第8章-输入输出接口及常用接口芯片-微型计算机原理(第三版)(共10章)课件.ppt

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1、第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第1页 8.1 概述 8.3 输入输出的数据传送方式 8.5 可编程计数器定时器8253 8.2 输入输出端口 8.4 可编程并行通信接口8255A 8.6 可编程串行通信接口8251A 第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第2页8.1 接口电路概述8.1.1 接口基本概念p 输入设备：输入信息p 输出设备：送出结果输入设备 键盘、鼠标、扫描仪、磁带机、磁盘机、光盘机、解调器、A/D转换器输出设备 显示器、打印机、绘图仪、磁带机、磁盘机、光盘机、调制器、D/A转换器 各设备的组成结构、电气性能和工作原理各不相同第8

2、章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第3页 接口电路：计算机之间，计算机与外围设备之间，计算机内部部件之间起连接作用的逻辑电路。接口电路是CPU与外部设备进行信息交互的桥梁。输入、输出接口电路也称为 I/O 电路(INPUT/Output)，即通常所说的适配器、适配卡或接口卡。它是微型计算机与外部设备交换信息的桥梁。第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第4页(1)接口电路结构：一般由寄存器组、专用存储器和控制电路几部分组成，当前的控制指令、通信数据、以及外部设备的状态信息等分别存放在专用存储器或寄存器组中。(2)接口电路的连接：所有外部设备都通过各自的接

3、口电路连接到微型计算机的系统总线上去。(3)通信方式：分为并行通信和串行通信。并行通信是将数据各位同时传送；串行通信则使数据一位一位地顺序传送。第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第5页外部设备种类繁多，输入/输出的信号各不相同计算机只能处理数字信号，外设提供的是模拟信号或数字信号外设的数字信号可以是并行信号或串行信号，而计算机只能接收和发送并行信号外设的输入/输出速度有很大差别。计算机与外部设备之间传送的信息格式和电平高低也是多种多样J 外部设备需要接口电路与计算机相连，而为什么不能象存储器那样直接连接到数据总线、地址总线和控制总线呢？第8章 输入输出接口及常用接口芯片

4、 30 五月 2023 第6页解决的办法：加入转换及控制电路，实现信号的转换及传输速度的匹配外设接口电路必然是多样化的定义：把外部设备同计算机连接起来实现数据传送的转换和控制电路称为外设接口电路，简称外设接口。计算机如何和这些电气性能不同、速度不同以及所处理的信息格式不同的设备连接，以便能够正确地输入/输出信息，而不造成信息的混乱、丢失呢？第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第7页8.1.2 接口电路的功能 外部设备的多样性，导致接口电路多样性。接口的基本功能传输信号提供缓冲功能满足接口两边的时序要求外设接口电路应具有的功能1数据格式转换3数据缓冲功能5实现电平转换及驱动

5、7可编程序功能2提供联络信号4译码选址6具备时序控制8错误检测功能第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第8页1数据格式转换接口与系统总线之间，采用并行传送接口与外设之间，采用并行传送或串行传送 串行外设，接口具有串/并转换、并/串转换能力 并行外设，接口具有拼装和分解的能力 接口产生校验位及对数据进行校验的功能2提供联络信号 即状态信息：协调数据传送3数据缓冲功能 具有输入缓冲、输出锁存的功能第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第9页4译码选址 根据地址信号提供地址译码的功能 5实现电平转换及驱动 计算机与外设的电源可能不同 数据总线的驱动能力有限6

6、具备时序控制 对于工作同步，提供复位电路 对于信号同步，具有时钟发生器 7可编程序功能 编程决定接口的功能 8错误检测功能 检测数据传输错误和覆盖错误 第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第10页8.1.4 通信的概念 CPU与外部设备之间,计算机和计算机之间需要进行信息交换，所有这些信息交换均称为 1.并行通信是指数据的各位同时进行传送的方式，特点是传输速度快。例如，CPU将数据通过并口送给打印机等都属于并行通信。通信的基本方式分为并行通信和串行通信两种。当距离较远、位数又多时，则导致了通信线路复杂且成本高。第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第1

7、1页 2.串行通信是指数据的各位一位一位地进行传送,特点是通信线路简单，只需要一对传输线。节省传输线（优点）；数据传输率较低（缺点）主要适用于长距离、低速率的通信中。并行通信把一个字符各位用几条线同时进行传输。和串行通信相比，并行通信的信息实际传输速度快，信息传输率高。远距离成本高。第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第12页串行通信 有三种情况：即单工通信方式、半双工通信方式和全双工通信方式。单工和双工通信方式发送器 接收器 单工发送器/接收器 发送器/接收器半双工发送器/接收器 发送器/接收器 全双工第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第13页

8、同步方式和异步方式 异步通信：每个字符的前面要有一位起始位，起始位后面紧跟的是字符(数据字)，最后是停止位，两个字符间的传输间隔是任意的。标准的异步通信数据格式 MARK111111第n个字符第n个字符 第n+1个字符58位数据位0起始位校验位1位终止位1,1.5或2位先送低位第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第14页波特率的概念：单位时间内传送的二进制数据的位数，以位/秒（b/s）表示，也称为数据位率。它是衡量串行通信速率的重要指标。波特率因子的概念：通信时，发送端和接收端都要用时钟来测定每1位对应的时间长度，它们称做发送时钟和接收时钟，这两个时钟的频率相等，是信息位

9、传输的16倍、32倍或者64倍。称为波特率因子。波特率因子=n波特率一般n取1,16,32和64等。对于异步通信，常采用n=16第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第15页当n=16时，数据传输监测示意图如下：能完成上述功能的部件为通用异步收发器(UARTUniversal Asynchronous Receiver and Transmitter)。第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第16页 同步通信同步串行通信是以数据块（字符块）为信息单位传送，而每帧信息包括成多个字符，传送一旦开始，要求每帧信息内部的每一位都要同步。同步字符1同步字符2数据信

10、息图9-1-3 同步通信数据格式 有关串行通信的物理标准 字符格式：通信双方要约好字符的编码形式、奇偶校验形式以及起始位和停止位的规定。第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第17页波特率(Baud rate)：波特率或传输率就是指每秒传输信息的位数，衡量数据传送速率的指标要求发送端和接收端数据传送速率相同。例1：每个字符对应1个起始位，7个信息位，1个校验位，1个停止位，波特率为1200位/秒(波特)，则每秒传输的字符数为：1200/10=120个。每一位的传送时间Td就是波特率的倒数，如1200波特率，则：Td=1/1200=0.833ms第8章 输入输出接口及常用接口

11、芯片 30 五月 2023 第18页答：1）波特率是(7位数据位+1位起始位+1位校验位+1位停止位)240=2400b/s2）有效数据位传输位是：7240=1680b/s3）传输效率是：1680/2400=70%例2：异步传输7位ASCII码，如果需要数据传输速率为240字符/秒，用1位奇偶校验位和1位停止位，则：1）波特率应该是多少？2）有效数据位传输位是多少？3）传输效率是多少？常用的标准波特率为：110，300，600，1200，1800，2400，4800，9600，19200，。第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第19页3远程串行通信 采用模拟载波传输方式。

12、如在采用有形介质（如电话线）进行串行通信时，通信双方各接入一个专门设备调制解调器，将数字信号调制成模拟信号在电话线上传输，在接收端将模拟信号解调，还原成数字信号。电话线第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第20页8.1.3 接口信号与计算机交换的信息数据信息、状态信息和控制信息。1数据信息数字量、模拟量、开关量 2状态信息 外设发送给计算机，反映外设工作状态 有BUSY和READY3控制信息 计算机发送给外设，控制外设的工作 随着外设的具体工作原理不同而具有不同含义 第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第21页8.2 输入输出端口8.2.1 输入输出

13、端口的概念数据信息、状态信息和控制信息数据信息、状态信息和控制信息都是信息，存放在接口的不同寄存器（端口，Port）中，每个端口有端口地址。数据端口：存放数据信息。输入端口、输出端口状态端口：存放外设或接口部件本身的状态信息控制端口：存放CPU发往接口的控制信息，以控制接口和外部设备工作第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第22页输入设备 具备数据输入端口，状态端口，控制端口输出设备 具备数据输出端口，状态端口，控制端口输入输出设备 具备数据输入和输出端口，状态端口，控制端口典型的外设接口：I/O接口控制端口状态端口数据输出端口数据输入端口CPU外部输入设备或输出设备DB

14、控制信息状态信息数据信息CBABABCB第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第23页8.2.2 输入输出端口编址方式对外设的访问实质上是对端口的访问外设I/O端口的地址安排 I/O端口独立编址 I/O端口与存储器统一编址独立编址的I/O端口，用I/O指令操作I/O端口与存储器统一编址，用通用数据传送等指令操作第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第24页 存储器的地址空间为2n字节，地址范围为02n-1；若I/O寻址为16位，则I/O端口地址空间为216=65536字节，地址范围为065535 存储器访问和I/O端口访问不会发生冲突 存储器的读、写操作

15、由MEMR和MEMW信号控制1I/O端口独立编址方式（I/O指令寻址）端口的读、写操作由IOR和IOW信号控制，用IN指令和OUT指令操作 两个独立的地址空间，地址空间重叠第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第25页地址空间的分配接口与存储器空间相互独立第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第26页I/O 端口独立编址方式的优点端口地址码短，译码电路简单，指令执行速度快存储器与端口操作指令不同，程序清晰，便于理解存储器地址和端口地址独立，端口地址空间不占用存储器地址空间存储器和端口的控制结构相互独立，可分别设计，且利于系统扩展I/O端口独立编址方式的缺

16、点 需要专门的I/O指令，且只有IN和OUT两类指令只能对I/O端口进行输入和输出操作，不能进行其它运算处理所以程序设计的灵活性较差第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第27页2I/O端口与存储器统一编址(存储器映像编址)端口被看作存储器单元，分配给一个地址存储器和I/O端口共用一个地址空间，两者的地址是连续的，大小总共为2n字节CPU把I/O端口当作存储单元一样进行访问，不再需要专门的I/O指令对I/O端口操作，可使用所有的存储器指令第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第28页地址空间的分配接口与存储器空间合而为一第8章 输入输出接口及常用接口芯片

17、 30 五月 2023 第29页I/O端口与存储器统一编址的优点 所有指令都可用于I/O端口从而编程灵活，操作方便I/O端口与存储器统一编址的缺点 端口地址占用了存储器地址，使得存储器的地址空间相对减少受地址空间的限制，不利于系统扩展 由于地址位数长，指令码相对增长，使得指令执行速度较慢第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第30页8.2.3 输入输出端口的地址译码通过CPU给出的地址信号选定一个端口可附加控制信号参与地址译码按照译码电路采用的元器件的不同，分为门电路译码与专用译码器译码 据使用的地址信号多少，分为全译码方式和部分译码方式第8章 输入输出接口及常用接口芯片

18、30 五月 2023 第31页全 译 码：全部地址信号参与译码部分译码：部分地址信号参与译码部分译码方式 多个地址对应一个端口，因为未参与译码的地址线的信号可以为任意值 当系统中端口较多时，为避免地址的冲突，采用全部地址译码 当系统中端口较少，为减少译码电路的复杂性，可采用部分地址译码 第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第32页1门电路译码如图示：I/O端口独立编址时的译码电路，对A0A9地址信号进行译码，信号为1101001110B，即34EH。l当接口电路中需要端口较少时采用此方式此为部分地址译码（由于A10A15信号任意，则34EH、74EH、B4EH等都有效）第

19、8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第33页2译码器译码 A15A3的地址组合为0000001110000时选中74LS138l 当接口电路中需多个端口地址时，采用专用译码器译码。第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第34页8.3 输入输出的数据传送方式计算机与I/O接口间的数据传送即数据交换。数据传送的控制方式 程序直接控制传送方式、中断方式、DMA方式和I/O处理机方式8.3.1 程序直接控制传送方式定义：是指在程序控制下进行的数据传送，通常是在用户程序中安排一段由I/O指令和其它指令组成的程序段，直接控制I/O接口的输入/输出操作。又分为无条件传

20、送方式和程序查询传送方式第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第35页1无条件传送方式又称同步传送方式。传送时无需查询外设的状态，而直接使用I/O指令进行数据传送。外设的状态固定、事先已知其状态，不需进行查询判断，直接利用I/O指令进行数据的传送优点 硬件、软件开销小只需等待一段时间后进行输入/输出即可使用场合 用于对一些简单外设的操作，如读取开关状态、驱动七段数码管显示硬件 不需要状态端口和控制端口软件第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第36页无条件传送的接口电路：接发光二极管接开关地址300H地址301H则输入/输出程序段为：CONTR:MOV

21、DX,301H;输入端口地址送入DX IN AL,DX;读取开关状态 MOV DX,300H;输出端口地址送入DX OUT DX,AL;控制发光二极管亮灭第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第37页采用无条件传送的数据采集系统八选一模拟开关A/D转换器通道选择转换为数字读取第8章 输入输出接口及常用接口芯片 30 五月 2023 第38页2程序查询传送方式又称为条件传送，或异步传送 I/O操作前，不断读取并测试外设的状态。就绪，则交换信息，否则继续查询等待，直到就绪。接口电路中应具有数据端口和状态端口传送过程读取状态字测试状态字的相应位是否满足“就绪”条件，如果不满足，则回到前一步继续读取状态字如果状态字表明外设已经处于“就绪”状态，则传送数据 程序查询传送有查询输入和查询输出。