微型计算机系统与接口6

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1、6.1 输入输入/输出接口概述输出接口概述6.2 中断系统中断系统内容简介习题解答重点/难点Home6.3 并行接口并行接口6.4 串行接口串行接口6.5 DMA控制技术控制技术6.6 定时器定时器/计数器计数器6.7 A/D及及D/A接口接口 本章主要介绍微机系统中的输入输出接口技术，通本章主要介绍微机系统中的输入输出接口技术，通过学习，掌握接口的概念和功能，微处理器与过学习，掌握接口的概念和功能，微处理器与I/O设备之设备之间数据传输的间数据传输的3种控制方式，特别是要深刻理解中断和种控制方式，特别是要深刻理解中断和DMA的基本概念，熟练掌握编程和使用中断控制器与的基本概念，熟练掌握编程和

2、使用中断控制器与DMA控制的有关技术，掌握它们与控制的有关技术，掌握它们与CPU和外设连接的设和外设连接的设计方法。在理解计方法。在理解I/O接口原理的基础上，进一步学习并行接口原理的基础上，进一步学习并行接口、串行接口、定时器和模数、数模接口，了解它们接口、串行接口、定时器和模数、数模接口，了解它们的结构特点，理解其编程方法以及如何将接口和微处理的结构特点，理解其编程方法以及如何将接口和微处理器和外设进行连接，从而掌握系统扩充器和外设进行连接，从而掌握系统扩充I/O通道的基本方通道的基本方法和规律。法和规律。内容简介Homeu I/O接口的概念、功能和一般结构接口的概念、功能和一般结构 u

3、微处理器与微处理器与I/O设备之间数据传输的控制方式设备之间数据传输的控制方式 u 中断的基本概念，包括中断分类、中断向量、中断中断的基本概念，包括中断分类、中断向量、中断处理过程、中断优先级及中断嵌套的概念和实现方案。处理过程、中断优先级及中断嵌套的概念和实现方案。掌握掌握8259A的使用方法。的使用方法。u DMA的基本概念，包括的基本概念，包括DMA的传送条件、传送过程、的传送条件、传送过程、DMA系统总线缓冲器的控制和驱动。系统总线缓冲器的控制和驱动。DMA控制器控制器8237的编程以及和的编程以及和CPU的连接。的连接。u 并行接口、串行接口、定时器和模数、数模接口的并行接口、串行接

4、口、定时器和模数、数模接口的结构、原理和编程连接方法。结构、原理和编程连接方法。重点与难点Home11.输入输入/输出接口电路输出接口电路HomeNext数据线数据线控制线控制线状态线状态线DBCBAB数据输入寄存器数据输入寄存器（or 三态门）三态门）数据输出寄存器数据输出寄存器（锁存器）（锁存器）状态寄存器状态寄存器（or 三态门）三态门）命令寄存器命令寄存器译码译码电路电路控制控制逻辑逻辑接接外外设设接接主主机机输入输入/输出接口输出接口一、程序控制的输入输出一、程序控制的输入输出 2BackNext1.无条件传送方式无条件传送方式 u 适用范围适用范围 外设总是处于“准备好”状态 u

5、实现方法实现方法 适当位置直接安排IN/OUT指令 u 优点：优点：软件及接口硬件简单u 缺点：缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄Home3BackNext2.查询传送方式查询传送方式 u 适用范围适用范围 外设并不总是准备好，而且对传送速率、传送效率要求不高的场合u 实现方法实现方法 CPU在与外设交换数据前必须询问外设状态“你准备好没有？”u 优点：优点：软件比较简单u 缺点：缺点：CPU效率低，数据传送的实时性差，速度较慢Home4BackNext查询传送方式查询传送方式 的流程图的流程图超时超时?READY?READY?与外设进与外设进行数据交换行数据交换超时错超时错读入并测试外设状

6、态读入并测试外设状态YNYN传送完？传送完？防止死循环防止死循环复位计时器复位计时器NYHome5BackNextu 适用范围适用范围 外设有主动申请CPU服务的权利 u 实现方法实现方法 CPU在没有外设请求时可以去做更重要的事情，有请求时才去传输数据u 优点：优点：CPU效率高，实时性好，速度快u 缺点：缺点：程序编制较为复杂二、中断传送方式二、中断传送方式Home6BackNextu 适用范围适用范围 外设直接与存储器进行数据交换，CPU不再担当数据传输的中介者u 实现方法实现方法 总线由DMA控制器（DMAC）进行控制（CPU要放弃总线控制权），内存/外设的地址和读写控制信号均由DMA

7、C提供u 优点：优点：很高的传输速率（可达几MB/秒）u 缺点：缺点：CPU必须让出这些总线的控制权 三、三、DMADMA工作方式工作方式Home7BackNextu 适用范围适用范围 CPU进一步摆脱I/O数据传送的负担 u 实现方法实现方法 采用专门的I/O协处理器，它不仅能控制数据的传送，而且，还可以执行算术逻辑运算、转移、搜索和转换等 u 优点：优点：所有的I/O操作都是以块为单位来进行的 四、四、I/OI/O处理机方式处理机方式 Home8BackNextHome9BackNext一、统一编址方式一、统一编址方式 u 编址方法编址方法 把外设接口与内存统一进行编址。各占据统一地址空间

8、的不同部分。u 优点优点 指令统一，灵活；访问控制信号统一，使用同一组的地址/控制信号。u 缺点缺点 内存可用地址空间减小0地址空间(共1MB)内存地址(960KB)I/O地址(64KB)FFFFFHEFFFFHF0000HHome9BackNext二、独立编址方式二、独立编址方式 u 编址方法编址方法 外设地址空间和内存地址空间相互独立。u 优点优点 内存地址空间不受I/O编址的影响u 缺点缺点 I/O指令功能较弱，使用不同的读写控制信号00000H内存地址空间内存空间(1MB)FFFFFHI/O空间(64KB)FFFFHI/O地址空间0000HHome通过本通过本节节的学习：的学习：掌握输

9、入掌握输入/输出接口电路的基本概念，了解接输出接口电路的基本概念，了解接口的用途。口的用途。掌握输入掌握输入/输出端口的编址方式和特点。输出端口的编址方式和特点。熟悉熟悉CPUCPU与外设之间传输数据的几种控制方式与外设之间传输数据的几种控制方式的优缺点、适用场合。的优缺点、适用场合。HomeBack11.中断的基本概念中断的基本概念（1）中断中断（2）中断源）中断源能引起中断的外部设备或内部原因能引起中断的外部设备或内部原因HomeNext常见的中断源：常见的中断源：l 一般的输入一般的输入/输出设备输出设备l 实时时钟实时时钟l 故障源故障源l 软件中断软件中断2.8086/8088的中断

10、类型的中断类型2BackNextHome3BackNext软件查询方式软件查询方式Home4BackNext硬件优先权排队电路硬件优先权排队电路INTAinCPUINTAINTR外设外设1 1外设外设2 2外设接口外设接口1 1菊花链菊花链逻辑电路逻辑电路外设接口外设接口2 2外设外设3 3外设接口外设接口3 31 1菊花链菊花链逻辑电路逻辑电路菊花链菊花链逻辑电路逻辑电路IREQIREQIREQ中断确认中断确认INTAinINTAin中断确认中断确认中断确认中断确认Home5BackNext 8086CPU 8086CPU可管理可管理256256种中断。每种中断都指定一种中断。每种中断都指定

11、一个中断矢量号，每一种中断矢量号都与一个中断服个中断矢量号，每一种中断矢量号都与一个中断服务程序相对应。务程序相对应。u 中断向量中断向量 把各个中断服务子程序的入口都称为一个中断向量把各个中断服务子程序的入口都称为一个中断向量。u 中断向量表中断向量表 将这些中断向量按一定的规律排列成一个表，就是所谓将这些中断向量按一定的规律排列成一个表，就是所谓的中断向量表的中断向量表。Home6BackNextHome7BackNextHome8BackNext中断处理子程序的结构模式中断处理子程序的结构模式:保护CPU各寄存器的值 用指令设置中断允许标志IF来开放中断 中断处理子程序的主要部分 恢复各

12、寄存器在进入中断处理时的值 使堆栈中保存的断点值和标志值分别装入IP、CS和标志寄存器 Home通过本通过本节节的学习：的学习：掌握有关中断的基本概念：中断、中断源等。掌握有关中断的基本概念：中断、中断源等。掌握掌握80868086中断系统中的中断源分类，熟悉各中断系统中的中断源分类，熟悉各种中断的特点。种中断的特点。掌握中断向量的概念。掌握中断向量的概念。熟悉中断的处理过程。熟悉中断的处理过程。HomeBack11.并行通信与并行接口并行通信与并行接口 u 并行通信，并行通信，是把一个字符的各位同时用几根线进行传输。传输速度快，信息率高，需要的电缆多。随着传输距离的增加，电缆的开销会成为突出

13、的问题，所以并行通信用在传输速率要求较高，而传输距离较短的场合。u 并行接口，并行接口，是指采用并行传输方式来传输数据的接口标准。可以做输入或输出使用。HomeNext典型的并行接口和外设连接典型的并行接口和外设连接 2BackNext 控制寄存器输入缓冲寄存器 输出缓冲寄存器状态寄存器数据输入准备好 数据输入回答 数据输入数据输出 数据输出准备好数据输出回答数据总线读出信号写入信号复位准备好中断请求地址译码CPU地址片选AA01并行接口输入设备输出设备Home3BackNext8255A芯片内部结构及其功能芯片内部结构及其功能 Home4BackNext82558255与系统的连接示意图与系

14、统的连接示意图D0D7WRRDA1A0CSDBIOWIORA1A0译码器译码器8255A口口B口口C口口D0D7外外 设设A15A2系系统统总总线线Home5BackNext8255A芯片的控制字芯片的控制字 11：端口C(PC -PC )输入 1：端口B输入0：端口C(PC -PC )输出 0：端口B输出1：端口B方式10：端口B方式01X：端口A方式21：端口C（PC -PC ）输入1：端口A输入0：端口C（PC -PC ）输出0：端口A输出00：端口A方式001：端口A方式1D6D5D4D3D2D1D03 03 07 47 4方式控制字标识位Home6BackNext工作方式工作方式0简

15、单输入/输出查询方式；A，B，C三个端口均可。Home三态缓冲器三态缓冲器地址译码器地址译码器&数据数据来自外设来自外设8 88 8IO/IO/MRDRD数据总线数据总线地址总线地址总线7BackNext Home锁存器锁存器到外设到外设8 88 8IO/IO/MWRWR地址译码器地址译码器数据总线数据总线地址总线地址总线&CECE8BackNext工作方式工作方式1选通输入/输出中断方式；A，B，两个端口均可。Home11 0B口方式口方式1输出控制字输出控制字PB7PB7PB0PB0PC2PC2PC1PC1PC0PC0INTEBINTEBPC2PC2与门与门WRWRD7D7D0D0OBFB

16、OBFBACKBACKBINTRBINTRB1 0 1 0A口方式口方式1输出控制字输出控制字PA7PA7PA0PA0PC6PC6PC7PC7PC3PC3INTEAINTEAPC6PC6与门与门OBFAOBFAACKAACKAINTRAINTRAWRWRD7D7D0D09BackNext Home1 0 1 1A A口方式口方式1 1输入控制字输入控制字PA7PA7PA0PA0PC4PC4PC5PC5PC3PC3INTEAINTEAPC4PC4与门与门IBFAIBFASTBASTBAINTRAINTRARDRDD7D7D0D0A口方式口方式1输入时输入时相应的联络信号相应的联络信号11 1B

17、B口方式口方式1 1输入控制字输入控制字B口方式口方式1输入时输入时相应的联络信号相应的联络信号PB7PB7PB0PB0PC2PC2PC1PC1PC0PC0INTEBINTEBPC2PC2与门与门RDRDD7D7D0D0IBFBIBFBSTBBSTBBINTRBINTRB8BackNext工作方式工作方式2双向输入/输出中断方式。只有A端口才有。HomePA7PA7PA0PA0PC6PC6PC7PC7ACKAACKAOBFAOBFAD7D7D0D0RDRDWRWRPC4PC4PC5PC5STBASTBAIBFAIBFAINTEA1INTEA1PC4PC4INTEA2INTEA2PC6PC6与与

18、门门PC3PC3INTRAINTRA或门或门与与门门通过本通过本节节的学习：的学习：掌握并行接口的概念、并行接口的特点和功掌握并行接口的概念、并行接口的特点和功能。能。了解并行接口芯片了解并行接口芯片8255A8255A的结构、并行接口的的结构、并行接口的工作方式，能利用并行接口芯片编程。工作方式，能利用并行接口芯片编程。HomeBack11.串行通信与串行接口串行通信与串行接口 u 串行通信，串行通信，串行通信指的是数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。u 串行接口，串行接口，是指采用串行传输方式来传输数据的接口标准。HomeNext2串行通信线路有如下三种方式串行通信线

19、路有如下三种方式 单工通信单工通信 半双工通信半双工通信 全双工通信全双工通信 发送器发送器接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器A站站B站站BackNextHome1.异步通信方式异步通信方式 3BackNext 123456785-8位数据空闲位1起始位停止位Home2.同步通信方式同步通信方式 4BackNext 面向比特面向比特(bit)(bit)型规程型规程面向字符型规程面向字符型规程Home5BackNext8251A芯片内部结构及其功能芯片内部结构及其功能 发送缓冲器并 串转换串 并转换接收缓冲器发送控

20、制电路接收控制电路TxDTxRDYTxEMPTYTxCRxDRxRDYRxCSYNDET/BRKDET数据总线缓冲器读/写控制逻辑电路调制/解调控制电路D -D7 0RESETCLKC/DRDWRCSDSRDTRCTSRTS 内部总线发送器接收器Home6BackNext 8251A芯片发送数据过程芯片发送数据过程 TSRTHR串行数据输出并行数据LSRINTLCR数据状态1)2)3)2)4)4)Home7BackNext 8251A芯片接收数据过程芯片接收数据过程 RSRRBR串行数据输入并行数据LSRINTLCR数据状态1)2)3)4)Home通过本通过本节节的学习：的学习：掌握串行接口的

21、概念、串行接口的特点和功掌握串行接口的概念、串行接口的特点和功能。能。掌握掌握串行通信线路的三种方式的特点。串行通信线路的三种方式的特点。熟悉可编程串行接口芯片熟悉可编程串行接口芯片8251A8251A的内部结构、的内部结构、外部引脚功能。外部引脚功能。掌握掌握8251A8251A的编程应用。的编程应用。HomeBack11.DMA控制器控制器 DMA 控制器可以象控制器可以象CPU那样得到总线控制权，用那样得到总线控制权，用DMA方式实现外部设备和存储器之间的数据高速传输。方式实现外部设备和存储器之间的数据高速传输。一个一个DMA控制器通常可以连接一个或几个输入控制器通常可以连接一个或几个输

22、入/输出接口，每个接口通过一组连线和输出接口，每个接口通过一组连线和DMA控制器相连。控制器相连。将将DMA控制器中和某个接口有联系的部分为一个控制器中和某个接口有联系的部分为一个通道。而一个通道。而一个DMA控制器一般由几个通道组成。控制器一般由几个通道组成。HomeNext2DMA方式，外设向方式，外设向內內存传输数据的过程存传输数据的过程 外设准备好数据后向外设准备好数据后向DMAC发出发出DMA传送请求信号；传送请求信号；DMAC经过处理后，由总线仲裁机构裁决，使经过处理后，由总线仲裁机构裁决，使CPU出出让总线控制权，并向让总线控制权，并向DMAC发出总线响应信号；发出总线响应信号；

23、DMAC接到响应信号后，成为总线的主控者；接到响应信号后，成为总线的主控者；DMAC向外设发出向外设发出DMA应答信号，开始应答信号，开始DMA传送；传送；DMA传送结束，传送结束，DMAC向外设发出向外设发出EOP信号，并撤消信号，并撤消对对CPU的总线请求，交回系统总线的管理和控制权。的总线请求，交回系统总线的管理和控制权。BackNextHome8237芯片内部结构及其功能芯片内部结构及其功能 3BackNext数据总线缓冲器读/写逻辑部件控制逻辑工作方式寄存器及状态寄存器通道0地址及计数通道1地址及计数通道2地址及计数通道3地址及计数优先选择逻辑DRQDACK00DRQDACK 11D

24、RQDACK 22DRQDACK 33D -D7 0I/ORI/OWCLK0ACSREADYHRQHLDAMEMRMEMWAENADSTBTCMARK内部总线1A2A3A4A5A6A7ARESETHome工作方式寄存器工作方式寄存器 4BackNext ALTCSEWRPENENENEN1：通道0起动位 1：优先权旋转位1：写扩展位1：通道1起动位 1：通道2起动位 1：通道3起动位 7D6D5D4D3D2D1D0D2103TC停止位自动转入位Home5BackNext状态寄存器状态寄存器 UPTCTCTCTC1：通道0到达终点计数状态 1：通道1到达终点计数状态1：通道2到达终点计数状态 1

25、：通道3到达终点计数状态 D7D6D5D4D3D2D1D03210修改标志位Home通过本通过本节节的学习：的学习：掌握控制技术的特点。掌握控制技术的特点。掌握掌握方式传输数据的基本过程。方式传输数据的基本过程。熟悉可编程控制器熟悉可编程控制器82378237的内部结构、的内部结构、外部引脚功能。外部引脚功能。掌握掌握82378237的编程方法。的编程方法。HomeBack1定时的本质是计数，将若干片小的时间单元累加起定时的本质是计数，将若干片小的时间单元累加起来，就获得一段时间。来，就获得一段时间。HomeNext28253芯片外部引线芯片外部引线 DBD7-D08253A1A0WRRDCS

26、通道通道2通道通道1通道通道0CLK0GATE0OUT0CLK1GATE1OUT1CLK1GATE1OUT1A1A0IOWIOR片选信号片选信号BackNextHome8253芯片内部结构及其功能芯片内部结构及其功能 3BackNextHome4BackNext Home5BackNext 8253控制寄存器的格式控制寄存器的格式 SC1 SC0 RW1 RW0 M2 M1 M0 BCD1-计数值为BCD码格式0-计数值为二进制格式M2 M1 M0 模式选择 0 0 0 模式0 0 0 1 模式1 /1 0 模式2/1 1 模式3 1 0 0 模式4 1 0 1 模式50 0-对计数器进行锁存

27、0 1-只读/写低8位字节 1 0-只读/写高8位字节1 1-只读/写低8位字节,再读/写高8位字节.0 0-选计数器00 1-选计数器11 0-选计数器21 1-无意义Home6BackNext 8253与系统的连接示意图与系统的连接示意图CLKGATEOUTD0D7WRRDA1A0CSDBIOWIORA1A0译码器译码器高位地址高位地址A15-A28253共三组共三组Home7BackNext 初始化程序流程初始化程序流程写控制字写控制字写计数值低写计数值低8位位写计数值高写计数值高8位位*非必须非必须写入顺序：写入顺序：可按计数器分别写可按计数器分别写入控制字和初值。入控制字和初值。也可

28、先写所有计数也可先写所有计数器控制字，再写入器控制字，再写入它们的初值它们的初值Home通过本通过本节节的学习：的学习：掌握定时的本质和定时的方法。掌握定时的本质和定时的方法。熟悉可编程定时熟悉可编程定时/计数器计数器82538253的内部结构、外的内部结构、外部引脚功能。部引脚功能。掌握掌握82538253的六种不同工作模式各自的特点及的六种不同工作模式各自的特点及使用方法。使用方法。掌握掌握82538253的编程流程和应用。的编程流程和应用。HomeBack1完成这种模拟量向数字量转换的器件称为，简称为ADC或A/D。HomeNext 是不连续的、间断的并且它能表示的数值范围也受微机的限制

29、。2D/A转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标1)分辨率分辨率:8位位:分辨率分辨率1/2552)线性度线性度3)转换精度转换精度4)建立时间建立时间5)温度系数温度系数6)电源抑制比电源抑制比7)工作温度范围工作温度范围8)失调误差失调误差9)增益误差增益误差10)非线性误差非线性误差BackHomeNextDAC0832 转换器的逻辑图转换器的逻辑图3BackHomeNext4BackHomeNext 5D/A转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标1)分辨率分辨率2)转换精度转换精度3)转换时间转换时间4)增益系数增益系数5)温度系数温度系数6)对电源电压变化的抑制比对电源电压变化的

30、抑制比 BackHomeNextADC 0809 转换器的逻辑图转换器的逻辑图6BackHomeNext控制与时序起动时钟8位A/DSAR树状开关256RT型电阻网络（中断）3位地址地址锁存允许 Vcc GND+VREF-VREF输出允许OE比较器VSTVIN8位模拟量输入8位模拟开关地址锁存与译码锁存缓冲器三态输出8位数字量输出转换结束 ADC 0809 与系统总线的连接与系统总线的连接6BackHomeNext7BackHomeNext 8BackHomeNext 通过本通过本节节的学习：的学习：理解理解D/AD/A转换和转换和A/DA/D转换的含义。转换的含义。熟悉熟悉D/AD/A转换器和转换器和A/DA/D转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标的含义。的含义。掌握掌握DAC0832 D/ADAC0832 D/A转换器和转换器和ADC 0809 A/DADC 0809 A/D转换转换器，以及器，以及AD570 A/DAD570 A/D转换器的结构、工作方式。转换器的结构、工作方式。HomeBack