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

在電子工程師的設計工作中，選擇合適的芯片來實現系統(tǒng)與外設之間的高效通信至關重要。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品，下面我們就來詳細了解它。

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一、芯片特性

1. 接口能力

Z80 PIO能夠在Z80微計算機系統(tǒng)和外圍設備之間提供直接接口，通過兩個帶有中斷驅動握手功能的端口，實現快速響應。這使得它可以與多種外設如鍵盤、紙帶讀寫器、打印機和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用需求，工程師可以根據具體的設計場景進行靈活選擇。

3. 中斷功能

支持根據外設狀態(tài)條件進行可編程中斷（1.5mV@1.5V），這大大提高了系統(tǒng)的響應效率，減少了處理器輪詢外設狀態(tài)的時間。

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計。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

實現了標準的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，端口B的八個輸出可以驅動達林頓晶體管（1.5 mA at 1.5V），6 MHz版本支持6.144 MHz CPU時鐘操作。

二、內部結構

1. 整體架構

Z80 PIO的內部結構由Z80 CPU總線接口、內部控制邏輯、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；內部控制邏輯則負責同步CPU數據總線和外設接口。

2. 端口邏輯

每個端口包含獨立的輸入和輸出寄存器、握手控制邏輯和控制寄存器。數據在端口與CPU之間的傳輸通過輸入和輸出寄存器完成，握手邏輯控制數據的傳輸過程。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)先級中斷結構的所有CPU中斷協(xié)議。設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)先級設備可以中斷低優(yōu)先級設備的服務。

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據。當CPU向端口寫入數據時，Ready輸出信號指示外部設備數據可用，外部設備通過Strobe輸入信號響應，若中斷使能則會產生中斷。

2. 輸入模式（Mode 1）

同樣，端口A或端口B可用于輸入數據。當CPU從端口讀取數據時，PIO設置Ready信號，外部設備將數據放置在I/O線上并觸發(fā)Strobe信號，數據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，同時使用兩個端口的中斷和握手信號。端口B必須設置為Mode 3并屏蔽中斷。在操作中，端口A用于數據輸入和輸出，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）

兩個端口都可以使用此模式，在該模式下，各個位可以被定義為輸入或輸出位。中斷根據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行配置。

四、編程要點

1. 模式0、1或2

編程這些模式至少需要一個，最多三個控制字，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，最多四個控制字，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的數據總線、Ready和Strobe信號、控制或數據選擇、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鍵。

六、時序分析

1. 讀寫周期

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

2. 不同模式時序

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，都有各自的時序特點。例如，輸出模式中，CPU的WR*脈沖將數據鎖存到輸出寄存器，Ready信號指示數據可用，Strobe信號觸發(fā)中斷。

3. 中斷響應時序

在中斷響應過程中，外設控制器在M1時間內禁止改變中斷使能狀態(tài)，具有最高優(yōu)先級的外設將預編程的8位中斷向量放置在數據總線上。

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備造成永久性損壞。

2. 標準測試條件

規(guī)定了不同版本（NMOS和CMOS）的電壓范圍和工作溫度范圍，工程師在設計時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，同時在直流和交流特性方面也有詳細的參數，如輸入輸出電壓、電流、延遲時間等。這些參數對于評估芯片的性能和穩(wěn)定性非常重要。

Z8420/Z84C20 NMOS/CMOS Z80 PIO是一款功能強大、性能多樣的并行輸入輸出芯片。通過深入了解其特性、內部結構、工作模式、編程要點、引腳功能、時序和電氣特性等方面，電子工程師可以更好地將其應用到實際的設計中，實現高效、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。