微机原理CH5 IO接口电路的设计(ok)

键盘、鼠标、扫描仪是常用的输入设备；磁盘、 显示器、打印机、绘图仪是常用的输出设备。这些设 备统称为计算机的外部设备，简称外设或者是I/O设 备。计算机和外设之间的信息的交换称为通信。
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第五章
由于外部设备的种类繁多，它们对所传输的信 息的要求也各不相同，这样就给计算机与外设之间 的信息交换带来了一些问题。 （1）速度不匹配 CPU的速度很高，而外设速度要低的多，一个快 速的设备和一个慢速的设备通信时应该要适应慢速 设备的要求，所以会降低CPU的工作效率。 （2）信号电平不匹配 CPU所使用的电平标准TTL电平，5V高电平表示1 ，0V低电平表示0；而外设的电平标准较复杂，不同 的外设有不同的电平标准。
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（3）信号格式不匹配 CPU总线上传送的通常是8、16、32位的并行数 据，而各种外设使用的信息格式各不相同。 （4）时序不匹配 各种外设都有自己的定时和控制逻辑，与计算 机CPU时序不一致。 因此输入输出设备不能直接与计算机的系统总 线相连，必须在CPU与外设之间设置专门接口电路。
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1、74LS244 8路单向数据总线缓冲器。
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功能： 功能：内部包含了8个三态缓冲单元，分为两组， 每组4个单元，由两个控制信号进行控制。当1G 为 低电平时，输入端1A1~1A4的输入信号可以到达输出 端1Y1~1Y4；当 2G 为低电平时，输入端2A1~2A4的输 入信号可以到达输出端2Y1~2Y4；当1G 和 2G 为高电 ~ 平时，输出呈高阻态。此芯片常用来作为外设输入 数据的端口，是一种单向数据缓冲器，数据只能从A 传到Y 。
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（3）命令端口(Command Port) 也称为控制端口(Control Port)，它用来存放 CPU向接口发出的各种命令和控制字，以便控制接口 或设备的动作。 CPU通过接口和外设交换数据时，只有输入(IN) 和输出(OUT)两种指令，所以只能把状态信息和命令 信息也都当作数据信息来传送，且将状态信息作为 输入数据，控制信息作为输出数据。
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74LS373 逻辑图和真值表
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功能：由8个D触发器和8个三态缓冲器组成。 （1）G=1，各D触发器的输入的0、1电平会输出到 Q端， 端和Q端相反。 Q （2）OE =0，Q 端的信号反向后传送到输出端O。 （3）G=1， =0，此时输出O跟随输入D变化。 OE （4）G=0， =0，此时输出端O将输出前面锁存下 4 G=0 OE =0 O 来的数据，当D发生变化时，输出不变。 （5） =1，无论G的状态如何，输出呈现高阻态 OE ，和总线断开。
第五章 I/O接口电路的设计
5.1 I/O接口电路的设计
一、I/O接口的功能 二、简单的I/O接口芯片 三、I/O端口及其寻址方式 四、CPU与外设间的数据传送的方式 五、端口的读写控制及译码电路的设计
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一、I/O接口的功能 1、采用I/O接口的必要性
计 算 机
键盘 通信 鼠标器 扫描仪 绘图仪 磁盘 显示器 打印机 外设
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2、I/O端口的编址方式
CPU在访问I/O端口时，也是通过地址来找到相应的I/O端 口。I/O端口编址方式有两种，分别为：存储器映象寻址方式 和I/O单独编址寻址方式。 （1）存储器映象寻址方式 这种寻址方式下系统把每一个I/O端口都看作是一个存储 器单元，与存储器单元一样统一进行编址。 优点： ① 操作存储器的指令都可以用来操作I/O端口，不需要专门的 I/O端口的操作指令； ② I/O地址空间可大可小，根据实际需要进行调整。
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2、74LS245 8路的双向数据总线缓冲器。 功能： G 是芯片 功能： 的使能端，DIR是方 向的控制端。当
G =0，DIR为高电平
时，数据从A端传到 B端；当G =0，DIR 为低电平时，数据 从B端传到A端。
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3、锁存器74LS373 锁存器具有暂存数据的能力，能在传输数据的 过程中将数据锁住，然后在此后的任何时刻，在控 制信号的作用下将数据输出。74LS373是一种常用的 8D锁存器，可以直接挂在总线上使用。
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三、I/O端口及其寻址方式 1、I/O端口 CPU与外设通信时，传送的信息主要包括：数据 信息、状态信息和控制信息。在接口电路中，这 些信息分别进入不同的寄存器，通常将这些寄存 器和它们的控制逻辑统称为I/O端口(Port)，CPU 可对端口中的信息直接进行读写。
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(Data Port)用来存放外设送往CPU的数据以及 CPU要输出到外设去的数据。 （2）状态端口 指示外设的当前状态。接口电路状态端口中最常用的状 态位有： ① 准备就绪位(Ready)：表明输入设备是否已经做好了交换 数据的准备。 ② 忙碌位(Busy)：表明输出设备是否能接受数据。 ③ 错误位(Error)：当数据传送出现错误时，将此位置1， CPU检测到有错误发生就进行相应的处理。
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二、简单的I/O接口的芯片 常用的I/O接口芯片 缓冲器：74LS244（单向） 74LS245（双向） 锁存器：74LS373 连接在总线上的缓冲器都具有三态输出的 能力，即可以有高电平、低电平和高阻态三种 输出状态。74LS244和74LS245是最常用的数据 总线缓冲器。除缓冲作用外，它们还能提高总 线的驱动能力。
（3）设置信息转换逻辑以满足对各自格式的要求 将外设信息的格式转换成CPU可以接受的格式，如：通 过ADC将模拟量转换成计算机可以接受的数字量；或者通过 DAC将计算机送出的数字量转换成模拟量去驱动外设工作。 （4）设置时序控制电路 解决CPU和外设间的时序不匹配的问题。 （5）提供地址译码电路 对CPU的地址总线上的信息进行译码，产生选通I/O端口 的控制信号，选中I/O设备的某个端口进行数据的交换，一个 I/O设备有多个I/O端口。 总之，I/O接口电路是外设和计算机之间传送信息的接口 部件，所有的外设都必须通过接口电路才能与计算机相连。
2、接口电路功能 接口电路是专门为解决CPU与外设之间不匹配而 设置的电路，它一般应具备以下几种基本功能： （1）设置数据缓冲器解决速度不匹配的问题 通常使用锁存器和缓冲器实现此功能。 （2）设置信号电平转换电路 通过在接口电路中设置电平转换电路解决CPU和 外设之间信号电平不匹配的问题。
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