输入和输出接口技术.ppt
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1、7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,1,第5章 输入与输出接口技术,本章主要内容: 1、接口技术的基本概念 2、输入输出传送方式 3、I/O端口读写技术 4、可编程定时器/计数器8253 5、可编程并行输入输出接口芯片8255A,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,2,微机硬件系统组成,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,3,接 口 的 概 念,接口:是中央处理器与存储器、外部设备,或者两种外设之间,或者两种机器之间通过系统总线进行连接的一组控制电路。
2、 一个接口一般含有几个端口,CPU通过输入输出指令向端口存或取信息。 端口主要有三类:状态口、命令口和数据口,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,4,I/O 装置,CPU,接口电路,I/O端口1,I/O端口2,I/O端口3,端口地址,数据,IORQ,RD,WR,数据,状态,控制,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,5,接 口 的 功 能,1) 设备的选择功能:端口的地址译码 2) 数据的寄存与缓冲:外设的速度慢 3) 信号转换:串并、并串转换,数模、模数的转换、光电隔离等 4) 对外设的控制和监测:
3、提供命令译码和状态信息 5) 中断或DMA管理 6) 可编程功能,接口的基本功能就是对数据传送实现控制,具体包括以下六种功能:,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,6,CPU与I/O设备之间的接口信息,1数据信息: 1) 数字量:以二进制或ASCII码表示的数或字符; 2) 模拟量:如温度、压力、位移等; 3) 开关量:只有两个状态的量,如开关的和与断,阀门的开与关等,只要用1位二进制数即可表示。 2状态信息:指输入或输出设备的状态信息 1) 输入装置的信息:是否准备好Ready; 2) 输出时输出装置:是否空Empty; 3) 若输出装置正在输
4、出信息,则以忙Busy指示; 3控制信息:如控制输入输出装置启动或停止等信息。,CPU与I/O设备之间要传送的信息包括数据信息、状态信息和控制信息。,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,7,端口的编址方式,标准的I/O寻址方式(独立编址): (1) I/O设备的地址空间和存储器地址空间是独立的、分开的,即I/O接口地址不占用存储器的地址空间。 (2) 微处理器对I/O设备的管理是用专门的IN和OUT指令来实现数据传送的。 (3) CPU对I/O设备的读写控制是用I/O读写控制信号(IOR、IOW),通常有两种I/O接口结构:一种是标准的I/O接口
5、,一种是存储器映像I/O结构。与之对应的有两种I/O结构寻址方式。,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,8,特点: 端口与存储器分别独立编址 端口不占用内存空间 设有专门的 I/O指令对端口进行读写, 对内存操作的指令不能用于I/O端口,端口与存储器分别独立编址(I/O映射方式),例 MOV 10H , AL ;对内存操作 IN 10H, AL ;对端口操作,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,9,端口的编址方式,存储器映像I/O寻址方式(统一编址): (1) I/O设备的与存储器共用同一个地址空间
6、。 (2) 微处理器用对存储器进行操作的指令来实现对I/O设备的管理。 (3) CPU用对存储器的读写控制信号MEMR、MEMW对I/O设备进行读写控制。,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,10,端口与存储器统一编址(存储器映射方式),特点: I/O端口相当于内存的一部分, 使内存容量减小 对I/O端口的读/写与对存储器的读/写相同, 所有可对内存操作的指令对I/O端口均可使用, 指令系统中不专设I/O指令。,例: motorola的M6800系列 日立H8S单片机系列,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学
7、院 王芳,11,输入输出传输方式,(1)无条件传送方式 (2)查询传送方式 以上两种方式合称程序控制传送方式,即在程序的编制中利用I/O指令来执行输入输出,CPU处于主动地位。 (3)中断传送方式 (4)直接存储器存取(DMA)方式,CPU与外部设备交换信息通常有如下几种方式:,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,12,无条件传输方式,最简单的传送方式,适于外设总是处于准备好的情况,如发光二极管、开关设备等,较少使用。 1无条件传送的输入方式 由于简单外设用为输入设备时,输入数据的保持时间相对于CPU的处理时间要长得多,所以可直接使用三态缓冲器和
8、总线相连。输入时认为来自外设的数据已出现在三态缓冲器的输入端。 2无条件传送的输出方式 在输出时,CPU的输出数据经数据总线加至输出锁存器的输入端。,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,13,说明:AEN为低电平,为CPU控制总线。,三态 缓冲器,地址译码器,数据,来自外设,无条件传送的输入方式,数据总线,地址总线,AEN IOR,A0A9,Y,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,14,无条件传送的输出方式,锁存器,地址译码器,数据,到外设,数据总线,地址总线,AEN IOW,A0A9,C,Y,7/
9、29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,15,查询传输方式,查询传送方式就是在输入和传送前先查询外设的状态,当外设准备好了才传送;若未准备好,则CPU等待。 1查询式输入 CPU先从状态口输入外设的状态信息,检查外设是否已准备好数据。若未准备好,则CPU进入循环等待,直到准备好才退出循环,输入数据。 2查询式输出 查询式输出时,CPU必须先查外设的BUSY状态,看外设的数据缓冲区是否已空。若缓冲区为空,即BUSY为假,则CPU执行输出指令;否则若BUSY为真,CPU就等待。,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王
10、芳,16,查询式输入的接口电路,锁存器,数据口 地址译码,数据,系统 地址总线,IOR AEN,A0A9,状态口 地址译码,去系统 数据总线,三态 缓冲器,缓冲器,输入 装置,数据,AEN IOR,+5,R,D,Q,选通信号,Ready,状态 信息,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,17,查询式输入,MOV DX, STATUS-PORT POLL: IN AL, DX TEST AL, 80H JE POLL ; 未准备好等待 MOV DX, DATA-PORT IN AL, DX,数据口:,状态口:,Ready,7/29/2019 3:07
11、 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,18,查询式输出的接口电路,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,19,查询式输出,MOV DX, STATUS-PORT POLL: IN AL, DX TEST AL, 80H JNE POLL ; 未准备好等待 MOV DX, DATA-PORT MOV AL, BUFFER OUT DX, AL,数据口:,状态口:,Busy,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,20,中断传输方式,在查询传送方式中,CPU要不断地询问慢速的外设,当外设没有
12、准备好,CPU就要等待,不能做其它的操作,这样就浪费了CPU的时间。 为了提高CPU的工作效率,提出了中断的概念。采用中断的传送方式,可允许CPU和多个外设同时工作,此时外设处于主动地位。 在一定的条件下,外设向CPU提出中断请求,CPU响应中断请求后,暂停原程序的执行,转至为中断服务,中断处理结束后继续原程序的执行。,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,21,锁存器,地址译码,数据,AB,IOR AEN,A0A9,去系统 数据总线,三态 缓冲器,三态 缓冲器,输入 装置,数据,+5,R,D,Q,选通,中断矢量,去数据总线,装置中断允许,中断请求
13、 INTR,中断响应 INTA,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,22,直接存储器存取方式(DMA),中断传送方式相对于查询传送方式来说,大大提高了CPU的利用率,但中断传送方式仍然是由CPU通过指令来传送的。每次中断,都要进行保护断点、保护现场,传送数据、存取数据以及最后恢复现场、返回主程序等操作,需要执行多条指令。 DMA方式是在存储器与I/O设备间在DMA控制器的控制下,直接进行数据交换而不通过CPU。这样数据传送上限将主要取决于存储器的存取速度。,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,23,
14、数据 状态/控制 端口 端口,DMA控制器,CPU,存 储 器,数据 缓冲 寄存器,DMA 请求 触发器,输入设备,地址寄存器,计 数 器,控制/状态寄存器,HOLD,HLDA,Ready,DMA请求,DMA响应,总 线,DMA控制器原理框图,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,24,I/O接口的端口地址译码,全译码方式:即译码电路的一个输出引脚对应唯一的地址。 部分译码方式:在译码电路里只使用了部分地址线,译码电路的每个输出引脚对应着一个地址区域。,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,25,利用门
15、电路进行地址译码,经过译码后的端口号地址为:34EH,A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 AEN 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,26,利用门电路进行地址译码,经过译码后的端口号地址为:25BH,A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 AEN 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,27,采用译码器进行地址译码,74LS138译码器有3个输入端(A, B, C),3个控
16、制端(G1, G2A, G2B),8个输出端(Y0Y7)。 只有当G1端为高电平,G2A、G2B都为低电平时,译码器才对来自输入端的C、B、A的某一组合进行译码。,译码电路常用的典型译码器为74LS138(三八译码器),7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,28,74LS138(三八译码器)逻辑功能表,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,29,A9 A8 A6 A7 A5 A4 A3,340H 341H 342H 343H 344H 345H 346H 347H,A0 A1 A2,AEN,A9 A8
17、A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 AEN 1 1 0 1 0 0 0 0,采用译码器进行地址译码,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,30,A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 AEN 1 1 0 1 0 0,假如A, B, C三端的电平为0, 0, 0时,则Y0端输出的地址为一个地址区域(340H343H)。8253接口芯片共有4个端口地址。,采用译码器进行地址译码,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,31,I/O端口的地址分配和地址译码,I/O接口电路必须有自
18、己的地址,以便让CPU能随时访问。80X86微处理器由低16位地址线寻址I/O端口,故可寻址64K个I/O端口地址。但实际上8086/8088 PC机只用了最前面的1K个端口地址,即03FFH,因此只使用了地址总线的低10位,即只有地址线A0A9用于I/O地址译码。 对于端口地址通常采用两级译码方法,通常高位地址产生译码的片选信号;低位产生接口芯片内的寄存器地址。 高位地址:接芯片的CS端(CHIP SELECT片选信号) 低位地址:如A0,A1地址线直接接芯片的对应端。 地址译码可用一般的组合逻辑电路,也可以用门电路或译码器芯片实现。,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京
19、理工大学机械工程学院 王芳,32,可编程定时器/计数器芯片8253,要实现定时或延时控制,有三种主要方法: 1) 软件:循环语句 优点:容易实现,不需硬件开销; 缺点:占用CPU,降低了CPU的利用率 2) 不可编程的硬件定时:如集成电路555 优点:电路简单,修改电路参数可使定时范围变化 缺点:硬件连接好后,定时值将不能改变,不可编程。 3) 可编程的硬件定时:芯片8253(Intel 公司)。 可编程定时/计数器是为方便微型计算机系统的设计和应用而研制的,很容易和系统总线连接。它的定时值和范围可以很容易地由软件来确定和改变,能够满足各种不同的定时和计数要求,因而在微型计算机系统的设计和应用
20、中得到了广泛的应用。,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,33,8253的结构及引脚,8253有24条引脚,双列直插式封装: 1、与数据总线相连: D0 D7 2、与CPU的控制线相连: RD、WR、A0、A1、CS 3、3个计数器通道: CLK,GATE,OUT(共9个) 4、电源和地线: Vcc、GND,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,34,8253的内部结构,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,35,8253的内部结构,数据总线缓冲器 CPU
21、向8253所写的控制字通过它和8253内部的数据总线传送给控制字寄存器寄存; CPU向各计数器所写的计数初值经它和内部总线送到指定的计数器中; CPU读某计数器的现行计数值时,该值经内部总线和缓冲器传送到系统的数据总线上,被CPU读取 读/写控制逻辑 读写逻辑接收系统总线的5个输入信号,根据这5个信号产生整个器件操作的控制信号。见P186表5-4 控制字寄存器(CW) 控制寄存器寄存数据缓冲器送来的控制字,控制每个计数器的工作方式,选择计数器按什么进制计数,并确定初值的写入顺序。控制字寄存器只能写入,不能读出。,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳
22、,36,8253的内部结构,计数器0、计数器1、计数器2 计数器0、1、2是3个独立的计数器,它们的内部结构相同。 每个计数通道都必须由CPU写入控制字和计数初始值后才能开始工作。,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,37,8253的内部结构,计数器的逻辑框图如下:,写入计数器的初值保存在计数初值寄存器中,由CLK脉冲的一个上升沿和一个下降沿将其装入减1计数器。 输出寄存器的值跟随减1计数器的变化。 每个计数器都是对输入的CLK脉冲按二进制或十进制的预置值开始递减计数。,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院
23、 王芳,38,8253的控制字定义,8253有6种工作方式: 方式0:计数结束产生中断 方式1:单稳态触发器 方式2:频率发生器 方式3:方波发生器 方式4:软件触发选通 方式5:硬件触发选通,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,39,8253的控制字定义,每个计数通道都必须由CPU写入控制字和计数初始值后才能开始工作。,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,40,8253的接口方法,一个8253占用4个端口地址,由A0A1的取值来区分,00、01、10分别寻址0号、1号、2号3个计数器,11寻址控制
24、字寄存器,4个端口的具体地址是由CS和A1A0共同决定。 在80X86系列计算机中,定时/计数器的端口地址为40H(计数器0), 41H(计数器1), 42H(计数器2), 43H(控制字寄存器)。 例:见P190图5-38,7/29/2019 3:07 AM,版权保留(C) 南京理工大学机械工程学院 王芳,41,1)当控制字CW写入到控制字寄存器后,则OUT端变低(只有方式0独有)。 2)8253在CPU写入计数初值后,开始计数。 3)门控信号GATE为高电平开始计数,低电平则暂停计数; 4)计数结束,OUT输出端变为高电平,计数器只计一遍; 5)在计数过程中可改变计数值,则计数器以新值开始
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