微机接口技术实用教程1

微机接口技术实用教程第1章微型计算机接口技术基础第1章微型计算机接口技术基础[本章重点]★接口的功能特点★接口分类★接口的编址与译码★接口与外设之间的数据传送方式1.1接口技术概述输入/输出(Input/Output，I/O)是计算机与外部世界交换信息所必需的手段。如程序、数据和现场物理量等要通过输入设备进入计算机，计算机运行的结果和各种控制信号要通过输出设备进行显示、打印或实现实时控制等。计算机的外设有机械式、电子式、机电式等，输入输出信号的形式有数字量、模拟量，信息传送方式有串行并行等，可见其种类繁多，采用的信号和数据传送形式、速度有差异。1.1.1接口的定义接口是微处理器（CPU）与外界的连接部分（电路），是CPU与外界进行信息交换的中转站。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，它是软硬件结合的体现，是微型计算机应用的关键。1.1.2接口的功能特点寻址功能输入/输出功能数据缓冲功能设备选择功能信号转换功能接受、解释并执行CPU命令的功能中断管理功能中断管理功能可编程功能错误检测功能复位功能1.1.3接口分类根据通用性可分为专用接口和通用接口。专用接口是为某种用途或某种外设专门设计的接口电路，如DMA控制器。通用接口是多种外设可用的接口电路。根据可编程性可分为可编程接口和不可编程接口。可编程接口是在不改动硬件的前提下，用户可以通过程序设计方法对接口的工作方式等进行调整，增加了接口的灵活性和可扩展性。根据数据的传送方式可分为并行接口和串行接口。并行接口是以字节或字为单位进行传送，串行接口则是按位进行传送。根据工作对象可分为面向CPU的外围接口和面向外设的I/O接口。面向CPU的外围接口和CPU配套使用，以提高CPU的性能，例如中断控制器，可以提高CPU的中断控制能力。面向外设的I/O接口可将不同类型的外设连接到当前系统中。1.2接口中传输信息及其组成数字量通常以8位或16位的二进制或ASCII码形式传输。例如，由键盘读入的信息，主机送给显示器、打印机的信息。模拟量模拟量指电压或电流，甚至非电量(温度、湿度、位移、压力、流量等)，经过传感器转换成连续变化的电信号，再经A/D转换器变成数字量形式进行传输。例如在控制系统中，多数情况下输入信息是现场连续变化的物理量（模拟量），经过A/D转换后才能送入计算机内部。开关量开关量即用一位二进制位（“0”或“1”）表示两种状态，如开关的通与断，电机的转与停，阀门的开与关等。1.2.1数据信息1.2.2状态信息用于表示外设工作状态的信号叫状态信息，是由外设通过接口传递到CPU的。状态信息反映了外设所处的现行状态，如打印机是否忙（BUSY），输入设备是否准备好（READY）等。1.2.3控制信息控制信息是CPU通过接口传送给外设的。在CPU与外设的信息交换过程中，需要向外设发布控制命令，这些控制信号由CPU发给接口电路，经接口电路解释并做适当变换后（根据实际需要），去控制外设的工作。例如外设的启动信号和停止信号是最基本的控制信息。1.2.4接口电路的一般结构CPU外部设备地址译码控制逻辑总线驱动数据寄存器状态寄存器控制寄存器DBABCB数据信号状态信号控制信号接CPU侧接外设侧接外设侧在接外设侧的接口电路中，主要包括数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器。其中，数据寄存器用于暂时存放输入（来自于外设的）或输出（CPU写给外设的）的数据；状态寄存器用于暂时存放外设的工作状态信息，供CPU进行查询（或向CPU申请的中断信息等），状态寄存器中的内容一般是只读的；控制寄存器用于暂时存放CPU发给外设的控制命令，如接口的工作方式命令字，控制寄存器是写寄存器，只能写入，不能读出。接CPU侧在接CPU侧的接口电路中，主要包括总线驱动、地址译码和控制逻辑等。其中，总线驱动器用于实现速度配合和满足驱动能力的需要；地址译码器用于实现对内部寄存器的寻址；控制逻辑电路包括读写控制信号、复位信号等。对于上述结构，并不是所有的接口都含有，但数据寄存器、地址译码、控制逻辑是必须的。1.3接口的编址与译码接口电路通常包含若干个寄存器，数据传送时，不同的信息送入不同的寄存器。能够用IN/OUT指令对其进行读写操作的寄存器称为端口寄存器，即能被CPU直接访问的寄存器，简称“端口”。1.3.1端口分类数据端口数据端口存放数据信息，在输入过程中，数据信息是由外设经过接口电路中的数据端口，此时可使用IN指令进行读取，CPU获得数据。在输出过程中，可执行OUT指令将数据信息从CPU经过数据总线送入接口电路的数据端口，在通过接口和外设间的数据线送到外设。状态端口状态端口存放状态信息，表示外设当前工作状态的信息，CPU可通过读取这些信息来查询当前的工作情况。在输入接口电路中，状态信息能够表示出输入数据是否准备好的状态，在输出接口电路，状态信息能表示出输出设备忙、闲的状态。控制端口控制端口存放控制信息，控制信息是CPU通过接口传送给外设的，以控制外设的工作。1.3.2I/O端口的编址方法采用存储器映像方式（统一编址）统一编址是将存储空间划出一部分给I/O端口。对I/O操作与对存储单元操作完全相同。其特点是I/O操作能使用对存储器操作的所有指令，不需要专门的I/O指令，它使CPU访问I/O端口的操作比较灵活、方便，有利于提高端口数据处理速度。但I/O端口占用了有效的存储器空间。I/O映像方式（独立编址）独立编址是指I/O端口地址不占用存储空间，所有的I/O端口地址单独构成一个I/O空间，访问I/O端口使用专用I/O指令（IN/OUT）。其特点是取周期较短，效率较高，寻址范围大，是微机系统中普遍采用的一种编址方式，但需要专门的信号区分是访问存储器还是I/O端口。1.3.3I/O端口地址的译码方法端口地址译码的方法可分为固定式地址译码和可选式地址译码。固定式地址译码用逻辑门电路进行译码用译码器进行地址译码可选式地址译码读写IO图1-22A5H端口地址译码电路A9A7A5A2A0A8A6A4A3A1AENIORIOW2A5H2A5H2A5H读写图1-3译码器组成的译码电路图1-4开关可选地址译码逻辑电路1.3.4CPU的I/O指令直接寻址INAL，n；8位端口地址，输入一个字节OUTn，AL；8位端口地址，输出一个字节间接寻址INAL，DX；16位端口地址，输入一个字节OUTDX，AL；16位端口地址，输出一个字节1.4CPU与外设之间的数据传送方式程序控制方式无条件传送方式（同步传送方式）条件传送方式（查询传送方式）1.4.2中断传送方式中断是微处理器程序运行的一种方式，计算机在执行正常程序的过程中，当出现某些紧急情况、异常事件或其他请求时，处理器会暂时中断正在运行的程序，转去执行对紧急情况或其他请求的操作处理，处理完成后，CPU回到被中断程序的断点处接着继续执行，这个过程称为中断，中断是现代计算机有效合理地发挥效能和提高效率的一个十分重要的功能。1.4.3DMA传送方式(存储器直接存取方式)DMA是指外设与存储器或者存储器与存储器之间直接传输数据的方式，在这种方式中，外设与存储器或者存储器与存储器之间直接传输数据由专用接口芯片DMA控制器(简称DMAC)来管理。当外设需传送数据时，先通过DMAC向CPU提出请求，CPU收到请求并发出总线响应信号，然后CPU释放总线，由DMAC接管总线并控制数据的传送过程，减少了中间环节，提高了传送速度和CPU的效率。1.5接口技术的现状及发展微机外围接口芯片品种繁多，例如并行接口芯片8255A、8155A、Z80-PIO；串行接口芯片8250A、8251A、Z80-SIO；定时器/计数器8253、8254、Z80-CTC5；中断控制器8259A；DMA控制器8237A、Z80-DMA；键盘/LED专用控制器8279；CRT控制器6845、8275；磁盘控制器μPD765、6843等。另外，在模拟接口中，还要用到A/D转换器ADC0809和D/A转换器DAC0832等。接口技术的发展趋势是大规模和超大规模芯片，并向智能化、技术化、系列化和一体化方向发展。随着多媒体、超媒体技术的出现，相应的接口器件也会不断涌现。1.6接口的设计与分析接口两侧的分析和设计接CPU侧接口芯片与CPU数据线的连接是接口设计和分析的一个关键，一般接口芯片的数据线是8位或16位的，而CPU的数据线一般是16位或32位，甚至更多。通常是将接口芯片的数据线连接CPU的地位部分。将低地址线连到接口芯片的地址线上(不同芯片需接的地址线条数可能不同)，而其余地址线作为片选译码电路的输入。不同的CPU的主要区别在控制线上，这是设计和分析接口的重点。要考虑逻辑上的关系和分析时序上的配合。接外设侧对于外设连线有数据线、控制线和状态线三种。设计和分析的重点应放在控制和状态线上，如接口同一个引脚接不同外设时作用可能不同，外设的速度差异，在时序上如何借助接口与CPU配合。1.6.2信号转换接口芯片的信号线有的可以直接与CPU系统进行连接，有的则需进行处理或转换，才能连接，如逻辑上、时序上或电平上的转换。与外设一侧的信号线进行连接时，同样需要转换才能连接。总之，CPU和外设之间的各种不匹配都要由接口电路完成双方的匹配和协调工作以保证信息的正确传输。1.6.3驱动程序接口设计不仅包括硬件上方面，还包括软件方面，如编写驱动程序。这就需要掌握接口芯片的控制字各位的含义、控制字使用顺序及场合、对应的端口号、接口的工作方式，然后，根据硬件连接关系编写出驱动程序，包括接口的初始化程序和接口控制的输入/输出工作程序。1.6.4应注意的问题确定系统的功能指标硬件和软件的任务划分系统考虑逻辑与时序关系兼顾简单、通用和扩展的原则