微機(jī)原理及應(yīng)用CH6 總線技術(shù)與I／O接口基礎(chǔ)

6.1總線技術(shù)6.2I/O接口基礎(chǔ)

第6章總線技術(shù)與I/O接口基礎(chǔ)6.1總線技術(shù)6.1.1總線技術(shù)概述總線定義:總線是芯片內(nèi)部各單元電路之間、芯片與芯片之間、模塊與模塊之間、設(shè)備與設(shè)備之間、甚至系統(tǒng)與系統(tǒng)之間傳輸信息的公共通路，在物理上它是一組信號(hào)線的集合?？偩€技術(shù)研究對(duì)象:總線技術(shù)研究如何利用一組信號(hào)線有效地傳遞信息，并使其具有通用性強(qiáng)、擴(kuò)展性好、升級(jí)容易等性能。

數(shù)據(jù)總線：傳送數(shù)據(jù)信息

地址總線：傳送地址信息系統(tǒng)總線的基本組成:

控制總線：傳送控制信息

（完成總線操作功能）電源線：為系統(tǒng)提供電源信號(hào)1.總線的基本組成2.總線功能（1）數(shù)據(jù)傳輸功能數(shù)據(jù)傳輸功能是總線的基本功能，用總線傳輸率來(lái)表示，即每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，單位是MBps（兆字節(jié)每秒）。（2）多設(shè)備支持功能多個(gè)設(shè)備使用一條總線，首先是總線占用權(quán)的問(wèn)題，哪一個(gè)主設(shè)備申請(qǐng)占用總線，由總線仲裁器確定。（3）中斷中斷是計(jì)算機(jī)對(duì)緊急事務(wù)響應(yīng)的機(jī)制。當(dāng)外部設(shè)備與主設(shè)備之間進(jìn)行服務(wù)約定時(shí)，中斷是實(shí)現(xiàn)服務(wù)約定的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。（4）錯(cuò)誤處理

錯(cuò)誤處理包括奇偶校驗(yàn)錯(cuò)、系統(tǒng)錯(cuò)、電池失效等錯(cuò)誤檢測(cè)處理，以及提供相應(yīng)的保護(hù)對(duì)策。規(guī)定模塊尺寸，總線插頭、邊沿連接器等的規(guī)格。3.總線規(guī)范的基本內(nèi)容機(jī)械結(jié)構(gòu)規(guī)范：

確定引腳名稱(chēng)與功能，及其相互連接的協(xié)議。功能結(jié)構(gòu)規(guī)范是總線的核心，通常以時(shí)序和狀態(tài)來(lái)描述信息的交流、流向及管理規(guī)則?？偩€在功能結(jié)構(gòu)方面的規(guī)范包括：數(shù)據(jù)線、地址線、讀/寫(xiě)及其它控制線、狀態(tài)線、時(shí)鐘線、電源線和地線等；中斷機(jī)制；總線主控仲裁；

應(yīng)用邏輯：如聯(lián)絡(luò)（也稱(chēng)握手）線、復(fù)位、自啟動(dòng)、休眠維護(hù)等。

功能結(jié)構(gòu)規(guī)范：電氣規(guī)范：

規(guī)定信號(hào)邏輯電平、負(fù)載能力及最大額定值、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間等。4.總線的數(shù)據(jù)傳送（1）申請(qǐng)占用總線：需要使用總線的總線主設(shè)備（如CPU、DMA控制器等）向總線仲裁機(jī)構(gòu)提出占用總線的請(qǐng)求，經(jīng)總線仲裁機(jī)構(gòu)判定，若滿足響應(yīng)條件，則發(fā)出響應(yīng)信號(hào)，并把下一個(gè)總線傳送周期的總線控制權(quán)授予申請(qǐng)者。（2）尋址：獲得總線控制權(quán)的總線主設(shè)備，通過(guò)地址總線發(fā)出本次要訪問(wèn)的存儲(chǔ)器和I/O端口的地址，經(jīng)地址譯碼選中被訪問(wèn)的模塊并開(kāi)始啟動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。（3）傳送數(shù)據(jù)：總線主設(shè)備也叫主模塊，被訪問(wèn)的設(shè)備叫從模塊。主模塊和從模塊之間的操作是由主模塊控制在兩個(gè)從模塊之間通過(guò)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。（4）結(jié)束：主、從模塊的信息均從總線上撤除，讓出總線，以便其它主模塊使用。5.微機(jī)總線的分類(lèi)

片內(nèi)總線：它是位于大規(guī)模、超大規(guī)模集成芯片內(nèi)部各單元電路之間的總線，作為這些單元電路之間的信息通路。如CPU內(nèi)部ALU、寄存器組、控制器等部件之間的總線。局部總線（也稱(chēng)內(nèi)部總線）：通常指微機(jī)主板上各部件之間的信息通路。由于是一塊電路板內(nèi)部的總線，故又稱(chēng)在板局部總線。較典型的局部總線如：IBM-PC總線，ISA總線，EISA總線，VL和PCI總線等。系統(tǒng)總線（也稱(chēng)外部總線）：是指微機(jī)底板上的總線，用來(lái)構(gòu)成微機(jī)系統(tǒng)的各插件板、多處理器系統(tǒng)各CPU模塊之間的信道。較典型的系統(tǒng)總線如：STD-BUS，MULTI-BUS，VME等。通信總線：它是微機(jī)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、微機(jī)系統(tǒng)與其它儀器儀表或設(shè)備之間的信息通路。這種總線往往不是計(jì)算機(jī)專(zhuān)有的，而是借用電子工業(yè)其它領(lǐng)域已有的總線標(biāo)準(zhǔn)并加以應(yīng)用形成的。流行的通信總線如：EIA-RS-232C、RS-422A、RS-485，IEEE-488，VXI等總線標(biāo)準(zhǔn)。各類(lèi)總線之間的相互關(guān)系見(jiàn)圖6.1。

圖6.14類(lèi)總線之間的關(guān)系6.使用標(biāo)準(zhǔn)總線的優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)化軟、硬件設(shè)計(jì)：由于總線定義非常嚴(yán)格，任何廠家或個(gè)人都必須按其標(biāo)準(zhǔn)制作插件板，有了規(guī)范就給用戶(hù)在硬件設(shè)計(jì)上帶來(lái)了很大的方便，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程。簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：采用標(biāo)準(zhǔn)總線，只要將各功能模塊（板）掛在總線上就可以方便的構(gòu)成微機(jī)的硬件系統(tǒng)。

便于系統(tǒng)的擴(kuò)充：對(duì)于采用標(biāo)準(zhǔn)總線構(gòu)成的微機(jī)系統(tǒng)，只要按總線標(biāo)準(zhǔn)和用戶(hù)擴(kuò)充要求設(shè)計(jì)或直接購(gòu)買(mǎi)插件板插到總線插槽上就達(dá)到了擴(kuò)充的目的。便于系統(tǒng)的更新：隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新的器件不斷涌現(xiàn)，微機(jī)系統(tǒng)也要不斷更新，在采用標(biāo)準(zhǔn)總線的插件板上用新的器件取代原來(lái)的器件就可以很方便地提高系統(tǒng)性能，而不必做很大改動(dòng)。總線名稱(chēng)數(shù)據(jù)位數(shù)適用處理器所屬類(lèi)型中文名稱(chēng)引腳數(shù)目推出年份ISA-8(PC/XT)88088局部總線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線PC/XT總線621981ISA-16(PC/AT)168086、80286局部總線擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線PC/AT總線62+36（加長(zhǎng)）1984ISA-32(EISA)3280386局部總線擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線62+36（上層）+90+10(空)（下層）1988MCA32PS/2(IBM)局部總線微通道結(jié)構(gòu)總線與ISA不兼容1987(VESA)VL-BUS32/6480486局部總線視頻總線62+36+90+112（加長(zhǎng)）1992PCI3264Pentium局部總線外圍組件互連總線短卡124長(zhǎng)卡1881993幾種局部總線的比較總線名稱(chēng)數(shù)據(jù)位數(shù)適用微機(jī)系統(tǒng)所屬類(lèi)型中文名稱(chēng)推出年份Multi-bus1632SBC、多處理器系統(tǒng)系統(tǒng)總線SBC多總線(SBC公司)19741985STD8/16/32Z80等系統(tǒng)總線工業(yè)控制微機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線19781989S-10016Altair

(MITS公司)系統(tǒng)總線S-100總線1979VME32M68000系統(tǒng)總線專(zhuān)用模塊互連總線1988幾種系統(tǒng)總線的比較6.1.3系統(tǒng)總線

STD總線的特點(diǎn)（1）模塊化的小板結(jié)構(gòu)、開(kāi)放式的靈活組態(tài)STD總線使得微機(jī)系統(tǒng)被劃分成若干模塊，并制作成標(biāo)準(zhǔn)的功能模板（插件卡）。用戶(hù)可根據(jù)需要選擇功能模板組成自己的微機(jī)，插件卡與外設(shè)之間可用其他方式連接，因此可以靈活方便地構(gòu)成適應(yīng)不同要求的微機(jī)系統(tǒng)。圖6.5是基于STD總線的微機(jī)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。圖6.5STD總線微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（2）高可靠性、高抗干擾能力和高信號(hào)質(zhì)量：

STD總線優(yōu)良的物理特性使之具有抗惡劣環(huán)境的能力。其模塊化小尺寸結(jié)構(gòu)使其具有抗沖擊和振動(dòng)的能力，也可以減少自身發(fā)熱產(chǎn)生的問(wèn)題。由于STD總線采用印刷電路板邊緣做接插件，可防止插件卡反插，引腳彎曲或折斷。同時(shí)STD總線的結(jié)構(gòu)可使信號(hào)流有序地從總線接口流向用戶(hù)接口，提高了信號(hào)的質(zhì)量。（3）兼容的結(jié)構(gòu)、配套的產(chǎn)品和齊全的功能：STD總線的兼容式結(jié)構(gòu)可以使8位的STD產(chǎn)品與新標(biāo)準(zhǔn)的16位或32位STD產(chǎn)品一起工作。STD總線還支持多處理器系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)展和STD產(chǎn)品的推廣和應(yīng)用，其標(biāo)準(zhǔn)插件板的功能不斷增強(qiáng)，配套產(chǎn)品越來(lái)越豐富，給使用帶來(lái)極大方便?？偩€名稱(chēng)引腳數(shù)目適用微機(jī)系統(tǒng)所屬類(lèi)型

說(shuō)明推出年份RS-23225、9具有相應(yīng)接口通信總線1發(fā)1收，單端輸入1962年推出1969年公布RS-422同上具有相應(yīng)接口通信總線1發(fā)10收，差分輸入1977RS-485同上具有相應(yīng)接口通信總線1發(fā)32收，差分輸入1983USB4具有相應(yīng)接口通信總線通用串行總線（2信號(hào)、1電源、1地）1996IEEE-48824具有相應(yīng)接口通信總線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)并行接口總線1975年推出1977年公布幾種通信總線的比較6.1.4通信總線

（1）RS-232C總線RS-232C是一種串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)，也是數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，是1969年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）從CCITT遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)中導(dǎo)出的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)初制定這一標(biāo)準(zhǔn)的目的是為了使不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備能達(dá)到接插的兼容性，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)只保證硬件兼容而不保證軟件兼容。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)包括機(jī)械指標(biāo)和電氣指標(biāo)，其中機(jī)械指標(biāo)規(guī)定：RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口通向外部的連接器（插針和插座）是一個(gè)“D”型保護(hù)殼25針插頭。1.RS-232C、RS-422A和RS-485總線圖6.6標(biāo)準(zhǔn)25針“D”型插頭表6.2RS-232C總線引腳分配及定義注：帶*者為主信道信號(hào)組。信號(hào)線少：RS-232C總線共有25根線，它包括有主副兩個(gè)通道，用它可進(jìn)行雙工通信。實(shí)際應(yīng)用中，多數(shù)只用主信號(hào)通道（即第一通道），并只使用其中幾個(gè)信號(hào)（通常3~9根線）。傳輸距離遠(yuǎn)(相對(duì)于并行)：由于RS-232C采用串行傳輸方式，并將TTL電平轉(zhuǎn)換成了RS-232C電平，在基帶傳輸時(shí)，距離可達(dá)30m。若是采用光電隔離20A電流環(huán)傳送，其傳輸距離可達(dá)1000m。當(dāng)然，如果在串行接口加上調(diào)制解調(diào)器，利用有線、無(wú)線或光纖進(jìn)行傳送，其距離會(huì)更遠(yuǎn)。①RS-232C的主要特點(diǎn)可供選擇的傳輸速率多：RS-232C規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)傳送速率有：50，75，110，150，300，600，1200，2400，4800，9600，19200波特?？梢造`活地使用于不同速率的設(shè)備。

抗干擾能力強(qiáng)：RS-232C采用負(fù)邏輯，空載時(shí)以+3~+25V之間任意電壓表示邏輯“0”，以-3~-25V之間任意電壓表示邏輯“1”，且它是無(wú)間隔不歸零電平傳送，從而大大提高了抗干擾能力。②RS-232C總線的功能規(guī)范

引腳分配：共有25根信號(hào)線，其中，2根地線、4根數(shù)據(jù)線、11根控制線、3根定時(shí)線、5根備用線。引腳信號(hào)說(shuō)明：在RS-232C總線中，在一般的微型計(jì)算機(jī)串行通信中，經(jīng)常使用的只有以下9個(gè)信號(hào)線，具體見(jiàn)表6.3，它們都是主信道組的信號(hào)線。這9根引腳分為兩類(lèi)：一類(lèi)是基本的數(shù)據(jù)傳送引腳，另一類(lèi)是用于調(diào)制解調(diào)器(MODEM)的控制和反映它的狀態(tài)的引腳?；镜臄?shù)據(jù)傳送引腳：TXD，RXD，GND（2，3，7號(hào)引腳）是基本數(shù)據(jù)傳送引腳。表6.3微型計(jì)算機(jī)通信中常用的RS-232C接口信號(hào)DTRRTSDSRCTSDCDRI計(jì)算機(jī)調(diào)制解調(diào)器

MODEM的控制和狀態(tài)引腳：·DTR數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備完畢引腳，用于通知MODEM計(jì)算機(jī)準(zhǔn)備好，可以通信了?！TS為請(qǐng)求發(fā)送引腳，用于通知MODEM計(jì)算機(jī)請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)。·DSR為數(shù)據(jù)通信設(shè)備準(zhǔn)備就緒引腳，用于通知計(jì)算機(jī)，MODEM準(zhǔn)備好了?！TS為允許發(fā)送引腳，用于通知計(jì)算機(jī)MODEM可以接收數(shù)據(jù)了?！CD為數(shù)據(jù)載體檢測(cè)引腳，用于通知計(jì)算機(jī)MODEM與電話線另一端的MODEM已經(jīng)建立聯(lián)系?！I為振鈴信號(hào)指示引腳，用于通知計(jì)算機(jī)，有來(lái)自電話網(wǎng)的信號(hào)。表6.4RS-232C總線的電氣規(guī)范

④RS-232C電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換

由于RS-232C使用非常廣泛，許多半導(dǎo)體廠家都生產(chǎn)專(zhuān)用于TTL電平與RS-232C電平的專(zhuān)用轉(zhuǎn)換芯片。常用于將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232C電平的芯片，除MC1488外還有75188，75150等，用于將RS-232C電平轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平的除MC1489外還有75189，75154等。采用MC1488和MC1489進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的原理如圖6.7所示。⑤RS-232C總線接口幾種常用的連接方法利用RS-232C總線接口，可以實(shí)現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)之間、微型計(jì)算機(jī)與其他具有RS-232C接口的設(shè)備之間相連接。常用的連接方法如圖6.8所示。其中，下頁(yè)圖6.8(a)、(b)連線比較簡(jiǎn)單,可以利用查尋或中斷方式實(shí)現(xiàn)他們之間的通信。采用MC1488和MC1489的電平轉(zhuǎn)換原理14881489幾種常用的RS-232C接口連接方法

RS-422A采用平衡輸出的發(fā)送器，差分輸入的接收器。圖6.9RS-422A的平衡輸出和差分輸入（2）RS-422A總線

發(fā)送器有兩根輸出線，當(dāng)一條線向高電平跳變的同時(shí)，另一條輸出線向低電平跳變，線之間的電壓極性因此翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。在RS-422A線路中發(fā)送信號(hào)要用兩條線，接收信號(hào)也要用兩條線，對(duì)于雙工通信，至少要有4根線。由于RS-422A線路是完全平衡的，一般情況下，RS-422A線路不使用公共地線。這使得通信雙方由于地電位不同而對(duì)通信線路產(chǎn)生的干擾減至最小。雙方地電位不同產(chǎn)生的信號(hào)成為共模干擾會(huì)被差分接收器濾波掉，而這種干擾卻能使RS-232C的線路產(chǎn)生錯(cuò)誤。

使用接口電路進(jìn)行全雙工通信，需要兩對(duì)線或4條線，使線路成本增加。RS-485適用于收發(fā)雙方共用一對(duì)線進(jìn)行通信，也適用于多個(gè)點(diǎn)之間共用一對(duì)線路進(jìn)行總線方式聯(lián)網(wǎng)，通信只是半雙工的，線路如圖6.11。

由于共用一條線路，任何時(shí)刻，只允許有一個(gè)發(fā)送器發(fā)送數(shù)據(jù)，其它發(fā)送器必須處于關(guān)閉（高阻）狀態(tài)，這是通過(guò)發(fā)送器芯片上的發(fā)送允許端控制的。例如，當(dāng)該端為高電平時(shí)，發(fā)送器可以發(fā)送數(shù)據(jù)，而為低電平時(shí)，發(fā)送器的兩個(gè)輸出端都呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，好象從線路上脫開(kāi)一樣。（3）RS-485總線圖6.11用RS-485實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)間的總線方式聯(lián)網(wǎng)

2.IEEE-488總線

IEEE488是一種并行的外總線，它同時(shí)使用了IEEE-448，IEC-IB(IEC接口總線)，HP-IB(HP接口總線)或GP-IB(通用接口總線)多種名稱(chēng)。由于IEEE-448總線的推出，使得當(dāng)用IEEE-448標(biāo)準(zhǔn)建立一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，不要再加一大堆復(fù)雜的控制電路，IEEE-488系統(tǒng)以機(jī)架層疊式智能儀器為主要器件，構(gòu)成開(kāi)放式的積木測(cè)試系統(tǒng)，因此IEEE-488總線是當(dāng)前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的通信總線之一。（1）IEEE-488總線使用的約定·數(shù)據(jù)傳輸速率≤1MB/S?！みB接在總線上的設(shè)備(包括作為主控器的微型機(jī))≤15個(gè)?！ぴO(shè)備間的最大距離≤20M。整個(gè)系統(tǒng)的電纜總長(zhǎng)度≤220M，若電纜長(zhǎng)度超過(guò)220M，則會(huì)因延時(shí)而改變定時(shí)關(guān)系，從而造成工作不可靠。這種情況應(yīng)附加調(diào)制解調(diào)器?！に袛?shù)字交換都必須是數(shù)字化的。·總線規(guī)定使用24線的組合插頭座，并且采用負(fù)邏輯，即用小于＋0.8V的電平表示邏輯“1”；用大于2V的電平表示邏輯“0”。（2）系統(tǒng)上設(shè)備的工作方式·“聽(tīng)者”方式：這是一種接收器，它在數(shù)據(jù)總線上接收數(shù)據(jù)，一個(gè)系統(tǒng)在同一時(shí)刻，可以有兩個(gè)以上的“聽(tīng)者”在工作。·“講者”方式：這是一種發(fā)送器，一個(gè)系統(tǒng)可以有兩個(gè)以上的“講者”但任一時(shí)刻只能有一個(gè)講者在工作。·“控者”方式：這是一種向其他設(shè)備發(fā)布命令的設(shè)備，例如對(duì)其他設(shè)備尋址，或允許“講者”使用總線。任一時(shí)刻只能有一個(gè)控者。圖6.12IEEE-448總線接口結(jié)構(gòu)（3）IEEE-488總線信號(hào)定義說(shuō)明IEEE-488的信號(hào)線除8條地線外，有以下信號(hào)線?！7～D0數(shù)據(jù)總線：這是8條雙向數(shù)據(jù)線，除了用于傳送數(shù)據(jù)外，還用于“聽(tīng)”、“講”方式的設(shè)置，以及設(shè)備地址和設(shè)備控制信息的傳送?！ぷ止?jié)傳送控制線：在IEEE-488總線上數(shù)據(jù)傳送采用異步握手（掛鉤）聯(lián)絡(luò)方式。即用

DAV，NRFD和NDAC3根線進(jìn)行握手聯(lián)絡(luò)?！AV（DATAAVAIBLE）——數(shù)據(jù)有效線。當(dāng)由發(fā)送器控制的數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)有效時(shí)，發(fā)送器置DAV低電平（邏輯1），指示接受器可以從總線上接收數(shù)據(jù)?！RFD（NOTREADYFORDATA）——未準(zhǔn)備好接受數(shù)據(jù)線，只要連接在總線上被指定為接收器中的設(shè)備，尚有一個(gè)未準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，接收器就置NRFD線為低電平，示意發(fā)送器不要發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)所有接收器都準(zhǔn)備好時(shí)，NRFD變?yōu)楦唠娖??！DAC（NotDataAccepted）——未接收完數(shù)據(jù)，當(dāng)總線上被指定為接收器的設(shè)備，有任何一個(gè)未接收完數(shù)據(jù)，它就置NDAC線為低電平，示意發(fā)送器不要撤消當(dāng)前數(shù)據(jù)。只有當(dāng)所有接收器都接收完數(shù)據(jù)后，此信號(hào)才變?yōu)楦唠娖健．?dāng)ATN=“1”時(shí)，表示數(shù)據(jù)線上傳送的是地址或命令，這時(shí)只有控制器能發(fā)送信息，其它設(shè)備都只能接收信息并作出解釋。當(dāng)ATN=“0”時(shí)，表示數(shù)據(jù)總線上傳送的是數(shù)據(jù)?！OI（EndorIdentify）——結(jié)束或識(shí)別線。該線與ATN線一起指示是數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，還是用來(lái)識(shí)別一個(gè)具體設(shè)備。當(dāng)ATN=“0”時(shí)，這是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，當(dāng)傳送完最后一個(gè)字節(jié)使EOI=“1”，表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，當(dāng)ATN=“1”，若EOI=“1”時(shí)，則表示數(shù)據(jù)總線上是設(shè)備識(shí)別信息，即可得到請(qǐng)求得到的設(shè)備編碼。（4）IEEE-488總線傳送數(shù)據(jù)時(shí)序

圖6.13IEEE488總線3線握手時(shí)序圖IEEE-488總線上數(shù)據(jù)傳送采用異步方式，即每傳送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)都要利用DAV，NRFD和NDAC3條信號(hào)線進(jìn)行握手聯(lián)絡(luò)。數(shù)據(jù)傳送的時(shí)序如圖6.13所示。·REN（remoteEnable）——遠(yuǎn)程控制線。該信號(hào)為低電平時(shí)，系統(tǒng)處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)，設(shè)備面板開(kāi)關(guān)、按鍵均不起作用；若該信號(hào)為高電平，則遠(yuǎn)程控制不起作用，本地面板控制開(kāi)關(guān)、按鍵起作用。SCSI是smallcomputersysteminterface的縮寫(xiě)，即小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口。它用于計(jì)算機(jī)與磁帶機(jī)、軟磁盤(pán)機(jī)、硬磁盤(pán)機(jī)、CD-ROM、掃描儀、通信設(shè)備及打印機(jī)等外部設(shè)備的連接。目前廣泛應(yīng)用于微型計(jì)算機(jī)中主機(jī)與硬磁盤(pán)、光盤(pán)的連接，成為最重要、最有潛力的新的總線標(biāo)準(zhǔn)。另外:還有SCSI總線、AGP總線等AGP是AcceleratedGraphicPort的縮寫(xiě)，即圖形加速接口，是專(zhuān)用的圖形總線，它只用于微機(jī)上的AGP顯示卡。6.2I/O接口基礎(chǔ)

6.2.1微機(jī)接口基本概念

1.接口與接口技術(shù)接口的定義:“接口”是微處理器CPU與外界的連接部件（電路）。接口技術(shù)的研究對(duì)象：“接口技術(shù)”是研究CPU如何與外部世界進(jìn)行最佳耦合與匹配，以實(shí)現(xiàn)雙方高效、可靠地交換信息的一門(mén)技術(shù)。2.為什么要用接口電路

輸入/輸出（Input/Output）是計(jì)算機(jī)與外部世界交換信息所必需的手段。一方面，程序、數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)物理量等要通過(guò)輸入設(shè)備送給計(jì)算機(jī)；另一方面，計(jì)算機(jī)運(yùn)行的結(jié)果和各種控制信號(hào)要通過(guò)輸出設(shè)備（輸入/輸出設(shè)備以下簡(jiǎn)稱(chēng)外設(shè)）進(jìn)行顯示、打印或?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)控制等。計(jì)算機(jī)的外設(shè)有機(jī)械式、電子式、機(jī)電式等。（1）數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息是指CPU與外設(shè)之間要傳送的數(shù)據(jù)本身。其形式有三種：·數(shù)字量：常以8位或16位的二進(jìn)制或ASCⅡ碼形式傳輸。

·模擬量：模擬的電壓或電流，甚至非電量(如：溫度、壓力、流量等)，需經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的電信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量形式傳輸。·開(kāi)關(guān)量：通常用于表示兩種狀態(tài)“0”和“1”，如開(kāi)關(guān)的通/斷，電機(jī)的轉(zhuǎn)/停，閥門(mén)的開(kāi)/關(guān)等。

3.接口電路的組成及其傳遞的信息為了完成CPU與外設(shè)之間的信息交換，通常在接口部件中需要傳輸三種信息。（2）狀態(tài)信息為實(shí)現(xiàn)CPU與外設(shè)配合工作，CPU需要了解外設(shè)所處的現(xiàn)行狀態(tài)，如打印機(jī)是否忙（BUSY），輸入設(shè)備是否準(zhǔn)備好（READY），用于表示外設(shè)工作狀態(tài)的信號(hào)叫狀態(tài)信息，它是由外設(shè)通過(guò)接口傳遞到CPU的。（3）控制信息在CPU與外設(shè)的信息傳送過(guò)程中，需要向外設(shè)發(fā)出控制命令，這些控制信號(hào)由CPU發(fā)給接口電路，經(jīng)接口電路解釋并做適當(dāng)變換后（若需要的話），去控制外設(shè)的動(dòng)作。圖6.14接口電路的典型結(jié)構(gòu)4.接口的作用和特點(diǎn)（1）接口的作用主要負(fù)責(zé)接收、解釋并執(zhí)行CPU發(fā)出的命令，傳送外設(shè)的狀態(tài)，以及雙方的數(shù)據(jù)傳輸。管理雙方的工作邏輯、協(xié)調(diào)它們的工作時(shí)序。（2）接口的功能特點(diǎn)按CPU與外界交換信息的要求，一般來(lái)講，接口部件應(yīng)具有如下功能特點(diǎn)：數(shù)據(jù)緩沖功能接口中一般都設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器或鎖存器，以解決高速CPU和低速外設(shè)之間的矛盾，避免丟失數(shù)據(jù)。另外，這些鎖存器常常有驅(qū)動(dòng)作用。

設(shè)備選擇功能微機(jī)系統(tǒng)中通常都有多臺(tái)外設(shè)，而CPU在同一時(shí)間里只能與一臺(tái)外設(shè)交換信息，這就要借助于接口的地址譯碼對(duì)外設(shè)進(jìn)行尋址。高位地址用于芯片（電路）選擇，低位地址用于選擇接口芯片（電路）內(nèi)部寄存器或鎖存器，從而選定需要與CPU交換信息的外設(shè)。

信號(hào)轉(zhuǎn)換功能

由于外設(shè)所能提供和所需要的各種信號(hào)常常與微機(jī)總線信號(hào)不兼容，因此信號(hào)變換就不可避免，它是接口設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要方面。接受、解釋并執(zhí)行CPU命令的功能CPU發(fā)往外設(shè)的各種命令都是以代碼形式先發(fā)到接口電路，再由接口電路解釋后，形成一系列控制信號(hào)送往外設(shè)（被控對(duì)象）的。

中斷管理功能

當(dāng)外設(shè)需要及時(shí)得到CPU的服務(wù)，例如，在出現(xiàn)故障而要求CPU進(jìn)行刻不容緩的處理時(shí)，就應(yīng)在接口中設(shè)置中斷控制邏輯，由它完成向CPU提出中斷請(qǐng)求，進(jìn)行中斷優(yōu)先級(jí)排隊(duì)，接收中斷響應(yīng)信號(hào)以及向CPU提供中斷類(lèi)型或中斷向量等有關(guān)中斷事務(wù)工作?？删幊坦δ?/p>

為使接口具有較強(qiáng)的通用性、靈活性和可擴(kuò)充性，現(xiàn)在的接口芯片多數(shù)都是可編程的，這樣在不改變硬件的條件下，只改變驅(qū)動(dòng)程序就可改變接口的工作方式和功能，以適應(yīng)不同的用途。（3）CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式①程序控制方式分為無(wú)條件傳送方式和條件傳送方式。

無(wú)條件傳送方式(又稱(chēng)同步傳送方式)。其具體方法是：在程序中的適當(dāng)位置直接插入I/O指令，以完成數(shù)據(jù)的傳輸。在這種方式中，CPU始終認(rèn)為外設(shè)是準(zhǔn)備好的。條件傳送方式(又稱(chēng)查詢(xún)傳送方式)。其實(shí)現(xiàn)方法是：在每次執(zhí)行I/O操作之前，CPU先查詢(xún)外設(shè)的狀態(tài)，當(dāng)外部設(shè)備準(zhǔn)備好時(shí)才執(zhí)行I/O指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。這種傳送方式有效地解決了無(wú)條件傳送方式難以保證CPU與外設(shè)同步動(dòng)作的問(wèn)題，但其傳輸速度慢，CPU工作效率低，因?yàn)镃PU將花費(fèi)絕大部分時(shí)間去查詢(xún)外設(shè)的狀態(tài)。程序控制方式的具體實(shí)例參見(jiàn)可編程并行接口芯片8255A的應(yīng)用。

②

中斷傳送方式

為了提高CPU的效率，使系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)處理能力，可采用中斷傳送方式進(jìn)行CPU與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送。具體過(guò)程為：當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通過(guò)接口向CPU提出中斷請(qǐng)求，CPU在滿足響應(yīng)中斷的條件下，向接口發(fā)出中斷響應(yīng)（回答）信號(hào)，然后執(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，從而大大提高了CPU的工作效率。關(guān)于詳細(xì)的中斷處理過(guò)程參見(jiàn)中斷技術(shù)一章。③

DMA傳送方式（直接存儲(chǔ)器存取方式）

在中斷傳送方式中，每傳送一次數(shù)據(jù)，CPU就要執(zhí)行一些附加的保護(hù)斷點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)和斷點(diǎn)的指令。因此不能從根本上提高CPU的效率，且不能成塊傳送數(shù)據(jù)。

無(wú)條件傳送：傳送之前不查詢(xún)外設(shè)狀態(tài)

程序控制方式

查詢(xún)傳送：傳送之前查詢(xún)外設(shè)狀態(tài)

中斷方式：外設(shè)準(zhǔn)備好后向CPU申請(qǐng)中斷，CPU響應(yīng)中斷完成數(shù)據(jù)傳送。DMA（直接存儲(chǔ)器存?。┓绞剑河蓪?zhuān)用硬件“DMA控制器”

控制內(nèi)存和外設(shè)之間直接傳送數(shù)據(jù)。

（不需要CPU干預(yù)）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和日益廣泛的應(yīng)用，CPU需要執(zhí)行的任務(wù)愈來(lái)愈多，外設(shè)的種類(lèi)也大大增加，且性能各異，對(duì)外設(shè)的管理就變得愈來(lái)愈復(fù)雜。如果再使CPU承擔(dān)全部任務(wù)，那么勢(shì)必會(huì)使主機(jī)完全陷入與外設(shè)打交道的沉重負(fù)擔(dān)之中，因而必須設(shè)置專(zhuān)門(mén)的接口電路，把對(duì)外設(shè)的控制管理任務(wù)交給接口去完成，而主機(jī)只在適當(dāng)時(shí)刻向接口發(fā)出命令，從接口讀入外設(shè)狀態(tài)或與外設(shè)傳送數(shù)據(jù)。這就大大減輕了主機(jī)的負(fù)擔(dān)，降低了對(duì)CPU的要求，同時(shí)也極大地提高了CPU的效率。5.接口技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展現(xiàn)在接口電路都做成大規(guī)模、超大規(guī)模、超高速集成電路，并且可編程控制。甚至將若干接口芯片的電路集成到一個(gè)硅片上，形成具有多種功能的芯片組。今后將發(fā)展成用處理器控制的I/O通道或嵌入式I/O接口系統(tǒng)。

微機(jī)外圍接口芯片品種繁多，常用的有：并行接口芯片8255A、8155A；串行接口芯片8250、8251；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器8253、8254；中斷控制器8259A；DMA控制器8237A；鍵盤(pán)/LED專(zhuān)用控制器8279；CRT控制器6834、8275；磁盤(pán)控制器μPD765\6843等。另外，在模擬接口中，還要用到A/D轉(zhuǎn)換器（如ADC0809）和D/A轉(zhuǎn)換器（如DAC0832）等。高檔微機(jī)中的接口有的是這些接口芯片的級(jí)聯(lián)，或?qū)⒛承┬酒墓δ芗傻揭黄?，或在它們的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)充。上一節(jié)中已介紹了一些多功能接口芯片。6.常用外圍接口芯片7.高檔微機(jī)系統(tǒng)中幾種常見(jiàn)的總線接口器件

根據(jù)不同的總線標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，均需配置相應(yīng)的接口電路，近年來(lái)，隨著高檔微處理器的發(fā)展，外圍接口電路也不斷發(fā)展，從而產(chǎn)生了許多系列的多功能集成電路芯片，例如：（1）82C206：是一種多功能外圍接口電路，其內(nèi)部包含的功能部件有：2個(gè)82C37DMA控制器；2個(gè)82C59中斷控制器；1個(gè)82C54定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；1個(gè)MC146818實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路；1個(gè)74LS612存儲(chǔ)器頁(yè)面映像控制器以及輔助接口電路。（2）82344：ISA總線控制器，包含的功能部件有：2個(gè)82C37DMA控制器，與頁(yè)面地址寄存器組成4個(gè)8位DMA通道和3個(gè)16位DMA通道；2個(gè)82C59中斷控制器，實(shí)現(xiàn)16級(jí)中斷請(qǐng)求控制；1個(gè)82C54定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，提供3個(gè)16位定時(shí)器計(jì)數(shù)器；1個(gè)與MC146818完全兼容的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，且具有114字節(jié)的通用CMOSRAM；另外還具有DRAM刷新控制邏輯、并行PORTA和NMI邏輯。（3）82360SL：也是一個(gè)多功能外圍接口電路，包含的功能部件有：2個(gè)82C37ADMA控制器；2個(gè)82C59中斷控制器；2個(gè)82C54定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；1個(gè)與MC146818兼容的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路；1個(gè)增強(qiáng)型74LS612頁(yè)面存儲(chǔ)映像控制器；2個(gè)與NC16450兼容的串行通信接口和1個(gè)8位雙向并行I/O接口；另外還有256字節(jié)的CMOSRAM。（4）82380：也是一個(gè)多功能外圍接口電路，包括的功能部件有：1個(gè)32位8通道DMA控制器；3個(gè)82C59A功能相當(dāng)?shù)闹袛嗫刂破鳎?個(gè)82C54功能相同的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；另外還有DRAM刷新控制電路、總線判優(yōu)及控制電路。

（5）82357：集成系統(tǒng)外圍接口電路（ISP），包括的功能部件有：2個(gè)4通道DMA控制器二級(jí)級(jí)聯(lián)；2個(gè)相當(dāng)于8259的中斷控制器，主從級(jí)聯(lián)；3個(gè)與8254功能相當(dāng)?shù)亩〞r(shí)器/計(jì)數(shù)器；另外還有總線判優(yōu)電路和NMI產(chǎn)生電路等。（6）HT21：系統(tǒng)控制器，包括的功能部件有：1個(gè)82284產(chǎn)生系統(tǒng)定時(shí)時(shí)序；1個(gè)74612提供存儲(chǔ)器地址映像；1個(gè)8254提供3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；1個(gè)8284為8254提供定時(shí)脈沖信號(hào)；2個(gè)8237DMA控制器；2個(gè)8259中斷控制器，主從級(jí)聯(lián)，接收4個(gè)內(nèi)部和11個(gè)外部中斷請(qǐng)求。

6.2.2接口的譯碼

CPU通過(guò)接口與外設(shè)打交道，那么CPU如何找到要與之傳送信息的外設(shè)呢？在第一節(jié)中已經(jīng)知道接口電路中一般包含多個(gè)寄存器，CPU是通過(guò)這些寄存器發(fā)出命令、讀取狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)的。因此，每個(gè)寄存器都被安排了一個(gè)地址，稱(chēng)為端口地址（PORTADDRESS），以便CPU能尋址它們。一個(gè)接口芯片上可能有多個(gè)端口，要尋址某個(gè)端口，除了找到該芯片外，還要能區(qū)分出不同端口。內(nèi)部端口的區(qū)分是由接口電路內(nèi)部的地址譯碼邏輯完成的。通常將低位地址線（一位或幾位）直接連到接口芯片上，用于內(nèi)部譯碼，而其余地址線作選擇接口芯片的譯碼輸入（也稱(chēng)外部譯碼）。這一節(jié)的地址譯碼均指外部譯碼。1.固定式地址譯碼（1）用邏輯門(mén)電路進(jìn)行譯碼這是最簡(jiǎn)單