新编16位32位微型计算机原理及应用第7章._可编程接口芯片及通用I_...

主讲人：陈朋博士、讲师地址：广C321室Phone：13819195905（600+）Email：[e-mail]微机与外设交换信息,都必须通过接口电路来实现。随着大规模集成电路技术的发展，现已生产了各种各样通用的可编程接口芯片，不同系列的微处理器都有其标准化、系列化的接口芯片可供选用。因此，学会典型通用接口芯片的工作原理和使用方法，是掌握微机接口技术的重要基础。本章主要介绍Intel系列的8255A、8250、8253-5、8259A等几种典型通用的接口芯片，以及常用的DAC0832与ADC0809转换芯片。并简要介绍几种新型的通用I/O标准接口。第7章可编程接口芯片及通用I/O接口芯片7.1接口的分类及功能7.2可编程计数器/定时器8253-57.4可编程并行通信接口芯片8255A第7章可编程接口芯片及通用I/O接口芯片7.1接口的分类及功能7.1.1接口的分类按接口的功能可分为通用接口和专用接口两类。通用接口适用于大部分外设，如行式打印机、电传打字机和键盘等都可经通用接口与CPU相连。通用接口又可分为并行接口和串行接口。并行接口是按字节传送的；串行接口和CPU之间按并行传送，而和外设之间是按串行传送的。专用接口仅适用于某台外设或某种微处理器，用于增强CPU的功能。此外，在微机控制系统中专为某个被控制的对象而设计的接口，也是专用接口。7.1.2接口的功能接口的功能很丰富，视具体的接口芯片而定，其主要的功能有：1.缓冲锁存数据通常CPU与外设工作速度不可能完全匹配,在数据传送过程中难免有等待的时候。为此，需要把传输数据暂存在接口的缓冲寄存器或锁存器中，以便缓冲或等待；而且，要为CPU提供有关外设的状态信息，如外设“准备好”、“忙”，或缓冲器“满”、“空”等。2.地址译码在微机系统中，每个外设都被赋予一个相应的地址编码，外设接口电路能进行地址译码，以选择设备。3.传送命令外设与CPU之间有一些联络信号,如外设的中断请求，CPU的响应回答等信号都需要接口来传送。4.码制转换在一些通信设备中，其信号是以串行方式传输的，而计算机的代码是以并行方式输入输出的，这就需要进行并行码与串行码的互相转换；在转换中，根据通信规程还要加进一些同步信号等，这些工作也是接口电路要完成的任务之一。5.电平转换一般CPU输入输出的信号都是TTL电平，而外设的信号就不一定是TTL电平。为此，在外设与CPU连接时，要进行电平转换，使CPU与外设的电压(或电流)相匹配。在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。最小输入高电平和低电平：输入高电平=2.0V，输入低电平=0.8V。TransistorTransistorLogic7.2可编程计数器/定时器8253-58253-5是可编程计数器/定时器。7.2.18253-5的引脚与功能结构8253-5是一种24脚封装的双列直插式芯片。8253-5引脚的定义如下:D0～D7:数据线。A0、A1:地址线，用于选择3个计数器中的一个及选择控制字寄存器。RD:读控制信号，低电平有效。WR：写控制信号，低电平有效。CS：片选端，低电平有效。CLK0～2：计数器0#、1#、2#的时钟输入端。GATE0～2:计数器0#、1#、2#的门控制脉冲输入端,由外部设备送入门控脉冲。OUT0～2：计数器0#、1#、2#的输出端，由它接至外部设备以控制其启停。8253-5的功能体现在两个方面,即计数与定时。两者的工作原理在实质上是一样的，都是利用计数器作减1计数，减至0发信号；两者的差别只是用途不同。7.2.28253-5的内部结构和寻址方式1.内部结构8253-5的内部结构有3个独立结构完全相同的16位计数器和1个8位控制字寄存器。在每个计数器内部,又可分为计数初值寄存器CR、计数执行部件CE和输出锁存器OL这3个部件，它们都是16位寄存器，也可以作8位寄存器来用。在计数器工作时,通过程序给初值寄存器CR送入初始值，该值再送入执行部件CE作减1计数；而输出锁存器OL则用来锁存CE的内容，该内容可以由CPU进行读出操作。2.寻址方式8253-5内部有3个计数器和1个控制字寄存器,可通过地址线A0、A1，读写控制线RD、WR与选片CS进行寻址,并实现相应的操作。7.2.38253-5的6种工作方式及时序关系8253-5的方式控制字格式如图7.4所示，各计数器有6种可供选择的工作方式，以完成定时、计数或脉冲发生器等多种功能。1.方式０计数结束产生中断8253-5在方式0工作时，有以下特点：（1）当写入控制字后，OUT端输出低电平作为起始电平，在有两个负脉冲宽度的信号的上升沿将初值写入初值寄存器CR，待计数初值装入计数器后，输出仍保持低电平。若GATE端的门控信号（图中有两组门控信号，但未画出上面的第1组高电平的GATE信号）为高电平，当CLK端每来一个计数脉冲，计数器就作减1计数，当计数值减为0时，OUT端输出变为高电平；若要使用中断，则可利用此上跳的高电平信号向CPU发中断请求。（2）GATE为计数控制门。方式0的计数过程可由门控信号GATE控制暂停，即当GATE=1时，允许计数；GATE=0时，停止计数。GATE信号的变化并不影响输出OUT端的状态。（3）计数过程中可重新装入计数初值。如果在计数过程中，重新写入某一计数初值，则在写完新的计数值后，计数器将从该值重新开始作减1计数。2.方式1可编程单稳触发器(1)写入控制字后，OUT端输出高电平作为起始电平。当计数初值送到计数器后，若无GATE的上升沿，不管此时GATE输入的触发电平是高电平还是低电平,都不开始减1计数，必须等到GATE端输入正跳变触发脉冲时,计数过程才会开始。(2)工作时,由GATE输入触发脉冲的上升沿使OUT变为低电平，每来一个计数脉冲，计数器作减1计数，当计数值减为0时,OUT再变为高电平。OUT端输出的单稳负脉冲的宽度为计数器的初值乘以CLK端输入脉冲周期。(3)如果在计数器未减到0时,门控端GATE又来一触发脉冲,则由下一个时钟脉冲开始,计数器将从初始值重新作减1计数.当减至0时，输出端又变为高电平。这样,使输出脉冲宽度延长。3.方式2分频器（又叫分频脉冲产生器）此方式是n分频计数器,n是写入计数器的初值。写入控制字后，OUT端输出高电平作为起始电平。当计数初值写入计数器后，从下一个时钟脉冲起，计数器开始作减1计数。当减到1时，OUT端输出将变为低电平。当计数端CLK输入n个计数脉冲后,在输出端OUT输出一个n分频脉冲,其正脉冲宽度为（n-1）个输入脉冲时钟周期,而负脉冲宽度只是一个输入脉冲时钟周期。GATE用来控制计数,GATE=1,允许计数；GATE=0，停止计数。因此，可以用GATE来使计数器同步。要注意的是，在方式2下，不但高电平的门控信号有效，上升跳变的门控信号也是有效的。4.方式3方波频率发生器此方式类似于方式2，但输出为方波或者为对称的矩形波。当写入控制字后,OUT端输出低电平作为起始电平，装入计数值n后，OUT端输出变为高电平。如果当前GATE为高电平，则立即开始作减1计数。当计数值n为偶数时，每当计数值减到n/2时，则OUT端由高电平变为低电平，并一直保持计数到0，故输出的n分频波为方波;当n为奇数时，输出分频波高电平宽度为(n+1)/2计数脉冲周期，低电平宽度为(n-1)/2计数脉冲周期。5.方式4软件触发选通脉冲按方式4工作时，写入控制字后，输出OUT变为高电平。当由软件触发写入初始值后，计数器作减1计数，当计数器减到0时,在OUT端输出一个宽度等于一个计数脉冲周期的负脉冲。若GATE=1,允许计数;GATE=0，停止计数。6.方式5硬件触发选通脉冲此方式类似于方式4，所不同的是GATE端输入信号的作用不同。按方式5工作时，由GATE输入触发脉冲，从其上升沿开始，计数器作减1计数，计数结束时，在OUT端输出一个宽度等于一个计数脉冲周期的负脉冲。在此方式中，计数器可重新触发。在任何时刻，当GATE触发脉冲上升沿到来时，将把计数初值重新送入计数器，然后开始计数过程。７.4可编程并行通信接口芯片8255A7.4.18255A芯片引脚定义与功能１.数据端口Ａ、Ｂ、Ｃ8255A的3个8位数据端口A、B、C各有不同特点，可以由设计者用软件使它们分别作为输入端口或输出端口。在实际使用中，A口与B口常常作为独立的输入端口或者输出端口，C口则配合A口和B口工作。具体地说，C口常常通过控制命令分成为2个4位端口，每个4位端口包含1个4位的输入缓冲器和1个4位的输出锁存器/缓冲器，它们分别用来为A口和B口输出控制信号和输入状态信号。２.A组控制和B组控制部件这两组控制部件有两个功能:一是接收来自芯片内部数据总线上的控制字；二是接收来自读写控制逻辑电路的读/写命令,以此来决定两组端口的工作方式和读/写操作.３.读/写控制逻辑电路读/写控制逻辑电路的功能是负责管理8255A的数据传输过程。它接收CS及来自地址总线的信号A1、A0（在8086总线中为A2、A1）和控制总线的信号RESET、WR、RD,将它们组合后,得到对A组控制部件和B组控制部件的控制命令,并将命令送给这两个部件，再由它们完成对数据、状态信息和控制信息的传输。４.数据总线缓冲器它是一个双向三态的8位数据缓冲器，8255A正是通过它与系统数据总线相连。输入数据、输出数据、CPU发给8255A的控制字都是通过该部件传递的。7.4.28255A寻址方式8255A内部有3个I/O端口和一个控制字端口,通过地址线A0、A1，读写控制线RD、WR与片选端CS进行寻址并实现相应的操作。7.4.38255A的3种工作方式1.方式0方式0是基本的输入输出工作方式方式0有以下特点：(1)任何一个端口都可用作输入或输出。(2)由A口、B口、C口高4位与C口低4位4组组合成16种不同的输入/输出组态。2.方式1方式1和方式0不同，它要利用端口C所提供的选通信号和应答信号，来控制输入/输出操作。所以,方式1又称为选通输入输出方式。（1）端口A和端口B均为输入方式，其控制字格式和连接图如图7.27所示。P250当8255A接收到写入控制口的控制字时，就会对D7位标志位进行测试。如D7＝1，则为方式选择字；若D7＝0，则为C口的置1/复0控制字。图7.28是对C口直接置位或复位的控制命令字格式。（2）端口A与B均为输出方式。其控制字格式和连线图如图7.29所示。（3）混合输入与输出端口A为输入，端口B为输出，其控制字格式和连线图如图7.30所示。端口A为输出，端口B为输入，其控制字格式如图7.31所示。3.方式2此方式称为选通双向传输，仅适用于端口A。图7.32是方式2的控制字格式和连线图。7.4.4时序关系方式1的工作时序如图7.33和图7.34所示。从时序图上，可以把它们的工作过程归纳如下：(1)当数据端口作为输入工作时，在STB有效时，外设输入数据存入端口，并发出IBF有效信号，该信号可供外设作通信联络信号，也可以由CPU查询C口相应位获得。当CPU对该数据口进行读入操作后，由RD上升沿使IBF复位,为下一次输入数据做好准备。如果该数据端口中断允许INTE置位，则在STB信号回复到高电平时，8255A通过INTR向CPU发中断请求。若CPU响应该中断请求，读取该数据端口的输入数据，则由RD下降沿使INTR复位,为下一次数据输入请求中断做好准备。(2)当数据端口作为输出口时,在CPU把数据写入端口后，由WR的上升沿使OBF有效并使INTR复位。OBF输出通知外设可以取走端口的输出数据。当外设取走一个数据时,应向8255A发回应答信号ACK。ACK的有效低电平可以使OBF复位，为下一次输出做好准备。如果该端口输出中断允许INTE位置位，则当ACK回到高电平时，8255A可以通过INTR发输出中断请求。若CPU响应该中断请求,又可以把下一次输出数据写入数据端口。方式2的工作时序如图7.35所示。(3)当数据端口既作输入又作输出选通双向传送时,其时序图上所表示的工作过程将是以