计算机接口技术

微机接口与应用教师：刘敏联系方式：[e-mail]电话：[phone]本章内容提要:1.1什么叫接口技术?1.2接口具有哪些功能?1.3接口的组成1.4接口电路的结构形式1.5接口与CPU如何交换数据?1.6分析与设计接口电路的基本方法1.7接口技术的发展趋势第一章概述本章重点：1.1什么叫接口技术?1.2接口具有哪些功能?1.3接口的组成本章难点：1.4接口电路的结构形式1.5接口与CPU如何交换数据?学时数:（2学时）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。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。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。7三.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)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+/-3V10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。113.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。125．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。136．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。1.3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15硬件电路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：17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。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：19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。203.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。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26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。27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。282.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29⑵.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。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。本章作业1、为什么要在CPU与外设之间设置接口？2、接口技术在微机应用中起什么作用？3、接口电路的硬件一般由那几部分组成？