第9章-扩展IO接口设计.ppt

9 1I O接口基本模型 微型计算机系统可通过系统总线与外设相连 进行系统的扩展与开发 而外设必须通过接口才能与CPU交换信息 9 1 1I O接口的交换信息 1 数据信息 DATA 1 数字量 由键盘 光电输入机等输入的信息 通常以二进制表示的数或以ASCII码表示的数或字符 CPU与外设交换的基本信息是数据 有三种类型 2 模拟量 3 开关量 两个状态的量 可以用0 1表示 例如电机的启与停 开关的合与开等 2 状态信息 STATUS 输入时 输入设备是否准备好 READY 输出时 输出设备是否空闲 BUSY 反映当前外设工作状态的信息 例如 3 控制信息 CONTROL 例如控制I O设备启动或停止等 CPU与外设之间的接口信息 通过接口输出用以控制外设工作的信息 1 速度的匹配外设的读写速度可能很慢 CPU与端口进行快速数据交换 端口与外设进行慢速交换 端口作为微型机与外设间传递数据的中间缓冲站 9 1 2I O接口的功能 2 信息格式的变换外部设备的数据形式可能是数字量 模拟量或开关量等 数字量可能采用并行方式或串行方式 接口电路的功能之一是将不同信息格式变换为CPU能接收的标准并行信息 如串并转换 A D D A转换等 4 信号电平的匹配即电平配合 信号类型 信号电平 信号格式等的转换 3 时序的匹配CPU时序与外设时序可能不一致 由接口电路实现匹配 5 数据缓冲对所传送的数据提供缓冲 隔离以及寄存的功能 7 校验和检查在微机系统中 通常为I O接口配备有校验功能 并且可以将出错信息报告给微处理器 6 地址译码通过地址译码电路对外围设备I O地址寻址 外部设备与微处理器进行信息交换必须通过访问该外设相对应的端口来实现 具体访问这些外设端口的过程叫做寻址 通常有两种寻址方式 存储器映像的I O寻址方式和I O端口单独寻址方式 9 1 3I O端口及其寻址方式 9 1 4I O接口的数据传送方式 1 无条件传送方式 无条件传送一般适合于数据传送不太频繁的情况 如对开关 数码显示器等一些简单外设的操作 所谓无条件 就是假设外设已处于就绪状态 数据传送时 程序就不必再去查询外设的状态 而直接执行相应指令进行数据传输 2 条件传送方式 查询传送方式流程图 查询传送方式工作流程包括三个基本工作环节 2 查询环节 CPU从读取状态寄存器的标志位 3 传送环节 当上一环节完成后 将对数据口实现寻址 从数据端口输入数据 或从数据端口输出数据 1 读取状态字 主要通过检测状态寄存器的标志位来检查外设是否 就绪 3 中断传送方式 为了进一步提高CPU的效率和使系统有实时性能 可以采用中断传送方式 在中断传送方式下 当外设准备好时 主动向CPU发出中断请求 请求CPU进行数据的输入输出 中断方式的数据输入 采用中断传送方式时 外设处于主动地位 无需CPU花费大量时间去查询外设的工作状态 与程序方式相比 大大提高了CPU的效率 4 DMA方式 DMA DirectMemoryAccess 是存储器与外设或存储器之间进行大量数据传送的方法 是在DMA控制器 DMAC 的控制下进行的 DMA与程序控制数据传送路径比较 DMA与程序控制数据传送路径的比较 传送方式的比较 无条件传送 慢速外设需与CPU保持同步查询传送 简单实用 效率较低中断传送 外设主动 可与CPU并行工作 但每次传送需要大量额外时间开销DMA传送 DMAC控制 外设直接和存储器进行数据传送 适合大量 快速数据传送 微机系统的信息交换有并行通信和串行通信两种方式 并行通信是以微处理器的字长为传输单位 适合于外部设备与微机之间进行近距离 大量和快速的信息交换 9 28255A概述 21 西北农林科技大学水利与建筑工程学院 Intel公司的80 85系列接口电路都可以直接与MCS 51接口 常用的接口器件为 8255 可编程通用并行接口电路 8253 8254 可编程定时 计数器 8155 8156 可编程RAM IO TIMER扩展芯片 8251 可编程串行接口电路 8279 可编程键盘显示接口电路 以上器件最大的特点是工作方式的确定和改变需要软件实现 因此称为可编程接口芯片 9 2 1可编程并行通信接口8255A 8255A采用40线双列直插封装 引脚图如图所示 8255A引脚定义 8255A的引脚 一 8255A的内部结构 8255A内部结构框图 8255A包括四大部分 数据总线缓冲器 读写控制部件 A组和B组控制部件 端口A B C 1 数据端口A B C 端口A 包含一个8位数据输出锁存器 缓冲器和一个8位数据输入锁存器 输入输出数据均受到锁存 端口B和C 都包含一个8位数据输入缓冲器和一个8位的数据输出锁存器 缓冲器 输出数据能锁存 输入数据不锁存 端口C 可分成两个4位端口 分别定义为输入或输出端口 还可定义为控制 状态端口 配合端口A和端口B工作 2 A组和B组控制电路 A组 B组的控制寄存器 接收来自数据总线的控制字 并根据控制字确定各端口的工作状态和工作方式 3 数据总线缓冲器 4 读 写和控制逻辑 接收来自CPU地址总线信号和控制信号 并发出命令到两个控制组 A组和B组 RESET 复位信号 RESET有效时 清8255A所有控制寄存器内容 并将各端口置成输入方式 表9 18255A的端口选择表 5 端口寻址 8255A共有两个控制字 即工作方式控制字和对C口置位 复位控制字 1 控制字 1 工作方式控制字 控制字和各位的含义如图所示 8255A的控制字及其工作方式 8255A工作方式控制字格式 2 端口C的置位 复位控制字 控制字的格式如图所示 8255A置位 复位控制字格式 例 若8255A的控制字寄存器选口地址为FBH 试写出令PC3先置 1 以及后置 0 的程序 解 相应程序为 MOVR0 0FBHMOVA 07HMOVX R0 AMOVA 06HMOVX R0 A 关于控制字要说明几点 1 设置方式控制字时 A口 B口作为整体设置 而C口要分成上 下两部分分别设置 三个端口的工作方式由一个控制字规定 2 C口按位置位 复位控制字不是送到C口地址 而是送到控制寄存器地址 且一个控制字只能使C口一位置位或复位 3 方式控制字和按位置位 复位控制字均写入同一个控制寄存器地址 二者通过最高位D7来区别 D7 1为方式控制字 D7 0为按位置位 复位控制字 4 A口 B口也可以按位输出高低电平 但是 它与前面的按位置位 复位命令有本质的差别 并且实现的方法也不同 1 方式0 基本输入 输出方式 方式0是一种基本输入输出工作方式 它的24条I O线可以全部都用作传送数据 不设置应答信号线 常用于无条件传送 输出有锁存 输入只有缓冲能力而无锁存功能 方式0控制字具体格式如图所示 2 工作方式 8255A工作方式0控制字格式 由控制字中D4D3D1D0等4位的不同取值可定义方式0的16种工作方式的组合如表9 2所示 方式0中 端口C被分成两个4位端口 它们可被定义为输入或输出端口 表9 2方式0的工作状态组合 2 工作方式1 选通式输入 输出方式 方式1选通输入 方式1操作使端口A或端口B作为锁存输入设备工作 端口C也可按方式1操作使用 但不是对数据 而是对控制信号 或当端口A或端口B为选通输入端口时的握手信号 下图示出8255A方式1选通输入控制字格式 工作方式1输入控制字格式 方式1输入引脚 A端口 数据选通信号当STB 0时 8255将数据锁存到8255A端口的输入数据寄存器中 输入缓冲器满信号当IBF 1时 说明外设数据已送到8255输入缓冲器 但还没有被CPU读取 通知外设不能再发送数据 中断请求信号 请求CPU接收数据 使INTR 1的条件是 IBF 1 STB 1和INTE l三个条件同时具备 当PA或PB为l方式输入时 各指定PC口的3条线作为8255与外设及CPU之间的应答信号 如图所示 比较 方式1输入引脚 B端口 IBF 输入缓冲器满信号 向外设输出 高电平有效 INTE 中断允许信号 它是通过端口PC4 端口A 或PC2 端口B 的位来编程的内部位 1方式输入的工作过程如下 1 数据输入时外设为主动地位 当外设数据淮备好后 首先发出STB 信号 把数据输入到8255A的端口寄存器中 2 在STB下降沿数据锁存后 引起IBF 1 表示输入缓冲器满 禁止数据再输入 3 在STB上升沿后 IBF 1产生中断请求 若INTE 1 请求CPU读取输入的数据 若采用查询方式可查询IBF来判断接口中有无数据 4 CPU读取接口时 RD的下降沿使INTR复位 撤销中断请求 RD的上升沿使IBF 0 表示输入缓冲器空 可重新输入下一个数据 方式1选通输出 图11 8方式1输出控制字格式 方式1输出引脚 A端口 外设响应信号 表示外设已经接收到数据 它是外设对OBF信号的应答 输出缓冲器满信号 当OBF 0时表示CPU已将数据写到8255A的输出端口 通知外设来取数据 中断请求信号 请求CPU再次输出数据 INTR 1的条件是 OBF ACK和INTE都为高电平 也就是输出缓冲器空OBF 1 应答信号结束 ACK 1 和中断允许 1NTE 1 比较 方式1输出引脚 B端口 端口A的INTEA对应PC6端口B的INTEB对应PC2 方式1输出端口状态 a 端口A方式1输出 b 端口B方式1输出 INTE 中断允许信号 INTR 中断请求信号 高电平有效 1方式输出的工作过程如下 1 数据输出时CPU为主动地位 向8255A输出数据 WR的上升沿使OBF 0 表示输出缓冲器满 外设可来读取数据 WR使INTR 0 封锁中断请求INTR 2 外设读取数据后 用ACK回答接口 ACK的下降沿使OBF 1 撤消输出缓冲器满信号 ACK的上升沿使INTR 1 请求CPU再输出下一个数据 若INTE 1 3 工作方式2 双向选通输入 输出方式 方式2只允许A组采用 此时端口A变为双向 允许数据在同一组8条线上发送和接收 下图示出方式2操作内部结构图 端口A方式2控制字 端口A工作在方式2的端口状态 IBFA 输入缓冲器满信号 向外设输出 高电平有效 INTE 中断允许信号 INTE1和INTE2 高电平有效 INTRA 中断请求信号 高电平有效 8255A中端口A工作方式2时 允许端口B工作于方式0或方式1 完成输入 输出功能 4种组合状态及其工作方式控制字格式如表9 4所示 表9 4方式2的组合状态与控制字格式 8255的PA PB PC口的三种工作方式 三种方式中只有方式0用得最多且最容易使用 基本输入 输出方式就是简单输入 输出方式 方式1和方式2使用复杂 这两种方式已很难见到再有人用于单片机系统 8255与单片机的连接 AT89C51 8255 74LS373 P0 0 P0 7 ALE 8D Q0Q1Q7 CS RESET A0A1 D0 D7 G EA OE RESET RD WR WR RD 5V PA Q7接片选 CS端 8255的 一组 寄存器地址可以是 PA口 0000HPB口 0001HPC口 0002H命令口 0003H也可以是 007CH 007DH 007EH 007FH PC7PC0 微型打