第二章 输入输出接口和输入输出通道 2-2
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TTL—CMOS电平转换：
TTL输出低电平最大值<CMOS允许输入低电平最大值 TTL输出高电平最小值>CMOS要求输入高电平最小值 +5V供电的CMOS可直接与TTL相连，TTL的输出电平较低，要用 上拉电阻Rv把TTL输出电平拉高。
+5V
附：
Rv
TTL
CMOS
TTL
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CMOS
输出 1 0 输入 1 0
2.2—5 0.4---0 2 --- 5 0.8--- 0
4.99-- 5 0.01- 0 3.5-- 5 1.5--0
23
CMOS器件的工作电压范围在5—15V，若CMOS器件用 5v以上电源时，TTL电路的输出级应用集电极开路的OC 门电路,用上拉电阻把输出电平提高到所需要的值，如图 +5 V 5—15V Rv值取决不同系列型 号的集成电路，一般 Rv 都可满足电平转换要 求。 TTL CMOS
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2 存储器容量的扩展
存储器容量：指一个存储器芯片所能存储的二进 制信息量。 容量 = 字数 X 字长
如：Intel 2732表示为4K X 8B、Intel27512表示为 64K X 8B。
当单片存储器芯片（RAM或ROM）的容量不能 满足系统要求时，许多片组合以扩充字长（位扩充） 或字数（字扩充）。 a）存储器位扩充——举例说明 用1K X 1B的SRAM芯片位扩充形成1K X 8B的芯片 组，所需芯片为：
０
０ １ １
０
１ ０ １
１
０ １ ０
读I/O口
写I/O口 读存储器 写存储器
IORC
IOWC MRDC MWTC
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4
独立编址方式示意图
00000H FFFFFH
存储器 执行指令MOV，ADD，SHL，……
0000H FFFFH
I/O端口 执行指令IN，OUT
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5
（二）I/O接口与存储器统一编址方式
再次：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；
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四、I/O接口设计的方法、步骤及设计举例
第四：I/O接口硬件电路的扩展设计；（包括 扩展方案选择、地址译码器扩展和负载 能力扩展等） 第五：I/O接口控制软件设计。 最后：软硬件联调。
I/O接口扩展方案选择: 1) 购置现成的多功能I/O接口板 2) 自行设计、安装接口电路
解答步骤：
第一步、了解设计中所涉及到的芯片的引脚分布及其 工作原理； Z80CPU、并行接口芯片PIO、计数器/定时器CTC、 8位ADC0808、8位DAC0832 第二步、分析各芯片地址分配情况；
第三步、连线。
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14
试分析下图中 8237A 、 8259A 、 8253 、 8255A 的地址范围
A4 0 0 0 0 0 0 0 0
A3 1 1 1Hale Waihona Puke Baidu1 1 1 1 1
A2 0 0 0 0 1 1 1 1
A1 0 0 1 1 0 0 1 1
A0 0 1 0 1 0 1 0 1
输出
输入
Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
CEA CEB CEC CED CEE CEF CEG CEH
29
4000H
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用16KX8B的存储器芯片组成64KX8B存储器
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3 负载能力的的扩展
扩展的 I/O 接口和存储器的数据线都同时挂在 CPU 的数据线上，各芯片的地址都要挂到CPU的地址线上， 控制线也都挂到 CPU的控制总线上。但系统总线的负 载能力有限，所以在设计者自己设计微机控制系统时， 需要考虑CPU各总线的负载能力。 微机系统中，通常采用两种不同工艺制造的器件， 即 TTL 器 件 和 MOS 器 件 （ TTL 又 分 标 准 TTL 器 件 74XXX ，和低功耗肖特基 TTL 器件 74LSXXX ）。它 们之间级连使用，逻辑电平是一致的（“ 1” 电平 ≥ 1.8~3.8V ，” 0” 电平 ≤ 0.8~0.3V ），但功耗和驱动能 力有差别。表2-4列出了TTL和MOS器件的I/O电流。
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二、I/O接口与系统的连接
常用的I/O接口芯片有Z-80PIO、8255A和8251A。
I/O接口与外设之间的连接
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7
接口芯片与CPU之间必要的连接信号有4类： 1）数据信号 2）读写控制信号
3）片选信号和地址线A1、A0
4）时钟、复位、中断控制、联络等信号
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CMOS---TTL电平转换 采用+5V电源的CMOS器件可直接驱动LSTTL 门，但对标准门即74系列芯片一般要加一级晶 体管驱动级。 由表2-4可见， CMOS器件的输入电流小，驱 动能力也差。
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四、I/O接口设计的方法、步骤及设计举例
1) I/O接口设计的方法、步骤
8086在最小模式下利用M/IO来区分访问存储器还
是I/O接口。（Ｐ２９）
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3
8086在最大模式下，由于引脚不够用，没有直接输
出M/IO、RD、WR，而是由S2， S1， S0输出三个总 线周期状态信号编码送至总线控制器8288，经8288 解决后，再生成IORC（读I/O口） IOWC（写I/O 口），即 S0 S1 S2 CPU总线时间 8288控制信号
该方式把所有的I/O接口的端口都当作是存储器的 一个单元对待，不设专门的I/O指令，所有传送和访 问存储器的指令都可用来对I/O 口操作。Intel51系 列、96系列单片机都是采用统一编址方式的。
比较两种编址方式：（Ｐ２９） 独立编址：内存地址空间和I/O接口地址空间分开， 互不影响，译码电路较简单；设有专门的I/O指令， 程序易区分、执行时间短。缺点是要采用专门的I/O 周期、I/O控制线和有限的I/O指令，使微处理器复 杂化。 统一编址： I/O接口可与存储器公用译码和控制电 路；访问内存的指令都可以用于I/O操作，数据处理 能力强。缺点是I/O接口要占用存储器地址空间的一 部分；指令共用，难以区分I/O操作。 6
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字扩展示意图
存储器位数满足要求需要扩充字数（单元数）时， 同样需要多个芯片组成芯片组。如，用上述的1KX8B 芯片组扩充成4KX8B芯片组，则需要的芯片组数
4 K 8B 4(组) 1K 8B
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18
例二:
用4片16KX8B的存储器芯片组成64KX8B存储器连接 线路。 分析：16K存储器芯片的地址为14位，而64K存储器 的地址应有16位。连接时，各芯片的14位地址线可 直接接地址总线的A0~A13，而地址总线的A15、 A14则接到2—4译码器的输入端，其输出端四根选择 线分别接到四片芯片的片选CS端。
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2） 举例说明I/O接口设计
例1：8088CPU系统，有8组8位的数字量和 开关量由外部输入，同时有8组8位的控制 和显示数据输出到外部。若指定8个输入端 口号为E8H～EFH，8个输出端口地址号为 F0H ～F7H，所有输入输出信息交换均可 采用无条件传送方式。试按此要求为该微 机系统设计I/O接口电路。
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1K 8B 8(片) 1K 1B
16
位扩展示意图
这 8篇芯片地址线 A0~A9、片选信号 CS以及读/写控 制信号WE都分别连到一起，只有数据输出端8片各自 独立，每片代表一位。当CPU访问该芯片组时，其发 出的地址和控制信号同时传给 8 个芯片，选中每个芯 片的同一单元（一位），其单元内容被同时读至数据 线的相应位或数据总线上的内容分别同时写入相应单 元。
接口设计的任务包括确定各外围设备的控制方式， 接口硬件电路设计和接口控制软件设计。
具体设计步骤如下：
首先：了解外设或被控设备与 CPU之间信息交换的要 求；（联络信号、 I/O数据格式、 I/O 线数量、最短响 应时间和服务时间估算、I/O控制方式等） 其次：考虑软硬件功能分配；（速度、成本、特性、 设计难以程度等）
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11
74LS138（3：8）译码器
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12
例一: 采用8位的Z80CPU微机控制系统，按控制要求 扩展一个并行接口芯片 PIO、一个计数器/定时器CTC、 一个 8 位的 A/D 转换器 ADC0808 和一个 8 位的 D/A 转换 器 DAC0832 。 指 定 它 们 的 地 址 分 别 是 40H~43H 、 44H~47H、58H和5CH。
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2
一、I/O接口的编址方式
编址方式是为了区别存储器和I/O接口读写操作而 设定的。分为I/O接口和存储器统一编址，I/O接口 独立编址。编址方式是由所选定的微处理器决定的。 （一）I/O接口独立编址方式
将存储器地址空间和I/O接口地址空间分开设置，
互不影响。设有专门的IN、OUT指令来完成I/O操作。 如：Z80利用MREQ和IORQ区分访问存储器还是I/O 接口。
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8088
I/O接口电路设计
74LS32
＆
A0A1A2A3A4A5A6A7 IOR
G1 G2B G2A C B A 》1
Y0
CE
74LS138A
1
G1 G2B G2A C B A
2015-4-16
74LS138B
: : :
30
74LS244
8088
I/O接口电路设计
74LS32
＆
2.3 I/O接口设计
本节主要任务：
学会对存储器、I/O端口的编址；
掌握I/O接口与系统的连接，I/O接口的扩展 技术； 设计一般的I/O接口硬件电路。
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1
I/O接口设计任务： （1）根据生产过程和生产机械或管理的要 求及外设的特性选定I/O控制方式；（这取 决于对信息交换的速度和CPU的工作效率的 要求） （2）设计I/O接口硬件并编写相应的接口控 制程序。（这取决于控制速度、可靠性及成 本）
0 0
C A2 0 0 0 0 1 1 1 1
B A1 0 0 1 1 0 0 1 1
A A0 0 1 0 1 0 1 0 1
译码 器B 输出
273 片选 输入
地址总线
有 效 信 号
A7 1 1 1 1 1 1 1 1
A6 1 1 1 1 1 1 1 1
A5 1 1 1 1 1 1 1 1
A4 1 1 1 1 1 1 1 1
1
74LS244A
数据 输入
: : :
74LS273H
74LS32
1
G1 G2B G2A C B A
74LS138B
Y7
: : :
CP
》1
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MOS器件的输入电流小，驱动能力也差。一个 MOS器件只能带一个标准74XXX器件（约-1.6mA） 或四个74LSXXX器件（-0.4mA），但它可以驱动10 个左右的MOS器件。通常，同类器件带8~10个没有 问题，若超过了就要加驱动器。
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22
表2-4的讨论
A0A1A2A3A4A5A6A7 IOR
G1 G2B G2A C B A 》1
Y0
CE
74LS138A
1
G1 G2B G2A C B A
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74LS138B
: : :
31
74LS244
数据 输入
地址分析
输出端口8个用74LS273，端口地址号为F0H ～F7H
译码器
G1
1
G2B G2A
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28
地址分析
译码器 G174LS244 G2B，端口地址号为 G2A C B E8H A ～ 译码 输入端口8个用 EFH244 器A 片选 1 0 0 地址总线
有 效 信 号
A7 1 1 1 1 1 1 1 1
A6 1 1 1 1 1 1 1 1
A5 1 1 1 1 1 1 1 1
A3 0 0 0 0 0 0 0 0
Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
CPA CPB CPC CPD CPE CPF CPG CPH
32
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8088
I/O接口电路设计
74LS32
＆
A0A1A2A3A4A5A6A7 IOR
G1 G2B G2A C B A 》1
Y0
CE
74LS138A
8
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9
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10
三、I/O接口扩展 1 扩展I/O接口地址及存储器容量。 1) 地址扩展 常用地址译码器有2：4（四中选一）、3：8 （八中选一）和4：16（十六中选一）译码器 等。比如74LS138（3：8）译码器和74LS139 和74LS155（双2：4）译码器。
TTL输出低电平最大值<CMOS允许输入低电平最大值 TTL输出高电平最小值>CMOS要求输入高电平最小值 +5V供电的CMOS可直接与TTL相连，TTL的输出电平较低，要用 上拉电阻Rv把TTL输出电平拉高。
+5V
附：
Rv
TTL
CMOS
TTL
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CMOS
输出 1 0 输入 1 0
2.2—5 0.4---0 2 --- 5 0.8--- 0
4.99-- 5 0.01- 0 3.5-- 5 1.5--0
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CMOS器件的工作电压范围在5—15V，若CMOS器件用 5v以上电源时，TTL电路的输出级应用集电极开路的OC 门电路,用上拉电阻把输出电平提高到所需要的值，如图 +5 V 5—15V Rv值取决不同系列型 号的集成电路，一般 Rv 都可满足电平转换要 求。 TTL CMOS
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2 存储器容量的扩展
存储器容量：指一个存储器芯片所能存储的二进 制信息量。 容量 = 字数 X 字长
如：Intel 2732表示为4K X 8B、Intel27512表示为 64K X 8B。
当单片存储器芯片（RAM或ROM）的容量不能 满足系统要求时，许多片组合以扩充字长（位扩充） 或字数（字扩充）。 a）存储器位扩充——举例说明 用1K X 1B的SRAM芯片位扩充形成1K X 8B的芯片 组，所需芯片为：
０
０ １ １
０
１ ０ １
１
０ １ ０
读I/O口
写I/O口 读存储器 写存储器
IORC
IOWC MRDC MWTC
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独立编址方式示意图
00000H FFFFFH
存储器 执行指令MOV，ADD，SHL，……
0000H FFFFH
I/O端口 执行指令IN，OUT
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5
（二）I/O接口与存储器统一编址方式
再次：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；
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四、I/O接口设计的方法、步骤及设计举例
第四：I/O接口硬件电路的扩展设计；（包括 扩展方案选择、地址译码器扩展和负载 能力扩展等） 第五：I/O接口控制软件设计。 最后：软硬件联调。
I/O接口扩展方案选择: 1) 购置现成的多功能I/O接口板 2) 自行设计、安装接口电路
解答步骤：
第一步、了解设计中所涉及到的芯片的引脚分布及其 工作原理； Z80CPU、并行接口芯片PIO、计数器/定时器CTC、 8位ADC0808、8位DAC0832 第二步、分析各芯片地址分配情况；
第三步、连线。
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试分析下图中 8237A 、 8259A 、 8253 、 8255A 的地址范围
A4 0 0 0 0 0 0 0 0
A3 1 1 1Hale Waihona Puke Baidu1 1 1 1 1
A2 0 0 0 0 1 1 1 1
A1 0 0 1 1 0 0 1 1
A0 0 1 0 1 0 1 0 1
输出
输入
Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
CEA CEB CEC CED CEE CEF CEG CEH
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4000H
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用16KX8B的存储器芯片组成64KX8B存储器
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3 负载能力的的扩展
扩展的 I/O 接口和存储器的数据线都同时挂在 CPU 的数据线上，各芯片的地址都要挂到CPU的地址线上， 控制线也都挂到 CPU的控制总线上。但系统总线的负 载能力有限，所以在设计者自己设计微机控制系统时， 需要考虑CPU各总线的负载能力。 微机系统中，通常采用两种不同工艺制造的器件， 即 TTL 器 件 和 MOS 器 件 （ TTL 又 分 标 准 TTL 器 件 74XXX ，和低功耗肖特基 TTL 器件 74LSXXX ）。它 们之间级连使用，逻辑电平是一致的（“ 1” 电平 ≥ 1.8~3.8V ，” 0” 电平 ≤ 0.8~0.3V ），但功耗和驱动能 力有差别。表2-4列出了TTL和MOS器件的I/O电流。
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二、I/O接口与系统的连接
常用的I/O接口芯片有Z-80PIO、8255A和8251A。
I/O接口与外设之间的连接
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接口芯片与CPU之间必要的连接信号有4类： 1）数据信号 2）读写控制信号
3）片选信号和地址线A1、A0
4）时钟、复位、中断控制、联络等信号
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CMOS---TTL电平转换 采用+5V电源的CMOS器件可直接驱动LSTTL 门，但对标准门即74系列芯片一般要加一级晶 体管驱动级。 由表2-4可见， CMOS器件的输入电流小，驱 动能力也差。
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四、I/O接口设计的方法、步骤及设计举例
1) I/O接口设计的方法、步骤
8086在最小模式下利用M/IO来区分访问存储器还
是I/O接口。（Ｐ２９）
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3
8086在最大模式下，由于引脚不够用，没有直接输
出M/IO、RD、WR，而是由S2， S1， S0输出三个总 线周期状态信号编码送至总线控制器8288，经8288 解决后，再生成IORC（读I/O口） IOWC（写I/O 口），即 S0 S1 S2 CPU总线时间 8288控制信号
该方式把所有的I/O接口的端口都当作是存储器的 一个单元对待，不设专门的I/O指令，所有传送和访 问存储器的指令都可用来对I/O 口操作。Intel51系 列、96系列单片机都是采用统一编址方式的。
比较两种编址方式：（Ｐ２９） 独立编址：内存地址空间和I/O接口地址空间分开， 互不影响，译码电路较简单；设有专门的I/O指令， 程序易区分、执行时间短。缺点是要采用专门的I/O 周期、I/O控制线和有限的I/O指令，使微处理器复 杂化。 统一编址： I/O接口可与存储器公用译码和控制电 路；访问内存的指令都可以用于I/O操作，数据处理 能力强。缺点是I/O接口要占用存储器地址空间的一 部分；指令共用，难以区分I/O操作。 6
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字扩展示意图
存储器位数满足要求需要扩充字数（单元数）时， 同样需要多个芯片组成芯片组。如，用上述的1KX8B 芯片组扩充成4KX8B芯片组，则需要的芯片组数
4 K 8B 4(组) 1K 8B
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例二:
用4片16KX8B的存储器芯片组成64KX8B存储器连接 线路。 分析：16K存储器芯片的地址为14位，而64K存储器 的地址应有16位。连接时，各芯片的14位地址线可 直接接地址总线的A0~A13，而地址总线的A15、 A14则接到2—4译码器的输入端，其输出端四根选择 线分别接到四片芯片的片选CS端。
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2） 举例说明I/O接口设计
例1：8088CPU系统，有8组8位的数字量和 开关量由外部输入，同时有8组8位的控制 和显示数据输出到外部。若指定8个输入端 口号为E8H～EFH，8个输出端口地址号为 F0H ～F7H，所有输入输出信息交换均可 采用无条件传送方式。试按此要求为该微 机系统设计I/O接口电路。
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1K 8B 8(片) 1K 1B
16
位扩展示意图
这 8篇芯片地址线 A0~A9、片选信号 CS以及读/写控 制信号WE都分别连到一起，只有数据输出端8片各自 独立，每片代表一位。当CPU访问该芯片组时，其发 出的地址和控制信号同时传给 8 个芯片，选中每个芯 片的同一单元（一位），其单元内容被同时读至数据 线的相应位或数据总线上的内容分别同时写入相应单 元。
接口设计的任务包括确定各外围设备的控制方式， 接口硬件电路设计和接口控制软件设计。
具体设计步骤如下：
首先：了解外设或被控设备与 CPU之间信息交换的要 求；（联络信号、 I/O数据格式、 I/O 线数量、最短响 应时间和服务时间估算、I/O控制方式等） 其次：考虑软硬件功能分配；（速度、成本、特性、 设计难以程度等）
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74LS138（3：8）译码器
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12
例一: 采用8位的Z80CPU微机控制系统，按控制要求 扩展一个并行接口芯片 PIO、一个计数器/定时器CTC、 一个 8 位的 A/D 转换器 ADC0808 和一个 8 位的 D/A 转换 器 DAC0832 。 指 定 它 们 的 地 址 分 别 是 40H~43H 、 44H~47H、58H和5CH。
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一、I/O接口的编址方式
编址方式是为了区别存储器和I/O接口读写操作而 设定的。分为I/O接口和存储器统一编址，I/O接口 独立编址。编址方式是由所选定的微处理器决定的。 （一）I/O接口独立编址方式
将存储器地址空间和I/O接口地址空间分开设置，
互不影响。设有专门的IN、OUT指令来完成I/O操作。 如：Z80利用MREQ和IORQ区分访问存储器还是I/O 接口。
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I/O接口电路设计
74LS32
＆
A0A1A2A3A4A5A6A7 IOR
G1 G2B G2A C B A 》1
Y0
CE
74LS138A
1
G1 G2B G2A C B A
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74LS138B
: : :
30
74LS244
8088
I/O接口电路设计
74LS32
＆
2.3 I/O接口设计
本节主要任务：
学会对存储器、I/O端口的编址；
掌握I/O接口与系统的连接，I/O接口的扩展 技术； 设计一般的I/O接口硬件电路。
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1
I/O接口设计任务： （1）根据生产过程和生产机械或管理的要 求及外设的特性选定I/O控制方式；（这取 决于对信息交换的速度和CPU的工作效率的 要求） （2）设计I/O接口硬件并编写相应的接口控 制程序。（这取决于控制速度、可靠性及成 本）
0 0
C A2 0 0 0 0 1 1 1 1
B A1 0 0 1 1 0 0 1 1
A A0 0 1 0 1 0 1 0 1
译码 器B 输出
273 片选 输入
地址总线
有 效 信 号
A7 1 1 1 1 1 1 1 1
A6 1 1 1 1 1 1 1 1
A5 1 1 1 1 1 1 1 1
A4 1 1 1 1 1 1 1 1
1
74LS244A
数据 输入
: : :
74LS273H
74LS32
1
G1 G2B G2A C B A
74LS138B
Y7
: : :
CP
》1
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MOS器件的输入电流小，驱动能力也差。一个 MOS器件只能带一个标准74XXX器件（约-1.6mA） 或四个74LSXXX器件（-0.4mA），但它可以驱动10 个左右的MOS器件。通常，同类器件带8~10个没有 问题，若超过了就要加驱动器。
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表2-4的讨论
A0A1A2A3A4A5A6A7 IOR
G1 G2B G2A C B A 》1
Y0
CE
74LS138A
1
G1 G2B G2A C B A
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74LS138B
: : :
31
74LS244
数据 输入
地址分析
输出端口8个用74LS273，端口地址号为F0H ～F7H
译码器
G1
1
G2B G2A
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地址分析
译码器 G174LS244 G2B，端口地址号为 G2A C B E8H A ～ 译码 输入端口8个用 EFH244 器A 片选 1 0 0 地址总线
有 效 信 号
A7 1 1 1 1 1 1 1 1
A6 1 1 1 1 1 1 1 1
A5 1 1 1 1 1 1 1 1
A3 0 0 0 0 0 0 0 0
Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
CPA CPB CPC CPD CPE CPF CPG CPH
32
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8088
I/O接口电路设计
74LS32
＆
A0A1A2A3A4A5A6A7 IOR
G1 G2B G2A C B A 》1
Y0
CE
74LS138A
8
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9
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10
三、I/O接口扩展 1 扩展I/O接口地址及存储器容量。 1) 地址扩展 常用地址译码器有2：4（四中选一）、3：8 （八中选一）和4：16（十六中选一）译码器 等。比如74LS138（3：8）译码器和74LS139 和74LS155（双2：4）译码器。