输入输出与接口技术 | AI生成和翻译
太好了！以下是根据您的课程大纲整理的第四部分：I/O与接口技术综合教程。本教程结构清晰，详细解释相关概念，提供实际案例，并展示8255A、8253/8254和8251A等组件如何在微机系统中协同工作。
📘 第四部分：I/O与接口技术
1. I/O接口基础
✅ 端口寻址
I/O接口使微处理器能够与外部设备通信，主要存在两种寻址方案：
- 存储器映射I/O：
- I/O设备被视作存储器地址
- 使用与内存访问相同的指令（如
MOV） - 优点：地址空间更大，可使用全部CPU指令
- 缺点：占用内存地址空间
- 独立I/O（端口映射I/O）：
- 使用专用指令如
IN和OUT - 地址空间有限（通常256个端口）
- 与内存地址空间分离
- 使用专用指令如
| 类型 | 使用指令集 | 地址空间 |
|---|---|---|
| 存储器映射 | MOV等 |
内存地址一部分 |
| 独立I/O | IN, OUT |
独立I/O空间 |
✅ 数据传输模式
- 程序控制I/O：
- CPU直接检测设备状态并读写数据
- 简单但效率低（忙等待）
- 中断驱动I/O：
- 设备就绪时通过中断通知CPU
- CPU执行中断服务程序（ISR）
- 提升效率
- DMA（直接存储器访问）：
- 设备直接与内存传输数据
- 大数据量传输时绕过CPU
- 适用于磁盘等高速设备
2. 中断系统
✅ 中断向量表
- 存储中断服务程序（ISR）的入口地址
- 每个中断类型对应唯一向量（如定时器中断INT 0x08）
- CPU通过查表跳转至对应ISR
✅ 优先级处理
- 多个中断同时发生时，优先级决定处理顺序
- 优先级可分为固定优先级与可编程优先级
✅ 8259A可编程中断控制器
- 管理多个中断源（最多8个）
- 可级联扩展至64个中断输入
- 核心功能：
- 中断屏蔽
- 优先级设置
- 向CPU发送中断向量
核心寄存器：
- IMR（中断屏蔽寄存器）
- ISR（服务中寄存器）
- IRR（中断请求寄存器）
应用场景：当键盘与定时器同时触发中断时，8259A根据预设优先级进行仲裁
3. 常用接口芯片
✅ 8255A可编程外围接口（PPI）
用于连接开关、LED等并行外部设备
- 包含3个端口：A端口、B端口和C端口
- 通过控制字进行配置
工作模式：
- 模式0 – 基本输入/输出
- 各端口可独立设置为输入/输出
- 模式1 – 选通输入/输出
- 支持与外设的同步通信
- 模式2 – 双向总线（仅A端口）
- 带握手信号的双向数据传输
典型应用：
- A端口：LED显示屏输出
- B端口：DIP开关输入
- C端口：控制信号传输
✅ 8253/8254可编程间隔定时器
用于生成延时、波特率等时序信号
- 包含3个独立的16位计数器
- 每个计数器支持6种工作模式（0-5）：
| 模式 | 功能描述 |
|---|---|
| 0 | 计数结束中断 |
| 2 | 速率发生器（如时钟信号） |
| 3 | 方波发生器 |
应用场景：
- 延时生成
- 实时时钟
- 串口波特率生成
典型配置：
- 计数器0：操作系统时钟节拍
- 计数器1：DRAM刷新控制
- 计数器2：扬声器音调生成
✅ 8251A通用同步异步收发器（USART）
用于串行通信
- 实现并行数据与串行数据的转换
- 同步与异步通信模式：
- 同步模式：需要时钟信号
- 异步模式：使用起始/停止位
核心特性：
- 波特率控制（通过8253/8254实现）
- 可配置数据位、停止位、校验位
- 支持发送/接收双缓冲
应用场景：与PC或微控制器的串口通信
✅ 核心芯片功能对照表
| 芯片型号 | 主要功能 | 核心特性 |
|---|---|---|
| 8255A | 并行I/O控制 | 3个端口，3种工作模式，握手信号 |
| 8253/54 | 定时/计数 | 3个计数器，多种工作模式 |
| 8251A | 串行通信 | 同步/异步模式，波特率可调 |
| 8259A | 中断控制 | 优先级管理，中断屏蔽，向量发送 |
🧠 综合应用场景示例
设计一个简易微机系统实现以下功能：
- 通过8255A的A端口（模式0）控制LED矩阵
- 通过8259A中断接收键盘输入
- 使用8253（模式2）生成1ms系统定时节拍
- 通过8251A（异步模式）向PC发送传感器数据
各芯片通过地址译码和控制信号与CPU连接，并编写相应软件实现通信管理。
如需本章节的示例代码、系统框图或测试题目，欢迎随时告知！