微機(jī)原理與接口技術(shù)：第6章 接口技術(shù)與常見(jiàn)接口芯片

1、1 第6章 接口技術(shù)與常見(jiàn)接口芯片2主要內(nèi)容接口技術(shù)概述常用I/O接口芯片人機(jī)交互設(shè)備接口技術(shù)36.1 接口技術(shù)概述4了解和掌握：接口電路的主要功能端口的概念端口的編址方式I/O地址譯碼56.1.1 接口電路的功能對(duì)輸入/輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖、隔離和鎖存對(duì)信號(hào)的形式和數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換尋址功能負(fù)責(zé)對(duì)CPU送過(guò)來(lái)的命令進(jìn)行解釋和執(zhí)行66.1.2 I/O端口數(shù)據(jù)端口：存放計(jì)算機(jī)可以直接發(fā)送、接收和處理的數(shù)據(jù)。狀態(tài)端口：存放外設(shè)和接口電路的工作狀態(tài)。控制端口：對(duì)外設(shè)（包括接口）的工作模式的設(shè)定以及控制外設(shè)的工作端口7I/O端口CPU數(shù)據(jù)狀態(tài)控制外設(shè)I/O接口基本結(jié)構(gòu)DB6.1.3 I/O指令的尋址方式8直

2、接端口尋址間接端口尋址I/O指令的兩種尋址方式96.1.4 I/O端口的編址方式8086/8088的尋址能力：內(nèi)存：1MB端口：64K個(gè)編址方式：與內(nèi)存統(tǒng)一編址獨(dú)立編址10端口與內(nèi)存的統(tǒng)一編址特點(diǎn)：指令及控制信號(hào)統(tǒng)一內(nèi)存和外設(shè)的地址分布是統(tǒng)一的內(nèi)存地址資源減少內(nèi)存地址960KBI/O地址64KB00000HF0000HFFFFFH11端口的獨(dú)立編址特點(diǎn)：設(shè)有專門(mén)的I/O指令，端口指令功能不豐富；內(nèi)存和外設(shè)的地址獨(dú)立分布；I/O地址不占用內(nèi)存單元地址；內(nèi)存地址I/O地址00000HFFFFFHFFFFH0000H126.1.5 I/O地址的譯碼片選：指由微機(jī)系統(tǒng)的地址譯碼器，對(duì)端口地址的高端部分

3、譯碼，生成相應(yīng)的片選信號(hào)字選：指通過(guò)芯片內(nèi)的譯碼電路實(shí)現(xiàn)對(duì)片內(nèi)寄存器的尋址I/O空間譯碼13端口地址的產(chǎn)生當(dāng)接口只有一個(gè)端口時(shí)，16位地址線一般應(yīng) 全部參與譯碼，譯碼輸出直接選擇該端口；當(dāng)接口具有多個(gè)端口時(shí)，則16位地址線的高 位參與譯碼（決定接口的基地址），而低位 則用于確定要訪問(wèn)哪一個(gè)端口。14三態(tài)緩沖和鎖存總線的邏輯電路往往是三態(tài)的，即輸出電平有三種狀態(tài)：邏輯“1”、邏輯“0”和“浮空”狀態(tài)。三態(tài)緩沖器通過(guò)“允許/禁止”輸入端來(lái)禁止其操作。禁止時(shí)，輸出呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)。在高阻抗?fàn)顟B(tài)下，可以認(rèn)為輸出與電路的其他部分被斷開(kāi)。鎖存器74LS373、緩沖器74LS244CPU對(duì)外設(shè)的選擇6.1.6

4、 CPU與設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送程序傳送方式：（1）無(wú)條件傳送方式； （2） 查詢傳送方式。中斷傳送方式直接存儲(chǔ)器存取（DMA）傳送方式 15三種數(shù)據(jù)傳送方式：166.2 常用I/O接口芯片17了解掌握：常用接口芯片8255A、8251A、8253以及8237A都是主機(jī)與外設(shè)通信必不可少的中間設(shè)備，這些設(shè)備為主機(jī)提供了外設(shè)的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)，為外設(shè)“傳達(dá)”了主機(jī)下達(dá)的一切命令和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)和外設(shè)之間協(xié)調(diào)一致的工作。6.2.1 可編程并行接口芯片188255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：19A1A0操 作01000寫(xiě)端口01001寫(xiě)端口01010寫(xiě)端口01011寫(xiě)控制字寄存器00100讀端口00101讀端口00110

5、讀端口00111無(wú)操作8255A基本操作與端口地址208255A的外部特性8255A的40腳DIP封裝的引腳圖如圖所示：各類引腳詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)教材。218255A的命令字8255A的控制字就是從CPU寫(xiě)到控制寄存器中的命令，由8位組成?？刂谱值淖罡呶粸?時(shí)，控制字是工作方式命令字；控制字最高位為0時(shí)，控制字是PC口按位置/復(fù)位命令字。方式命令字格式PC口按位置/復(fù)位命令字格式22例1：編程使PC5引腳輸出低電平。命令字應(yīng)為00001010B即0AH。將該命令寫(xiě)入8255A的控制寄存器，就會(huì)使得從PC口的PC5引腳輸出低電平，其程序段為：MOV DX，8255A+3MOV AL，0AHOUT DX，

6、AL例2：編程使引腳PC5輸出高電平。MOV DX，8255A+3MOV AL，0BHOUT DX，AL例3：見(jiàn)教材8255A的初始化編程對(duì)8255A的初始化編程涉及到兩個(gè)內(nèi)容：一是寫(xiě)控制字設(shè)置工作方式等信息；二是使C口的指定位置位/復(fù)位。238255A的工作方式從方式命令字知道，8255A的A組有方式0、方式1方式2三種工作方式，B組有方式0、方式1兩種工作方式。方式0簡(jiǎn)單輸入/輸出，A、B、C三個(gè)端口均可；方式1選通輸入/輸出，A、B兩個(gè)端口均可；方式2雙向輸入/輸出，只有A端口才有。248255A的應(yīng)用編程作為通用的并行接口電路芯片，8255A具有廣泛的應(yīng)用：1）8255A在IBM PC

7、/XT機(jī)上的應(yīng)用。2）8255A與打印機(jī)接口。3）用8255A完成兩機(jī)并行通信。256.2.2 可編程串行通信接口芯片串行通信是將數(shù)據(jù)信息分解成為二進(jìn)制位，用一條信號(hào)線一位一位順序傳送的方式。串行通信的特點(diǎn)是用于通信的物理鏈路少，在遠(yuǎn)距離通信中可以極大地降低成本。本節(jié)從串行通信的基本概念出發(fā)，介紹串行通信的接口標(biāo)準(zhǔn)RS-232C、通用一步接收發(fā)送器8251A。26串行通信的特點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸和接受時(shí)需要并行數(shù)據(jù)與串行數(shù)據(jù)流互相轉(zhuǎn)換傳輸?shù)亩M(jìn)制位流中必須包含數(shù)據(jù)流和控制流。通信的雙方約定串行通信的數(shù)據(jù)格式串行通信中需要進(jìn)行邏輯關(guān)系和邏輯電平的轉(zhuǎn)換串行通信中的物理傳輸手段各不相同，如可以用電纜方式，也

8、可以用無(wú)線方式串行通信用于計(jì)算機(jī)與其周邊設(shè)備間的信息交換時(shí)，連接線路簡(jiǎn)單27串行通信的幾個(gè)基本概念單工：通信雙方的一方只發(fā)送數(shù)據(jù)，而另一方只接收數(shù)據(jù)半雙工：數(shù)據(jù)可以在兩個(gè)方向上傳送，但通信雙方不能同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)全雙工：通信雙方都能在同一時(shí)刻進(jìn)行發(fā)送和接收操作28串行通信的的分類異步通信：傳數(shù)據(jù)的每?jī)蓚€(gè)字符之間的間隔時(shí)間可以不相等串行同步通信：將數(shù)據(jù)順序連接起來(lái)，以一個(gè)數(shù)據(jù)塊（幀）為傳輸單位，只在每個(gè)數(shù)據(jù)塊前加一個(gè)或二個(gè)同步字符，這種傳輸模式就是同步通信。29EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)線EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在串行通信時(shí)，數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE和數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE之間的接口信號(hào)。（詳細(xì)

9、見(jiàn)教材）30點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的連接方式近距離通信：不采用調(diào)制解調(diào)器MODEM（稱為零MODEM方式），通信雙方可以直接連接遠(yuǎn)距離通信：由于通信線路少，所以一般要使用調(diào)制解調(diào)器MODEM。31近距離：零MODEM方式的兩種連接方法 遠(yuǎn)距離：有MODEM的RS-232C典型連接NS16550的內(nèi)部結(jié)構(gòu)NS16550的主要性能特點(diǎn)如下：芯片內(nèi)部包含發(fā)送控制電路和接收控制電路，可實(shí)現(xiàn)全雙工通信；支持異步通信；8250的數(shù)據(jù)傳輸速率可在5019 200bps范圍內(nèi)選擇，16550的數(shù)據(jù)傳輸速率可在50115 200bps范圍內(nèi)選擇；具有控制MODEM功能和完整的狀態(tài)報(bào)告功能；增加了FIFO模式。32NS165

10、50內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)33NS16550的外部引腳3416550引腳功能圖：詳細(xì)引腳說(shuō)明見(jiàn)教材16550的內(nèi)部可編程寄存器16550內(nèi)部有11個(gè)可尋址訪問(wèn)的功能寄存器，但只用3根地址選擇線A2A0來(lái)尋址，因此必然有兩個(gè)寄存器共用一個(gè)端口地址的情況，對(duì)它們的區(qū)分是由DLAB位（除數(shù)鎖存器訪問(wèn)）和讀、寫(xiě)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。按照其用途，可以將寄存器分為如下5組：通信控制和狀態(tài)寄存器、用于波特率發(fā)生器的除數(shù)寄存器、 Modem的控制和狀態(tài)寄存器、中斷控制用寄存器、數(shù)據(jù)接收/發(fā)送寄存器3516550的內(nèi)部可編程寄存器及控制字格式3616550的內(nèi)部可編程寄存器及控制字格式37通信線控制寄存器16550的內(nèi)部可編程寄

11、存器及控制字格式38通信線狀態(tài)寄存器16550的內(nèi)部可編程寄存器及控制字格式39Modem控制寄存器16550的內(nèi)部可編程寄存器及控制字格式40Modem狀態(tài)寄存器16550的內(nèi)部可編程寄存器及控制字格式41中斷允許寄存器16550的內(nèi)部可編程寄存器及控制字格式42中斷識(shí)別寄存器16550的內(nèi)部可編程寄存器及控制字格式43FIFO控制寄存器16550的編程為確定通信波特率設(shè)置除數(shù)寄存器對(duì)通信線路控制寄存器設(shè)置，以確定異步通信的字符格式設(shè)置FIFO控制寄存器。設(shè)置中斷允許寄存器，以確定CPU與16550進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，是否采用中斷傳送方式。設(shè)置Modem控制寄存器44主要步驟（實(shí)例見(jiàn)教材）：16

12、550的編程4516550的編程4616550的編程4716550的編程486.2.3 可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器8253/8254：在微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用系統(tǒng)中，常用到定時(shí)與計(jì)數(shù)技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)的方法主要有三種，即軟件方式、不可編程硬件方式和可編程硬件方式。8253/8254定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作原理8253的特點(diǎn)498253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)8253芯片內(nèi)部有6個(gè)功能模塊，包括數(shù)據(jù)總線緩沖器、讀寫(xiě)控制邏輯、控制寄存器和三個(gè)計(jì)數(shù)器部件。508253用作計(jì)數(shù)器時(shí)，加在CLK引腳上脈沖的間隔可以是不相等的；當(dāng)它用作定時(shí)器時(shí)，則在CLK引腳應(yīng)輸入精確的時(shí)鐘脈沖，8253所能實(shí)現(xiàn)的定時(shí)時(shí)間，取決于計(jì)數(shù)脈沖的頻率和計(jì)數(shù)器的初值

13、，即：定時(shí)時(shí)間=時(shí)鐘脈沖周期Tc預(yù)置的計(jì)數(shù)初值n作計(jì)數(shù)器用時(shí)，要求計(jì)數(shù)的次數(shù)可直接作為計(jì)數(shù)初值預(yù)置到減“1”計(jì)數(shù)器中；作定時(shí)器用時(shí)，計(jì)數(shù)初值即定時(shí)系數(shù)（要求定時(shí)的時(shí)間/時(shí)鐘脈沖周期），應(yīng)根據(jù)要求定時(shí)的時(shí)間和時(shí)鐘脈沖周期進(jìn)行如下?lián)Q算得出。518253的外部引腳528253的外部引腳圖:詳細(xì)見(jiàn)教材8253的工作方式8253的每個(gè)計(jì)數(shù)器都有6種工作方式可供選擇方式0計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)中斷方式。538253的工作方式方式1可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器548253的工作方式方式2頻率發(fā)生器。558253的工作方式方式3方波發(fā)生器。568253的工作方式方式4軟件觸發(fā)的選通信號(hào)發(fā)生器。578253的工作方式方式5硬件

14、觸發(fā)選通方式。588253的方式控制字59方式控制字用來(lái)設(shè)置三個(gè)計(jì)數(shù)器的工作方式、計(jì)數(shù)方式及讀寫(xiě)操作方式。方式控制字的格式如圖8253的讀操作直接讀操作：直接讀操作是通過(guò)控制計(jì)數(shù)器的GATE信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。計(jì)數(shù)器鎖存命令：8254在8253計(jì)數(shù)器鎖存命令字的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)讀回命令字。讀回命令：讀回命令用來(lái)將指定計(jì)數(shù)器的CE的當(dāng)前內(nèi)容鎖存入OL或?qū)顟B(tài)寄存器的內(nèi)容鎖存入狀態(tài)鎖存器或者是將兩者同時(shí)鎖存。608253的應(yīng)用編程8253的編程應(yīng)用主要是指通過(guò)編程設(shè)置計(jì)數(shù)器的工作方式、寫(xiě)入計(jì)數(shù)初值、在計(jì)數(shù)過(guò)程中讀取計(jì)數(shù)值和狀態(tài)信息或者改變某通道的計(jì)數(shù)初值。8253的初始化分兩步進(jìn)行（實(shí)例見(jiàn)教材）：寫(xiě)入控

15、制字寫(xiě)入計(jì)數(shù)初值618253的應(yīng)用編程例如： 設(shè)8253端口地址為40H43H，要求計(jì)數(shù)器2工作于方式1，按BCD碼計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)初值為十進(jìn)制數(shù)4000，寫(xiě)出初始化程序段。628253在PC/AT機(jī)中的應(yīng)用8253的三個(gè)計(jì)數(shù)器在PC/AT機(jī)中有專門(mén)的應(yīng)用，其初始化由BIOS完成63 8253應(yīng)用的硬件連接6.2.4 DMA控制器8237ADMA傳輸?shù)奶攸c(diǎn)有：不需要CPU執(zhí)行輸入輸出指令來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸需要專門(mén)的硬件電路DMA控制器（DMAC）來(lái)支持DMA操作，DMA控制器可以是一個(gè)獨(dú)立的接口芯片，也可以集成在其他接口芯片中。 648237A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及寄存器8237包含4個(gè)獨(dú)立的通道，其工作特點(diǎn)如

16、下：含有4個(gè)相互獨(dú)立的通道，每個(gè)通道的DMA請(qǐng)求可以分別被允許/禁止；每個(gè)通道的DMA請(qǐng)求有不同的優(yōu)先權(quán)，可以通過(guò)程序設(shè)置為固定的或者是旋轉(zhuǎn)的方式；傳送的最大數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度為64K字節(jié)4種工作方式：?jiǎn)巫止?jié)傳送、數(shù)據(jù)塊傳送、請(qǐng)求傳送、級(jí)連方式；允許用 輸入信號(hào)來(lái)結(jié)束DMA傳送或重新初始化8237可以級(jí)連以增加通道數(shù)。658237A的外部引668237A外部引腳圖：詳細(xì)見(jiàn)教材8237A的工作方式DMA有以下4種工作方式：?jiǎn)巫止?jié)方式連續(xù)方式請(qǐng)求方式級(jí)聯(lián)方式678237A的工作時(shí)序8237A的工作過(guò)程由兩部分組成，即由空閑周期和工作周期組成。從時(shí)間順序來(lái)看，可看成兩種操作周期：DMA空閑周期（被動(dòng)態(tài)）和

17、DMA有效周期（主動(dòng)態(tài)）。每個(gè)操作周期由一定數(shù)量的時(shí)鐘狀態(tài)組成。8237A共有7種狀態(tài)周期SI、S0、S1、S2、S3、S4及SW。每個(gè)時(shí)鐘狀態(tài)是一個(gè)完整的時(shí)鐘周期T688237A的初始化編程698237的初始化流程706.3 人機(jī)交互設(shè)備接口技術(shù)6.3.1 鍵盤(pán)的分類鍵盤(pán)按其按鍵的結(jié)構(gòu)形式來(lái)分一般有機(jī)械式、電容式、電感式、磁感式、薄膜式和橡膠墊式等。常規(guī)的鍵盤(pán)有機(jī)械式按鍵和電容式按鍵兩種71鍵盤(pán)按鍵結(jié)構(gòu)示意圖鍵盤(pán)插座示意圖及各引腳功能6.3.2 鍵盤(pán)的工作原理72 非編碼鍵盤(pán)接口原理6.3.3 PC系列機(jī)的鍵盤(pán)PC微機(jī)常用的鍵盤(pán)有101鍵的增強(qiáng)型鍵盤(pán)和102鍵的擴(kuò)展鍵盤(pán)以及104鍵的Wind

18、ows鍵盤(pán)。各鍵數(shù)的鍵盤(pán)均具有如下特點(diǎn)：鍵盤(pán)由單片機(jī)、譯碼器和16行8列的鍵開(kāi)關(guān)矩陣三大部分組成按鍵采用電容開(kāi)關(guān)它是一種由單片機(jī)掃描、編碼的智能化鍵盤(pán)它是一個(gè)與主機(jī)箱分開(kāi)的獨(dú)立部件，通過(guò)一根五芯電纜與主機(jī)相連接。73PC/XT機(jī)與鍵盤(pán)的接口PC/XT系列鍵盤(pán)主要由單片機(jī)、譯碼器和16行8列的鍵開(kāi)關(guān)陣列三部分組成，如圖：74PC/AT機(jī)與鍵盤(pán)的接口PC/AT機(jī)的鍵盤(pán)接口電路遠(yuǎn)比PC/XT的鍵盤(pán)接口電路復(fù)雜。PC/AT機(jī)采用8042（8741或8742）作為鍵盤(pán)接口控制電路，負(fù)責(zé)鍵盤(pán)接口的全部功能，實(shí)現(xiàn)了鍵盤(pán)與主機(jī)之間的雙向數(shù)據(jù)傳送。8042芯片是40引腳的雙列直插式芯片，8042內(nèi)部包括8位CP

19、U、2KB ROM、128B RAM、兩個(gè)8位I/O端口、8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器以及時(shí)鐘發(fā)生器。75用作AT機(jī)鍵盤(pán)的接口76AT機(jī)鍵盤(pán)接口功能：接收鍵盤(pán)輸出的鍵掃描碼產(chǎn)生鍵盤(pán)中斷接收并執(zhí)行系統(tǒng)命令6.3.4 鼠標(biāo)接口由于現(xiàn)代操作系統(tǒng)以日趨圖形化，因此給用戶提供的作業(yè)控制操作已由命令行方式改為圖形方式，使用窗口菜單和按鈕組成的圖形界面。這種操作方式離不開(kāi)鼠標(biāo)，鼠標(biāo)已成為現(xiàn)代操作系統(tǒng)人機(jī)交互的必不可少的輸入設(shè)備。77鼠標(biāo)器的分類從結(jié)構(gòu)上可以把鼠標(biāo)分為機(jī)械式鼠標(biāo)和光電式鼠標(biāo)兩類。從鼠標(biāo)器與主機(jī)的接口方式上可以把鼠標(biāo)器分為總線式鼠標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)RS-323C串口鼠標(biāo)、PS/2鼠標(biāo)和USB鼠標(biāo)。從鼠標(biāo)的按鍵形式上可

20、分為兩鍵鼠標(biāo)、三鍵鼠標(biāo)和滾輪鼠標(biāo)。78鼠標(biāo)器的工作原理鼠標(biāo)器的工作就是要將鼠標(biāo)在平面上的移動(dòng)變成光標(biāo)在屏幕上的絕對(duì)位置，并在這個(gè)位置上按下按鍵或撥動(dòng)滾輪完成相應(yīng)的操作。79光電式鼠標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖機(jī)械式鼠標(biāo)器組成原理鼠標(biāo)器與主機(jī)的連接對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)RS-232C接口的鼠標(biāo)器一般使用DB-9連接器和主機(jī)相連，鼠標(biāo)器以標(biāo)準(zhǔn)RS-232C串行信號(hào)方式向主機(jī)發(fā)送串行數(shù)據(jù)。USB鼠標(biāo)器使用標(biāo)準(zhǔn)USB接口與主機(jī)相連，用USB數(shù)據(jù)格式向主機(jī)發(fā)送鼠標(biāo)事件的串行數(shù)據(jù)，占用一個(gè)普通的USB插口，也不再需要任何其他輔助電路。PS/2鼠標(biāo)器采用專用六芯插接口來(lái)完成鼠標(biāo)器與主機(jī)的連接，并配上專用的驅(qū)動(dòng)程序。806.3.5 顯示器接口技術(shù)顯示器是任何計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不可缺少的設(shè)備，它是人機(jī)交互的最基本的輸出設(shè)備。81LED顯示器接口技術(shù)LED顯示器的結(jié)構(gòu)LED顯示器的七段字符編碼82LED顯示器的外形和內(nèi)部圖LED顯示器的接口用多個(gè)數(shù)碼管組成LED顯示器的接口電路都比較簡(jiǎn)單，一般的驅(qū)動(dòng)顯示有兩種方法：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)法和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)法。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)法：通過(guò)硬件線路鎖存要顯示的字符動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)法：采用一般的并行驅(qū)動(dòng)電路或鎖存電路連接數(shù)碼管顯示器。83CRT顯示器接口技術(shù)CRT（Cathode Ray Tube，陰極射線管）顯示器是微機(jī)系統(tǒng)中一種最基本的人機(jī)交互輸出設(shè)備。由于它能將計(jì)算機(jī)中