第8章输入输出接口

第8章输入输出接口本章教学目的通过输入输出接口是计算机的重要组成部分，通过I/O接口控制方式的学习，使学生初步了解主机与外设的主要通信方式及其特点，通过并行接口8255A的学习和实践，使学生接触具体的接口形式，从而进一步加深对接口知识的理解。本章主要外语词汇I/O：Input/Output，输入/输出接口DMA：DirectMemoryAccess，直接存储器存取方式主要内容微型计算机的输入/输出接口并行通信与并行接口可编程并行通信接口芯片8255A串行通信及串行接口可编程串行通信接口芯片8251A本章学习要求1.掌握并行接口的概念,可编程并行接口芯片的功能；可编程并行接口芯片8255A的结构,其三种工作方式及特点；8255A的使用；8255A的端口地址分配,方式0的功能及端口命令字的设置。

2.理解8255A各种工作方式的区别3.了解主机与外设间数据传送的基本控制方式（程序控制方式，中断方式,DMA方式）简单了解串行通信的概念。

I/O接口概述为什么需要I/O接口（电路）？微机的外部设备多种多样工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大它们不能与CPU直接相连,必须经过中间电路再与系统相连这部分电路被称为I/O接口电路什么是I/O接口（电路）？I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板（适配器）都是接口电路RS-2328.1.1输入/输出接口交换信号可分为四种：①数字量，二进制数据，最小单位是一个bit(位)，还有字节、字等。②模拟量，现场信号大多是由传感器来的模拟电压或电流，他们必须经过A/D转换，变成数字量才能进入计算机，有些接口有处理模拟量的电路，称为模拟接口。③开关量，开关量只有两种状态，即“开”或“关”，可用一位二进制数表示，如“1”表示“开”，“0”表示“关”。④脉冲量，脉冲量是以脉冲形式表示的一种信号，如计算机中用到的定时脉冲或控制脉冲等。

8.1微机的输入/输出接口8.1.2输入/输出的控制方式在微机系统中，可采用的输入/输出控制方式一般有4种：

1.程序控制方式

这是指在程序控制下进行信息传送。程序控制方式可以分为： （1）无条件传送方式 （2）条件传送方式无条件传送方式：当外设已准备就绪，那就不必查询外设的状态而进行信息传输，这就称为无条件传送。这种信息传送方式只适用于简单的外设，如开关和数码段显示器等。74LS138:（2）条件传送方式：

CPU通过执行程序不断读取并测试外部设备状态，如果输入外部设备处于已准备好状态或输出外部设备为空闲状态时，则CPU执行传送信息指令。也称为“查询式传送”。2.中断控制方式 中断控制方式一般用来传送低速外部设备与CPU之间的信息交换。每操作一次，CPU要打断原来执行的程序去执行一般中断服务程序。优点：中断传送方式的优点是：CPU不必查询等待，工作效率高，CPU与外设可以并行工作；由于外设具有申请中断的主动权，故系统实时性比查询方式要好得多。缺点：对速度较高的外部设备会产生信息丢失，因此不能采用。3.DMA控制方式

DMA控制方式是一种成块传送数据的方式。

在存储器和外设之间、存储器和存储器之间直接进行数据传送，传送过程无需CPU介入优点：在传送时就不必进行保护现场等一系列额外操作，传输速度基本取决于存储器和外设的速度。4.输入/输出处理机控制方式对于有大量输入/输出设备的微机系统，DMA控制方式已不能满足这种需要。Intel公司生产与86系列配套的输入/输出处理机(IOP)8089。8.2并行通信与并行接口并行通信

把一个字符的各数位用几条线同时进行传输，传输速度快，信息率高。

但它比串行通信所用的电缆多，因此，并行通信常用在传输距离较短(几米至几十米)和数据传输率较高的场合。并行接口

实现并行通信的接口就是并行接口。典型的并行接口和外部设备连接如图8-4所示。图中的并行接口用一个通道和输入设备相连，用另一个通道和输出设备相连，每个通道中除数据线外均配有一定的控制线和状态线。并行接口的输入过程外部设备将数据送给接口，使状态线“数据输入准备好”成为高电平。接口把数据接收到数据输入缓冲寄存器，使“数据输入回答”线变为高电平，作为对外部设备的响应。外部设备接到此信号，撤除数据和“数据输入准备好”信号。数据到达接口中后，接口会在状态寄存器中设置“输入准备好”状态位，以便CPU对其进行查询,接口也可以在此时向CPU发一个中断请求。CPU既可以用软件查询方式，也可以用中断方式来设法读取接口中的数据。CPU从并行接口中读取数据后，接口会自动清除状态寄存器中的“输入准备好”状态位，并且使数据总线处于高阻状态。并行接口的输出过程CPU既可以用软件查询方式，也可以用中断方式设法往接口中输出一个数据。每当外部设备从接口取走一个数据之后，接口就会将状态寄存器中的“输出准备好”状态位置“1”，以表示CPU当前可以往接口中输出数据，这个状态位可供CPU进行查询。接口也可以向CPU发一个中断请求。CPU输出的数据到达接口的输出缓冲寄存器中接口自动清除“输出准备好”状态位，并且将数据送往外部设备---接口往外部设备发送一个“驱动信号”来启动外部设备接收数据外部设备被启动后，开始接收数据，并往接口发一个“数据输出回答”信号接口收到此信号，便将状态寄存器中的“输出准备好”状态位重新置“1”，以便CPU输出下一个数据。8.3可编程并行通信接口芯片8255A8255A是Intel86系列微处理机的配套并行接口芯片，它可为86系列CPU与外部设备之间提供并行输入/输出的通道。由于它是可编程的，可以通过软件来设置芯片的工作方式，所以，用8255A连接外部设备时，通常不用再附加外部电路，很方便使用。8.3.18255A芯片内部结构及其功能数据总线缓冲器内部控制线内部数据线D0～D7A组控制A组端口AA组端口C上部B组控制B组端口BB组端口C下部读写控制逻辑PC0～PC3PB0～PB7PC4～PC7PA0～PA7RDWRA0A1CSRESET1.并行输入/输出端口A，B，C8255A芯片内部包含3个8位端口，其中：端口A包含一个8位数据输出锁存/缓冲存储器和一个8位数据输入锁存器端口B包含一个8位数据输入/输出、锁存/缓冲存储器和一个8位数据输入缓冲存储器；端口C包含一个输出锁存/缓冲存储器和一个输入缓冲存储器。必要时端口C可分成两个4位端口，分别与端口A和端口B配合工作，通常将端口A和端口B定义为输入/输出的数据端口，而端口C可作为状态或控制信息的传送端口。2.A组和B组控制部件A组和B组各有一个控制单元，可接收来自读/写控制部件的命令和CPU通过数据总线(D7～D0)送来的控制字，并根据它们来定义各个端口的操作方式。端口A与端口C的高4位(PC7～PC4)构成A组，由A组控制部件实现控制功能端口B与端口C的低4位(PC3～PC0)构成B组，由B组控制部件实现控制功能3.数据总线缓冲存储器这是一个三态双向8位数据缓冲存储器，它是8255A与8086CPU之间的数据接口。CPU执行输出指令时，可将控制字或数据通过数据总线缓冲存储器传送给8255A。CPU执行输入指令时，8255A可将状态信息或数据通过总线缓冲存储器向CPU输入。4.读/写控制部件这是8255A内部完成读/写控制功能的部件，它能接收CPU的控制命令，并根据它们向片内各功能部件发出操作命令。可接收的控制命令如下：(1)CS——片选信号。由CPU输入，通常由端口的高位地址码(A15～A2)译码得到，CS有效，表示该8255A被选中。(2)RD，WR——读、写控制信号。由CPU输入，RD有效，表示CPU读8255A，应由8255A向CPU传送数据或状态信息。WR有效，表示CPU写8255A，应由CPU将控制字或数据写入8255A。(3)RESET——复位信号。由CPU输入。RESET有效时，清除8255A中所有控制字寄存器内容，并将各端口置成输入方式。(4)A1和A0——端口选择信号。当A1A0＝00，选择端口A；当A1A0＝01，选择端口B；当A1A0＝10，选择端口C；当A1A0＝11，选择控制字寄存器。8255A的操作:

A1A0RDWRCS操作00010端口A数据送CPU（输入）01010端口B数据送CPU（输入）10010端口C数据送CPU（输入）11010非法操作00100CPU数据送端口A（输出）01100CPU数据送端口B（输出）10100CPU数据送端口C（输出）11100CPU数据送控制口××110数据总线浮空××××1未选中该8255，数据总线浮空8.3.28255A芯片的控制字及其工作方式8255A中各端口可有3种基本工作方式：方式0：基本输入输出方式适用于无条件传送和查询方式的接口电路方式1：选通输入输出方式适用于查询和中断方式的接口电路方式2：双向选通传送方式适用于与双向传送数据的外设适用于查询和中断方式的接口电路端口A可处于3种工作方式(方式0，方式1和方式2)端口B只可处于两种方式(方式0和方式1)端口C常常被分成高4位和低4位两部分，可分别用来传送数据或控制信息.用户可用软件来分别定义3个端口的工作方式，可使用的控制字有定义工作方式控制字和置位/复位控制字。1.控制字(1)定义工作方式控制字：

通过定义工作方式控制字可将3个端口分别定义为3种不同方式的组合，当将端口A定义为方式1或方式2或将端口B定义为方式1时，要求使用端口C的某些位作控制用，这时需要使用一个专门的置位/复位控制字来对控制端口C的各位分别进行置位/复位操作。(2)置位/复位控制字：只对端口C有效，其使用格式如下图所示2.工作方式：（1）工作方式0这是8255A中各端口的基本输入/输出方式。它只完成简单的并行输入/输出操作，CPU可从指定端口输入信息，也可向指定端口输出信息。如果3个端口均处于工作方式0，则可由工作方式控制字定义16种工作方式的组合。（2）工作方式1：（输入引脚：A端口）数据选通信号表示外设已经准备好数据输入缓冲器满信号表示A口已经接收数据中断请求信号请求CPU接收数据PC4PC5PC3PA7~PA0INTEAIBFAINTRASTBA中断允许触发器PC6、72I/O方式1(输入引脚：B端口)PC2PC1PC0PB7~PB0INTEBIBFBINTRBSTBB数据选通信号表示外设已经准备好数据输入缓冲器满信号表示B口已经接收数据中断请求信号请求CPU接收数据中断允许触发器方式1需借用端口C用做联络信号同时还具有中断请求和屏蔽功能方式1(输入联络信号)STB*——选通信号，低电平有效由外设提供的输入信号，当其有效时，将输入设备送来的数据锁存至8255A的输入锁存器IBF——输入缓冲器满信号，高电平有效8255A输出的联络信号。当其有效时，表示数据已锁存在输入锁存器INTR——中断请求信号，高电平有效8255A输出的信号，可用于向CPU提出中断请求，要求CPU读取外设数据方式1(中断控制)8255A的中断由中断允许触发器INTE控制置位允许中断，复位禁止中断对INTE的操作通过写入端口C的对应位实现，INTE触发器对应端口C的位是作应答联络信号的输入信号的那一位，只要对那一位置位/复位就可以控制INTE触发器选通输入方式下端口A的INTEA对应PC4端口B的INTEB对应PC2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输出缓冲器满信号表示CPU已经输出了数据中断请求信号请求CPU再次输出数据PC6PC7PC3PA7~PA0INTEAOBFAINTRAACKA中断允许触发器方式1(输出引脚：B端口)PC2PC1PC0PB7~PB0INTEBOBFBINTRBACKB外设响应信号表示外设已经接收到数据输出缓冲器满信号表示CPU已经输出了数据中断请求信号请求CPU再次输出数据中断允许触发器方式1(输出联络信号)OBF*——输出缓冲器满信号，低有效8255A输出给外设的一个控制信号，当其有效时，表示CPU已把数据输出给指定的端口，外设可以取走ACK*——响应信号，低有效外设的响应信号，指示8255A的端口数据已由外设接受INTR——中断请求信号，高有效当输出设备已接受数据后，8255A输出此信号向CPU提出中断请求，要求CPU继续提供数据端口A的INTEA对应PC6端口B的INTEB对应PC2方式1的应用:端口A和端口B均工作于工作方式1A、B都完成输入操作功能A、B都完成输出操作功能A、B其中一个输入，另一个输出端口A、B都为方式1输入操作工作方式控制字可设置如下端口状态如下图所示当端口A和端口B同时被定义为工作方式1完成输入操作时，端口C的PC5～PC0被用作控制信号，只有PC7和PC6位可完成数据输入或输出操作。因此这实际上可构成两种组合状态：端口A，B输入，PC7，PC6输入端口A，B输入，PC7，PC6输出。当A、B同时完成输出或其中一个输入、一个输出情况类似，只是使用信号和控制字不同。方式2-双向方式8255A中只允许端口A处于工作方式2，方式2将方式1的选通输入输出功能组合成一个双向数据端口，可以发送数据和接收数据，可用来在两台处理机之间实现双向并行通信。其有关的控制信号由端口C提供，并可向CPU发出中断请求信号。当端口A工作于方式2时，允许端口B工作方式0或方式1完成输入/输出功能。方式2的数据输入过程与方式1的输入方式一样方式2的数据输出过程与方式1的输出方式有一点不同：数据输出时8255A不是在OBF*有效时向外设输出数据，而是在外设提供响应信号ACK*时才送出数据方式2双向引脚PC6PC7PC3PA7~PA0INTE1OBFAINTRAACKAPC4PC5IBFASTBAINTE2用PC6设置INTE1（输出）用PC4设置INTE2（输入）输入和输出中断通过或门输出INTRA信号端口A工作于方式2所需要的5个控制信号分别由端口C的PC7～PC3来提供。如果端口B工作于方式0，那么PC2～PC0可用作数据输入/输出；如果端口B工作于方式1，那么PC2～PC0用来作端口B的控制信号当端口A工作于方式2时，允许端口B工作方式0或方式1完成输入/输出功能，其方式控制字格式如下图所示。例18255A初始化编程。设8255A的A口工作方式1输出，B口工作方式1输入，PC4和PC5输入，禁止B口中断。设片选信号CS由A9A2=10000000确定。试编写程序对8255A进行初始化。8255A并行接口应用举例初始化程序如下：MOV AL，10101110B ；控制字送ALMOV DX，1000000011B ；8255A控制字寄存器地址送DXOUT DX，AL ；控制字送8255A的控制寄存器MOV AL，00001101B ；PC6置1，允许A口中断OUT DX，ALMOV AL，00000100B ；PC2置0，禁止B口中断OUT DX，AL例2将外设开关的二进制状态从A口输入，并由B口输出到LED显示器，如图5.22所示。

符号形状7段码.gfedcba符号形状7段码.gfedcba’0’00111111’8’01111111’1’00000110’9’01100111’2’01011011’A’01110111’3’01001111’B’01111100’4’01100110’C’00111001’5’01101101’D’01011110’6’01111101’E’01111001’7’00000111’F’01110001DATA SEGMENTLEDTAL DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H DB7FH,67H,77H,7CH,39H,5EH,79H,71HDATA ENDSCODESEGMENTMAIN PROCFARASSUMECS：CODE，DS：DATASTART：PUSH DS MOV AX，0 PUSH AX MOV AX，DATA ；装填数据段寄存器DSMOV DS，AX

MOV AL，90H ；设置方式选择字

OUT 0D3H，AL

8255A端口地址为D0-D3H，A口工作于方式0输入，B口工作于方式0输出，程序如下：

AA:in al,0D0H ；读端口A and al,0FH ；取端口A低4位

movbx,offsetLEDTAL；取LED显示代码表首地址

xlat ；查表，AL←(BX+AL) out 0D1H,al ；从端口B输出LED显示代码

movax,1000 ；延迟

BB:dec ax jnz BB jmp AA ；返回到AA

RETMAINENDPCODEENDS ENDSTART8.4串行通信及串行接口8.4.1串行通信线路的工作方式串行通信指的是数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。串行通信只要一条传输线，将数据逐位顺序传送。串行通信的特点如下：

1、长短离传送成本低，节省传输线，这是显而易见的。这也是串行通信的主要优点。

2、数据传送效率低。与并行通信比，这也这是显而易见的。这也是串行通信的主要缺点。

3、接口复杂。例如：传送一个字节，并行通信只需要1t的时间，而串行通信至少需要8t的时间。数据串行通信的三种方式：单工方式半双工方式全双工方式发送器与接收器

发送缓冲器接收缓冲器并串变换寄存器串并变换寄存器……...………..……..通信线路CPU发送数据CPU接收数据………...………..发送时钟接收时钟接收控制接收控制发送器接收器8.4.2串行接口串行接口有许多种类，典型的串行接口如下图所示，包括4个主要寄存器：控制寄存器、状态寄存器、数据输入寄存器及数据输出寄存器。RS232UARTUSB8.4.3串行通信数据的收发方式有异步和同步两种:1.异步通信方式所谓异步，是指发送设备和接收设备在约定的波特率(每秒钟传送的位数)下，不需要严格的同步，允许有相对的延迟。即两端的频率差别在1/10以内，就能正确地实现通信。在进行异步传送时必须确定字符格式及波特率。

起始位：每个字符的开始必须是持续一个比特时间的逻辑“0”电平，标志着一个字符的开始。停止位：可设置为1位、1.5位或2位，并规定为逻辑“1”状态。图异步传送数据格式(a)有空闲位；(b)无空闲位

波特率每秒传送数据的位数称为传送速率，即波特率(bandrate)。波特率一般在300，600，900，1,200，2,400，…，9,600波特之间。计算机之间的异步通信速率一经确定后，一般不应变动，但通信的数据是可变动的，也就是数据组之间的空闲位是可变的。2.同步通信方式同步，就是指取掉异步传送时每个字符的起始位和停止位，仅在数据块开始处用12个同步字符来表示数据块传送的开始，然后串行的数据块信息以连续的形式发送，每个发送时钟周期发送一位信息，故同步传送中要求对传送信息的每一位都必须在收、发两端严格保持同步，实现“位同步”。

(1)面向字符型的数据格式：单同步数据格式：传送一帧数据仅使用一个同步字。当接收端检测到一个完整的同步字后，就连续接收数据。双同步数据格式：利用两个同步字进行同步。外同步数据格式：在发送的一帧数据中不包含同步字。同步由专门的控制线产生一个同步信号SYNC加到串行接口上。(a)单同步数据格式；(b)双同步数据格式；(c)SDLC数据格式;(d)HDLC数据格式；(e)外同步格式(2)面向比特型的数据格式：IBM公司推出的同步数据链路控制数据格式SDLC。ISO推荐的高级数据链路控制数据格式HDLC。8.5可编程串行通信接口芯片8251A8251A是一个通用串行输入/输出接口，能将并行输入的8位数据变换成逐位输出的串行信号；也能将串行输入数据变换成并行数据，一次传送给处理机。广泛应用于长距离通信系统及计算机网络。(1)发送器：发送缓冲存储器、并串转换、发送控制电路。功能是从CPU接收并行数据，自动加上适当的成帧信号并转换成串行数据后从TXD引脚发送出去。8251A内部结构框图：(2)接收器功能是从RXD引脚接收串行数据，按指定的方式装配成并行数据。(3)数据总线缓冲存储器用于向CPU传递命令、数据或状态信息。与CPU相互交换的数据和控制字就存放在这里，共有三个缓冲器。(4)读/写控制逻辑：功能是接收CPU的控制信号，控制数据的传送方向。(5)调制解调器控制：提供和调制解调器的联络信号。8.5.28251A芯片的控制字及其工作方式可编程串行通信接口芯片8251A在使用前必须进行初始化，以确定它的工作方式，传送速率，字符格式以及停止位长度等，可使用的控制字如下：

1.方式选择控制字其使用格式如图8.28所示。B2B1位用来定义8251A的工作方式是同步方式还是异步方式，如果是异步方式还可由B2B1的取值来确定传送速率。×1表示输入的时钟频率与波特率相同，允许发送和接收波特率不同，RXC和TXC也可不相同，但是它们的波特率系数必须相同；×16表示时钟频率是波特率的16倍；×64表示时钟频率是波特率的64倍。因此通常称1，16和64为波特率系数，它们之间存在如下的关系：发送/接收时钟频率＝发送/接收波特率×波特率系数L2L1位用来定义数据字符的长度可为5，6，7或8位。PEN位用来定义是否带奇偶校验，称作校验允许位。在PEN＝1情况下，由EP位定义是采用奇校验还是偶校验。S2S1位用来定义异步方式的停止位长度(1位、15位或2位)。对于同步方式，S1位用来定义是外同步(S1＝1)还是内同步(S1＝0)，S2位用来定义是单同步(S2＝1)还是双同步(S2＝0)。2.操作命令控制字其使用格式如图8.29所示，TXEN位是允许发送位，TXEN＝1，发送器才能通过TXD线向外部串行发送数据。DTR位是数据终端准备好位。DTR＝1，表示CPU已准备好接收数据，这时DTR引线端输出有效。RXE位是允许接收位。RXE＝1，接收器才能通过RXD线从外部串行接收数据。SBRK位是发送断缺字符位。SBRK＝1，通过TXD线一直发送“0”信号。正常通信过程中SBRK位应保持为“0”。ER位是清除错误标志位。8251A设置有3个出错标志，分别是奇偶校验标志PE，越界错误标志OE和帧校验错标志FE。ER＝1时将PE，OE和FE标志同时清“0”。RTS位是请求发送信号。RTS＝1，迫使8251A输出RTS有效，表示CPU已作好发送数据准备，请求向调制/解调器或外部设备发送数据。IR位是内部复位信号。IR＝1，迫使8251A回到接收方式选择控制字的状态。EH位为跟踪方式位。EH位只对同步方式有效，EH＝1，表示开始搜索同步字符，因此对于同步方式，一旦允许接收(RXE＝1)，必须同时使EH＝1，并且使ER＝1，清除全部错误标志，才能开始搜索同步字符。从此以后所有写入的8251A的控制字都是操作命令控制字。只有外部复位命令