《微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)課件》第1章-概述

2024/9/24微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)1第1章概論本章主要內(nèi)容

接口的基本任務(wù)及接口技術(shù)發(fā)展概況

接口分層次概念

設(shè)備接口電路的功能與組成分析與設(shè)計(jì)設(shè)備接口電路的基本方法

設(shè)備接口電路設(shè)計(jì)的解決方案2024/9/24微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)2

接口是微處理器與外部設(shè)備之間的連接橋梁和信息交換的中轉(zhuǎn)站，在實(shí)際應(yīng)用中，人們總是利用接口來加入用戶自己的設(shè)備或模塊構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)，可見接口技術(shù)是微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)，所以要學(xué)習(xí)接口技術(shù)。1.1接口的基本任務(wù)與接口技術(shù)的發(fā)展概況1.1.1接口的基本任務(wù)

微機(jī)接口的基本任務(wù)有兩個(gè)：一是實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備與總線的連接；二是連接起來以后，CPU通過接口對I/O設(shè)備進(jìn)行訪問，即操作或控制I/O設(shè)備。如何連接是硬件方面的任務(wù)，怎樣訪問是軟件方面的任務(wù)。

1.1.2接口技術(shù)的發(fā)展概況

在早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中并沒有設(shè)置獨(dú)立的接口電路。接口經(jīng)歷了固定式簡單接口、可編程復(fù)雜接口和智能接口幾個(gè)發(fā)展階段。接口電路的配置形式，也由采用獨(dú)立接口芯片的外置式接口，發(fā)展為采用接口模塊的內(nèi)置式接口。2024/9/24微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)31.2接口的分層次概念

由于微機(jī)系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)的發(fā)展變化，使接口在完成連接與訪問設(shè)備任務(wù)時(shí)產(chǎn)生了與傳統(tǒng)根本不同的處理方法，形成接口分層次的概念，把接口分成上層設(shè)備接口和下層總線接口兩個(gè)層次。1.2.1硬件分層

現(xiàn)代微機(jī)采用多級總線，除了設(shè)備與用戶總線(如ISA)之間的那一層設(shè)備接口之外，還有總線與總線的接口(總線橋)。作為連接總線與設(shè)備之間的接口就不再是單一層次的，就要分層次了。設(shè)備與用戶總線之間的接口稱為設(shè)備接口；PCI總線與用戶總線之間的接口稱為總線接口。與早期微機(jī)相比，現(xiàn)代微機(jī)的外設(shè)進(jìn)入系統(tǒng)需要通過兩級接口才行，即通過設(shè)備接口和總線接口把設(shè)備連接到微機(jī)系統(tǒng)。

1.2.2軟件分層現(xiàn)代微機(jī)操作系統(tǒng)，由于保護(hù)機(jī)制，不允許應(yīng)用程序直接訪問硬件，應(yīng)用程序通過調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序去訪問底層硬件，作為操作設(shè)備的接口程序就不再是只有單一的應(yīng)用程序了，也要分層次。

2024/9/24微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)4分為上層用戶態(tài)應(yīng)用程序和底層核心態(tài)驅(qū)動(dòng)程序。與早期微機(jī)相比，現(xiàn)代微機(jī)對外設(shè)的操作與控制需要通過兩層程序才行，即通過應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序才能訪問設(shè)備。1.2.3接口技術(shù)內(nèi)容的劃分

按照接口分層次的概念，把接口技術(shù)的內(nèi)容分為兩部分：一部分是接口的上層，包括設(shè)備接口及應(yīng)用程序，構(gòu)成接口的基本內(nèi)容；另一部分是接口的下層，包括總線接口及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，構(gòu)成接口的高級內(nèi)容。

用戶做一般應(yīng)用開發(fā)時(shí)，只涉及接口的基本內(nèi)容，若要做原創(chuàng)性開發(fā)，則需要考慮接口的高級內(nèi)容。2024/9/24微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)51.3設(shè)備接口

1.3.1設(shè)備接口的功能1.執(zhí)行CPU命令

CPU對被控對象外設(shè)的控制是通過接口電路的命令寄存器解釋與執(zhí)行CPU命令代碼來實(shí)現(xiàn)的。

2.返回外設(shè)狀態(tài)

接口電路在執(zhí)行CPU命令過程中，外設(shè)及接口電路的工作狀態(tài)是由接口電路的狀態(tài)寄存器報(bào)告給CPU的。

3.數(shù)據(jù)緩沖與鎖存

在CPU與外設(shè)之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)高速與外設(shè)低速的矛盾是通過接口電路的數(shù)據(jù)寄存器緩沖來解決的。

4.信號轉(zhuǎn)換微機(jī)的系統(tǒng)總線信號與外設(shè)特有功能的信號的轉(zhuǎn)換是通過接口的邏輯電路實(shí)現(xiàn)的，包括信號的功能、邏輯關(guān)系、時(shí)序配合及電平匹配的轉(zhuǎn)換。

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5.數(shù)據(jù)寬度與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換有的外設(shè)或通信設(shè)備使用串行數(shù)據(jù)，并且要求按照協(xié)議的規(guī)定，以特定的數(shù)據(jù)格式傳輸，而微處理器是使用并行數(shù)據(jù)和普通的數(shù)據(jù)格式。為此，接口電路就應(yīng)具有數(shù)據(jù)并-串轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的能力。

6.設(shè)備選擇

當(dāng)CPU與外設(shè)交換信息時(shí)，是通過接口的I/O地址譯碼電路選定需要與自己交換信息的設(shè)備端口，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或通信。1.3.2設(shè)備接口的組成

1．硬件電路（1）接口電路基本電路

基本電路包括命令寄存器、狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)緩沖寄存器。它們是接口電路的核心，擔(dān)負(fù)著接收并執(zhí)行命令、返回狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)的基本任務(wù)，目前，可編程大規(guī)模集成接口芯片中都包含了這些基本電路，是接口芯片編程模型中的主要對象。若采用FPGA自行設(shè)計(jì)接口電路模塊至少也必須包含這幾個(gè)寄存器。2024/9/24微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)7（2）接口支持電路

支持電路包括用于數(shù)據(jù)交換方式的中斷控制器、DMA控制器；用于尋址I/O設(shè)備的端口地址譯碼器；用于速度、頻率控制的定時(shí)/計(jì)數(shù)器。它們是支持各類設(shè)備接口的共用技術(shù)，也是CPU的外圍支持電路，是系統(tǒng)配置的資源，因此，用戶一般不需重新設(shè)計(jì)，只申請使用即可。

（3）供選電路

根據(jù)接口不同任務(wù)和功能要求而添加的IC電路，設(shè)計(jì)者可按照需要加以選擇。例如，串-并轉(zhuǎn)換的移位寄存器，EAI-TTL轉(zhuǎn)換的邏輯電平轉(zhuǎn)換器；控制速度的時(shí)鐘發(fā)生器；增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力和進(jìn)行信號隔離的IC芯片等。2．軟件編程（1）初始化程序段

一般都根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過方式命令或初始化命令，設(shè)置工作方式、數(shù)據(jù)格式、初始條件以及確定其具體用途，這是接口程序中的基本部分。有人把這個(gè)工作叫做可編程接口芯片的“組態(tài)”。2024/9/24微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)8（2）主控程序段

主控程序段是完成接口任務(wù)的核心程序段。如數(shù)據(jù)采集的主程序段，包括發(fā)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號、查轉(zhuǎn)換結(jié)束信號、讀數(shù)據(jù)以及存數(shù)據(jù)等內(nèi)容。又如步進(jìn)電機(jī)控制的主程序段，包括運(yùn)行方式、運(yùn)行方向、運(yùn)行速度以及啟/?？刂频取＃?）傳送方式處理程序段

若采用查詢方式，則有檢測外設(shè)或接口狀態(tài)的程序段；若采用中斷方式，則有中斷向量修改、對中斷源的屏蔽/開放以及中斷結(jié)束等的處理程序段，且這種程序段一定是主程序和中斷服務(wù)程序分開編寫。若采用DMA方式，則有傳輸參數(shù)的設(shè)置、通道的開放/屏蔽等處理程序段。（4）輔助程序段

包括人-機(jī)對話、菜單設(shè)計(jì)等內(nèi)容。人-機(jī)對話程序段能增加人-機(jī)交互作用；設(shè)計(jì)菜單使操作方便。2024/9/24微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)91.3.3設(shè)備接口與CPU交換數(shù)據(jù)的方式1.查詢方式

查詢方式是CPU主動(dòng)去檢查外設(shè)是否“準(zhǔn)備好”傳輸數(shù)據(jù)的狀態(tài)，因此，CPU需花費(fèi)很多時(shí)間來等待外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)備，工作效率很低。但查詢方式易于實(shí)現(xiàn)，在CPU不太忙的情況下，可以采用。2.中斷方式

中斷方式是I/O設(shè)備做好數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)備后，主動(dòng)向CPU請求傳輸數(shù)據(jù)，CPU節(jié)省了等待外設(shè)的時(shí)間。因此，中斷方式用于CPU的任務(wù)比較忙的場合，尤其適合實(shí)時(shí)控制及緊急事件的處理。3.DMA方式

DMA方式是DMA控制器代替CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)在I/O設(shè)備與存儲器之間的直接傳輸管理，在傳輸過程中CPU不干預(yù)。這不僅簡化了CPU對輸入/輸出的管理，更重要的是大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。因此，DMA方式特別適合高速度、大批量數(shù)據(jù)傳輸。2024/9/24微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)101.3.4分析與設(shè)計(jì)設(shè)備接口電路的基本方法1．接口芯片的編程模型方法

編程模型是指接口芯片或接口模塊內(nèi)部可訪問的寄存器及其命令、狀態(tài)，數(shù)據(jù)格式和分配給寄存器的端口地址3個(gè)元素。了解與掌握了一個(gè)芯片這3個(gè)方面的內(nèi)容，也就可以利用它進(jìn)行接口的軟件設(shè)計(jì)了，因此，編程模型也叫芯片的軟件模型。

編程模型方法的實(shí)質(zhì)是強(qiáng)調(diào)對硬件對象的應(yīng)用，而不在意其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這大大簡化了對硬件對象復(fù)雜結(jié)構(gòu)的了解，而又不失對硬件的應(yīng)用。2．接口兩側(cè)分析方法在分析與設(shè)計(jì)接口時(shí)，顯然應(yīng)該從接口的兩側(cè)入手。

CPU一側(cè)，面向的是總線的數(shù)據(jù)、地址和控制三總線，情況單一。接口電路與之對接的信號線，只要滿足三總線在電平高低、時(shí)序邏輯上的要求并進(jìn)行號入座連接即可。

I/O設(shè)備一側(cè)，情況很復(fù)雜。分析重點(diǎn)放在兩個(gè)方面：一是分析被連I/O設(shè)備的外部特性-外設(shè)信號引腳的功能與特點(diǎn)，以便在接口硬件設(shè)計(jì)時(shí)，提供這些信號線，滿足外設(shè)在連接上的要求；二是分析被控外設(shè)的工作原理與工作過程，以便在接口軟件設(shè)計(jì)時(shí)，按照這種過程編寫程序，滿足外設(shè)工作條件的要求。以此為依據(jù)來進(jìn)行接口電路的硬件設(shè)計(jì)與軟件編程。2024/9/24微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)113．硬軟結(jié)合法以硬件為基礎(chǔ)，硬件與軟件相結(jié)合是設(shè)計(jì)設(shè)備接口電路的基本方法。1.4接口電路設(shè)計(jì)的解決方案

所謂接口電路設(shè)計(jì)的解決方案是指在微機(jī)接口電路總體設(shè)計(jì)時(shí)，對接口電路的配置方式和接口電路芯片的選擇進(jìn)行分析與認(rèn)定。解決方案與微處理器類型有關(guān)，臺式微機(jī)（PC機(jī)）、嵌入式微機(jī)、MCU各不相同。1.4.1接口電路的配置方式

接口電路的配置方式，是指把接口電路安排在微機(jī)系統(tǒng)的什么地方，有外置式與內(nèi)嵌式之分。

1.外置式接口電路

外置式接口電路是把接口電路分立出來，作為獨(dú)立的電路，放在微處理器芯片之外，形成各種外圍接口芯片和外圍支持芯片，如并行接口芯片、串行接口芯片、定時(shí)與計(jì)數(shù)器芯片、中斷控制器芯片等。使用時(shí)通過總線與CPU進(jìn)行連接，一般多在臺式微機(jī)中采用。

2024/9/24微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)122.內(nèi)置式接口電路內(nèi)置式接口電路是把接口電路當(dāng)做一個(gè)接口功能模塊與微處理器放在同一芯片中，如嵌入式微機(jī)和單片機(jī)內(nèi)部包含的并行接口模塊、串行接口模塊、定時(shí)/計(jì)數(shù)器模塊、中斷控制器模塊等。由于接口模塊與微處理器同在一個(gè)芯片內(nèi)部，CPU與I/O設(shè)備之間的接口電路基本結(jié)構(gòu)是一組核心寄存器(1.3.2節(jié)中的接口基本電路)，CPU通過讀寫這些寄存器來與設(shè)備通信，在外部只需與I/O設(shè)備連接。1.4.2接口電路芯片的選擇根據(jù)接口電路所擔(dān)負(fù)任務(wù)的復(fù)雜程度不同，搭建接口電路的元器件有多種選擇，可采用一般的IC電路、可編程的通用/專用接口芯片或可編程的邏輯陣列器件。1.一般的IC芯片利用一般IC芯片中的三態(tài)緩沖器和鎖存器即可組成簡單的I/O端口。例如，采用三態(tài)緩沖器74LS244構(gòu)造8位輸入端口，讀取DIP開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)；采用鎖存器74ALS373構(gòu)造8位輸出端口，發(fā)出控制信號，使LED發(fā)光。2024/9/24微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)132.可編程通用/專用接口芯片可編程通用/專用接口芯片功能強(qiáng)、可靠性高、通用性好/針對性強(qiáng)，并且使用靈活方便，因此成為臺式微機(jī)系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)的首選。3.FPGA器件