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第八章 接口电路

第八章 接口电路. 掌握并行接口 8255A 的主要特性、工作方式和初始化编程方法 掌握定时 / 计数器 8253 的主要特性、工作方式和初始化编程方法 理解 D/A 及 A/D 转换器接口方法 理解串行通信概念和 8251 初始化编程方法. 8-1 接口概述. 接口就是 CPU 与外部设备之间的连接部件，是 CPU 与外界进行信息交换的中转站。 接口的功能 数据缓冲 ： 数据口和状态口 接收与执行 CPU 命令： 命令口 信号转换 ： 电平、电流的转换以及时序的转换 设备选择 ： 高位地址用于片选，低位对片内寻址 中断管理

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第八章 接口电路

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  1. 第八章 接口电路 • 掌握并行接口8255A的主要特性、工作方式和初始化编程方法 • 掌握定时/计数器8253的主要特性、工作方式和初始化编程方法 • 理解D/A及A/D转换器接口方法 • 理解串行通信概念和8251初始化编程方法

  2. 8-1 接口概述 • 接口就是CPU与外部设备之间的连接部件，是CPU与外界进行信息交换的中转站。 • 接口的功能 • 数据缓冲 ：数据口和状态口 • 接收与执行CPU命令：命令口 • 信号转换 ：电平、电流的转换以及时序的转换 • 设备选择 ：高位地址用于片选，低位对片内寻址 • 中断管理 • 数据宽度转换：移位寄存器 • 可编程：灵活地改变接口的工作方式

  3. 8-2 可编程并行通信接口 8255A 1、并行接口电路： • I/O设备要与微处理器进行数据传输，一般都采用接口电路与之相连，通常采用的有串行和并行通信接口。 • 并行接口电路中每个信息位有自己的传输线，一个数据字节各位可并行传送，速度快，控制简单。由于电气特性的限制，传输距离不能太长。 • 一个并行接口中包括状态寄存器、控制寄存器和输入输出缓冲寄存器。 • 8255A是通用的可编程并行接口芯片，功能强，使用灵活。适合一些并行输入/输出设备的使用。

  4. 2、8255A并行接口逻辑框图 C P U 接 口 外设 接 口

  5. 8-2 可编程并行通信接口 8255A ① 三个独立的数据端口 • 三个独立的数据端口是口A、口B、口C，都是8位的数据端口，用来完成和外设之间的信息交换。 • 口A有一个8位的数据输入锁存器和一个8位的数据输出锁存和缓冲器，即A端口适用于双向的数据传输。 • 口B与口C分别有一个8位的数据输入缓冲器和一个8位的输出锁存和缓冲器，即B端口和C端口作输出端口时数据可以锁存，作输入端口时不能对数据实现锁存。 • 在实际应用中，口A与口B通常作为独立的输入端口和输出端口，口C的8条线分成两个4位的端口，分别作为口A与口B在传输时的控制信号线。 • 口C的8条线可独立进行置1/置0的操作。

  6. 8-2 可编程并行通信接口 8255A • ② A组控制电路和B组控制电路：由它们内部的控制寄存器接收CPU输出的方式控制命令字，然后分别决定两组的工作方式。A组控制口A和口C的高4位，B组控制口B和口C的低4位。 • ③ 读写控制逻辑电路：由CPU的地址线A1和A0、8255A的片选信号CS#、RD#和WR#信号组合后产生控制命令。内有控制寄存器，接收CPU输出的命令字，决定两组的工作方式。 • ④ 数据总线缓冲器：三态双向的8位数据总线缓冲器，它是8255A与系统总线的接口，8255A与CPU之间的所有信息传输都要经过此。 • ⑤一些控制信号： • CS# 选片信号 RD# 读信号 WR# 写信号 • ⑥端口寻址：口A、口B、口C及控制字口共占4个端口号。

  7. 通过A1、A0选中8255A内部的四个寄存器

  8. 8-2 可编程并行通信接口 8255A 3、8255A的三种工作方式 • 方式0：基本输入/输出方式，不需要固定的应答式联络信号，输出是锁存的，输入不锁存。A、B、C端口均可设成此模式。 • 方式1：选通的输入/输出方式，此时A端口和B端口进行输入/输出时，端口C的某些位作为控制或状态信息。 • 方式2：带选通的双向传输方式（单一的8位总线上既能发送又能接收），输入和输出都是锁存的，只有端口A可设成此方式。此时C端口的PC7-PC3作为端口A的控制信号和状态信息使用。

  9. 端口A工作在方式1的输入方式 端口B工作在方式1的输入方式 PA 7~0 PB 7~0 PC 4 PC 5 PC 3 PC 1 PC 0 PC 2 INTEA INTEB STBA STBB IBFA IBFB INTRA INTRB PC 6~7 I/O

  10. 端口A工作在方式1的输出方式 端口B工作在方式1的输出方式 PA 7~0 PB 7~0 PC 6 PC 7 PC 3 PC 1 PC 0 PC 2 INTEA OBFA ACKA INTEB ACKB OBFB INTRA INTRB PC 4~5 I/O

  11. 8-2 可编程并行通信接口 8255A 4、8255A的工作方式选择

  12. 8-2 可编程并行通信接口 8255A • 例：要求8255A的A端口作输入，B端口作输出， C端口的PC7~PC4作输出，PC3作输入，A组工作在方式0，B组工作在方式1， 8255A占用的端口地址为 F8H~ FBH，写出初始化指令。 答： 方式控制字 = 1 0 0 1 0 1 0 1 B = 95H MOV AL，95H ；方式控制字 MOV DX，0FBH ；控制字寄存器端口为FBH OUT DX , AL

  13. 5、8255A的实际应用电路 利用8255A驱动多位显示的LED显示器 • 各位七段LED数码管公用一个段驱动，也称段码口 • 每位七段LED数码管的公共端连接一个位驱动，控制各位数码管的点燃，又称位码口。 • 可以采用8255A的A口数据线用作8个数码管公用的段控制线（阳极），B口数据线用作对8个数码管的阴极控制。

  14. 段码口 : : a …. g a …. g a …. g a …. g a …. g a …. g a …. g a …. g com com com com com com com com 位码口 A 口 B 口

  15. 问题： 假设8255A占用的端口地址为3F0H~3F3H，请问： • 8255A与CPU如何连接？ • 此时， A端口和B端口工作在什么方式？ CPU如何对8255A进行初始化？ 答： 口A和口B应工作在方式0的输出方式。 工作方式控制字 = 1 0 0 0 0 0 0 0 B = 80H MOV AL，80H ；方式控制字 MOV DX，3F3H ；控制字寄存器端口为3F3H OUT DX , AL

  16. WR WR RD RD CS M 8086 CPU A口 A0 A0 A1 A1 RESET RESET B口 8255A A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 IO/

  17. 利用8255A的8×8小键盘接口电路 +5V +5V …… +5V +5V PA0 PA1 … … … 8255A PA6 PA7 R0 R1 …… R6 R7 PB0 PB1 … PB6 PB7 L0 L1 … L6 L7

  18. 8-2 可编程并行通信接口 8255A 5、8255A的按位“置位/复位”功能

  19. 8-2 可编程并行通信接口 8255A • 例：要使端口C的PC3置位，PC7复位的控制字各为多少，如何通过程序实现？ 8255A占用的端口地址为 F8H~ FBH。 答： PC3置位的控制字 = 0 0 0 0 0 1 1 1 B = 07H PC7复位的控制字 = 0 0 0 0 1 1 1 0 B = 0EH MOV AL，07H MOV DX，0FBH ；控制字寄存器端口为FBH OUT DX , AL MOV AL，0EH OUT DX , AL

  20. 例题： • 8255A的工作方式控制字和C口的按位置位/复位控制字有何区别？若将PC2脚上输出高电平，其控制口地址是303H，程序段应是如何？ • 工作方式控制字是对8255A的三个端口的工作方式及功能进行控制，写在程序的开头，控制字最高位D7=1； • C口的按位置位/复位控制字只对C口的某一位输出高电平或低电平（置位或复位）进行控制，不能同时对几位操作，控制字最高位D7=0。 • PC2置位的程序为：MOV DX，303H MOV AL，05H OUT DX，AL

  21. 8-3 可编程串行通信接口 8251A 8-3-1 串行通信的基本概念 • 串行通信中两种基本的通信方式：同步方式和异步方式。 • 异步通信方式：用一个起始位表示字符的开始，用停止位表示字符的结束，它们之间是真正的数据位，由此构成一个数据帧。 • CPU与外设之间必须规定统一的字符编码形式。 • CPU与外设之间必须规定好数据信号传送速率 • 波特率：单位时间内线路状态变化(电信号变化)的数目， 单位是波特。 • 同步通信方式：在数据块传送时，采用同步传送，在数据块开始处用同步字符来指示。 • 同步传送的速度高于异步的，但要求有时钟来实现发送端和接收端之间的同步。

  22. 8-3 可编程串行通信接口 8251A • 串行通信中数据传送方向：单工、半双工和全双工。 • 串行通信的信号常常要通过调制解调器进行传送。 • 调制器：把数字信号转换为模拟信号 • 解调器：将模拟信号还原为数字信号 • 调制方法：频率调制FM、幅度调制AM、相位调制PM

  23. 串行I/O的实现 • 软件实现 • 硬件UART---通用非同步（异步）接收器/发送器 • 输入时，由RXD来的串行数据先进入移位寄存器，然后并行输入给缓冲器（变成并行的），由数据总线输至CPU。 • 输出时，由CPU来的并行数据由缓冲器接收，然后送至移位寄存器，由TXD一位一位移位输出（变成串行的） • 串行通信的校验方法： 奇偶校验（异步通信）、循环冗余校验（同步通信） • 串行接口标准RS-232C （异步） 用于计算机与Modem、键盘或终端之类的设备之间

  24. 例题： • 什么叫波特率？在一个异步通信系统中，如果数据速率为2400波特，数据格式为8个数据位，1个校验位，2个停止位，那么每秒钟能传送多少个字符？ • 为什么同步传输比异步传输效率高？ • 波特率是指单位时间内线路状态变化（电信号变化）的数目，用波特做单位。 • 异步传输要有一位起始位，一个字符为1位起始位、8个数据位，1个校验位，2个停止位，共12位，每秒钟可以传送字符2400/12=200个。 • 异步传输中，每个字符要用起始位和停止位作为字符的开始和结束的标志，占用了时间；同步传输不需要起始位和停止位，所以比异步传输效率高。

  25. 例题： • 现利用一个异步通信系统传送英文资料，系统的速率为1200波特，待传送的资料位5000个字符，假设系统采用ASCII码传送，不用校验位，1个停止位，问至少需要多少时间才能传送完全部资料？ • 每个字符用9位，总计需要传送的位数为9*5000=45000 • 所需的时间为45000/1200=37.5秒。

  26. 8-3-2 可编程串行接口芯片8251A---- USART

  27. 1、8251A内部结构框图 ①I/O缓冲器：通过8位数据线与CPU数据总线相连，包括 状态缓冲器、发送数据/命令缓冲器、接收数据缓冲器。 ②读写控制逻辑：接收与读写有关的控制信号，由CS#、C/D#、RD#和WR#信号组合后产生出8251A所执行的操作。 ③发送器：接收 CPU送来的并行数据，加上起始位、奇偶校验位和停止位，从TxD引脚发送。包括数据输出寄存器和发送移位寄存器及控制电路。 ④接收器：接收 RxD脚上的串行数据，并把它转换为规定格式并行数据，存放在接收数据缓冲器中。包括接收移位寄存器和数据输入寄存器及控制电路。 ⑤调制控制逻辑：专为调制解调器提供控制信号。

  28. 2、8251A 初始化编程 • 8251A占用2个端口地址。（C/ D端接地址线，控制/数据端） • 偶地址用于数据端口，输入/输出合用； • 奇地址用于控制端口，状态/控制合用。 • 合用的信号，用RD#和WR#来区分。 • 8251A可工作在同步方式，也可工作在异步方式。在初始化时向控制口写入方式选择字，规定其工作方式。 • 例如：要求8251A作为外同步通信接口，数据位8位，2个同步字符，偶校验。 其方式选择字为：7CH（0 1 1 1, 1 1 0 0 B） • 例如：要求8251A作为异步通信，波特率因子为64，字符长度为8位，奇校验，2个停止位。 其方式选择字为： DFH（1 1 0 1, 1 1 1 1 B）

  29. 8251A 同步方式下方式选择字的格式 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D5 D3 D2 0 0 D7 D6 D4 同步字符数目 0 0 0 5位数据 双同步字符 0 1 6位数据 1 单同步字符 1 0 7位数据 1 1 8位数据 内同步检测 0 (SYNDET为出) 禁止奇偶校验 0 外同步检测 1 (SYNDET为入) 1 允许奇偶校验 0 奇校验 1 偶校验

  30. 8251A 异步方式下方式选择字的格式 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D7 D6 D5 D3 D2 B2 B1 D4 S2 S1 EP PEN 仃止位数目 0 无 效 0 0 0 0 0 5 同步 方 式 允 1 位 0 1 0 1 6 0 1 1x 1 许 1 0 7 1 0 16x 1 1/2 位 1 0 校 1 1 8 1 1 64x 2 位 1 1 禁 0 止 数据位 0 波特率因子 奇 校 验 校 1 偶 校 验

  31. 2、8251A 初始化编程 8251A的三个控制字： • 方式选择控制字：在初始化时向控制口写入方式选择字，规定8251A的工作方式。 • 命令控制字：初始化在写入方式选择字后，接着要向控制口写入命令字，直接启动工作，使8251A的处于规定的工作状态，以准备接收或发送数据。 • 状态寄存器：是反映8251A内部工作状态的寄存器，只能读出，不能写入。状态字可以被CPU读入后用以控制CPU与8251之间的数据交换。

  32. D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 EH IR RTS ER SBRK RxE DTR TxEN 置“1”为搜索同步字符 请求发送，置“1”后RTS#输出0 送终止符，置“1”后TxD输出0 数据终端就绪，置“1”后 DTR#输出0 置“1”后8251内部复位 清除错误标志，置“1”后清PE、OE、FE 1：接收允许0：屏蔽 1：发送允许0：屏蔽 8251A 命令字的格式 • 内部软件复位命令为40H。 • 正常通信状态，D3、D6为0。 • 写同步接收命令字时，D7、D4、D2同时为1。

  33. 复位操作 送方式字 是 同步方式 ？ 否 送第一个同步字符 否 双同步 ？ 送命令字 是 是 送第二个同步字符 复 位 ？ 否 传送数据 否 传递完 ？ 是 2、8251A 初始化编程

  34. 8-4 可编程定时/计数器 8253 1、8253的主要功能 • 一个芯片上有3个独立的16位的计数器通道。 • 每个计数器都可以单独作为定时器或计数器使用，都可以按照二进制或十进制来计数。 • 每个通道都有6种工作方式，可以通过程序设置或改变。 • 单一的+5V电源，所有的输入、输出都是TTL电平，便于与外围接口电路相连接。 • 每个计数器的速率高达2MHz。 • 计数是用外部被记录的脉冲做时钟，定时是用已知的准确的固定周期的信号作时钟。

  35. 2、 8253结构框图

  36. 数据总线缓冲器：是8253与CPU数据总线连接的8位的双向三态缓冲器，8253与CPU之间进行数据传送时的所有信息都要经过数据总线缓冲器，主要有：数据总线缓冲器：是8253与CPU数据总线连接的8位的双向三态缓冲器，8253与CPU之间进行数据传送时的所有信息都要经过数据总线缓冲器，主要有： • CPU对8253初始化编程时，写入8253的控制字 • CPU向某一个通道写入计数值 • CPU从某一个通道读取当前的计数值 • 读/写控制逻辑：接收CPU输出到8253的 RD#、WR#、CS#、A1、A0信号，经过逻辑控制电路的组合产生出对8253要进行的操作。 • 控制字寄存器：8位寄存器，只能写入，不能读出。在初始化8253时，CPU写入8253的控制字就存放在其中。 • 3个计数器：每个计数器内部都包含一个16位的可预置初始值寄存器、一个减法计数器和一个锁存器。

  37. 3、8253的控制字 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 SC1 SC0 RL1 RL0 M2 M1 M0 BCD 计数器0 0 0 0 1 0 计数器1 二进制格式 计数器2 BCD码格式 1 0 1 1 1 不定义 0 0 0 0 0 MODE0 锁存计数值 读/写低8位 1 0 0 1 MODE1 0 读/写高8位 1 X 1 0 MODE2 0 先读/写低8位 后读/写高8位 1 1 X 1 1 MODE3 1 0 0 MODE4 1 0 1 MODE5 MODE5

  38. 4、8253初始化编程 • 设置控制字：由CPU向8253的控制字寄存器输出一个控制字，用来选择计数器并设置其工作方式和计数格式。 • 设置初始值：给计数器写入初始值。 • 对某个计数器预置初始值之前，必须先写入控制字。 • 给计数器写入初始值，要符合控制字中规定的格式。 • 如果是16位初值，要用2条输出指令 • （先送低字节，后送高字节） • 如果是8位，在8253内部全部当作16位双字节， 缺少的字节补0。

  39. 8253通过2位地址线A1、A0，对三个计数器和控制字寄存器进行寻址，即8253占用4个设备号。 例：8253的端口地址位0F8H ~0FBH，现要用计数器0，工作在方式0，按二进制计数，计数值为0FFEH。 写出初始化程序。 MOV AL ，30H ；控制字 OUT 0FBH，AL ；送控制口 MOV AL ，0FEH ；计数值低8位 OUT 0F8H ，AL ；送计数器0 MOV AL ，OFH ；计数值高8位 OUT 0F8H，AL ；送计数器0

  40. 5、8253的6种工作方式 • 方式0（计数最后一个数时中断） • 方式1（可编程序的单拍脉冲） • 方式2（速率发生器、分频器） • 方式3（方波速率发生器） • 方式4（软件触发选通） • 方式5（硬件触发选通）

  41. 方式0（计数结束产生中断的计数器） • 控制字送出，OUT保持为低。 • 写入计数值后自动开始计数。 • 计数到0时，输出变高，产生中断，并停止计数。

  42. 方式1（可编程序的单拍脉冲） 输出单个宽度为 计数值N的负脉冲 • 控制字送出，OUT保持为高。 • 写入计数值后，等待门控脉冲的触发启动，在启动之后的下一个CLK脉冲的下降沿开始计数，输出由高变低； • 计数到0时，输出变高，停止计数；等下一次 门控脉冲的再次触发启动

  43. 方式2（速率发生器、分频器） 每N个CLK中输出单个宽度为CLK周期的负脉冲 • 写入计数值后立即计数，而且能连续工作； • 计数到1时，输出变低； • 再一个CLK周期，输出恢复为高，且计数器开始重新计数。

  44. 方式3（方波速率发生器） • 写入计数值后立即计数； • 计数值为偶数时，输出对称方波。 • 先 N/2 个CLK的高电平，后 N/2 个CLK的低电平。

  45. 方式3（方波速率发生器） • 写入计数值后立即计数； • 计数值为奇数时，输出不对称方波。 • 先(N+1)/ 2个CLK的高电平，后(N-1)/ 2个CLK的低电平。

  46. 方式4（软件触发选通） • 写入计数值后立即计数（软件启动）； • 计数到0，输出变低； • 再一个CLK周期，输出变高，停止计数，即计数是一次性的。

  47. 方式5（硬件触发选通） • 写入计数值后，由门控脉冲的上升沿触发启动计数； • 计数到0，输出变低； • 再一个CLK周期，输出变高，停止计数； • 等下一次门控脉冲的触发再次启动计数。

  48. 工作方式的简单比较： • 方式0、2、3、4是在写入计数值后立即计数，方式1和5需要外部触发启动，才开始计数。 • 方式1与方式5工作方式基本相同，方式1输出宽度为N个CLK周期的负脉冲，方式5输出宽度为1个CLK周期的负脉冲。 • 方式2和方式3是连续计数，方式0、1、4、5都是一次计数，要继续工作，需要重新启动。 • 方式0和4由再次写入计数值（软件）启动 • 方式1和5由再次的门控信号（硬件）启动 • 方式2、4、5都是输出宽度为1个CLK周期的负脉冲，方式2是连续工作，方式4由软件启动，方式5由硬件启动。

  49. 例题： • 用8253A通道0对外部脉冲计数，每计满10000个产生一次中断。问该通道应工作在什么方式？ • 请写出工作方式控制字及计数值。 • 通道0应工作在方式0，即计数到零产生中断。 • 此时的工作方式的控制字为30H。 • 计数器的计数初值为2710H（10000D）。

  50. 例题： • 用8253A通道1作为DRAM的刷新定时器，DRAM要求在2ms对全部128行存储单元刷新一遍。假定计数器用的时钟频率为2MHz，问该通道应该工作在什么方式？ • 请写出工作方式控制字及计数值（用16进制数表示）。 • 通道1应工作在方式2，即频率发生器方式。 • 此时的工作方式的控制字为54H。 • 计数器的时钟频率为2MHz，则计数周期为0.5μs 两行刷新的最大时间间隔为 2ms/128= 15.6 μs 频率发生器的计数值 15.6 / 0.5 =31.2 ，取31D 即计数值为1FH。

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