Z8420/Z84C20 NMOS/CMOS Z80 PIO：并行输入输出芯片的全方位解析

在电子工程师的设计工作中，选择合适的芯片来实现系统与外设之间的高效通信至关重要。Z8420/Z84C20 NMOS/CMOS Z80 PIO（Parallel Input/Output）并行输入输出芯片就是这样一款值得深入研究的产品，下面我们就来详细了解它。

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一、芯片特性

1. 接口能力

Z80 PIO能够在Z80微计算机系统和外围设备之间提供直接接口，通过两个带有中断驱动握手功能的端口，实现快速响应。这使得它可以与多种外设如键盘、纸带读写器、打印机和PROM编程器等兼容。

2. 工作模式

具备四种可编程操作模式，分别是输出（Mode 0）、输入（Mode 1）、双向（Mode 2，仅端口A）和位控制（Mode 3）。不同的模式可以满足多样化的应用需求，工程师可以根据具体的设计场景进行灵活选择。

3. 中断功能

支持根据外设状态条件进行可编程中断（1.5mV@1.5V），这大大提高了系统的响应效率，减少了处理器轮询外设状态的时间。

4. 版本优势

NMOS版本适用于对成本敏感的性能解决方案，而CMOS版本则适合需要高速和低功耗的设计。并且不同版本有不同的工作频率，如NMOS的Z0842004 - 4 MHz，Z0842006 - 6.17 MHz；CMOS的Z84C2006 - DC到6.17 MHz，Z84C2008 - DC到8 MHz。

5. 总线与中断链

实现了标准的Z80家族总线请求和优先中断请求菊花链，无需外部逻辑。同时，端口B的八个输出可以驱动达林顿晶体管（1.5 mA at 1.5V），6 MHz版本支持6.144 MHz CPU时钟操作。

二、内部结构

1. 整体架构

Z80 PIO的内部结构由Z80 CPU总线接口、内部控制逻辑、端口A I/O逻辑、端口B I/O逻辑和中断控制逻辑组成。CPU总线接口逻辑允许其直接与Z80 CPU接口，无需其他外部逻辑；内部控制逻辑则负责同步CPU数据总线和外设接口。

2. 端口逻辑

每个端口包含独立的输入和输出寄存器、握手控制逻辑和控制寄存器。数据在端口与CPU之间的传输通过输入和输出寄存器完成，握手逻辑控制数据的传输过程。在不同的工作模式下，端口的操作方式也有所不同。

3. 中断控制逻辑

该部分处理嵌套优先级中断结构的所有CPU中断协议。设备在菊花链配置中的物理位置决定其优先级，PIO提供了对嵌套中断的完全控制，确保高优先级设备可以中断低优先级设备的服务。

三、工作模式详解

1. 输出模式（Mode 0）

端口A或端口B可以被编程为输出数据。当CPU向端口写入数据时，Ready输出信号指示外部设备数据可用，外部设备通过Strobe输入信号响应，若中断使能则会产生中断。

2. 输入模式（Mode 1）

同样，端口A或端口B可用于输入数据。当CPU从端口读取数据时，PIO设置Ready信号，外部设备将数据放置在I/O线上并触发Strobe信号，数据被锁存到端口输入寄存器，若中断使能则触发中断请求。

3. 双向模式（Mode 2）

仅端口A使用此模式，同时使用两个端口的中断和握手信号。端口B必须设置为Mode 3并屏蔽中断。在操作中，端口A用于数据输入和输出，输出操作与Mode 0类似，输入操作与Mode 1类似。

4. 位控制模式（Mode 3）

两个端口都可以使用此模式，在该模式下，各个位可以被定义为输入或输出位。中断根据输入信号的逻辑条件生成，通过掩码寄存器和掩码控制寄存器进行配置。

四、编程要点

1. 模式0、1或2

编程这些模式至少需要一个，最多三个控制字，包括模式控制字、中断向量字和中断控制字或中断禁用字。

2. 模式3

编程模式3至少需要两个，最多四个控制字，除了模式控制字和中断向量字外，还需要I/O寄存器控制字和掩码控制字。

五、引脚描述

芯片的引脚具有不同的功能，如端口A和端口B的数据总线、Ready和Strobe信号、控制或数据选择、芯片使能等。这些引脚的正确连接和配置是保证芯片正常工作的关键。

六、时序分析

1. 读写周期

写周期和读周期有特定的时序要求，芯片内部根据RD、CE、CID和IORQ信号生成写输入。

2. 不同模式时序

不同工作模式下，如输出模式、输入模式、双向模式和位控制模式，都有各自的时序特点。例如，输出模式中，CPU的WR*脉冲将数据锁存到输出寄存器，Ready信号指示数据可用，Strobe信号触发中断。

3. 中断响应时序

在中断响应过程中，外设控制器在M1时间内禁止改变中断使能状态，具有最高优先级的外设将预编程的8位中断向量放置在数据总线上。

七、电气特性

1. 绝对最大额定值

对VCC相对于Vss的电压以及所有输入引脚的电压有一定的限制，超过这些额定值可能会对设备造成永久性损坏。

2. 标准测试条件

规定了不同版本（NMOS和CMOS）的电压范围和工作温度范围，工程师在设计时需要确保芯片在这些条件下工作。

3. 电容、直流和交流特性

芯片具有特定的电容值，同时在直流和交流特性方面也有详细的参数，如输入输出电压、电流、延迟时间等。这些参数对于评估芯片的性能和稳定性非常重要。

Z8420/Z84C20 NMOS/CMOS Z80 PIO是一款功能强大、性能多样的并行输入输出芯片。通过深入了解其特性、内部结构、工作模式、编程要点、引脚功能、时序和电气特性等方面，电子工程师可以更好地将其应用到实际的设计中，实现高效、稳定的系统通信。大家在使用这款芯片的过程中，有没有遇到过一些特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。