微型计算机原理及应用技术 第3版 教学课件 ppt 作者 朱金钧 第8章 接口技术与常见接口芯片的应用

微型计算机原理及应用技术 微型计算机原理及应用技术第3版 机械工业出版社 朱金钧麻新旗等编著 8 1接口概述8 1 1接口的功能8 1 2接口与系统的连接8 2并行通行和并行接口芯片8 2 1并行通信8 2 28255A可编程并行接口芯片8 3串行通信和串行接口芯片8 3 1串行通信的基本概念8 3 28251A可编程串行通信接口 8 4计数器 定时器接口电路8 4 1可编程计数器 定时器的工作原理8 4 28253可编程计数器 定时器8 5模拟通行道接口8 5 1概述8 5 2数 模 D A 转换器8 5 3模 数 A D 转换器 接口技术与常见接口芯片的应用 第8章 8 1 1接口的功能 概述 接口的功能 信息的输入与输出 信息的转换功能 联络和中断管理功能 可编程功能 错误检测功能 8 1 地址译码和I O设备的选择 接口与系统的连接 总线收发器和相应逻辑电路 联络信号 地址译码器 菊花链逻辑 输入 输出设备 地址总线 控制总线 数据总线 数据 状态 控制 控制 读 写 使能 存储器和I O选择 片选 寄存器选择 状态寄存器控制寄存器 数据输入寄存器和数据输出寄存器 控制线 数据线 DMA控制器 中断请求 中断回答信号 图8 1典型I O接口与系统总线连接逻辑图 8 1 2 接口 与系统总线相连 与I O设备相连 实现与CPU的启动 选中接口等控制信号的配合 提供传输数据信息的I O端口 随接口类型的不同而异 其电路结构与设备传输数据的要求以及数据格式紧密相关 8 1 2 接口与系统的连接 8 2 1并行通信 并行通信和并行接口芯片 并行接口内部设置有一个控制寄存器 用来寄存CPU写出的控制命令 另有一个状态寄存器提供各种状态位供CPU查询 所谓并行通信就是把一个字符的全部n个数据位用n条线同时进行传输 与串行通信相比 它具有传输速度快 信息率高等优点 8 2 图8 2并行接口连接外设示意图 8 2 1 并行通信 8255A可编程并行接口芯片 1 8255A的内部逻辑结构 1 外设接口部分 数据端口A B C 8 2 2 2 内部逻辑 A组和B组控制电路 3 CPU接口部分 8255A的引脚及功能 8255A的引脚 与外设相连的引脚 与CPU相连的引脚 PA7 PA0 PB7 PB0 PC7 PC0 数据线引脚 控制线引脚 2 8255A可编程并行接口芯片 8 2 2 8255A的控制字 1 方式选择控制字 8255A有三种工作方式 方式0 基本的输入 输出方式方式1 选通的输入 输出方式方式2 双向传输方式 3 8255A可编程并行接口芯片 8 2 2 2 端口C置位 复位控制字 端口C经常用于配合端口A和B工作 为它们提供控制信号和状态信号 因此端口C的各个位经常作为控制位或状态位来使用 为了方便用户单独设置某一个控制位或状态位 8255A提供了端口C置位 复位控制字 1 方式0 基本输入 输出方式 8255A的工作方式 两个8位端口A B及两个4位端口 端口C的高4位 低4位 中的任一端口 均可以作为输入端口或输出端口 且各端口均是独立的 四个端口的输入或输出 可以有16种不同的组合 故可以适用于多种用途 各端口输入时无锁存 输出时有锁存 特点 4 8255A可编程并行接口芯片 8 2 2 2 两个8位数据输入 输出端口 均带锁存功能 A和B 在端口C的配合下工作 端口C中有3位用于端口A的输入 输出控制 另有三位用于端口B的输入 输出控制 并且均提供中断逻辑 若只有一个数据端口工作在方式1 那么另一个数据端口及端口C余下的五位可工作于方式0 若两个数据端口都工作于方式1 那么端口C余下的两位仍可由程序指定作为输入或输出位 也可进行置位 复位操作 特点 方式1 选通的输入 输出方式 8255A可编程并行接口芯片 8 2 2 8255A应用举例 例8 2 某接口设计采用一片8255A实现 其端口A连接并行打印机 端口B连接纸带读入机 8255A工作于方式0 以查询方式传送数据 DATASTROBE 数据选通信号 打印机要有一个宽度为0 5 s的脉冲 作为数据选通信号 由PC4位输出 BUSY 当其有效时为高电平 此时表示打印机 忙 不能接收新的输出数据 这是打印机的状态信号 由PC2位读入 DRIVERIGHT 此信号驱动纸带前进一步 并读一个字符 它是8255A给外设的启动信号 由PC5位输出 DATAREADY 纸带读入器的状态信号 其为高电平表示纸带读入器已将数据准备好 由PC3位读入 5 8255A可编程并行接口芯片 8 2 2 8255A在键盘和数码管显示接口中的应用 1 键盘接口 6 8255A可编程并行接口芯片 8 2 2 2 LED显示接口 8 3 1串行通信的基本概念 串行通信和串行接口芯片 1 全双工方式与半双工方式 两个串行接口之间分别用两根独立的传输线发送和接收信号 使发送和接收数据可同时进行 全双工方式 在半双工方式中 输入过程和输出过程使用同一根传输线 因此 半双工方式在某一时刻只能进行发送数据或者接收数据 半双工方式 2 同步通信和异步通信 一般将若干字符组成一个信息组 字符一个接着一个传输 但是 在每组信息 通常称之为信息帧 开始要加上1至2个同步字符 在传输线上没有字符传输时 要发送专用的 空闲 字符或同步字符 其原因是同步传输字符必须连续传输 不允许有间隙 同步通信 8 3 是指通信中两个字符的时间间隔是不固定的 而在同一字符中的两个相邻代码间的时间间隔是固定的通信方式 异步通信必须遵循的两项规定为 每个字符传送时 必须前面加一位起始位 后面加上1 1 5或2位停止位 例如ASCII码传送时 这一帧应该是 前面一个起始位 接着七位ASCII编码 之后是一位奇偶校验位 最后是一位停止位 共10位为一帧 1 字符的格式 2 波特率 BaudRate 波特率就是传送数据位的速率 用位 秒 bit s 表示 例如 数据传送的速率为120字符 秒 每帧包括10个数据位 则传送波特率为 10 120 1200 bit s 1200Bd 异步通信 8 3 1串行通信的基本概念 信号的调制与解调 为了保证信号传送的正确性 故在长距离通信中 采用调制 解调器来改善信号的品质 调制器 Modulator 把数字信号转换为模拟信号 经过传输线送到目的地后 再用解调器 Demodulator 检测此模拟信号 并把它转换成数字信号 在实际应用中 通常把调制器和解调器做在一起 构成调制 解调器 3 8 3 1串行通信的基本概念 RS 232 C接口 RS 232 C是EIA ElectronicsIndustringAssociation 推荐的国际通用的一种串行通信接口标准 实际上 它是一个25芯或者9芯的D型连接器 由于它的每个引脚都有标准规定 必须连接规定的信号 所以对任何具备RS 232 C接口的设备 都可以不需要附加任何硬件而与计算机相连 RS 232 C除了对信号引脚的定义作了规定外 对信号电平标准也作了规定 4 8 3 1串行通信的基本概念 1 8255A的基本性能 8251A可编程串行通信接口 1 外设接口部分 数据端口A B C 1 可工作于同步方式或异步方式 2 同步方式下 每个字符可为5 8位 可内同步或外同步 能自动插入同步字符 3 异步方式下 每个字符可为5 8位 时钟速率为传输波特率的1 16倍或64倍 4 自动产生中止字符 自动检测和处理中止字符 可产生1 1 5个或2个停止位 可检测假启动位 5 同步方式下 波特率为0 64Kb s 异步方式下 波特率为0 19 2Kb s 6 全双工方式 双缓冲的发送器和接收器 7 具有自动错误检测功能 可检测奇偶错 数据丢失和帧错误 用户可通过输入状态寄存器内容进行查询 8 全部输入 输出与TTL兼容 8 3 2 8251A的逻辑结构及工作原理 1 8251A逻辑结构 数据输入缓冲寄存器和数据输出缓冲寄存器 接收移位寄存器 发送移位寄存器 模式寄存器 控制寄存器 状态寄存器 步字符寄存器 2 8251A可编程串行通信接口 8 3 2 2 8251A内部工作原理方框图 1 接收器 2 发送器 1 8251A与CPU接口信号 8251A的接口信号 1 数据线D7 D0 2 片选信号线 3 3 读 写控制信号线 4 收发联络信号 8251A可编程串行通信接口 8 3 2 1 方式选择控制字 8251A的编程 D1D0 用于确定工作于同步方式还是异步方式 D3D2 用于确定字符的位数 D5D4 用于确定奇偶校验性质 D7D6 在同步方式和异步方式下的意义不同 4 8251A可编程串行通信接口 8 3 2 2 操作命令控制字用于规定8251A的工作状态 启动串行通信开始工作或者芯片复位 初始化8251A芯片时 当写入方式选择控制字 定义8251A芯片为异步通信 或者定义为同步通信且同步字符已经写入8251A后 接下来应该向8251A写入操作命令控制字 操作命令控制字 1 异步方式下的初始化编程 8251A初始化编程及应用举例 经分析 知其方式选择控制字应该为9BH 操作命令控制字应该为37H 初始化编程如下 MOVDX 1A2HMOVAL 9BHOUTDX AL 设置工作方式MOVAL 37HOUTDX AL 设置工作状态 例7 4 设在某8086系统中有一片8251A 其占用的端口地址分别为1A0H和1A2H 并要求其工作方式选择为 异步通信 字符用7位二进制数表示 奇校验 1 5个停止位 波特率系数为64 对其工作状态的要求是 使发送允许TxEN有效 接收允许RxE有效 使数据终端准备好信号有效 复位出错标志 将请求发送信号置于有效电平 5 8251A可编程串行通信接口 8 3 2 例7 5 设某8251A芯片端口地址分别为1A0H和1A2H 要求其工作方式为 同步方式 内同步 两个同步字符 奇校验 每个字符8位 并设第一个同步字符为EFH 第二个同步字符为7EH 要求其工作状态是 复位出错标志 启动发送器和接收器 当前CPU已经准备好且请求发送 同步方式下的初始化编程 2 8251A可编程串行通信接口 8 3 2 MOVDX 1A2HMOVAL 40HOUTDX AL 复位8251AMOVAL 1CHOUTDX AL 写入方式选择控制字 规定其工作方式MOVAL 0EFHOUTDX AL 写入第一个同步字符MOVAL 7EHOUTDX AL 写入第二个同步字符MOVAL 0B7HOUTDX AL 写入操作命令控制字 设置其工作状态 例7 6 8251A工作于异步方式 7个数据位 1 5个停止位 奇校验 波特率系数为64 其数据端口地址为A0H 控制端口地址为A2H 使用查询方式接收传送数据举例 3 8251A可编程串行通信接口 8 3 2 MOVAL 9BHOUT0A2H AL 写入异步方式选择字MOVAL 37HOUT0A2H AL 写入命令指令字MOVBX BUFPTR 设缓冲区首址存放在DS段BUFPTR变量名下MOVDI 0 变址寄存器清0MOVCX 0064H 设置计数器值100INAL 0A2H 输入状态字送ALTESTAL 02H 测试状态字第2位 即RXRDY JZWAIT 若8251A未收到字符 则重新取状态字INAL 0A0H 若RXRDY有效 则从数据口输入数据MOV BX DI AL 将接收到的字符送入缓冲区INCDI 缓冲区指针下移一个单元INAL 0A2H 再读入状态字TESTAL 38H 测试有无三种错误JNZERROR 若有错 转错误处理程序ERLOOPWAIT 如已输入100个字符 则继续进行数据处理 8251A可编程串行通信接口 8 3 2 8251A在CRT接口中的应用 其一 电平转换问题 在远距离串行通信时 发送方要使用调制器 接收方要使用解调器 其二 同步方式下对同步字符的检测问题 如果采用内同步方式 则由8251A自身来检测同步字符 在实际使用8251A时 还应注意以下两个问题 4 8251A可编程串行通信接口 8 3 2 计数器 定时器接口电路 本节主要介绍计数器 定时器的基本工作原理和计算机系统中广泛采用的计数器 定时器芯片Intel8253 PIT 8 4 可编程计数器 定时器具有两种功能 作为计数器 作为定时器 8 4 1可编程计数器 定时器的工作原理 图8 39计数器 定时器中包括了四个寄存器和一个计数器 预置计数值 计数器输出寄存器 控制寄存器 状态寄存器 四个寄存器 1 门脉冲控制时钟输入 2 用门脉冲重新启动计数 3 用门脉冲停止计数 4 单一计数 5 循环计数 8 4 1可编程计数器 定时器的工作原理 8253可编程计数器 定时器 8253是微机系统中广泛使用的可编程计数器 定时器芯片 在PC机中 即以一片8253作为CPU的外围支持电路 用来产生系统实时钟定时信号 动态存储器刷新信号和扬声器的发声信号 1 8253基本情况 8253具有3个独立的16位计数器通道 分别称为 计数器0通道 计数器2通道 计数器1通道 8 4 2 这是8253内部操作的控制部分 在8253初始化编程时 CPU写入芯片的控制字就存放在控制字寄存器中 该控制字规定了通道的工作方式 这是3个完全独立的计数器 定时器通道 各自可按不同的方式工作 3 控制字寄存器 4 计数器0 2 数据总线缓冲器 这是8253与CPU数据总线连接的8位双向三态缓冲器 1 8253可编程计数器 定时器 8 4 2 表8 10 A0 A1 RD WR和 各种组合对8253的操作表 8253可编程计数器 定时器 8 4 2 8253初始化编程和工作方式 1 8253初始化编程 编程时必须遵守以下两条原则 其二 初始值设置时 要符合控制字中的格式规定 是只写低字节 还是只写高字节 或者是先写低字节 后写高字节 编程命令可以分为两类 其一 对计数器设置计数初始值前必须先将控制字写入 读出命令 用来读取计数器的当前值 写入命令 它包括写入控制字 写入计数初值和写入锁存命令 2 8253可编程计数器 定时器 8 4 2 8253的工作方式 8253具有6种不同的工作方式 它们遵守以下三点基本规则 其一 控制字写入8253时 所有的控制逻辑电路立即复位 输出端OUT进入初始状态 其二 计数器初始值写入以后 要经过一个时钟周期 减法计数器才开始工作 其三 一般情况下 在时钟脉冲CLK的上升沿时 采样门控信号 2 8253可编程计数器 定时器 8 4 2 8253应用举例 在使用8253芯片时 首先要对其进行初始化编程 初始化编程包括写入控制字和写入计数值两个步骤 第二步 写入计数初始值 计数初始值经由各通道的端口地址写入 第一步 写入控制字 任一通道的控制字都要从8253的控制口地址写入 控制哪个通道由控制字的D7D6位来决定 3 8253可编程计数器 定时器 8 4 2 例8 7 设在8086系统中有一片8253 其端口地址分配是 通道0为120H 通道1为122H 通道2为124H 控制端口为126H 要求对其通道0进行初始化 使其工作于方式0 二进制计数 计数初始值为6688H 8253可编程计数器 定时器 8 4 2 MOVAL 30H MOVDX 126H OUTDX AL MOVAL 88H MOVDX 120H OUTDX AL MOVAL 66H OUTDX AL 控制字送AL控制口地址送DX向控制口写入控制字低8位计数值是88H通道0端口地址送DX向通道0写入计数初值的低8位高8位计数值为66H向通道0写入计数初值的高8位 模拟通道接口 8 5 1概述 模拟量输入 输出通道 是生产过程计算机控制系统的重要组成部分 是计算机与控制对象之间的一种典型接口方式 典型计算机控制系统组成框图如图8 61所示 8 5 图8 61计算机控制系统组成框图 8 5 1概述 数 模 D A 转换器 1 数 模转换器的工作原理 数 模转换器的功能是将数字量转换成模拟量 把一个数字量变成模拟量 就是要把每一位的代码按照权值转换为对应的模拟量 再把各位所对应的模拟量相加 其和便是数字量所对应的模拟量 数字量由若干个数位构成 每个数位都有一定的权 如8位二进制数的最高位D7的权为27 128 只要D7 1 就表示具有了128这个数值 8 5 2 T型电阻解码网络 1 T型电阻解码网络中 节点A的左边为两个2R的电阻并联 它们的等效电阻为R 节点B的左边也是两个2R的电阻并联 等电阻也是R 依次类推 最后的D点等效于一个电阻R连接在标准参考电压VREF上 根据分压原理 C点 B点 A点的电位分别为VREF 2 VREF 4 VREF 8 数 模 D A 转换器 8 5 2 D A转换器的有关参数及术语 2 绝对精度 相对精度 非线性度 分辩率 建立时间 温度系数 数 模 D A 转换器 8 5 2 数 模转换器与CPU的接口 2 常用的D A转换器中 有价格低廉的8位芯片 也有速度和分辩率较高 价格较贵的12位 16位芯片 各种D A芯片是否能直接和系统总线相连 取决于芯片内部有没有数据输入寄存器 1 不带数据输入寄存器的D A芯片的使用 具有数据输入寄存器的D A芯片的使用 数 模 D A 转换器 8 5 2 模 数 A D 转换器 所谓模 数转换器就是把模拟量转换成为数字量的电路 模 数转换器是计算机控制系统的重要组成部分 1 概述 2 模 数转换器的工作原理 实现模 数转换的方法很多 常用的方法有计数法 双积分法和逐次逼近法等 8 5 3 图8 67典型微机控制系统组成框图 现场信号1 现场信号2 现场信号2 现场信号n 模 数 A D 转换器 8 5 3 模 数转换器的主要参数 3 1 转换精度 转换精度反映了A D转换器的实际输出接近理论输出的精确程度 所谓转换时间是指完成一次A D转换所需要的时间 转换率为转换时间的倒数 它们都表示了A D转换的速度 2 转换时间和转换率 分辨率是指A D转换器能够分辨最小量化信号的能力 一个n位的A D转换器 其分辨率等于模拟量输入的满量程值除以2n 3 分辨率 模 数 A D 转换器 8 5 3 模 数转换器与系统的连接 4 A D转换器芯片的模拟输入电压 往往既可以是单端方式 也可以是差动方式 这种类型的A D芯片常用VIN VIN 或IN IN 表示模拟输入端 1 模拟输入电压的连接 一种芯片 其输出端具有可控的三态输出门 例如ADC0809 另一种芯片 其内部输出端虽有三态门 但这个三态门不受外界信号的控制 而是由A D转换电路在转换结束时自动接通 例如ADC570 2 数据输出线和系统总线的连接 A D转换器芯片的输出方式可分为两种 模 数 A D 转换器 8 5 3 A D转换器要求的启动信号可分为两种形式 A D转换器的启动转换信号 3 电平启动信号 使用电平启动信号的芯片如AD570 AD572采用脉冲启动信号的A D芯片 如ADC0804 ADC0809 ADC1210等 脉冲启动信号 4 转换结束信号以及CPU读取转换数据的方式 同步方式 查询方式 中断方式 模 数 A D 转换器 8 5 3 A D转换器的地线可分为两种类型 5 在一个系统中有数字量又有模拟量 就会有两类芯片 地线的连接 数字地 模拟地 数字电路芯片例如CPU 译码器 门电路等 模拟电路芯片如D A转换电阻网络 运放等 模 数 A D 转换器 8 5 3 5 典型8位A D转换器芯片 A