微机原理与接口技术-基本输入输出接口技术课件

第6章基本输入输出接口技术【本章提要】

本章首先概述I/O的基本知识，然后讨论输入/输出控制方式，I/O接口的读写技术，并行通信与串行通信，最后重点讨论常用可编程典型I/O接口芯片及其接口技术。【学习目标】了解I/O接口信息、I/O编址方法、I/O组织、I/O控制方式、并行通信及串行通信等输入输出基础知识。理解基本输入输出接口的操作。掌握简单I/O接口的读写技术。熟练掌握常用接口芯片16550/8250、8255和8253的工作原理及其编程应用。能综合运用接口芯片，构建和分析实际应用系统。第6章基本输入输出接口技术123675本章主要内容：概述输入/输出控制方式I/O接口读写技术并行通信与串行通信可编程接口芯片串行通信接口芯片并行通信接口芯片定时计数接口芯片404十二月20236.1

概述一、输入/输出与输入/输出接口1.输入/输出：微处理器与外部设备之间的信息交换即通信。2.输入/输出接口：完成微处理器与外部设备数据通信即输入/输出任务的接口。包括:硬件接口电路和软件接口程序。04十二月2023二、I/O接口的功能

1.内部地址译码2.提供联络信号3.信号特性匹配（如电平转换）4.信息格式的转换（如正负逻辑的转换，串并

格式，模数转换）5.数据缓冲与锁存6.对外设进行中断管理7.提供时序控制04十二月2023三、CPU与I/O设备间的接口信息三种：数据信息、状态信息、控制信息这些信息均通过数据总线传输。04十二月2023四、I/O端口的编址方法1.存储器映射编址含义：I/O端口的地址与存储器的地址统一混合编址。用访问存储器的指令，即可对整个地址空间（存储器和I/O）进行访问，而无需专用I/O指令。优点：

访问I/O指令多，使用方便。内存与外设地址分布相同。无需专用的I/O指令。04十二月20232.I/O映射编址含义

I/O端口与存储器分开独立编址，即I/O端口和存储器都有自己的一套地址空间，而且互不相干。优点

I/O设备不占用内存单元，节约了内存空间。指令执行速度快。I/O端口8086～Core2微机采用I/O映射的编址方法。I/O端口的地址64K个8位口地址（0000H-FFFFH）。04十二月2023五、I/O组织2.基于8086和80286

16位I/O组织3.基于80386和80486

32位I/O组织4.基于Pentium~Pentium4的64位I/O组织

I/O组织1.基于8088的8位I/O组织04十二月20238位I/O组织-基于808804十二月202316位I/O组织-基于8086~8028604十二月202332位I/O组织-基于80386~8048604十二月202364位I/O组织

-基于Pentium~Core204十二月20232.I/O端口的地址分配1.I/O地址范围

0000H-FFFFH.共64K个8位端口

从8086～Core2I/O地址采用A15～A0共16条地址线，且与存储器分开编址。2.系统板保留的1K个I/O端口

（详见书P.238表6.1）

000H-03FFH，共1K个8位端口3.查看当前系统I/O地址分配04十二月2023系统板保留的1K地址04十二月2023I/O指令时序

(b)OUT指令操作时序OUTP8,AL或OUTDX，AL

P8为8位端口地址(a)IN指令操作时序INAL,P8或INAL,DXP8为8位端口地址6.2输入输出控制方式直接程序控制方式中断控制方式DMA控制方式I/O处理机控制方式04十二月2023一、直接程序控制方式含义：直接在程序控制下进行微处理器与外设之间的数据传送。分类：无条件传送方式和条件传送方式两种。1.无条件传送方式含义：不查询外设状态而直接进行输入输出的一种方式。特点：简单、经济，但可靠性差。04十二月20232.条件传送方式含义：首先查询外设状态，满足条件时才进行数据的传送，因此也叫查询传送方式。特点：简单、可靠性高，但CPU效率低。输入输出04十二月2023二、中断控制方式含义：在满足传输条件时，外设向CPU发请求传输的中断信号，CPU接收请求后进入服务程序，在中断服务程序中进行输入输出操作。特点：无需查询等待，CPU利用率大大提高。不足：中断控制方式仍需要一系列本与输入输出无关的操作（如压栈保护等），因此对于高速I/O设备效率仍不算快。04十二月2023三、DMA控制方式含义：直接由DMA控制器硬件控制数据传输，传输过程无需CPU干预。特点：速度快（因为有DMA硬件直接控制），效率高。04十二月2023外设/内存DMA方式与其它方式比较CPUDMA控制器内存/外设外设/内存MOV[XX]，ALOUTDX，ALINAL，DXMOV

AL，[XX]无需CPU指令内存/外设04十二月2023四、I/O处理机控制方式 尽管DMA方式优点比较突出，但在DMA进行传输之前，对DMA的初始操作、对数据的运算和处理等都需要处理器事先干预。为了让处理器彻底摆脱管理和控制I/O设备的负担，引入了I/O处理机控制方式。这种方式下，由专用I/O协处理器负责I/O操作和处理。04十二月20236.3I/O接口的读写技术一、简单输入输出接口

输入采用缓冲器,输出采用锁存器。1.常用缓冲器：04十二月2023简单I/O接口-锁存器2.常用锁存器04十二月2023二、简单I/O接口的读控制读操作程序:MOVDX,377HINAL,DX04十二月20232.简单I/O接口的写控制写操作程序:MOVDX,0DFFFHOUTDX,AL04十二月20233.16位I/O接口的读操作读操作程序:MOVDX,2F6HINAX,DX04十二月202332位I/O接口的写操作写操作程序:MOVDX,3ECH;选中3ECH~3EFH4个端口OUTDX,EAX 常用接口芯片及应用6.4并行通信与串行通信6.5可编程串行通信接口芯片6.6可编程并行通信接口芯片6.7可编程定时/计数器芯片12346.4并行通信与串行通信并行通信与并行接口串行通信与串行接口串行通信方式及异步通信协议串行异步通信标准接口04十二月2023一、并行通信与并行接口1.并行通信含义：并行通信是指将一个字节或一个字的各

位同时进行传输的一种通信方式。要点：传输的各位同时传输（输入或输出）。特点：（1）传输速度快（2）传输的信息率高（3）比串行通信需要更多通信信号线用途：常用于传输距离短，数据传输速度要求

高的场合。04十二月2023含义：实现并行通信的接口称为并行通信接口。2.并行接口04十二月2023二、串行通信与串行接口1.串行通信含义：串行通信是把传输的数据一位一位地顺序传送的一种通信方式。要点：按位传输，同一时刻仅传送一位。特点：（1）通信线少（2）成本低（3）但通信速度慢用途：适用于长距离数据传输。04十二月2023完成串行通信任务的接口称为串行通信接口，简称串行接口。功能：

（1）输入时，完成串行到并行格式转换

（2）输出时，完成并行到串行格式转换。2.串行接口04十二月2023串行通信数据传输方式有单工方式、半双工方式、全双工方式04十二月2023三、串行通信方式

及异步通信协议串行通信方式

两种：串行异步通信和串行同步通信。1.异步通信异步通信:指字符与字符之间的传送是完全异步的，随机的，但一个字符的位与位之间是同步的。2.异步通信特点①字符的发送是随机的。②每一个字符传输总以一个起始位为准，然后接收方与发送方保持同步（格式的统一），最后是停止位③通信双方可随时改变通信协议，即改变数据位、奇偶校验位和停止位长度或数据传输率。04十二月20233．异步通信协议异步通信协议包括：一是字符的传送格式的规定，二是数据传送速率的要求。异步通信格式

协议，即改变数据位、奇偶校验位和停止位长度或数据传输率。04十二月2023波特率波特率（BaudRate）：指单位时间传送二进制数的位数，一般以秒为单位。微机中常见的波特率有110，300，600，1200，2400，4800，9600，19200等。微机最高波特率由硬件决定。例：已知字符格式中数据为8位，无校验，1位停止位，在1分钟内连续不断传送了69120个字符，求波特率。

解：一个字符=1+8+0+1=10位每秒传送的字符个数=69120/60=1152个波特率=位/秒=1152*10=11520bits/S=11.52Kbits/s04十二月20234.同步通信同步通信将多个字符连接成一个数据块，数据块前加1或2个同步字符，尾部是校验字符，最后为同步字符。同步的含义 字符与字符之间时间间隔固定不变，是同步的。04十二月2023四、串行异步通信标准接口串行异步通信的标准接口有RS-232C、RS-449、RS-422、RS-485以及20mA电流环等接口。一、RS-232C接口（PC使用）1.接口逻辑：负逻辑传送

1：-15V~-5V

0：+5V~+15V允许噪声容限为2V因此，实际RS-232能够区分的逻辑电平：1：-15V~-3V 0：+3V~+15V

只有在-3V~+3V时逻辑为不确定04十二月20232.RS-232接口信号及含义

04十二月2023二、RS-232逻辑电平的转换为什么要进行逻辑电压的转换？因为RS-232逻辑电平与UATRT电平不一致常用单电源供电的232电平转换芯片MAX232、TLC232、UN232、SP232等为不同厂家的典型单电源供电的232接口芯片，完成电平转换功能。根据UART的电平的不同可分为5V和3.3V。04十二月2023RS232电平转换原理计算机通信是TTL和CMOS逻辑电平，而RS-232规定的电平与之不符，故需电平转换。04十二月2023RS232电平转换典型芯片C1～C5可为0.1uF~4,7uF,具体值参见芯片说明TIN为TTL输入RIN为232输入TOUT为由TTL转换后的232电平输出ROUT为由RS232转换后的TTL电平输出04十二月2023RS-232简单连接示意图04十二月2023二、RS-485接口标准

RS232C缺点：受共模干拢影响，通信距离不长。仅20米以内。RS485主要特点：采用差分传输方式，具有很强的抗共模干扰能力。可同时连接多个接收器和发送器（32～256个）通信距离长，可达千米（标准为1.2Km）。RS-485逻辑电平： 逻辑1：A的电位比B高200mV以上 逻辑0：B的电位比A高200mV以上04十二月2023RS-485接口的连接由于是差分传输，因此RS－485接口采用同名端相连的方法，即所有485芯片的A和A连在一起，B和B连在一起。DI为数据发送端，RO为数据接收端，RE收发使能RE＝0接收，RE＝1发送终端（两个远端）各接一个匹配电阻（120欧）防止传输反射。MAX485MAX48504十二月20236.5可编程串行通信接口芯片

16550与8250一、16550及8250功能(1)具有全双工、双缓冲器发送器和接收器。(2)是串行异步通信接口（UART）。(3)波特率:8250=50~9600波特;16550=50~115200波特。(4)异步通信格式，可通过编程选择。(5)具有自动奇偶校验、溢出和帧出错等检测标志。(6)片内具有优先级中断控制逻辑。(7)单一+5V，40个引脚的DIP封装形式。04十二月2023二、内部结构及工作原理04十二月20231.接收部分接收移位寄存器将SIN脚的串行数据进行移位输入。(1)检测起始位：SIN变低后，连续测试8个RCLK时钟周

期，如果都是低电平，为起始位，否则为干扰信号。(2)采样数据位：每隔16个RCLK脉冲对SIN输入的数据位进

行一次采样。直到停止位，完成一个字符的接收。(3)去除无关位：接收同步控制电路自动去除起始位、奇

偶校验位和停止位。(4)串到并转换：同步控制电路控制接收移位寄存器将串

行数据转换成并行数据送入接收数据缓冲器(THR)中。(5)检查正确性：接收同步控制电路对数据的正确性进行检查。

如果在检测字符格式时有错误，则通过线路状态寄存器

设置相应的出错标志。04十二月20232.发送部分发送部分负责接收CPU送来的并行数据，并通过移位的方法将其变换成串行信号，最后通过发送端SOUT发送出去。(1)CPU的并行数据存入发送保持寄存器中，由

发送同步控制电路控制将该数据经过发送移

位寄存器处理，按照事先规定的格式加上起

始位、奇偶校验位和停止位，变换成串行数

据帧后由SOUT端输出串行数据信号。(2)当数据进入发送移位寄存器后，发送保持

寄存器自动变空，CPU即可再次写入数据。04十二月20233.通信线路控制寄存器线路控制寄存器（LCR）接收CPU用OUT指令写入的控制命令。控制寄存器的内容可以通过IN指令读出。线路控制寄存器的格式：04十二月20234.通信线路状态寄存器线路状态寄存器LSR记录串行数据发送和接收的状态，以供CPU查询。线路状态寄存器的格式：04十二月20235.Modem控制寄存器Modem控制寄存器MCR用于设置16550/8250与通信设备之间联络应答的输出信号，其格式如所示。04十二月20236.Modem状态寄存器Modem状态寄存器MSR反映8250与通信设备之间应答联络输入信号的当前状态以及这些信号的情况，各位的含义如图所示。04十二月20237.中断允许寄存器IER反映了接收器和发送器以及Modem是否允许中断的情况，通过设置可以指定其中的某些部件允许中断。它是一个可读可写的寄存器。04十二月20238.中断识别寄存器IIR中断识别寄存器IIR，可以识别4个中断源引起的中断。接收器线路状态中断、接收数据准备好中断、发送保持寄存器空中断和调制解调器状态中断。04十二月20239.波特率发生器16550及8250使用1.8432MHz的基准输入时钟，分频后产生所需的内部基准脉冲，作为接收器和发送器的同步脉冲，以控制接收移位寄存器和发送移位寄存器的移位操作。发送或接收串行数据时使用的时钟频率是数据传送波特率的16倍除数值与波特率的关系：

除数＝1843200÷（波特率×16）04十二月2023波特率发生器与除数寄存器根据波特率与除数的关系，可计算出不同波特率对应的除数值，如表所示。04十二月2023三、16550/8250引脚信号几个最重要的信号RCLK接收时钟SIN串行输入引脚SOU串行数据输出A2,A1,A0内部寄存器选择输入信号其它信号04十二月2023其它引脚1.电源及时钟VCC,GND,XTLA1,XTLA22.数据线：D7~D03.片选信号：CS0，CS1和/CS2(输入)4.选通信号: 地址输入选通:/ADS 数据输入选通:DISTR和/DISTR(接/IOR)

数据输出选通:DOSTR和/DOSTR(接/IOW)5.主复位:MR6.接收时钟:=接收波特率的16倍7.清除发送:/CTS8.数据装置(MODEM)准备好:/DSR9.接收线路信号检测:/RLSD(有效时表示Modem检测数据载波10.振铃指示:/RI有效表示Modem已经接收到一个电话振铃信号

04十二月2023其它引脚续11.数据终端准备好:/DTR有效时通知Modem,接口已准备好12.请求发送:/RTS有效请求发送数据13.用户输出引脚：/OUT1和/OUT2(由Modem控制寄存器决定)14.片选信号输出:CSout 片选输入信号CS0=1,CS1=1/CS2=0时,Csout=1(高电平)15.驱动器禁止:DDIS,有效时禁止外部总线转换器对系统总线的驱动.16.波特率输出:/BAUDout以16倍波特率的时钟输出17.中断请求:INTRPT当允许中断时,16550/8250内部发生某种中断时,该引脚为高电平有效,向8259A发中断请求信号.04十二月2023四、串行接口的编程及应用1.串行接口的端口地址分配04十二月20232.串行接口初始化串行接口初始化的任务：（1）设置波特率（2）确定通信的具体格式（3）设置操作方式（4）设定是否使用中断、是否自测试操作等等。04十二月2023设置波特率方法计算除数值

除数＝1843200÷（波特率×16）写线路控制寄存器，使DLAB=1以访问除数寄存器先将除数低字节写入低字节寄存器端口再将除数高字节写入高字节寄存器端口注意：

线路控制寄存器地址：3FBH（COM1）,2FBH（COM2）

除数低字节寄存器：3F8H（COM1）,2F8H（COM2）

除数高字节寄存器：3F9H（COM1）,2F9H（COM2）04十二月20231.设置波特率程序段假设设置波特率为11520,则初始化程序片段如下：MOV

AL，10000000B ；DLAB=1MOV DX，3FBH ；指向线路控制寄存器端口\OUT DX，AL ；写入线路控制寄存器MOV AL，0AH ；置产生11520波特率的除数低字节MOV DX，3F8H ；除数低字节寄存器口地址OUT DX，AL ；写入除数低字节MOV AL，00 ；除数高字节INC DX ；指向除数高字节寄存器口地址OUT DX，AL

；写入除数高字节04十二月20232.设置通信数据格式方法根据要求确定格式将格式字写入线路控制寄存器，并使DLAB=0以正常工作例子：假设一帧数据含有8位数据、1位停止位、奇校验，则有关程序如下：

MOV AL,00001011B ；通信控制寄存器控制字

MOV DX, 3FBH ；线路控制寄存器口地址

OUT DX, AL ；写入线路控制寄存器04十二月20233.自测工作（自发自收）MOV AL,00010011B ；自发自收MOV DX,3FCH ；Modem控制寄存器地址OUT DX, AL ；写入线路控制寄存器04十二月2023

4.设置中断允许寄存器仅允许接收中断和发送中断：（COM1）MOVAL,00000011；仅允许收、发中断MOVDX,3F9HOUTDX, AL ；写入中断允许寄存器04十二月2023三、串行通信实例两台微机利用COM1（串行口1）进行查询通信，只用三根连接线。双机通信的要求如下：数据为7位、1位停止位、奇校验、波特率为19200；双机同时运行该程序，一方键入的字符在另一方屏幕上显示，当按下小写字母q时，结束通信回到DOS。 程序见教材P.261（COMMEX.ASM）6.6可编程并行接口芯片8255A8255的内部结构及引脚信号8255的工作方式8255的编程04十二月2023一、8255的内部结构及引脚信号04十二月2023引脚信号(1)与外设接口信号引脚PA7～PA0A口的8个I/O引脚PB7～PB0B口的8个I/O引脚PC7～PC0C口的8个I/O引脚。(2)与系统总线接口信号引脚D7～D0数据线/RD，/WR，/CSRESET高电平有效，有效时8255内部寄存器清除，同时三个数据端口被自动设为输入端口。04十二月20238255A的端口操作二、8255的工作方式基本输入输出方式-方式0选通输入输出方式-方式1双向输入输出方式-方式204十二月2023基本输入输出方式-方式0方式0没有规定固定的用于应答式的联络信号线。在此方式下，三个数据端口A、B和C中的任何一个端口都可由程序设定为8位的输入口或输出口。C端口的两个半口(高4位和低4位)可独立设为输入或输出端口。端口输入具有缓冲功能；输出具有锁存功能。方式0下的各端口输入或输出有24=16种不同的组合。04十二月2023选通输入输出方式-方式1方式1规定固定的用于应答式的联络信号线。A口和B口可作为输入或输出端口使用，而此时C口的某些位与它们配合，作为控制或通信联络信号，没有使用的C口某些位还可单独立定义为I/O口用。方式1下A和B端口的输入和输出具有不同的组态。内部逻辑不同。下面分别介绍A口输入、B口输出、A口输出和B口输出不同情况下的内部逻辑。04十二月2023方式1下的输入组态A口输入B口输入04十二月2023方式1下的输入工作波形04十二月2023方式1下的输出组态A口输出B口输出04十二月2023方式1下的输出工作波形04十二月2023双向输入输出方式-方式2方式2是双向的数据传输方式，仅限于A口，这时C端口配合其工作。04十二月2023三、8255编程对8255编程首先要写入方式选择控制字，然后再行输入输出操作。操作时可对端口C进行置/复位操作。

因此：8255有两个控制字是编程的关键所在。方式选择控制字端口C置/复位控制字04十二月2023方式选择控制字—写入控制口04十二月2023例6.3【例6.3】编写对8255的初始化程序片段，要求：使A口为方式0输入，B口为方式0输出，C口作为8位的输出口使用。8255控制端口的地址为12BH。解：对照方式选择控制字格式可得到控制字为：10010000B=90H，初始化程序片段：

MOVAL,90H ;方式选择控制字

MOVDX,12BH ;由于端口号>256，用DX间接寻址

OUTDX, AL ；写入控制寄存器04十二月2023例6.4【例6.4】如果把A口设置为方式0输入，B口设成方式1输出，C口除了与B口方式1输出配合的PC0到PC2外，其PC3设成输入，C上半口（PC7～PC4）设为输出。则对照控制字格式，得其方式选择控制字为：10010101B=95H。解：假设8255的口地址为60H～63H，并知道8255的A0和A1分别与CPU总线的A0和A1相连，写出对8255的初始化程序片段。对8255的初始化程序只需要两条指令如下：

MOVAL, 95H ；方式选择控制字

OUT63H,AL ；写入控制寄存器04十二月2023端口C置/复位控制字—写入控制口04十二月2023例6.5【例6.5】使A口为方式1输入，且采用中断传送，B口采用方式0输出，其余C口的位作为输出。假设控制端口地址为63H。则程序段为：解：MOVAL,10110000B；A口方式1输入，B口方式0输出，其余C口位输出OUT 63H, AL；方式选择控制字写入控制寄存器MOV AL,00001001B；置位/复位控制字，使PC4=1，即使INTE=1允许内部中断OUT63H, AL ；置位/复位控制字写入控制寄存器04十二月2023三、8255作为打印机接口实例04十二月2023打印机接口的时序要求打印程序

MOV

AL, 0A8H ；方式选择字(C上半口输入PC4) MOVDX, 343H ；控制端口

OUTDX, AL ；方式选择控制字写入控制口

MOVCX, Counter ;打印字符个数装入计数器

MOVBX, OFFSETPstrings；Counter,Pstrings已定义（P.255)LP1:MOVAL, [BX] MOVDX, 340H OUTDX, AL ;送一个字符到8255的A口

MOVDX, 342HLP2:IN

AL,DX ;读取C口状态(准备检查BUSY状态)

ANDAL, 00010000B ;屏蔽无关位,取BUSY JZLP2 ;等待接收新数据 LP3:INAL,DX ;读取C口状态

ANDAL, 00010000B ;屏蔽无关位,取BUSY对应的PC4 JNZLP3 ;BUSY=1等待，直到不忙

INCBX LOOPLP16.7可编程定时/计数器8253(8254)三种方法：软件定时、硬件定时、可编程硬件定时主要内容：

8253/8254的内部结构及引脚信号8253/8254的工作方式8253/8254的编程8253最高工作频率2.6MHz8254最高工作频率为10MHz04十二月20238253/8254主要功能1．用于计数当用于计数时，计数装入初始值后，在GATE为高电平的情况下，可以用外部事件作为CLK脉冲对计数值进行减1计数，每来一个脉冲，计数器减1一次，当计数值减到结束时，由OUT端输出一个信号。如果计数未结束，而外部没有触发的脉冲信号，则可以通过读取现行计数器的值来求出计数值。2．用于定时当用于定时时，计数器装入初值后，在GATE为高电平情况下，由CLK脉冲触发开始自动计数，当减1计数结束时，在OUT端发送计数结束信号。定时时间长度就是计数初值与CLK时钟周期的积。由此可见，定时和计数的实际是计数，只是定时是在计数的基础上再乘以时钟周期。04十二月20238253/8254内部结构04十二月20238253端口及其操作8253和8254的工作方式方式0——中断信号发生器方式1——单稳负脉冲信号发生器方式2——速率信号发生器方式3——方波信号发生器方式4——软件触发的选通信号发生器方式5——硬件触发的选通信号发生器04十二月2023方式0

中断信号发生器04十二月2023方式1

单稳负脉冲信号发生器

04十二月2023方式2

速率信号发生器04十二月2023方式3

方波信号发生器——偶数初值04十二月2023方式3奇数初值04十二月2023方式4

软件触发的选通信号发生器04十二月2023方式5

硬件触发的选通信号发生器04十二月20238253/8254的编程方法8253/8254控制字04十二月20238253/8254计数范围二进制计数：0000H～FFFFH，即0-65535BCD码计数：0000～9999最小和最大计数值：

最大计数为0000，不是FFFFH或9999。

除方式2,3外，最小值都为1。04十二月20238253/8254初始值计算假设已知8253相应通道的CLK端接入的时钟频率为fCLK，周期记为TCLK=1/fCLK，要求产生的周期性信号频率为F(周期为T)或定时时间为T(F=1/T)，则所需计数初值n为：在计算时注意时间和频率的单位一致性。04十二月20238253/8254编程示例已知8254各通道时钟接8MHz信号，端口地址为700H、702H、704H和706H，要求在OUT0产生周期为10us的方波，OUT1产生2KHz的连续脉冲信号，OUT3产生一个最大的负脉冲。分析： OUT0:初值=10us×8MHz=80 方式3 OUT1:初值=8MHz/2KHz=4000

方式2 OUT2:初值=0,二进制计数

方式104十二月2023示例程序片段；CTC