微机原理

3）74LS373三态同相8D锁存器
74LS373的逻辑结构和功能如图6.34和表6.6所示，可以看出，它的D触 发器上多了一个输出控制端（一般表示为/OE），使其形成三态输出。 74LS373在用作输入接口时，外设数据在时钟端G控制下锁存在触发器内部， 端口地址信号接到控制端/OE，当CPU选该接口地址时，输出控制端形成有 效低电平，使74LS373的三态门打开，读取外设的数据，当CPU不选该地址 时输出高阻，其输入接口电路如图6.35所示。如果74LS373用作输出接口，
IN
MOV
AL，DX
switch，AL
2）74LS245八同相三态总线收发器
74LS245是一个双向的三态缓冲器，每位由两个三态门反接构成，其结
构原理如图6.31所示。74LS245用于同步的两路数据总线之间的通信，由方 向控制端DIR控制数据传输的方向，使能端控制选通三态门，以便形成高阻 态与总线相连。其功能如表6.4所示。
（3）用I/O接口控制卡（I/O适配器）连接外设，常用的I/O接口控制卡
有：显示卡、声卡和网卡等。本节介绍简单接口电路设计中常用的接口 芯片和设计的一般方法。 6.3.1 常用接口芯片
在进行简单I/O接口电路设计时，一般应遵循“输入三态、输出锁 存”与总线相连的设计原则，即输入口渴使用三态缓冲器或带有三态输 出的锁存器，而输出口只能使用锁存器，否则将无法保留所传送的信号。
任务要求（即应达到 什么目的，如是数据 采集还是过程控制？ 等等）； I/O设备的特点及功能； 信号的特点（如模拟 信号、数字信号、并 行或串行？输入设备 或输出设备？电平、 逻辑关系等）； 信号的传送方式； 连接总线及传送速率； 控制信号及时序； 开始及结束传送的方 式等。
2.开关量输入/输出接口设计实例 开关量信号即为“0“或”1“两种状态的信号。最常用的开关量输入信 号是按键的按下与弹起，开关的打开与闭合；开关量输出信号是灯的亮与 灭。下面通过例子来说明这类信号的输入/输出接口设计方法。 【例6.10】利用三态缓冲锁存器74LS373把8种开关的状态采集起来，
端有效时，输入端的信号直接送到输出端，，只起到缓冲作用；当控制端无 效时，输出端处于高阻浮空状态。 三态门本身没有对数据的保持或锁存功能，因此，外设有数据保持能力 时可用三态门实现，外设无数据保持能力时用三态输出的锁存器实现。或者 说，当收、发数据双方的工作速度匹配时，这里的缓冲器可以用不带锁存结 构的电路来实现Hale Waihona Puke Baidu而当收、法数据双方的工作速度不匹配时，就要用带锁存
点，找出两侧进行连接时存在的差异；针对要消除两侧的这些差异，来确
定接口应完成的任务；为了实现接口的任务，要考虑做哪些信号变换，选 择什么样的元器件来进行这些变换，据此，进行接口电路功能模块化总体 结构设计，这样就完成了对接口硬件的分析。对接口问题，仅有硬件分析 是不够的，还必须对接口的软件编程进行分析，而软件编程是与硬件结构 紧密相连的，硬件发生变化，接口的驱动程序也就随之改变。
表 6.4 74LS245功能表 选通端/G L L H 方向控制端DIR L H × 数据流方向 B=>A A=>B 高阻
三态缓冲器根据其逻辑结构可分为：同相缓冲器或反相缓冲器，高选通 的或低选通的，单向的或双向的，内部有上拉电阻的或集电极开路的，带 锁存器的或不带锁存器的，有4路的、6路的或8路的，等等。实际应用中，
（2）硬、软件间功能分配，需综合考虑速度、成本、特征、设计难易 程度等因素。 （3）进行I/O端口的数量统计、数据流向安排和端口地址号分配。 （4）I/O接口硬件电路的扩展设计，包括扩展方案选择，地址译码器扩 展，负载能力扩展。
（5）I/O接口软件设计。
（6）联调。进行接口硬件、软件联调，直至满足快速、可靠、方便地 实现CPU和各外设之间的信息交换要求为止。 总之，分析接口问题的基本方法可归纳为：分析接口两侧的信号及其特
结构的电路来实现，否则，会出现数据丢失。而且，在总线负载较重时，也
需要使用三态缓冲器来增加总线驱动能力。 总之，缓冲器可以对高速工作的CPU与慢速工作的外设起协调和缓冲作 用，增强驱动能力，实现总线结构及数据传送的同步。 对于大多数的集成电路接口芯片，内部已经集成了数据缓冲器，例如常 用的A/D、D/A转换芯片大多数内部已有了数据缓冲器；对于没有集成数据缓 冲器的芯片，在接口电路设计时，可以使用常用的数据缓冲器。
在对多个端口进行访问时，通常还要对地址进行译码，因此译码器也是
常用的芯片。
数据传送方式小结： （1）无条件传送方式无论硬件结构和软件设计均很简单，但传送时可 靠性差，常用于同步传送系统和开放式传送系统中。 （2）查询方式传送数据时可靠性很高，电路接口和编程也较简单，但 计算机的使用效率很低，常用在任务比较单一的系统中。 （3）中断方式传送数据的可靠性高、实时性强，但每次传送需要大量 额外的时间开销，常用于外设的工作速度比CPU慢很多且传送数据量不大的
并驱动8个LED灯显示出来。
由于不74LS373具有三态功能，可以作为输入接口芯片，读取开关状态； 又具有锁存功能，可作为输出接口芯片，锁存输出信号提供给LED灯显示。 图6.41即为满足此要求的接口电路。用于输入接口的74LS373的三态输出使 能信号由74LS373地址译码后和CPU读信号一起控制，从图中看出其端口地 址为240H。用于输出接口的74LS373的锁存信号是由74LS138地址译码后河 CPU写信号一起控制的，此时输出允许端接地，从图中看出其端口地址为
表中的段码是将8段二极管上加的电平与8为二进制数对应得到的数码。 其对应关系为： D7 DP D6 g D5 f D4 D3 e D2 d D1 D0 c b a
由于不LED数码管有共阴和共阳之分，与之相应的译码器的输出也分为 低电平和高电平有效两种。如74LS46、74LS47为低电平有效，可用于驱动 共阳极的LED显示器；74LS48、74LS49、CD4511为高电平有效，可用于驱动 共阴极的LED显示器。图6.38所示为7段显示译码器7448的引脚图，输入D、 C、B、A接收四位BCD码，输出a~g为高电平有效，可直接驱动共阴极显示器，
1）74LS244八同相三态缓冲器/线
驱动器
74LS244是一个单向三态缓冲器，其 内部结构及引脚如图6.29所示。它由8 个三态门构成，有2个控制端1/G和2/G， 各控制4个三态门。通常在实际应用中 将两个控制端并联，这样就可用一个控 制信号来使8个三态门同时异通或同时
断开。74LS244缓冲器主要用于三态输
241H。程序段如下：
MOV IN OUT DX，240H AL，DX DX，AL ；74LS373输出控制端口地址 ；采集开关状态
微机原理与接口技术
杨文璐 wlyang@shmtu.edu.cn 上海海事大学信息工程学院电子工程系
6.3
简单I/O接口设计及实例
输入/输出接口是微机系统中不可缺少的组成部分，也是系统中最为 关键的一个环节。接口电路实现方法一般有三种。（1）用中、小规模 集成电路芯片设计接口电路，这种设计方法仅适用于简单接口电路。 （2）用可编程集成电路芯片设计接口电路，可编程接口芯片又分为通 用I/O接口芯片（如8255、8253、8237等）、专用I/O功能控制芯片（如 8272、8275等）和系统功能控制芯片（如8259、8288、8089等）三种。
图 6.8 分析与设计接口的基本方法 CPU或微机 1. CPU的特点（如字 长、直接寻址范围 等）； 2. 总线的情况（系统 总线的类型，AB、 DB、CB的时序及 逻辑关系等）； 3. 端口地址的分配情 况（如哪些端口地 址是用户能使用的 情况等）； 4. 系统时钟频率及时 序； 5. 中断使用情况 ； 6. 开发接口所使用的 软件； 7. 接口驱动程序与应 用程序、操作系统 之间的连接。 接口 1. 根据CPU和I/O设备的特点、 1. 要求选择合适的接口电路； 2. 选定适应的工作方式（如无条 件、查询、中断或DMA传送 方式等）； 2. 3. 配置必要的辅助电路（如锁存 3. 器、缓冲器以及译码电路等）； 4. 选择中断管理方式、安排优先 级别及中断矢量、选定或设计 中断管理电路； 5. 合理安排端口地址； 4. 6. 选定与CPU或微机系统匹配的 5. 时钟频率及时序等； 6. 7. 编写驱动程序及相应软件； 7. 8. 绘制电路图并做出样品； 9. 调试软件、硬件达到要求后做 出产品； 10. 编制操作文本及使用说明。 I/O设备
系统中。
（4）DMA方式传送数据的可靠性和效率都很高，但硬件电路复杂、开销 较大，常用于传送速度高、数据量很大的系统中。 （5）I/O处理机方式处理能力最强，但需要专门的协处理器，常用于有 大量输入/输出设备的系统中。
1. 三态缓冲器及应用实例
对数据输入接口，为了与总线连接，必须具有三态输出能力，即当控制
要根据系统的要求，选择合适的芯片。
2.锁存器及应用实例 数据输出接口通常使用具有信息存储能力的双稳态触发器来实现。最简 单的输出接口可用D触发器构成，当时钟控制有效时，输出端Q等于输入端D， 直到下一时钟触发为止，有锁存功能。 1）74LS273公共时钟复位8D触发器 74LS273内部包含8个边沿触发的D触发器，器原理框图和功能表如图 6.32和表6.5所示，它提供了公共的时钟复位端/RD和时钟输入端T，当时钟 T由低到高变化时，输入端D的数据便会到达输出端Q，直到下一脉冲沿到来。
三个辅助控制端/LT、/RBI、/BI//RBO用以增强器件的功能，扩大器应用。
7448能显示的字形和功能表如图6.39所示。
6.3.2
简单接口设计方法及实例
1.分析与设计接口电路的基本方法 对一个已有的接口电路进行分析，着手设计一个新的接口电路，其一般 的做法是：首先在硬件上分析接口两侧的情况入手，在此基础上，考虑CPU 总线与I/O设备之间信号的转换，合理选用I/O接口芯片，进行硬件连接；
出的地址驱动器、时钟驱动器和总线定 向接收器或发送器。
【例6.8】分析图6.30所示电路，编程将开关状态保存在switch单元，
设片选地址为8000H。
这是一个简单的输入接口电路，由于开关量的状态是能够保持的，所以 用一个只具有三态门的接收器74LS244即可，并将两个控制端并联，当CPU 读该接口地址时，开关状态就经过数据总线被送入CPU。当不读此地址时， 74LS244的控制端为高电平，则三态门的输出为高阻态，使其数据总线断开。 程序段如下： MOV DX，8000H
然后，根据硬件连接情况，进行接口驱动程序的分析与设计，详细分析如
表6.8所示，分析与设计接口的基本方法有以下几点。 1）分析接口两侧的情况
2）进行信号转换
3）合理选用外围接口芯片 4）接口驱动程序分析 5）接口设计步骤 （1）分析了解外设或被控设备与CPU之间信息交换的要求，采用上述方 法，分析用什么做联络信号；I/O的数据格式；I/O线数量；最短响应时间 估算；确定I/O控制方式。
例6.9】编写程序，使图6.33中发光二极管LED逐个轮流点亮。设该输 出接口的地址为8000H，则程序段如下： MOV DX，8000H MOV CX，8 MOV AL，0FEH NEXT：OUT DX，AL CALL DELAY ROL AL，1 LOOP NEXT SJMP $
74LS273锁存器在时钟有效时，Q端随D端状态变化。当时钟无效时，Q 端保持原来状态不变。74LS273不具有三态，因此它的Q端不能直接与系统 的数据总线相连接。下面介绍一种带有三态输出的锁存器74LS273。
也可将/OE端接地，使其输出三态门一直处于导通状态，这样就可与
74LS373一样使用了。
3.译码器及其应用 1）74LS138 3-8线译码器 地址译码中常用到的芯片74LS138 3-8线译码器、74139双2-4线译码器 等。74LS138线译码器的引脚图和真值表如图6.36所示。 2）显示译码器（7448 BCD-7段译码器/驱动器）