自动控制网移动版

    通常选用的微型计算机系统都已配备有相当数量的通用可编程序I/O接口电路，如并行接口8155、8255A、串行接口8251A、计数器/定时器8253以及DMA控制器和中断控制器等。但是选用通用的计算机系统用于控制生产对象时，往往接口和内存还不够用，必须扩展I/O接口及内存容量。因此，I/O接口扩展是计算机控制系统硬件设计的主要任务之一。

    1、地址译码器的扩展

    扩展I/O接口必然要解决I/O接口的端口（寄存器）的编址、选址问题。每个通用接口部件都包含一组寄存器，CPU和外围设备进行数据传输时，各类信息在接口中进入不同的寄存器，一般称这些寄存器为I/O端口。一个双向工作的接口芯片通常有4个端口，如Z-80PlO有A数据端口、B数据端口、A控制端口和B控制端口。8255A有A、B、C三个数据端口和一个控制端口。计算机主机和外部之间的信息交换都是通过接口部件的I/O端口进行的。因此扩展的地址译码电路不仅要提供接口芯片的片选信号，而且还能对芯片内的I/O端口（寄存器）寻址。

    前面已介绍了I/O接口有两种编址方式，即与存储器独立编址和统一编址，今以独立编址为例，说明如何扩展I/O接口的地址译码。

    地址译码要用译码器，常用的译码器有2—4（四中选一）、3—8（八中选一）和4—16（十六中选一）译码器等。微机系统中最常采用的是74LSl38（3—8）译码器和74LSl55（双2—4）译码器。74LSl38的管脚图如图1所示。其译码功能是：A、B、C三个地址输入端分别输入000~111时，则~依次是低电平，

图1　74LS138管脚图

    例1：此例是采用8位的Z—80CPU的微机控制系统，按控制要求需扩展一个并行接口芯片PIO、一个计数器／定时器（CTC）、一个8位的A/D转换器（ADC0808）和一个8位的D/A转换器（DAC0832）。若指定它们的地址分别为40H～43H、44H～47H、58H和5CH，那么可以设计出如图所示的地址译码电路。

    图中，独立编址方式片选信号只利用地址总线的低8位（～）译出，为了区别是访问存储器还是访问I/O接口，信号是必须用的。同时为了控制数据流向也要使用读（）、写（）信号。但是Z—80PIO和Z—80CTC芯片有些特殊，没有信号引脚，它是利用、和三个信号通过内部逻辑电路的组合而得到读、写、复位、中断响应等控制信号的。ADC0808只提供按58H地址的启动转换信号（START和ALE同时为“1”）并允许读出转换后的数据信号（OE＝1）。DAC0832只提供按5CH地址的一次锁存信号，和同时为“0”（ADC0808和DAC0832的原理、接线等。

    为了准确的得到ADC0808和DAC0832的译码信号，使用了四或门74LS32和四或非门74LS02构成简单的逻辑电路。

图2　I/O接口地址译码扩展

    2、负载能力的扩展

    扩展的I/O接口和存储器的数据线都同时挂到CPU的数据总线上，各芯片的地址都要挂到CPU的地址线上，控制线也一样，要挂到CPU的控制总线上。计算机系统设计时，都考虑了各总线的驱动能力问题，CPU的数据、地址和控制总线都经过总线收发器（如74LS245）或缓冲器（如74L8244）才形成系统总线。因此，系统总线的负载能力较强。但是其负载能力还是有限的，不能无限制的增加，特别是当设计者自己设计微机控制系统时，更有必要考虑CPU各总线的负载能力。因为当负载过重时，各信号线的电压就会偏离正常值，“0”电平偏高，或“1”电平偏低，造成系统工作不稳定、抗干扰能力差，严重时甚至会损坏器件。因此总线负载能力的扩展也是I/O接口扩展设计中必须考虑的问题之一。

    微机系统中，通常采用两种不同工艺制造的器件，即TTL器件和MOS器件（TTL又分标准TTL器件74XXX，和低功耗肖特基TTL器件74LSXXX）。它们之间级连使用，逻辑电平是一致的（“1”电平≥1.8V～3.8V，“0”电平≤0.8～0.3V），但功耗和驱动能力有差别。它们的输入输出电流，如表2—4所示。

    由表2可见，MOS器件的输入电流小，驱动能力也差。一个MOS器件只能带一个标准74XXX器件（约1.6　mA）或四个74LSXXX器件（4×0.4mA），但它可以驱动10个左右的MOS器件。通常，同类器件带8～10个没有问题，若超过了就要加驱动器。

表2　TTL和MOS器件输入输出电流

    应用总线收发器可以提高总线驱动能力。Intel系列芯片的典型收发器为8286，是8位的。所以，在数据总线为8位的8088系统中，只用一片8286就可以构成数据总线收发器，而在数据总线为16位的8086系统中，则要用2片8286。

    从图3中，可以看到8286具有两组对称的数据引线，~为输入数据线，～为输出数据线，当然，由于在收发器中数据是双向传输的，所以实际上输入线和输出线也可以交换。用T表示的引脚信号就是用来控制数据传输方向的。当T＝1时，就使～为输入线，当T＝0时，则使～为输入线。在系统中，T端和CPU的DT/R端相连，DT/为数据收发信号。当CPU进行数据输出时，DT/为高电平，于是数据流由～进入，从～