計(jì)算機(jī)接口技術(shù)

第一章接口技術(shù)概述第一節(jié)計(jì)算機(jī)的分類第二節(jié)接口的作用第三節(jié)I/O端口地址譯碼第四節(jié)數(shù)據(jù)輸入輸出方式1.計(jì)算機(jī)的分類按處理對(duì)象按使用范圍按性能數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)通用計(jì)算機(jī)專用計(jì)算機(jī)單片機(jī)

巨型計(jì)算機(jī)大型計(jì)算機(jī)中型計(jì)算機(jī)小型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī)巨型機(jī)：超級(jí)計(jì)算機(jī),大型科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域大型機(jī):

多為通用型機(jī)，計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)中型機(jī):

中小型局部計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)中的管理

小型機(jī):

和微型機(jī)沒(méi)有嚴(yán)格的界限微型機(jī):

通用微機(jī)單片機(jī):

控制專用微機(jī)巨型機(jī)又稱超級(jí)計(jì)算機(jī)，是所有計(jì)算機(jī)中價(jià)格最貴、功能最強(qiáng)大、運(yùn)算速度最快的計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度可達(dá)每秒百萬(wàn)億次。多用于國(guó)家高科技領(lǐng)域和國(guó)防尖端技術(shù)中巨型機(jī)是衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)水平的重要標(biāo)志。將很多微處理器連接起來(lái)達(dá)到極快速度的巨型主機(jī)。銀河Ⅱ1975年世界上第一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)“Cray-I”超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用:天氣預(yù)報(bào)、地震機(jī)理研究、石油和地質(zhì)勘探,衛(wèi)星圖像處理等大量科學(xué)計(jì)算的高科技領(lǐng)域。CRAY-Ⅱ中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)：國(guó)防科技大學(xué)研制的"銀河1號(hào)","銀河2號(hào)"和"銀河3號(hào)"國(guó)家職能計(jì)算機(jī)中心推出的"曙光1000","曙光200I"和"曙光3000"IBM:Seaborg6080個(gè)CPU最大平均速度7.304TF(1012)中國(guó)天河-1A：全球超級(jí)電腦排名第1建成日期：2010年簡(jiǎn)介：該電腦用于執(zhí)行石油勘探及飛機(jī)模擬等計(jì)算任務(wù)，也用于向沒(méi)有超級(jí)電腦的國(guó)家出租，運(yùn)行速度達(dá)每秒2.5千萬(wàn)億次。沃森（Watson）：世界上玩Jeopardy游戲最好的電腦建成日期：2010年Jeopardy節(jié)目冠軍，打敗2位超級(jí)玩家的電腦，將人工智能提高到新的高度。沃森可自己組織語(yǔ)言，無(wú)需人工幫助。數(shù)字計(jì)算機(jī)巨型機(jī)：超級(jí)計(jì)算機(jī),大型科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域大型機(jī):

多為通用型機(jī)，計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)中型機(jī):

中小型局部計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)中的管理

小型機(jī):

和微型機(jī)沒(méi)有嚴(yán)格的界限微型機(jī):

通用微機(jī)單片機(jī):

控制專用微機(jī)單片機(jī)微型機(jī)小型機(jī)中型機(jī)大型機(jī)巨型機(jī)低高體積功能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器指令系統(tǒng)價(jià)格簡(jiǎn)易性低高隨著超大規(guī)摸集成電路的迅速發(fā)展,今天的小型機(jī)可能是明天的微型機(jī),而今天的微型機(jī)可能是明天的單片機(jī)。2.微型計(jì)算機(jī)的定義所謂“微型計(jì)算機(jī)”是指這樣的計(jì)算機(jī)：以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為主要部件，以集成了計(jì)算機(jī)主要部件—控制器和運(yùn)算器的微處理器為核心所構(gòu)造出的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。Intel4004和采用4004的計(jì)算器微處理器時(shí)代的開(kāi)端微型計(jì)算機(jī)的標(biāo)志把控制器和運(yùn)算器即CPU集成在一個(gè)或幾個(gè)芯片上。80386Pentium8086CPU3.微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB存儲(chǔ)器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口輸出設(shè)備CPU微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖單片機(jī)是把微型計(jì)算機(jī)主要部分都集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。中央處理器CPU,隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM,只讀存儲(chǔ)器ROM,I/O接口電路，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，中斷系統(tǒng)，串行通訊接口等8051型單片機(jī)芯片的照片數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB存儲(chǔ)器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口輸出設(shè)備CPU微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖+5VP0.5P0.0P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.0P3.1P3.4P3.3P3.2P3.5P3.6P3.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.6P0.4P0.3P0.2P0.1P0.774LS373┇PSENEAALECBRESETI/OVccVssALEGABDB8051單片機(jī)和微型機(jī)的區(qū)別單片機(jī)和微型機(jī)的區(qū)別在于其集成性，單片機(jī)犧牲了廣泛意義上的通用性，主要適用于工業(yè)控制或者是集成在產(chǎn)品中。第二節(jié)接口的作用1.接口的定義

微機(jī)接口（interface）就是微機(jī)處理器CPU與"外部世界"的連接電路，是CPU與外界進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站。存儲(chǔ)器通常在CPU的同步控制下工作，接口電路比較簡(jiǎn)單；I/O設(shè)備品種繁多，其相應(yīng)的接口電路也各不相同，因此，習(xí)慣上說(shuō)到接口只是指I/O接口。I/O接口電路I/O接口是位于CPU與外設(shè)間、用來(lái)協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的邏輯電路CPU接口電路

I/O設(shè)備2.為什么需要I/O接口電路？信息類型與信號(hào)電平的不匹配速度不匹配時(shí)序的不匹配信息格式的不匹配必須經(jīng)過(guò)中間電路再與系統(tǒng)相連，這部分電路被稱為I/O接口電路3.接口技術(shù)是研究CPU如何與外部世界進(jìn)行最佳耦合與匹配，實(shí)現(xiàn)雙方高效、可靠地交換信息的一門技術(shù)，是軟件、硬件結(jié)合的體現(xiàn)，是微機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵。接口技術(shù)是采用硬件與軟件相結(jié)合的方法。硬件－－接口電路原理軟件－－接口編程方法4.I/O接口的主要功能對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和鎖存對(duì)信號(hào)的形式和數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行變換址址譯碼功能與CPU和I/O設(shè)備進(jìn)行聯(lián)絡(luò)對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和鎖存由于外設(shè)的速度慢，而CPU和總線又十分繁忙，所以在輸出接口中，要求對(duì)數(shù)據(jù)具有鎖存能力，安排鎖存環(huán)節(jié)（常用鎖存器）；在輸入接口中，要求對(duì)數(shù)據(jù)具有控制能力，安排緩沖環(huán)節(jié)（常用三態(tài)門）。輸出接口的鎖存環(huán)節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線外部數(shù)據(jù)引腳鎖存控制DCQDCQDCQ輸入接口的緩沖環(huán)節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線外部數(shù)據(jù)引腳選通緩沖器對(duì)信號(hào)的形式和數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行變換將電平信號(hào)變?yōu)殡娏餍盘?hào)、弱電信號(hào)變?yōu)閺?qiáng)電信號(hào)、數(shù)字信號(hào)變?yōu)槟M信號(hào)、并行數(shù)據(jù)格式變?yōu)榇行盘?hào)等址址譯碼功能CPU在同一時(shí)間里只能與一臺(tái)外設(shè)交換信息，這就需要接口中的地址譯碼電路進(jìn)行地址譯碼以選定所需的外設(shè)與CPU交換信息。與CPU和I/O設(shè)備進(jìn)行聯(lián)絡(luò)I/O接口位于CPU和外設(shè)的中間，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，既要面向CPU進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，又要面向外設(shè)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。聯(lián)絡(luò)的具體內(nèi)容有狀態(tài)信息、控制信息和請(qǐng)求信息等。5.I/O接口的典型結(jié)構(gòu)P.6控制總線CB地址總線ABI/O接口電路數(shù)據(jù)控制狀態(tài)數(shù)據(jù)總線DBCPU外設(shè)控制寄存器狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)寄存器5.I/O接口的典型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)線控制線狀態(tài)線DBCBAB數(shù)據(jù)輸入寄存器(or三態(tài)門)數(shù)據(jù)輸出寄存器(鎖存器)狀態(tài)寄存器(or三態(tài)門)命令寄存器譯碼電路控制邏輯接口電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)從應(yīng)用角度看內(nèi)部：⑴數(shù)據(jù)寄存器保存外設(shè)給CPU和CPU發(fā)往外設(shè)的數(shù)據(jù)⑵狀態(tài)寄存器保存外設(shè)或接口電路的狀態(tài)⑶控制寄存器保存CPU給外設(shè)或接口電路的命令5.I/O接口的典型結(jié)構(gòu)控制總線CB地址總線ABI/O接口電路數(shù)據(jù)控制狀態(tài)數(shù)據(jù)總線DBCPU外設(shè)控制寄存器狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)寄存器接口電路的外部特性主要體現(xiàn)在引腳上，分成兩側(cè)信號(hào)面向CPU一側(cè)的信號(hào)：用于與CPU連接主要是數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)面向外設(shè)一側(cè)的信號(hào)：用于與外設(shè)連接提供的信號(hào)五花八門功能定義、時(shí)序及有效電平等差異較大6.I/O端口（PORT）P10端口泛指I/O地址，通常對(duì)應(yīng)寄存器一個(gè)接口電路可以具有多個(gè)I/O端口，每個(gè)端口用來(lái)保存和交換不同的信息數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和控制寄存器占有的I/O地址常依次被稱為數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和控制端口，用于保存數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息輸入、輸出端口可以是同一個(gè)I/O地址I/O操作本質(zhì)：I/O端口的操作端口（port）：接口電路中能被CPU直接訪問(wèn)的寄存器端口的種類：數(shù)據(jù)口、狀態(tài)口、命令口I/O端口的編址方式P10端口統(tǒng)一編址端口獨(dú)立編址統(tǒng)一編址（存儲(chǔ)器映象方式）M與I/O共用整個(gè)地址空間；I/O端口與存儲(chǔ)單元等同—M與I/O地址不重疊00FFH0000H0100HFFFFH地址...M空間I/O空間...（64KB）整個(gè)地址空間（256個(gè)）（65280個(gè)）統(tǒng)一編址8051單片機(jī)采用與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址存儲(chǔ)器部分I/O部分存儲(chǔ)器空間00000FFFFF優(yōu)點(diǎn)：不需要專門的I/O指令I(lǐng)/O數(shù)據(jù)存取與存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存取一樣靈活缺點(diǎn)：I/O端口要占去部分存儲(chǔ)器地址空間程序不易閱讀（不易分清訪存和訪問(wèn)外設(shè)）獨(dú)立編址M與I/O分開(kāi)編址、互不干擾——M與I/O地址重疊I/O映象、專用I/O指令方式FFH00H地址I/O空間...（256個(gè)）（64KB）M空間地址0000HFFFFH...獨(dú)立編址P1280x86采用I/O端口獨(dú)立編址內(nèi)存空間I/O空間FFFFF000FF優(yōu)點(diǎn)：I/O端口的地址空間獨(dú)立控制和地址譯碼電路相對(duì)簡(jiǎn)單專門的I/O指令使程序清晰易讀缺點(diǎn)：I/O指令沒(méi)有存儲(chǔ)器指令豐富端口的獨(dú)立編址8086總線A19