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微型计算机课件 第9章 输入输出方法及常用的接口电路
9.1 I/O接口的概念与功能
9.2 基本的输入/输出方法
9.3 8255A并行接口电路
9.4 可编程的定时器/计数器8253/8254
9.5 DMA控制器8237A-5
9.6 串行通信及串行通信接口8251A
习题与思考题
第9章 输入输出方法及常用的接口电路
9.1 I/O接口的概念与功能9.1.1 概述 介于主机和外设之间的缓冲电路称为I/O接口电路(Interface),如图9.1所示,对于主机,接口提供了外部设备的工作状态及数据;对于外部设备,接口电路记忆了主机下达给外设的命+令和数据,从而使主机与外设之间相互协调一致地工作。
图9.1 主机通过接口与外设相连
9.1.2 基本I/O接口 输入接口电路最基本的功能是三态缓冲,即通过一组三态缓冲器保证任意时刻仅允许被CPU选中的设备经由接口与CPU通信;输出电路最基本的功能是锁存数据,保证外设能够正确接收到信息。 1.基本输入接口 三态门电路是起缓冲和隔离作用的。只有当CPU选中此接口,三态门选通时,才允许选定的输入设备将数据送至系统数据总线,而其他没有选中的输入设备,此时相应的接口三态门“关闭”,从而达到与数据总线隔离的目的。
2.基本输出接口 对于输出设备,由于CPU输出的数据仅在输出指令周期中的短暂时间呈现在数据总线上,故需在接口电路中设置数据锁存器,暂时锁存CPU送至外设的数据,以便使工作速度慢的外设有足够的时间准备接收数据及进行相应的数据处理,从而解决了主机“快”和外设“慢”之间的矛盾。接口电路起了协调主机和外设间数据传送速度不配的矛盾。 因此,从对输入输出数据进行缓冲、隔离、锁存的要求出发,外设经接口与总线相连,其连接方法必须遵循“输入要三态,输出要锁存”。
9.1.3 I/O接口的其他功能 1.对信号的形式和数据格式进行交换与匹配 CPU只能处理数字信号,信号的电平一般在0~5 V之间,而且提供的功率很小。而外部设备的信号形式是多种多样的,有数字量、模拟量(电压、电流、频率、相位)、开关量等。所以,在输入输出时,必须将信号转变为适合对方需要的形式。如将电压信号变为电流信号,弱电信号变为强电信号,数字信号变为模拟信号,并行数据变为串行数据。
2.提供信息相互交换的应答联络信号 计算机执行指令时所完成的各种操作都是在规定的时钟信号下完成的,并有一定的时序。而外部设备也有自己的定时与逻辑控制,通常与CPU的时序是不相同的。外设接口就需将外设的工作状态(如“忙”、“就绪”、“中断请求”)等信号及时通知CPU,CPU根据外设的工作状态经接口发出各种控制信号、命令及传递数据,接口不仅控制CPU送给外设的信息,也能缓存外设送给CPU的信息,以实现CPU与外设间信息符合时序的要求,并协调地工作。
3.根据寻址信息选择相应的外设 一个计算机系统往往有多种外部设备,而CPU在某一时段只能与一台外设交换信息,因此需要通过接口的地址译码对外设进行寻址,以选定所需的外设,只有选中的设备才能与CPU交换信息。当同时有多个外设需要与CPU交换数据时,也需要通过外设接口来安排其优先顺序。
9.1.4 I/O接口电路的基本结构与分类 从编程角度看,接口内部主要包括一个或多个CPU可以进行读/写操作的寄存器,又称为I/O端口(Port),各I/O端口由端口地址区分。 根据所传送信息的不同,I/O端口可分为三类。 1.数据端口 数据端口用于存放CPU与外设间传送的数据信息,包括由键盘、磁盘、扫描仪输入设备及过程通道读入的信息和CPU输出至打印机、显示器、绘图仪等输出设备及过程通道的信息。
2.状态端口 状态端口用于暂存反映外部设备工作状态的信息。如输入时,CPU应检测外设欲输入的信息是否准备就绪,如果已准备好,则CPU可以读入信息,否则CPU等待“就绪”信号的出现后再读入;输出时,CPU应检测外设是否已处于准备接收状态,即“空”状态,若是“空”状态,则CPU输出数据至外设。若外设处于“忙”状态,则CPU不能向外设输出信息。这种“空”、“忙”、“就绪”均为状态信息。
3.控制端口 控制端口用于存放CPU对外设或接口的控制信息,控制外设或接口的工作方式。 图9.2所示为一个通用I/O接口电路的基本结构框图。
图9.2 通用I/O接口电路的基本结构框图
通用I/O接口电路通常制作在一块中、大规模或超大规模集成电路芯片上,常称为I/O接口电路芯片,简称接口芯片。除了三种端口电路之外,还包括以下3部分: (1) 地址译码电路:根据从CPU来的地址信息,由片选信号是否有效判定CPU是否选中本接口芯片,再由芯片片内地址线经此地址译码电路选中片内的某个端口,以实
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