输入输出方法及常用的接口电路

―0‖ ―0‖ O
>
―0‖
译码器译码
&
O O
74LS138 A5 A6 A7 A B C Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 > O 8237 8259 8253 8255
门电路译码
A8 A9 AEN IOW
O G2A O G2B G1
写NMI屏蔽寄存器
>
O
写DMA页面寄存器 18
微型计算机原理与应用——第7章 输入输出方法及常用的接口电路
微型计算机原理与应用
第7章 输入输出方法 及常用的接口电路
【知识点】
1 微型计算机和外设的数据传输 2 并行接口8255A 3 计数器/定时器8253/8254 4 串行接口8251A
微型计算机原理与应用——第7章 输入输出方法及常用的接口电路
2
【主要内容】


7.1 概述
7.2 接口 7.3 I/O接口的编码 7.4 CPU与外部数据传输的方式 7.5 8255并行接口电路
微型计算机原理与应用——第7章 输入输出方法及常用的接口电路
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7.3 I/O端口的编址
7.3.1 I/O端口的寻址方式
（1） I/O 端口单独寻址（专门I/O指令，64K端口地址）
计算机单独给外设端口编址，输入输出端口具有独立的 地址空间。计算机要有控制信号区分存储器空间和I/O 口空间。
（a）优点：
（4）数据转换
需要使用接口电路进行数据信号的转换。其中包括：模 /
数转换、数 / 模转换、串 /
并转换和并/ 串转换
微型计算机原理与应用——第7章 输入输出方法及常用的接口电路
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7.2 接口
7.2.1 接口的定义 接口是一组电路
CPU
数据、地址、控制总线
存储器接口
I/O接口
存储器
I/O设备
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微型计算机原理与应用——第7章 输入输出方法及常用的接口电路
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微型计算机原理与应用——第7章 输入输出方法及常用的接口电路
7.2 接口
7.2.5 端口
（2）控制口

控制口为一个输出接口，用于控制外设的启（START）、 停止（STOP）或数据的选通（STB）等，具体由外设的要
求而定。
（3）状态口

CPU通过这个端口了解外设状态。输入外设是否准备好 （READY），转换是否结束（EOC）；输出装置是否忙 （BUSY）。 控制信息和状态信息一般也由数据线传送。
计数开始的时刻76282538254的工作方式微型计算机原理与应用第7章输入输出方法及常用的接口电路6776382538254的编程18253加电后的工作方式不确定28253必须初始化编程才能正常工作读取计数值d7d6d5d4d3d2d1d07676计数器计数器定时器定时器82538253微型计算机原理与应用第7章输入输出方法及常用的接口电路681写入方式控制字计数器读写格式工作方式数制d7d6d5d4d3d2d1d000计数器001计数器110计数器211非法00计数器锁存命令01只读写低字节10只读写高字节11先读写低字节后读写高字节000方式0001方式1010方式2011方式3100方式4101方式5十进制控制字写入控制字io地址a1a01176282538254的工作方式微型计算机原理与应用第7章输入输出方法及常用的接口电路692写入计数值a选择二进制0000h是最大值代表65536b选择十进制bcd码0000代表最大值10000计数值写入计数器各自的io地址76282538254的工作方式微型计算机原理与应用第7章输入输出方法及常用的接口电路703读取计数值1对8位数据线读取16位计数值需分两次2计数在不断进行应该将当前计数值先行锁存然后读取
把一个外设端口看成存储器的一个单元，占用存储器的地址空 间，利用对存储器的读写操作完成数据的输入和输出。
（a）优点：

1、不需要专门的输入输出指令； 2、可使用全部对存储器操作指令，指令多，方便； 3、端口数量多。 1、占用存储器空间； 2、 寻址地址线数多，译码复杂
（b）缺点：

微型计算机原理与应用——第7章 输入输出方法及常用的接口电路
（3）比较器译码（适合口地址可变的）
（4）可编程逻辑器件PLD（适用口地址保密，可变灵活） 如PAL、GAL
微型计算机原理与应用——第7章 输入输出方法及常用的接口电路
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―1‖A9 ―0‖A8 ―1‖ A7
LS30
O
&
O
LS32
―1‖ A3 ―0‖ A2
―1‖ A1
A0 AEN IOW
…
O LS20
22
微型计算机原理与应用——第7章 输入输出方法及常用的接口电路
例 2 无条件输出
D0 ~ D7 74LS273
D0 ~ D7
O +5V
O0
O O +5V
A0
>
A7 IOW
A8
A15
….. >
O7 CP O
>
锁存 输出
(8D触发器 锁存功能）
MOV AL ，81H MOV DX ，0000H OUT DX ，AL
CPU向I/O接口发出启动信号或停止信号以控制外设的启停。
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7.4 CPU与外设数据传送的方式
7.4.2 CPU与外设数据传送的三种方式
. . .
无条件传送 查询方式（条件传送） 中断方式 存储器直接存取方式（DMA方式）
程序方式
微型计算机原理与应用——第7章 输入输出方法及常用的接口电路
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7.4 CPU与外设数据传送的方式
三态缓冲器 O + 5V
D0
O A0 A2 A3
A4
O
K
&
O
... ..
A7 A8
与 非
O
&
O 与非
>
或
MOV DX , 0FFF7H IN AL , DX TEST AL ,01 JZ ………….
A15
IOR
…...
D0 = 0 K闭合, D0 = 1 K打开
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（b）查询方式 （条件传送）
查询方式输入过程的流程图
开始 否 初始化 操作完成否？ （2）
是
否
数据是否 准备好？
是 输入一个字节 到CPU
处理缓冲区数据
后续处理
数据处理并送 内存缓冲区
微型计算机原理与应用——第7章 输入输出方法及常用的接口电路 （1）
7.2 接口
7.2.2 接口的基本功能
对数据传送的控制，具体为：锁存，隔离，驱动，变换，连络，定 时，等作用。
7.2.3 并行接口，串口行接
并行 接 口 并口 接 口 串口
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CPU
外设
速度快,成本高 适合近距离
…...
…..
串行
CPU

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7.2 接口
7.2.6 接口与端口
接口则特指计算机与外设之间在数据传送方面的联系。其功 能主要是通过电路实现的。因此称之为接口电路。 一个接口电路中可能包括有多个口，例如保存数据的数据口、 保存状态的状态口和保存命令的命令口等，因此一个接口电路就 对应着多个口地址。 口是供用户使用的，用户在编写有关数据输入/输出程序时， 要用到接口电路中的各个口。因此要知道它们的设置和编址情况。


7.6 计数器/定时器8253
7.7 串行通讯和串行接口
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微型计算机原理与应用——第7章 输入输出方法及常用的接口电路
7.1 概述
7.1.1 计算机为什么需要I/O接口电路
由于存储器是半导体电路，与CPU具有相同的电路形式，数据
信号也是相同的（电平信号），能相互兼容直接使用，因此存
储器与CPU之间是同步定时工作方式。它们之间只要在时序关 系上能相互满足就可以正常工作。 但是计算机的I/O操作，复杂性主要以下几个方面： （1）外部设备种类繁多，既有机械式的，又有机电式的，还 有电子式的。不同外部设备之间性能各异，对数据传送的要求
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7.4 CPU与外设数据传送的方式
7.4.2 CPU与外设数据传送的三种方式
（1）程序方式
（a）无条件传送
在该方式中，外设总被任为已处于准备就绪和准备接收状态， 程序不必查验外设的状态 当需要与之交换数据时，直接执行输入输出指令，就开始接收和 发送数据。
例 1:无条件输入（如下图所示）
微型计算机原理与应用——第7章 输入输出方法及常用的接口电路
（2）数据锁存
在接口电路中需设置锁存器，以保存输出数据直至为输出设备 所接收。因此数据锁存就成为接口电路的一项重要功能。
微型计算机原理与应用——第7章 输入输出方法及常用的接口电路
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7.1 概述
7.1.2 在数据的I/O传送中，接口电路主要有如下几项功能： （3）三态缓冲
只允许当前时刻正在进行数据传送的数据源使用数据总线，其 它数据源都必须与数据总线处于隔离状态。为此要求接口电路能
为数据输入提供三态缓冲功能。
三态缓冲电路就是具有三态输出的门电路，因此也称之为三态门 （TSL）。所谓三态，就是指低电平状态、高电平状态和高阻抗三种状 态。当三态缓冲器的输出为高或低电平时，就是对数据总线的驱动状 态；当三态缓冲器的输出为高阻抗时，就是对总线的隔离状态（也称 浮动状态）。在隔离状态下，缓冲器对数据总线不产生影响，犹如缓 冲器与总线隔开一般。
7.4 CPU与外设数据传送的方式
7.4.1 概述
CPU与外设交换的数据信息从广义上来讲包括数据信息、状态信息、控制 信息。这三者都用IN和OUT指令来传送的，只不过是分别送入不同的部 件，起不同的作用。
数据信息：是I/O设备和CPU真正要交换的信息。外设和接口之间的
数据信息可以是串行的，也可以是并行的，相应的要使用串行接口或并 行接口。不同的I/O设备要求传送的数据类型也是不同的，例如向显示器 传送的数据必须是ASCⅡ码，而不能是二进制形式的数。数字量、开关 量、模拟量。
外 设
速度慢,成本低 适合长距离
7.2 接口
7.2.4 接口电路基本结构
DB 数据端口 AB CB 译 码 I/O 设备
CPU
状态端口
控制端口
一个典型的I/O接口 数据口（输入/输出）：双向 状态口：只能由CPU读入。 控制口：只能由CPU写出。 每个口由译码电路分配一个唯一的地址。
外设经接口与总线相连，其连接必须遵循：输入要三态，输出要锁存
微型计算机原理与应用——第7章 输入输出方法及常用的接口电路
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7.1 概述
7.1.2 在数据的I/O传送中，接口电路主要有如下几项功能:
在电路中，由”三态控制”信号控制缓冲器的输出是驱动状态还是高 阻抗状态。当”三态控制”信号为低电平时，缓冲器输出状态反映输 入的 数据状态。而当”三态控制”信号为高电平时，缓冲器的输出 为高阻抗状态。
也各不相同的，无法按统一格式进行。
（2）外部设备的数据信号是多种多样的。
微型计算机原理与应用——第7章 输入输出方法及常用的接口电路 4
7.1 概述
7.1.1 计算机为什么需要I/O接口电路
（3）外设的数据传送有近距离的，也有远距离的。 （4）外部设备的工作速度快慢差异很大。 无法实现外部设备与CPU进行直接的同步数据传送，而必须在 CPU和外设之间扩展接口电路，通过接口电路对CPU与外设之间 的数据传送进行协调。因此接口电路就成了数据I/O操作的核心 内容。

1、 I/O空间较存储器空间小，地址线少，译码电路简单； 2、不占用存储器空间； 要有专门输入输出指令，寻址方式少，不灵活。
（b）缺点：

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7.3 I/O端口的编址
7.3.1 I/O端口的寻址方式
（２）I/O 统一编址（存储器影像寻址）
微型计算机原理与应用——第7章 输入输出方法及常用的接口电路
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7.1 概述
7.1.2 在数据的I/O传送中，接口电路主要有如下几项功能：
（1）速度协调
由于速度上的差异，使 得数据的I/O传送只能以异步方式进行， 即只能在确认外设已为数据传送作好准备的前提下才能进行I/O操 作。而要知道外设是否准备好，就需要通过接口电路产生或传送外 设的状态住处，以此进行CPU与外设之间的速度协调。
微型计算机原理与应用——第7章 输入输出方法及常用的接口电路 11
7.2 接口
7.2.5 端口
（1）数据口
用于完成输入与输出数据。 接口使用的数据有：
（a）数字量

如键盘等的二进制表示的数或ASCII码表示的数和字符。
（b）模拟量

要经过ADC和DAC转换为数字量或模拟量。
（c）开关量

以一位二进制表示的量。
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7.4 CPU与外设数据传送的方式
7.3.2 CPU与外设数据传送的三种方式
（1）CPU从接口（状态口）中读取状态字
（2）CPU检测状态字，满足条件，CPU从数据口输入 输出）数据 （3）不满足条件，CPU重新读取状态字 （4）输入数据查外设是否“准备就绪 ”。
状态信息：从I/O接口输入到CPU，表示I/O设备当前所处的状态。对
于输入设备，通常用准备好（READY）信号来表示外设已准备好输入数 据。对于输出设备，通常用忙（BUSY）信号表示设备是否处于空闲状 态，如为空闲状态，外设则接收CPU送来的信息，如为忙状态，CPU则 要等待。。
控制信息：输出到I/O接口，通知接口和设备要做什么动作。例如，
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7.3 I/O端口的编址
7.3.2 I/O端口地址译码方法
独立编址时，一般用地址线的高位部分和控制信号（如RD、 WR、M/IO）进行组合（译码）产生 I/O接口电路的片选信号 （CS），用地址线的低位部分直接连到 I/O接口芯片实现端 口的选择。
（1）逻辑门电路译码（适用口地址单一或固定的） （2）译码器译码（适用电路需多个口地址）
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…...
微型计算机原理与应用——第7章 输入输出方法及常用的接口电路
无条件传送方式（简单接口）
去CPU 三 态 缓 冲 器
数据 (来自外设)
地址总线
地址 译码器
O
&
M/IO RD
O O O
输入加三态缓冲器
数据 (来自CPU)
数据总线
地址总线
地址 译码器
锁 存 器
O
到外设去
M/IO
WR
O
O
&
O
输出加锁存器