第一章微机接口技术

2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院1计算机接口技术2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院2教材《微机接口技术及其应用》主编：李育贤西安电子科技大学出版社，2007先修课程微型计算机原理数字/模拟电子技术2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院3参考书目：1、微型计算机技术及应用——从16位到32位，第二版，戴梅萼等，清华大学出版社1996年2、微型计算机系统原理及应用，第三版上册周明德清华大学出版社1998年3、微型计算机接口技术及应用，刘乐善等，华中科技大学出版社2006年4、汇编语言，清华大学出版社，王爽，20082020/2/16河南科技大学电子信息工程学院4目的及要求•掌握外设、接口的基本概念及与CPU的连接方法，数据交换的一般性原理.•掌握PC机内常用接口电路的结构、工作原理、与CPU的硬件接口方法及软件编程.2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院5主要教学内容•微机接口的基本概念及CPU（硬件核）对其的联接访问方法•定时/计数器8253•并行接口原理及接口芯片8255•微机的中断系统及中断控制器8259•CPU与A/D、D/A的接口原理•串行接口原理及接口芯片82512020/2/16河南科技大学电子信息工程学院6本课程的作用与意义•学会计算机硬件电路的基本设计方法和相关编程•能够编写与硬件有关的程序（如驱动程序）•为高级语言的深入编程打下基础2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院7本课程在课程体系中的位置CPU及整机设计（计算机组成原理）BIOS与接口驱动程序设计模拟电路、数字逻辑电路设计外围接口电路设计汇编语言嵌入式/单片机系统SOC芯片设计2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院8本课程的学习方法•抓住计算机基本结构这条主线，分析它的基本结构，掌握各部分的接口电路及可编程接口芯片的应用。•从系统的角度弄清楚“软件发出I/O写指令→CPU及译码电路产生数据/控制信号→接口电路产生对外设的控制信号和数据信号”的过程，以及“外设的数据和运行状态→接口电路→CPU→I/O读指令将数据或状态送到软件”的过程2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院9a.分析接口两侧的情况d.进行正确的信号转换b.合理选择接口芯片e.接口驱动程序的分析与编写c.正确分析相关芯片的时序搭配•学会分析与设计接口电路的基本方法2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院10•记笔记•重视实验•利用网上资源•认真完成作业学习接口技术的几点要求：2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院11推荐一个软件Proteus7.58251串口芯片8253定时器8255并行接口芯片CPU80862020/2/16河南科技大学电子信息工程学院12考试•成绩分为两部分：期末考试占70%作业、考勤及实验成绩占30％2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院13第一章微机接口技术概述•1.1微机接口技术的基本概念•1.2接口的基本组成•1.3输入/输出传送控制方式2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院141.1微机接口技术的基本概念•什么是接口？•为什么需要接口？•接口的功能及分类。2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院15微处理器CPUROMRAMI/O接口输出设备输入设备地址总线AB数据总线DB控制总线CB计算机系统由硬件子系统和软件子系统组成。组成计算机系统的电子的、机械的、磁性的、光学的元件或部件叫硬件子系统。计算机的三总线结构（硬件子系统）2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院16什么是微机接口？•微机接口(MicrocomputerInterface)是构成微型计算机系统最重要的部件之一，是CPU和外设之间进行信息交换的中转站和桥梁。•微机接口技术是采用硬件与软件相结合的方法，研究CPU如何与外设进行最佳连接，以实现CPU与外设之间进行高效可靠的信息交换的一门技术。微机接口技术综合性强，所涉及的知识面很广，包括微机原理、程序设计、电子技术、通信技术等多门课程的基础理论和专业知识。2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院17常见接口插槽PS2鼠标PS2键盘千兆网10/100M网卡USB并行口MIDI/游戏接口显示器接口13941394a麦克风/音箱/线入接口串行口2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院18为什么需要接口？•这是因为CPU与外设之间存在很大的差异，不能匹配。这些差异主要体现在以下几个方面：•(1)交换数据速度不匹配。•(2)信号类型和电平幅度不匹配。•(3)信息格式不匹配。•(4)时序不匹配。2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院19CPU接口作用外设模/数转换(A/D)数/模转换(D/A)模拟量信息类型数字量三态缓冲、锁存数字量工作速度快解决传送方式慢串/并转换并/串转换串行通信方式并行三态缓冲、锁存并行2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院20接口的功能1．信息格式转换不同设备有不同的信息格式和种类，它们与CPU的信息格式不兼容，需要在接口中进行转换，如正负逻辑的转换、串行信息与并行信息的变换等。2．各信息类型和电平的转换外设提供不同类型的信息，且信号电平的高低不同。 接口主要完成将不同的信号类型(如模拟量、开关量等)和高低不同的电平转换成CPU能接收的数字量。2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院213．缓冲输入/输出数据在接口中设置数据寄存器来缓冲输入/输出数据，使高速的主机与低速的外设匹配而不致于丢失数据。4．接收和执行各种命令•cpu不是直接与外设相连而是将命令代码发送到接口中然后通过接口识别分析送到外设。•存放CPU命令代码的寄存器称之为命令口;•存放执行状态信息的寄存器称之为状态口。接口的功能2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院225．传送各种状态信息返回外部设备的空闲、未准备、溢出错误等提供给cpu作出判断。6．选择设备CPU通过地址译码选择不同外设。外设的种类和数量多，通过地址译码对外设选择。即CPU通过地址译码选择不同I/O接口和I/O接口中连接的不同的设备接口的功能2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院23接口的功能7．对外设进行中断管理当外设与CPU以中断方式交换信息时，接口能暂存中断请求，进行中断排队，提供中断识别信息或相应的中断矢量等。8．可编程功能在不变动硬件电路的情况下，可通过编程来任意设置与变更接口芯片的工作方式和各种参数，使接口具有灵活性和可扩充性。2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院24接口的分类•1．按适应面划分微机接口从适应面角度划分，可以分为专用接口、通用标准接口和增强功能用的接口三大类。专用接口：用户交换接口辅助操作接口：辅助操作接口是实现主机和外设之间通信的一些基本处理与控制的接口。键盘接口、显示器接口、打印机接口、音频卡、视频卡磁盘接口(包括软盘和硬盘)，以及总线驱动器、数据锁存器等。2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院25接口的分类•2)通用标准接口通用标准接口是指符合标准化而且通用的接口，可以为多种外设所使用，例如RS-232C、IEEE-488、模拟接口、USB接口等。•3)增强功能用的接口这类接口主要用于增强主机功能，有中断控制口、DMA控制口等。2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院26接口的分类•2．按数据传输方式划分•并行接口并行接口指同时可传送多位二进制信息的接口电路，用于数据并行传送。由于并行传送多位信息，因此传送效率高，适于近距离传输。•串行接口串行接口用于串行通信方式中。串行通信方式中数据是一位一位进行传输的，每一位数据都占据一个固定的时间长度。因此这种方式传送的效率低，适于远距离传输。2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院271.2接口的基本组成•1.2.1微机接口由硬件和软件两部分组成从使用角度来看，接口的硬件部分有以下几种：1、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。2、端口地址译码电路它是由译码器或能实现译码功能的其他芯片构成，其主要功能是进行设备选择，是接口中不可缺少的部分。2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院28接口的硬件部分3、供选电路这是根据接口不同任务和功能要求而添加的功能模块电路，设计者可按照需要加以选择。在设计接口时，当涉及到数据传输方式时，要考虑中断控制或DMA控制器的选用；当涉及到速度和发声时，要考虑定时/计数器的选用；当涉及到数据宽度转换时，要考虑到移位寄存器的选用等。2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院29接口的软件部分1、初始化程序段对可编程接口芯片需要通过初始化命令设置工作方式及初始条件等。2、传送方式处理程序段查询方式有检测外设或接口状态的程序段，中断方式有中断向量修改、对中断源的屏蔽/开放以及中断结束的处理程序段等。2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院30接口的软件部分3、主控程序段完成接口任务的程序段，如数据的采集、电动机的控制等。4、程序终止与退出程序段包括程序结束退出前对接口电路中硬件的保护程序段，如对一些引脚设置为高或低电平，或将其设置为输入输出状态等。5、辅助程序段包括人-机对话，菜单设计等内容。2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院311.2.2典型接口电路的组成•图1-1典型接口电路的内部结构框图2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院32•概念1：端口（什么是端口？）•端口是接口电路中能被CPU直接访问的寄存器的地址，CPU通过这些地址即端口向接口电路中的寄存器发送命令、读取状态和传送数据。一个接口可以有多个端口如命令口、状态口和数据口，有的接口包含的端口多，有的接口包含的端口少（如8255A有4个端口，8237A有16个端口）。2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院33•1．设计接口电路的步骤设计接口电路一般按照下列步骤进行：(1)分析设计要求；(2)选择合适的接口芯片；(3)硬件设计；(4)软件设计；(5)软/硬件调试。1.2.3接口电路的设计方法2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院342．设计接口电路的基本方法•（1）使用两侧分析法，分析设计要求。两侧：一侧是CPU,另一侧是外设。cpu一侧（三总线）：–cpu的类型；–数据线宽度（8位、16位、32位）；–地址线宽度（8位、16位、32位）；–控制线的逻辑定义（高电平有效、低电平有效、脉冲跳变）；–时序关系。外设一侧：–外设的信号线引脚的功能定义和逻辑定义（硬件）；–外设的工作过程，以便编写程序（软件）。2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院35•（2）选择合适的接口芯片。确定接口中需要各类端口的数目、连接方式、完成的功能以及地址分配等。初步选定主要采用的接口芯片。2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院363、硬件设计•(1)根据选定的芯片，有针对性地设计附加电路。•(2)根据选定的芯片，画出各芯片间的信号连接(包括数据信息、控制信息和状态信息的连接)、地址译码以及满足时序关系的联络线等符合设计要求的接口逻辑框图。2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院374、软件设计•(1)采用汇编语言(或高级语言)直接对低层硬件编程。•(2)采用DOS系统功能调用和BIOS调用编程。微机系统中的标准设备（键盘、鼠标、显示器等）在DOS系统和BIOS系统中都有相应的子程序供用户调用。•(3)明确软件功能。•(4)确定算法，画出程序流程图。•(5)编制程序。2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院381.2.4端口的编址方式图1-2外设通过接口和系统的连接2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院39I/O端口编址方式•在微型计算机中，常用以下两种I/O端口编址方式：1．I/O端口地址与内存单元地址统一编址址2．I/O端口与内存独立编址2020/2/16河南科技大学电子信息工程学院40•特点：•端口与存