计算机接口技术.

第一章接口技术概述第一节计算机的分类第二节接口的作用第三节I/O端口地址译码第四节数据输入输出方式1.计算机的分类•按处理对象•按使用范围•按性能数字计算机模拟计算机通用计算机专用计算机单片机巨型计算机大型计算机中型计算机小型计算机微型计算机数字计算机•巨型机：超级计算机,大型科学计算领域•大型机:多为通用型机，计算机通信网•中型机:中小型局部计算机通信网中的管理•小型机:和微型机没有严格的界限•微型机:通用微机•单片机:控制专用微机巨型机•又称超级计算机，是所有计算机中价格最贵、功能最强大、运算速度最快的计算机，运算速度可达每秒百万亿次。•多用于国家高科技领域和国防尖端技术中•巨型机是衡量一个国家经济实力和科学水平的重要标志。•将很多微处理器连接起来达到极快速度的巨型主机。银河Ⅱ1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I”超级计算机应用:天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探,卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。CRAY-Ⅱ中国超级计算机：国防科技大学研制的银河1号,银河2号和银河3号国家职能计算机中心推出的曙光1000,曙光200I和曙光3000IBM:Seaborg•6080个CPU最大平均速度7.304TF(1012)中国天河-1A：全球超级电脑排名第1建成日期：2010年简介：该电脑用于执行石油勘探及飞机模拟等计算任务，也用于向没有超级电脑的国家出租，运行速度达每秒2.5千万亿次。沃森（Watson）：世界上玩Jeopardy游戏最好的电脑建成日期：2010年Jeopardy节目冠军，打败2位超级玩家的电脑，将人工智能提高到新的高度。沃森可自己组织语言，无需人工帮助。数字计算机•巨型机：超级计算机,大型科学计算领域•大型机:多为通用型机，计算机通信网•中型机:中小型局部计算机通信网中的管理•小型机:和微型机没有严格的界限•微型机:通用微机•单片机:控制专用微机单片机微型机小型机中型机大型机巨型机低高体积功能数据存储器指令系统价格简易性低高•随着超大规摸集成电路的迅速发展,今天的小型机可能是明天的微型机,而今天的微型机可能是明天的单片机。2.微型计算机的定义•所谓“微型计算机”是指这样的计算机：以大规模、超大规模集成电路为主要部件，以集成了计算机主要部件—控制器和运算器的微处理器为核心所构造出的计算机系统。Intel4004和采用4004的计算器微处理器时代的开端微型计算机的标志•把控制器和运算器即CPU集成在一个或几个芯片上。80386Pentium8086CPU3.微型计算机的基本结构•运算器•控制器•存储器•输入设备•输出设备数据总线DB控制总线CB地址总线AB存储器I/O接口输入设备I/O接口输出设备CPU微型计算机的结构示意图单片机•是把微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。•中央处理器CPU,随机存取存储器RAM,只读存储器ROM,I/O接口电路，定时器/计数器，中断系统，串行通讯接口等8051型单片机芯片的照片数据总线DB控制总线CB地址总线AB存储器I/O接口输入设备I/O接口输出设备CPU微型计算机的结构示意图+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单片机和微型机的区别单片机和微型机的区别在于其集成性，单片机牺牲了广泛意义上的通用性，主要适用于工业控制或者是集成在产品中。第二节接口的作用1.接口的定义微机接口（interface）就是微机处理器CPU与外部世界的连接电路，是CPU与外界进行信息交换的中转站。•存储器通常在CPU的同步控制下工作，接口电路比较简单；•I/O设备品种繁多，其相应的接口电路也各不相同，因此，习惯上说到接口只是指I/O接口。I/O接口电路•I/O接口是位于CPU与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路CPU接口电路I/O设备2.为什么需要I/O接口电路？•信息类型与信号电平的不匹配•速度不匹配•时序的不匹配•信息格式的不匹配必须经过中间电路再与系统相连，这部分电路被称为I/O接口电路3.接口技术•是研究CPU如何与外部世界进行最佳耦合与匹配，实现双方高效、可靠地交换信息的一门技术，是软件、硬件结合的体现，是微机应用的关键。•接口技术是采用硬件与软件相结合的方法。硬件－－接口电路原理软件－－接口编程方法4.I/O接口的主要功能•对输入输出数据进行缓冲和锁存•对信号的形式和数据的格式进行变换•址址译码功能•与CPU和I/O设备进行联络对输入输出数据进行缓冲和锁存由于外设的速度慢，而CPU和总线又十分繁忙，所以•在输出接口中，要求对数据具有锁存能力，安排锁存环节（常用锁存器）；•在输入接口中，要求对数据具有控制能力，安排缓冲环节（常用三态门）。输出接口的锁存环节内部数据总线外部数据引脚锁存控制DCQDCQDCQ输入接口的缓冲环节内部数据总线外部数据引脚选通缓冲器对信号的形式和数据的格式进行变换•将电平信号变为电流信号、弱电信号变为强电信号、数字信号变为模拟信号、并行数据格式变为串行信号等址址译码功能•CPU在同一时间里只能与一台外设交换信息，这就需要接口中的地址译码电路进行地址译码以选定所需的外设与CPU交换信息。与CPU和I/O设备进行联络•I/O接口位于CPU和外设的中间，在进行数据传送时，既要面向CPU进行联络，又要面向外设进行联络。•联络的具体内容有状态信息、控制信息和请求信息等。5.I/O接口的典型结构P.6控制总线CB地址总线ABI/O接口电路数据控制状态数据总线DBCPU外设控制寄存器状态寄存器数据寄存器5.I/O接口的典型结构数据线控制线状态线DBCBAB数据输入寄存器(or三态门)数据输出寄存器(锁存器)状态寄存器(or三态门)命令寄存器译码电路控制逻辑接口电路的内部结构从应用角度看内部：⑴数据寄存器保存外设给CPU和CPU发往外设的数据⑵状态寄存器保存外设或接口电路的状态⑶控制寄存器保存CPU给外设或接口电路的命令5.I/O接口的典型结构控制总线CB地址总线ABI/O接口电路数据控制状态数据总线DBCPU外设控制寄存器状态寄存器数据寄存器接口电路的外部特性主要体现在引脚上，分成两侧信号面向CPU一侧的信号：–用于与CPU连接–主要是数据、地址和控制信号面向外设一侧的信号：–用于与外设连接–提供的信号五花八门–功能定义、时序及有效电平等差异较大6.I/O端口（PORT）P10•端口泛指I/O地址，通常对应寄存器•一个接口电路可以具有多个I/O端口，每个端口用来保存和交换不同的信息•数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器占有的I/O地址常依次被称为数据端口、状态端口和控制端口，用于保存数据、状态和控制信息•输入、输出端口可以是同一个I/O地址I/O操作本质：I/O端口的操作•端口（port）：接口电路中能被CPU直接访问的寄存器•端口的种类：数据口、状态口、命令口I/O端口的编址方式P10端口统一编址端口独立编址统一编址（存储器映象方式）•M与I/O共用整个地址空间；I/O端口与存储单元等同—M与I/O地址不重叠00FFH0000H0100HFFFFH地址...M空间I/O空间...（64KB）整个地址空间（256个）（65280个）统一编址8051单片机采用与存储器统一编址存储器部分I/O部分存储器空间00000FFFFF•优点：–不需要专门的I/O指令–I/O数据存取与存储器数据存取一样灵活•缺点：–I/O端口要占去部分存储器地址空间–程序不易阅读（不易分清访存和访问外设）独立编址•M与I/O分开编址、互不干扰——M与I/O地址重叠•I/O映象、专用I/O指令方式FFH00H地址I/O空间...（256个）（64KB）M空间地址0000HFFFFH...独立编址P1280x86采用I/O端口独立编址内存空间I/O空间FFFFF000FF•优点：–I/O端口的地址空间独立–控制和地址译码电路相对简单–专门的I/O指令使程序清晰易读•缺点：–I/O指令没有存储器指令丰富端口的独立编址8086总线A19-A0A15-A0MEMR、MEMWIOR、IOW、BHE存储器输入/输出专门的I/O指令INAL,nINAL,DXINAX,nINAX,DXOUTn,alOUTDX,ALOUTn,AXOUTDX,AX直接寻址,可寻址间接寻址,可0～255个端口寻址64K