第8章輸入輸出接口本章教學目的通過輸入輸出接口是計算機的重要組成部分，通過I/O接口控制方式的學習，使學生初步了解主機與外設的主要通信方式及其特點，通過并行接口8255A的學習和實踐，使學生接觸具體的接口形式，從而進一步加深對接口知識的理解。本章主要外語詞匯I/O：Input/Output，輸入/輸出接口DMA：DirectMemoryAccess，直接存儲器存取方式主要內容微型計算機的輸入/輸出接口并行通信與并行接口可編程并行通信接口芯片8255A串行通信及串行接口可編程串行通信接口芯片8251A本章學習要求1.掌握并行接口的概念,可編程并行接口芯片的功能；可編程并行接口芯片8255A的結構,其三種工作方式及特點；8255A的使用；8255A的端口地址分配,方式0的功能及端口命令字的設置。

2.理解8255A各種工作方式的區(qū)別3.了解主機與外設間數據傳送的基本控制方式（程序控制方式，中斷方式,DMA方式）簡單了解串行通信的概念。

I/O接口概述為什么需要I/O接口（電路）？微機的外部設備多種多樣工作原理、驅動方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差別很大它們不能與CPU直接相連,必須經過中間電路再與系統(tǒng)相連這部分電路被稱為I/O接口電路什么是I/O接口（電路）？I/O接口是位于系統(tǒng)與外設間、用來協助完成數據傳送和控制任務的邏輯電路PC機系統(tǒng)板的可編程接口芯片、I/O總線槽的電路板（適配器）都是接口電路RS-2328.1.1輸入/輸出接口交換信號可分為四種：①數字量，二進制數據，最小單位是一個bit(位)，還有字節(jié)、字等。②模擬量，現場信號大多是由傳感器來的模擬電壓或電流，他們必須經過A/D轉換，變成數字量才能進入計算機，有些接口有處理模擬量的電路，稱為模擬接口。③開關量，開關量只有兩種狀態(tài)，即“開”或“關”，可用一位二進制數表示，如“1”表示“開”，“0”表示“關”。④脈沖量，脈沖量是以脈沖形式表示的一種信號，如計算機中用到的定時脈沖或控制脈沖等。

8.1微機的輸入/輸出接口8.1.2輸入/輸出的控制方式在微機系統(tǒng)中，可采用的輸入/輸出控制方式一般有4種：

1.程序控制方式

這是指在程序控制下進行信息傳送。程序控制方式可以分為： （1）無條件傳送方式 （2）條件傳送方式無條件傳送方式：當外設已準備就緒，那就不必查詢外設的狀態(tài)而進行信息傳輸，這就稱為無條件傳送。這種信息傳送方式只適用于簡單的外設，如開關和數碼段顯示器等。74LS138:（2）條件傳送方式：

CPU通過執(zhí)行程序不斷讀取并測試外部設備狀態(tài)，如果輸入外部設備處于已準備好狀態(tài)或輸出外部設備為空閑狀態(tài)時，則CPU執(zhí)行傳送信息指令。也稱為“查詢式傳送”。2.中斷控制方式 中斷控制方式一般用來傳送低速外部設備與CPU之間的信息交換。每操作一次，CPU要打斷原來執(zhí)行的程序去執(zhí)行一般中斷服務程序。優(yōu)點：中斷傳送方式的優(yōu)點是：CPU不必查詢等待，工作效率高，CPU與外設可以并行工作；由于外設具有申請中斷的主動權，故系統(tǒng)實時性比查詢方式要好得多。缺點：對速度較高的外部設備會產生信息丟失，因此不能采用。3.DMA控制方式

DMA控制方式是一種成塊傳送數據的方式。

在存儲器和外設之間、存儲器和存儲器之間直接進行數據傳送，傳送過程無需CPU介入優(yōu)點：在傳送時就不必進行保護現場等一系列額外操作，傳輸速度基本取決于存儲器和外設的速度。4.輸入/輸出處理機控制方式對于有大量輸入/輸出設備的微機系統(tǒng)，DMA控制方式已不能滿足這種需要。Intel公司生產與86系列配套的輸入/輸出處理機(IOP)8089。8.2并行通信與并行接口并行通信

把一個字符的各數位用幾條線同時進行傳輸，傳輸速度快，信息率高。

但它比串行通信所用的電纜多，因此，并行通信常用在傳輸距離較短(幾米至幾十米)和數據傳輸率較高的場合。并行接口

實現并行通信的接口就是并行接口。典型的并行接口和外部設備連接如圖8-4所示。圖中的并行接口用一個通道和輸入設備相連，用另一個通道和輸出設備相連，每個通道中除數據線外均配有一定的控制線和狀態(tài)線。并行接口的輸入過程外部設備將數據送給接口，使狀態(tài)線“數據輸入準備好”成為高電平。接口把數據接收到數據輸入緩沖寄存器，使“數據輸入回答”線變?yōu)楦唠娖?，作為對外部設備的響應。外部設備接到此信號，撤除數據和“數據輸入準備好”信號。數據到達接口中后，接口會在狀態(tài)寄存器中設置“輸入準備好”狀態(tài)位，以便CPU對其進行查詢,接口也可以在此時向CPU發(fā)一個中斷請求。CPU既可以用軟件查詢方式，也可以用中斷方式來設法讀取接口中的數據。CPU從并行接口中讀取數據后，接口會自動清除狀態(tài)寄存器中的“輸入準備好”狀態(tài)位，并且使數據總線處于高阻狀態(tài)。并行接口的輸出過程CPU既可以用軟件查詢方式，也可以用中斷方式設法往接口中輸出一個數據。每當外部設備從接口取走一個數據之后，接口就會將狀態(tài)寄存器中的“輸出準備好”狀態(tài)位置“1”，以表示CPU當前可以往接口中輸出數據，這個狀態(tài)位可供CPU進行查詢。接口也可以向CPU發(fā)一個中斷請求。CPU輸出的數據到達接口的輸出緩沖寄存器中接口自動清除“輸出準備好”狀態(tài)位，并且將數據送往外部設備---接口往外部設備發(fā)送一個“驅動信號”來啟動外部設備接收數據外部設備被啟動后，開始接收數據，并往接口發(fā)一個“數據輸出回答”信號接口收到此信號，便將狀態(tài)寄存器中的“輸出準備好”狀態(tài)位重新置“1”，以便CPU輸出下一個數據。8.3可編程并行通信接口芯片8255A8255A是Intel86系列微處理機的配套并行接口芯片，它可為86系列CPU與外部設備之間提供并行輸入/輸出的通道。由于它是可編程的，可以通過軟件來設置芯片的工作方式，所以，用8255A連接外部設備時，通常不用再附加外部電路，很方便使用。8.3.18255A芯片內部結構及其功能數據總線緩沖器內部控制線內部數據線D0～D7A組控制A組端口AA組端口C上部B組控制B組端口BB組端口C下部讀寫控制邏輯PC0～PC3PB0～PB7PC4～PC7PA0～PA7RDWRA0A1CSRESET1.并行輸入/輸出端口A，B，C8255A芯片內部包含3個8位端口，其中：端口A包含一個8位數據輸出鎖存/緩沖存儲器和一個8位數據輸入鎖存器端口B包含一個8位數據輸入/輸出、鎖存/緩沖存儲器和一個8位數據輸入緩沖存儲器；端口C包含一個輸出鎖存/緩沖存儲器和一個輸入緩沖存儲器。必要時端口C可分成兩個4位端口，分別與端口A和端口B配合工作，通常將端口A和端口B定義為輸入/輸出的數據端口，而端口C可作為狀態(tài)或控制信息的傳送端口。2.A組和B組控制部件A組和B組各有一個控制單元，可接收來自讀/寫控制部件的命令和CPU通過數據總線(D7～D0)送來的控制字，并根據它們來定義各個端口的操作方式。端口A與端口C的高4位(PC7～PC4)構成A組，由A組控制部件實現控制功能端口B與端口C的低4位(PC3～PC0)構成B組，由B組控制部件實現控制功能3.數據總線緩沖存儲器這是一個三態(tài)雙向8位數據緩沖存儲器，它是8255A與8086CPU之間的數據接口。CPU執(zhí)行輸出指令時，可將控制字或數據通過數據總線緩沖存儲器傳送給8255A。CPU執(zhí)行輸入指令時，8255A可將狀態(tài)信息或數據通過總線緩沖存儲器向CPU輸入。4.讀/寫控制部件這是8255A內部完成讀/寫控制功能的部件，它能接收CPU的控制命令，并根據它們向片內各功能部件發(fā)出操作命令?？山邮盏目刂泼钊缦拢?1)CS——片選信號。由CPU輸入，通常由端口的高位地址碼(A15～A2)譯碼得到，CS有效，表示該8255A被選中。(2)RD，WR——讀、寫控制信號。由CPU輸入，RD有效，表示CPU讀8255A，應由8255A向CPU傳送數據或狀態(tài)信息。WR有效，表示CPU寫8255A，應由CPU將控制字或數據寫入8255A。(3)RESET——復位信號。由CPU輸入。RESET有效時，清除8255A中所有控制字寄存器內容，并將各端口置成輸入方式。(4)A1和A0——端口選擇信號。當A1A0＝00，選擇端口A；當A1A0＝01，選擇端口B；當A1A0＝10，選擇端口C；當A1A0＝11，選擇控制字寄存器。8255A的操作:

A1A0RDWRCS操作00010端口A數據送CPU（輸入）01010端口B數據送CPU（輸入）10010端口C數據送CPU（輸入）11010非法操作00100CPU數據送端口A（輸出）01100CPU數據送端口B（輸出）10100CPU數據送端口C（輸出）11100CPU數據送控制口××110數據總線浮空××××1未選中該8255，數據總線浮空8.3.28255A芯片的控制字及其工作方式8255A中各端口可有3種基本工作方式：方式0：基本輸入輸出方式適用于無條件傳送和查詢方式的接口電路方式1：選通輸入輸出方式適用于查詢和中斷方式的接口電路方式2：雙向選通傳送方式適用于與雙向傳送數據的外設適用于查詢和中斷方式的接口電路端口A可處于3種工作方式(方式0，方式1和方式2)端口B只可處于兩種方式(方式0和方式1)端口C常常被分成高4位和低4位兩部分，可分別用來傳送數據或控制信息.用戶可用軟件來分別定義3個端口的工作方式，可使用的控制字有定義工作方式控制字和置位/復位控制字。1.控制字(1)定義工作方式控制字：

通過定義工作方式控制字可將3個端口分別定義為3種不同方式的組合，當將端口A定義為方式1或方式2或將端口B定義為方式1時，要求使用端口C的某些位作控制用，這時需要使用一個專門的置位/復位控制字來對控制端口C的各位分別進行置位/復位操作。(2)置位/復位控制字：只對端口C有效，其使用格式如下圖所示2.工作方式：（1）工作方式0這是8255A中各端口的基本輸入/輸出方式。它只完成簡單的并行輸入/輸出操作，CPU可從指定端口輸入信息，也可向指定端口輸出信息。如果3個端口均處于工作方式0，則可由工作方式控制字定義16種工作方式的組合。（2）工作方式1：（輸入引腳：A端口）數據選通信號表示外設已經準備好數據輸入緩沖器滿信號表示A口已經接收數據中斷請求信號請求CPU接收數據PC4PC5PC3PA7~PA0INTEAIBFAINTRASTBA中斷允許觸發(fā)器PC6、72I/O方式1(輸入引腳：B端口)PC2PC1PC0PB7~PB0INTEBIBFBINTRBSTBB數據選通信號表示外設已經準備好數據輸入緩沖器滿信號表示B口已經接收數據中斷請求信號請求CPU接收數據中斷允許觸發(fā)器方式1需借用端口C用做聯絡信號同時還具有中斷請求和屏蔽功能方式1(輸入聯絡信號)STB*——選通信號，低電平有效由外設提供的輸入信號，當其有效時，將輸入設備送來的數據鎖存至8255A的輸入鎖存器IBF——輸入緩沖器滿信號，高電平有效8255A輸出的聯絡信號。當其有效時，表示數據已鎖存在輸入鎖存器INTR——中斷請求信號，高電平有效8255A輸出的信號，可用于向CPU提出中斷請求，要求CPU讀取外設數據方式1(中斷控制)8255A的中斷由中斷允許觸發(fā)器INTE控制置位允許中斷，復位禁止中斷對INTE的操作通過寫入端口C的對應位實現，INTE觸發(fā)器對應端口C的位是作應答聯絡信號的輸入信號的那一位，只要對那一位置位/復位就可以控制INTE觸發(fā)器選通輸入方式下端口A的INTEA對應PC4端口B的INTEB對應PC2方式1(輸出引腳：A端口)外設響應信號表示外設已經接收到數據輸出緩沖器滿信號表示CPU已經輸出了數據中斷請求信號請求CPU再次輸出數據PC6PC7PC3PA7~PA0INTEAOBFAINTRAACKA中斷允許觸發(fā)器方式1(輸出引腳：B端口)PC2PC1PC0PB7~PB0INTEBOBFBINTRBACKB外設響應信號表示外設已經接收到數據輸出緩沖器滿信號表示CPU已經輸出了數據中斷請求信號請求CPU再次輸出數據中斷允許觸發(fā)器方式1(輸出聯絡信號)OBF*——輸出緩沖器滿信號，低有效8255A輸出給外設的一個控制信號，當其有效時，表示CPU已把數據輸出給指定的端口，外設可以取走ACK*——響應信號，低有效外設的響應信號，指示8255A的端口數據已由外設接受INTR——中斷請求信號，高有效當輸出設備已接受數據后，8255A輸出此信號向CPU提出中斷請求，要求CPU繼續(xù)提供數據端口A的INTEA對應PC6端口B的INTEB對應PC2方式1的應用:端口A和端口B均工作于工作方式1A、B都完成輸入操作功能A、B都完成輸出操作功能A、B其中一個輸入，另一個輸出端口A、B都為方式1輸入操作工作方式控制字可設置如下端口狀態(tài)如下圖所示當端口A和端口B同時被定義為工作方式1完成輸入操作時，端口C的PC5～PC0被用作控制信號，只有PC7和PC6位可完成數據輸入或輸出操作。因此這實際上可構成兩種組合狀態(tài)：端口A，B輸入，PC7，PC6輸入端口A，B輸入，PC7，PC6輸出。當A、B同時完成輸出或其中一個輸入、一個輸出情況類似，只是使用信號和控制字不同。方式2-雙向方式8255A中只允許端口A處于工作方式2，方式2將方式1的選通輸入輸出功能組合成一個雙向數據端口，可以發(fā)送數據和接收數據，可用來在兩臺處理機之間實現雙向并行通信。其有關的控制信號由端口C提供，并可向CPU發(fā)出中斷請求信號。當端口A工作于方式2時，允許端口B工作方式0或方式1完成輸入/輸出功能。方式2的數據輸入過程與方式1的輸入方式一樣方式2的數據輸出過程與方式1的輸出方式有一點不同：數據輸出時8255A不是在OBF*有效時向外設輸出數據，而是在外設提供響應信號ACK*時才送出數據方式2雙向引腳PC6PC7PC3PA7~PA0INTE1OBFAINTRAACKAPC4PC5IBFASTBAINTE2用PC6設置INTE1（輸出）用PC4設置INTE2（輸入）輸入和輸出中斷通過或門輸出INTRA信號端口A工作于方式2所需要的5個控制信號分別由端口C的PC7～PC3來提供。如果端口B工作于方式0，那么PC2～PC0可用作數據輸入/輸出；如果端口B工作于方式1，那么PC2～PC0用來作端口B的控制信號當端口A工作于方式2時，允許端口B工作方式0或方式1完成輸入/輸出功能，其方式控制字格式如下圖所示。例18255A初始化編程。設8255A的A口工作方式1輸出，B口工作方式1輸入，PC4和PC5輸入，禁止B口中斷。設片選信號CS由A9A2=10000000確定。試編寫程序對8255A進行初始化。8255A并行接口應用舉例初始化程序如下：MOV AL，10101110B ；控制字送ALMOV DX，1000000011B ；8255A控制字寄存器地址送DXOUT DX，AL ；控制字送8255A的控制寄存器MOV AL，00001101B ；PC6置1，允許A口中斷OUT DX，ALMOV AL，00000100B ；PC2置0，禁止B口中斷OUT DX，AL例2將外設開關的二進制狀態(tài)從A口輸入，并由B口輸出到LED顯示器，如圖5.22所示。

符號形狀7段碼.gfedcba符號形狀7段碼.gfedcba’0’00111111’8’01111111’1’00000110’9’01100111’2’01011011’A’01110111’3’01001111’B’01111100’4’01100110’C’00111001’5’01101101’D’01011110’6’01111101’E’01111001’7’00000111’F’01110001DATA SEGMENTLEDTAL DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H DB7FH,67H,77H,7CH,39H,5EH,79H,71HDATA ENDSCODESEGMENTMAIN PROCFARASSUMECS：CODE，DS：DATASTART：PUSH DS MOV AX，0 PUSH AX MOV AX，DATA ；裝填數據段寄存器DSMOV DS，AX

MOV AL，90H ；設置方式選擇字

OUT 0D3H，AL

8255A端口地址為D0-D3H，A口工作于方式0輸入，B口工作于方式0輸出，程序如下：

AA:in al,0D0H ；讀端口A and al,0FH ；取端口A低4位

movbx,offsetLEDTAL；取LED顯示代碼表首地址

xlat ；查表，AL←(BX+AL) out 0D1H,al ；從端口B輸出LED顯示代碼

movax,1000 ；延遲

BB:dec ax jnz BB jmp AA ；返回到AA

RETMAINENDPCODEENDS ENDSTART8.4串行通信及串行接口8.4.1串行通信線路的工作方式串行通信指的是數據一位一位地依次傳輸，每一位數據占據一個固定的時間長度。串行通信只要一條傳輸線，將數據逐位順序傳送。串行通信的特點如下：

1、長短離傳送成本低，節(jié)省傳輸線，這是顯而易見的。這也是串行通信的主要優(yōu)點。

2、數據傳送效率低。與并行通信比，這也這是顯而易見的。這也是串行通信的主要缺點。

3、接口復雜。例如：傳送一個字節(jié)，并行通信只需要1t的時間，而串行通信至少需要8t的時間。數據串行通信的三種方式：單工方式半雙工方式全雙工方式發(fā)送器與接收器

發(fā)送緩沖器接收緩沖器并串變換寄存器串并變換寄存器……...………..……..通信線路CPU發(fā)送數據CPU接收數據………...………..發(fā)送時鐘接收時鐘接收控制接收控制發(fā)送器接收器8.4.2串行接口串行接口有許多種類，典型的串行接口如下圖所示，包括4個主要寄存器：控制寄存器、狀態(tài)寄存器、數據輸入寄存器及數據輸出寄存器。RS232UARTUSB8.4.3串行通信數據的收發(fā)方式有異步和同步兩種:1.異步通信方式所謂異步，是指發(fā)送設備和接收設備在約定的波特率(每秒鐘傳送的位數)下，不需要嚴格的同步，允許有相對的延遲。即兩端的頻率差別在1/10以內，就能正確地實現通信。在進行異步傳送時必須確定字符格式及波特率。

起始位：每個字符的開始必須是持續(xù)一個比特時間的邏輯“0”電平，標志著一個字符的開始。停止位：可設置為1位、1.5位或2位，并規(guī)定為邏輯“1”狀態(tài)。圖異步傳送數據格式(a)有空閑位；(b)無空閑位

波特率每秒傳送數據的位數稱為傳送速率，即波特率(bandrate)。波特率一般在300，600，900，1,200，2,400，…，9,600波特之間。計算機之間的異步通信速率一經確定后，一般不應變動，但通信的數據是可變動的，也就是數據組之間的空閑位是可變的。2.同步通信方式同步，就是指取掉異步傳送時每個字符的起始位和停止位，僅在數據塊開始處用12個同步字符來表示數據塊傳送的開始，然后串行的數據塊信息以連續(xù)的形式發(fā)送，每個發(fā)送時鐘周期發(fā)送一位信息，故同步傳送中要求對傳送信息的每一位都必須在收、發(fā)兩端嚴格保持同步，實現“位同步”。

(1)面向字符型的數據格式：單同步數據格式：傳送一幀數據僅使用一個同步字。當接收端檢測到一個完整的同步字后，就連續(xù)接收數據。雙同步數據格式：利用兩個同步字進行同步。外同步數據格式：在發(fā)送的一幀數據中不包含同步字。同步由專門的控制線產生一個同步信號SYNC加到串行接口上。(a)單同步數據格式；(b)雙同步數據格式；(c)SDLC數據格式;(d)HDLC數據格式；(e)外同步格式(2)面向比特型的數據格式：IBM公司推出的同步數據鏈路控制數據格式SDLC。ISO推薦的高級數據鏈路控制數據格式HDLC。8.5可編程串行通信接口芯片8251A8251A是一個通用串行輸入/輸出接口，能將并行輸入的8位數據變換成逐位輸出的串行信號；也能將串行輸入數據變換成并行數據，一次傳送給處理機。廣泛應用于長距離通信系統(tǒng)及計算機網絡。(1)發(fā)送器：發(fā)送緩沖存儲器、并串轉換、發(fā)送控制電路。功能是從CPU接收并行數據，自動加上適當的成幀信號并轉換成串行數據后從TXD引腳發(fā)送出去。8251A內部結構框圖：(2)接收器功能是從RXD引腳接收串行數據，按指定的方式裝配成并行數據。(3)數據總線緩沖存儲器用于向CPU傳遞命令、數據或狀態(tài)信息。與CPU相互交換的數據和控制字就存放在這里，共有三個緩沖器。(4)讀/寫控制邏輯：功能是接收CPU的控制信號，控制數據的傳送方向。(5)調制解調器控制：提供和調制解調器的聯絡信號。8.5.28251A芯片的控制字及其工作方式可編程串行通信接口芯片8251A在使用前必須進行初始化，以確定它的工作方式，傳送速率，字符格式以及停止位長度等，可使用的控制字如下：

1.方式選擇控制字其使用格式如圖8.28所示。B2B1位用來定義8251A的工作方式是同步方式還是異步方式，如果是異步方式還可由B2B1的取值來確定傳送速率。×1表示輸入的時鐘頻率與波特率相同，允許發(fā)送和接收波特率不同，RXC和TXC也可不相同，但是它們的波特率系數必須相同；×16表示時鐘頻率是波特率的16倍；×64表示時鐘頻率是波特率的64倍。因此通常稱1，16和64為波特率系數，它們之間存在如下的關系：發(fā)送/接收時鐘頻率＝發(fā)送/接收波特率×波特率系數L2L1位用來定義數據字符的長度可為5，6，7或8位。PEN位用來定義是否帶奇偶校驗，稱作校驗允許位。在PEN＝1情況下，由EP位定義是采用奇校驗還是偶校驗。S2S1位用來定義異步方式的停止位長度(1位、15位或2位)。對于同步方式，S1位用來定義是外同步(S1＝1)還是內同步(S1＝0)，S2位用來定義是單同步(S2＝1)還是雙同步(S2＝0)。2.操作命令控制字其使用格式如圖8.29所示，TXEN位是允許發(fā)送位，TXEN＝1，發(fā)送器才能通過TXD線向外部串行發(fā)送數據。DTR位是數據終端準備好位。DTR＝1，表示CPU已準備好接收數據，這時DTR引線端輸出有效。RXE位是允許接收位。RXE＝1，接收器才能通過RXD線從外部串行接收數據。SBRK位是發(fā)送斷缺字符位。SBRK＝1，通過TXD線一直發(fā)送“0”信號。正常通信過程中SBRK位應保持為“0”。ER位是清除錯誤標志位。8251A設置有3個出錯標志，分別是奇偶校驗標志PE，越界錯誤標志OE和幀校驗錯標志FE。ER＝1時將PE，OE和FE標志同時清“0”。RTS位是請求發(fā)送信號。RTS＝1，迫使8251A輸出RTS有效，表示CPU已作好發(fā)送數據準備，請求向調制/解調器或外部設備發(fā)送數據。IR位是內部復位信號。IR＝1，迫使8251A回到接收方式選擇控制字的狀態(tài)。EH位為跟蹤方式位。EH位只對同步方式有效，EH＝1，表示開始搜索同步字符，因此對于同步方式，一旦允許接收(RXE＝1)，必須同時使EH＝1，并且使ER＝1，清除全部錯誤標志，才能開始搜索同步字符。從此以后所有寫入的8251A的控制字都是操作命令控制字。只有外部復位命令