第7章常用数字接口电路1

1、1 第第7 7章章 常用数字接口电路常用数字接口电路2主要内容：主要内容： 了解并行通信与串行通信的特点 掌握两种可编程接口芯片的应用3一、并行通信与串行通信一、并行通信与串行通信4并行通信并行通信u特点：u以数据字节或字为单位进行数据传送； u适合近距离传送 ；u对传送的信息不要求固定格式。u分类u输入和输出u数字和模拟u单向和双向u简单接口和可编程接口 5串行通信串行通信u特点：u按位传送u造价低，适合于远距离传送u传送方式u全双工u半双工u单工6二、可编程定时器二、可编程定时器82537定时信号的产生定时信号的产生u在数字电路、计算机系统以及实时控制系统中常需要用到定时信号。如函数发生器

2、、计算机中的系统日历时钟、DRAM的定时刷新、定时采样和控制系统等，都要用到定时信号。u定时信号可以利用软件编程和硬件的方法得到u软件定时：设计一个延时子程序u硬件定时：利用专门的定时/计数器8掌握掌握: :u引线功能及计数启动方法u6种工作方式及其输出波形u应用:u芯片与系统的连接u芯片的初始化编程9主要内容主要内容1、8253 的基本功能的基本功能2、8253 的内部结构的内部结构3、8253 的引脚的引脚4、8253 的工作方式的工作方式5、8253 的控制字与编程的控制字与编程101.8253 的基本功能u8253 的基本功能是对外部输入脉冲进行计数，u若外部输入脉冲是连续而均匀的，则

3、利用脉冲个数乘以脉冲周期可以计算出时间，从而实现了定时功能。u8253 芯片内具有3 个独立的16 位减法计数器(或称为计数通道)，每个计数器性能如下：(1) 最高计数频率2.6MHz。(2) 可编程设定为按二进制计数或BCD 码计数。有6 种工作方式，可编程确定工作在哪一种方式。112.8253 的内部结构u1) 数据总线缓冲器：u该缓冲器为8 位双向三态，是CPU 与8253 内部之间的数据传输通道。u2) 读/写逻辑电路：u接收CPU 送来的读写、片选及地址信号，对8253 内部各部件进行控制。12u3) 控制字寄存器u每个计数通道有一个控制字寄存器，用来接收CPU 写入的控制字。控制字

4、是8 位的，只能写不能读。三个计数通道的控制字寄存器共用一个控制端口，由写入的控制字的最高2 位指明该控制字属于哪一个计数通道。13u4) 计数器02（8253 包含3 个相互独立的、内部结构完全相同的16 位减法计数器。每个计数器均包含：）u一个8 位的控制字寄存器，u一个16 位的计数初值寄存器CR（它用来存放计数初值，可通过程序设定）u以及计数执行单元CE，它是一个16 位的减1 计数器，初值是计数初值寄存器的内容，它只对CLK 脉冲计数，一旦计数器被启动后，每出现一个CLK 脉冲，计数执行单元中的计数值减1，当减为0 时，通过OUT 输出指示信号，u一个16 位的输出锁存器通常跟随计数

5、执行单元内容的变化而变化，当接收到CPU 发来的锁存命令时，就锁存当前的计数值而不跟随计数执行单元变化，直到CPU 从中读取锁存值后，才恢复到跟随计数执行单元变化的状态，从而避免了CPU 直接读取计数执行单元时干扰计数工作的可能。初值寄存器初值寄存器GATECLKOUT减减1计数器计数器输出锁存器输出锁存器143.8253 的引脚u8253 为24 引脚双列直插式封装结构，其引脚按功能分为与CPU 接口引脚和与外设接口引脚，分别如下：1) 与CPU 的接口引脚uD7D0：三态双向数据线，与CPU 数据总线直接相连。uWR ：写控制信号，输入，低电平有效。uRD ：读控制信号，输入，低电平有效。

6、uCS：片选信号，输入，低电平有效。当CS0 时，8253 被选中，允许CPU 对其进行读/写操作。15uA1，A0：地址线，输入，用于端口选择。8253 需要占用4 个连续的端口地址，这4 个端口地址分别对应8253 内部的控制寄存器(接收并存放工作方式控制字)和三个计数通道的计数值寄存器(接收并存放计数初值)。具体如下：uA1A011，选中控制寄存器端口，可以向8253 送控制字；uA1A000、01、10，分别选择计数器0、1、2，可以对它们读/写计数值。CS A1 A0I/O地址读操作RD写操作WR0 0 00 0 10 1 00 1 140H41H42H43H读计数器0读计数器1读计

7、数器2无操作写计数器0写计数器1写计数器2写控制字162) 与外设的接口引脚uCLK02：计数器0、1、2 的外部计数时钟输入端。uGATE02：计数器0、1、2 的门控信号输入端。门控信号用来禁止、允许或重新开始一个新计数过程，详见各工作方式的说明。uOUT02：计数器0、1、2 的计数输出端。当定时/计数时间到时，该端输出标志信号。174.8253 的工作方式u8253共有6种不同的工作方式，在不同的工作方式下，计数过程的启动方式、OUT端的输出波形都不一样；自动重复功能和GATE的控制作用以及写入新的计数初值对计数过程产生的影响也不相同。181. 方式方式0 (计数结束产生中断计数结束产

8、生中断Interrupt on Terminal Count)u方式0为软件启动、不自动重复计数方式。u当写入控制字CW 后，OUT 信号变为低电平。u当将计数初值写入计数初值寄存器CR 后，利用下一个CLK 脉冲的下降沿将CR 的内容装入计数执行单元CE 中，再从下一个CLK 脉冲的下降沿开始，CE 执行减1 计数过程。u当写入控制字后，计数器的输出OUT 变成低电平，若门控信号GATE 为高电平，计数器开始减1 计数并且维持OUT 为低电平，直到CE 中的数值减到0 时，OUT 变为高电平，以向CPU 发出中断申请。19u门控信号GATE 可以暂停计数，当GATE0 时，计数停止；GATE

9、 恢复为高电平后，继续计数。所以，如果在计数过程中，有一段时间GATE 变为低电平，那么，输出端OUT的低电平持续时间会因此而延长相应的长度。u在计数过程中可以改变计数值，若是8 位数，在写入新的计数值后立即按新值重新开始计数，若是16 位数，写入第一个字节后计数停止，写入第二个字节后立即按新值重新计数。u不自动重复计数的特点：每写入一次计数初值只计数一个周期，若要重复计数需CPU再次写入计数初值。W RCWN=3CLKGATEOUT32221020方式方式0 计数结束产生中断计数结束产生中断GATEOUTCLK 031244方式方式0WR设设定定工工作作方方式式设设定定计计数数初初值值计计数

10、数值值送送入入计计数数器器计计数数过过程程计计数数结结束束212. 方式1 复触发单稳态(Hardware Retriggerable one-shot)u方式1 可以输出一个宽度可控的负脉冲。当CPU 写入控制字后，OUT 即变为高电平，计数器并不开始计数，而是等到门控信号GATE 上升沿到来后，并且在下一个时钟的下降沿才开始减1 计数，并使输出OUT 变为低，直到计数到0，输出OUT 再变为高。图为方式1 的工作波形图。u一旦启动，GATE端变低也不会影响计数；u可重复触发，当计数到0后，不用再次写入初值，只要用GATE的上升沿重新触发一次计数器，即可产生一个同样宽度的负脉冲。210210

11、WRGATECLKOUTCWN=221210GATEOUT提 前 触 发 ， 则 输 出 脉 冲 加 宽22方式1 复触发单稳态u如果在输出保持低电平期间，写入一个新的计数值，不会影响原计数过程，只有当门控GATE 上出现一个新的上升沿后，才使用新的计数值重新计数。u如果一次计数尚未结束GATE 上又出现新的触发脉冲，则从新的触发脉冲之后的CLK 下降沿开始重新计数，这时负脉冲的宽度将增加。210210WRGATECLKOUTCWN=221210GATEOUT提 前 触 发 ， 则 输 出 脉 冲 加 宽23方式方式1 可编程单稳脉冲可编程单稳脉冲设设定定工工作作方方式式设设定定计计数数初初值

12、值硬硬件件启启动动计计数数值值送送入入计计数数器器计计数数过过程程计计数数结结束束GATEOUTCLK 031244方式方式1WR243. 方式2 (分频器Rate Generator)u使用方式2 能对输入信号CLK进行n(n 为计数值)分频。当CPU 送出控制字后输出OUT将变高。若门控信号GATE 为高电平，当写入计数初值到CR 后，在下一个CLK 脉冲的下降沿，将CR 装入CE 并启动计数器工作，计数器对输入时钟CLK 进行计数，直至计数器减至1 时，输出OUT 变为低，经过一个时钟周期后输出OUT 又变为高，计数器自动从初值开始重新计数。u计数过程受门控信号GATE 的控制，GATE

13、 为低电平时暂停计数，由低电平恢复为高电平后，在第一个时钟下降沿从初值开始重新计数。在计数过程中改变初值，对正在进行的计数过程没有影响，但计数到1，OUT 变低一个CLK 周期后，CR 内容能自动地、重复地装入到CE 中，只要CLK 是周期性的脉冲序列，在OUT 上就能连续地输出周期性的分频信号。WRCWN=3CLKGATEOUT3213213254. 方式3 (方波发生器Square Ware Mode)u采用方式3 时，OUT 端输出连续方波，若计数值N 为偶数，则输出对称方波，前N/2个脉冲期间为高电平，后N/2 个脉冲期间为低电平；若N 为奇数，则前(N1)/2 个脉冲期间为高电平，后

14、(N1)/2 个脉冲期间为低电平。除输出波形不同外，方式3 的其他情况均同方式2。WRCWN=4CLKGATEOUT43214321265. 方式4 (软件触发选通脉冲Software Triggered Strobe)u当方式4 写入控制字后，OUT 输出即变为高电平，若门控信号GATE 为高电平，当写入计数初值到CR 后，在下一个CLK 脉冲的下降沿将CR 装入CE 并启动计数器工作，执行减1 计数过程，当计数到0 时输出一个时钟周期的负脉冲，计数器停止计数，这种计数方式是一次性的。只有输入新的计数值才重新开始新的计数。计数期间，如果写入新的计数值，立即按新值重新计数(具体情况同方式0)。

15、当门控GATE 为低电平时，计数停止；GATE 为高电平时，从初值开始重新计数u此方式中，计数过程的启动是由输出指令对CR 设置计数初值时被“触发”的，并且只有再次将初值写入CR 操作时才会启动另一个计数过程。GATEOUTCLK031244方式方式4223331 0WR276. 方式5 (硬件触发选通脉冲Hardware Triggered Strobe)u该方式在写入方式控制字后，输出OUT 保持高电平，然后写入计数初值到CR 后，OUT仍然维持高电平，但并不开始计数，只有当门控信号GATE 出现由低电平变高电平的上升沿后，下一个CLK 脉冲的下降沿才将CR 装入CE，并启动计数器开始对C

16、LK 脉冲计数(相当于由硬件触发计数过程)，当计数到0 时OUT 上输出一个CLK 周期的负脉冲，然后计数器停止。计数过程在未结束之前，GATE 上重新出现上升沿时，将使计数器从初值开始重新计数。方式5 是由GATE 的上升沿触发计数器开始计数操作。输出脉冲宽度在正常计数情况下，如果写入的计数初值为N，输出端OUT 维持N 个时钟周期的高电平，1 个时钟周期的低电平。GATEOUTCLK031244方式方式52233311 0WR28各种工作方式的输出波形各种工作方式的输出波形方式方式 0方式方式 1方式方式 2方式方式 3方式方式 4方式方式 50N0N0N0/N110NN/2 N/2 0/

17、N0N0 1N0 1N0 129说明说明(适用于所有工作方式适用于所有工作方式)：(1) 当控制字写入计数器后，所有控制逻辑电路立即处于复位状态，计数器输出端OUT进入规定的初始状态(高电平或低电平)。(2) 计数初值写入计数初值寄存器后，要经过一个时钟周期，计数器才开始计数。(3) 在时钟脉冲的上升沿对门控信号GATE 进行采样。(4) 计数器真正开始计数是在时钟脉冲的下降沿。u关于计数开始u处理器写入8253的计数初值只是写入了预置寄存器，之后到来的第一个CLK输入脉冲（需先由低电平变高，再由高变低）才将预置寄存器的初值送到减1计数器。u从第二个CLK信号的下降沿，计数器才真正开始减1计数

18、。30实验实验1计数开始计数开始实验实验1计数开始计数开始计数开始计数开始31实验实验2计数开始计数开始325.8253 的控制字与编程1)工作方式控制字2)初始化编程3)8253 在PC/XT 中的应用331)工作方式控制字工作方式控制字u8253 的编程控制比较简单，只有一个1 字节的控制字。该控制字用来设置各个计数通道的工作方式，以及计数值的锁存与读取(每个计数通道的计数值在计数过程中可随时读取，但控制字不能读取)。u8253 工作方式控制字的格式及含义如图所示。D7D6D5D4D3D2D1D034方式控制字方式控制字计数器读写格式工作方式数制D7D6D5D4D3D2D1D000 计数器

19、计数器001 计数器计数器110 计数器计数器211 非法非法00 计数器锁存命计数器锁存命令令 01 只读写低字节只读写低字节10 只读写高字节只读写高字节11 先读写低字节先读写低字节 后读写高字节后读写高字节000 方式方式0001 方式方式1010 方式方式2011 方式方式3100 方式方式4101 方式方式50 二进制二进制1 十进制十进制控制字写入控制字控制字写入控制字I/O地址（地址（A1A011）示例示例352)初始化编程初始化编程u8253 使用前，必须首先对其进行初始化，初始化包括写入控制字和计数初值。顺序如下：u当控制字D00 时，即二进制计数，初值可在0000HFFF

20、FH 之间选择，初值为0 表示最大值65536(216)；当控制字D01 时，装入初值应为BCD 码格式，其值可在00009999 之间选择，初值为0 表示最大值10000(104)。u控制字D5D4 位决定控制字的位数(8 位或16 位)，若为“01”，则只需写入计数值的低8 位，高8 位自动置0；若为“10”，则只需写入计数值的高8 位，低8 位自动置0；若为“11”，则计数值为16 位，分两次写入，必须先写低8 位，后写高8 位。u(3) 计数初值要写入各计数器对应的端口地址，计数器0 对应A1A000 的端口地址，计数器1 对应A1A001 的端口地址，计数器2 对应A1A010 的端

21、口地址。368253应用例应用例1u某系统中8253 的端口地址为40H43H，要利用其通道2 对CLK2 上的外部输入脉冲进行计数，计满100 个后向CPU 发中断请求，试写出相应初始化程序。u本例中采用二进制计数，则初值100 为64H，写入时只写低8 位即可。由于要向CPU发中断申请，我们设置通道2 工作在方式0，这样计数结束时的正跳变信号可作为中断请求信号 。控制字的格式应为：10010000B90HMOV AL，90HOUT 43H，ALMOV AL，64HOUT 42H，AL378253应用例应用例2u采用8253作定时/计数器，其接口地址为0120H0123H。u输入8253的时

22、钟频率为2MHz。要求：uCNT0在定时100s后产生中断请求uCNT1输出100KHz的连续方波信号uCNT2每1ms输出一个CLK周期宽的负脉冲u画线路连接图，并编写初始化程序. 388253应用例应用例CLK0GATE0OUT1D0D7WRRDA1A0CSDBIOWIORA1A0译码器译码器8253CLK2GATE1GATE2+5VCLK12MHzOUT0OUT2398253应用例应用例u计算计数初值： CNT0：100s/0.5us=200 CNT1：2 MHz/100KHz=20 CNT2： 1ms/0.5us=2000u确定控制字： CNT0：方式0，低8位计数值 CNT1：方式3

23、，低8位计数值 CNT2：方式2，16位计数值000100000101011010110100408253应用例应用例 初始化程序初始化程序CNT0：MOV DX，0123HMOV AL，10HOUT DX，ALMOV DX，0120HMOV AL，200OUT DX，ALCNT1：MOV DX，0123HMOV AL，56HOUT DX，ALMOV DX，0121HMOV AL，20OUT DX，ALCNT2：MOV DX，0123HMOV AL，0B4HOUT DX，ALMOV DX，0122HMOV AX，2000OUT DX，ALMOV AH，ALOUT DX，AL413)8253 在

24、在PC/XT 中的应用中的应用uPC/XT 中，使用了一片8253，其地址范围为40H43H，3 个CLK 的输入均为1.19MHz，GATE0 和GATE1 接5V 电源，GATE2 由8255 的PB0 控制。3 个计数通道的作用及BIOS 中初始化程序分别为：(1) 计数器0：编程为方式3，每55ms 向中断控制器的IRQ0 引脚发送一次中断请求信号，用 于CPU 计时和磁盘驱动器的定时。初始化程序如下：MOV AL，00110110B ；通道0 方式控制字OUT 43H，ALMOV AL，0OUT 40H，AL ；计数初值为65536OUT 40H，AL42(2) 计数器1：工作于方式

25、2，OUT1 输出接至DMA 请求触发器的CP 端，每隔15.12s请求 一次DMA 操作，进行动态RAM 的刷新。初始化程序如下：MOV AL，01010100BOUT 43H，ALMOV AL，12HOUT 41H，AL(3) 计数器2 用于产生方波驱动扬声器发声。BIOS 中有一个发声子程序BEEP，它对计数通 道2 的初始化代码为：MOV AL，10110110BOUT 43H，ALMOV AX，0533HOUT 42H，ALMOV AL，AHOUT 42H，AL43A0A1 A0 A1D0D7D0D7OUT1OUT2OUT0GATE0GATE1GATE2CLK0CLK1CLK2D Q

26、CLK+5V接至接至DMA控制器控制器接至扬声器驱动器接至扬声器驱动器PB0PB1IRQ0DRQ0 8253+5V1.19318MHzDACK0 BRDIORIOWRDWRCST/CCS44三、可编程并行接口三、可编程并行接口8255825545掌握掌握:u主要引线功能及结构u3种工作方式及其特点u应用:u芯片与系统的连接u芯片的初始化编程u数据输入/输出控制程序设计46可编程并行接口概念可编程并行接口概念uCPU 与外设间的数据传送都是通过接口来实现的。CPU 与接口的数据传输总是并行的，即一次传输8 位或者16 位；u而接口与外设间的数据传输则可分为两种情况：串行传送与并行传送。u串行传送

27、是数据在一根传输线上一位一位地传输，u而并行传输是数据在多根传输线上一次以8 位或16 位为单位进行传输。与串行传输相比，并行传输需要较多的传输线，成本较高，但传输速度快，尤其适用于高速近距离的场合。u能实现并行传输的接口称为并行接口，并行接口分为不可编程并行接口与可编程并行接口。不可编程并行接口通常由三态缓冲器及数据锁存器等搭建而成，这种接口的控制比较简单，但要改变其功能必须改变硬件电路。可编程接口的最大特点是其功能可通过编程设置和改变，因而具有极大的灵活性。478255A 的内部结构1) 数据总线缓冲器u该缓冲器为8 位、双向、三态的缓冲器，直接与系统数据总线相连，是CPU 与8255A间

28、传送数据的必经之路。各种命令字的写入及状态字的读取，都是通过该数据总线缓冲器传送的。2) 读/写控制逻辑uCPU 通过输入和输出指令，将地址信息和控制信息送至该部件，由该部件形成对端口的读/写控制，并通过A 组控制和B 组控制电路实现对数据、状态和控制信息的传输。488255A 的内部结构3) A 组和B 组控制uA 口及C 口的高4 位构成A 组，B 口及C 口的低四位构成B 组。A 组控制和B 组控制接收CPU 写入的控制字，并据此决定A 组端口及B 组端口的工作方式。4) 数据端口A、B、C(8255A 有3 个8 位数据端口，分别具有如下特点：(1) A 口具有一个8 位数据输入锁存器

29、和一个8 位数据输出锁存器/缓冲器端口A 无论用作输入口还是输出口，其数据均能被锁存。(2) B 口具有输出锁存器/缓冲器和输入缓冲器。作为输入口时，它不具备锁存能力，因此外设输入的数据必须维持到被微处理器读取为止。(3) C 口具有输出锁存器/缓冲器和输入缓冲器。C 口除用作输入和输出口外，在方式1及方式2 下，其部分引脚要作为A 口及B 口的联络信号用，具体情况在工作方式中介绍。498255A 的外部引脚1) 与微处理器连接的信号线2) 8255A 与外部设备连接的信号线508255A 的外部引脚1) 与微处理器连接的信号线uD7D0：数据线，三态双向8 位，与系统的数据总线相连。uCS：

30、片选信号，低电平有效。为低电平时，8255A 才能接受CPU 的读/写。uWR：写信号，低电平有效。为低电平时，CPU 可以向8255A 写入数据或控制字。uRD：读信号，低电平有效。为低电平时，允许CPU 从8255A 读取各端口的数据和状态。uA1，A0：端口地址选择信号。用于选择8255A 的3 个数据端口和一个控制端口。A1A000 选择A 口，A1A001 选择B 口，A1A010 选择C 口，A1A011 选择控制口。uRESET：复位信号，高电平有效。为高电平时，8255A 所有的寄存器清0，所有的输入/输出引脚均呈高阻态，3 个数据端口置为方式0 下的输入端口。518255A

31、的外部引脚2) 8255A 与外部设备连接的信号线uPA7PA0：A 口与外部设备连接的8 位数据线，由A 口的工作方式决定这些引脚用作输入/ 输出或双向。uPB7PB0：B 口与外部设备连接的8 位数据线，由B 口的工作方式决定这些引脚用作输入/ 输出。uPC7PC0：C 口8 位输入/输出数据线，这些引脚的用途由A 组、B 组的工作方式决定。52并行接口并行接口82558255的特点：的特点：u通道型接口u含3个独立的8位并行输入/输出端口，各 端口均具有数据的控制和锁存能力u可通过编程，设置各端口工作在某一确定 状态下。WRD0D1D2D3D4D5D6D7VCCPB7RDCSGNDA1A

32、0PA4PA5PA6PA7PB5PB6PB4PB3RESETPB1PB2PB0PC3PC2PC1PC0PC4PC5PC6PC7PA2PA1PA05101535302521PA3531. 引线引线连接系统端的主要引线：uD0-D7uCSuRDuWRuA0，A1 uREAST A1 A00 0 A端口端口0 1 B端口端口1 0 C端口端口1 1 控制寄存器控制寄存器54引线引线连接外设端的引脚：uPA0 PA7uPB0 PB7uPC0 PC7分别对应分别对应A、B、C三个端口三个端口558255与系统的连接示意图与系统的连接示意图D0D7WRRDA1A0CSDBIOWIORA1A0译码器译码器8

33、255A口口B口口C口口D0D7外外 设设562. 结构结构A组B组 端口端口A端口端口C的高的高4位位端口端口B端口端口C的低的低4位位573. 工作方式工作方式基本输入/输出方式（方式0）选通工作方式（方式1）双向传送方式（方式2）58方式方式0：u相当于三个独立的8位简单接口u各端口既可设置为输入口，也可设置为输出 口，但不能同时实现输入及输出uC端口可以是一个8位的简单接口，也可以分为 两个独立的4位端口u常用于连接简单外设，适于无条件或查询方式59方式方式0的应用的应用：u习惯上：uA端口和B端口作为8位数据的输入或输出口uC口的某些位作为状态输入u注：u若使C端口低4位中某一位作为

34、输入口，则低4位中其他位都应作为输入口。同时可设高4位作为输出。608255工作于方式工作于方式0的连接示意图的连接示意图D0D7WRRDA1A0CSDBIOWIORA1A0译码器译码器8255PA0 |PA7B口口PC0D0D7数据数据状态状态数据数据外设外设1外设外设261方式方式1：u利用一组选通控制信号控制A端口和B端口的数 据输入输出uA口、B口作输入或输出口，C口的部分位用作 选通控制信号uA口、B口在作为输入和输出时的选通信号不同输入输入输出输出62方式方式1的应用的应用：u方式1主要用于中断控制方式下的输入输出uC口的8位除用作选通信号外，其余位可工作 于方式0下，作为输入或输出口63方式