微机原理与系统设计笔记8 | 可编程并行接口芯片8255A&&可编程定时器、计时器芯片8253、8254

打算整理汇编语言与接口微机这方面的学习记录。本部分介绍可编程并行接口芯片8255A&&可编程定时器、计时器芯片8253、8254，增加了一些具体系统的设计案例。
参考资料
- 西电《微机原理与系统设计》周佳社
- 西交《微机原理与接口技术》
- 课本《汇编语言与接口技术》王让定
- 小甲鱼《汇编语言》

Part1 8255A

1. 有关并行接口

第一章就已经提过，外设和CPU之间不能直接进行数据交换，要增加接口电路，并行接口就是数据在多根线上同时传送。并行接口的特点：

具有端口寄存器
与CPU和外设进行联络的控制端
中断控制端
可编程器件提供多种工作方式供编程选择。

常用的并行接口芯片是Intel 8255A。串行接口芯片是8250和8251。

2. 8255A的结构及其功能

PA0~PA7：端口A，连接外设
PC0~PC7：端口C，连接外设
PB0~PB7：端口B，连接外设

这几个端口输入还是输出是可编程的。
D0~D7：数据总线（双向），连接CPU
VCC、GND、CSfei、RDfei、WRfei耳熟能详了
工作方式控制寄存器，可以OUT数据线写，控制芯片工作方式
A0、A1：端口地址线，连接CPU

有四个端口，A B C端口+ 工作方式控制寄存器

CSfei A0 A1 端口

0 0 0 PA

0 0 1 PB

0 1 0 PC

0 1 1 内部控制寄存器

1 / / /

因此也可以看出8086系统中，8255A的A1接地址线A2，A0接A1，高12位参加译码。

如果地址是偶地址，地址线A0也参加译码，D0_{D7连接低八位数据线。奇地址则BHEfei参加译码，D0}D7连接高8位数据线。
RESET，复位端，高电平有效

设备复位应当早于CPU复位。

CSfei	A0	A1	端口
0	0	0	PA
0	0	1	PB
0	1	0	PC
0	1	1	内部控制寄存器
1	/	/	/

3. 8255A工作方式及其控制字

3.1 工作方式

工作方式0：无联络信号的输入/输出方式，等效于无条件输入输出方式，PA PB PC三个端口均可工作在工作方式0。
工作方式1：有联络信号的输入输出方式，相当于查询法、中断法。只有PA和PB可工作在工作方式1。PC口来作联络信号线（A组使用高四位的PC，B组使用低四位PC）
工作方式2：有联络信号的双向方式，准双向（半双工），只有PA口可以工作在工作方式2。PB PC用于联络。
- 注意，工作方式1是单向的。
- PC可以进行位管理，也就是一位一位的赋值，而PB PA没有这个功能

3.2 控制字

就是操作8255A内部的工作方式寄存器，类似于8259A的操作：

首先CSfei=0，A0 A1=1 1，选中该寄存器端口
D7=1，说明要进行工作方式的选择，也就是在写控制字

如果D7=0，8255A认为正在进行PC端口的位管理。此时D6_{D4无效，D3}D1编码PC的每一位。D0位表示将编码PC的位赋予D0的值。
D6~D5：控制A组工作方式

编码方式

0 0 方式0

0 1 方式1

1 x 方式2
D4：设置A组的输入输出方向，0为输出，1为输入。
D3：控制A组的PC7~PC4的方向，0为输出，1为输入。
D2：控制B组的工作方式（只有两种工作方式），0 方式0，1 方式1
D1：B组中PB口的方向，0 输出，1 输出
D0：控制B组的PC3~PC0的方向，0为输出，1为输入。

编码	方式
0 0	方式0
0 1	方式1
1 x	方式2

下面讲了P312页的10.3：

A输出，B输入，工作在方式1。实现端口C低四位输入的值从高4位输出。

可知控制字 D7~D0 应为：1000_0011

;选中控制寄存器，写入控制字
MOV DX, 303H 
MOV AL, 83H
OUT DX, AL
; 选中PC端口
MOV DX, 302H
IN AL, DX
MOV CL,4
SHL AL,CL ; 左移4次，低四位移到高四位了
OUT DX, AL; 输出PC端口值

3.3 工作方式1

这部分好复杂啊，但是不是很难懂。先听一遍再慢慢梳理。

再详细讲讲工作方式1。此时三个端口的信号线分成了A B两组。PC7_{PC4用作A组的联络信号，PC3}PC0用作B组联络信号。

A. 输入

输入：来看下面的图，先以PB端口为例，（其实PA PB两者除了控制字其他工作方式都一样）

结合下面图片中的时序来看。
数据线PB0~PB7上有数据时，还要CPU知道，而外设通过STBfei将有效数据信号（选通信号，一个负脉冲，接在PC2信号线上）到来后，此时8255A将数据拿进来存放到输入缓冲器。
如果输入缓冲器满了，则应该告知设备不能再发送数据了，所以此时IBF信号（缓冲器满信号，通过PC1输出）置于高电平，告知设备。

注意A组和B组各有一个输入缓冲器。
CPU一方可以通过两种方式得知输入缓冲器满了。
- 查询法：可以通过RD端口读IBF（其实是读PC端口状态，看PC1），如果IBF=1，则可以实施IN指令读走数据。IBF变低，此时8255A就可以继续接收外设的数据。
- 中断法：B组通过PC0-INTR_B线向CPU发送中断信号
  
  需要当8255A处于中断允许状态：见上图结构的INTE_B=1则中断允许。RESET时INTE_B清0。
  
  当IBF_B和INTE_B同时为1，则通过PC0发送中断请求（1，高电平了）。CPU响应后进入中断服务子程序读出数据，再IRET返回。
  
  下面看看INTE如何编程控制：
```
MOV DX,303H
MOV AL,1XXXX110B;可以当做86H，也就是无效位都当0
OUT DX,AL

;对PC2位置1，达到INTEB=1目的
MOV AL,0xxx0101B
OUT DX,AL;借助<位管理>达到目的

...;一个小循环，等待中断
; 中断产生，CPU响应进入服务程序
; 读出数据
; IRET返回
```

PA输入与上面类似。只不过用到的硬件是另一组。值得注意的是，A组的中断法那一步中，输出的INTR连接的是PC3（理论上分给了B组）。这是因为A组分到的四根C线，两根用于方式1的输入信号通讯（STB和IBF信号），两根用于方式1的输出信号通讯，已经用光了。这也是PB端口不能工作在方式2的原因，线不够用了。

A组工作在方式1富余的PC6和PC7，可以作为两根单独的IO线来使用。

还有一点，A组的中断屏蔽触发器INTEA设置的位管理还有一点不同：可见输入输出的位管理的相应位不同。

B. 输出

输出：先看图

当CPU将数据输出到PA端口，输出缓冲器满，8255A通过OBFfei端口低电平通知输出设备缓冲器满，同时OBFfei作为输出设备的选通信号（STBfei）。
设备收到选通信号，回答ACKfei信号（一个负脉冲），8255A收到后，OBFfei就又变高了。

PC7：OBFfei

PC6：ACKfei
如何得知输出缓冲器的情况？应当通过测试OBFfei信号是高电平来知道它是空的。这是查询法。
中断法则8255A通过PC3（A组）输出INTRA高电平信号。这个信号的产生过程与前面类似：
- 编程设置INTEA为1，允许中断。
- 当OBFfei为1（空），则向中断控制器 8259A/CPU 发送中断
与输入对称。空闲的PC5和PC4充当IO信号线。

3.4 工作方式二

只有PA端口可以工作在工作方式2：双向方式。这就是方式1中A组输入和输出的综合。

还剩PC0~PC2三根线，可以作为空闲IO线。

3.5 读端口C状态

方式0中，PC是数据端口，而在方式1和方式2中，C部分作为联络信号，所以读取端口C，可以的值联络信号线的状态，进而确定8255A当前的状态。

4. 8255A与系统总线的连接

五种系统总线：8086最大模式、最小模式，8088最大模式、最小模式，PC/XT系统。

4.1 8086最小方式/最大方式

少了RESET，与CPU的reset相连

注意，上图10.13的译码电路少了IOR和IOW，应该加上（否则存储器和IO的数据打架）
注意，上面两个图默认都是偶地址

4.2 PC/XT总线

基本相同，可以略过。

5. 8255A的应用

A、B、C都工作在方式0输出时，则相当于3片74LS374
A、B、C都工作在方式0输入时，相当于3片74LS245/74LS244。

讲解了P306 例10.1。

假设采用A端口输入，B端口输出，且采取方式0。与总线连接关系如下：

译码电路的地址为:0000_0010_1000_0xx，a0，同时还加上了M/IOfei

上图少画了RESET。

A：方式0输入，B：方式0输出

; 输入
MOV DX，287H
MOV AL,10010000B
OUT DX, AL
; 输出
MOV DX,281H
IN AL,DX
NOT AL;二极管的电路决定0亮1灭，所以取个反
MOV DX,285H
OUT DX,AL
;如果加上延时再循环，就是亮灭亮灭...

P307的例10.3：

首先设计硬件电路：
译码电路的地址：0000_0000_0010_0XX0
上图缺少了IOR和IOW的译码。应当与一下一起进入或门。
PA工作在方式0输出，产生波形其实就是给0给1再加循环罢了。

; 设置A组方式0输出
MOV AL,1000XXXX;可以用80H
;可以间接寻址也可以直接寻址
OUT 26H,AL

L2： 
	XOR AL,AL ;清零
	OUT 20H,AL;0000输出
	MOV CX, 6
L1：
	INC AL
	OUT 20H, AL;0001输出
	LOOP L1
	MOV AL,0FH
	OUT 20H,AL;1111H
	JMP L2

Part2 8253、8254

可编程计数器8253，8254的编程和应用。

1. 8253引脚功能

一个8253内部有3个16位计数器（计数器0~2），各有3个引脚：GAT₀，CLK₀，OUT₀。

CLK是输入的计数时钟信号，用来分频，GAT用来控制是否计数，OUT 定时时间到后，输出（或者说分频输出）。

8253对时钟信号CLK是在下降沿同步计数的。

三个计数器可以级联工作，以达到更大的分频。

16位计数器可以当8位计数器，可以选择高8位或低8位。

每个计数器6个工作方式。

下面是端口的问题：每个计数器都对应1个状态控制寄存器，所以一共3个寄存器端口，但这3个端口共用一个地址。

A1 A0：片内寻址

CSfei：片选信号

CSfei	A1 A0	功能
0	0 0	对计数器0操作此时OUT写，就是计数器0的计数初值此时IN读，则可以读当前的计数值
0	0 1	对计数器1操作
0	1 0	对计数器2操作
0	1 1	对内部方式控制寄存器操作

注意，这里 1 1 表示选中控制寄存器，而8253内部有3个控制寄存器，所以需要额外的标志位来确定。
D7 D6：

D7 D6 标志

0 0 控制寄存器1

0 1 控制寄存器2

1 0 控制寄存器3

1 1 非法（8253）
锁存当前状态值（8254）

D7 D6	标志
0 0	控制寄存器1
0 1	控制寄存器2
1 0	控制寄存器3
1 1	非法（8253）锁存当前状态值（8254）

8253和8254的区别：

可接受的时钟频率不同，8254更大

8254内部有状态寄存器（因此上面表中需要锁存），8253没有

没有RESET.

2. 8253的内部组成与计数原理

以计数器0为例：

首先有一个方式控制字寄存器，可以通过数据线写入来控制。确定工作方式。
计数初值寄存器CR（16位），所以数据线要写两次，先写低八位，后写高8位
减法计数器CE，在写入初值后的第一个时钟下降沿（CLK信号），8253自动将CR值打入CE，如果GATE有效，CE就对外部CLK进行减法计数

方式0~5，除了方式3，这个减法计数都是-1计数，而方式3是-2计数。
OL输出锁存器（16位）：其值跟随CE在变。可以通过IN指令将OL值读出来（读两次），了解CE减到多少了。不过读之前要向8253发送OL锁存命令。读走后OL开锁，继续跟着CE改变。
状态寄存器：寄存该计数器当前的状态。可以IN读出（也需要先锁存）。8253内部没有这个寄存器，8254有。

小总结：A1-A0-CS 以信号1-1-0选中后，写是写到某个（这个某要看D7和D6）计数器的方式控制寄存器，读读的是计数器的状态寄存器

3. 8253工作方式以及内部含义

首先D7和D6已经讲过了，用于选择计数器。

D7 D6 标志

0 0 控制寄存器1

0 1 控制寄存器2

1 0 控制寄存器3

1 1 非法（8253）
锁存当前状态值（8254）

D7 D6	标志
0 0	控制寄存器1
0 1	控制寄存器2
1 0	控制寄存器3
1 1	非法（8253）锁存当前状态值（8254）

D3 D2 D1：用于进行工作方式选择，000_{101表示方式1}方式5，110和111还表示方式2和方式3。（重点就是2和3）

D3 D2 D1	方式	解释
0 0 0	0	CE减到0则停止，请求中断
0 0 1	1	单脉冲形成
x 1 0	2	分频器
x 1 1	3	方波产生器
1 0 0	4	选通信号产生，软件触发
1 0 1	5	选通信号产生，硬件触发

D0：计数进制选择，D0=1表示计数初值采取BCD格式，D0=0表示二进制格式

D4 D5：表示读写格式

D5 D4	解释
0 0	向OL发锁存命令，需要结合D6 D7一起选中某个计数器的OL
0 1	对低八位进行读写，8位计数器
1 0	对高八位进行读写，8位计数器
1 1	将选中的计数器设置为16位计数器

4. 8253工作方式

4.1 方式0

计数达到终值而发出中断，举例。假设占用300H~303H端口地址，以计数器0为例：

MOV DX,303H;方式控制寄存器
MOV AL,00110000B;选中00计数器，设置为16位计数器11，方式000，二进制计数0
OUT DX,AL;30H写到计数器0的方式控制寄存器了
;写信号一到来，工作方式确定，OUT引脚随之确定，变为低电平。
;下面向计数器0（对应端口300H）写计数初值0005H
L2：MOV DX,300H
	MOV AX,0005H
	OUT DX, AL; 第二个写信号，写CR_LO
	XCHG AH,AL
	OUT DX, AL; 第三个写信号，写CR_H0

;初值写完，OUT保持低电平
;CLK的上升沿时刻采集GATE信息，若为高电平，则可以计数。在下降沿时刻，CR值打入CE减法计数器。
;此后每到一个时钟下降沿，CE-1
;CE减到0，OUT自动变为高电平，该上升沿可以向8259A提出中断请求
;如果没有继续写初值，OUT仍为高电平。

要给CR写初值，下一定时周期才开始（意思是OUT仍保持高电平）。而CE没有停止计数，继续向下减。

L1：
	MOV DX,303H
	MOV AL,0000XXXXB
	OUT DX,AL;发OL命令，锁存OL值
	MOV DX,300H
	IN AL,DX;读出OL的低八位
	MOV AH,AL
	IN AL,DX;读出OL的高八位
	XCHG AH,AL;高低位交换，OL此时==AX
	; 这样可以查看OL是否减到了0
	; 上述过程在CPU内执行，与CE自减异步，不好找到CE减到0的时刻，可以这么判断：
	CMP AX,5;与初值比较，如果该结果>0，即AX>5，说明已经减到0了
	JNA L1;不大于则继续回去，锁存查看比较
	
	JMP L2;重新写初值，L2在上面

如果在方式0工作期间，GATE突然降为低电平，则在上升沿采集到后的下降沿停止CE计数。GATE恢复高电平后恢复计数。这样可以延长定时时间。

此外，在CE还未减到0时重新写初值，也能延长定时时间。

定时器可以用于看门狗的设计，设置CR计时初值大于程序运行时间，当CPU代码的IP指针跑飞引起死机时，就会引起中断进入中断服务程序，可以设置重新回到程序起始处/程序某处，重新执行。

4.2 方式1

硬件触发的单脉冲形成。

MOV DX,303H
MOV AL,00010010B;计数器00，设置为8位计数器01，方式001，二进制计数0
OUT DX, AL;控制寄存器写入12H,out引脚电平变高
;写初值
MOV DX,300H
MOV AL,4
OUT DX,AL;CRL=4，初值写完了，因为是8位计数器
;当GATE上升沿到来（触发），CLK检测到后的第一个下降沿，CRL0的值打入CEL0，同时OUT电平降低。！单脉冲开始！
/*注意单脉冲指的是OUT的单脉冲*/
; CLK每来一个下降沿，CE-1，减到0则OUT的低电平结束，继续变为高电平

可以看出，GATE控制了单脉冲的形成，而初值控制了单脉冲的宽度。

4.3 方式2

分频器，分频脉冲形成。还是结合代码来看。

MOV DX,303H
MOV AL,01110100B;计数器1 16位计数11，方式2 010，二进制0
OUT DX,AL; 写入74H,OUT引脚变为高电平

MOV DX,301H
MOV AX,0006H;初值需要计算
OUT DX,AL
XCHG AH,AL
OUT DX,AL ;CR初值写完
;若GATE为高电平，则允许计数，下一个下降沿时CR值打入CE
;此后每个周期CE-1，减到1后OUT自动变低,保持一个周期后，OUT自动变高，此时CE正好到0。
;OUT变高后，CR再次打入CE，也就是重置为6，重复执行。
;此时是6分频。

同理，中途GATE变低，CE停止计数，但是当GATE恢复高电平的那个上升沿时，CE重置为初值。

4.4 方式3

方波产生器。

MOV DX,303H
MOV AL,36H;00110110B
OUT DX,AL;out高电平开始
MOV DX,300H
MOV AX,0006H
OUT DX,AL
XCHG AH,AL
OUT DX,AL ;至此初值写完
;第一个下降沿，CR0打入CE减法器，!若为偶数直接打入!，每来一个时钟CE-2，减到0则OUT自动降低
;此时CE重置为初值，继续自减2，再次减到0后，OUT反转为高电平，重复进行
;可见如果是偶数，高低电平时间相等，也就是方波了


;如果是奇数。
;奇数变为偶数(-1)再从CR打入CE，但高电平减到0时会向后保持一个周期，造成高电平比低电平多1周期：正方波(n+1)/2，负方波(n-1)/2

5. 8253的应用

传统艺能之与总线的连接方法其实与前几个硬件没什么不同，所以略过。

P293的9.11题。需要两个计数通道级联。

MOV DX,83H
MOV AL,00010100B
OUT DX,AL
MOV DX,80H
MOV AL,100
OUT DX,AL

需要级联，将计数器1的OUT连到计数器2的CLK，计数器1的CLK接系统时钟1MHZ

硬件连线程序管不了，需要电路上接好。


; 计数器1
MOV DX,83H
MOV AL,011101000B
OUT DX,AL

MOV DX,81H
MOV AX,1000;分频1000
OUT DX,AL
XCHG AL,AH
OUT DX,AL

;计数器2
MOV DX,AL
MOV DX,83H
MOV AL,10010110B
OUT DX,AL
MOV AL,100;分频100
OUT DX,AL

posted @ 2023-02-22 09:29 climerecho 阅读(2974) 评论(0) 编辑收藏举报

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Clivia Du

A student of CS who enjoys electronic design