第一章 計算機接口技術(shù)概述

計算機接口技術(shù)

教學(xué)方法和手段1、課堂講授，采用教師引導(dǎo)式教學(xué)；2、課程討論，對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行課程發(fā)言式討論；3、課程實驗設(shè)計，計算機接口軟硬件驅(qū)動系統(tǒng)(重點)?？荚嚮蚩己朔绞郊耙?/p>

1、期末筆試占30%2、設(shè)計論文報告占15%3、設(shè)計系統(tǒng)占55%教材和主要教學(xué)參考資料參考教材：《實用接口技術(shù)》李廣軍等，電子科技大學(xué)出版社《現(xiàn)代計算機接口技術(shù)》洪志全等，電子工業(yè)出版社參考資料：《微計算機技術(shù)》馬群生等編著，清華大學(xué)出版社《微型計算機技術(shù)及其應(yīng)用》戴梅萼等編著第一章計算機接口技術(shù)概述一、微機接口與接口技術(shù)

人們是通過外部設(shè)備來使用計算機或跟計算機打交道的。由于以下原因：

①外設(shè)種類很多，有機械式的、電子式的、機電式的等；

②外設(shè)的工作速度相差甚遠(yuǎn)；

③輸入輸出信號形式多樣，有數(shù)字量、模擬量（電流、電壓、甚至非電量）、開關(guān)量；

④信號傳送的方式有串行或并行等。一、微機接口與接口技術(shù)

因此，外設(shè)往往不能與CPU直接相連，它們之間的信息交換需要通過一個中間環(huán)節(jié)（或稱界面），這就是接口電路。就是說，接口是CPU與外設(shè)的連接部件（電路），是CPU與外界進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站?！敖涌诩夹g(shù)”是研究CPU如何與外部世界進(jìn)行最佳耦合與匹配，以實現(xiàn)雙方高效、可靠地交換信息的一門技術(shù)，它是軟硬件結(jié)合的體現(xiàn)，是微型計算機應(yīng)用的關(guān)鍵。一、微機接口與接口技術(shù)

微機的發(fā)展表明，在提高微處理器的功能的同時，必須大力發(fā)展與其配套的外圍接口電路。所以，近年來各生產(chǎn)廠家都把注意力放在發(fā)展各種外圍接口電路上，使外圍接口電路進(jìn)入了一個新的時期。一、微機接口與接口技術(shù)

其特點是：（1）專用化：除了許多通用接口芯片外，發(fā)展了一系列專用的外部設(shè)備控制器，如軟盤控制器：CRT控制器、鍵盤控制器、打印控制器等，還出現(xiàn)了為Intel80486、Pentium微處理器的專用接口芯片組。（2）復(fù)雜化：外圍接口芯片的復(fù)雜程度大大提高，接口芯片的集成度和復(fù)雜程度不亞于微處理器芯片。一、微機接口與接口技術(shù)（3）智能化：接口芯片不但可承擔(dān)基本的接口功能，還具有更高的“智能”，可以取代微處理器的某些功能，甚至某些接口芯片本身內(nèi)部還有自身的微處理器，從而大大減輕了主處理器的負(fù)擔(dān)，使微機系統(tǒng)性能大大提高。在I/O接口電路中內(nèi)置專用微處理器、單片機、專用接口芯片等，根據(jù)主機發(fā)送的命令，執(zhí)行相應(yīng)的控制程序，發(fā)出有關(guān)控制信號，使設(shè)備完成規(guī)定的操作。這樣就減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的性能。一、微機接口與接口技術(shù)（4）組合化：將多種接口組合在一個外圍接口芯片內(nèi)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。如82206

（=8237×2+8259×2+8254+MC146818+…）集成外設(shè)控制器，它集成了包括2個8237DMA控制器，2個8259中斷控制器，1個8254定時器/計數(shù)器，1個MC146818實時時鐘，74LS612存貯器映射器，此外，還集成了一些TTL/SSJ接口邏輯芯片。即在IBMPC/AT機中等于外部總線的外圍芯片都集成在一個單一的芯片內(nèi)。一、微機接口與接口技術(shù)綜上所述，一個微機系統(tǒng)和微機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計者，不但要熟練掌握微機原理和微機基本系統(tǒng)的設(shè)計方法，而且要熟練掌握微機接口技術(shù)，即微機與外界聯(lián)系的技術(shù)。只有這樣，才能真正掌握微機及其應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用方法。因此，微機接口技術(shù)是微機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計者必須熟練掌握的重要技術(shù)。不但要了解接口的基本原理、而且要掌握其系統(tǒng)設(shè)計方法。一、微機接口與接口技術(shù)由于計算機的應(yīng)用越來越廣泛，要求與計算機接口的外圍設(shè)備越來越多，越來越復(fù)雜，微機接口本身已不是一些邏輯電路的簡單組合，是采用硬件與軟件相結(jié)合的方法，使微處理器與外部世界進(jìn)行最佳的耦合與匹配，以在CPU與外部世界之間實現(xiàn)高效、可靠的信息交換，是由硬件和軟件的綜合技術(shù)。一、微機接口與接口技術(shù)從編程角度看，可被系統(tǒng)或用戶調(diào)用的DOS功能、ROMBIOS中斷功能及對應(yīng)的各個軟件中斷服務(wù)程序，實際上都是對指定的接口實施控制。當(dāng)你編寫應(yīng)用程序時，為了達(dá)到高效運行的目的，就要繞過DOS或ROMBIOS，直接對I/O的硬件設(shè)備進(jìn)行編程控制，就必然涉及對指定I/O端口進(jìn)行訪問，所以對I/O接口的結(jié)構(gòu)多了解一些，以后進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)會大有幫助。二、接口的功能圖1.1微機系統(tǒng)接口框圖二、接口的功能按CPU與外界交換信息的要求，一般來講接口部件應(yīng)具有如下功能：

1、數(shù)據(jù)緩沖功能：接口中一般都設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器或緩存器，以解決高速CPU與低速外設(shè)之間的矛盾，避免數(shù)據(jù)丟失。另外，這些鎖存器常常具有驅(qū)動作用。二、接口的功能2、設(shè)備選擇功能：

微機系統(tǒng)中常常配有多臺外設(shè)，CPU在某一時間里只能與一臺外設(shè)交換信息，這就要求借助接口的地址譯碼對外設(shè)進(jìn)行尋址。高位地址用于芯片選擇，低位地址用于選擇芯片內(nèi)部的寄存器或鎖存器，以選定要與CPU交換信息的外設(shè)。二、接口的功能3、信號轉(zhuǎn)換功能：由于外設(shè)所能提供的和所需要的各種信號常常與微機總線信號不兼容，必須進(jìn)行變換。這是接口設(shè)計中的一個重要方面。常遇到的信號變換有：信號電平變換、A/D和D/A、串/并和并/串、數(shù)據(jù)寬度變換及信號的邏輯關(guān)系和時序上的配合所要求的變換等。二、接口的功能4、接受、解釋并執(zhí)行CPU命令的功能：

CPU發(fā)往接口的命令是以代碼形式出現(xiàn)，再由接口電路解釋后產(chǎn)生控制信號送往外設(shè)，接口電路還得提供寄存器滿、空，外設(shè)忙、閑等狀態(tài)信號。二、接口的功能5、中斷管理功能：

當(dāng)外設(shè)需要及時得到CPU的服務(wù)時，就應(yīng)在接口中設(shè)置中斷控制邏輯，由它完成中斷申請、優(yōu)先權(quán)排隊，接收中斷響應(yīng)信號及向CPU提供中斷向量等工作。6、可編程功能：為使接口電路具有較強的通用性、靈活性和可靠性，現(xiàn)在的接口芯片大多數(shù)都是可編程的。三、CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

有以下四種方式：1、程序控制方式（又分無條件傳送和條件傳送或查詢方式傳送）

三、CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式（1）無條件傳送方式（用于外設(shè)總是準(zhǔn)備好的情況）三、CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式（1）無條件傳送方式（用于外設(shè)總是準(zhǔn)備好的情況）

一般用于控制CPU與低速I/O設(shè)備之間的信息交換，由于信號變化很緩慢，可認(rèn)為外設(shè)總是把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，無需檢查端口的狀態(tài)，可隨時用輸入指令將數(shù)據(jù)讀入。這種外設(shè)數(shù)據(jù)保持的時間相對于CPU的處理速度長得多。因此，輸入的數(shù)據(jù)就用不著加鎖存器而直接用三態(tài)緩沖器與總路線相連。若是輸出設(shè)備，一般要求接口有鎖存能力，即CPU送出的數(shù)據(jù)要保存一段時間。三、CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式（2）程序查詢傳送方式（用于外設(shè)并非總是準(zhǔn)備好的情況）

即CPU是通過讀接口的狀態(tài)，以判斷外設(shè)是否已準(zhǔn)備好。在得知外設(shè)已準(zhǔn)備好后才進(jìn)行I/O操作。這種接口電路除了應(yīng)具有數(shù)據(jù)緩沖器或鎖存器外，還應(yīng)有能反映外設(shè)狀態(tài)的信號，以供CPU查詢。三、CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式圖1-3查詢式輸入的接口電路三、CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式圖1-4查詢式輸出接口電路三、CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式2、中斷控制傳送方式程序查詢降低了CPU的利用率，且無法實現(xiàn)實時處理，所以引入中斷控制方式。這種方式外設(shè)變被動為主動，當(dāng)準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，即可通過接口向CPU提出中斷請求，CPU在滿足響應(yīng)中斷的條件下，響應(yīng)外設(shè)的請求，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，完成數(shù)據(jù)傳送。這種方式可使CPU與外設(shè)并行工作，大大提高了CPU的工作效率和系統(tǒng)實時處理的能力。三、CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

圖1-5中斷傳送方式的接口電路三、CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式3、DMA傳送方式（直接存貯器存貯方式）上述中斷傳送方式，要求CPU中斷當(dāng)前的程序運行，轉(zhuǎn)為為外設(shè)服務(wù)（輸入、輸出），在中斷服務(wù)程序中要做保護(hù)現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場等操作，這對于一些高速的I/O設(shè)備（如高速磁盤控制器或高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）是不能滿足要求的，所以出現(xiàn)了DMA方式，即不需CPU的干預(yù)，而是在專用硬件DMAC的控制下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在I/O接口與存貯器之間直接傳送。三、CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式3、DMA傳送方式（直接存貯器存貯方式）圖1-6DMA工作流程圖三、CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式3、DMA傳送方式（直接存貯器存貯方式）圖1-7DMA控制器方框圖三、CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式4、I/O處理機（IOP）方式

DMA傳送方式仍然需要CPU對DMAC進(jìn)行初始化，啟動DMA操作以及完成DMA操作之后，檢查傳送的狀態(tài)等，對I/O數(shù)據(jù)的處理，如數(shù)據(jù)的變換、拆裝、檢查等，更需要CPU的支持。為減少CPU的開銷，出現(xiàn)了I/O處理機方式。如Intel公司專門為8086/8088CPU系統(tǒng)配置了I/O協(xié)處理器芯片8089，這是一個智能控制器。它共有52條指令、1兆字節(jié)的尋址能力和兩個獨立的DMA通道。三、CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式

4、I/O處理機（IOP）方式

它可以取出和執(zhí)行指令，除了控制數(shù)據(jù)傳送外，還能執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算、轉(zhuǎn)移、搜索和轉(zhuǎn)換。當(dāng)CPU需要進(jìn)行I/O操作時，它只要在存貯器中建立一個信息塊，將所需要的操作和有關(guān)的參數(shù)按照規(guī)定列入，然后通知8089前來讀取。8089讀到操作控制信息后，能自動完成全部的I/O操作。4、I/O處理機（IOP）方式三、CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式圖1-8四、接口的編址與譯碼1、端口及編址：

CPU是通過接口與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的，在這個過程中，除了傳送數(shù)據(jù)信息外，還得傳送CPU發(fā)給外設(shè)的命令及外設(shè)提供的反映其工作狀態(tài)的信息。因為數(shù)據(jù)、命令和狀態(tài)命令是不同性質(zhì)的信息，通常是經(jīng)過不同端口傳送的。就是說一個接口電路通常含有多個端口。這些端口有的只能讀，有的只能寫，有的既能讀又能寫。四、接口的編址與譯碼1、端口及編址：總之CPU總是通過訪問端口與外設(shè)打交道的。那么CPU是如何找到所要訪問的外設(shè)呢？在計算機中通過對端口進(jìn)行編號即編址。具體編址方法有兩種：四、接口的編址與譯碼1、端口及編址：（1）I/O端口與存貯器統(tǒng)一編址：這種編址方式將存貯器空間劃出一部分給I/O端口或者說每一個I/O端口占據(jù)了一個存貯單元地址，CPU對I/O端口的操作與對存貯單元操作完全一樣。特點是適用于I/O的指令多。四、接口的編址與譯碼1、端口及編址：（2）I/O端口單獨編址：這種方式I/O端口不占用存貯單元地址空間，有單獨的I/O指令。對存貯單元操作的指令不適用于I/O操作。

8086CPU采用I/O端口單獨編址方式。

在I/O指令中，可采用8位地址（直接尋址）或16位地址（用寄存器DX間接尋址）四、接口的編址與譯碼

1、端口及編址：（2）I/O端口單獨編址如：INAX，PORT；(AX)(PORT)INAL，PORT；(AL)(PORT)OUTPORT，AX；(PORT)(AX)OUTPORT，AL；(PORT)(AL)

其中PORT是8位地址。四、接口的編址與譯碼

1、端口及編址：（2）I/O端口單獨編址又如：

MOVDX，XXXXHINAX，DX；(AX)((DX))或INAL，DX；(AL)((DX))MOVDX，XXXXHOUTDX，AX；((DX))(AX)或OUTDX，AL；((DX))(AL)四、接口的編址與譯碼

1、端口及編址：（2）I/O端口單獨編址采用TurboC函數(shù)：

inportb(intport);

outportb(intport,unsignedcharvalue);四、接口的編址與譯碼

1、端口及編址：（2）I/O端口單獨編址可見，對于PC系列的機器，I/O端口內(nèi)的數(shù)據(jù)也有8位與16位之分。通常16位數(shù)據(jù)端口地址安置在偶地址號上，CPU一次總線周期內(nèi)就可以存取16位的數(shù)據(jù)。8位數(shù)據(jù)的端口可以安置在偶地址號上，也可安置在奇地址號上，偶地址使用數(shù)據(jù)總線D7~D0傳送數(shù)據(jù)。奇地址用數(shù)據(jù)總線D15~D8傳送數(shù)據(jù)。四、接口的編址與譯碼

1、端口及編址：（2）I/O端口單獨編址對8086CPU來講，有一個必須遵守的約定：即低8位數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)總是寫入偶地址存貯單元或端口，而高8位數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)總是寫入奇地址存貯單元或端口，讀出時的情況也一樣。

四、接口的編址與譯碼1、端口及編址：（2）I/O端口單獨編址

接口時將地址總線的次低位A1連到接口芯片上，而不是將A0連到芯片上。當(dāng)A1與8251的C/D線相連，8251相當(dāng)于占用兩個連續(xù)的偶地址，較低的偶地址對應(yīng)于8251的偶地址端口，較高的偶地址對應(yīng)于8251的奇地址端口。四、接口的編址與譯碼1、端口及編址：（2）I/O端口單獨編址這樣一來，從CPU這邊來說，端口地址都是偶地址，所以傳輸信息時，數(shù)據(jù)總是出現(xiàn)在低8位數(shù)據(jù)線上，一般來說，8位芯片和16位系統(tǒng)相連時都采用這種方法。

四、接口的編址與譯碼2、PC系列機I/O端口地址配置

8086/8088以及80286以上CPU只利用A15~A016根地址線傳送I/O端口地址信號，可尋址64K，但PC機只使用其低10根地址線即A9~A0，所以實際上PC使用了1K個端口地址。四、接口的編址與譯碼

2、PC系列機I/O端口地址配置

PC系統(tǒng)的I/O端口可分為兩大類：

第一類是系統(tǒng)主板上的I/O芯片如8255、8253、8259、8237等，這些芯片配置在較低的512個地址區(qū)域內(nèi)，即0000~01FFH；

四、接口的編址與譯碼

2、PC系列機I/O端口地址配置

PC系統(tǒng)的I/O端口可分為兩大類：第二類是I/O擴展槽上的接口適配器占用的地址：如串行通信適配器卡、打印機（并行口）卡、軟驅(qū)卡、硬驅(qū)卡、CRT顯示器卡、LAN網(wǎng)絡(luò)卡等。這些地址分配在另外的512個地址區(qū)域內(nèi)，即0200~03FFH。

圖1-9地址四、接口的編址與譯碼

2、PC系列機I/O端口地址配置四、接口的編址與譯碼2、PC系列機I/O端口地址配置在PC/AT機上，端口地址配置與PC/XT機大致相同，只是第一類端口地址只有256個，而第二類擴到768個。如下圖所示：

圖1-10有關(guān)PC/XT和PC/AT機系統(tǒng)板I/O端口地址如下圖四、接口的編址與譯碼2、PC系列機I/O端口地址配置有關(guān)PC/XT和PC/AT機適配器控制卡端口地址：注意：用戶開發(fā)的擴展卡一般可使用0300～031FH地址四、接口的編址與譯碼3、端口地址譯碼：

CPU要尋址某個端口，首先要找到該接口芯片，還得指明所尋址的端口。接口內(nèi)部端口的區(qū)分是由接口內(nèi)部的譯碼邏輯完成的。通常將低端地址線直接連到接口芯片上用于內(nèi)部譯碼。而用余下的高位地址線（或其中部分）經(jīng)地址譯碼電路后產(chǎn)生芯片選擇信號。3、端口地址譯碼：（1）固定式譯碼電路①用邏輯電路組成的譯碼電路如：四、接口的編址與譯碼圖1-11四、接口的編址與譯碼

3、端口地址譯碼：（1）固定式譯碼電路

②用地址譯碼器進(jìn)行地址譯碼：如IBM

PC/XT機系統(tǒng)板上接口芯片的譯碼電路，采用了3--8譯碼器74LS138進(jìn)行地址譯碼。具體電路如下圖所示：（注：下圖中AEN是從DMAC（8237）的AEN經(jīng)反相后的信號。作DMA操作時，AEN＝0，即AEN＝1。）

②用地址譯碼器進(jìn)行地址譯碼：四、接口的編址與譯碼

3、端口地址譯碼：（1）固定式譯碼電路圖1-12四、接口的編址與譯碼

3、端口地址譯碼：（2）可選式（開關(guān)/跳線）譯碼電路：為了應(yīng)用的靈活性，可通過改變開關(guān)的位置或跳線而改變端口地址分配。如下圖1-14所示的譯碼電路，使用了DIP開關(guān)、8位比較器74LS688和3--8譯碼器74LS138。四、接口的編址與譯碼

3、端口地址譯碼：（2）可選式（開關(guān)/跳線）譯碼電路：圖中，當(dāng)P7~P0與Q7~Q0狀態(tài)相同時，P＝Q端輸出低電平。那么當(dāng)AEN＝0（不進(jìn)行DMA操作）地址線A9＝1，A8~A3分別與六位開關(guān)狀態(tài)相同時，比較器P＝Q端輸出“0”，138工作。若Q5~Q0=000111時，Y0的地址為1000111000B=0238H四、接口的編址與譯碼

3、端口地址譯碼：（2）可選式（開關(guān)/跳線）譯碼電路：圖1-14可選式譯碼電路之一四、接口的編址與譯碼

3、端口地址譯碼：（2）可選式（開關(guān)/跳線）譯碼電路：圖1-13可選式譯碼電路之二五、微機接口設(shè)計與分析的基本方法現(xiàn)在設(shè)計微機接口，一般都是選用可實現(xiàn)相應(yīng)接口功能的接口芯片。盡管各種接口芯片的功能和引腳均不相同，但在使用方法上卻有共同之處，所以接口電路的設(shè)計與分析的基本方法也是相同的。過程大致如下：

1、首先需要分析接口兩側(cè)的情況：接口作為CPU與外設(shè)的中間界面，一面要與CPU連接，另一面要與外設(shè)連接。五、微機接口設(shè)計與分析的基本方法（1）對CPU一側(cè)，要弄清CPU的類型和引腳定義，如數(shù)據(jù)線寬度、地址線寬度、控制線的邏輯定義及時序關(guān)系的特點。對于數(shù)據(jù)線:目前外設(shè)數(shù)據(jù)線多數(shù)是8位的，接口芯片多數(shù)也是8位的。它們與8位CPU的連接是方便的，但如何與16位CPU或32位CPU連接，這是接口設(shè)計的一個關(guān)鍵。以Intel8086為例，其數(shù)據(jù)總線為16位，而且約定低8位數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)對應(yīng)偶地址，高8位數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)對應(yīng)奇地址。五、微機接口設(shè)計與分析的基本方法為了使8位接口芯片固定接低8位(或高8位)數(shù)據(jù)線，又能同時正確對端口進(jìn)行尋址，需要采取一定的措施。

一般將接口芯片數(shù)據(jù)線接CPU低8位數(shù)據(jù)線，而將地址線A1(而不是A0)接到接口片子的最低位