图图如如图图所示。所示。8255A引脚定义4 3 2 1 4037183
14、4.27D7D0A0A1RESETVCCGND986535368255APPI数数据据总总线线控控制制线线电电源源线线通道通道A通道通道B通道通道CCPU接口外设接口.PA7PA0.PB7PB0.PC7PC025141516 171312 11 10 82558255A A的引脚的引脚的引脚的引脚一、一、一、一、82558255A A的内部结构的内部结构的内部结构的内部结构8255A可可 编编 程程 外外 围围 设设 备备 接接 口口(Programmable Peripheral Interface,简简写写为为PPI),其内部结构如图所示。其内部结构如图所示。数据数据总线总线缓冲器缓冲器内
15、部控制线内部控制线内部数据线内部数据线D0D7A组组控制控制A组组端口端口AA组组端口端口C上部上部B组组控制控制B组组端口端口BB组组端口端口C下部下部读写读写控制控制逻辑逻辑PC0PC3PB0PB7PC4PC7PA0PA7RDWRA0A1CSRESET82558255A A内部结构框图内部结构框图内部结构框图内部结构框图8255A包包括括四四大大部部分分:数数据据总总线线缓缓冲冲器器、读读写写控控制制部部件件、A组组和和B组组控控制制部部件件、端端口口A、B、C。(1)数据端口数据端口A、B、C端端口口A:包包含含一一个个8位位数数据据输输出出锁锁存存器器/缓缓冲冲器器和和一一个个8位位数
16、数据据输输入入锁锁存存器器,输入输出数据均受到锁存。输入输出数据均受到锁存。端端口口B和和C:都都包包含含一一个个8位位数数据据输输入入缓缓冲冲器器和和一一个个8位位的的数数据据输输出出锁锁存存器器/缓缓冲冲器器,输出数据能锁存,输入数据不锁存。输出数据能锁存,输入数据不锁存。端端口口C:可可分分成成两两个个4位位端端口口,分分别别定定义义为为输输入入或或输输出出端端口口,还还可可定定义义为为控控制制、状状态端口,配合端口态端口,配合端口A和端口和端口B工作。工作。(2)A组和组和B组控制电路组控制电路A组组A口:PA0PA7C口的高4位:PC4PC7B组组B口:PB0PB7C口的低4位:PC
17、0PC3 A组,组,B组的控制寄存器,组的控制寄存器,接收来自数据总线的控制字,接收来自数据总线的控制字,并根据控制字确定各端口的工并根据控制字确定各端口的工作状态和工作方式。作状态和工作方式。(3)数据总线缓冲器数据总线缓冲器三三态态双双向向8位位缓缓冲冲器器,是是8255A与与CPU 之之间间的的数数据据接接口口。传传送送输输入入数数据据、输出数据、控制命令字。输出数据、控制命令字。(4)读读/写和控制逻辑写和控制逻辑接接收收来来自自CPU地地址址总总线线信信号号和和控控制制信信号号,并发出命令到两个控制组并发出命令到两个控制组(A组和组和B组组)。CS:片选信号,接片选信号,接CPU高位
18、地址的译码输出高位地址的译码输出WR:写写信信号号,WR有有效效时时,CPU向向8255A写写入入的控制或数据信息。的控制或数据信息。RD:读读信信号号,RD有有效效时时,CPU读读8255A的的数数据据或或状状 态;态;RESET:复位信号。复位信号。RESET有效时,清有效时,清 8255A 所有控制寄存器内容,所有控制寄存器内容,并将各端口置成输入方式。并将各端口置成输入方式。表9.1 8255A的端口选择表(5)端口寻址端口寻址8255A共共有有两两个个控控制制字字:即即工工作作方方式式控控制制字和对字和对C口置位口置位/复位控制字。复位控制字。1.1.控制字控制字控制字控制字(1)工
19、作方式控制字:工作方式控制字:控制字和各位的含义如图所示。控制字和各位的含义如图所示。8255A的控制字及其工作方式的控制字及其工作方式D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0B组组端口端口C(PC3PC0)1=输入,输入,0=输出输出端口端口B1=输入,输入,0=输出输出方式选择方式选择0方式方式0,1=方式方式1A组组端口端口C(PC7PC4)1=输入,输入,0=输出输出端口端口A1=输入,输入,0=输出输出方式选择方式选择00端口端口A方式方式0,01=端口端口A方式方式1,1=端口端口A方式方式2方式设置标志方式设置标志1=有效有效8255A工作方式控制字格式工作方式控制字格式(
20、2)(2)(2)(2)端口端口端口端口C C C C的置位的置位的置位的置位/复位控制字复位控制字复位控制字复位控制字控制字的格式如图所示。控制字的格式如图所示。8255A 置位置位/复位控制字格式复位控制字格式D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0位的置位位的置位/复位复位1=置位,置位,0=复位复位位位 选选 择择D3 D2 D1 通道通道C位位按位置位按位置位/复位控制复位控制标志标志0=有效有效0 0 0 PC00 0 1 PC10 1 0 PC20 1 1 PC31 0 0 PC41 0 1 PC51 1 0 PC61 1 1 PC7不使用不使用设置为设置为000例:若例:若
21、8255A的控制字寄存器选口地址为的控制字寄存器选口地址为FBH,试写出令,试写出令PC3先置先置“1”以及后置以及后置“0”的程序的程序 解:相应程序为:解:相应程序为:解:相应程序为:解:相应程序为:MOV R0,#0FBHMOV R0,#0FBH MOV A,#07H MOV A,#07H MOVX R0,A MOVX R0,A MOV A,#06H MOV A,#06H MOVX R0,A MOVX R0,A 关于控制字要说明几点:关于控制字要说明几点:(1)设设置置方方式式控控制制字字时时,A口口、B口口作作为为整整体体设设置置,而而C口口要要分分成成上上、下下两两部部分分分分别别设
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