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1、第8章 微型计算机接口技术,本章学习目标 本章主要讲解接口技术的基本概念、接口电路的工作原理、接口芯片的应用以及与微机系统（CPU）的连接。通过本章学习，读者应该掌握以下内容： 掌握输入/输出接口电路、输入/输出端口的基本概念、分类 掌握CPU与外设数据传送的方式方法。 掌握常用微机外部实用接口 掌握并行数据接口的基本概念、参数，及其应用 掌握串行数据接口的基本概念、参数，应用RS232C串行接口标准、 掌握DMA的基本概念、可编程DMA控制器芯片8237A的结构、应用及编程方法。 掌握微机内部总线接口 掌握模/数、数/模转换的基本概念、应用方法，了解DAC0832芯片和ADC0809、AD5
2、74等芯片的应用。,8.1 微型计算机接口技术概述,微型计算机接口技术在微机系统设计和应用过程中，都占有极其重要的地位。无论是系统内部的信息交换还是与系统外部的信息交换，都是通过“接口”来实现的。 1接口 接口(interface)就是微处理器与外部世界的连接部件(电路)，它是CPU与外界进行信息交换的中转站。源程序或原始数据要通过接口从输入设备进来，运算结果要通过接口向输出设备送出；控制命令通过接口发出，现场状态通过接口取进，这些来往信息都要通过接口进行变换与中转。微机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界进行最佳耦合与匹配，以在CPU与外部世界之间实现高效、可靠的信息
3、交换的一门技术。外界是指除CPU以外的所有设备或电路，包括存储器、IO设备、控制设备、测量设备、通信设备、多媒体设备、AD和DA转换器等。 2微机接口功能 CPU与外部设备(简称外设)之间的接口一般有如下功能。 (1)数据缓冲功能 (2)接收和执行CPU命令的功能,(3)信号转换功能 (4)设备选择功能 (5)中断管理功能 (6)数据宽度变换的功能 CPU所处理的是并行数据(8位、16位,32位,64位)，而有的外设只能处理串行数据，在这种情况下，接口就应具有数据“并-串”和“串-并”的变换功能。为此，在接口中设置了移位寄存器。 (7)可编程功能 3微机接口类型 微机接口的分类方法有多种，按与
4、外设数据的传送方式可分为：并行I/O和串行I/O接口等；按通用性分，有专用接口和通用接口； 按功能分，有3种基本类型：运行辅助接口、用户交互接口和传感控制接口。 (1)运行辅助接口 运行辅助接口是和主机配套的，使微机实现最基本功能所需的接口。它包括微处理器周围的控制总线、地址总线和数据总线的锁存器、驱动器、接收器、收发器和时钟电路。执行总线判决、存储管理、中断控制、和DMA控制等等功能的接口。,(2)用户交互接口 用户交互接口是把用户指定的数据发送给主机系统或从主机系统接收数据的接口电路。它包括：通用的输入输出控制接口，例如：硬盘软盘接口、计算机终端接口、键盘接口、鼠标接口、显示接口、打印接口
5、、操纵杆接口、光笔接口、录入笔接口、语音识别和合成接口等。 (3)传感和控制接口 微机控制系统通过传感接口接收检测对象、控制对象的状态和数据，在进行处理后通过控制接口执行。传感接口具有模拟量到数字量的转换器(AD转换器)和数字量到微机系统总线的接口。控制接口将微机运算处理后得到的数字信号转换成适当的电压或电流，直接或通过机电接口驱动执行机构动作，以实现对外部世界的控制。AD转换器由于微机内总功率小、速度快、集成度高的元器件使它与外部世界的控制信号电平不相匹配，所以控制接口有时比较复杂，要将微机内部的数据信号转换成合适大小的电压或电流控制外部世界的部件或装置。 下面，先讨论微机的数据传输方式,8
6、.2 CPU和外部接口的数据传输方式,外部设备与微机之间的信息传送，实际上是CPU与接口之间的信息传送。它们之间的信息传送的方式有程序控制方式、中断传送方式、直接存储器访问（DMA）方式和I/O处理机方式。 1程序控制方式 程序控制方式又可分为无条件传送方式和查询方式两类。 （1）无条件传送方式 无条件传送方式是一种最简单的输入/输出控制方式。该方式认为外设始终是准备好的，能随时提供数据，一般适用于经过较长时间间隔数据才有显著变化的情况。这时无需检查端口的状态，就可以立即采集数据。这时的端口不需加锁存器而直接用三态缓冲器与系统总线相连。 实现无条件输入/输出的方法是：在程序的适当位置直接安排I
7、N/OUT指令，当程序执行到这些输入/输出指令时，外部设备的数据早已准备好，可以在执行当前指令时完成接受/发送数据的全过程。当外部设备是输出设备时，一般要求接口有锁存能力，即要求将CPU输出的数据在输出设备接口电路中保持一段时间。,无条件传送方式的接口电路和控制程序都比较简单。但应当注意：输入时，必须确保当CPU读取数据时（执行IN指令时），外设已将数据准备好；输出时，当CPU执行OUT指令时，必须确保外部设备的数据锁存器为空，即外设已将上次送来的数据取走。否则会导致数据传送出错。,（2）查询传送方式 由于CPU与I/O设备的工作往往是异步的，这就很难保证当CPU输入时，外设已准备好数据；输出
8、时，外设的数据锁存器是空的。因此，在CPU传送数据前，应去查一下外设的状态，若外设准备好，就进行数据传送，否则，CPU就等待。 这种传送方式的接口电路中，除具有数据缓冲器或数据锁存器外，还应具有外设的状态标志。在输入时，若输入数据准备好，则将此标志置位；输出时，若数据已“空”，则将此标志置位。在接口电路中，此状态标志也占用一个端口地址。在使用查询方式传送信息时，其程序编制时一般按如图8-1的流程进行。即先读入设备状态的标志信息，再根据所读入的信息进行判断，若数据未准备好，CPU就重新返回，继续读入状态字等待；若数据准备好了，则开始传送数据，执行数据传送的I/O指令。传送结束后，CPU可以转去执
9、行其他的操作。 这种CPU与外设的状态信息的交换方式，称为“应答式”，状态信息称为“联络”信号。,查询方式的优点在于：能较好的协调高速CPU与慢速外设的时间匹配问题；缺点是，当CPU与中慢速外部设备交换数据时，CPU需不断的去查询外设的状态，这将占用CPU较多的时间，使CPU真正用于传送数据的时间很少。 因为读入的状态信息一般是一位的，不同的外设的状态信息可以使用相同的端口地址，只要使用不同的位就行。假设读入的状态信息如图8-7所示，接口电路中的状态端口地址为：STATUS_PORT，数据端口为：DATA_PORT，则查询部分的程序如下。,输入时 POLL：INAL，STATUS_PORT；从
10、状态端口读入状态信息 TESTAL，60H；判断数据是否准备好，即READY；是否为1 JZPOLL；未准备好，则循环等待 IN AL ，DATA_PORT；准备好，则输入数据 输出时 POLL：INAL，STATUS_PORT ；从状态端口读入状态信息 TESTAL，80H；判断外设数据锁存器是否为空BUSY是否为1 JNZPOLL ；忙，则循环等待 MOVAL，DATA；要输出的数据送AL寄存器 OUTDATA_PORT，AL ；空，则输出数据,2中断传送方式 查询方式除具有如上所述占用CPU时间多的缺点外，它的另一个缺点是难于满足实时控制的需要。因为在查询方式下，CPU处于主动地位，而外
11、设处于消极被查询的被动地位。而在一般实时系统中，外设要求CPU为它的服务是随机的。这就要求外设有主动申请CPU服务的权力。此时，可以采用中断传送方式。 中断传送方式下，外设没有作好数据传送准备时，CPU可以运行与传送数据无关的其他指令。外设作好传送准备后，主动向CPU提出申请。若CPU响应这一申请，则暂停正在运行的程序，转去执行数据输入/输出操作的指令，数据传送完后返回，CPU继续执行原来运行的程序。中断的过程如图8-3所示。这样，虽然外设的工作速度比较低，但在外设工作的同时，CPU仍然可以运行与数据传送无关的程序，使外设与CPU并行工作，提高了系统的工作效率。 为了实现中断传送方式，要求在接
12、口电路中有相应的硬件电路能够控制产生中断申请信号，在系统中设置中断控制器，用来处理中断请求。中断传送方式适合CPU的任务比较忙，传送速度不太高的系统，尤其适合实时控制及故障处理。,3直接存储器访问（DMA）方式 中断传送方式在一定程度上增加了慢速外设和高速CPU的并行性，提高了CPU的利用率。但是采用中断方式，每进行一次I/O操作都需CPU暂停执行当前的程序，保存断点，把控制权转移到优先权最高的I/O中断服务程序。在中断服务程序中，要有保护现场和恢复现场的操作，浪费了CPU的时间。另外，中断方式下，数据的输入/输出都必须经过CPU中的AX寄存器中转，因此，当高速外设和CPU传送数据时，采用中断
13、传送方式速度就显得太慢了。 基于以上原因，提出了数据在I/O接口与存储器之间的传送，不经过CPU的干预，而是在专用硬件的控制下直接传送数据，这种方式称为直接存储器存取（DMA Direct Memory Access）方式。这种方式下，CPU不参与数据传送工作，由DMA控制器来实现内存与外设，或外设与外设之间的快速数据传送，减轻了CPU的负担。DMA控制器是为这种工作方式而设计的专用接口电路。 这种传送方式特别适合于高速度、大批量的数据传送。,4I/O处理机方式 虽然，DMA方式已能较好的实现高速度、大批量的数据传送，但是，仍然需要CPU对DMA进行初始化，启动DMA操作，以及完成每次DMA操
14、作之后检查传送的状态等。对于I/O数据的处理，如对数据的变换、拆、装、检查等，更是离不开CPU的支持。为了能让CPU进一步摆脱I/O数据传送的负担，提出了I/O处理机方式。 这种方式下，采用专门的I/O协处理器，它不仅能控制数据的传送，而且，还可以执行算术逻辑运算、转移、搜索、和转换。当CPU需要进行I/O操作时，它只要在存储器中建立一个信息块，将所需要的操作和有关的参数按照规定列入，然后通知I/O协处理器来读取。协处理器读得控制信息后，能自动完成全部的I/O操作。在这种系统中，所有的I/O操作都是以块为单位来进行的。,8.3 常用微机外部实用接口,微机接口是计算机系统的重要组成部分。计算机与
15、外界交换信息必须通过输入/输出设备。输入/输出设备一般都是通过接口电路与系统总线相联的。计算机中的外设都是通过主板进行连接的，所以在一块主板中会存在各种各样的外设接口，如键盘、鼠标接口，打印机接口、USB接口和IEEE 1394火线接口、网线接口，以及音视频输出/输入接口等。,图 8-4 主板外部接口,8.3.1 USB接口 USB ：是 Universal Serial Bus 的缩写，如果按中文直接翻译就是“通用串行总线”接口，它是一种串行总线系统，带有5V电压，可以独立供电，支持即插即用功能，支持热拔插功能，最多能同时连入127个USB设备，由各个设备均分带宽。USB接口是现在最为流行的
16、接口，USB接口研发于1994年，由 康柏、IBM、Intel和Microsoft共同推出的，旨在统一外设如打印机、外置Modem、扫描仪、鼠标等的接口，以便于安装使用，取代以往的串口、并口和PS/2接口。目前的USB接口有USB2.0和USB1.1 两种速度传输标准。其中USB1.1的传输速度为12Mbps/s,而USB2.0的传输速度已经达到了480Mbps/s.,图 8-5 USB接口,8.3.2 PS/2接口 PS/2接口是目前最常见的鼠标接口，最初是IBM公司的专利，俗称“小口”。这是一种鼠标和键盘的专用接口，是一种6针的圆型接口。但鼠标只使用其中的4针传输数据和供电，其余2个为空脚。PS/2接口的传输速率比COM接口稍快一些，而且是ATX主板的标准接口，是目前应用最为广泛的鼠标接口之一，但仍然不能使高档鼠标完全发挥其性能，而且不支持热插拔。在BTX主板规范中，这也是即将被淘汰掉的接口。 需要注意的是，在连接PS/2接口鼠标时不能错误地插入键盘PS/2接口（当然，也不能把PS/2键盘插入鼠标PS/2接口）。一般情况下，符合PC99规范的主板，其鼠标的接口为绿色
