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1、第一节微机接口与接口技术概述一、接口微机接口就是微处理器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。比如源程序或原始数据要通过接口从输入设备送进去，运算结果要通过接口向输出设备送出来；控制命令通过接口发出去，现场状态通过接口取进来，这些来往信息都要通过接口进行变换与中转。从图 1.1 可以看出，各类外部设备（简称外设）和存储器，都是通过各自的接口电路连到微机系统的总线上去的，因此用户可以根据自己的要求，选用不同类型的外设，设置相应的接口电路，把它们挂到系统总线上，构成不同用途、不同规模的应用系统。为什么要在CPU与外设之间设置接口电路？有几个方面的原因：其一， C
2、PU与外设两者的信号线不兼容，在信号线功能定义、逻辑定义和时序关系上都不一致；其二，两者的工作速度不兼容，CPU速度高，外设速度低；其三，若不通过接口， 而由 CPU 直接对外设的操作实施控制，就会使 CPU处于穷于应付与外设打交道之中，大大降低CPU的效率；其四，若外部设备直接由CPU 控制，也会使外设的硬件结构依赖于CPU，对外设本身的发展不利。因此，有必要设置接口电路，以便协调CPU与外设两者的工作，提高CPU的效率，并有利于外设按自身的规律发展。二、接口技术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“外部世界”进行最佳连接，以实现 CPU与“外部世界”进行高效可靠的信
3、息交换的一门技术。第二节接口功能接口是 CPU与外界的连接电路，并非任何一种电路都可以叫做接口，它必须具备一些条件或功能，才称得上是接口电路。那么，接口应具备哪些功能呢？从解决 CPU与外设在连接时存在的矛盾的观点来看，一般有如下功能。1执行 CPU命令的功能CPU对被控对象外部设备的控制命令是以命令代码的形式先发送到接口中的命令寄存器，称之为“命令口” 。再由接口电路对命令代码进行识别和分析，分解成若干个控制信号，传送到I/O备，使其产生相应的具体操作。可见，CPU并不是直接把命令送到被控对象，而是通过接口电路来进行控制的。2返回外设状态的功能设接口电路在执行CPU命令之前、执行命令过程中和
4、执行命令之后，外部设备及接口电路都会有一些情况发生，这些“情况”就是所谓“状态” ，包括正常工作状态和故障状态。如“忙” 、“闲”，“准备就绪” 、“未准备就绪” ，“满”、“空”，以及“溢出错” 、“格式错” 、“校验错”等状态。接口中一般都设置状态寄存器，称之为“状态口” 。这些状态信号以状态代码形式存放在接口电路的状态寄存器中，以便向 CPU报告。 CPU从“状态口”读取这些状态信息，就可以“知道”正在发生或已经发生了哪些情况，以供 CPU做出判断与处理。3. 数据缓冲功能为了解决主机高速与外设低速的矛盾，避免因速度不一致而丢失数据，接口中一般都设置数据缓冲寄存器（简称数据缓存器），称之
5、为“数据口” 。数据缓存器又分为输入和输出缓存器两种，前者暂存外投送来的数据，以待 CPU将它取走；后者暂存 CPU送往外设的数据。有了数据缓存器，就可以使高速工作的 CPU与慢速工作的外设协调工作。由于数据缓存器直接连在系统数据总线上，因此它应具有三态特性。4信号转换功能由于外设所需的控制信号和它所能提供的状态信号往往同微机的总线信号不兼容。不兼容性表现在两者的信号功能定义、逻辑关系、 电平高低以及工作时序的不一致。因此，信号转换 （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），就成为接口设计中的一个重要任务。5设备选择功能在微机系统中一般有多种外设，在同一种
6、外设中也可能有多台，而一个CPU在同一时间里只能与一台外设交换信息，这就要在接口中设置I/O端口地址译码电路对外设进行寻址。CPU 将 I O设备的端口地址代码送到接口中的地址译码电路，并经译码电路，把地址代码翻译成I/O 设备的选择信号。一般是把高位地址用于接口芯片选择，低位地址进行芯片内部寄存器的选择，以选定需要与自己交换信息的设备端口，只有被选中的设备才能与CPU进行数据交换或通信。没有选中的设备，就不能与CPU交换数据。6数据宽度与数据格式转换的功能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，
7、接口就应具有数据“并串”和“串并”的转换能力。上述功能并非要求每种接口都具备，对不同用途的微机系统，其接口功能不同，接口电路的复杂程度大不一样。但前 3 种功能是接口电路中的核心部分，是一般接口都需要的。第三节接口的组成为了实现上述功能，就需要物理基础硬件，予以支撑；还要有相应的程序软件，予以驱动。所以，一个能够实际运行的接口，应由硬件和软件两部分组成。一、硬件电路从使用角度来看，接口的硬件部分有1. 基本逻辑电路包括命令寄存器、状态寄存器和数据缓冲寄存器。它们担负着接收执行命令、返回状态和传送数据的基本任务，是接口电路的核心。目前，可编程大规模集成接口芯片中都包含了这些基本电路。2. 端口地
8、址译码电路它由译码器或能实现译码功能的其他芯片，如GAL（ PAL）器件、普通IC 逻辑芯片构成。它的作用是进行设备选择，是接口中不可缺少的部分。这部分电路不包含在集成接口芯片中，要由用户自行设计。3. 供选电路这是根据接口不同任务和功能要求而添加的功能模块电路，设计者可按照需要加以选择。在设计接口时，当涉及到数据传输方式时，要考虑中断控制或DMA控制器的选用；当涉及到速度控制和发声时，要考虑定时/ 计数器的选用；当涉及到数据宽度转换时，要考虑到移位寄存器的选用等等。以上这些硬件电路不是孤立的，而是按照设计要求有机地结合在一起，使其相互联系和相互作用，实现接口的功能。至于接口芯片中的控制逻辑电
9、路， 是用于对接口芯片内部各电路之间的协调以及对外部的联络控制，而对用户的应用无直接关系，故不作详细分析与讨论。二、软件编程接口电路由于被控对象的多样性而无一定模式，但从实现接口的功能来看，一个完整的设备接口程序大约包括如下一些程序段。1. 初始化程序段对可编程接口芯片（或控制芯片）都需要通过其方式命令或初始化命令设置工作方式及初始条件，这是接口程序中的基本部分。2. 传送方式处理程序段只要有数据传送，就有传送方式的处理。查询方式有检测外设或接口状态的程序段；中断方式有中断向量修改、对中断源的屏蔽开放以及中断结束等的处理程序段，且程序一定是主程序和中断服务程序分开编写。 DMA方式有相关的 D
10、MA传送操作，如通道的开放屏蔽等处理的程序段。3. 主控程序段完成接口任务的程序段，如数据采集的程序段，包括发转换启动信号、查转换结束信号、读数据以及存数据等内容。又如步进电机控制程序段，包括运行方式、方向、速度以及启/ 停控制等。4. 程序终止与退出程序段包括程序结束退出前对接口电路中硬件的保护程序段。如对一些芯片的引脚设置为高或低电平，或将其设置为输入输出状态等。5. 辅助程序段该程序段包括人、机对话、菜单设计等内容。人、机对话程序段能增加人-机交互作用；设计菜单，使操作方便。以上这些程序段是相互依存的，是一体的。只是为了分析一个完整的设备接口程序而划分成几个部分。第四节接口电路的结构形式
11、接口电路的结构形式是指采用什么样的元件、器件或部件，以什么方式来构成接口电路。接口电路一般有以下几种结构形式。一、固定式结构固定式结构采用SSI 或 MSI 的 IC 逻辑芯片，按设计要求组合而成。电路一经做成，其工作方式和功能就固定不变，是一种不可编程的接口电路，一般用于接口任务比较简单的场合。二、半固定式结构半固定式结构是指采用GAL或 PAL器件构成的接口电路。设计者根据接口电路设计要求，编写各种“与”、“或”逻辑表达式，通过专门的编程软件和编程器，烧入CAL器件，就可以实现比较复杂的接口功能。由于采用这种器件的接口电路，其功能和工作方式可以通过改写内部的逻辑表达式加以改变，但是，逻辑表
12、达式一旦烧入芯片，其功能和工作方式又都固定下来，因此，把它叫做半固定式结构。 由于采用GAL器件设计的接口电路，体积小， 功能强， 并且可以加密， 应用日益广泛。三、可编程结构随着接口功能的增强和集成度的提高，出现了大规模集成接口芯片。采用这种芯片构成的接口电路，其工作方式和功能可以通过编程方法加以改变，使用灵活，适应面宽，而且种类繁多，能满足不同外设接口的需要。本书将主要讨论这种可编程接口电路。四、智能型结构若采用专门设计的I/O 处理器（如I8089 ）或通用单片微机，就可以构成智能接口。由于这些芯片本身带有微处理器，因此，外设的全部管理功能都可由智能接口来完成，这样就使中央处理器从繁重的
13、外设管理工作中解脱出来，从而大大提高了系统的效率和数据吞吐量。第五节CPU与接口交换数据的方式微机与外部设备之间的数据传送实际上是CPU与接口之间的数据传送，传送的方式不同，CPU对外设的控制方式也不同，从而使接口电路的结构及功能也不同，所以接口电路设计者对CPU与外设之间采用什么方式传送数据颇为关心。在微机中，传送数据一般有3 种方式：查询方式、中断方式和 DMA方式。一、查询方式查询方式是CPU传送数据（包括读入和写出）之前，主动去检查外设是否“准备好”，若没有准备好，则继续查其状态，直至外设准备好了，即确认外部设备已具备传送条件之后，才进行数据传送。具体作法是在程序中安排一段由输入/ 输
14、出指令和测试指令以及转移指令组成的程序段。CPU使用测试指令和条件转移指令循环检测设备完成准备工作的状态。一旦设备 “准备好”，CPU才执行传送指令，实现CPU与接口之间的数据交换。显然，在这种方式下，CPU每传送一个数据，需花费很多时间来等待外设进行数据传送的准备，因此，CPU的工作效率很低，且CPU与外设不能同时工作，各种外设也不能同时工作。但这种方式不需要增加额外的硬件电路，因此，易于实现。在CPU不太忙且传送速度不高的情况下，可以采用。二、中断方式采用中断方式传送数据时，无需反复测试外部设备的状态。在外部设备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请求中断， CPU 响应这一请求，暂停正在运行的程序，转入用来进行数据传送的中断服务子程序，完成中断服务子程序（即完成数据传送）后，自动返回原来运行的程序。这
