(10)微型計算機的io接口技術(shù)

1、第10章 微型計算機的I/O接口技術(shù),北京大學出版社,10.1 I/O接口的概念與功能,組成微機最核心的硬件是CPU和存儲器，最基本的語言是匯編語言。但是還必須配上各種外圍設(shè)備進行人機交互，才能使微機進行工作。把外圍設(shè)備同微機連接起來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的電路稱為I/O接口電路。,10.1.1 概述,圖10.1 I/O接口框圖,10.1.2 I/O接口電路的基本功能1. 對輸入/輸出數(shù)據(jù)進行緩沖、隔離和鎖存2. 對信號的形式和數(shù)

2、據(jù)格式進行交換與匹配3. 提供信息相互交換的應答聯(lián)絡(luò)信號4. 根據(jù)尋址信息選擇相應的外設(shè),10.1.3 I/O接口信號的分類數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)通常為8位或16位，可分為3種基本形式：數(shù)字量、開關(guān)量和模擬量。2. 狀態(tài)信息指I/O接口反映I/O設(shè)備工作狀態(tài)的信息，如表示輸入裝置是否已準備好的信息(READY信號)，表示輸出裝置是否忙的信息(BUSY信號)等。3. 控制信息指CPU向接口內(nèi)部控制寄存器發(fā)出的各種控制命

3、令，用于改變接口的工作方式及功能，如選通信號、啟停信號等。,10.1.4 I/O端口的概念與編址方式1. 端口地址的概念2. 兩種編址方式1) I/O設(shè)備獨立編址2) I/O設(shè)備與存儲器統(tǒng)一編址,10.2 數(shù)據(jù)傳送的控制方式,在計算機的操作過程中，最基本和使用最多的操作是數(shù)據(jù)傳送。在微機系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)主要在CPU、存儲器和I/O接口之間傳送。在數(shù)據(jù)傳送過程中，關(guān)鍵問題是數(shù)據(jù)傳送的控制方式，微機系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳送的控制方式主要有程序

4、控制傳送方式和DMA(直接存儲器存取)傳送方式。,10.2.1 程序控制傳送方式無條件傳送方式無條件傳送方式又稱為“同步傳送方式”。主要用于外設(shè)的定時是固定的且已知的場合，外設(shè)必須在微處理器限定的指令時間內(nèi)把數(shù)據(jù)準備就緒，并完成數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送。,圖10.2 無條件傳送方式,2. 查詢傳送方式查詢傳送方式又稱為“異步傳送方式”。 查詢傳送方式的優(yōu)點：(1)安全可靠；(2)用于接口的硬件較省。缺點：CPU必須循環(huán)等

5、待外設(shè)準備就序，導致效率不高。3. 中斷方式,圖10.3 查詢方式流程圖,10.2.2 DMA傳送方式DMA傳送的基本過程如下：一個DMA控制器通?？梢赃B接一個或幾個輸入/輸出接口，每個接口通過一組連線和DMA控制器相連。習慣上，將DMA控制器中和某個接口有聯(lián)系的部分稱為一個通道。這就是說，一個DMA控制器一般由幾個通道組成。,圖10.5 DMA控制器編程結(jié)構(gòu)和外部連線,外設(shè)提出DMA傳送請求由外設(shè)或外設(shè)控制電路

6、向DMA控制器發(fā)出DMA請求信號DREQ，表示請求進行一 次DMA傳送。2. DMA控制器響應請求DMA控制器接到請求后，經(jīng)控制電路向CPU提出保持請求信號HOLD，并等待CPU的回答。 3. CPU響CPU在每個時鐘上升沿都檢測有無HOLD請求，若有此請求，且自身正處在總線空閑周期中，CPU就立即響應保持請求。如果CPU正在執(zhí)行某個總線周期，那么要到這個總線周期結(jié)束后再響應此保持請求。,4. DMA控制器的動作

7、DMA控制器在收到HLDA回答后，即開始對直接存儲器存取的過程控制。它向外設(shè)送出DACK作為對DMA請求的響應，同時也作為外設(shè)的數(shù)據(jù)選通。還向系統(tǒng)總線送出控制信號和地址信號，以選擇合適的存儲單元。在一次DMA結(jié)束后，控制器撤除HOLD信號，CPU也消除HLDA，并重新開始對總線的使用。,10.3 8253定時器/計數(shù)器,10.3.1 8253的功能與引腳1. 8253的基本功能8253的基本功能是對外部輸入脈沖進行計數(shù)，若

8、外部輸入脈沖是連續(xù)而均勻的，則利用脈沖個數(shù)乘以脈沖周期可以計算出時間，從而實現(xiàn)了定時功能。,2. 8253的引腳1) 與CPU的接口引腳2) 與外設(shè)的接口引腳,圖10.6 8253引腳,3. 8253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1) 數(shù)據(jù)總線緩沖器該緩沖器為8位雙向三態(tài)，是CPU與8253內(nèi)部之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。2) 讀/寫邏輯電路接收CPU送來的讀寫、片選及地址信號，對8253內(nèi)部各部件進行控制。3) 控制字寄存器每個計數(shù)

9、通道有一個控制字寄存器，用來接收CPU寫入的控制字。4) 計數(shù)器0～28253包含3個相互獨立的、內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同的16位減法計數(shù)器。,圖10.7 8253內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,10.3.2 8253的工作方式1. 方式0 計數(shù)結(jié)束產(chǎn)生中斷(Interrupt on Terminal Count),圖10.8 方式0的工作波形圖,2. 方式1 可編程單穩(wěn)態(tài)(Hardware Retriggerable one-shot),圖1

10、0.9 方式1的工作波形圖,3. 方式2 分頻器(Rate Generator),圖10.10 方式2的工作波形圖,4. 方式3 方波發(fā)生器(Square Ware Mode),圖10.11 方式3的工作波形圖,5. 方式4 軟件觸發(fā)選通脈沖(Software Triggered Strobe),圖10.12 方式4的工作波形圖,6. 方式5 硬件觸發(fā)選通脈沖(Hardware Triggered Strobe),圖10

11、.13 方式5的工作波形圖,8253的6種工作方式之特點總結(jié)見表10-1。,10.3.3 8253的控制字與編程1. 工作方式控制字,,圖10.14 8253的工作方式控制字,2. 初始化編程8253使用前，必須首先對其進行初始化，初始化包括寫入控制字和計數(shù)初值。順序如下：,,關(guān)于計數(shù)初值，需要說明以下幾點：(1) 使用任一計數(shù)通道，首先要向該通道寫入方式控制字，以確定該通道的工作方式，寫入的控制字存入通道對應的控制寄存

12、器中。當控制字D0＝0時，即二進制計數(shù)，初值可在0000H～FFFFH之間選擇，初值為0表示最大值65536(216)；當控制字D0＝1時，裝入初值應為BCD碼格式，其值可在0000～9999之間選擇，初值為0表示最大值10000(104)，在寫入指令中還必須寫成十六進制數(shù)，例如計數(shù)初值為79，采用BCD計數(shù)，則指令中的79必須寫成79H。(2) 控制字D5D4位決定控制字的位數(shù)(8位或16位)，若為“01”，則只需寫入計數(shù)值的低8位

13、，高8位自動置0；若為“10”，則只需寫入計數(shù)值的高8位，低8位自動置0；若為“11”，則計數(shù)值為16位，分兩次寫入，必須先寫低8位，后寫高8位。(3) 計數(shù)初值要寫入各計數(shù)器對應的端口地址，計數(shù)器0對應A1A0＝00的端口地址，計數(shù)器1對應A1A0＝01的端口地址，計數(shù)器2對應A1A0＝10的端口地址。,【例10.2】 某系統(tǒng)中8253的端口地址為2F80H～2F83H，要求通道1工作在方式3，以BCD方式計數(shù)，計數(shù)初值為1000，

14、試寫出初始化程序。此例中，在寫入計數(shù)值時，可只寫高8位，也可寫16位，以寫16位為例，則控制字格式為：01110111B＝77HMOVAL，77HMOVDX，2F83HOUTDX，ALMOVDX，2F81HMOVAL，0OUTDX，ALMOVAL，10HOUTDX，AL,3. 8253在PC/XT中的應用PC/XT中，使用了一片8253，其地址范圍為40H～43H，3個CLK的輸入均為1.19MH

15、z，GATE0和GATE1接＋5V電源，GATE2由8255的PB0控制(參見10.4節(jié)中圖10.24)。3個計數(shù)通道的作用及BIOS中初始化程序分別為：(1) 計數(shù)器0：編程為方式3，每55ms向中斷控制器的IRQ0引腳發(fā)送一次中斷請求信號，用于CPU計時和磁盤驅(qū)動器的定時。初始化程序如下：MOVAL，00110110B；通道0方式控制字OUT43H，ALMOVAL，0OUT40H，AL；計數(shù)初值為65536

16、OUT40H，AL,(2) 計數(shù)器1：工作于方式2，OUT1輸出接至DMA請求觸發(fā)器的CP端，每隔15.12請求一次DMA操作，進行動態(tài)RAM的刷新。初始化程序如下：MOVAL，01010100BOUT43H，ALMOVAL，12HOUT41H，AL(3) 計數(shù)器2用于產(chǎn)生方波驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。BIOS中有一個發(fā)聲子程序BEEP，它對計數(shù)通道2的初始化代碼為：MOVAL，10110110BOUT43H，ALM

17、OVAX，0533HOUT42H，ALMOVAL，AHOUT42H，AL,10.4 并行接口芯片8255A,10.4.1 8255A概述Intel-8255A是一種通用的可編程并行I/O接口芯片，又稱“可編程外設(shè)接口芯片”(Programmable Peripheral Interface，PPI)，可通過軟件編程的方法分別設(shè)置它的3個8位I/O端口的工作方式，通用性強，使用靈活。通過8255A，CPU可以和大多

18、數(shù)并行傳輸?shù)耐庠O(shè)直接連接，是應用最廣的典型可編程并行接口芯片。,1. 8255A的主要特性8255A是通用的8位并行輸入/輸出接口芯片，使用靈活，功能強大，具有如下特點：(1) 8255A具有3個8位的數(shù)據(jù)口(A口、B口和C口)，其中C口還可當作兩個4位口來使用。三個數(shù)據(jù)口均可用來輸入或輸出。(2) 8255A具有3種工作方式：方式0、方式1和方式2?？蛇m應CPU與外設(shè)間的多種數(shù)據(jù)傳輸方式，如無條件傳送方式、查詢傳送方式、中斷方式

19、等。(3) 8255A的C口還具有按位置0與置1功能。,2. 8255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)8255A內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10.15所示，它由如下幾部分組成。1) 數(shù)據(jù)總線緩沖器2) 讀/寫控制邏輯3) A組和B組控制4) 數(shù)據(jù)端口A、B、C,圖10.15 8255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu),8255A有3個8位數(shù)據(jù)端口，分別具有如下特點：(1)  A口具有一個8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器和一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器。端口A無論用作輸入口

20、還是輸出口，其數(shù)據(jù)均能被鎖存。(2)  B口具有輸出鎖存器/緩沖器和輸入緩沖器。作為輸入口時，它不具備鎖存能力，因此外設(shè)輸入的數(shù)據(jù)必須維持到被微處理器讀取為止。(3)  C口具有輸出鎖存器/緩沖器和輸入緩沖器。C口除用作輸入和輸出口外，在方式1及方式2下，其部分引腳要作為A口及B口的聯(lián)絡(luò)信號用。,3. 8255A的外部引腳8255A芯片采用NMOS工藝制造，是一個40引腳雙列直插式(DI

21、P)封裝組件，其引腳排列如圖10.16所示。1) 與微處理器連接的信號線2) 8255A與外部設(shè)備連接的信號線,圖10.16 8255A引腳,10.4.2 8255A的控制字控制字用來設(shè)置8255A的工作方式，8255A有二個控制字，方式選擇控制字和C口按位置位/復位控制字。這二個控制字寫入同一端口地址(A1A0＝11)，為了進行區(qū)分，控制字的D7位作為標位，D7＝1表示是工作方式控制字；D7＝0表示是按位置位/復位控制字

22、。,1. 工作方式控制字8255A有3種工作方式：方式0基本輸入/輸出方式，方式1選通輸入/輸出方式(應答方式)和方式2雙向傳送方式。,,圖10.17 8255A工作方式控制字,2. C口按位置位/復位控制字按位置位/復位控制字的作用是使C口的某一引腳輸出特定的電平狀態(tài)(高電平或低電平)，控制字的格式如圖10.18所示。,,圖10.18 C口按位置位/復位控制字,10.4.3 8255A的工作方式8255A芯片有

23、3種工作方式：方式0、方式1和方式2，下面介紹這3種方式的特點。1. 方式0：基本輸入/輸出,,圖10.19 8255A工作方式0,8255A工作于方式0時，它具有以下功能：(1) 具有兩個8位端口，即A口、B口，兩個4位端口，即C口的高4位、低4位。每個端口都可設(shè)定為輸入或輸出，共有16種組合，由方式控制字確定，但每個端口不能同時既輸入又輸出。(2) 輸出具有鎖存能力，輸入只有緩沖能力，而無鎖存功能。,2. 方式1：帶選通的輸

24、入/輸出方式1的特點是：僅A口、B口可工作在這種方式下，A口或B口可以為輸入，也可以為輸出，但不能既輸入又輸出。不論輸入還是輸出，都要占用C口的某些引腳作為聯(lián)絡(luò)信號用，并且這種占用關(guān)系是固定的。C口未被占用的位仍可用于輸入或輸出(控制字的D3位決定)。方式1下的數(shù)據(jù)輸入/輸出均具有鎖存能力。,1) 方式1的輸入A口和B口都設(shè)置為方式1輸入時的情況，如圖10.20所示。,,圖10.20 8255A工作方式1輸入,2) 方式1的

25、輸出A口和B口都設(shè)置為方式1輸出時的情況如圖10.21所示。,,圖10.21 8255A工作方式1輸出,方式1輸出的信號交接過程說明如下：CPU通過執(zhí)行OUT指令，向8255A端口輸出數(shù)據(jù)，此時將產(chǎn)生有效信號。寫操作完成后，的上升沿使變低，表示輸出緩沖器已滿，通知外設(shè)取走數(shù)據(jù)，并且的上升沿使中斷請求INTR變低，即使之無效。外設(shè)取走數(shù)據(jù)后，用一個有效的信號回答8255A，的下降沿使變高(無效)。如果INTE＝1，則負脈沖的下降

26、沿再使INTR變高(有效)，產(chǎn)生中斷請求。CPU可在中斷服務(wù)程序中向8255A輸出下一個數(shù)據(jù)。,3. 方式2：帶選通的雙向輸入/輸出,,圖10.22 8255A工作方式2,10.4.4 8255A編程8255A工作時首先要初始化，即要寫入控制字來指定其工作方式。如果需要中斷，還要用C口按位置位/復位控制字將中斷標志INTE置1或置0。初始化完成后，就可對3個數(shù)據(jù)端口進行讀/寫。,【例10.6】 如圖10.23所示，設(shè)8255A

27、端口地址為2F80～2F83H，編程設(shè)置8255A，A組、B組均工作于方式0，A口輸出，B口輸出，C口高4位輸入，低4位輸出。然后，讀入開關(guān)S的狀態(tài)，若S打開，則使發(fā)光二極管熄滅；若S閉合，則使發(fā)光二極管點亮。MOVAL，88HMOVDX，2F83HOUTDX，ALMOVDX，2F82HINAL，DXMOVDX，2F81HANDAL，20HJZL1；條件成立時PC5＝0，S閉合MOVAL，0

28、OUTDX，ALJMPEND1L1：MOVAL，40HOUTDX，ALEND1：HLT,圖10.23 例10.3圖,10.5 DMA控制器8237A,10.5.1 概述DMA控制器一方面可以控制系統(tǒng)總線，這時稱它為總線主模塊，另一方面又可以和其他接口一樣，接受CPU對它的讀/寫操作，這時DMA控制器就成了總線從模塊。作為總線主模塊時，DMA控制器必須完成以下功能：(1) 能夠響應外設(shè)的DMA請求，使

29、CPU暫停工作，接管總線控制權(quán)。(2) 能夠按節(jié)拍提供外設(shè)和存儲器工作的各種控制信號。(3) 提供存儲器地址。,8237A的主要技術(shù)特性：(1) 有4個完全獨立的DMA通道，可以分別編程控制4個不同的DMA操作對象。每個通道都允許開放或禁止DMA請求，都可以獨立控制自動預置方式。(2) 具有三種基本的傳送方式：單字節(jié)傳送、數(shù)據(jù)塊傳送和請求傳送。(3) 具有存儲器到存儲器的傳送功能。(4) 可以用級聯(lián)的方法無限擴展DMA通道數(shù)

30、。(5) 具有正常時序和壓縮時序兩種基本時序。(6) 有兩種優(yōu)先級管理方式：固定優(yōu)先級和循環(huán)優(yōu)先級。(7) 有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，允許DMA傳輸速度高達1.6MB/s。,10.5.2 8237A引腳1. 8237A的引腳特點8237A采用40引腳雙列直插封裝(見圖10.27)。8237A的引腳主要圍繞其二種工作狀態(tài)而設(shè)置，有一些引腳在兩種狀態(tài)下都有用，而有些則是專用的。2. 與DMA周期有關(guān)的引腳3. 與CPU讀、寫

31、有關(guān)的引腳,,圖10.27 8237A引腳,10.5.3 8237A內(nèi)部結(jié)構(gòu)與寄存器1. 概述8237A內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖10.28所示，圖中標明了有關(guān)寄存器和邏輯。8237A寄存器數(shù)量眾多，理解這些寄存器的作用是正確使用8237A的關(guān)鍵。表10-4列出了8237A寄存器的名稱、特性和地址，這個地址是由前述A3～A0在空閑周期中由CPU提供的，沒有考慮I/O端口地址的高位編碼。后面提到的各寄存器地址都指的是芯片內(nèi)部地址。,圖1

32、0.28 8237A的內(nèi)部編程結(jié)構(gòu)和外部連接,2. 地址和字數(shù)寄存器,表10-4 8237A內(nèi)部寄存器、命令與地址關(guān)系表,3. 工作方式寄存器,圖10.29 工作方式寄存器,D7D6：DMA操作方式設(shè)定。共有4種方式，如下所述：(1)單字節(jié)方式 (2) 成組傳送方式 (3) 請求方式(4) 級聯(lián)方式 D5：控制地址變化方向。 D3D2：數(shù)據(jù)傳送方向。 D1D0：通道選擇。,圖10.30 8237A的級聯(lián)使用,4.

33、控制寄存器,圖10.31 控制寄存器,5. DMA請求寄存器,圖10.32 DMA請求寄存器,6. 屏蔽寄存器,圖10.33 屏蔽寄存器,圖10.34 綜合屏蔽命令字,7. 狀態(tài)寄存器,圖10.35 狀態(tài)寄存器,8. 暫存寄存器在存儲器到存儲器的傳送方式時，暫存寄存器保存從源單元讀出的數(shù)據(jù)，再由它寫入目的單元。完成傳送時，其中保留傳送的最后一個字節(jié)，該字節(jié)可由CPU讀出，RESET之后使之復位。,10.5.4 8237

34、A的軟件命令1. 主清除命令2. 清除先/后觸發(fā)器命令3. 清屏蔽寄存器命令,10.5.5 8237A的工作時序1. 正常DMA讀/寫操作,圖10.36 8237A時序圖,2. 擴展寫與壓縮時序所謂擴展寫是當8237A輸出寫信號(或)時，使其有效的時間提前。正常情況下在S3才送出的有效寫控制信號，提前到S2就變得有效。這可以使得寫入的設(shè)備有更多的寫入時間。當命令寄存器的D5＝1時，就選擇了擴展寫方法。,10.5.6

35、8237A的初始化及其在PC機中的應用1. 8237A的初始化在進行DMA操作之前，必須對8237A進行初始化編程。初始化編程有以下內(nèi)容：(1) 輸出復位命令，使8237A處于復位狀態(tài)，以接收新的命令；(2) 寫命令寄存器，設(shè)置8237A的工作方式；(3) 寫工作方式寄存器，設(shè)置需使用的通道的工作方式和傳送類型；,(4) 根據(jù)所選通道，把內(nèi)存儲器的起始地址寫入相應通道當前地址寄存器和基地址寄存器(先寫低位，后寫高位)；(

36、5) 把傳送的字節(jié)數(shù)－1，寫入當前字節(jié)計數(shù)器和基字節(jié)數(shù)寄存器；(6) 清除該通道屏蔽寄存器的屏蔽位；(7) 寫入請求寄存器，便可由軟件啟動DMA傳送。否則，經(jīng)過以上6步編程后，由通道DREQ啟動DMA傳送的過程。,2. 8237A在PC機中的應用個人計算機的系統(tǒng)板上用了一片8237A DMA控制器，它的4個通道中，通道0用作動態(tài)存儲器的刷新控制，通道1為用戶預留，用戶可以通過系統(tǒng)與之連接，通道2作為軟磁盤驅(qū)動器數(shù)據(jù)傳輸控制用，

37、通道3留給硬盤驅(qū)動器用。PC/XT機中8237A的端口地址為0000H～000FH。為了能訪問20位地址，系統(tǒng)提供了DMA頁面寄存器，頁面寄存器采用寄存器堆電路74LS670，存入4個DMA通道的高4位地址A19～A16，當為低電平時，頁面寄存器的輸出允許端READ有效，送出工作通道的高4位地址。它們與8237A輸出的16位地址一起，組成20位地址信息。通道0、通道1、通道2、通道3對應的頁面寄存器的I/O端口地址分別為87H、8