微机原理和接口课件 第一章 概述

计算机接口技术讲授者：黄应红本章内容提要:什么叫接口技术?接口具有哪些功能?接口的组成接口电路的结构形式接口与CPU如何交换数据?分析与设计接口电路的基本方法接口技术的发展趋势第一章概述1.1微机接口技术一、接口（Interface）CPU接口外部设备外部世界:除CPU本身以外的所有设备或电路，包括存储器、I/O设备、控制设备、测量设备、通讯设备、多媒体设备等。微机接口是微处理器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。举例:显示卡接口总线接口串行接口并行接口USB接口键盘接口硬盘接口二、什么叫接口技术？接口技术是采用硬件与软件相结合的方法，研究微处理器如何与“外部世界”进行最佳连接，以实现CPU与“外部世界”之间高效可靠的信息交换的一门技术。涉及课程：微机原理、汇编语言程序设计、电子技术、数字逻辑设计等。一、接口信息•数据信号如：8位、16位、32位数据；•状态信号表示外设是否准备好信号。如：READY、BUSY、ACK•控制信号表示启动、停止外设之类的信号。1.2接口功能CPU地址数据控制数据控制状态外部设备接口电路接口二、接口的功能执行CPU命令的功能返回外设状态的功能数据缓冲功能设备选择功能信号转换功能数据宽度与数据格式转换的功能数据缓存器高速主机低速外设TTL+/-3V1.3接口的组成基本逻辑电路端口地址译码电路供选电路一、硬件电路—支撑作用初始化程序段；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。二、软件编程—驱动控制一个完整的接口程序通常包括如下一些程序段：1.4接口电路的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接口电路的结构形式一般有以下几种：1.5数据传送方式查询方式中断方式DMA方式在微机中，CPU与接口之间传送数据一般有三种方式：先查询外设的状态信息是否准备好；未准备好,继续查询；准备好,传送数据;无条件传送方式可看作查询方式的一种特例。一、查询方式优点：不需要额外的硬件电路，易于实现。缺点：CPU的工作效率很低。适用于：CPU不太忙且传送速度不高的场合。查外设状态准备好？传送数据YN二、中断方式由外设向CPU发出中断请求；CPU暂停原程序的执行，转入中断服务；完成后返回原程序继续执行。主程序执行子程序转向返回继续执行优点：CPU与外设可并行工作，提高CPU的利用率。缺点：需设置中断控制器，增加了硬件开销。适用于：实时控制和紧急事件的处理。三、DMA方式数据的传送不经过CPU，由DMA控制器来实现内存和外设，或外设和外设之间的直接快速传送。在DMA传送期间，DMA控制器接管了总线控制权，而CPU处于等待状态；DMA传送完成后，CPU恢复对总线的控制权，进入工作状态。RAMCPU外设DMA控制器优点：简化了CPU对输入/输出的控制，传送速率很高。缺点：需要设置DMA控制器，硬件开销大。适用于：高速大批量数据传送。1.6分析与设计接口电路的基本方法一、两侧分析法二、软硬结合法1.7接口技术的发展趋势解决微机系统输入/输出瓶颈问题的新型外设、先进的总线技术及接口标准及芯片组，成为一种发展方向。1.8总线概述一、总线结构计算机系统的结构有以处理器为中心面向总线的结构。总线结构是将需要交换信息的模块通过总线建立点到点的连接。总线就是计算机之间、模块与模块之间传递信息的一束束信号线的集合，为各部件间提供标准信息。CPUDRAMI/OI/O系统总线面向总线的系统结构面向总线的结构有如下优点：优点:便于采用模块结构设计;标准总线可得到多个厂商的广泛支持;模块结构便于扩充和升级;便于故障诊断和维修;降低了成本二、为什么要采用总线技术?三、总线的分类按总线的功能划分为:1.地址总线2.数据总线3.控制总线按总线的层次结构可划分为:1.CPU总线2.存贮总线3.系统总线4.外部总线说明:1.系统总线是用来与扩充插槽上的各扩充板卡相连接的总线,也称I/O通道总线;2.系统总线必须有统一准,以便按照这些标准设计各类板卡.四、总线的数据传输总线完成一次数据的传输时间称为一个总线周期，一个总线周期可分为四个阶段：申请分配阶段寻址阶段传输阶段结束阶段五、总线传输出方式同步传输、异步式传输、半同步式传输和分离式传输。1、同步式传输特点：传输周期是固定的，在传输周期内严格地按规定的时间发出信号和进行相应的动作。如：在微机中CPU与存储器之间的数据传输就是典型的同步式传输。8088/386CPU存储器读写时序CLKIO/M-1=I/O0=M-RD-DEN-A16-19A8-15ALEAD0-7A0-7D0-72、异步式传输为了实现不同速度的模块和设备的连接，主模块和属模块之间需要增加请求（RQ)和应答（ACK）两状态线来进行连接的沟通。异步传输方式其实质上就是查询传输方式。3、半同步式传输是同步传输和异步传输的折中方式，其特点是：地址、命令和数据的发出时间都严格按照系统时钟脉冲前沿时刻，接收判断采用系统时钟脉冲的后沿来识别。六、ISA总线（IndustryStandardArchitecture）1、问题的提问：最早的PC总线是IBM公司于1981年推出的基于8位机PC/XT的总线，称为PC总线。1984年IBM推出了16位PC机PC/AT，其总线称为AT总线。然而，IBM从未公布过他们的AT总线规格。由Intel公司IEEE和EISA集团联合开发了与IBM/AT原装机总线意义接近的ISA总线，即8/16位的“工业标准结构”总线。2、主要性能指标（1）I/O地址空间0100H~03FFH（2）24位地址线可直接寻址的内存空间为16MB（3）8/16位数据线（4）引脚数：62+36=98线（5）最大任意16位（bit）（6）最高时钟频率8MHz（7）最大传输率16MB/s（8）中断功能（9）DMA通道功能（10）开放式总线结构，允许多个CPU共享系统资源。3、ISA总线结构8088/386CPU总线缓冲器DRAM存储器8087/387FPU8/16ISABUS4、ISA扩展I/O插槽8位ISA扩展I/O插槽由62个引脚组成，用于8位的插卡。8/16位ISA扩展槽①8位62线插槽②附加高8位36线插槽.ISA总线扩展槽引脚及定义62线1.地址线A0～A920条2.数据线D0～D98条3.控制线：21条4.状态线：2条1.地址线：7线2.数据线：8线3.其他控制线、地、电源等36线附加槽七、EISA总线1.EISA产生的背景1.ISA总线对286以下的PC机是方便的，但对于386DX以上的提及具有32位地址线和数据宽度的PC机来说，不能满足要求。影响了32位微处理器的发挥。2.IBM推出了32位，采用MCA微通道总线技术，但由于IBM对MCA技术采用了严格的许可证制度，使得其他厂商不能采用。同时，MCA与PC/AT总线也不兼容，所以除了在PS/2计算机中采用，任其之兼容机中没有得到一定推广。因此，MCA技术是失败的。3、为了与MCA总线技术抗衡，Compaq、HP、AST、Epson、NEC等9家公司联合起来在ISA的基础上于1988年推出了32位PC机扩展工业标准结构（ExtendedIndustryStandardArchitecture）即EISA总线。总结：①EISA在结构上与ISA有良好的兼容性，保护了厂商和用户巨大的软硬件投资。②同时又充分发挥和利用32位机的功能。③EISA的推出打破了IBMMAC结构对PC机发展的垄断。2、EISA主要特点：结构与ISA卡完全兼容。开放式结构，与ISA卡完全兼容。全兼容ISA总线，（ISA卡可插入EISA槽中）32位数据线D0-D3132位地址直接寻址范围为4GB.最大时钟频率8.3MHz最大传输率33MHz2、PCI总线结构连接方式结构1、PCI总线是一种PCI是一种先进的局部总线，已成为局部总线新标准。不依附于某个具体处理器的局部总线。2、从结构上，PCI是在CPU与原来的系统之间插入的一级总线，并由桥接电路实现管理，协调数据传送。3、PCI总线支持总线主控技术,允许智能设备取得总线控制权,以加速数据传送.CPUPCI桥接电路DRAM存储器CachePCI局部总线CPU总线PCI总线ISA/EISA桥接电路SCSI卡硬盘卡网卡南桥打印机磁带机扫描仪ISA总线3.PCI主要性能支持10台外设总线时钟33.3MHz/66M最大数据率133MB/S时钟同步方式总线宽度32位（5V）/64位（3.3V）能自动识别外设支持64位寻址具有与处理器和存储器子系统完全并列操作的能力。