微型計算機接口技術(shù)第一章接口的基本概念

第一章接口基本知識§1微機接口中的基本概念一、微機接口

1、微機接口中的基本概念

①接口：

所謂的接口就是微處理器（MPU或CPU）與外部設(shè)備連接的部件，是MPU（CPU）與外設(shè)進行信息交換的中轉(zhuǎn)站。②微機接口技術(shù)：是采用硬件與軟件相結(jié)合的方法，使微處理器與外部設(shè)備進行最佳的匹配，實現(xiàn)MPU（CPU）與外部設(shè)備之間的高效、可靠的信息交換的一門技術(shù)。③端口：其實就是接口芯片中的寄存器。④外設(shè)：在本教材中，大多數(shù)時候所謂的外設(shè)，指的是除CPU之外的計算機設(shè)備，統(tǒng)稱為外部設(shè)備，簡稱外設(shè)。（包括內(nèi)存等）第一章接口基本知識§1微機接口中的基本概念2、接口的功能①數(shù)據(jù)緩沖功能：

②設(shè)備選擇功能：③信號轉(zhuǎn)換功能：為了實現(xiàn)MPU（CPU）與外設(shè)之間的高效、可靠的信息交換，微機接口應(yīng)具備以下功能：④提供信息交換的握手信號：

⑤中斷管理功能：⑥可編程功能：為了解決高速的MPU（CPU）與低速的外設(shè)之間速度匹配的問題。MPU（CPU）在同一時刻只能與一個外設(shè)交換信息，而如何在眾多的外設(shè)中找到需要操作的外設(shè)？這就需要通過接口中的地址譯碼電路對外設(shè)進行尋址。由于外設(shè)的功能、用途不同，因此各外設(shè)所提供的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信號的電平往往與微機的總線電平不兼容，所以接口電路中對電平（信號）的轉(zhuǎn)換是不可避免的。為了使CPU能夠與外設(shè)之間聯(lián)絡(luò)，因此必須在接口電路中提供“空”、“滿”、“準備好”、“忙”等狀態(tài)信號，以便程序可以了解是否能夠發(fā)送數(shù)據(jù)到外設(shè)或從外設(shè)讀取數(shù)據(jù)。在一些外設(shè)需要及時得到CPU的響應(yīng)的情況下，通過在接口芯片中設(shè)置中斷控制器，為CPU提供中斷事務(wù)。這樣既增加了微機系統(tǒng)對外設(shè)隨機事件的處理能力，又使CPU可以與外設(shè)并行工作，從而提高了CPU的利用率。即工作方式的可選擇性。通過向外設(shè)的接口芯片中寫入不同的命令，選擇外設(shè)工作于不同的方式之下，大大增加了接口的靈活性和可擴充性。第一章接口基本知識§1微機接口中的基本概念二、接口中的信息計算機系統(tǒng)與IO外設(shè)之間的信息通常有以下幾種：

①數(shù)據(jù)信息：大致可以分為以下三種：數(shù)字量（如發(fā)送到打印機的、從鍵盤接收的）數(shù)據(jù)、模擬量（如溫度、電流、壓力、聲音等）數(shù)據(jù)及開關(guān)量（如開關(guān)的斷開與閉合）數(shù)據(jù)。②狀態(tài)信息：計算機在與外設(shè)通信的過程中，外設(shè)的數(shù)據(jù)是否準備好、或外設(shè)是否已準備好接收數(shù)據(jù)等，都需要用到一些信號來表示，以實現(xiàn)計算機與外設(shè)之間的正確的“握手”。常見的狀態(tài)信息有READY（準備好）、BUSY（忙）、EMPTY（空）、ACK（應(yīng)答）等。③控制信息：其主要作用是用以啟動、停止外設(shè)的工作。其實就是我們在對接口編程時，寫入各個端口的命令。第一章接口基本知識§1微機接口中的基本概念三、數(shù)據(jù)傳送的方式計算機與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送主要有以下四種基本方式：①無條件傳送方式：又被稱為同步傳送方式。主要適用于外設(shè)和各種動作時間是固定的，并且條件是已知的、或者計算機與外設(shè)是完全同步的情況。②條件傳送方式（查詢方式）：大多數(shù)情況下，計算機與外設(shè)的速度并不同步。因此，在CPU對外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)或從外設(shè)讀取數(shù)據(jù)時，先查詢外設(shè)的狀態(tài)信息。只有在外設(shè)已經(jīng)準備好時才進行數(shù)據(jù)傳送。③中斷方式：

對于查詢方式，當外設(shè)沒有準備好時，CPU就必須等待而不能進行其它的操作。為此，采用中斷傳送方式：當外設(shè)準備好數(shù)據(jù)或準備好接收數(shù)據(jù)時，由外設(shè)向CPU發(fā)出一個中斷請求；而如果CPU可以響應(yīng)這個中斷請求，則暫停原來程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)入執(zhí)行相應(yīng)的中斷操作（中斷服務(wù)程序），當輸入/輸出完成之后，再返回原程序處繼續(xù)執(zhí)行（中斷返回）。④DMA方式（直接存儲器存取）：讓外設(shè)與計算機內(nèi)存直接進行數(shù)據(jù)交換（直接存儲器存?。粨Q數(shù)據(jù)的過程中無須CPU的干預(yù)。第一章接口基本知識§1微機接口中的基本概念四、I/O的尋址方式在計算機中有兩種主要的外設(shè)尋址方式：與存儲器對應(yīng)的I/O尋址方式和端口I/O尋址方式①與存儲器對應(yīng)的I/O尋址方式：又稱為統(tǒng)一尋址方式。在這種方式中，外設(shè)的端口地址占用一個或幾個存儲器地址。當欲對這些I/O端口進行操作時，使用與操作存儲器相同的指令。優(yōu)點：操作I/O端口與操作存儲器使用相同的命令，從而減少了指令；缺點：對I/O端口操作速度慢；占用了計算機的有效內(nèi)存。采用這種方式的有摩托羅拉的6800系列及部分小型機。②端口I/O尋址方式：又稱為獨立尋址方式。在這種方式中，處理器訪問端口時使用專門的IO指令，而計算機存儲器地址與外設(shè)的端口地址可以相同。缺點：使用專門的I/O指令，增加了指令數(shù)；優(yōu)點：訪問I/O的速度快；不占用計算機的有效內(nèi)存地址。Intel系列的CPU即采用這種方式。第一章接口基本知識§1微機接口中的基本概念四、I/O的尋址方式對于采用Intel系列CPU的微機，CPU可使用DX寄存器間接對I/O端口尋址，因此能尋址的端口為65536個。早期的IBM-PC機從硬件上對I/O端口的數(shù)量進行了限制，共使用10根地址線（A0~A9）作為I/O端口的尋址，因此最多可尋址的端口數(shù)為1024個（0~3FFH）。而當微機進入奔騰時代后，這一限制不再存在，因此，目前的微機最大可訪問的端口數(shù)為65536個（0~0FFFFH）。第一章接口基本知識§1微機接口中的基本概念五、PC機的I/O口地址分配表1-1IBM-PC機常見的I/O口地址分配表I/O口地址設(shè)備0~0FHDMA控制器8237片內(nèi)寄存器地址20~21H中斷控制器825940~43H定時/計數(shù)器825360~63H并行接口芯片825570~71HCMOS索引寄存器和數(shù)據(jù)寄存器320~32FH硬盤控制器378~37AH打印機端口LPT13D0~3DFH彩色顯示器參數(shù)3F0~3F7H軟盤控制器3F8~3FEH異步通信口COM12F8~2FEH異步通信口COM2278~27AH打印機端口LPT2第一章接口基本知識§1微機接口中的基本概念五、PC機的I/O口地址分配在早期的PC機所允許操作的1024外端口中，前面的512個規(guī)定為系統(tǒng)板上的口地址（A9=0），后面的512個規(guī)定為擴展槽上的口地址（A9=1）。也就是說：如果用戶要自行開發(fā)擴展卡，則必須保證該擴展卡的端口地址為200H~3FFH之間（A9=1）。在目前的微機中，隨著PCI總線的大面積推廣，大部分的外設(shè)的端口地址都為16位的地址（口地址>1024），而且可以通過設(shè)置程序來改變。第一章接口基本知識§1微機接口中的基本概念六、I/O口地址的譯碼方法CPU為了對某一外設(shè)的端口進行讀寫操作，就需要在眾多的I/O端口中按選定該端口地址。如何通過CPU發(fā)出的地址編碼來識別確認這個端口，就是所謂的地址譯碼。CPU50#60#70#80#60#第一章接口基本知識§1微機接口中的基本概念六、I/O口地址的譯碼方法在接口芯片中，負責將CPU發(fā)出的地址信號轉(zhuǎn)換成為唯一的片選信號的電路，稱之為譯碼電路。常見的譯碼電路有以下幾種：①固定式端口地址譯碼：采用這種方式的譯碼電路所確定的端口地址不能改變。目前除系統(tǒng)板上的接口外，使用這種方式的譯碼電路已經(jīng)很少了。原理圖如下：②可選擇端口地址譯碼：對于用戶自行開發(fā)的擴展卡上的接口芯片，如果也采用如上所述的譯碼電路，那么在實際的使用當中就會受到一些局限：端口地址沖突！因此，這就要求有一種地址譯碼電路，對于芯片內(nèi)的端口地址能夠根據(jù)用戶需要進行選擇。采用這種方式的接口卡上一般都會有開關(guān)、跳線等，通過改變它們而無須改動線路，即可實現(xiàn)對端口地址的改變。原理圖如下：第一章接口基本知識§1微機接口中的基本概念六、I/O口地址的譯碼方法③程序選擇端口地址譯碼：采用開關(guān)式的接口卡，如果需要改變端口地址，必須取出接口卡，改變其上的開關(guān)或跳線，然后再將之插回系統(tǒng)板。這在具體操作時顯得很不方便。而程序選擇端口地址譯碼電路采用GAL或PAL或EPROM器件作為I/O端口地址的數(shù)據(jù)存儲器（現(xiàn)在一般采用閃存，即FLASHROM），當選擇不同的存儲單元時，即可輸出不同的地址信號。原理圖如下：§2操作接口的語言①匯編語言中的I/O語句：提供兩個指令——IN、OUT

②C語言中的I/O語句：四個函數(shù)：inportb、inportw、outporb、outportw

③Windows中訪問I/O設(shè)備的方法：可以象DOS下的程序一樣直接訪問I/O設(shè)備，這是為了兼容DOS應(yīng)用程序而提供的，但是缺乏好的安全性，而且有些設(shè)備是不能直接訪問的（如硬盤）；另外一種方法是利用VxD訪問I/O設(shè)備。VxD是32位的程序，用來支持Windows操作系統(tǒng)中的VMM（VirtualMachineManager，虛擬設(shè)備管理）管理計算機硬件及I/O設(shè)備，它具有很高的特權(quán)級。對于每一個應(yīng)用程序來說，VxD是一個虛擬的設(shè)備。特定設(shè)備的VxD可以接收很多個應(yīng)用程序的請求。利用VxD同外部設(shè)備通信，提高了多任務(wù)下資源的利用率；同時也避免了設(shè)備訪問沖突。操作接口除了要有硬件設(shè)備外，還必須有軟件的支持。許多計算機語言中都提供了操作端口的語句，如匯編、C、BASIC等。Windows環(huán)境下的計算機語言也幾乎都提供了操作接口的語句。

§3總線技術(shù)

①面向處理器的總線結(jié)構(gòu)：是將需要交換信息的模塊通過總線建立點對點的連接。如下圖所示：②面向總線的總線結(jié)構(gòu)：以總線為中心，而將計算機中的所有設(shè)備（包括CPU）均看作是總線上掛接的外設(shè)。如下圖所示：總線：就是計算機與計算機之間、模塊與模塊之間傳遞信息的信號線的集合。一、總線的結(jié)構(gòu)CPUDRAMI/OI/O……系統(tǒng)總線面向總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兩種總線結(jié)構(gòu)相比，面向總線的總線結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點：§3總線技術(shù)

①簡化了軟、硬件設(shè)計由于面向總線的結(jié)構(gòu)總線規(guī)范是嚴格定義了的，因此只需將按照標準設(shè)計的CPU、存儲器及各種I/O設(shè)備以插件形式掛入總線，并輔以相應(yīng)軟件即可工作，而無須專門為某一外設(shè)設(shè)計硬件線路。②簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)③便于系統(tǒng)的擴充和更新用戶可根據(jù)需要選購相應(yīng)的插件板，使計算機系統(tǒng)的功能得以擴展。而生產(chǎn)硬件的廠家也可以根據(jù)嚴格定義的總線規(guī)范，設(shè)計出各種更新功能的插件板。而面向處理器的總線結(jié)構(gòu)則可以根據(jù)處理器和外設(shè)的特點設(shè)計出最適合的總線系統(tǒng)，因此可以達到最佳效果；而面向總線的總線結(jié)構(gòu)由于采用的通用的總線規(guī)范，兼容性雖然比較好，但性能卻很難達到最佳狀態(tài)。面向處理器的總線結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點：二、總線分類：根據(jù)總線的用途和應(yīng)用場所，總線可以分為以下幾種類型：①系統(tǒng)總線：

也稱為板級總線，用于計算機內(nèi)部各個模塊、器件之間的數(shù)據(jù)通信，是構(gòu)成微機系統(tǒng)中的最重要的總線。②外總線：

一般又稱為通信總線，用于計算機與各個外設(shè)（打印機等）、計算機與計算機等連接通信的信號線。這種總線不是計算機所專有的。③局部總線：

用于某些特殊功能和用途而設(shè)計的總線，一般它是系統(tǒng)總線的一部分，完成系統(tǒng)總線所不能完成的功能。如PCI局部總線、AGP圖形接口等。④內(nèi)總線：

一般指集成電路內(nèi)部或模塊內(nèi)部各功能部件之間的信號線。一般有其獨立的總線周期和總線時序，用戶不能更改其總線特性。三、總線的數(shù)據(jù)傳輸過程：

總線的基本任務(wù)是保證使用總線的各個模塊在通過總線進行數(shù)據(jù)交換時，數(shù)據(jù)能夠高速、可靠地傳輸。

①申請分配階段：由需要使用總線的模塊或外設(shè)申請，通過總線分配仲裁功能確定將下一傳輸周期的總線使用權(quán)交給申請者。②尋址階段：取得總線使用權(quán)的模塊通過總線發(fā)出本次訪問模塊或設(shè)備的地址，建立數(shù)據(jù)傳輸通道。③傳輸階段：主模塊與從模塊進行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)由源模塊發(fā)出經(jīng)數(shù)據(jù)總線輸入到從模塊。④結(jié)束階段：主模塊的有關(guān)信息從系統(tǒng)總線上撤除，讓出總線?？偩€完成一次數(shù)據(jù)傳輸稱為一個總線周期，一個總線周期可分為四個階段：四、總線的傳輸方式①同步式傳輸：傳輸周期是固定的，在傳輸周期內(nèi)嚴格地按規(guī)定的時間發(fā)出信號和進行相應(yīng)的動作。有如齊步走。在微機中的典型實例是CPU與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸。②異步式傳輸：在數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇蠖鄶?shù)情況下，主模塊與從模塊之間的速度差異很大，無法進行同步式傳輸。為此，在傳輸數(shù)據(jù)的主從模塊之間增加了請求（RQ）和應(yīng)答（ACK）信號線，以實現(xiàn)主從模塊之間的查詢式傳輸。③半同步式傳輸：是同步傳輸和異步傳輸?shù)恼壑蟹绞剑阂韵到y(tǒng)時鐘作為時間標準。為了在不同的速度模塊間進行數(shù)據(jù)傳輸，特設(shè)了一條“WAIT”信號線。對于低速設(shè)備，通過WAIT信號線強迫高速設(shè)備延遲等待數(shù)個系統(tǒng)周期，以達到同步的目的。④分離式傳輸：以上的三種方式都存在一個共同的問題：當主從模塊進行數(shù)據(jù)傳送期間，其它模塊無法使用系統(tǒng)總線。如果外設(shè)速度比較慢，則在外設(shè)準備數(shù)據(jù)的這段時間內(nèi)，系統(tǒng)總線被浪費了。而分離式傳輸將一個傳輸周期分解為兩個子周期：即在主模塊向從模塊發(fā)出讀取數(shù)據(jù)的命令后（同時發(fā)送其它一些相關(guān)信息），釋放出總線；而從模塊接收到命令之后，開始準備數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)準備好之后，由從模塊向系統(tǒng)申請總線，獲得同意后，從模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)總線上，供主模塊讀取。§4常見的總線規(guī)范也稱為IBM-PC總線，是IBM公司在推出其第一代個人機時，使用的一種系統(tǒng)總線。由于采用了開放的體系結(jié)構(gòu)，公開其技術(shù)規(guī)范，因而得到了廣泛的應(yīng)用。IBM-PC總線是一個8位的總線，有62根信號線，其I/O通道（即擴展槽）是系統(tǒng)總線的延伸。

當IBM推出AT機時，采用了80286作為其CPU；而286是一個16位的處理器，則原來定義的PC總線已經(jīng)變得不再適合；IBM變通的辦法是：在原來的PC總線的基礎(chǔ)上，又增加了32根信號線，也就是說，AT機的I/O通道（擴展槽）由兩部分構(gòu)成：上半部分為原來的62根信號線，下半部分為新增加32根信號線。這就是AT總線，它保證了新的總線規(guī)范與早期硬件的兼容性。一、PC總線：由于IBM-PC總線及AT總線的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成了8位/16位數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€的工業(yè)標準，故而被命名為ISA總線（IndustryStandardArchitecture——工業(yè)標準結(jié)構(gòu)）。盡管IBM-PC/AT總線很成功，但IBM公司卻未從中得到任何利益。為了能夠獨占市場，IBM公司又回到了非開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的老路，推出了其32位個人計算機——PS/2。PS/2作為新一代的32位機，其系統(tǒng)總線為IBM公司重新嚴格定義的MCA總線，其中使用了很多先進的技術(shù)，包括一些小型機中的總線技術(shù)，這使得PS/2機具有很高的性能。然而，由于IBM的技術(shù)保護，以及它與早期的ISA外設(shè)完全不兼容，因此，PS/2及MCA均未能廣泛應(yīng)用。EISA（ExtendedISA——擴展ISA總線）：32位總線PCI總線（PeripheralComponentInterconnect，即外設(shè)部件互連），是一種新型的、同步的、高帶寬的、獨立于處理器的總線。PCI1.0版是作為一種局部總線出現(xiàn)的。PCI總線之所以能在各類總線中脫穎而出，是因為其具有以下特點：

（1）傳輸速度快。最高工作頻率33MHz，峰值吞吐率在32位時為132MB/s，64位時為264MB/s。二、PCI總線：（2）支持并行工作方式。PCI控制器具有多級緩沖，利用它可使PCI總線上的外設(shè)與CPU并行工作。例如CPU輸出數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)快速送到緩沖器中，當這些數(shù)據(jù)不斷送往設(shè)備時，CPU就可以轉(zhuǎn)而執(zhí)行其它的工作了。（3）獨立于處理器。PCI在CPU和外設(shè)間插入了一個復(fù)雜的管理層用以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸，通常稱之為橋。橋的主要功能是在兩種不同的信號環(huán)境間進行轉(zhuǎn)換，并向系統(tǒng)中所有的主控制器提供一致的總線接口。因此PCI總線可支持多種系列的處理器，并為處理器升級創(chuàng)造了條件。（4）提供四種規(guī)格，可定義32位/64位以及5V/3.3V電壓信號。

（5）數(shù)據(jù)線和地址線采用了復(fù)用結(jié)構(gòu)，減少了針腳數(shù)。（6）支持即插即用功能，能實現(xiàn)自動配置。在PCI器件上包含有寄存器，里面帶有配置所需的器件信息，使外設(shè)在和系統(tǒng)相連時能自動進行配置，而無須人工干預(yù)。STD即標準，STD總線是工業(yè)控制領(lǐng)域的一種應(yīng)用很廣的標準總線。我國在八十年代曾經(jīng)在工業(yè)控制中大面積推廣這種總線技術(shù)。它是一個8位的總線規(guī)范。STD總線具有如下的特點：（1）高可靠性三、STD總線（2）小板結(jié)構(gòu)，便于在工業(yè)機件中組成系統(tǒng)（3）成本低廉（4）開放的體系結(jié)構(gòu)（5）產(chǎn)品配套、功能齊全。（6）軟件及開發(fā)環(huán)境完善由于現(xiàn)在PC機的價格越來越低，而功能越來越強，軟件也越來越豐富，因此，現(xiàn)在工業(yè)控制中，越來越多地使用PC機作為工控機。SCSI（SmallComputerSystemInterface——小型機系統(tǒng)接口）總線是當今最流行的、應(yīng)用于小型機及工作站的外部設(shè)備接口標準。目前在微機中見得最多的是SCSI硬盤，其速度遠高于IDE硬盤。目前，微機中沒有SCSI總線接口，一般要使用SCSI外設(shè)（如SCSI硬盤）需添加一SCSI卡。SCSI總線的信號線共50根，其中大多為地線，以保證信號的良好屏蔽。在SCSI總線上，最多允許連接8個外設(shè)，接入總線的每個外設(shè)都有一個ID（標識號），所有外設(shè)都并行工作。四、SCSI總線USB（UniversalSerialBus——通用串行總線）用于微機與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換。USB允許外設(shè)在主機和其他外設(shè)工作時進行連接、配置、使用和移走。USB的應(yīng)用可減少微機與外設(shè)連接的I/O端口，僅用一個USB接口來代替，使PC機與外設(shè)之間的連接更加容易。1．總線拓撲結(jié)構(gòu)：USB的物理連接是一種分層的星型結(jié)構(gòu)，集線器(Hub)是每個星型結(jié)構(gòu)的中心，PC機是根集線器，外設(shè)或附加的Hub與之相連。USB最多可支持5個Hub層、127個外設(shè)。五、USB總線2．USB的物理層USB通過4線電纜傳輸數(shù)據(jù)和電源，其中D+和D-是差模信號線，Vbus為+5V電源，GND為電源地。USB提供12Mbps高速模式和1.5Mbps低速模式傳輸數(shù)據(jù)，兩種模式可并存于一個系統(tǒng)中。低速模式主要用于一些低速設(shè)備(如鼠標、鍵盤等)。高速模式用于系統(tǒng)中的高速設(shè)備(如磁盤、CD刻錄機等)。高速模式必須使用帶屏蔽層的雙絞線，最大長度為5m。低速模式可用一般雙絞線，最大長度為3m。3．USB設(shè)備USB設(shè)備包括Hub和功能設(shè)備。當在一根USB端口插接多個USB設(shè)備時，需要HUB。功能設(shè)備又可分為定位設(shè)備和字符設(shè)備。一個USB設(shè)備可以分為三個層：最底層是總線用戶接口，用于發(fā)送和接收包；中間層是邏輯設(shè)備，用于處理總線接口與不同端點之間的數(shù)據(jù)流通；最上層是功能層，