微机原理与接口技术第10章

1、10.1 概述,10.1.1 并行通信 1. 并行接口 并行接口中各位数据都是并行传输的，它以字节（或字）为单位。并行通信以同步方式传输，其特点是：传输速度快；硬件开销大；只适合近距离传输。一个并行接口中包括状态信息、控制信息和数据信息。 状态信息 状态信息表示外设当前所处的工作状态。,第10章 并行和串行接口电路,控制信息 控制信息是由CPU发出的，用于控制外设接口的工作方式以及外设的启动和停机信息等。 数据信息 CPU与并行外设数据交换的内容。 状态信息、控制信息和数据信息，通常都是通过数据总线传送，这些信息在外设接口中分别存放在不同的端口中。,寄存CPU对外设的操作命令,存放外设的信息，

2、CPU通过它了解外设的状态,暂存数据，因为CPU的速度远高于外设,撤销“输入数据准备好” 在状态寄存器中设置“准备好输入”状态位,3. 数据输入过程,CPU可以用软件查询方式，也可以用中断的方式将接口中的数据输入到CPU中。,3. 数据输入过程,撤销“输入数据准备好”,撤销“输出数据准备好”,4. 数据输出过程 当数据输出后，输出缓冲寄存器“空”，状态寄存的“输出数据准备好”位有效，CPU可以用软件查询方式查询。同时接口也可向CPU发出一个中断请求信号，将CPU的数据输出到接口。,4. 数据输出过程,撤销“输出数据准备好”,10.1.2 串行通信 串行通信是通过一位一位地进行数据传输来实现通信

3、。串行通信具有传输线少，成本低等优点，适合远距离传送。缺点是速度慢，若并行传送n位数据需时间T，则串行传送的时间最少为nT。通过一对导线传送信息。 1. 串行接口的组成 串行接口主要由控制寄存器、状态寄存器、数据输入寄存器和数据输出寄存器4部分组成。,图10.2 串行接口与CPU、外设的连接,数据寄存器 数据输入寄存器：在输入过程中，串行数据一位一位地从传输线进入串行接口的移位寄存器，经过串入并出(串行输入并行输出)电路的转换，当接收完一个字符之后，数据就从移位寄存器传送到数据输入寄存器，等待CPU读取。 数据输出寄存器：在输出过程中，当CPU输出一个数据时，先送到数据输出缓冲寄存器，然后，数

4、据由输出寄存器传到移位寄存器，经过并入串出(并行输入串行输出)电路的转换一位一位地通过输出传输线送到对方。,发送时钟：串行数据的发送的时间间隔可由发送时钟周期来划分。 接收时钟：传输线上送来的串行数据序列由接收时钟作为移位寄存器的触发脉冲，逐位打入移位寄存器。,2. 串行通信中使用的术语 发送时钟和接收时钟 把二进制数据序列称为比特组。每一位持续的时间是固定的，在发送时是以发送时钟作为数据位的划分界限，在接收时是以接收时钟作为数据位的检测。,3. 串行通信中的工作方式 单工工作方式 传输的线路用一根线连接，通信的一端连接发送器，另一端连接接收器，只允许数据按照一个固定的方向传送。 半双工工作方

5、式 一根线连接，发送和接收不可能同时进行，这种传输方式称为半双工工作方式。半双工通信工方式类似对讲机，双方不能同时进行发送和接收。,全双工工作方式 分别用2根独立的传输线(一般是双绞线，或同轴电缆)来连接发送信号和接收信号，这样发送方和接收方可同时进行工作，称为全双工的工作方式。全双工通信工方式类似电话机，双方可以同时进行发送和接收。,4. 同步通信和异步通信方式 同步通信方式 同步通信方式的特点是：由一个统一的时钟控制发送方和接收方，字符要一个接着一个传送；没有字符时，也要发送“空闲”字符或者是同步字符。要求必须连续传送字符，每个字符的位数要相同，中间不允许有间隔。 同步传输的特征是：在每组

6、信息的开始(常称为帧头)要加上l一2个同步字符，后面跟着8位的字符数据。,异步通信方式 异步通信的特点是：字符是一帧一帧的传送，每一帧字符的传送靠起始位来同步。在数据传输过程中，传输线上允许有空字符。在异步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。异步通信中发送方和接收方的时钟频率也不要求完全一样。,5. 通信中必须遵循的规定 字符格式的规定 通信中，传输字符的格式要按规定写。,比特率、波特率(baudrate) 比特率：每秒传输的二进制数的位数bit/s(位/秒) ，即每秒传输的信号脉冲数。 波特率：每秒钟内发生二进制信号的事件数，用来表示一个

7、二进制数据位的持续时间。即每秒传输的有效数据位数。,波特率1/二进制位的持续时间 比特率可以大于或等于波特率，假定用正脉冲表示“1”，负脉冲表示“0”，这时比特率就等于波特率。假如每秒钟要传输10个数据位，则其速率为l0波特，若发送到传输介质时，把每位数据用10个脉冲来调制，则比特率就为100b/s，即比特率大于波特率。,10.2 可编程并行接口电路Intel 8255A,并行接口电路，在早期的微机中与串行口、软盘接口、硬盘接口等都放在一块多功能接口卡上，插在微机的扩展槽上使用。现在这部分电路已在微机的主板上由与CPU配套的芯片组北桥来实现其功能。如果要在其他的场合实现并行数据传送，在电路设计

8、时采用专用的接口芯片最为方便。可编程的接口芯片8255A是完成并行通信的集成电路芯片。,10.2.1 8255A的主要性能和内部结构 8255A有三个端口(A、B和C端口)，每个端口8条线。,1. 三个独立的数据口 8255A三个数据口彼此独立。 1) A端口 A端口对应一个8位的输入锁存器和一个8位的输出锁存器和缓冲器，适合用在双向的数据传输场合。 2) B端口和C端口 这两个口分别是由一个8位的输入缓冲器和一个8位的输出锁存器和缓冲器组成。B端口和C端口用作输入口时，则不能对数据实现锁存。,3. 读写控制逻辑电路,2. A组控制电路和B组控制电路 A组控制电路控制A端口和C端口的高4位(P

9、C4PC7)。B组控制电路控制B端口和C端口的低4位(PC0PC3)。,1. 与CPU相连的引脚 RESET：芯片的复位信号。复位后把8255A内部的所有寄存器都清0，并将三个数据口自动设置为输入口。 CS：片选信号，低电平时有效。 RD：读信号，低电平有效。 WR：写信号，低电平有效。 A1、A0：端口译码信号。用来选择8255A内部的三个数据端口和一个控制端口的地址。其中对控制口只能进行写操作。,10.2.2 8255A的外部特性,(1) 当A1A0=00时，选中A端口。 (2) 当A1A0=01时，选中B端口。 (3) 当A1A0=10时，选中C端口。 (4) 当A1A0=11时，选中控

10、制端口。 D7D0：双向三态8位数据线，与系统的数据总线相连接。,2. 和外设端相连的引脚 PA7PA0：A端口的输入/输出引脚 PB7PB0：B端口的输入/输出引脚 PC7PC0：C端口的输入/输出引脚,10.2.3 8255A的控制字和编程 8255A的控制字分为两种，分别称为方式选择控制字和端口C置1/置0控制字。 1. 方式选择控制字 方式选择控制字决定三个数据端口的工作方式。,图10.8 8255A的方式选择控制字,例：要求8255A的A端口作输入，B端口和C端口作输出，A组工作在方式0，B组工作在方式1。,MOV AL，94H ；方式选择控制字送AL MOV DX，控制端口地址（地

11、址长度大于8位） OUT DX，AL ；方式选择控制字输出给控制端口,图10.9 8255A的C端口置1/置0控制字,2. C端口置1/置0控制字 此控制字可以单独设置C端口某一位为0或为1。 D71：方式选择控制字 D70：C端口置1/置0控制字,都是发送到控制端口,例如，要将C端口的PC3置0，PC7置1。 MOV AL，06H ；PC3置0控制字送AL MOV DX，控制端口地址 OUT DX，AL ；对PC3完成置0操作 MOV AL，0FH ；PC7置1控制字送AC OUT DX，AL ；完成对PC7置1操作,10.2.4 8255A的工作方式 8255A有方式0，方式1和方式2三种

12、工作方式。 A端口可以工作在方式0、方式1和方式2 ； B端口可以工作在方式0和方式1； C端口只能工作在方式0，在方式1或2下，C端口变为A、B端口的附属引脚。,1. 方式0：基本的输入/输出方式 方式0称为基本的输入/输出方式，在这种方式下，A端口、B端口和C端口的输入和输出操作不需要应答式联络信号。,方式0一般用于无条件传送的场合，不需要应答式联络信号，外设总是处于准备好的状态，因此可以直接使用输入指令(IN)和输出(OUT)指令对A、B、C端口进行读写。,2. 方式1：选通输入/输出方式 当A端口或B端口工作于方式1时，必须利用C端口中的固定位来作为选通和应答等控制信号。 方式1分成2

13、组(A组和B组)，每组包含一个8位的数据端口和几个控制/状态线。 A组：A端口（8位数据端口）C端口某几位作为选通和应答信号线。 B组：B端口（8位数据端口）C端口某几位作为选通和应答信号线。,1) 选通的输入方式 当8255A的A端口或B端口工作在选通输入方式时，规定PC3PC5分配给A端口，PC0PC2分配给B端口。 剩下的PC7、PC6由于没有使用，继续工作于方式0。控制字的D3位为“1”时，PC7、PC6作输入；控制字的D3位为“0”时，PC7、PC6作输出。,图10.12 方式1选通输入下对应的控制信号 (a) 对A端口；(b) 对B端口,各控制信号的意义如下： STB(Strobe

14、)：选通输入信号。当该信号有效时，从外部设备来的8位数据送入到8255A的输入缓冲器中。,IBF(Input Buffer Full)：输入缓冲器满信号。当8255A的输入缓冲区已有一个新数据后，输出这个信号。可通过此信号通知外设数据已接收到，也可通知CPU有新数据到达。,INTR(Interrupt Request)：中断请求信号。当输入缓冲器满时，由INTR信号向CPU发出中断请求信号，请求CPU读取数据。,INTE(Interrupt Enable)：中断允许信号。INTE不是引脚信号，而是由C端口置1/置0控制字来控制的。在A组中，使PC4置“1”后INTEA变高；在B组中，使PC2置

15、“1”后INTEB变高。只有在INTE有效时，才允许输出INTR中断请求信号。,选通输入方式的工作过程是： 1、外设先发出STB，把数据送到8255A的A或B端口的数据线上。 2、如果A或B端口没有数据，则数据线上的数据锁存到8255A的A或B端口里面。 3、IBF变为高电平，代表输入缓冲器满，阻止外设输入新的数据，同时可供CPU来查询。同时向CPU发出中断请求信号INTR(要在中断允许的情况下, 也就是要使PC4或PC2置1) 。 4、查询方式下，当CPU发现IBF有效时读入A或B端口数据；中断方式下CPU响应INTR申请后将数据读入。 5、当数据被读取后IBF、INTR变无效，由IBF通知

16、外设可以输入新的数据。,图10.13 8255A方式l输入时序,2) 选通的输出方式 对应的C端口也是固定分配，规定是PC3、PC6、PC7分配给A端口；PC2、PC1、PC0分配给B端口。剩下的PC5、PC4由于没有使用，继续工作于方式0。 当控制字的D3位为“1”时，PC4、PC5作输入；当控制字的D3位为“0”时，PC4、PC5作输出。,图10.14 方式l输出时C端口对A、B端口的控制 (a) 对A端口；(b) 对B端口,各控制信号的意义如下： OBF(Output Buffer Fu11)：输出缓冲器满信号。当CPU向8255A的A或B端口中传送了数据，OBF有效，通知外设可以把数据

17、取走。 ACK(Acknowledge)：数据接收应答信号。这是外设的响应信号，当数据已由外设接收后，外设就向8255A回送一个低电平的应答信号ACK。,INTR：中断请求信号。当外设通过ACK通知数据已经被接收后，8255A向CPU发出INTR中断请求，要求CPU输出下一个新的数据。,INTE：中断允许信号。INTE通过对C端口置1/置0的控制字来设置的。当PC6置1时，A端口允许中断；PC2置1，B端口允许中断。,选通输出方式的工作过程是： 1、当CPU把数据写入到A或B端口时，8255A令OBF有效，通知外设接收数据，同时把数据从A或B端口送出。 2、当外设收到数据后，发出ACK通知82

18、55A数据已经接收，接着8255A使OBF无效，表示A或B端口中已无数据。 INTR变有效。 3、中断方式下，当INTR有效时，CPU执行中断程序，送出下一个数据。查询方式下，当CPU发现OBF无效时，送出下一个数据。,图10.15 8255A方式1输出时序,10.2.5 8255A的应用举例 8255A必须先初始化（写入控制字，指定工作方式），然后才能通过编程让它工作。 例：通过8255A把CPU中的数据输出到打印机上，采用查询方式传送数据。A端口作为8位数据的输出端口，工作在方式1输出方式。C端口作为状态端口和控制端口使用。,打印机的主要控制状态信号线： 1、BUSY：高电平表示打印机处于

19、“忙”状态； 2、DATASTB：当该信号有效时，通知打印机要打印的字符正输出到打印机中，即通知打印机要打印的字符到达； 3、ACK是打印机对主机的应答信号，当打印机接收完字符后发出这个信号。 当DATASTB信号有效时，如果打印机空闲（不“忙”）时，打印机接收数据，接收完后ACK有效。如果BUSY变为低电平无效，表示数据已经打印完毕。,通过查看了解打印机状态,(a)其他总线下的查询方式 (b)8086总线下的查询方式,单稳用来展宽脉冲，满足DATASTB的时间宽度要求。,查询方式下8255A与打印机的接线,当打印机处于空闲时，代表数据已经接收并完成打印，CPU通过查看PC4来发送下一个数据,

20、当打印机接收了数据时，通过ACK应答，OBF变无效，代表8255A的数据已经送出，CPU通过查看PC4来发送下一个数据,假设地址译码接线如图，则8255A的片选地址为： 11111000XXB (3E0H3E3H) A端口：3E0H C端口：3E2H 控制字：3E3H,编写程序输出数据段的500个字符到打印机： DATA SEGMENT Buffer DB HELLO 先设计数据段，摆放500个字符 DATA ENDS 500个字符 代码段程序： PortA EQU 3E0H ；定义PortA变量等于A端口地址 PortC EQU 3E2H ；定义PortC变量等于C端口地址 PortCtr

21、EQU 3E3H ；定义PortCtr变量等于控制端口地址 MOV AL，0A8H ；10101000B，A端口方式1输出，PC4输入 MOV DX，PortCtr ；控制口送DX OUT DX，AL ；输出控制字，初始化,MOV DI，OFFSET Buffer ；送字符缓冲区首址 MOV CX，500 ；传送500个字符 对于循环次数确定的，可以用LOOP指令 LOOP1：MOV AL，DI ；取字符 MOV DX，PortA ；A端口地址送DX OUT DX，AL ；从A端口输出一个字符 MOV DX，PortC ；C端口地址送DX NEXT：IN AL，DX ；从C端口读入打印机状态

22、TEST AL，10H ；测试BUSY信号（PC4） JNZ NEXT ；如果打印机忙，等待 （JZ NEXT） 如果用OBF接PC4时 INC DI ；缓冲区首址加1 LOOP LOOP1 ；继续输出下一个字符,10.3 可编程串行接口电路Intel 8251A,10.3.1 8251A的主要性能和内部结构 825lA是可编程的串行通信接口芯片，它的基本性能如下： (1) 可工作在同步方式、异步方式。 (2) 在同步方式时，由内部自动检测同步字符或由外部给出同步信号两种方法实现同步。允许同步方式下增加奇/偶校验位进行校验。 (3) 在异步方式下，用1位作奇偶校验。可用软件定义时钟速率，能自动

23、为每个被输出的数据增加1个起始位，设置1位、1.5位或2位停止位。 (4) 能进行出错检测。,8251A的内部结构,2) 读/写控制逻辑,表10-7 8251A的控制信号与执行的操作之间的对应关系,1) 数据总线缓冲器 数据总线缓冲器通过D7D0和CPU的数据总线相连。,3) 发送缓冲器与发送控制器 发送缓冲器包括发送移位寄存器和数据输出寄存器，发送移位寄存器通过TXD管脚将串行数据发送出去。数据输出寄存器寄存来自CPU的数据，当发送移位寄存器空时，数据输出寄存器的内容送给移位寄存器。 发送控制电路对串行数据实行发送控制。发送器的另一个功能是发送中止符(BREAK) 。,4) 接收缓冲器与接收

24、控制器 接收缓冲器包括接收移位寄存器和数据输入寄存器。串行输入的数据通过RXD管脚逐位进入接收移位寄存器，然后进入数据输入寄存器，等待CPU取走。接收控制电路是用来控制数据接收工作。,10.3.2 8251A的外部特性,5) 调制/解调器控制逻辑 调制解调器控制电路是专为调制解调器提供控制信号用的。,1. 8251A与CPU的接口信号 1) 双向的数据信号线D7D0 825lA有8条数据线D7D0。数据线上传输数据信息、编程命令字和状态信息。 2) CS：片选信号，低电平时有效。 RD：读信号，读取数据或状态信息。 WR：写信号，写入数据或控制字。 C/D：为控制/数据信号。用来区分当前读/写

25、的是数据还是控制信息或状态信息。 CLK：为主时钟信号，用于芯片内部的定时。 8251A共有三种时钟信号：CLK、 TxC和RxC 。其中发送时钟和接收时钟由波特率和波特率因子来决定。,3) 与发送有关的联络信号 TXRDY：发送器准备好信号。表示已经准备好发送一个字符，用于通知CPU可以输入数据。 TxEMPTY：为发送器空信号， 控制8251A发送器发送字符的速度。对于同步方式，它的输入时钟频率应等于发送数据的波特率，对于异步方式，它的频率应等于发送波特率和波特率因子的乘积。,) 与接收有关的联络信号。 RXRDY：接收器准备好信号。表示825lA已从外部设备收到一个字符，等待CPU取走。

26、它可以作为中断请求信号或查询联络信号与CPU联系。,SYNDET/BRKDET：同步检测/断缺检测信号。 同步方式下，此引脚为SYNDET，执行同步检测功能。 同步检测分为内同步和外同步两种方式： 当8251A工作在内同步方式时，是在8251A内部检测同步字符。 SYNDET作为输出端。如果8251A检测到所要求的同步字符时，SYNDET输出高电平，表示已达到同步，接着收到有效数据。 当8251A工作在外同步方式时，SYNDET作为输入端。 外同步是由外部其他机构来检测同步字符，当外部检测到同步字符以后，从SYNDET端输入高电平信号，表示已达到同步，接收器可以串行接收数据。,异步方式下，此引

27、脚为BRKDET，实现断缺检测功能。 当RXC端连续收到8个0信号时，BRKDET端呈高电平，表示当前处于数据断缺状态， RXC端没有收到数据。当RXC端收到1信号时，BRKDET端变为低电平。,2. 8251A与外部装置之间的接口信号 8251A与外部装置进行远距离通信时，一般要通过调制解调器连接。 1) 数据信号 TXD：发送数据信号端。 RXD：接收数据信号端。,2) 发送数据时的联络信号 RTS：请求发送信号。这是8251A向调制解调器或外设发送的控制信息，表示CPU请求通过825lA向调制解调器发送数据。 CTS：发送允许信号。这是由调制解调器或外设送给8251A的信号，是RTS对的

28、响应信号，只有当CTS为低电平时，825lA才能执行发送操作。,3) 接收数据时的联络信号 DTR：数据终端准备好信号。表示为接收数据做好了准备，CPU可以通过8251A从调制解调器接收数据。 DSR ：数据装置准备好信号。这是由调制解调器或外设向8251A送入的、DTR的回答信号。 DTR可以作为一个CPU发出的选通信号，DSR可以作为外设的状态信号。,10.3.3 8251A的编程地址 8251A实际上只有数据端口和控制端口两个端口地址。数据输入、输出合用一个端口；状态端口和控制端口也合用一个端口。用RD和WR区分是数据输入还是数据输出，是状态端口还是控制端口（因为状态端口只能读）。,由于

29、825lA的D7D0通常与数据总线的低8位相连，又由于低8位的数据线是和内存的偶地址相连，因而8251A的数据用偶地址传送正好和内存的低8位数据相对应。读写时，当地址总线的A0=0时，必定选中偶地址0。但C/D端要求两种状态，C/D0要求选中数据输入/输出寄存器；C/D1要求选中方式寄存器，同步字符寄存器、控制寄存器和状态寄存器。C/D端要求有0和1两种电平，为满足这种要求，又要保持A0总是为0，因此将地址线的A0和C/D相连接，片选通过地址译码得到，RD、WR分别与控制总线的IOR和IOW相连。,图10.21 8251A异步通信方式的连接,图10.22 8251A同步通信方式的连接,异步方式

30、时，TXRDY和RXRDY作为中断申请信号使用，与外部中断源连接；同步方式时，TXRDY和RXRDY与调制解调器连接。 8251A初始化编程的流程如图10.23所示。初始化编程主要是对8251A的方式寄存器、控制寄存器和状态寄存器进行编程设置。,同步方式(一个同步字符),图10.23 8251A初始化编程流程图,同步方式(两个同步字符),异步方式,输入方式选择字,输入第一个同步字符,输入第一个同步字符,输入第二个同步字符,输入控制字,注：这里各种输入都是C/D=1，即同一个端口,10.3.4 8251A的控制字 1. 方式选择字（方式寄存器） 方式寄存器用于保存方式选择字。方式选择字最低2位全

31、为0时表示是同步方式，最低2位不全为0时表示是异步方式： 1) 8251A工作在同步方式下方式选择字格式,2) 8251A工作在异步方式下方式选择字格式,图10.25 8251A异步方式下方式寄存器的格式,2. 控制字（控制寄存器） 写入了方式选择字后，接着要写入的是命令字，才能启动串行通信。,调制解调器控制电路的DTR和RTS的有效电平不是由8251A内部产生，而是通过对控制字的编程来设置，这样可便于CPU与外设直接联系。,(7) D6(IR)：当该位被置1后，使8251A内部复位。当对8251A初始化时，使用同一个奇地址，先写入方式选择字，接着写入同步字符(异步方式时不写入同步字符)，最后

32、写入的才是控制字，这个顺序不能改变。但是，当初始化以后，如果再通过这个奇地址写入的字，都将进入控制寄存器，因此控制字可以随时写入。 如果要内部复位，命令字须为40H，使8251A返回到初始化前的状态。当然，用外部的复位RESET，也可使825lA复位。 (8) D7(EH)：该位只对同步方式才起作用。当D7=l时表示开始搜索同步字符，但同时要求D2(RXEN)l，D4(ER)1，同步接收工作才开始进行。,3. 状态寄存器 状态寄存器只能读出，不能写入，地址与控制寄存器相同，在8251A初始化后用IN指令来读取。,图10.27 8251A的状态寄存器格式,Dl、D2、D6、D7这4位的状态与82

33、51A芯片外部同名管脚的状态完全相同，反映这些管脚当前的状态。 PE=1，OE1和FE1只是记录接收时的三种错误，并没有终止8251A工作的功能，由CPU通过IN指令读取状态寄存器来发现错误。,10.3.5 8251A的编程应用举例 1. 同步方式下的初始化 同步方式下8251A的工作特点是：发送方和接收方是同一时钟源。也就是说数据和发送时钟(或接收时钟)是同步的。,图10.22 8251A同步通信方式的连接,例：要求2个同步字符，外同步，奇校验，每个字符8位，方式选择字应是：01011100B=5CH。工作状态要求出错标志复位。启动发送器和接收器，控制字应是10110111BB7H。第一个同步字符为A5H，第二个同步字符为E7H(2