微型计算机接口及控制技术 教学课件 ppt 作者 古辉 第1章 绪论

1、1,微机接口技术,第一章 绪 论,浙江工业大学信息学院 古辉 ,2,第一章 绪 论,本章内容 1.1 微机接口与接口技术 1.2 接口功能 1.3 接口的组成 1.4 接口电路的结构形式 1.5 与接口交换数据的方式 1.6 按口的分类 1.7 分析与设计接口电路的基本方法 1.8 接口技术的发展趋势 学习建议,3,1.1 微机接口与接口技术,微机接口 微机与外界设备的连接部件( 电路、芯片、器件 ) CPU与外界进行信息交换的中转站 接口的全称叫输入输出接口或I/O接口 接口的作用 原始数据和源程序要通过接口从输入设备输入，而运算结果要通过接口输出到输出设备； 控制命令通过接口发出去，设备的状态通过接口取进来。,4,1.1 微机接口与接口技术,图1.1 微机系统中接口的类型,5,1.1 微机接口与接口技术,设置接口电路的原因 匹配CPU与外部设备的速度。 输入、输出信号逻辑功能、电平和驱动能力、时序关系的转换。如数字量、模拟量等。 信号传送方式的转换。如串行、并行等。 提高CPU的工作效率。 接口电路用来有效地完成CPU与外界的信息交换，协调CPU和外设的工作。,6,1.1 微机接口

2、与接口技术,微机接口技术 接口技术是研究CPU如何与外部世界进行最佳耦合与匹配，以实现双方高效、可靠地交换信息的一门技术。 微机接口它是软硬件结合的体现，它的综合性很强，所涉及的知识面包括：微机原理、汇编语言(或高级语言)程序设计、电子技术、自控原理以及通信技术等多门课程的基础理论和专业知识。,7,1.1 微机接口与接口技术,接口技术是微机应用的关键之一 在微型计算机系统中，微处理器的功能必须通过外部设备才能实现； 外设与微处理器之间的信息交换及通信又是靠接口来实现的。,8,1.2 微机接口的功能,一般地，接口部件应具有如下功能特点 数据输入输出及数据缓冲功能； 设备选择功能； 电气特征的匹配与信号转换功能； 保存外设状态、执行CPU命令功能； 错误检测功能； 中断管理功能； 可编程功能。 对于一个具体的接口，根据需要可以只具备其中的几项功能 。,9,1.2 微机接口的功能,数据输入输出及数据缓冲功能 接口中一般都设置数据缓冲寄存器或锁存器，直接连在系统数据总线上，以解决高速CPU和低速外设之间的速度配合。数据缓冲寄存器有两种： 输入缓冲寄存器：用来暂存外设送来的数据，以待CPU将它取

3、走； 输出缓冲寄存器：用来暂存CPU送往外设的数据。,10,1.2 微机接口的功能,设备选择功能 微机系统中常常有多台、多种外设，而CPU在同一时间里只能与一台外设交换信息，这就要借助于接口的地址译码对外设进行寻址。 一般地，高位地址用于接口芯片电路的选择（CS），低位地址用于选择接口芯片电路内部寄存器，以选定需要与CPU交换信息的外设。,11,1.2 微机接口的功能,电气特征的匹配与信号转换功能 对于由MOS工艺制造的微处理器，由于它的输出电流、电平与扇出能力不能与外部设备相匹配，其间必须加有缓冲的电路。 由于外设所能提供和所需要的各种信号往往与微机总线信号不兼容，因此接口应该具有信号变换的功能。 通常遇到的信号变换包括：信号电平转换、模数和数/模转换、串并和并串转换、数据宽度变换及信号的逻辑关系及时序上的配合所要求的变换等。,12,1.2 微机接口的功能,保存外设状态、执行CPU命令功能 CPU发往外设的各种命令都是以代码的形式先发到接口电路，再由接口电路解释后，形成一系列控制信号送往外设 (被控对象) 的。为了实现CPU与外设之间的联络，接口电路还必须提供寄存器的“空”或“满”，

4、反映外设“忙”或“闲”等状态信号。 错误检测功能 接口应能对信息传输过程中发生的传输错误；溢出错误等进行检测。,13,1.2 微机接口的功能,中断管理功能 当外设需要及时得到CPU的服务，例如，在出现故障而要求CPU进行刻不容缓的处理时就应在接口中设置中断控制逻辑，由它完成向CPU提出中断请求，进行中断优先级排队，接收响应信号以及向CPU提供中断向量等有关中断事务工作。这样，除了能使CPU实时处理紧急情况外，还能使快速CPU与慢速外设并行工作，从而提高CPU的工作效率。,14,1.2 微机接口的功能,可编程功能 为使接口具有较强的通用性、灵活性和可扩充性，现在的接口芯片大多数都是可编程的。这样在不改变硬件的条件下，只改变驱动程序就可改变接口的工作方式和功能，以适应不同的用途。 需要说明的是，并非每个接口芯片（电路）都同时具备所有功能，对不同配置和不同用途的微机系统，其接口芯片的功能及实现方式有所不同，接口电路的复杂程度差异很大。,15,1.3 接口的组成,为了实现前述接口电路的功能，需要 硬件和软件两方面的支持： 物理基础硬件 驱动程序软件,16,1.3 接口的组成,一个简单的I/O接

5、口示意图,简单的I/O接口框图,17,1.3 接口的组成,接口的硬件部分主要包括： 基本逻辑电路：包括命令寄存器、状态寄存器和数据缓冲寄存器。它们担负着接收执行命令、返回状态和传送数据的基本任务，是接口电路的核心。 端口地址译码电路：它由译码器或能实现译码功能的其他芯片构成。它的作用是进行设备选择，是接口中不可缺少的部分。这部分电路要由用户自行设计。 供选电路：根据接口不同任务和功能要求而选择不同的功能模块电路。例如，当涉及到数据传输时，可考虑中断控制或DMA控制器的选用；当涉及到速度控制和发声时，可考虑定时计数器的选用；当涉及到数据宽度转换时，可考虑到移位寄存器的选用等等。,18,1.3 接口的组成,按存放信息的不同，I/O端口可分为三种类型 数据端口：用于存放CPU与外设间传送的数据信息 状态端口：用于暂存外设的状态信息 控制端口：用于存放CPU对外设或接口的控制信息，控制外设或接口的工作方式。,19,1.3 接口的组成,一个端口可能存在多个寄存器 在一个可编程接口中，一个控制端口可能包括多个控制寄存器。例如，方式选择寄存器、输入输出选择寄存器、中断矢量寄存器等。 那么如何选择同端

6、口不同的寄存器呢？,20,1.3 接口的组成,关于同端口多寄存器的访问解决方法 特征位法：在每次写入控制信息中留出若干位用于区分写入的是哪一种命令字。这些位称为特征位。 索引法：每次写入控制信息时先写入索引值，然后写入命令字。由索引值决定命令字写入哪一个寄存器。此方法在命令种类多时尤其有用。 特定顺序法：这种方法要求写入命令字时要按照严格的写入次序。由事先定好的次序决定哪一个命令字写入哪一个寄存器。,21,1.3 接口的组成,软件编程 由于被控对象的多样性，接口电路需要不同的实现策略。从实现接口的功能来看，一个完整的设备接口程序大约包括如下一些程序段。 初始化程序段 传送方式处理程序段 主控程序段 程序终止与退出程序段 辅助程序段 以上这些程序段是相互依存的整体。,22,1.4 接口电路的结构形式,接口电路的结构形式 是指采用什么样的元件、器件或部件，以什么方式来构成接口电路。接口电路一般有以下几种结构形式。 固定式结构 半固定式结构 可编程结构 智能型结构,23,1.4 接口电路的结构形式,固定式结构 固定式结构采用中、小规模的集成电路逻辑芯片，按设计要求组合而成。 特点是： 电路的

7、工作方式和功能固定不变； 不可编程的接口电路； 一般用于接口任务比较简单的场合。,24,1.4 接口电路的结构形式,半固定式结构 采用GAL或PAL可编程逻辑器件构成的接口电路。特点是： 写入不同的逻辑表达式，可以实现不同的接口功能； 逻辑表达式一旦烧入芯片，其功能和工作方式又都固定下来； 体积小，功能强； 可以加密。,25,1.4 接口电路的结构形式,可编程结构 采用大规模集成接口芯片。特点是： 工作方式和功能可以通过编程方法加以改变； 种类繁多，使用灵活，适应面宽； 能满足不同外设接口的需要。,26,1.4 接口电路的结构形式,智能型结构 采用专门设计的I/0处理器或通用单片微机，构成智能接口。特点是： 外设的全部管理功能都可由智能接口来完成； 中央处理器从繁重的外设管理中解脱出来，大大提高了系统的效率和数据吞吐量。,27,1.5 CPU与接口交换数据的方式,传送数据方式 CPU与外部设备之间交换数据的方式不同，表现在对外设的控制方式不同，从而使接口电路的结构及功能也不同。 在微机中，传送数据一般有种方式： 程序控制方式 中断传送方式 DMA传送方式,28,1.5 CPU与接口交换

8、数据的方式,程序控制方式 无条件传送方式 (又称同步传送方式) 在这种方式中，CPU始终认为外设是在准备好状态，在程序中的适当位置直接运行I/O指令完成数据的传输。其特点是： 软、硬件设计十分简单； 只适用于外设动作时间已知的场合。如开关、LED显示这些简单设备中输入输出中运用。,29,1.5 CPU与接口交换数据的方式,有条件传送方式 (又称查询传送方式) 在这种方式中，每次执行I/O操作之前，CPU先查询外设的状态，当外部设备准备好时才执行I/O指令实现数据传送。 特点是： 接口电路简单，易于实现； CPU的工作效率很低； 适合于速度要求不高的场合。 下面的工作框图表示了这种方式。,30,1.5 CPU与接口交换数据的方式,带延时等待的查询流程图,31,1.5 CPU与接口交换数据的方式,中断传送方式 当外设准备好进行数据传输时，通过接口向CPU提出中断请求，CPU在满足响应中断的条件时，向接口发出中断响应 (回答) 信号，然后转去执行中断服务程序，从而完成数据传送。 特点是：CPU与外设并行工作 ，大大提高了CPU的工作效率。 下图表示了中断处理传送数据方式。,32,1.5 CP

9、U与接口交换数据的方式,中断方式传送数据示意图,33,1.5 CPU与接口交换数据的方式,DMA传送方式 DMA方式称为存储器直接存取方式。 当外设需传送数据时，先通过DMA控制器（DMAC）向CPU提出请求，CPU收到请求并发出总线响应（回答）信号，同时交出总线控制权，由DMAC接管总线并控制数据的传送过程。 特点：适用于高速大批量数据传送。电路结构复杂。,34,1.6 按口的分类,按使用的角度分类 可分为系统接口和应用接口。 系统接口指的是微型机工作所必不可少的接口，它是微型机的一部分。例如，系统控制器、中断控制器、CRT控制器等。 应用接口是相对系统接口而言，它是微型机应用中使用的接口。例如，过程控制中使用的模/数和数模转换接口、可编程并行接口等。该类接口不是微型权工作所必须的，但使得微型机应用更为简单、应用范围更广。,35,1.6 按口的分类,按应用的范围分类 可分为专用接口和通用接口。 专用接口是专门用于某一用途的电路，例如，磁盘控制器、CRT控制器等。 通用接口是可供多种外部设备使用的标准接口，一般指可编程并行、串行接口等。通用接口通常制造成集成电路芯片，称为接口芯片。它还可以和专用接口结合一起使用，构成功能更强的接口。 最初的IBM-PC使用了6块接口芯片：8284、8288、8255、8259、8237、8253。 后来的微机将这些芯片集成为大规模集成电路芯片，称为芯片组。如82430TX芯片组，由两片芯片组成：北桥82439TX和南桥82371AB。,36,1.6 按口的分类,IBM-PC中的通用接口(芯片组),37,1.6 按口的分类,按信息的传输形式分类 可分为并行接口和串行接口 按使用的信号类型分类 可分为数字接口和模拟接口 按照可编程性分类 硬布线逻辑接口芯片 可编程接口芯片。可编程接口芯片的功能可以由指令来控制 按功能分类 输入接口、输出接口、外存接口、过程控制接口、通信接口、智能仪器接口,38,1.7 分析与设计接口电路的基本方法,两种方法 尽管各种接口芯片的功能和引脚均不相同，但在使用方法上有共同之处，在进行接口电路的分析和设计时的基本方法也是相同的。常用的有两种方法： 两侧分析法 硬软结合法 具

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