計算機(jī)接口技術(shù)

第一章接口技術(shù)概述第一節(jié)計算機(jī)的分類第二節(jié)接口的作用第三節(jié)I/O端口地址譯碼第四節(jié)數(shù)據(jù)輸入輸出方式1.計算機(jī)的分類按處理對象按使用范圍按性能數(shù)字計算機(jī)模擬計算機(jī)通用計算機(jī)專用計算機(jī)單片機(jī)

巨型計算機(jī)大型計算機(jī)中型計算機(jī)小型計算機(jī)微型計算機(jī)數(shù)字計算機(jī)巨型機(jī)：超級計算機(jī),大型科學(xué)計算領(lǐng)域大型機(jī):

多為通用型機(jī)，計算機(jī)通信網(wǎng)中型機(jī):

中小型局部計算機(jī)通信網(wǎng)中的管理

小型機(jī):

和微型機(jī)沒有嚴(yán)格的界限微型機(jī):

通用微機(jī)單片機(jī):

控制專用微機(jī)巨型機(jī)又稱超級計算機(jī)，是所有計算機(jī)中價格最貴、功能最強(qiáng)大、運算速度最快的計算機(jī)，運算速度可達(dá)每秒百萬億次。多用于國家高科技領(lǐng)域和國防尖端技術(shù)中巨型機(jī)是衡量一個國家經(jīng)濟(jì)實力和科學(xué)水平的重要標(biāo)志。將很多微處理器連接起來達(dá)到極快速度的巨型主機(jī)。銀河Ⅱ1975年世界上第一臺超級計算機(jī)“Cray-I”超級計算機(jī)應(yīng)用:天氣預(yù)報、地震機(jī)理研究、石油和地質(zhì)勘探,衛(wèi)星圖像處理等大量科學(xué)計算的高科技領(lǐng)域。CRAY-Ⅱ中國超級計算機(jī)：國防科技大學(xué)研制的"銀河1號","銀河2號"和"銀河3號"國家職能計算機(jī)中心推出的"曙光1000","曙光200I"和"曙光3000"IBM:Seaborg6080個CPU最大平均速度7.304TF(1012)中國天河-1A：全球超級電腦排名第1建成日期：2010年簡介：該電腦用于執(zhí)行石油勘探及飛機(jī)模擬等計算任務(wù)，也用于向沒有超級電腦的國家出租，運行速度達(dá)每秒2.5千萬億次。沃森（Watson）：世界上玩Jeopardy游戲最好的電腦建成日期：2010年Jeopardy節(jié)目冠軍，打敗2位超級玩家的電腦，將人工智能提高到新的高度。沃森可自己組織語言，無需人工幫助。數(shù)字計算機(jī)巨型機(jī)：超級計算機(jī),大型科學(xué)計算領(lǐng)域大型機(jī):

多為通用型機(jī)，計算機(jī)通信網(wǎng)中型機(jī):

中小型局部計算機(jī)通信網(wǎng)中的管理

小型機(jī):

和微型機(jī)沒有嚴(yán)格的界限微型機(jī):

通用微機(jī)單片機(jī):

控制專用微機(jī)單片機(jī)微型機(jī)小型機(jī)中型機(jī)大型機(jī)巨型機(jī)低高體積功能數(shù)據(jù)存儲器指令系統(tǒng)價格簡易性低高隨著超大規(guī)摸集成電路的迅速發(fā)展,今天的小型機(jī)可能是明天的微型機(jī),而今天的微型機(jī)可能是明天的單片機(jī)。2.微型計算機(jī)的定義所謂“微型計算機(jī)”是指這樣的計算機(jī)：以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為主要部件，以集成了計算機(jī)主要部件—控制器和運算器的微處理器為核心所構(gòu)造出的計算機(jī)系統(tǒng)。Intel4004和采用4004的計算器微處理器時代的開端微型計算機(jī)的標(biāo)志把控制器和運算器即CPU集成在一個或幾個芯片上。80386Pentium8086CPU3.微型計算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)運算器控制器存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB存儲器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口輸出設(shè)備CPU微型計算機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖單片機(jī)是把微型計算機(jī)主要部分都集成在一個芯片上的單芯片微型計算機(jī)。中央處理器CPU,隨機(jī)存取存儲器RAM,只讀存儲器ROM,I/O接口電路，定時器/計數(shù)器，中斷系統(tǒng)，串行通訊接口等8051型單片機(jī)芯片的照片數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB存儲器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口輸出設(shè)備CPU微型計算機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖+5VP0.5P0.0P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.0P3.1P3.4P3.3P3.2P3.5P3.6P3.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.6P0.4P0.3P0.2P0.1P0.774LS373┇PSENEAALECBRESETI/OVccVssALEGABDB8051單片機(jī)和微型機(jī)的區(qū)別單片機(jī)和微型機(jī)的區(qū)別在于其集成性，單片機(jī)犧牲了廣泛意義上的通用性，主要適用于工業(yè)控制或者是集成在產(chǎn)品中。第二節(jié)接口的作用1.接口的定義

微機(jī)接口（interface）就是微機(jī)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。存儲器通常在CPU的同步控制下工作，接口電路比較簡單；I/O設(shè)備品種繁多，其相應(yīng)的接口電路也各不相同，因此，習(xí)慣上說到接口只是指I/O接口。I/O接口電路I/O接口是位于CPU與外設(shè)間、用來協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的邏輯電路CPU接口電路

I/O設(shè)備2.為什么需要I/O接口電路？信息類型與信號電平的不匹配速度不匹配時序的不匹配信息格式的不匹配必須經(jīng)過中間電路再與系統(tǒng)相連，這部分電路被稱為I/O接口電路3.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，實現(xiàn)雙方高效、可靠地交換信息的一門技術(shù)，是軟件、硬件結(jié)合的體現(xiàn)，是微機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵。接口技術(shù)是采用硬件與軟件相結(jié)合的方法。硬件－－接口電路原理軟件－－接口編程方法4.I/O接口的主要功能對輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和鎖存對信號的形式和數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行變換址址譯碼功能與CPU和I/O設(shè)備進(jìn)行聯(lián)絡(luò)對輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和鎖存由于外設(shè)的速度慢，而CPU和總線又十分繁忙，所以在輸出接口中，要求對數(shù)據(jù)具有鎖存能力，安排鎖存環(huán)節(jié)（常用鎖存器）；在輸入接口中，要求對數(shù)據(jù)具有控制能力，安排緩沖環(huán)節(jié)（常用三態(tài)門）。輸出接口的鎖存環(huán)節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線外部數(shù)據(jù)引腳鎖存控制DCQDCQDCQ輸入接口的緩沖環(huán)節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線外部數(shù)據(jù)引腳選通緩沖器對信號的形式和數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行變換將電平信號變?yōu)殡娏餍盘?、弱電信號變?yōu)閺?qiáng)電信號、數(shù)字信號變?yōu)槟M信號、并行數(shù)據(jù)格式變?yōu)榇行盘柕戎分纷g碼功能CPU在同一時間里只能與一臺外設(shè)交換信息，這就需要接口中的地址譯碼電路進(jìn)行地址譯碼以選定所需的外設(shè)與CPU交換信息。與CPU和I/O設(shè)備進(jìn)行聯(lián)絡(luò)I/O接口位于CPU和外設(shè)的中間，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，既要面向CPU進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，又要面向外設(shè)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。聯(lián)絡(luò)的具體內(nèi)容有狀態(tài)信息、控制信息和請求信息等。5.I/O接口的典型結(jié)構(gòu)P.6控制總線CB地址總線ABI/O接口電路數(shù)據(jù)控制狀態(tài)數(shù)據(jù)總線DBCPU外設(shè)控制寄存器狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)寄存器5.I/O接口的典型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)線控制線狀態(tài)線DBCBAB數(shù)據(jù)輸入寄存器(or三態(tài)門)數(shù)據(jù)輸出寄存器(鎖存器)狀態(tài)寄存器(or三態(tài)門)命令寄存器譯碼電路控制邏輯接口電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)從應(yīng)用角度看內(nèi)部：⑴數(shù)據(jù)寄存器保存外設(shè)給CPU和CPU發(fā)往外設(shè)的數(shù)據(jù)⑵狀態(tài)寄存器保存外設(shè)或接口電路的狀態(tài)⑶控制寄存器保存CPU給外設(shè)或接口電路的命令5.I/O接口的典型結(jié)構(gòu)控制總線CB地址總線ABI/O接口電路數(shù)據(jù)控制狀態(tài)數(shù)據(jù)總線DBCPU外設(shè)控制寄存器狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)寄存器接口電路的外部特性主要體現(xiàn)在引腳上，分成兩側(cè)信號面向CPU一側(cè)的信號：用于與CPU連接主要是數(shù)據(jù)、地址和控制信號面向外設(shè)一側(cè)的信號：用于與外設(shè)連接提供的信號五花八門功能定義、時序及有效電平等差異較大6.I/O端口（PORT）P10端口泛指I/O地址，通常對應(yīng)寄存器一個接口電路可以具有多個I/O端口，每個端口用來保存和交換不同的信息數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和控制寄存器占有的I/O地址常依次被稱為數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和控制端口，用于保存數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息輸入、輸出端口可以是同一個I/O地址I/O操作本質(zhì)：I/O端口的操作端口（port）：接口電路中能被CPU直接訪問的寄存器端口的種類：數(shù)據(jù)口、狀態(tài)口、命令口I/O端口的編址方式P10端口統(tǒng)一編址端口獨立編址統(tǒng)一編址（存儲器映象方式）M與I/O共用整個地址空間；I/O端口與存儲單元等同—M與I/O地址不重疊00FFH0000H0100HFFFFH地址...M空間I/O空間...（64KB）整個地址空間（256個）（65280個）統(tǒng)一編址8051單片機(jī)采用與存儲器統(tǒng)一編址存儲器部分I/O部分存儲器空間00000FFFFF優(yōu)點：不需要專門的I/O指令I(lǐng)/O數(shù)據(jù)存取與存儲器數(shù)據(jù)存取一樣靈活缺點：I/O端口要占去部分存儲器地址空間程序不易閱讀（不易分清訪存和訪問外設(shè)）獨立編址M與I/O分開編址、互不干擾——M與I/O地址重疊I/O映象、專用I/O指令方式FFH00H地址I/O空間...（256個）（64KB）M空間地址0000HFFFFH...獨立編址P1280x86采用I/O端口獨立編址內(nèi)存空間I/O空間FFFFF000FF優(yōu)點：I/O端口的地址空間獨立控制和地址譯碼電路相對簡單專門的I/O指令使程序清晰易讀缺點：I/O指令沒有存儲器指令豐富端口的獨立編址8086總線A19