《微型計算機接口技術課件》第1章-概述

2024/9/24微型計算機接口技術1第1章概論本章主要內容

接口的基本任務及接口技術發(fā)展概況

接口分層次概念

設備接口電路的功能與組成分析與設計設備接口電路的基本方法

設備接口電路設計的解決方案2024/9/24微型計算機接口技術2

接口是微處理器與外部設備之間的連接橋梁和信息交換的中轉站，在實際應用中，人們總是利用接口來加入用戶自己的設備或模塊構成應用系統(tǒng)，可見接口技術是微機應用系統(tǒng)開發(fā)必不可少的關鍵技術，所以要學習接口技術。1.1接口的基本任務與接口技術的發(fā)展概況1.1.1接口的基本任務

微機接口的基本任務有兩個：一是實現(xiàn)I/O設備與總線的連接；二是連接起來以后，CPU通過接口對I/O設備進行訪問，即操作或控制I/O設備。如何連接是硬件方面的任務，怎樣訪問是軟件方面的任務。

1.1.2接口技術的發(fā)展概況

在早期的計算機系統(tǒng)中并沒有設置獨立的接口電路。接口經歷了固定式簡單接口、可編程復雜接口和智能接口幾個發(fā)展階段。接口電路的配置形式，也由采用獨立接口芯片的外置式接口，發(fā)展為采用接口模塊的內置式接口。2024/9/24微型計算機接口技術31.2接口的分層次概念

由于微機系統(tǒng)總線結構和操作系統(tǒng)的發(fā)展變化，使接口在完成連接與訪問設備任務時產生了與傳統(tǒng)根本不同的處理方法，形成接口分層次的概念，把接口分成上層設備接口和下層總線接口兩個層次。1.2.1硬件分層

現(xiàn)代微機采用多級總線，除了設備與用戶總線(如ISA)之間的那一層設備接口之外，還有總線與總線的接口(總線橋)。作為連接總線與設備之間的接口就不再是單一層次的，就要分層次了。設備與用戶總線之間的接口稱為設備接口；PCI總線與用戶總線之間的接口稱為總線接口。與早期微機相比，現(xiàn)代微機的外設進入系統(tǒng)需要通過兩級接口才行，即通過設備接口和總線接口把設備連接到微機系統(tǒng)。

1.2.2軟件分層現(xiàn)代微機操作系統(tǒng)，由于保護機制，不允許應用程序直接訪問硬件，應用程序通過調用驅動程序去訪問底層硬件，作為操作設備的接口程序就不再是只有單一的應用程序了，也要分層次。

2024/9/24微型計算機接口技術4分為上層用戶態(tài)應用程序和底層核心態(tài)驅動程序。與早期微機相比，現(xiàn)代微機對外設的操作與控制需要通過兩層程序才行，即通過應用程序和設備驅動程序才能訪問設備。1.2.3接口技術內容的劃分

按照接口分層次的概念，把接口技術的內容分為兩部分：一部分是接口的上層，包括設備接口及應用程序，構成接口的基本內容；另一部分是接口的下層，包括總線接口及設備驅動程序，構成接口的高級內容。

用戶做一般應用開發(fā)時，只涉及接口的基本內容，若要做原創(chuàng)性開發(fā)，則需要考慮接口的高級內容。2024/9/24微型計算機接口技術51.3設備接口

1.3.1設備接口的功能1.執(zhí)行CPU命令

CPU對被控對象外設的控制是通過接口電路的命令寄存器解釋與執(zhí)行CPU命令代碼來實現(xiàn)的。

2.返回外設狀態(tài)

接口電路在執(zhí)行CPU命令過程中，外設及接口電路的工作狀態(tài)是由接口電路的狀態(tài)寄存器報告給CPU的。

3.數(shù)據(jù)緩沖與鎖存

在CPU與外設之間傳輸數(shù)據(jù)時，主機高速與外設低速的矛盾是通過接口電路的數(shù)據(jù)寄存器緩沖來解決的。

4.信號轉換微機的系統(tǒng)總線信號與外設特有功能的信號的轉換是通過接口的邏輯電路實現(xiàn)的，包括信號的功能、邏輯關系、時序配合及電平匹配的轉換。

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5.數(shù)據(jù)寬度與數(shù)據(jù)格式轉換有的外設或通信設備使用串行數(shù)據(jù)，并且要求按照協(xié)議的規(guī)定，以特定的數(shù)據(jù)格式傳輸，而微處理器是使用并行數(shù)據(jù)和普通的數(shù)據(jù)格式。為此，接口電路就應具有數(shù)據(jù)并-串轉換和數(shù)據(jù)格式轉換的能力。

6.設備選擇

當CPU與外設交換信息時，是通過接口的I/O地址譯碼電路選定需要與自己交換信息的設備端口，進行數(shù)據(jù)交換或通信。1.3.2設備接口的組成

1．硬件電路（1）接口電路基本電路

基本電路包括命令寄存器、狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)緩沖寄存器。它們是接口電路的核心，擔負著接收并執(zhí)行命令、返回狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)的基本任務，目前，可編程大規(guī)模集成接口芯片中都包含了這些基本電路，是接口芯片編程模型中的主要對象。若采用FPGA自行設計接口電路模塊至少也必須包含這幾個寄存器。2024/9/24微型計算機接口技術7（2）接口支持電路

支持電路包括用于數(shù)據(jù)交換方式的中斷控制器、DMA控制器；用于尋址I/O設備的端口地址譯碼器；用于速度、頻率控制的定時/計數(shù)器。它們是支持各類設備接口的共用技術，也是CPU的外圍支持電路，是系統(tǒng)配置的資源，因此，用戶一般不需重新設計，只申請使用即可。

（3）供選電路

根據(jù)接口不同任務和功能要求而添加的IC電路，設計者可按照需要加以選擇。例如，串-并轉換的移位寄存器，EAI-TTL轉換的邏輯電平轉換器；控制速度的時鐘發(fā)生器；增強驅動能力和進行信號隔離的IC芯片等。2．軟件編程（1）初始化程序段

一般都根據(jù)設計要求，通過方式命令或初始化命令，設置工作方式、數(shù)據(jù)格式、初始條件以及確定其具體用途，這是接口程序中的基本部分。有人把這個工作叫做可編程接口芯片的“組態(tài)”。2024/9/24微型計算機接口技術8（2）主控程序段

主控程序段是完成接口任務的核心程序段。如數(shù)據(jù)采集的主程序段，包括發(fā)轉換啟動信號、查轉換結束信號、讀數(shù)據(jù)以及存數(shù)據(jù)等內容。又如步進電機控制的主程序段，包括運行方式、運行方向、運行速度以及啟/?？刂频取＃?）傳送方式處理程序段

若采用查詢方式，則有檢測外設或接口狀態(tài)的程序段；若采用中斷方式，則有中斷向量修改、對中斷源的屏蔽/開放以及中斷結束等的處理程序段，且這種程序段一定是主程序和中斷服務程序分開編寫。若采用DMA方式，則有傳輸參數(shù)的設置、通道的開放/屏蔽等處理程序段。（4）輔助程序段

包括人-機對話、菜單設計等內容。人-機對話程序段能增加人-機交互作用；設計菜單使操作方便。2024/9/24微型計算機接口技術91.3.3設備接口與CPU交換數(shù)據(jù)的方式1.查詢方式

查詢方式是CPU主動去檢查外設是否“準備好”傳輸數(shù)據(jù)的狀態(tài)，因此，CPU需花費很多時間來等待外設進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蕚?，工作效率很低。但查詢方式易于實現(xiàn)，在CPU不太忙的情況下，可以采用。2.中斷方式

中斷方式是I/O設備做好數(shù)據(jù)傳輸準備后，主動向CPU請求傳輸數(shù)據(jù)，CPU節(jié)省了等待外設的時間。因此，中斷方式用于CPU的任務比較忙的場合，尤其適合實時控制及緊急事件的處理。3.DMA方式

DMA方式是DMA控制器代替CPU進行數(shù)據(jù)在I/O設備與存儲器之間的直接傳輸管理，在傳輸過程中CPU不干預。這不僅簡化了CPU對輸入/輸出的管理，更重要的是大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。因此，DMA方式特別適合高速度、大批量數(shù)據(jù)傳輸。2024/9/24微型計算機接口技術101.3.4分析與設計設備接口電路的基本方法1．接口芯片的編程模型方法

編程模型是指接口芯片或接口模塊內部可訪問的寄存器及其命令、狀態(tài)，數(shù)據(jù)格式和分配給寄存器的端口地址3個元素。了解與掌握了一個芯片這3個方面的內容，也就可以利用它進行接口的軟件設計了，因此，編程模型也叫芯片的軟件模型。

編程模型方法的實質是強調對硬件對象的應用，而不在意其內部結構，這大大簡化了對硬件對象復雜結構的了解，而又不失對硬件的應用。2．接口兩側分析方法在分析與設計接口時，顯然應該從接口的兩側入手。

CPU一側，面向的是總線的數(shù)據(jù)、地址和控制三總線，情況單一。接口電路與之對接的信號線，只要滿足三總線在電平高低、時序邏輯上的要求并進行號入座連接即可。

I/O設備一側，情況很復雜。分析重點放在兩個方面：一是分析被連I/O設備的外部特性-外設信號引腳的功能與特點，以便在接口硬件設計時，提供這些信號線，滿足外設在連接上的要求；二是分析被控外設的工作原理與工作過程，以便在接口軟件設計時，按照這種過程編寫程序，滿足外設工作條件的要求。以此為依據(jù)來進行接口電路的硬件設計與軟件編程。2024/9/24微型計算機接口技術113．硬軟結合法以硬件為基礎，硬件與軟件相結合是設計設備接口電路的基本方法。1.4接口電路設計的解決方案

所謂接口電路設計的解決方案是指在微機接口電路總體設計時，對接口電路的配置方式和接口電路芯片的選擇進行分析與認定。解決方案與微處理器類型有關，臺式微機（PC機）、嵌入式微機、MCU各不相同。1.4.1接口電路的配置方式

接口電路的配置方式，是指把接口電路安排在微機系統(tǒng)的什么地方，有外置式與內嵌式之分。

1.外置式接口電路

外置式接口電路是把接口電路分立出來，作為獨立的電路，放在微處理器芯片之外，形成各種外圍接口芯片和外圍支持芯片，如并行接口芯片、串行接口芯片、定時與計數(shù)器芯片、中斷控制器芯片等。使用時通過總線與CPU進行連接，一般多在臺式微機中采用。

2024/9/24微型計算機接口技術122.內置式接口電路內置式接口電路是把接口電路當做一個接口功能模塊與微處理器放在同一芯片中，如嵌入式微機和單片機內部包含的并行接口模塊、串行接口模塊、定時/計數(shù)器模塊、中斷控制器模塊等。由于接口模塊與微處理器同在一個芯片內部，CPU與I/O設備之間的接口電路基本結構是一組核心寄存器(1.3.2節(jié)中的接口基本電路)，CPU通過讀寫這些寄存器來與設備通信，在外部只需與I/O設備連接。1.4.2接口電路芯片的選擇根據(jù)接口電路所擔負任務的復雜程度不同，搭建接口電路的元器件有多種選擇，可采用一般的IC電路、可編程的通用/專用接口芯片或可編程的邏輯陣列器件。1.一般的IC芯片利用一般IC芯片中的三態(tài)緩沖器和鎖存器即可組成簡單的I/O端口。例如，采用三態(tài)緩沖器74LS244構造8位輸入端口，讀取DIP開關的開關狀態(tài)；采用鎖存器74ALS373構造8位輸出端口，發(fā)出控制信號，使LED發(fā)光。2024/9/24微型計算機接口技術132.可編程通用/專用接口芯片可編程通用/專用接口芯片功能強、可靠性高、通用性好/針對性強，并且使用靈活方便，因此成為臺式微機系統(tǒng)接口設計的首選。3.FPGA器件