Z8420/Z84C20 NMOS/CMOS Z80 PIO：并行輸入輸出芯片的全方位解析

在電子工程師的設(shè)計(jì)工作中，選擇合適的芯片來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外設(shè)之間的高效通信至關(guān)重要。Z8420/Z84C20 NMOS/CMOS Z80 PIO（Parallel Input/Output）并行輸入輸出芯片就是這樣一款值得深入研究的產(chǎn)品，下面我們就來詳細(xì)了解它。

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一、芯片特性

1. 接口能力

Z80 PIO能夠在Z80微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和外圍設(shè)備之間提供直接接口，通過兩個(gè)帶有中斷驅(qū)動握手功能的端口，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。這使得它可以與多種外設(shè)如鍵盤、紙帶讀寫器、打印機(jī)和PROM編程器等兼容。

2. 工作模式

具備四種可編程操作模式，分別是輸出（Mode 0）、輸入（Mode 1）、雙向（Mode 2，僅端口A）和位控制（Mode 3）。不同的模式可以滿足多樣化的應(yīng)用需求，工程師可以根據(jù)具體的設(shè)計(jì)場景進(jìn)行靈活選擇。

3. 中斷功能

支持根據(jù)外設(shè)狀態(tài)條件進(jìn)行可編程中斷（1.5mV@1.5V），這大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)效率，減少了處理器輪詢外設(shè)狀態(tài)的時(shí)間。

4. 版本優(yōu)勢

NMOS版本適用于對成本敏感的性能解決方案，而CMOS版本則適合需要高速和低功耗的設(shè)計(jì)。并且不同版本有不同的工作頻率，如NMOS的Z0842004 - 4 MHz，Z0842006 - 6.17 MHz；CMOS的Z84C2006 - DC到6.17 MHz，Z84C2008 - DC到8 MHz。

5. 總線與中斷鏈

實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的Z80家族總線請求和優(yōu)先中斷請求菊花鏈，無需外部邏輯。同時(shí)，端口B的八個(gè)輸出可以驅(qū)動達(dá)林頓晶體管（1.5 mA at 1.5V），6 MHz版本支持6.144 MHz CPU時(shí)鐘操作。

二、內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1. 整體架構(gòu)

Z80 PIO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由Z80 CPU總線接口、內(nèi)部控制邏輯、端口A I/O邏輯、端口B I/O邏輯和中斷控制邏輯組成。CPU總線接口邏輯允許其直接與Z80 CPU接口，無需其他外部邏輯；內(nèi)部控制邏輯則負(fù)責(zé)同步CPU數(shù)據(jù)總線和外設(shè)接口。

2. 端口邏輯

每個(gè)端口包含獨(dú)立的輸入和輸出寄存器、握手控制邏輯和控制寄存器。數(shù)據(jù)在端口與CPU之間的傳輸通過輸入和輸出寄存器完成，握手邏輯控制數(shù)據(jù)的傳輸過程。在不同的工作模式下，端口的操作方式也有所不同。

3. 中斷控制邏輯

該部分處理嵌套優(yōu)先級中斷結(jié)構(gòu)的所有CPU中斷協(xié)議。設(shè)備在菊花鏈配置中的物理位置決定其優(yōu)先級，PIO提供了對嵌套中斷的完全控制，確保高優(yōu)先級設(shè)備可以中斷低優(yōu)先級設(shè)備的服務(wù)。

三、工作模式詳解

1. 輸出模式（Mode 0）

端口A或端口B可以被編程為輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)CPU向端口寫入數(shù)據(jù)時(shí)，Ready輸出信號指示外部設(shè)備數(shù)據(jù)可用，外部設(shè)備通過Strobe輸入信號響應(yīng)，若中斷使能則會產(chǎn)生中斷。

2. 輸入模式（Mode 1）

同樣，端口A或端口B可用于輸入數(shù)據(jù)。當(dāng)CPU從端口讀取數(shù)據(jù)時(shí)，PIO設(shè)置Ready信號，外部設(shè)備將數(shù)據(jù)放置在I/O線上并觸發(fā)Strobe信號，數(shù)據(jù)被鎖存到端口輸入寄存器，若中斷使能則觸發(fā)中斷請求。

3. 雙向模式（Mode 2）

僅端口A使用此模式，同時(shí)使用兩個(gè)端口的中斷和握手信號。端口B必須設(shè)置為Mode 3并屏蔽中斷。在操作中，端口A用于數(shù)據(jù)輸入和輸出，輸出操作與Mode 0類似，輸入操作與Mode 1類似。

4. 位控制模式（Mode 3）

兩個(gè)端口都可以使用此模式，在該模式下，各個(gè)位可以被定義為輸入或輸出位。中斷根據(jù)輸入信號的邏輯條件生成，通過掩碼寄存器和掩碼控制寄存器進(jìn)行配置。

四、編程要點(diǎn)

1. 模式0、1或2

編程這些模式至少需要一個(gè)，最多三個(gè)控制字，包括模式控制字、中斷向量字和中斷控制字或中斷禁用字。

2. 模式3

編程模式3至少需要兩個(gè)，最多四個(gè)控制字，除了模式控制字和中斷向量字外，還需要I/O寄存器控制字和掩碼控制字。

五、引腳描述

芯片的引腳具有不同的功能，如端口A和端口B的數(shù)據(jù)總線、Ready和Strobe信號、控制或數(shù)據(jù)選擇、芯片使能等。這些引腳的正確連接和配置是保證芯片正常工作的關(guān)鍵。

六、時(shí)序分析

1. 讀寫周期

寫周期和讀周期有特定的時(shí)序要求，芯片內(nèi)部根據(jù)RD、CE、CID和IORQ信號生成寫輸入。

2. 不同模式時(shí)序

不同工作模式下，如輸出模式、輸入模式、雙向模式和位控制模式，都有各自的時(shí)序特點(diǎn)。例如，輸出模式中，CPU的WR*脈沖將數(shù)據(jù)鎖存到輸出寄存器，Ready信號指示數(shù)據(jù)可用，Strobe信號觸發(fā)中斷。

3. 中斷響應(yīng)時(shí)序

在中斷響應(yīng)過程中，外設(shè)控制器在M1時(shí)間內(nèi)禁止改變中斷使能狀態(tài)，具有最高優(yōu)先級的外設(shè)將預(yù)編程的8位中斷向量放置在數(shù)據(jù)總線上。

七、電氣特性

1. 絕對最大額定值

對VCC相對于Vss的電壓以及所有輸入引腳的電壓有一定的限制，超過這些額定值可能會對設(shè)備造成永久性損壞。

2. 標(biāo)準(zhǔn)測試條件

規(guī)定了不同版本（NMOS和CMOS）的電壓范圍和工作溫度范圍，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)需要確保芯片在這些條件下工作。

3. 電容、直流和交流特性

芯片具有特定的電容值，同時(shí)在直流和交流特性方面也有詳細(xì)的參數(shù)，如輸入輸出電壓、電流、延遲時(shí)間等。這些參數(shù)對于評估芯片的性能和穩(wěn)定性非常重要。

Z8420/Z84C20 NMOS/CMOS Z80 PIO是一款功能強(qiáng)大、性能多樣的并行輸入輸出芯片。通過深入了解其特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作模式、編程要點(diǎn)、引腳功能、時(shí)序和電氣特性等方面，電子工程師可以更好地將其應(yīng)用到實(shí)際的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)通信。大家在使用這款芯片的過程中，有沒有遇到過一些特別的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。