微機(jī)接口第3章

1計(jì)算機(jī)接口技術(shù)太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院

鄧霄2015.4.162第三章

微型計(jì)算機(jī)接口基礎(chǔ)33.1接口的基本概念

隨著微型計(jì)算機(jī)的普及和廣泛應(yīng)用，接口技術(shù)已成為非常關(guān)鍵的技術(shù)，在微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中占有十分重要的地位。接口泛指任何兩個系統(tǒng)之間的交接部分，或兩個系統(tǒng)間的連接部分。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)里，接口指中央處理器（CPU）與外部設(shè)備之間進(jìn)行信息交換的中間環(huán)節(jié)。

圖3－1接口框圖43.1接口的基本概念

接口定義-Interface

定義：CPU與“外部世界”的連接電路，負(fù)責(zé)“中轉(zhuǎn)”各種信息

分類：存儲器接口和I/O接口

位置：介于系統(tǒng)總線和外部設(shè)備之間53.1接口的基本概念

63.1接口的基本概念

I/O接口與I/O接口設(shè)備不同I/O設(shè)備對應(yīng)I/O接口不同I/O接口受CPU控制，I/O設(shè)備受I/O接口控制為增加通用性，接口電路一般具有可編程功能微機(jī)的應(yīng)用離不開與外部設(shè)備接口的設(shè)計(jì)、選用和連接微機(jī)接口技術(shù)是編程人員的一項(xiàng)基本技能73.1.0為什么使用接口？外設(shè)為什么一定需要通過接口電路與主機(jī)相連？存儲器的存取速度基本上可以與CPU的工作速度相匹配，CPU和存儲器之間的定時協(xié)調(diào)比較容易，這決定了存儲器可以通過總線直接和CPU相連。外設(shè)的特點(diǎn)品種繁多，包括：輸入輸出設(shè)備，I/O設(shè)備，檢測或控制設(shè)備等，這些設(shè)備有機(jī)電式、電子式、機(jī)械式等。83.1.0為什么使用接口？工作速度慢，工作速度分布寬。需要接口對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖、變換。信號類型與電平種類不同。包括串并轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號（電平轉(zhuǎn)換）、模擬信號（模數(shù)轉(zhuǎn)換）需要接口電路將其轉(zhuǎn)換成符合TTL電平的數(shù)字信號。信息格式結(jié)構(gòu)復(fù)雜。各個設(shè)備之間的格式各不相同，需要接口電路在CPU與外設(shè)間起協(xié)調(diào)作用，減輕CPU負(fù)擔(dān)。93.1.1接口的功能數(shù)據(jù)緩沖功能：通過寄存器或鎖存器實(shí)現(xiàn)

存放數(shù)據(jù)的寄存器或鎖存器稱之為數(shù)據(jù)口接收、解釋和執(zhí)行CPU命令的功能：存放CPU命令代碼的寄存器稱之為命令口存放執(zhí)行狀態(tài)信息的寄存器稱之為狀態(tài)口數(shù)據(jù)、信號轉(zhuǎn)換功能：協(xié)調(diào)總線信號與I/O設(shè)備信號，轉(zhuǎn)換包括信號的邏輯關(guān)系、時序配合和電平轉(zhuǎn)換103.1.1接口的功能設(shè)備選擇功能：CPU通過地址譯碼選擇不同外設(shè)；即CPU通過地址譯碼選擇不同I/O接口。中斷管理功能可編程功能：增加接口的靈活性和智能性113.1.2接口的分類

1．用戶交互接口

用戶交互接口電路的主要任務(wù)是接受來自用戶的信息或向用戶發(fā)送信息，在這個過程中完成信息表示方法的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸速率的轉(zhuǎn)換。

打印機(jī)接口、顯示器接口、鍵盤接口和語言識別接口等都屬于用戶交互接口電路。

用戶交互接口通常也稱為人機(jī)接口。

122．傳感接口傳感器接口是微機(jī)測控系統(tǒng)所必須采用的接口。傳感接口也可稱作輸入通道。3.控制接口控制接口也是微機(jī)測控系統(tǒng)必須采用的接口，主要解決信號的功率放大和數(shù)模轉(zhuǎn)換兩個問題?？刂平涌谝部煞Q作輸出通道。13

4.內(nèi)務(wù)操作接口

內(nèi)務(wù)操作接口也稱輔助操作接口，主要包括三大總線的驅(qū)動器、接收器、緩沖器、鎖存器、時鐘電路和磁帶磁盤驅(qū)動系統(tǒng)接口等，是微機(jī)系統(tǒng)發(fā)揮最基本的處理和控制功能所必需的接口電路。14隨著VLSI（VeryLargeScaleIntegrated）、微電子技術(shù)的發(fā)展，芯片集成度不斷提高，接口向著“復(fù)雜化、智能化”方向發(fā)展，一個接口芯片可以集成多個不同種類的接口。通過系統(tǒng)集成,傳感器和接口電路可以盡可能地接近,從而在很大程度上降低寄生參數(shù)和外部的干擾.摩爾定律:由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（GordonMoore）提出來的。其內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18個月翻兩倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。15SOC—SystemOnaChip必須發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)（IP）的CPU和各種IP核，以及具有自主知識產(chǎn)權(quán)的操作系統(tǒng)。中國第一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CPU—中科院的“龍芯”（Godson）：通用的面向高端的CPU。上海交大微電子學(xué)院漢芯系列芯片事件。中國的SOC—方舟2號：低功耗、面向嵌入式應(yīng)用，如智能家電、手機(jī)等領(lǐng)域。操作系統(tǒng)：要大力發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的操作系統(tǒng)，建議在重要的部門使用UNIX操作系統(tǒng)—源代碼公開。163.1.3接口的典型結(jié)構(gòu)

1．接口硬件部分接口由硬件和軟件組成圖3-2接口電路的典型結(jié)構(gòu)圖

173.1.3接口的典型結(jié)構(gòu)

CPU一側(cè)引腳信號：地址信號：選擇I/O接口及CPU命令分類；數(shù)據(jù)信號：根據(jù)命令類型，送到對應(yīng)的REG中，或從REG中取得數(shù)據(jù)或狀態(tài)；控制信號：控制命令的執(zhí)行、時序和信號同步；狀態(tài)信號：接口部分的工作狀態(tài)信號；183.1.3接口的典型結(jié)構(gòu)

外設(shè)側(cè)引腳信號：數(shù)據(jù)信號：接口緩沖REG與外設(shè)間的數(shù)據(jù)交換；控制信號：接口的內(nèi)部控制邏輯控制外設(shè)工作的控制信號和同步信號；狀態(tài)信號：外設(shè)工作狀態(tài)送給接口的狀態(tài)REG；高端片選，低端片內(nèi)端口選擇19

數(shù)據(jù)緩沖寄存器

數(shù)據(jù)緩沖寄存器分?jǐn)?shù)據(jù)輸入緩沖寄存器和數(shù)據(jù)輸出緩沖寄存器兩種，分別用以暫時存放輸入設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)或CPU輸出的數(shù)據(jù)。

控制寄存器控制寄存器用于存放處理器發(fā)來的控制命令和其他信息，以確定接口電路的工作方式和功能。

狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器用于保存外部設(shè)備或接口本身當(dāng)前的工作狀態(tài)信息，供處理器作出正確的判斷，使它能安全可靠地與接口完成交換數(shù)據(jù)的各種操做。20

2.接口軟件部分（設(shè)備驅(qū)動程序）一個完整的接口驅(qū)動程序應(yīng)該包括以下部分：初始化程序段初始化程序段是程序中最基本的部分，主要是對可編程接口芯片設(shè)置工作方式和初始條件。傳送方式處理程序段微機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸方式有查詢方式、中斷方式、DMA等多種形式。

21主控程序段主控程序段指完成接口具體任務(wù)的程序段。程序終止與退出程序段程序終止與退出程序段包括程序結(jié)束退出前對接口電路中的硬件保護(hù)程序。輔助程序段輔助程序段包括增強(qiáng)人機(jī)交互作用的人機(jī)對話程序、使操作界面更加友好的菜單設(shè)計(jì)程序等內(nèi)容。223.2輸入輸出數(shù)據(jù)傳送方式CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式有主要有四種，即無條件傳送方式、查詢傳送方式、中斷方式和DMA方式

。

233.2.1無條件傳送方式無條件傳送方式：CPU和外設(shè)之間直接進(jìn)行信息傳輸，而不查詢外設(shè)的狀態(tài)

特點(diǎn)：輸入時假設(shè)外設(shè)已準(zhǔn)備好，輸出時假設(shè)外設(shè)空閑。

要求：輸入時加緩沖器，輸出時加鎖存器。

應(yīng)用：對簡單外設(shè)的操作。

243.2.2查詢傳送方式(條件傳送方式)查詢方式傳送也可稱為條件傳送方式

工作原理：CPU查詢外設(shè)已準(zhǔn)備好后，才傳送數(shù)據(jù)。

特點(diǎn)：CPU與外設(shè)間自然同步。

要求：不需要增加額外的硬件電路。

應(yīng)用：適用于在CPU不太忙時且傳送速度要求不太高時。253.2.2查詢傳送方式(條件傳送方式)數(shù)據(jù)在外設(shè)和主機(jī)之間的傳送過程26圖3-3查詢傳送方式流程圖

273.2.3中斷傳送方式

中斷傳送方式

特點(diǎn)：CPU與外設(shè)可同時工作。

要求：接口中需要中斷控制邏輯支持。

應(yīng)用：計(jì)算機(jī)工作量十分飽滿，而I/O處理實(shí)時性要求又很高的系統(tǒng)，如：實(shí)時采集、處理、控制系統(tǒng)中。

中斷過程：中斷響應(yīng)和中斷處理。283.2.4DMA(直接存儲器存取)傳送方式

DMA（DirectMemoryAccess）傳送方式

特點(diǎn)：數(shù)據(jù)的傳送不經(jīng)過CPU，I/O設(shè)備管理由CPU控制，簡化CPU對I/O的控制。

要求：需要DMA控制器及相關(guān)邏輯支持。

應(yīng)用：適用于高速度大量數(shù)據(jù)傳送。

三種DMA方式：

CPU停止法（成組傳送）

周期挪用（竊?。┓ǎ▎巫謧魉停?/p>

交替分時訪問法：每個存儲周期分成兩個時間片293.2.5I/O處理機(jī)方式I/O處理機(jī)方式

特點(diǎn)：I/O處理機(jī)接管了CPU的各種I/O操作及I/O控制功能，有自己專用的指令系統(tǒng)，CPU能與IOP并行工作。

要求：需要IOP支持。

應(yīng)用：高速I/O歸IOP管理，低速I/O設(shè)備歸CPU管理。303.3.1接口的端口尋址

1.統(tǒng)一編址（存儲器映像編址）

一個端口等同于一個存儲器單元313.3.1接口的端口尋址

優(yōu)點(diǎn)：對I/O端口的訪問命令與對存儲單元訪問相同，不必使用專用I/O指令。外設(shè)數(shù)目或I/O寄存器數(shù)目幾乎不受限制。缺點(diǎn)：I/O端口占用部分MEM空間，可用MEM空間減小。對MEM訪問指令較長，執(zhí)行速度較慢。I/O端口地址譯碼時間較長。程序可讀性差323.3.1接口的端口尋址

2.獨(dú)立編址I/O端口與存儲器地址空間相互獨(dú)立333.3.1接口的端口尋址

應(yīng)用：Z-80系列和x86系列均采用此方式。優(yōu)點(diǎn)：MEM地址空間不受I/O端口地址空間影響；I/O端口數(shù)量不多，占用地址線少，地址譯碼簡單，速度較快；使用專用I/O指令（IN/OUT），與MEM訪問命令（LOAD/STORE）有明顯區(qū)別，便于理解和檢查；缺點(diǎn)：專用I/O指令增加指令系統(tǒng)復(fù)雜性，且I/O指令類型少，程序設(shè)計(jì)靈活性較差；要求處理器提供MEMR/MEMW和IOR/IOW兩組控制信號，增加了控制邏輯的復(fù)雜性。343.3.1接口的端口尋址

3.Intel系列微機(jī)I/O編址

Intel系列微處理器支持I/O獨(dú)立編址方式和I/O統(tǒng)一編址方式。

Intel系列微機(jī)系統(tǒng)僅支持I/O獨(dú)立編址方式。353.3.1接口的端口尋址

4.8086的I/O指令1）輸入指令I(lǐng)NINAL,portINAX,port INAL,DX INAX,DXPort是一個8位的字節(jié)地址，最多訪問256個端口，系統(tǒng)主板接口芯片。用雙字節(jié)地址作端口地址，可以尋址64K個端口。如擴(kuò)展槽上接口卡采用間接尋址，接口地址放在DX中。363.3.1接口的端口尋址

4.8086的I/O指令2）輸出指令OUTOUTport，AL/AX

OUTDX，AL/AX 說明：兩種指令均可傳送一個字或字節(jié)，且只能通過累加器傳送。373.3.1接口的端口尋址

例如：1. INAL，60H；60H為8255A的PA端口地址

OUT61H，AL；61H為8255A的PB端口地址2.輸入時MOVDX，300H;DX指向300H的I/O端口

INAL，DX；從300H端口讀數(shù)據(jù)到ALMOV[DI],AL；將數(shù)據(jù)從AL到存儲器輸出時MOVDX,301H；DX指向301H的I/O端口MOVAL,[SI]；從內(nèi)存取數(shù)到ALOUTDX,AL；數(shù)據(jù)從AL到端口383.3.2地址譯碼方法

地址譯碼的基本概念CPU和外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的時候，需要讀寫接口電路中的端口寄存器，一般通過地址信號和控制信號的不同組合來選擇端口地址，即所謂I/O端口地址譯碼I/O端口地址譯碼的方法很靈活，一般是把地址信號分為兩部分：一部分是把高位地址信號與CPU或總線的控制信號組合起來，通過譯碼電路產(chǎn)生一個片選信號實(shí)現(xiàn)接口芯片的片間選擇；另一部分是把低位地址線直接連到I/O接口芯片，經(jīng)過接口芯片內(nèi)部的地址譯碼電路選擇該接口電路的某個寄存器端口，實(shí)現(xiàn)接口芯片的片內(nèi)尋址

393.3.2地址譯碼方法一個I/O接口對應(yīng)多個連續(xù)的I/O接口I/O接口芯片片選譯碼有效、AEN信號（無效）和I/O地址高位I/O接口芯片內(nèi)部端口譯碼使用I/O地址低位403.3.2地址譯碼方法41

1.固定式端口地址譯碼接口中只有一個端口時可采用門電路構(gòu)成。接口中有多個端口時一般采用譯碼器電路構(gòu)成，常見的譯碼器有74LS138、74LS154等。42輸入輸出真值表43

80x86微機(jī)接口芯片譯碼電路為何中斷控制1端口地址為0020H~003FH？0000100000B~0000111111B44

2.可選式端口地址譯碼

使用比較器+地址開關(guān)方法比較器和地址開關(guān)產(chǎn)生一個信號參與片選74LS688比較器DIP全斷開與全閉合譯碼如何？45

3.緩沖與鎖存1）三態(tài)緩沖器三態(tài)緩沖器是微處理器并行總線接口中必須要使用的一種接口部件，以消除計(jì)算機(jī)與外設(shè)在“定時”或數(shù)據(jù)處理速度上的差異。46

3.緩沖與鎖存2）鎖存器功能是把來自設(shè)備的輸入信息鎖存起來，并一直穩(wěn)定的保存，直到微處理器取走信息。一般采用觸發(fā)器構(gòu)成。47

隨著微機(jī)系統(tǒng)在各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，接口的種類越來越多。為了實(shí)現(xiàn)各種不同的功能，滿足不同場合的需要，人們需要設(shè)計(jì)各種接口電路，把各種設(shè)備和微機(jī)系統(tǒng)聯(lián)系起來，把微機(jī)系統(tǒng)的軟件、硬件資源充分利用起來。3.4接口電路設(shè)計(jì)原則48

3.4.1設(shè)計(jì)與分析接口電路的基本方法