85微机接口技术

2第一章概述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1.5CPU与接口交换数据的方式1.6分析与设计接口电路的基本方法31.1微机接口与接口技术1.接口技术：微机接口技术是采用软硬件结合方法，研究微处理器如何与其外部设备或电路进行最佳耦合与匹配，以在CPU与外部之间实现高效、可靠的信息交换的一门技术。外部设备或电路是指除CPU本身以外的存储器、I／O设备、控制设备、测量设备、通信设备、多媒体设备、A／D、D／A转换器等。2.接口(电路)：接口(interface)就是CPU与外界的连接部件(电路)。CPU据此与其外部进行数据交换。43.接口与总线的连接外设通过各自的接口电路连到微机系统的总线上。选用某种外设，设计相应的接口电路，接到系统总线上，就可构成所要求的应用系统。在具体连接时，考虑到信号在总线上的停留时间短、总线的带负载能力不是无限的。DB上常用有三态和驱动能力的双向缓冲器(如74LS145)，CB和AB常用三态驱动器(如74LS244)5接口电路的作用在于：①、解决CPU与外设在信号线的功能定义、逻辑定义(高电平有效、低电平有效、脉冲上升沿/下降沿触发)和时序关系上的不兼容问题。②、解决CPU与外设的速度不匹配。③、避免CPU直接对外设实施控制，从而提高CPU的效率。④、使外设的硬件结构不依赖与CPU，有利于外设自身的发展。61.2接口功能1．接收和执行CPU命令CPU控制命令→接口的命令寄存器(命令口)。接口电路识别和分析命令代码，形成若干控制信号→I／O设备。2.返回外设状态用于同CPU联络。接口常设有状态寄存器(状态口)。提供数据口的“空”、“满”及外设“就绪”、“忙”、“闲”等状态信号。为CPU下一步操作提供判断依据。73.数据缓冲功能用于解决主机与外设速度不匹配的矛盾、避免丢失数据。接口中设置数据缓冲寄存器或锁存器(数据口)，暂时存放输入输出的数据。由于它们直接连在系统数据总线上，故必须具有三态特性。可见，CPU与外设之间有“控制”、“状态”、“数据”三种信息的传递。4．信号转换功能外设所需的控制信号和它的状态信号往往同微机的总线信号不兼容。因此，信号转换就成为接口设计中的一个重要任务。包括CPU的信号与外设的信号的逻辑关系上，时序配合上以及电平匹配上的转换。85．设备选择功能微机系统中一般带有多个外设，而CPU在同—时间里只能与一台外设交换信息，这就要对接口进行选择，即所谓片选。而接口内还有若干不同的端口，CPU要与它们进行交互，还要进行片内的端口寻址，因此需要I/O端口地址译码电路。通常，用CPU发送到ABUS的地址信号中的若干高位地址用于芯片选择(广义地说就是外设选择)，若干低位地址进行芯片内部端口的选择，以选定与CPU交换信息的外设。96．数据宽度与数据格式的转换CPU所处理的是并行数据(8位、16位或32位)，而有的外设(如串行通信设备、磁盘驱动器等)只能处理串行数据。在这种情况下，接口就应具有数据“并←→串”的变换能力。为此，在接口中要设置移位寄存器。有些外设与CPU在交换的数据，在交换过程中有一定的格式要求。如，串行通信中的起止式异步通信数据格式及面向字符的同步通信数据格式。这就要求接口有数据格式的转换功能。101.3接口的组成：一、硬件电路11二、软件编程接口程序常包含以下程序段：1.初始化程序段：设置可编程接口芯片工作方式及初始条件。2.传送方式处理程序段：CPU与外设的数据交换可以有查询、中断、DMA等不同方式。必须要有相应的程序段保证其实现。比如，查询方式要检测外设或接口的状态；中断方式要修改中断向量，开放/屏蔽中断源；DMA方式要开放/屏蔽有关通道等。3.主控程序段：完成接口任务的程序段。如，实现数据采集；控制步进电机起停、方向、速度等。4.程序终止与退出程序段：包含对接口中硬件的保护程序段。如，芯片中某些引脚的电平高低。5.辅助程序段：包含人-机对话、菜单设计等。121.4接口电路的结构形式1.固定式结构：用中、小规模集成电路IC逻辑芯片设计实现、具有固定的工作方式和功能的不可编程的接口电路。用于简单任务。2.半固定结构：指用GAL、PAL构成的接口电路。它是把用户设计接口时设计的各种“与”、“或”逻辑表达式，通过专门的编程软件或编程器烧入GAL、PAL而形成的接口电路。一旦烧入，其工作方式和功能也就固定了。133.可编程结构：采用大规模集成接口芯片构成的接口电路，工作方式和功能可通过编程来改变，使用灵活方便、适应面宽。4.智能型结构：采用专门的I/O处理器或通用的单片机组成的接口电路。此微处理器可以对外设进行全面管理，使CPU得以解脱，从而大大提高了系统的效率。141.5CPU与接口交换数据的方式1.程序控制方式：分为无条件传送方式和条件传送方式两类。①无条件传送方式(同步方式)本传送方式所需的条件就是：CPU与外设准确同步；外设和CPU始终是准备好的。这是一种最简单的输入／输出控制方式，CPU直接执行程序中的I/O指令来实现数据传送。一般只需要数据端口。②查询方式(条件传送方式)：由CPU通过I/O指令询问指定设备的当前状态。进而决定是否进行数据传输的一种方式。程序查询方式流程可描述如下：15程序查询方式流程本方式多用于CPU不太忙且速度要求不高的场合162.中断方式：本方式要求在CPU与外设之间设置中断控制器，当外设提出中断申请时，若CPU响应中断，则调用中断服务程序进行数据交换。本方式适于CPU较忙，如有多个外设需要与CPU交换数据或实时控制的场合。CPU省去了对外设状态查询和等待的时间，从而使CPU与外设可以并行地工作，因此大大提高了CPU的效率。173.直接存储器存取(DMA)方式本方式由DMA控制器实现内存与外设，或外设与外设间的数据直接传送，数据传送的控制权在DMAC。不经过CPU，速度快，但由于要使用DMA芯片，增加了硬件的开销。本方式的控制流程如下：181.6分析与设计接口电路的基本方法1.两侧分析法凡接口都有两侧，一侧是CPU。另一侧是外设。对CPU一侧，要弄清：CPU类型；数据总线的宽度(8位、16位、32值等)；地址总线的宽度(16位、20位、24位)；控制总线的逻辑定义(高电平有效、低电平有效、脉冲上升沿/下降沿)；时序关系。控制总线往往因CPU不同，其定义与时序配合差别较大、故重点要放在控制总线的分析上。19外设一侧主要弄清两个方面：一、外设的外部特性(包含外设所有信号线的功能和逻辑定义)。由此可弄清接口需要向它提供哪些控制信号，它又能向接口反馈哪些报告工作情况的状态信号。这样，在接口硬件设计时，就提供这些信号线，保证外设的工作需要。二、外设的工作过程。以便在接口软件设计时，按该过程编写程序。可见，只要弄清了上述两点，接口的软硬件设计就没有什么问题了。202.硬软结合设计法经过两侧分析法对接口进行详细分析之后，就可进入接口的设计阶段。包含两方面：⑴、硬件设计：设计硬件接口来提供外设工作所需的各种信号线。要做2个工作：①.合理选用外围接口芯片。需要去了解这些芯片的功能、工作原理、外部特性、价格等。②.自行设计附加电路。针对所选的接口芯片不能完成的某些功能进行的相应电路的设计。如逻辑关系与电平转换，时序配合与驱动能力等。可采用反相器、缓冲器、与门、或门、驱动器等21⑵.软件设计：有以下两种方法：①.采用汇编语言(或高级语言)直接对低层硬件编程：这要求对接口芯片和外设的外部特性、接口芯片的编程命令有透彻的了解。对非标准设备的接口编程，通常用此法。②.采用DOS系统功能调用和BIOS调用编程：这种方法只对微机系统资源中的标准I/O设备(如键盘、显示器、打印机、串行口等)的编程有效。22第二章I/O端口地址译码技术2.1I/O端口及其编址方式2.2I/O端口地址分配2.3I/O端口地址译码23一、I/O端口和I/O操作1.I/O端口I/O接口(Interface)电路中能被CPU直接访问的寄存器的地址称之为端口(PORT)。CPU通过这些端口发送命令、读取状态和传送数据。一个接口可有几个端口。如命令口、状态口、数据口等。编程时只需指明端口地址即可。2.I/O操作I/O操作是针对I/O端口的，而不是对I/O设备本身的。2.1I/O端口及其编址方式24二、端口地址编址方式1.统一编址把I／O端口与存储器进行统一的编址。这就不需要专门的I／O指令。就把I／O端口当作存储器单元一样进行访问。由于访存指令相当丰富，所以，既可用端口实现输入／输出，还可对端口内容进行处理。另外，能给端口有较大的编址空间。这对大型控制系统和数据通信系统是很有意义的。缺点是端口占用了存储器的地址空间、使存储器容量减小，另外指令长度比起专门I／O指令要长，因而执行时间较长。252.独立编址这种方式是接口中的端口单独编址而不占用存储空间，大型计算机通常采用这种方式。有些微机，如IBM-PC系列也采用这种方式。这种方式的优点：①专门的I／O指令对端口操作，可读性好，指令短，执行速度快。②端口单独编址，不会与存储器地址相互混淆。26三、独立编址方式的端口访问通过I/O指令访问I/O端口在汇编语言中有I/O指令。用于I/O端口与累加器(AX、AL)之间的数据传送。在I／O指令中有单字节地址或双字节地址寻址方式。用单字节作为端口地址，则最多可访问256(0~0FFH)个端口。若用双字节地址作为端口地址，则最多可寻址216＝64K个端口。系统主板上的I／O端口，采用单字节地址。在I／O扩展槽上的接口控制卡上，采用双字节地址。I/O指令格式为；输入INAX/AL，PORT/DX输出OUTPORT/DX，AX/AL这里，PORT是一个8位的字节地址。272.2I/O端口地址分配进行接口设计，必须了解系统的端口地址的分配情况，只能使用那些允许用户使用的空闲端口。28一、I／O接口硬件分类按照I/O接口设备的配置情况，I/O接口的硬件分成两类：(1)系统板上的I／O芯片。这些芯片大多是可编程的大规模集成电路，完成相应的接口操作。如定时／计数器、中断控制器、DMA控制器、并行接口以及利用单片机构成的键盘控制器等。(2)I／O扩展槽上的接口控制卡。这些控制卡(适配器)是由若干个集成电路按一定的逻辑组成的一个部件，如软驱卡、硬驱卡、图形卡、打印卡、串行通信卡等。29二、I／O端口地址分配不同的微机系统对I／O端口地址的分配不同。PC系统提供了16根I/O地址线中的A9~A0这10根作为I／O端口地址寻址。共1024个端口。又根据I／O接口的硬件分类把它们分成两部分：1.前512个端口供系统板上的I／O接口芯片使用2.后512个端口归扩展槽上I／O接口控制卡使用PC／AT系统作了一些改动，前256个端口(000~0FFH)供系统板上的I／O接口芯片使用；后756(100~3FFH)为扩展槽上的I／O接口控制卡使用，30实际上有的I／O接口可能仅用到其中的前几个地址。例如，8255A只用了60H~63H四个口地址。31留给用户使用的是300H~31FH。322.3I/O端口地址译码每当CPU执行IN或OUT指令时，就进入了I／O端口读／写周期。此时CPU首先给出端口地址，然后是I／O读写控制信号IOR、IOW以及其它一些控制信号有效，由端口地址同这些控制信号相结合来控制对I／O端口的读/写操作。具体是针对众多端口中的哪个端口进行操作呢?这就需要一个选中信号来选定一个特定端口。这个选中信号必须由上述地址信号和控制信号逻辑组合而产生。33一、I／O地址泽码电路工作原理及作用1.译码电路的输入信号I／O地址译码电路的输入信号有两类：(1)地址信号：A0~A9这10根地址线。(2)控制信号：I／O地址译码电路除了要接受所限定的地址信号之外，还要通常还需要考虑下面的一些控制信号。如：①利用、、、、等信号控制端口的读写。②用AEN信号控制非DMA传送。AEN=0为非DMA操作。34由上可见，在设计地址译码电路时，除了精心选择地址信号，还要考虑CPU对I／O端口进行操作的有关控制信号，合