第6章 基本输入输出接口技术,【本章提要】 本章首先概述I/O的基本知识，然后讨论输入/输出控制方式，I/O接口的读写技术， 并行通信与串行通信，最后重点讨论常用可编程典型I/O接口芯片及其接口技术。 【学习目标】 了解I/O接口信息、I/O编址方法、I/O组织、I/O控制方式、并行通信及串行通信等输入输出基础知识。 理解基本输入输出接口的操作。 掌握简单I/O接口的读写技术。 熟练掌握常用接口芯片16550/8250、8255和8253的工作原理及其编程应用。 能综合运用接口芯片，构建和分析实际应用系统。,第6章 基本输入输出接口技术,本章主要内容： 概 述 输入/输出控制方式 I/O接口读写技术 并行通信与串行通信,可编程接口芯片 串行通信接口芯片 并行通信接口芯片 定时计数接口芯片,2020/7/22,6.1 概述,一、输入/输出与输入/输出接口 1.输入/输出：微处理器与外部设备之间的信息交换即通信。 2.输入/输出接口：完成微处理器与外部设备数据通信即输入/输出任务的接口。 包括:硬件接口电路和软件接口程序。,2020/7/22,二、I/O接口的功能,1. 内部地址译码 2.提供联络信号 3.信号特性匹配（如电平转换） 4.信息格式的转换（如正负逻辑的转换，串并 格式，模数转换） 5.数据缓冲与锁存 6.对外设进行中断管理 7.提供时序控制,2020/7/22,四、I/O端口的编址方法,1.存储器映射编址 含义： I/O端口的地址与存储器的地址统一混合编址。 用访问存储器的指令，即可对整个地址空间（存储器和I/O）进行访问，而无需专用I/O指令。 优点： 访问I/O指令多，使用方便。 内存与外设地址分布相同。 无需专用的I/O指令。,2020/7/22,2. I/O映射编址,含义 I/O端口与存储器分开独立编址，即I/O端口和存储器都有自己的一套地址空间，而且互不相干。 优点 I/O设备不占用内存单元，节约了内存空间。 指令执行速度快。 I/O端口 8086Core2微机采用I/O映射的编址方法。 I/O端口的地址64K 个8位口地址（0000H-FFFFH）。,2020/7/22,五、I/O组织,2.基于8086和80286 16位I/O组织,3.基于80386和80486 32位I/O组织,4.基于PentiumPentium4的64位I/O组织,I/O组 织,1. 基于8088的8位I/O组织,2020/7/22,8位I/O组织-基于8088,2020/7/22,16位I/O组织-基于808680286,2020/7/22,32位I/O组织-基于8038680486,2020/7/22,64位I/O组织-基于Pentium Core2,2020/7/22,2.I/O端口的地址分配,1. I/O地址范围 0000H-FFFFH.共64K个8位端口 从8086Core2 I/O地址采用A15A0共16条地址线，且与存储器分开编址。 2. 系统板保留的1K个I/O端口 （详见书P.238表6.1） 000H-03FFH，共1K个8位端口 3. 查看当前系统I/O地址分配,2020/7/22,系统板保留的1K地址,2020/7/22,I/O指令时序,(b) OUT 指令操作时序 OUT P8,AL或OUT DX，AL P8为8位端口地址,(a) IN指令操作时序 IN AL,P8 或IN AL,DX P8为8位端口地址,6.2 输入输出控制方式,直接程序控制方式 中断控制方式 DMA控制方式 I/O处理机控制方式,2020/7/22,一、直接程序控制方式,含义：直接在程序控制下进行微处理器与外设之间的数据传送。 分类：无条件传送方式和条件传送方式两种。 1.无条件传送方式 含义：不查询外设状态而直接进行输入输出的一种方式。 特点：简单、经济，但可靠性差。,2020/7/22,2.条件传送方式,含义：首先查询外设状态，满足条件时才进行数据的传送，因此也叫查询传送方式。 特点：简单、可靠性高，但CPU效率低。,输入,输出,2020/7/22,二、中断控制方式,含义：在满足传输条件时，外设向CPU发请求传输的中断信号，CPU接收请求后进入服务程序，在中断服务程序中进行输入输出操作。 特点：无需查询等待，CPU利用率大大提高。 不足：中断控制方式仍需要一系列本与输入输出无关的操作（如压栈保护等），因此对于高速I/O设备效率仍不算快。,2020/7/22,三、DMA控制方式,含义：直接由DMA控制器硬件控制数据传输，传输过程无需CPU干预。 特点：速度快（因为有DMA硬件直接控制），效率高。,2020/7/22,DMA方式与其它方式比较,MOV XX，AL,OUT DX，AL,IN AL，DX,MOV AL，XX,无需CPU指令,2020/7/22,四、I/O处理机控制方式,尽管DMA方式优点比较突出，但在DMA进行传输之前，对DMA的初始操作、对数据的运算和处理等都需要处理器事先干预。为了让处理器彻底摆脱管理和控制I/O设备的负担，引入了I/O处理机控制方式。这种方式下，由专用I/O协处理器负责I/O操作和处理。,2020/7/22,6.3 I/O接口的读写技术,一、简单输入输出接口 输入采用缓冲器,输出采用锁存器。 1.常用缓冲器：,2020/7/22,简单I/O接口-锁存器,2.常用锁存器,2020/7/22,二、简单I/O接口的读控制,读操作程序: MOV DX,377H IN AL,DX,2020/7/22,2.简单I/O接口的写控制,写操作程序: MOV DX,0DFFFH OUT DX,AL,2020/7/22,3. 16位I/O接口的读操作,读操作程序: MOV DX,2F6H IN AX,DX,2020/7/22,32位I/O接口的写操作,写操作程序: MOV DX,3ECH ;选中3ECH3EFH4个端口 OUT DX,EAX,常用接口芯片及应用,6.4 并行通信与串行通信 6.5 可编程串行通信接口芯片 6.6 可编程并行通信接口芯片 6.7 可编程定时/计数器芯片,6.4 并行通信与串行通信,并行通信与并行接口 串行通信与串行接口 串行通信方式及异步通信协议 串行异步通信标准接口,2020/7/22,一、并行通信与并行接口,1. 并行通信 含义：并行通信是指将一个字节或一个字的各 位同时进行传输的一种通信方式。 要点：传输的各位同时传输（输入或输出）。 特点： （1）传输速度快 （2）传输的信息率高 （3）比串行通信需要更多通信信号线 用途：常用于传输距离短，数据传输速度要求 高的场合。,2020/7/22,含义：实现并行通信的接口称为并行通信接口。,2.并行接口,2020/7/22,二、串行通信与串行接口,1. 串行通信 含义：串行通信是把传输的数据一位一位地顺序传送的一种通信方式。 要点：按位传输，同一时刻仅传送一位。 特点： （1）通信线少 （2）成本低 （3）但通信速度慢 用途：适用于长距离数据传输。,2020/7/22,完成串行通信任务的接口称为串行通信接口，简称串行接口。 功能：（1）输入时，完成串行到并行格式转换（2）输出时，完成并行到串行格式转换。,2.串行接口,2020/7/22,串行通信数据传输方式,有单工方式、半双工方式、全双工方式,2020/7/22,三、串行通信方式及异步通信协议,串行通信方式 两种：串行异步通信和串行同步通信。 1. 异步通信 异步通信:指字符与字符之间的传送是完全异步的，随机 的，但一个字符的位与位之间是同步的。 2. 异步通信特点 字符的发送是随机的。 每一个字符传输总以一个起始位为准，然后接收方与发送方保持同步（格式的统一），最后是停止位 通信双方可随时改变通信协议，即改变数据位、奇偶校验位和停止位长度或数据传输率。,2020/7/22,3异步通信协议,异步通信协议包括：一是字符的传送格式的规定，二是数据传送速率的要求。 异步通信格式协议，即改变数据位、奇偶校验位和停止位长度或数据传输率。,2020/7/22,波特率,波特率（Baud Rate）：指单位时间传送二进制数的位数，一般以秒为单位。 微机中常见的波特率有110，300，600，1200，2400，4800，9600，19200等。微机最高波特率由硬件决定。 例：已知字符格式中数据为8位，无校验，1位停止位，在1分钟内连续不断传送了 69120个字符，求波特率。 解：一个字符=1+8+0+1=10位 每秒传送的字符个数=69120/60=1152个 波特率=位/秒=1152*10=11520bits/S=11.52Kbits/s,2020/7/22,4.同步通信,同步通信 将多个字符连接成一个数据块，数据块前加1或2个同步字符，尾部是校验字符，最后为同步字符。 同步的含义 字符与字符之间时间间隔固定不变，是同步的。,2020/7/22,四、串行异步通信标准接口,串行异步通信的标准接口有RS-232C、RS-449、RS-422、RS-485以及20mA电流环等接口。 一、RS-232C接口（PC使用） 1. 接口逻辑：负逻辑传送1：-15V-5V0：+5V+15V 允许噪声容限为2V 因此，实际RS-232能够区分的逻辑电平： 1：-15V-3V 0：+3V+15V 只有在-3V+3V时逻辑为不确定,2020/7/22,2. RS-232接口信号及含义,2020/7/22,二、RS-232逻辑电平的转换,为什么要进行逻辑电压的转换？ 因为RS-232逻辑电平与UATRT电平不一致 常用单电源供电的232电平转换芯片 MAX232、TLC232、UN232、SP232等为不同厂家的典型单电源供电的232接口芯片，完成电平转换功能。根据UART的电平的不同可分为5V和3.3V。,2020/7/22,RS232电平转换原理,计算机通信是TTL和CMOS逻辑电平，而RS-232规定的电平与之不符，故需电平转换。,2020/7/22,RS232电平转换典型芯片,C1C5可为0.1uF4,7uF,具体值参见芯片说明 TIN为TTL输入 RIN为232输入 TOUT为由TTL转换后的232电平输出 ROUT为由RS232转换后的TTL电平输出,2020/7/22,RS-232简单连接示意图,2020/7/22,二、RS-485接口标准,RS232C缺点：受共模干拢影响，通信距离不长。仅20米以内。 RS485主要特点： 采用差分传输方式，具有很强的抗共模干扰能力。 可同时连接多个接收器和发送器（32256个） 通信距离长，可达千米（标准为1.2Km）。 RS-485逻辑电平： 逻辑1：A的电位比B高200mV以上 逻辑0：B的电位比A高200mV以上,2020/7/22,RS-485接口的连接,由于是差分传输，因此RS485接口采用同名端相连的方法，即所有485芯片的A和A连在一起，B和B连在一起。 DI为数据发送端，RO为数据接收端，RE收发使能 RE0接收，RE1发送 终端（两个远端）各接一个匹配电阻（120欧）防止传输反射。,2020/7/22,6.5 可编程串行通信接口芯片 16550与8250,一、16550及8250功能 (1) 具有全双工、双缓冲器发送器和接收器。 (2) 是串行异步通信接口（UART）。 (3) 波特率:8250=509600波特;16550=50115200波特。 (4) 异步通信格式，可通过编程选择。 (5) 具有自动奇偶校验、溢出和帧出错等检测标志。 (6) 片内具有优先级中断控制逻辑。 (7) 单一+5V，40个引脚的DIP封装形式。,2020/7/22,二、内部结构及工作原理,2020/7