第二章输入输出接口和输入输出通道2-2

1、2022-5-11本节主要任务：本节主要任务：学会对存储器、学会对存储器、I/O端口的编址；端口的编址；掌握掌握I/O接口与系统的连接，接口与系统的连接，I/O接口的扩展接口的扩展技术；技术；设计一般的设计一般的I/O接口硬件电路。接口硬件电路。2.3 I/O接口设计接口设计2022-5-12I/O接口设计任务：接口设计任务：（1）根据生产过程和生产机械或管理的要）根据生产过程和生产机械或管理的要求及外设的特性选定求及外设的特性选定I/O控制方式；（这取控制方式；（这取决于对信息交换的速度和决于对信息交换的速度和CPU的工作效率的的工作效率的要求）要求）（2）设计）设计I/O接口硬件并编写相应

2、的接口控接口硬件并编写相应的接口控制程序。（这取决于控制速度、可靠性及成制程序。（这取决于控制速度、可靠性及成本）本）2022-5-13一、一、I/O接口的编址方式接口的编址方式 编址方式是为了区别存储器和编址方式是为了区别存储器和I/O接口读写操作而接口读写操作而设定的。分为设定的。分为I/O接口和存储器统一编址，接口和存储器统一编址，I/O接口接口独立编址。编址方式是由所选定的微处理器决定的。独立编址。编址方式是由所选定的微处理器决定的。（一）（一）I/O接口独立编址方式接口独立编址方式将存储器地址空间和将存储器地址空间和I/O接口地址空间分开设置，接口地址空间分开设置，互不影响。设有专门

3、的互不影响。设有专门的IN、OUT指令来完成指令来完成I/O操作。操作。如：如：Z80利用利用MREQ和和IORQ区分访问存储器还是区分访问存储器还是I/O接口。接口。8086在在最小模式最小模式下利用下利用M/IO来区分访问存储器还来区分访问存储器还是是I/O接口。（）接口。（）2022-5-148086在在最大模式最大模式下，由于引脚不够用，没有直接输下，由于引脚不够用，没有直接输出出M/IO、RD、WR，而是由，而是由S2， S1， S0输出三个总输出三个总线周期状态信号编码送至总线控制器线周期状态信号编码送至总线控制器8288，经，经8288解解决后，再生成决后，再生成IORC（读（读

4、I/O口）口） IOWC（写（写I/O口），口），即即S0 S1 S2CPU总线时间总线时间 8288控制信号控制信号读读I/O口口 IORC写写I/O口口 IOWC读存储器读存储器 MRDC写存储器写存储器 MWTC2022-5-15存储器存储器I/O端口端口00000HFFFFFH0000HFFFFH执行指令执行指令MOV，ADD，SHL，执行指令执行指令IN，OUT2022-5-16（二）（二）I/O接口与存储器统一编址方式接口与存储器统一编址方式 该方式把所有的该方式把所有的I/O接口的端口都当作是存储器的接口的端口都当作是存储器的一个单元对待，不设专门的一个单元对待，不设专门的I/O

5、指令，所有传送和访指令，所有传送和访问存储器的指令都可用来对问存储器的指令都可用来对I/O 口操作。口操作。Intel51系系列、列、96系列单片机都是采用统一编址方式的。系列单片机都是采用统一编址方式的。比较两种编址方式：（）比较两种编址方式：（）u独立编址：内存地址空间和独立编址：内存地址空间和I/O接口地址空间分开，接口地址空间分开，互不影响，译码电路较简单；设有专门的互不影响，译码电路较简单；设有专门的I/O指令，指令，程序易区分、执行时间短。程序易区分、执行时间短。缺点是缺点是要采用专门的要采用专门的I/O周期、周期、I/O控制线和有限的控制线和有限的I/O指令，使微处理器复指令，使

6、微处理器复杂化。杂化。u统一编址：统一编址： I/O接口可与存储器公用译码和控制电接口可与存储器公用译码和控制电路；访问内存的指令都可以用于路；访问内存的指令都可以用于I/O操作，数据处理操作，数据处理能力强。能力强。缺点是缺点是I/O接口要占用存储器地址空间的一接口要占用存储器地址空间的一部分；指令共用，难以区分部分；指令共用，难以区分I/O操作。操作。2022-5-17二、二、I/O接口与系统的连接接口与系统的连接常用的常用的I/O接口芯片有接口芯片有Z-80PIO、8255A和和8251A。I/O接口与外设之间的连接接口与外设之间的连接2022-5-18接口芯片与接口芯片与CPU之间必要

7、的连接信号有之间必要的连接信号有4类：类：1）数据信号）数据信号2）读写控制信号）读写控制信号3）片选信号和地址线）片选信号和地址线A1、A04）时钟、复位、中断控制、联络等信号）时钟、复位、中断控制、联络等信号2022-5-192022-5-1102022-5-111三、三、I/O接口扩展接口扩展1 扩展扩展I/O接口地址接口地址及及存储器容量存储器容量。1) 地址扩展地址扩展常用地址译码器有常用地址译码器有2：4（四中选一）、（四中选一）、3：8（八中选一）和（八中选一）和4：16（十六中选一）译码器（十六中选一）译码器等。比如等。比如74LS138（3：8）译码器和）译码器和74LS13

8、9和和74LS155（双（双2：4）译码器。）译码器。2022-5-11274LS138（3：8）译码器）译码器2022-5-113解答步骤：解答步骤：第一步、了解设计中所涉及到的芯片的引脚分布及其第一步、了解设计中所涉及到的芯片的引脚分布及其工作原理；工作原理；Z80CPU、并行接口芯片、并行接口芯片PIO、计数器、计数器/定时器定时器CTC、8位位ADC0808、8位位DAC0832第二步、分析各芯片地址分配情况；第二步、分析各芯片地址分配情况；第三步、连线。第三步、连线。例一例一: 采用采用8位的位的Z80CPU微机控制系统，按控制要求微机控制系统，按控制要求扩展一个并行接口芯片扩展一个

9、并行接口芯片PIO、一个计数器、一个计数器/定时器定时器CTC、一个一个8位的位的A/D转换器转换器ADC0808和一个和一个8位的位的D/A转换转换器器DAC0832。指定它们的地址分别是。指定它们的地址分别是40H43H、44H47H、58H和和5CH。2022-5-1142022-5-115试分析下图中试分析下图中8237A、8259A、8253、8255A的地址范围的地址范围2022-5-1162 存储器容量的扩展存储器容量的扩展 存储器容量：指一个存储器芯片所能存储的二进存储器容量：指一个存储器芯片所能存储的二进制信息量。制信息量。 容量容量 = 字数字数 X 字长字长如：如：Int

10、el 2732表示为表示为4K X 8B、Intel27512表示为表示为64K X 8B。 当单片存储器芯片（当单片存储器芯片（RAM或或ROM）的容量不能）的容量不能满足系统要求时，许多片组合以扩充字长（位扩充）满足系统要求时，许多片组合以扩充字长（位扩充）或字数（字扩充）。或字数（字扩充）。a）存储器位扩充）存储器位扩充举例说明举例说明用用1K X 1B的的SRAM芯片位扩充形成芯片位扩充形成1K X 8B的芯片的芯片组，所需芯片为：组，所需芯片为：)(81181片BKBK2022-5-117位扩展示意图位扩展示意图 这这8篇芯片地址线篇芯片地址线A0A9、片选信号、片选信号CS以及读以

11、及读/写控写控制信号制信号WE都分别连到一起，只有数据输出端都分别连到一起，只有数据输出端8片各自片各自独立，每片代表一位。当独立，每片代表一位。当CPU访问该芯片组时，其发访问该芯片组时，其发出的地址和控制信号同时传给出的地址和控制信号同时传给8个芯片，选中每个芯片个芯片，选中每个芯片的同一单元（一位），其单元内容被同时读至数据线的同一单元（一位），其单元内容被同时读至数据线的相应位或数据总线上的内容分别同时写入相应单元。的相应位或数据总线上的内容分别同时写入相应单元。2022-5-118字扩展示意图字扩展示意图 存储器位数满足要求需要扩充字数（单元数）时，存储器位数满足要求需要扩充字数（单

12、元数）时，同样需要多个芯片组成芯片组。如，用上述的同样需要多个芯片组成芯片组。如，用上述的1KX8B芯片组扩充成芯片组扩充成4KX8B芯片组，则需要的芯片组数芯片组，则需要的芯片组数)(48184组BKBK2022-5-119例二例二:用用4片片16KX8B的存储器芯片组成的存储器芯片组成64KX8B存储器连接存储器连接线路。线路。 分析：分析：16K存储器芯片的地址为存储器芯片的地址为14位，而位，而64K存储器存储器的地址应有的地址应有16位。连接时，各芯片的位。连接时，各芯片的14位地址线可位地址线可直接接地址总线的直接接地址总线的A0A13，而地址总线的，而地址总线的A15、A14则接

13、到则接到24译码器的输入端，其输出端四根选择译码器的输入端，其输出端四根选择线分别接到四片芯片的片选线分别接到四片芯片的片选CS端。端。4000H2022-5-120用用16KX8B的存储器芯片组成的存储器芯片组成64KX8B存储器存储器2022-5-1213 负载能力的的扩展负载能力的的扩展 扩展的扩展的I/O接口和存储器的数据线都同时挂在接口和存储器的数据线都同时挂在CPU的数据线上，各芯片的地址都要挂到的数据线上，各芯片的地址都要挂到CPU的地址线上，的地址线上，控制线也都挂到控制线也都挂到CPU的控制总线上。但系统总线的负的控制总线上。但系统总线的负载能力有限，所以在设计者自己设计微机

14、控制系统时，载能力有限，所以在设计者自己设计微机控制系统时，需要考虑需要考虑CPU各总线的负载能力。各总线的负载能力。 微机系统中，通常采用两种不同工艺制造的器件，微机系统中，通常采用两种不同工艺制造的器件，即即TTL器件和器件和MOS器件（器件（TTL又分标准又分标准TTL器件器件74XXX，和低功耗肖特基，和低功耗肖特基TTL器件器件74LSXXX）。它）。它们之间级连使用，逻辑电平是一致的（们之间级连使用，逻辑电平是一致的（“1”电平电平 1.83.8V，”0”电平电平 0.80.3V），但功耗和驱动能），但功耗和驱动能力有差别。表力有差别。表2-4列出了列出了TTL和和MOS器件的器件

15、的I/O电流。电流。2022-5-122MOS器件的输入电流小，驱动能力也差。一个器件的输入电流小，驱动能力也差。一个MOS器件只能带一个标准器件只能带一个标准74XXX器件（约器件（约-1.6mA）或四个或四个74LSXXX器件（器件（-0.4mA），但它可以驱动），但它可以驱动10个左右的个左右的MOS器件。通常，同类器件带器件。通常，同类器件带810个没有个没有问题，若超过了就要加驱动器。问题，若超过了就要加驱动器。2022-5-1232022-5-1242022-5-1252022-5-126四、四、I/O接口设计的方法、步骤及设计举例接口设计的方法、步骤及设计举例1) I/O接口设计

16、的方法、步骤接口设计的方法、步骤 接口设计的任务包括确定各外围设备的控制方式，接口设计的任务包括确定各外围设备的控制方式，接口硬件电路设计和接口控制软件设计。接口硬件电路设计和接口控制软件设计。 具体设计步骤如下：具体设计步骤如下：首先首先：了解外设或被控设备与：了解外设或被控设备与CPU之间信息交换的要之间信息交换的要求；（联络信号、求；（联络信号、I/O数据格式、数据格式、I/O线数量、最短响线数量、最短响应时间和服务时间估算、应时间和服务时间估算、I/O控制方式等）控制方式等）其次其次：考虑软硬件功能分配；（速度、成本、特性、：考虑软硬件功能分配；（速度、成本、特性、设计难以程度等）设计

17、难以程度等）再次再次：进行：进行I/O端口的数量统计、数据流向安排和端口端口的数量统计、数据流向安排和端口地址号分配；地址号分配；2022-5-127四、四、I/O接口设计的方法、步骤及设计举例接口设计的方法、步骤及设计举例第四第四：I/O接口硬件电路的扩展设计；（包括接口硬件电路的扩展设计；（包括 扩展方案选择、地址译码器扩展和负载扩展方案选择、地址译码器扩展和负载 能力扩展等）能力扩展等）第五第五：I/O接口控制软件设计。接口控制软件设计。最后最后：软硬件联调。：软硬件联调。 I/O接口扩展方案选择接口扩展方案选择:购置现成的多功能购置现成的多功能I/O接口板接口板1) 自行设计、安装接口

18、电路自行设计、安装接口电路2022-5-1282） 举例说明举例说明I/O接口设计接口设计例例1：8088CPU系统，有系统，有8组组8位的数字量和位的数字量和开关量由外部输入，同时有开关量由外部输入，同时有8组组8位的控制位的控制和显示数据输出到外部。若指定和显示数据输出到外部。若指定8个输入端个输入端口号为口号为E8HEFH，8个输出端口地址号为个输出端口地址号为F0H F7H，所有输入输出信息交换均可，所有输入输出信息交换均可采用无条件传送方式。试按此要求为该微采用无条件传送方式。试按此要求为该微机系统设计机系统设计I/O接口电路。接口电路。2022-5-1292022-5-130202

19、2-5-1312022-5-1322022-5-1332022-5-134 例例2：在：在8086最小模式系统中，采用最小模式系统中，采用8255A作为连接打印机的接口，若指定作为连接打印机的接口，若指定分给分给8255A的的A、B、C和控制端口号分和控制端口号分别为别为FFF8H、FFFAH、FFFCH和和FFFEH，试设计接口电路和有关的软件。，试设计接口电路和有关的软件。2022-5-135设计过程：设计过程：（1）8255A与打印机端口的连接与打印机端口的连接 CPU与打印机的联络既可以用程序控制方式，与打印机的联络既可以用程序控制方式，也可以用中断方式，这里以程序控制方式来设计。也可

20、以用中断方式，这里以程序控制方式来设计。设定设定8255A的的A端口工作于方式端口工作于方式0，输出方式，向，输出方式，向打印机传送字符数据。打印机传送字符数据。B端口不用。端口不用。C端口用于端口用于传送状态和控制信息，也工作于方式传送状态和控制信息，也工作于方式0，分配，分配PC2做状态线来接收打印机的忙状态信号。分配做状态线来接收打印机的忙状态信号。分配PC6作为控制信号，由它产生和输出一个负脉冲作为控制信号，由它产生和输出一个负脉冲作为数据选通信号，将数据线上的数据打入打印作为数据选通信号，将数据线上的数据打入打印机缓冲器。机缓冲器。2022-5-136（2）8086与与8255A的连接的连接 8086的的MN/MX端接端接+5V，表示其工作于最小模式。，表示其工作于最小模式。因因8255A只用只用8位数据线，用位数据线，用8086的低的低8位数据线与之位数据线与之相连即可。选用相连即可。选用3片正电平触发的八片正电平触发的八D触发器触发器74LS373作为地