10 I/O接口芯片

学习笔记
作者: MingXiao

10.1 为什么需要接口

为什么

  • CPU和外设速度不匹配
  • CPU和外设信号电平不匹配（CPU是TTL，即0为低5为高，外设各有不同）
  • 信号格式不匹配（CPU是8b，16b等并行数据，外设不一定）
  • 时序不匹配

接口电路的解决方法

  • 数据缓冲：锁存器，缓冲器等
  • 加入电平转换电路
  • AD/DA转换器
  • 以握手联络信号（Ready）保证同步

端口分类：数据端口；状态端口；命令端口

I/O端口的寻址方式

  1. 存储器映象寻址：将每一个I/O端口看作一个存储单元，所有的访问内存的指令都能直接访问端口

    优点：不用专门的I/O指令

    缺点：占用了大量存储单元的地址空间

  2. I/O单独编址方式

    优点：程序更加明确；不占用内存空间；指令短，译码电路简单

    缺点：IN,OUT的功能不如访存指令强；CPU需要提供M/IO信号

    8086/8088都是这个方式

CPU与外设之间的数据传送方式

  • 程序控制方式（软件）

    • 分为无条件（同步）传送和有条件（查询式）传送

    • 前者用于简单外设的操作；后者需要先握手

    • 传输完一个字符，CPU持续发送请求，直到外设准备完；CPU不能干别的事

  • 中断方式（软件）

    • 只有当输入设备的数据准备好了（READY），或数据缓冲器已空时，才会发送中断

    • 传输完一个字符，CPU发送请求并回到原来干的事，直到外设发送中断，继续传输

  • DMA方式（硬件），Direct Memory Access

    • DMA临时接管CPU的地址、数据和控制总线，实现批量的数据传送
    • CPU可以继续干别的事

10.2 两种通信方式

并行通信：一次性直接传输

优点：速度快

缺点：需要的线很多，远距离不现实

串行通信：在单根线上按顺序传送一段数据

微机和远程终端进行数据交换都用这个方式

10.3 可编程并行接口芯片8255A

8255A并行接口芯片

含有3个独立的8bit并行In/Out端口，其中PA,PB是8bit端口，PC可以拆分为两个4bit端口

基本操作

其中控制字寄存器是每个IO设备都有的，决定工作模式的寄存器

RESET让系统复位，控制寄存器清0，各端口工作于输入模式

与CPU的连接方式

在8bit系统中，A1A0地址线与芯片的A1A0连接。若基地址是60H，A、B、C和控制口的端口分别是60H,61H,62H,63H

在16bit系统中，A0地址线用来选取奇偶位，故使用A2A1地址线，注意计算端口时A0位也要计算，相邻端口相隔2H

控制字的设置

在进行初始化时必须先输入

根据标志位的不同有两个状态：

注意到只有PA有方式2，PC只能工作在方式0，但是设置D7=0可以任意输出PC的引脚为1/0

三种方式：基本I/O，选通工作，双向传送

例：检查8个开关，要求不断检测开闭状态，当开端断开时对应的LED灯点亮

解：使用8086CPU，8255A，74LS138提供全译码

​ 设置PA用于读取，PB用于输出，都工作在方式0，8086是16bit系统，AD2D1接入A1A0

​ 那么PA对应于1111 0000B，PB对应于1111 0010B，PC对应于1111 0100B，控制字对应于1111 0110B

​ 接下来为全译码选择合适的信号，74LS138有3个门，3个选择信号，\(\mathsf{M/\overline{IO}}\)占一个\(\mathsf{\overline{G2A}}\)

​ 由于16bit的芯片，故一定要指明高低字节，A0一定作为一个选择信号，剩下的选两个不变的就行，这里选择A4A3A0作为选择信号，始终为100B=4D，因此\(\mathsf{\overline{Y4}}\)连接到\(\mathsf{\overline{CE}}\)，剩下的就是门

​ 硬件电路如下图：

​ 还需要软件，一开始需要设置控制字，观察每个bit对应的信息

mov dx, 0F6H		;指向控制字
mov al, 10010000B
out dx, al			;写入

​ 然后检测开关状态

watch:
	mov dx, 0F0H		;指向PA
    in al, dx			;读取状态
    mov dx, 0F2H		;指向PB
    out dx, al			;写入状态
    call delay			;为了人看清楚需要延迟亮灯
    jmp watch			;持续检测

10.4 串行通信

数据传输方向

  1. 单工：单向通信，A只能发送，B只能接受；广播
  2. 半双工：双向通信，但只有一根传输线，同一时间只能单工；对讲机
  3. 全双工：两个通路，可以同时收发；电话

基本工作方式

  • 异步方式

    • 数据规格：起始位1b；数据位5-8b，D0在先；奇偶校验位1b（可选）；停止位1/1.5/2b

    • 传输效率低

  • 同步方式

    • 数据规格：1/2b同步字符（单/双同步）/外同步无同步字符，5-8b数据，2b校验字符

    • 接受方利用同步字符，将周期与发送方同步，直接接受后面的数据段

    • 效率高很多，但是错误率也高很多

波特率：每秒传输的数据的位数，异步远低于同步

调制解调

串行接口不适合远距离传送，可以用标准电话线传送

首先要调制为音频信号，然后解调

根据调制的不同分为调频，调幅，调相，多路载波等

10.4 可编程串行接口芯片8251A

8251A接口芯片

是通用同步/异步数据收发器（USART）

编程流程

看ppt上的编程流程

  1. 向控制口写入复位字

  2. 写入方式字，确定工作方式

  3. 若是同步，则写入1/2个同步字符，后面写入命令字

    若是异步，则直接写入命令字

  4. 要是想改变方式，需要重复1-3

在工作中可以随时使用IN读取状态字，检查错误

方式字的定义如下

其中异步方式的x1, x16, x64表示的是波特率系数，这是一个人为定义的概念，没有实际意义

实际传输过程中的\(收发波特率=\frac{收发时钟频率}{波特率系数}\)

初始化前需要先复位，复位字为0100 0000B = 40H，在写入控制字，然后再写入命令字0001 0101B，具体看ppt



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