計(jì)算機(jī)接口技術(shù)

1、微機(jī)接口與應(yīng)用教師：劉敏聯(lián)系方式：電話1,本章內(nèi)容提要: 1.1 什么叫接口技術(shù)? 1.2 接口具有哪些功能? 1.3 接口的組成 1.4 接口電路的結(jié)構(gòu)形式 1.5 接口與CPU如何交換數(shù)據(jù)? 1.6 分析與設(shè)計(jì)接口電路的基本方法 1.7 接口技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),第一章 概 述,2,本章重點(diǎn)： 1.1什么叫接口技術(shù)? 1.2接口具有哪些功能? 1.3接口的組成本章難點(diǎn)： 1.4接口電路的結(jié)構(gòu)形式 1.5接口與CPU如何交換數(shù)據(jù)?學(xué)時(shí)數(shù):（2學(xué)時(shí)）,3,1.1 微機(jī)接口技術(shù),一、接口（Interface）,外部世界: 除CPU本身以外的所有設(shè)備或電路，包括存儲(chǔ)器、I/O設(shè)

2、備、控制設(shè)備、測(cè)量設(shè)備、通訊設(shè)備、多媒體設(shè)備等。,微機(jī)接口是微處理器CPU與 “外部世界”的連接電路,是CPU與外界進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站。,4,舉例:,5,二、什么叫接口技術(shù)？,接口技術(shù)是采用硬件與軟件相結(jié)合的方法，研究微處理器如何與“外部世界”進(jìn)行最佳連接，以實(shí)現(xiàn)CPU與“外部世界”之間高效可靠的信息交換的一門技術(shù)。 微機(jī)接口技術(shù)是采用軟硬件結(jié)合方法，研究微處理器如何與其外部設(shè) 備或電路進(jìn)行最佳耦合與匹配，以在CPU與外部之間實(shí)現(xiàn)高效、可靠的信息交換的一門技術(shù)。 外部設(shè)備或電路是指除CPU本身以外的存儲(chǔ)器、IO設(shè)備、控制設(shè)備、測(cè)量設(shè)備、通信設(shè)備、多媒體設(shè)備、AD、DA轉(zhuǎn)換器等。 涉及課程：微

3、機(jī)原理、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、 電子技術(shù)、數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)等。,6,7,三. 接口與總線的連接,外設(shè)通過(guò)各自的接口電路連到微機(jī)系統(tǒng)的總線上。,選用某種外設(shè)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口電路，接到系統(tǒng)總線上，就可構(gòu)成所要求的應(yīng)用系統(tǒng)。,在具體連接時(shí)，考慮到信號(hào)在總線上的停留時(shí)間短、總線的帶負(fù)載能力不是無(wú)限的。DB上常用有三態(tài)和驅(qū)動(dòng)能力的雙向緩沖器(如74LS145)，CB和AB常用三態(tài)驅(qū)動(dòng)器(如74LS244),7,一、接口信息 數(shù)據(jù)信號(hào) 如：8位、16位、32位數(shù)據(jù)； 狀態(tài)信號(hào) 表示外設(shè)是否準(zhǔn)備好信號(hào)。 如：READY、BUSY、ACK 控制信號(hào) 表示啟動(dòng)、停止外設(shè)之類的信號(hào)。,1.2 接口功能,8,二、接口的功能

4、,執(zhí)行CPU命令的功能 返回外設(shè)狀態(tài)的功能 數(shù)據(jù)緩沖功能 設(shè)備選擇功能 信號(hào)轉(zhuǎn)換功能 數(shù)據(jù)寬度與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的功能,9,10,接口功能,1接收和執(zhí)行CPU命令 CPU控制命令接口的命令寄存器(命令口)。接口電路識(shí)別和分析命令代碼，形成若干控制信號(hào) IO設(shè)備。 2. 返回外設(shè)狀態(tài) 用于同CPU聯(lián)絡(luò)。 接口常設(shè)有狀態(tài)寄存器(狀態(tài)口)。提供數(shù)據(jù)口的“空”、“滿”及外設(shè)“就緒”、“忙”、“閑”等狀態(tài)信號(hào)。為CPU下一步操作提供判斷依據(jù)。,10,11,3. 數(shù)據(jù)緩沖功能,用于解決主機(jī)與外設(shè)速度不匹配的矛盾、避免丟失數(shù)據(jù)。 接口中設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖寄存器或鎖存器(數(shù)據(jù)口)，暫時(shí)存放輸入輸出的數(shù)據(jù)。由于它們直接連

5、在系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上，故必須具有三態(tài)特性。,可見(jiàn)，CPU與外設(shè)之間有“控制”、“狀態(tài)”、“數(shù)據(jù)”三種信息的傳遞。,4信號(hào)轉(zhuǎn)換功能 外設(shè)所需的控制信號(hào)和它的狀態(tài)信號(hào)往往同微機(jī)的總線信號(hào)不兼容。因此，信號(hào)轉(zhuǎn)換就成為接口設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要任務(wù)。包括CPU的信號(hào)與外設(shè)的信號(hào)的邏輯關(guān)系上，時(shí)序配合上以及電平匹配上的轉(zhuǎn)換。,11,12,5設(shè)備選擇功能,微機(jī)系統(tǒng)中一般帶有多個(gè)外設(shè)，而CPU在同時(shí)間里只能與一臺(tái)外設(shè)交換信息，這就要對(duì)接口進(jìn)行選擇，即所謂片選。而接口內(nèi)還有若干不同的端口，CPU要與它們進(jìn)行交互，還要進(jìn)行片內(nèi)的端口尋址，因此需要I/O端口地址譯碼電路。 通常，用CPU發(fā)送到ABUS的地址信號(hào)中的若干高位

6、地址用于芯片選擇(廣義地說(shuō)就是外設(shè)選擇)，若干低位地址進(jìn)行芯片內(nèi)部端口的選擇，以選定與CPU交換信息的外設(shè)。,12,13,6數(shù)據(jù)寬度與數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換,CPU所處理的是并行數(shù)據(jù)(8位、16位或32位)，而有的外設(shè)(如串行通信設(shè)備、磁盤驅(qū)動(dòng)器等)只能處理串行數(shù)據(jù)。在這種情況下，接口就應(yīng)具有數(shù)據(jù)“并串”的變換能力。為此，在接口中要設(shè)置移位寄存器。 有些外設(shè)與CPU在交換的數(shù)據(jù)，在交換過(guò)程中有一定的格式要求。如，串行通信中的起止式異步通信數(shù)據(jù)格式及面向字符的同步通信數(shù)據(jù)格式。這就要求接口有數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換功能。,13,1.3 接口的組成,基本邏輯電路 端口地址譯碼電路 供選電路,一、硬件電路支撐作用,1

7、4,15,硬件電路,15,初始化程序段； 傳送方式處理程序段； 主控程序段； 程序終止與退出程序段； 輔助程序段。,二、軟件編程驅(qū)動(dòng)控制,一個(gè)完整的接口程序通常包括如下一些程序段：,16,17,軟件編程,接口程序常包含以下程序段： 1. 初始化程序段：設(shè)置可編程接口芯片工作方式及初始條件。 2. 傳送方式處理程序段：CPU與外設(shè)的數(shù)據(jù)交換可以有查詢、中斷、DMA等不同方式。必須要有相應(yīng)的程序段保證其實(shí)現(xiàn)。比如，查詢方式要檢測(cè)外設(shè)或接口的狀態(tài)；中斷方式要修改中斷向量，開(kāi)放/屏蔽中斷源；DMA方式要開(kāi)放/屏蔽有關(guān)通道等。 3. 主控程序段：完成接口任務(wù)的程序段。如，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；控制步進(jìn)電機(jī)起停、

8、方向、速度等。 4. 程序終止與退出程序段：包含對(duì)接口中硬件的保護(hù)程序段。如，芯片中某些引腳的電平高低。 5. 輔助程序段：包含人-機(jī)對(duì)話、菜單設(shè)計(jì)等。,17,1.4 接口電路的結(jié)構(gòu)形式,固定式結(jié)構(gòu) 半固定式結(jié)構(gòu) 可編程結(jié)構(gòu) 智能型結(jié)構(gòu),接口電路的結(jié)構(gòu)形式一般有以下幾種：,18,19,結(jié)構(gòu)形式,1. 固定式結(jié)構(gòu)：用中、小規(guī)模集成電路IC邏輯芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、具有固定的工作方式和功能的不可編程的接口電路。用于簡(jiǎn)單任務(wù)。,2. 半固定結(jié)構(gòu)：指用GAL、PAL構(gòu)成的接口電路。它是把用戶設(shè)計(jì)接口時(shí)設(shè)計(jì)的各種“與”、“或”邏輯表達(dá)式，通過(guò)專門的編程軟件或編程器燒入GAL、PAL而形成的接口電路。一旦燒入，其

9、工作方式和功能也就固定了。,19,20,3.可編程結(jié)構(gòu)：采用大規(guī)模集成接口芯片構(gòu)成的接口電路，工作方式和功能可通過(guò)編程來(lái)改變，使用靈活方便、適應(yīng)面寬。,4. 智能型結(jié)構(gòu)：采用專門的I/O處理器或通用的單片機(jī)組成的接口電路。此微處理器可以對(duì)外設(shè)進(jìn)行全面管理，使CPU得以解脫，從而大大提高了系統(tǒng)的效率。,20,1.5 數(shù)據(jù)傳送方式,查詢方式 中斷方式 DMA方式,在微機(jī)中，CPU與接口之間傳送數(shù)據(jù)一般有三種方式：,21,先查詢外設(shè)的狀態(tài)信息是否準(zhǔn)備好； 未準(zhǔn)備好,繼續(xù)查詢； 準(zhǔn)備好, 傳送數(shù)據(jù); 無(wú)條件傳送方式可看作查詢方式的一種特例。,一、查詢方式,優(yōu)點(diǎn)：不需要額外的硬件電路，易于實(shí)現(xiàn)。 缺點(diǎn)：

10、CPU的工作效率很低。 適用于：CPU不太忙且傳送速度不高的場(chǎng)合。,22,二、中斷方式,由外設(shè)向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求； CPU暫停原程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)； 完成后返回原程序繼續(xù)執(zhí)行。,優(yōu)點(diǎn)：CPU與外設(shè)可并行工作， 提高CPU的利用率。 缺點(diǎn)：需設(shè)置中斷控制器， 增加了硬件開(kāi)銷。 適用于：實(shí)時(shí)控制和緊急事件的處理。,23,三、DMA方式,數(shù)據(jù)的傳送不經(jīng)過(guò)CPU，由DMA控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存和外設(shè)，或外設(shè)和外設(shè)之間的直接快速傳送。 在DMA傳送期間，DMA控制器接管了總線控制權(quán)，而CPU處于等待狀態(tài)；DMA傳送完成后，CPU恢復(fù)對(duì)總線的控制權(quán)，進(jìn)入工作狀態(tài)。,優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)化了CPU對(duì)輸入/輸出的控制，

11、傳送速率很高。 缺點(diǎn)：需要設(shè)置DMA控制器，硬件開(kāi)銷大。 適用于：高速大批量數(shù)據(jù)傳送。,24,1.6 分析與設(shè)計(jì)接口電路的基本方法,一、兩側(cè)分析法 二、軟硬結(jié)合法,25,26,分析與設(shè)計(jì)接口電路的基本方法,1. 兩側(cè)分析法 凡接口都有兩側(cè)，一側(cè)是CPU。另一側(cè)是外設(shè)。,對(duì)CPU一側(cè)，要弄清：CPU類型；數(shù)據(jù)總線的寬度(8位、16位、32值等)；地址總線的寬度(16位、20位、24位)；控制總線的邏輯定義(高電平有效、低電平有效、脈沖上升沿/下降沿)；時(shí)序關(guān)系。 控制總線往往因CPU不同，其定義與時(shí)序配合差別較大、故重點(diǎn)要放在控制總線的分析上。,26,27,外設(shè)一側(cè)主要弄清兩個(gè)方面： 一、外設(shè)的

12、外部特性(包含外設(shè)所有信號(hào)線的功能和邏輯定義)。 由此可弄清接口需要向它提供哪些控制信號(hào)，它又能向接口反饋哪些報(bào)告工作情況的狀態(tài)信號(hào)。這樣，在接口硬件設(shè)計(jì)時(shí)，就提供這些信號(hào)線，保證外設(shè)的工作需要。 二、外設(shè)的工作過(guò)程。以便在接口軟件設(shè)計(jì)時(shí)，按該過(guò)程編寫(xiě)程序。 可見(jiàn)，只要弄清了上述兩點(diǎn)，接口的軟硬件設(shè)計(jì)就沒(méi)有什么問(wèn)題了。,27,28,2. 硬軟結(jié)合設(shè)計(jì)法 經(jīng)過(guò)兩側(cè)分析法對(duì)接口進(jìn)行詳細(xì)分析之后，就可進(jìn)入接口的設(shè)計(jì)階段。包含兩方面：,、硬件設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)硬件接口來(lái)提供外設(shè)工作所需的各種信號(hào)線。要做2個(gè)工作： .合理選用外圍接口芯片。需要去了解這些芯片的功能、工作原理、外部特性、價(jià)格等。 .自行設(shè)計(jì)附加電路。針對(duì)所選的接口芯片不能完成的某些功能進(jìn)行的相應(yīng)電路的設(shè)計(jì)。如邏輯關(guān)系與電平轉(zhuǎn)換，時(shí)序配合與驅(qū)動(dòng)能力等?？刹捎梅聪嗥?、緩沖器、與門、或門、驅(qū)動(dòng)器等,28,29,.軟件設(shè)計(jì)：有以下兩種方法： .采用匯編語(yǔ)言(或高級(jí)語(yǔ)言)直接對(duì)低層硬件編程：這要求對(duì)接口芯片和外設(shè)的外部特性、接口芯片的編程命令有透徹的了解。對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的接口編程，通常用此法。 .采用DOS系統(tǒng)功能調(diào)用和