Basic I/O Interface⚓︎

Intro to I/O Interface⚓︎

Hardware Interface⚓︎

硬件接口建立起不同设备之间的连接和通信，实现计算机和外设的协同工作。

硬件接口提供了以下解决方案：

• 信号匹配 (signal matching) -> 信号转换 (signal conversion)
• 信号驱动 (signal driving) -> 信号增强 (signal boost)
• 速度匹配 (speed matching) -> 数据锁存器和缓冲区 (data latch and buffer)
• 时序匹配 (timing matching) -> 时序控制 (timing control)
• 总线隔离 (bus isolation) -> 三态缓冲器 (three-state buffer)
• 格式匹配 (formating matching) -> 协议转换 (protocol translation)

硬件接口的类型：

• 按信息流方向分类：输入 / 输出接口
• 按信号类型分类：模拟 (analog)/ 数字 (digital) 接口
• 按数据传输类型分类：串行 (serial)/ 并行 (parallel) 接口

硬件接口的结构：一个 I/O 单元包含以下块：

• 读 / 写控制逻辑
• 数据总线缓冲区 (data bus buffer)
• 端口寄存器 (port registers)（比如端口 A，端口 B 等）
• 控制和状态寄存器 (control and status registers)

A Few Key Points about I/O Interface⚓︎

• 如何将 I/O 设备和 CPU 连接
  • 输出接口：锁存器
  • 输入接口：三态缓冲器
• 如何为 I/O 设备提供地址空间
  • 隔离 I/O
  • 内存映射 I/O
• 如何执行 I/O 端口解码
  • 包含以下信号：内存地址、#BHE、#BLE、#IORC、#IOWC
• 如何让处理器和 I/O 设备同步
  • 对于始终开启的 (always-on) 设备采用无条件传输(unconditional transfer)
  • 选通(strobing)
  • 握手(handshaking)和轮询(polling)
  • 中断驱动的(interrupt-based) I/O
  • 基于通道的(channel-based) I/O（比如 DMA）

Isolated and Memory-Mapped I/O⚓︎

下面介绍两种不同的 I/O 接口方法

• 隔离 I/O(isolated I/O)：使用 IN 和 OUT 传输，数据在微处理器的累加器或内存与 I/O 设备之间
• 内存映射 I/O(memory-mapped I/O)：任何引用内存的指令都可以完成传输

PC 使用隔离 I/O 而不是内存映射 I/O。

Isolated I/O⚓︎

• 在基于 Intel 的系统中，最常用的 I/O 传输技术是隔离 I/O
• 隔离(isolated) 描述了 I/O 位置如何通过单独的 I/O 地址空间中从内存中隔离
• 隔离 I/O 设备的地址，称为端口(ports)，与内存分离

Memory-Mapped I/O⚓︎

• 内存映射 I/O 不使用 IN、INS、OUT 和 OUTS 指令
• 它使用任何在微处理器和内存之间传输数据的指令

例子（隔离 I/O vs 内存映射 I/O）

Personal Computer I/O Map⚓︎

– PC 使用部分 I/O 映射，用于一些专用的功能 – 端口 0000H-03FFH 之间的 I/O 空间保留给系统 – 0400H–FFFFH 端口可供用户使用

Logic ICs⚓︎

逻辑接口电路 (logical interfacing circuitry) 的分类：

• TTL（晶体管 - 晶体管逻辑 (transistor-transistor logic)）逻辑

  • 一种双极性逻辑集成电路，于早期引入
  • 更高的电流驱动能力和更高的速度（5-10 ns）
  • 消耗更多功率
    • 传统上使用 5V 电源供电，而 TTL 兼容的 CMOS 设备只使用 3.3V
  • TTL 信号必须符合以下逻辑 1 和逻辑 0 的规范：
  

• CMOS 逻辑

  • 消耗的功率比 TTLs 低
  • 刚发明出来的时候速度较慢（25-50ns）
  • 但现在的速度比 TTL 快
  • 电源供电选择多样，比如 5V、3.3V、1.8V 等
  • CMOS 信号必须根据供电电压（VCC）满足特定的电压水平，以实现逻辑 1 和逻辑 0 ，以下是通用规格：
  

下面总结了这两种逻辑的输入输出规范：

Input Devices⚓︎

关于输入设备接口的考虑因素：

• 当连接到微处理器时，输入设备应与 TTL/CMOS 兼容
• 应减少或消除输入设备的噪声(noise)

例如，对于基于开关的设备 (switch-based devices)

• 它们不是 TTL/CMOS 兼容的输入设备，所以应进行一些适配以使其成为 TTL/CMOS- 开关
• 由于开关抖动 (bounce)，应应用一些条件以去抖动机械接触

右图展示了一个正确连接的切换开关，作为输入设备。

• 开关关闭时接地，产生一个有效的逻辑 0 电平

• 使用一个上拉电阻 (pull-up resistor)，确保当开关打开时，输出信号是逻辑 1

  • 上拉电阻的标准值范围在 1KΩ 到 10KΩ 之间

• 机械开关在按下或释放时总会产生噪声

  

• 有几种方法可以防止以上抖动问题：

  • 带触发器 (flip-flop) 的双掷开关 (double-throw switch)（图 (a)）

  • 带非门的双掷开关（图 (b)）

    

  • 低通滤波器 (low-pass filter) 和施密特触发器 (Schmitt trigger)

    

  • 多级移位寄存器 (multiple stage shift register) 采样

    • 开关通常会在 5-10ms 内抖动
    • 连接一个 100Hz 的时钟，它将每 10ms 采样一次信号
    • 当所有采样值都为高时，设置 SR 触发器，当值为低时重置
    

  • 软件采样

Output Devices⚓︎

• 输出设备比输入设备种类更多，但许多设备都以统一的方式连接。
• 连接输出设备需要匹配设备和微处理器的电压和电流关系

• 接口元件的微处理器输出电压与 TTL 兼容

  • 逻辑 0 = 0.0V-0.4V
  • 逻辑 1 = 2.4V-5.0V

• 处理器和许多接口组件的电流小于标准 TTL

  • 逻辑 0 = 0.0-2.0mA
  • 逻辑 1 = 0.0-400μA

• 下图展示了如何通过两种方法提供足够的电流（10mA）来点亮 LED：

  

  • 图 (a) 使用了一个晶体管驱动器

    • 2N2222 是一款性能良好、价格低廉的通用开关晶体管，其最小增益为 100 – 集电极电流为 10mA，因此基极电流将是集电极电流的 1/100，即 0.1mA
    • 为了确定基极电流 - 限流电阻，使用 0.1mA 的基极电流并在基极电流–限流电阻上产生 1.7V 的电压降

  • 图 (b) 使用了一个 TTL 反相器(inverter)

    • 它在逻辑 0 级别下提供高达 16mA 的电流，足以驱动一个标准 LED

  • TTL 输入信号的最小值为 2.4V

  • 发射极 - 基极结的压降为 0.7V
  • 电阻上的压降为 1.7V
  • 电阻的值为 1.7V / 0.1mA = 17KΩ
  • 由于 17K 不是标准值，选择了一个 18K 电阻

• 假设我们需要将一个 12 V 直流 1A 电机连接到微处理器。

  • 不能使用 TTL 反相器：

    • 12V 信号会烧毁反相器
    • 电流远超过 16mA 反相器的最大值

  • 也不能使用 2N2222 晶体管：

    • 最大电流为 250mA-500mA（取决于选择的封装样式）

  • 解决方案是使用达林顿对(Darlington-pair)，例如 TIP120

    • 成本 25 美分，可以处理 4A 电流

  • 下图展示了连接到具有最小电流增益 7000 和最大电流 4A 的达林顿对电机

    
    • 达林顿对必须使用散热片(heat sink)，因为电流量较大
    • 二极管必须存在，以防止达林顿对被电感反冲(inductive kickback) 摧毁

  • 基极电阻的值与 LED 驱动器中使用的值完全相同

  • 通过电阻的电流为 1.0A / 7000 ≈ 0.143mA
  • 由于两个二极管压降（基极 / 发射极结），电压降为 0.9V
  • 基极电阻的值为 0.9V / 0.143mA = 6.29KΩ

Basic Input and Output Interfaces⚓︎

• IN：将数据从 I/O 设备移动到微处理器中
• OUT：将数据从微处理器移动到 I/O 设备中
• 基本输入设备是一组连接到数据总线上的三态缓冲器
• 基本输出设备是一组数据锁存器，用于存储来自数据总线上的值

The Basic Input Interface⚓︎

• 三态缓冲器用于构建下图所示的 8 位输入端口

  

• 外部 TTL 信号连接到缓冲器的输入端，缓冲器输出连接到数据总线

• 当选择信号变为逻辑 0 时，该电路允许处理器读取连接到数据总线任何 8 位部分的八个开关的内容
• 当执行 IN 指令时，开关的内容复制到 AL 寄存器
• 这个基本输入电路是必需的，每次输入数据与微处理器接口时都必须出现
• 有时作为电路的独立部分出现，如上图所示；也可以集成在可编程 I/O 设备中
• 16 位或 32 位数据也可以用于接口，但不如 8 位数据常见

The Basic Output Interface⚓︎

• 通常必须为某些外部设备保存从处理器处接收到的数据

  • 锁存器或触发器通常集成在 I/O 设备中

• 下图显示了八个发光二极管（LED）如何通过一组八个数据锁存器连接到处理器

  
  • 锁存器存储微处理器从数据总线输出的数字，以便 LED 可以用任何 8 位二进制数点亮

• 锁存器需要保持数据，因为当处理器执行 OUT 操作时，数据只在数据总线上存在不到 1.0μs，因此观察者永远不会看到 LED 灯点亮

• 当执行 OUT 时，AL、AX 或 EAX 中的数据通过数据总线传输到锁存器，并且 \(\overline{\text{SEL}}\) 信号激活，将数据捕获到触发器，数据保持到下一个 OUT
• 当执行输出指令时，AL 寄存器中的数据出现在 LED 灯上

Asynchronous Data Transfer⚓︎

• CPU 和 I/O 设备可能具有不同的时钟，这些时钟彼此不同步，即这些单元相对于彼此异步(asynchronous)
• 异步数据传输的方法：
  • 选通(strobing)（1 个控制信号）
  • 握手(handshaking)（2 个控制信号）

Strobing⚓︎

• 选通信号(strobe) 是一种同步信号，用于指示数据传输的开始和结束

• 可以被源单元或目标单元激活，因此使用选通信号进行数据传输有两种方法：

  • 源启动传输(source-initiated transfer)

    
    • 源端首先将数据放置在数据总线上，然后改变选通信号从 0 变为 1
    • 目标端将传输设置到寄存器上
    • 源端随后将选通信号从 1 变为 0
    • 源端从数据总线上移除数据

  • 目标启动传输(destination-initiated transfer)

    
    • 目标端将选通信号从 0 变为 1
    • 源端将数据放置在数据总线上
    • 目标端在寄存器中捕获数据，并将选通信号从 1 变为 0
    • 源端从数据总线上移除数据

• 数据传输的选通方法虽然简单，但存在以下几个缺点：

  • 数据必须是有效的，并且必须在总线上保持足够长的时间，以便目标端能够接受它
  • 没有迹象表明是否数据实际上被目标端捕获
  • 对于具有各种速度的多个单元，传输由最慢的单元决定

• 解决方案：引入一个提供对启动传输的单元的回复(reply) 的第二控制信号（即下面马上介绍的握手方法）

Handshaking⚓︎

• 双信号握手(handshaking) 方法或轮询数据传输的基本原理如下：

  • 发起单位的一条控制线（请求(request)）用于请求其他单位的响应
  • 来自其他单位的第二条控制线（回复(response)）用于向发起单位回复响应正在发生

• 通过这种方式，每个单位都向其他单位告知其状态，从而使数据通过总线有序传输

• 在源启动传输中：

  
  • 源端首先将数据放置在数据总线上，然后启用请求
  • 目标端设置传输并激活响应
  • 源端移除数据并重置请求
  • 目标端重置响应

• 在目标启动传输中：

  
  • 目标端通过启用请求来启动传输
  • 源端将数据放置在数据总线上，然后激活回复
  • 目标端捕获数据并重置请求
  • 源端移除数据然后重置回复

例子

以下示例展示了从计算机到打印机通过数据连接（\(\text{D}_7-\text{D}_0\)）进行数据传输的步骤。

• ASCII 数据放置在 \(\text{D}_7-\text{D}_0\)，然后对 \(\overline{\text{STB}}\) 连接应用脉冲
• \(\overline{\text{STB}}\) 是用于向打印机发送数据的时钟脉冲
• \(\text{BUSY}\) 表示打印机处于忙碌状态
• 脉冲信号（请求）将数据发送到打印机，以便打印
• 当打印机接收数据时，它在 \(\text{BUSY}\) 引脚上放置逻辑 1（回复），表示正在打印数据
• 软件轮询或测试 \(\text{BUSY}\) 引脚以决定打印机是否忙碌
  • 如果打印机忙碌，处理器等待
  • 如果不忙碌，下一个 ASCII 字符发送到打印机

I/O Port Address Decoding⚓︎

• I/O 设备选择：

  • 解码地址，以生成与在总线上的设备地址对应的唯一信号
  • 当设备地址信号和控制信号（\(\overline{\text{IORC}}, \overline{\text{IOWC}}\)）都为低电平时，生成设备选择信号
  • 使用设备选择信号激活输入输出接口技术 (input output interfacing tachniques)

• 接口 I/O 设备包括

  • I/O 端口的选择(selection)，即 I/O 端口地址解码
  • 在 I/O 端口和微处理器之间传输数据

• 对于 I/O 端口地址解码

  • 内存映射 I/O：使用与内存相同的地址进行解码
  • 隔离 I/O：将较少的地址引脚连接到解码器，并生成单独的控制信号（例如，I/O 读 \(\overline{\text{IORC}}\) 或 I/O 写 \(\overline{\text{IOWC}}\)）以激活 I/O 设备

Decoding 8-Bit I/O Port Addresses⚓︎

• 固定 I/O 指令使用一个 8 位 I/O 端口地址，在 \(A_{15}–A_0\) 上为 0000H–00FFH，但通常只用 \(A_7–A_0\)
• DX 寄存器也可以寻址 I/O 端口 00H–FFH
• 如果地址被解码为 8 位地址，我们永远不能包含使用 16 位地址的 I/O 设备，因为 PC 永远不会使用或解码 8 位地址

• 下图展示了一个 74ALS138 解码器，它能解码 8 位 I/O 端口F0H -F7H

  

  – 这和内存地址解码器相同，除了只将地址位 \(A_7-A_0\) 连接到解码器的输入端

• 下图展示了 PLD 版本，使用 GAL22V10（一种低成本设备）作为此解码器

  
  • PLD 是一种更好的解码器电路，因为集成电路的数量已减少到一个设备

Decoding 16-Bit I/O Port Addresses⚓︎

• PC 系统通常使用 16 位 I/O 地址，但在嵌入式系统中很少见
• 解码 8 位和 16 位 I/O 地址之间的区别是：必须解码额外的 8 个地址线（\(A_{15}–A_8\)）

• 下图展示了包含 PLD 和用于解码 I/O 端口 EFF8H–EFFFH 的 4 输入 NAND 门电路

  
  • PLD 为 I/O 端口生成地址选通信号

8- and 16-Bit Wide I/O Ports⚓︎

• I/O 空间按库(banks) 组织（就像内存系统一样）以支持单字节传输或未对齐的内存访问，例如：

  • in AL, 40H, in AL, 41H
  • out 40H，AL, out 41H，AL

• 在这样的微处理器上，I/O 系统包含两个 8 位内存库

• 类似于内存库选择

  • 任何 8 位 I/O 写请求都需要单独的写选通信号（\(\overline{\text{BHE}}, \overline{\text{BLE}}\)）
  • 但读请求不需要

• 传输到 8 位 I/O 设备的数据位于 16 位处理器（如 80386SX）的一个 I/O 库中

• 下图展示了用于像 80386SX 的 16 位系统的一个单独的 I/O 库

  

• I/O 读取不需要单独的选通信号

  • 就像内存一样，处理器只读取它期望的字节，忽略其他字节
  • 当 I/O 设备对读取操作响应错误时，读取可能会引起问题

例子

例 1 例 2

下图所示的系统包含了两个不同的 8 位输出设备（出现在不同的 I/O 库中），分别位于 40H 和 41H。

• 因此生成独立的 I/O 写信号以时钟驱动一对捕获端口数据的锁存器

下图展示了一个 16 位设备连接到 64H 和 65H 的 8 位地址上。

• PLD 解码器没有 \(\overline{\text{BLE}}\)（\(A_0\)）和 \(\overline{\text{BHE}}\) 地址位连接，因为信号不适用于 16 位宽的设备
• PLD 的程序展示了如何生成用于作为输入设备的三态缓冲器（74HCT244）的使能信号

32-Bit-Wide I/O Ports⚓︎

• 这种宽度的端口最终可能会普及，因为计算机系统的总线在更新
• EISA 系统总线、VESA 局部和当前 PCI 总线支持 32 位 I/O

• 下图展示了 80386DX-80486DX 微处理器的 32 位输入端口

  
  • 电路使用单个 PLD 来解码 I/O 端口，并使用四个 74HCT244 缓冲器将 I/O 数据连接到数据总线
  • 通过此接口解码的 I/O 端口是 8 位端口 70H–73H
  • 通过写入访问此端口时，使用地址 70H 对于 32 位输入至关重要，比如指令 in EAX, 70H

The Programmable Peripheral⚓︎

82C55 可编程外设接口(programmable perripheral interface, PPI) 是一种流行、低成本的接口组件，广泛应用于各种应用中。

• 它具有 24 个 I/O 引脚，可以以 12 个引脚为一组进行编程，并且可以在三种不同的操作模式下工作
• 可以将任何 TTL 兼容的 I/O 设备与微处理器连接

• 82C55（CMOS 版本）在与时钟频率高于 8 MHz 的处理器一起使用时需要等待状态，并且每个输出至少提供 2.5 mA 的下拉（逻辑 0）电流，最大值为 4.0 mA

  • 由于 I/O 设备本身速度较慢，在 I/O 传输过程中使用的等待状态对系统速度没有显著影响

• 在 PC 中，一对 82C55 或其等效设备在 60H–63H 号 I/O 端口上被解码，用于控制键盘、定时器或扬声器等；同时在 378H–37BH 端口被解码，用于并行打印机

• 82C55 是一个相对简单的设备，可以与微处理器接口并进行编程
• 要读取或写入 82C55，\(\overline{\text{CS}}\) 输入必须为逻辑 0，并且正确的 I/O 地址必须施加到 A ₁ 和 A ₀ 引脚上
• 不用关心剩余的端口地址引脚

Basic Description of 82C55⚓︎

下图展示了 82C55 在 DIP 和表面贴装 (surface mount)（扁平封装 (flat pack)）格式的引脚排列：

• 三个 I/O 端口（A, B, C）以组为单位被编程

  • A 组连接了包括端口 A（PA₇–PA₀）和端口 C 的上半部分（PC₇–PC₄）
  • B 组包括端口 B（PB₇–PB₀）和端口 C 的下半部分（PC₃–PC₀）

• 通过 \(\overline{\text{CS}}\) 引脚选择 82C55 进行编程和向端口读写

下表展示了用于编程和访问 I/O 端口的 I/O 端口赋值：

基本功能描述：

• 端口 A, B, C

  • 端口 A：一个数据输出锁存器 / 缓冲区和一个数据输入锁存器
  • 端口 B：一个共享的数据输入 / 输出锁存器 / 缓冲区和一个数据输入缓冲区
  • 端口 C：一个数据输出锁存器 / 缓冲区和一个数据输入缓冲区

• 组 A 和组 B

  • 组 A：端口 A 和端口 C 的高位 4 位 (PC ₇ -PC ₄ )
  • 组 B：端口 B 和端口 C 的低位 4 位 (PC ₃ -PC ₀ )

• 模式 0, 1, 2

  • 模式 0：基本输入 / 输出操作（适用于组 A 和 B）
  • 模式 1：选通输入 / 输出操作（适用于组 A 和 B）
  • 模式 2：双向总线操作（仅适用于组 A）

• 用于端口 C 的单比特设置 / 复位（在模式 1 和 2 中）

功能图：

基本模式定义和总线接口：

下图展示了 82C55 连接到 80386SX 的情况：

• 因此 82C55 在 8 位地址 C0H（端口 A）、C2H（端口 B）、C4H（端口 C）和 C6H（命令寄存器）下工作
• 该接口使用 I/O 映射的低位库
• 除了 \(\overline{\text{CS}}\) 引脚外，所有 82C55 引脚都直接连接到 80386SX；\(\overline{\text{CS}}\) 引脚由 74ALS138 解码器进行解码 / 选择

• 82C55 的复位作用是将所有端口设置为使用模式 0 操作的简单输入端口

  • 在处理器复位时初始化设备

• 在复位后，只要将其用作所有三个端口的输入设备，就不再需要其他命令

Programming the 82C55⚓︎

82C55 通过下图所示的两个内部命令寄存器(command registers) 进行编程：

• 第 7 位用于选择命令字节 A / B
  • 命令字节 A 编程组 A 和 B 的功能
  • 命令字节 B 仅在 82C55 以模式 1 或 2 编程时设置（1）或重置（0）端口 C 的位
• 组 B 在模式 0 或模式 1 下操作，而组 A 可以在模式 0、1 和 2 下操作
• 组 A 被编程为输入或输出引脚
• 组 A 可以在模式 0、1 和 2 下运行
  • 模式 2 操作是端口 A 的双向操作模式
• 如果命令字节的第 7 位是 0，则选择命令字 B
• 这使得在 82C55 以模式 1 或 2 运行时，端口 C 任何位都可以被设置（1）或重置（0）；否则，此字节不用于编程
• 在操作设备之前，应将适当的控制字（命令字节 B）写入控制字寄存器 (control word register)
• 配置示例：
  • 组 A 和组 B 在模式 0
  • 端口 A 和 B 作为输出
  • 端口 C 的上半部分（PC₇-PC₄）作为输出
  • 端口 C 的下半部分（PC₃-PC₀）作为输入

; programming the 82C55

COMMAND_ADDRESS EQU 703H

MOV AL, 10000001B
MOV DX, COMMAND_ADDRESS
OUT DX, AL

Mode 0 Operation⚓︎

• 模式 0 操作得使 82C55 作为：

  • 一个缓冲输入设备
  • 一个锁存输出设备

• 模式 0 使 82C55 作为基本的输入端口或输出端口工作，无需控制信号

• 所有的 24 位可以用作两个 8 位端口和两个 4 位端口

Examples⚓︎

LED Display⚓︎

端口 A 和 B 被编程为（模式 0）简单的锁存输出端口：

• 端口 A 提供了七段显示的数据输出
• 端口 B 提供了一次选择一个显示位置，以进行多路复用显示的方法
• 82C55 通过一个可编程逻辑器件（PLD）与 8088 相连，I/O 端口号为 0700H–0703H
• PLD 解码 I/O 地址并为 82C55 的 WR 引脚生成写脉冲

下图展示了 82C55 通过多路复用连接到八个七段 LED 显示器：

• 图中电阻值的选择，使得段电流为 80 mA
  • 要求每个段产生平均 10 mA 电流，因为显示器是多路复用的
• 因此六位显示器使用 60 mA 的段电流

• 八位显示器中的峰值阳极电流为 560 mA（七个段 × 80 mA）

  • 平均阳极电流为 80 mA

• 在六位显示器中，峰值电流将是 420 mA（七个段 × 60 mA）

• 有 80 mA 的电流通过显示器的段负载电阻，因此电压大约有 3.0 V
• 可计算出电阻值为 3.0 V ÷ 80 mA = 37.5 Ω；图中使用的是最接近的标准电阻值的 39 Ω
• 可通过下图展示的简短指令序列来编程 82C55，其中端口 A 和 B 被编程为输出

; programming the 82C55 PIA

MOV AL, 10000000B       ; command
MOV DX, 703H            ; address port 703H
OUT DX, AL              ; send command to port 703H

DISP PROC NEAR USES AX BX DX SI

    PUSHF
    MOV BX, 8                   ; load counter
    MOV AH, 7FH                 ; load selection pattern
    ; 0111 1111B, 7th LED is selected
    MOV SI, OFFSET MEM-1        ; address display data
    MOV DX, 701H                ; address Port B

; display all 8 digits

    .REPEAT
        MOV AL, AH      ; send selection pattern to Port B
        OUT DX, AL
        DEC DX          ; <- address Port A
        MOV AL, [BX+SI] ; send data to Port A
        OUT DX, AL
        CALL DELAY      ; wait 1.0 ms
        ROR AH, 1       ; adjust selection pattern
        INC DX          ; <- address Port B
        DEC BX          ; decrement counter
    .UNTIL BX == 0

    POPF
    RET

DISP ENDP

Stepper Motor⚓︎

另一个常与计算机系统接口的设备是步进电机(stepper motor)。它是一种数字电机，因其能在 360° 范围内以离散步骤移动而得名。它将电子信号转换为机械运动，每当施加一个输入脉冲到电机时，轴 (shaft) 以固定增量移动。

• 价格低廉的步进电机，每步可能移动大约 15°；而更昂贵、高精度的步进电机，可以调整到每步 1°

• 常用的三种激励模式 (excitation modes) 有：

  • 全步(full-step)：

    • 单相全步(one-phase on full-step)：电机一次只对一个相进行供电，需要从任何激励模式中驱动器获取的最小功率
    • 双相全步(two-phase on full-step)：电机同时对两个相进行供电，提供了改进的扭矩和速度性能
    

  • 半步(half-step)：单相和双相全步模式的结合

    • 基本步进角减半，因此增加了角度改变的精度 (resolution)，提供了更平滑的操作
    • 产生的扭矩比双相全步要少，但改良后的半步通过增加施加到电机上的电流消除了扭矩的减少
    
    例子

    

    有一个三相步进电机，它有三个由位 0、1 和 2 控制的磁铁。其他位（3-7）未使用。步进电机通过向 I/O 端口 7 发送数据进行控制。以下代码将执行三个顺时针半步：

    MOV AL, 011b ; initialize.
    OUT 7, AL
    
    MOV AL, 010b ; half step 1.
    OUT 7, AL
    
    MOV AL, 110b ; half step 2.
    OUT 7, AL
    
    MOV AL, 100b ; half step 3.
    OUT 7, AL
    

    以下代码是控制步进电机在半步模式下的一个示例：

    .stack 64h
    .data
    ; half-step clock-wise rotation
    datacw db 0000_0110b
        db 0000_0100b
        db 0000_0011b
        db 0000_0010b
    
    .code
        mov ax,@data
        mov ds, ax
        mov bx, offset datacw
        mov si, 0           ; step index
        mov cx, 16          ; step counter
    
    next_step:
        mov al, [bx][si]    ; load data
        out 7, al           ; send data
        inc si
    
        cmp si, 4
        jb next_step
        mov si, 0
    
        loop next_step
    
        hlt
    
    .exit
    

  • 微步(micro-step)：所有步进模式中最复杂的，是指施加到每个绕组 (winding) 的电流与一个数学函数成正比，提供全步的一部分

    

  • 电机由 NPN 达林顿放大器对驱动，为每个线圈提供大电流

  • 驱动此步进电机的电路如下图所示

    • 四个线圈已就位
    • 以全步模式运行
    

  • 此电路使用 82C55 提供用于旋转电机转子向右或向左方向的驱动信号

• 在双相全步模式下运行时，当前位置存储在内存位置 POS 中，该位置必须初始化为 33H、66H、0CCH 或 99H

• 这允许简单的 asm ROR（向右移位）或 asm ROL（向左移位）指令旋转二进制位模式以进行下一步

  

• 步进电机也可以在半步模式下运行。完整的八步序列为：11H、33H、22H、66H、44H、0CCH、88H 和 99H

  

• CX 保存步数和旋转方向

  • 如果 CX > 8000H，电机向右旋转
  • 如果 CX < 8000H，则向左旋转
  • 例如，如果步数为 0003H，电机向左移动三步；如果步数为 8003 H，则向右移动三步

下面列出了驱动电机的程序（端口 A 以模式 0 编程为输出设备）：

     PORT EQU 40H              ; port A address
; An assembly language procedure that controls the stepper motor
STEP PROC NEAR USES CX AX
    MOV AL,POS                 ; get position
    ; CX holds the number of steps and direction
    OR CX,CX                   ; set flag bits
    IF !ZERO?                  ; if step <> 0
        IF !SIGN?              ; if no sign (if CX [7] = 0)
            .REPEAT
                ROL AL,1       ; rotate step left
                OUT PORT,AL
                CALL DELAY     ; wait 1 ms
            .UNTILCXZ
        .ELSE
            AND CX,7FFFH       ; make CX positive (set CX [7] = 0)
            .REPEAT
                ROR AL,1       ; rotate step right
                OUT PORT,AL
                CALL DELAY     ; wait 1 ms
            .UNTILCXZ
        .ENDIF
    .ENDIF
    MOV POS,AL
    RET
STEP ENDP

Mode 1 Strobed Input / Output⚓︎

Input⚓︎

• 在模式 1 中，当从指定端口进行输入 / 输出操作时，使用选通、中断和其他“握手”信号
• 在模式 1 中，端口 C 用于控制或握手信号，而不是用于数据，以帮助操作端口 A 和 B 作为选通输入端口
• 此模式适用于组 A 和组 B

模式 1 选通输入的信号定义：

• \(\overline{\text{STB}}\)（选通(strobe) 输入）：将数据加载到端口锁存器中，该锁存器保持信息，直到通过 asm IN 指令将其输入微处理器
• \(\text{IBF}\)（输入缓冲区满(input buffer full)）：表示输入锁存器包含信息的输出

• \(\text{INTR}\)（中断请求(interrupt request)）请求中断的输出

  • 当 \(\text{INTE, STB, IBF}\) 为 1 时，\(\text{INTR}\) 置 1
  • 当处理器从端口输入数据时清 0

• \(\text{INTE}\)（中断使能(interrupt enable)）：既不是输入也不是输出，而是一个通过端口 \(\text{PC}_4\)（端口 A）或 \(\text{PC}_2\)（端口 B）位位置编程的内部位

• \(\text{PC}_7, \text{PC}_6\)：端口 C 的第 7 和第 6 个引脚是通用 I/O 引脚，可用于任何目的

当端口 C 在模式 1 中用于控制信号时，可以通过读取端口 C 的内容来读取每个控制信号和总线状态信号，允许程序测试或验证每个外设的“状态”，并相应地改变程序流程。

例子：键盘

• 键盘编码器消除按键开关的抖动，并在每次按下一个键时提供一个选通信号（\(\overline{\text{DAV}}\)，数据可用），数据输出包含 ASCII 编码的按键代码
• 每次激活 \(\overline{\text{DAV}}\) 持续 1.0 μs，并连接到端口 A 的 \(\overline{\text{STB}}\) 输入，导致数据被选通输入到端口 A，同时也激活 \(\text{IBF}\) 信号

Output⚓︎

下图展示了 82C55 在模式 1 下作为带脉冲输出设备时的内部配置和时序图：

• 选通输出操作类似于模式 0 的输出操作，只是包含控制信号以提供握手功能
• 当数据写入选通输出端口时，“输出缓冲区满”信号变为逻辑 0，以指示端口锁存器中存在数据

模式 1 选通输出的信号定义：

• \(\overline{\text{OBF}}\)（输出缓冲区满(output buffer full)）：

  • 当数据被输出（asm OUT）到端口 A 或 B 的锁存器时，该信号会变为低电平
  • 当 \(\overline{\text{ACK}}\) 脉冲从外部设备返回时，信号被设置为逻辑 1（高电平）

• \(\overline{\text{ACK}}\)（确认信号(acknowledge signal)）：

  • 使 \(\overline{\text{OBF}}\) 引脚返回逻辑 1
  • 来自外部设备的响应，表示它已从 82C55 端口接收到数据

• \(\text{INTR}\)（中断请求(interrupt request)）：当外部设备通过 \(\overline{\text{ACK}}\) 信号接收到数据时中断处理器

  • 当 \(\text{INTE}, \overline{\text{STB}}, \overline{\text{IBF}}\) 为 1 时，\(\text{INTR}\) 置 1
  • 当处理器从端口输入数据时清 0

• \(\text{INTE}\)（中断使能(interrupt enable)）：既不是输入也不是输出，而是一个通过端口 \(\text{PC}_6\)（端口 A）或 \(\text{PC}_2\)（端口 B）位位置编程的内部位

• \(\text{PC}_4, \text{PC}_5\)：端口 C 的引脚两个引脚，它们是通用 I/O 引脚；位设置和复位命令用于设置或复位这两个引脚

当端口 C 用于模式 1 的控制信号时，可以通过读取端口 C 的内容来读取每个控制信号和总线状态信号允许程序测试或验证每个外围设备的状态，并相应地改变程序流程。

例子：打印机

下面通过打印机接口反映如何实现打印机和 82C55 之间的选通输出同步：

• 端口 B 连接到并行打印机
• 具有八个用于接收 ASCII 编码数据的数据输入
• 一个用于将选通数据到打印机的 \(\overline{\text{DS}}\)（数据选通）输入
• 以及一个用于确认 ASCII 字符接收的 \(\overline{\text{ACK}}\) 输出

端口 A 和端口 B 可以分别定义为输入或输出，以支持选通 I/O 应用：

Mode 2 Bidirectional Operation⚓︎

• 模式 2 仅允许与组 A 使用
• 端口 A 变为双向，允许通过相同的八根线进行数据传输 / 接收，这在需要连接两台计算机时很有用
• 还可用于 IEEE-488 并行高速 GPIB（通用目的仪器总线(general-purpose instrumentation bus)）接口标准

下图显示了模式 2 双向操作的内部结构和时序：

Signal Definition⚓︎

• \(\text{INTR}\)（中断请求(interrupt request)）：用于在输入和输出条件下中断微处理器的输出
• \(\overline{\text{OBF}}\)（输出缓冲区满(output buffer full)）：指示包含用于双向总线的数据的输出缓冲区的输出
• \(\overline{\text{ACK}}\)（确认(acknowledge)）：一个启用三态缓冲器的输入，以便数据出现在端口 A 上；如果 ACK 为逻辑 1，端口 A 的输出缓冲器处于高阻抗状态
• \(\overline{\text{STB}}\)（选通(strobe) 输入）：加载端口 A 的输入锁存器，使用来自双向端口 A 总线的外部数据
• \(\text{IBF}\)（输入缓冲区满(input buffer full)）：一个用于指示包含来自外部双向总线的数据的端口 A 输入锁存器的输出
• \(\text{INTE}\)（中断使能(interrupt enable)）：用于启用 \(\text{INTR}\) 引脚的内部位（\(\text{INTE1}\) 和 \(\text{INTE2}\)）；\(\text{INTR}\) 引脚的状态通过 \(\text{PC}_6\)（\(\text{INTE1}\) ）和 \(\text{PC}_4\)（\(\text{INTE2}\) ）进行控制
• \(\text{PC}_0, \text{PC}_1, \text{PC}_2\)：模式 2 中的通用 I/O 引脚，由设置和重置位命令控制

Reading Port C Status⚓︎

当端口 C 用于模式 2 的控制信号时，可以通过读取端口 C 的内容来读取每个控制信号和总线状态信号，允许程序测试或验证每个外围设备的状态，并相应地改变程序流程。

The Bidirectional Bus⚓︎

• 双向总线通过引用端口 A 以及 IN 和 OUT 指令来使用

• 要通过双向总线传输数据：

  • 程序首先测试 \(\overline{\text{OBF}}\) 信号以确定输出缓冲区是否为空
  • 如果是，则通过 OUT 将数据发送到输出缓冲区
  • 在设备发出 \(\overline{\text{ACK}}\) 信号之前，数据不会输出到外部

• 外部电路还监控 \(\overline{\text{OBF}}\) 信号，以决定微处理器是否已将数据发送到总线上

• 一旦输出电路检测到 \(\overline{\text{OBF}}\) 上的逻辑 0，它就会发送 \(\overline{\text{ACK}}\) 信号将其从输出缓冲区移除；\(\overline{\text{ACK}}\) 信号设置 \(\overline{\text{OBF}}\) 位并启用三态输出缓冲区，以便读取数据

例子

下图列出了一个通过端口 A 传输 AH 寄存器内容的程序：

• 通过双向总线接收数据：

  • 使用软件测试 \(\text{IBF}\)，以确定数据是否已通过选通输入端口
  • 如果 \(\text{IBF} = 1\)，则使用 IN 输入数据

• 外部接口通过使用 \(\overline{\text{STB}}\) 信号将数据发送到端口

• 当 \(\overline{\text{STB}}\) 被激活时，\(\text{IBF}\) 信号变为逻辑 1，端口 A 的数据被保持在端口内的锁存器中
• 在 CPU 的 \(\overline{\text{RD}}\) 信号到达之前，数据不会输出到数据总线
• 当 IN 执行时，\(\text{IBF}\) 位被清除，端口中的数据被移动到 AL 中

例子

下图是一个从端口 A 读取数据的程序：

• \(\text{INTR}\) 引脚可以通过总线从数据流的两个方向中激活
• 如果 \(\text{INTR}\) 被 \(\text{INTE}\) 位同时启用，输出和输入缓冲区都会产生中断请求
• 发生时机为在使用 \(\overline{\text{STB}}\) 将数据到缓冲区或使用 OUT 写入数据的时候

下图展示了模式 2 和其他模式的结合：

总结

通过 82C55 的命令寄存器来选择模式：

• 模式 0：提供简单 I/O；输出数据需要锁存，而输入不需要
• 模式 1：提供选通 I/O；输入和输出数据都需要锁存
• 模式 2：提供双向 I/O；输入和输出数据都需要锁存

8254 Programmable Interval Timer⚓︎

8254 由三个独立的 16 位可编程计数器（定时器(timer)）组成。每个计数器能够以二进制或二进制编码十进制（BCD）进行计数，最大允许输入频率为 10 MHz。它在微处理器必须控制实时事件的情况下非常有用（例如实时时钟、事件计数器和电机速度 / 方向控制等应用）。

定时器在 PC 的端口 40H–43H 解码，执行以下操作：

• 定时器 0：生成一个 18.2 Hz 的信号，以在一个时钟 tick 中中断微处理器；在 DOS 中通常用于计时程序和事件
• 定时器 1：被编程为 15 ms，用于请求 DMA 操作，以刷新动态 RAM
• 定时器 2：被编程为在 PC 扬声器上产生声音

8254 定时器的示意图：

Functional Description⚓︎

Intel 8254 是 8253 的超集，其基本功能如下：

• 三个独立的 16 位计数器
• 二进制或 BCD 计数
• 六种可编程计数模式
• 计数器锁存命令
• 多个方便监控的锁存器命令
• 处理从直流到 10 MHz 的输入

下图展示了 8254 的引脚排列：

每个定时器包含：

• 一个 CLK 输入，为定时器提供基础工作频率
• 一个门输入引脚，用于控制定时器在某些模式下工作
• 一个输出（OUT）连接，以获取定时器的输出

Pin Definition⚓︎

下图展示了 8254 的系统接口：

• 连接到处理器的信号有：数据总线引脚（\(D_7–D_0\)），\(\overline{\text{RD}}, \overline{\text{WR}}, \overline{\text{CS}}\) 以及地址输入 \(A_1, A_0\)
• 地址输入：选择四个内部寄存器中的任何一个，用于编程、读取或写入计数器

8254 的引脚定义：

• \(\overline{\text{CS}}\)（芯片选择(chip select)）：启用 8254 的编程以及读取或写入计数器

• \(A_0, A_1\)（地址输入(address input)）：选择 8254 内部四个寄存器中的一个

  • 参见下表来了解这两个地址位的功能：

    \(A_1\)	\(A_0\)	Function
    0	0	Counter 0
    0	1	Counter 1
    1	0	Counter 2
    1	1	Control Word

• \(\text{CLK}\)（时钟(clock) 输入）：每个内部计数器的定时源

• \(G\)（门(gate) 输入）：控制某些操作模式下的计数器操作
• \(\text{OUT}\)（计数器输出(counter output)）：由定时器产生的波形
• \(\overline{\text{RD}}\)（读(read)）：从 8254 中读取数据，通常和 \(\overline{\text{IORC}}\) 信号连接
• \(\overline{\text{WR}}\)（写(write)）：向 8254 写入数据，通常和写选通 \(\overline{\text{IOWC}}\) 连接
• \(\text{GND}\)（接地(ground)）：连接系统接地总线
• \(\text{VCC}\)（电源(power)）：连接 +5.0V 电源

Read and Write Waveform⚓︎

读波形：

写波形：

Programming⚓︎

计数器内部块图

• 每个计数器都通过写入一个控制字(control word) 进行编程；控制字能够选择计数器、操作模式和操作类型（读 / 写），还可选择二进制或 BCD 计数。下图列出了程序的控制字结构：

  

• 两种写操作约定：

  • 对于每个计数器，必须在写入初始计数之前写入控制字
  • 初始计数必须遵循控制字中指定的计数格式（仅最低字节 / 仅最高字节 / 先最低字节，再最高字节）

• 最大的初始计数为 0：

  • 二进制计数为 2 ¹⁶
  • BCD 计数为 10 ⁴

• 最小的初始计数：

  • 模式 0、1、4、5 为 1
  • 模式 2、3 为 2

• 在任何时间内都可以向计数器写入新的初始计数，不会影响计数器的编程模式；计数将受模式定义中所述的影响

• 程序不能在将初始计数的第一个和第二个字节写入另一个写入相同计数器的例程之间转移控制，否则将加载错误的计数（？看不懂）
• 由于控制字寄存器和三个计数器有独立的地址（由 A1、A0 输入选择），并且每个控制字指定了它应用的计数器（SC0、SC1 位），因此不需要特殊的指令序列
• 任何遵循读写操作约定的编程序列都是可接受的

例子

在以下四个示例中，所有计数器都被编程为读 / 写两个字节的计数：

Modes of Operation⚓︎

每个计数器有 6 种模式：

• 模式 0：在计数最后中断
• 模式 1：硬件重触发的单脉冲 (hardware retriggerable one-shot)
• 模式 2：速率发生器 (rate generator)（周期性）
• 模式 3：方波发生器 (square wave generator)（周期性）
• 模式 4：软件触发的选通 (software-triggered strobe)
• 模式 5：硬件触发的选通 (hardware-triggered strobe)

每种模式都使用 CLK 输入、门（G）控制信号和 OUT 信号进行工作。

所有模式下都有的操作包括：

• 以下是用于描述 8254 操作的定义：

  • CLK 脉冲：计数器 CLK 输入上的上升沿后跟下降沿
  • GATE 输入：控制计数器的操作
  • 触发器：定义 GATE 输入的两个触发事件类型：继续计数和重新开始计数
  • 计数器加载：计数从计数器寄存器（CR）到计数元素（CE）的传输

• 当控制字写入计数器时

  • 所有控制逻辑立即重置
  • OUT 进入一个已知的初始状态

• 新的初始计数在 CLK 脉冲下降沿加载，计数器递减

• 对于在模式 0、2、3、4 中的触发器
  • GATE 是电平敏感的(level-sensitive)，决定计数器是否继续计数
  • GATE 输入在 CLK 脉冲的上升沿中被采样

• 对于在模式 1、2、3、5 中的触发器

  • GATE 是上升沿敏感的(rising-edge sensitive)，决定计数器是否重新开始计数
  • GATE 的上升沿在计数器中设置一个边沿敏感的触发器；然后该触发器在下一个 CLK 脉冲上升沿被采样；采样后触发器被重置

• 计数器达到零时不会停止

  • 在模式 0、1、4、5 中，计数器回到 (wrap around) 最高计数（FFFF 或 9999），并继续计数
  • 模式 2 和 3 是周期性的；计数器用初始计数重新加载自己，并从那里继续计数

Mode 0⚓︎

• 8254 作为事件计数器使用
• 在写入控制字（CW）后（在 WR 上升沿），OUT 信号变低，并保持低电平，直到计数器达到零
• 然后，OUT 变高，并保持高电平，直到计数器写入新的计数或新的 CW
• 在将 CW 和初始计数写入计数器后的第一个 CLK 下降沿中，初始计数将被加载（CR -> CE）

• 如果写入一个双字节计数，则发生以下情况：

  • 写入第一个字节将禁用计数。OUT 立即设置为低（不需要时钟脉冲）
  • 写入第二个字节允许在下一个 CLK 脉冲上加载新的计数。

• GATE 输入（G）

  • GATE = 1 启用计数
  • GATE = 0 禁用计数
  • GATE 对 OUT 没有影响

• 如果在计数过程中 G 变为低电平，计数器将固定不变，直到 G 变为高电平

Mode 1⚓︎

• 该模式使得 8254 作为一个可重触发的，单稳态多谐振荡器 (monostable multivibrator)（单脉冲 (one-shot)）
• 在写入 CW 后，OUT 最初为高电平；在触发（GATE 的上升沿）后的 CLK 脉冲中，OUT 将变为低电平，以开始进行单脉冲，并将在计数器达到零之前保持低电平
• 输入 G 触发计数器以输出一个 0 脉冲，持续 count 个时钟周期（单脉冲）；如果 G 再次脉冲，计数器将被重新加载
• 触发器在下一个 CLK 脉冲时用初始计数重新加载计数器，单脉冲可以重复使用，无需将相同的计数写入计数器

Mode 2⚓︎

模式 2 中的 8254 像一个除以 N 的计数器：

• 初始时，OUT 为高
• 当初始计数递减到 1 时，OUT 在下一个 CLK 脉冲期间变低（占空比 (duty cycle) = (N - 1) / N）
• GATE = 1 启用计数；如果 GATE 在输出脉冲期间变低，OUT 将立即置高
• 触发器在下一个 CLK 脉冲时将初始计数重新加载到计数器
• 循环重复，直到计数器被编程为新的计数或直到引脚 G 置 0

Mode 3⚓︎

• 在 OUT 连接处生成连续的方波，前提是引脚 G 为逻辑 1
• OUT 初始状态为高电平
  • 偶数计数：占空比为 50 %
  • 奇数计数：(N+1) / 2 次高电平计数和 (N-1) / 2 低电平计数
  • 因此占空比为 1/2 或 (N+1) / 2N

Mode 4⚓︎

• OUT 初始为高电平；当初始计数到期 (expire) 时，OUT 将在时钟脉冲 CLK 下降沿变低，然后再次变高
• 在将 CW 和初始计数写入计数器后的第一个 CLK 下降沿，初始计数将被加载（CR -> CE）
• 计数序列通过写入初始计数来“触发”，作为一个软件触发的单脉冲
• 如果 GATE 的采样结果为高，则在下降沿递减计数器，否则保持不变

Mode 5⚓︎

• 一个硬件触发的单次触发器，其功能和模式 4 一致，区别在于它是由引脚 G 上的触发脉冲启动，而不是由软件启动
• OUT 最初为高电平；计数由 GATE 的上升沿触发；当初始计数到期时，OUT 将在一个 CLK 脉冲中变低，然后再次变高
• 此模式也与模式 1 相似（因为可以重新触发）

Generating a Waveform with the 8254⚓︎

下图展示了一个连接到 80386SX 的 I/O 端口的 0700H、0702H、0704H 和 0706H 的 8254 芯片，它能够产生一个方波和一个连续脉冲：

• 使用为 8254 生成一个连接到低位数据总线连接的写选通信号的 PLD 解码地址
• PLD 还生成一个等待信号，当访问 8254 时，产生两个等待状态
• 下面列出了生成 OUT0 上 100 KHz 方波和 OUT1 上 200 KHz 连续脉冲的程序，输入时钟为 8 MHz
  • 计数器 0 使用模式 3，计数 80（8M/100K）
  • 计数器 1 使用模式 2，计数 40（8M/200K）

Reading a Counter⚓︎

• 每个计数器都有一个内部锁存器，通过读取计数器端口操作进行读取
  • 锁存器通常会跟随计数
• 读取计数器的三种方法：
  • 简单读取操作
  • 计数器锁存命令(counter latch command)
  • 读回命令(read-back command)

A Simple Read Operation⚓︎

• 要读取计数器，该计数器通过 A1、A0 输入选择，所选计数器的 CLK 输入必须通过使用 GATE 输入或外部逻辑来禁止
• 否则，当读取时，计数可能正处于变化过程中，导致结果未定义

Counter Latch Command⚓︎

• 计数器锁存命令写入控制字寄存器；SC0、SC1 位选择三个计数器中的一个，D5、D4 位用 00 指定计数器锁存命令

  

• 所选计数器的输出锁存器（OL）在接收到计数器锁存命令时锁存当前计数；该计数将保持不变，直到被 CPU 读取（或直到计数器重新编程），然后返回到“跟随” CE 状态

• 下图展示了 8254-2 计数器锁存的控制字：

  

• 计数必须按照编程格式读取；具体来说，如果计数器编程为两个字节的计数，则必须读取两个字节

  • 例如，以 40H-43H 端口号从 8254 的 2 号计数器读取计数的前提是需要编程为两个字节的计数

    MOV AL, 10000000B   ; count latch command
    OUT 43H, AL
    IN AL, 42H          ; read least significant byte
    MOV AH, AL
    IN AL, 42H          ; read most significant byte
    XCHG AH, AL         ; reverse the byte order
    

Read-Back Command⚓︎

• 当需要同时读取不止一个计数器的内容时，使用读回控制字
• 此命令允许用户检查计数值、编程模式和所选计数器的 OUT 引脚和空计数标志的当前状态
• 空计数标志指示计数器是否已正确初始化，或者是否已向其写入计数值

• 下图展示了 8254-2 读回的控制字：

  

• 如果计数器的计数和状态都被锁存：

  • 第一次读取操作将返回锁存状态
  • 下一个或两个读取操作返回锁存计数

• 使用读回控制字时，\(\overline{\text{COUNT}}\) 位为逻辑 0，以使由 CNT0、CNT1 和 CNT2 选择的计数器被锁存

• 如果状态寄存器(status registers) 要被锁存，则该位设置为逻辑 0；下图给出状态寄存器，包括：

  
  • 输出引脚的状态
  • 计数器是否处在空状态（0）
  • 计数器是如何被编程的

例子

DC Motor Speed and Direction Control⚓︎

• 脉宽调制(pulse-width modulation, PWM) 或占空比变化(duty cycle variation) 方法由于功耗小，常用于直流电机 (DC motors) 的速度控制
• 随着占空比增大，平均电流增大，电机速度增加

通过用 H 桥(H-bridge) 驱动，可以使直流电机在顺时针或逆时针方向运行。

• 四个开关（继电器或晶体管）围绕直流电机以 H 形排列
• 当 S1 和 S4 打开时，电机以顺时针方向运行
• 当 S2 和 S3 打开时，电机以逆时针方向运行

例子

例 1 例 2 例 3

使用 8254 定时器控制电机速度和方向：

• 如果 Q = 1，电机正向旋转
• 如果 Q = 0，电机反向旋转
• 如果 FF 输出在 1 和 0 之间交替，电机以不同速度在两个方向旋转
• 如果占空比为 50%，电机不会旋转

下图展示了一些时序图和电机速度 / 方向的影响：

• 每个计数器在不同的位置产生脉冲，以改变触发器 Q 输出的占空比
• 该输出也称为脉冲宽度调制
• 为了生成这些波形，计数器 0 和 1 都编程在模式 2 中，以将输入时钟分频 30,720
• 我们通过改变计数器 1 启动点相对于计数器 0 的位置来改变 Q 的占空比，从而改变电机的方向和速度
  • 输入时钟：8 MHz
  • 初始计数：30,720
  • 电机运行频率：260 Hz（8M/30,720）
  • PWM 级别：256 种不同速度（PWM 120 级 的 120 个计数 = 30,720 / 256）
  • 速度值：AH（占空比 = AH/256）
    • AH < 128，反向旋转
    • AH > 128，正向旋转

下面给出一个控制电机速度和方向的程序。其中 AH 用于确定电机的速度和方向，其值介于 00H 和 FFH 之间。

16550 Programmable Communications Interface⚓︎

ADC & DAC Converters⚓︎

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