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1、微型计算机接口第微型计算机接口第1 1章概章概述述n课程学习要求课程学习要求1.成绩计算方法成绩计算方法平时成绩平时成绩30%（出勤（出勤+试验试验+作业情况）作业情况）考试成绩考试成绩70%2.课堂纪律课堂纪律上课不要吃东西、讲话上课不要吃东西、讲话2024/7/27微型计算机接口技术9第第1章章概论概论本章主要内容本章主要内容接口的基本任务及接口技术发展概况接口的基本任务及接口技术发展概况接口分层次概念接口分层次概念设备接口电路的功能与组成设备接口电路的功能与组成分析与设计设备接口电路的基本方法分析与设计设备接口电路的基本方法设备接口电路设计的解决方案设备接口电路设计的解决方案2024/7
2、/27微型计算机接口技术10 接口接口是是微处理器微处理器与与外部设备外部设备之间的之间的连接桥梁连接桥梁和和信息交换信息交换的中转站的中转站，在实际应用中，在实际应用中，人们总是利用接口来加入用户人们总是利用接口来加入用户自己的设备或模块构成应用系统自己的设备或模块构成应用系统，可见，可见接口技术接口技术是是微机应用微机应用系统开发必不可少系统开发必不可少的的关键技术关键技术，所以要学习接口技术。，所以要学习接口技术。1.1接口的基本任务与接口技术的发展概况接口的基本任务与接口技术的发展概况1.1.1接口的基本任务接口的基本任务微机接口的微机接口的基本任务基本任务有有两个两个：一是实现一是实
3、现I/O设备与总线设备与总线的的连接连接；二是二是连接起来以后，连接起来以后，CPU通过接口对通过接口对I/O设备进行设备进行访问访问，即操作或控制，即操作或控制I/O设设备。备。如何如何连接连接是是硬件硬件方面的任务方面的任务，怎样怎样访问访问是是软件软件方面的任务。方面的任务。1.1.2接口技术的发展概况接口技术的发展概况在早期的计算机系统中并没有设置独立的接口电路。在早期的计算机系统中并没有设置独立的接口电路。接口经历了接口经历了固固定式简单接口定式简单接口、可编程复杂接口可编程复杂接口和和智能接口智能接口几个发展阶段几个发展阶段。接口电路接口电路的的配置形式配置形式，也由采用，也由采用
4、独立接口芯片的独立接口芯片的外置式外置式接口接口，发展为采用，发展为采用接口接口模块模块的的内置式内置式接口接口。2024/7/27微型计算机接口技术111.2接口的分层次概念接口的分层次概念由于微机系统由于微机系统总线结构总线结构和和操作系统操作系统的发展变化的发展变化，使接口在完成，使接口在完成连接连接与与访问访问设备任务时产生了与传统根本不同的处理方法，设备任务时产生了与传统根本不同的处理方法，形成接口分层形成接口分层次的次的概念概念，把接口分成把接口分成上层设备接口上层设备接口和和下层总线接口下层总线接口两个层次两个层次。1.2.1硬件分层硬件分层现代微机采用多级总线现代微机采用多级总
5、线，除了设备与用户总线，除了设备与用户总线(如如ISA)之间的那一层设备之间的那一层设备接口之外，还有总线与总线的接口接口之外，还有总线与总线的接口(总线桥总线桥)。作为连接总线作为连接总线与与设备之间设备之间的接口的接口就不再是单一层次的，就不再是单一层次的，就要分层次了就要分层次了。设备与用户总线之间的接设备与用户总线之间的接口口称为称为设备接口设备接口；PCIPCI总线与用户总线之间的接口总线与用户总线之间的接口称为称为总线接口总线接口。与早。与早期微机相比，现代微机的外设进入系统需要通过两级接口才行，即通过期微机相比，现代微机的外设进入系统需要通过两级接口才行，即通过设备接口和总线接口
6、把设备连接到微机系统。设备接口和总线接口把设备连接到微机系统。1.2.2软件分层软件分层现代微机操作系统，现代微机操作系统，由于保护机制由于保护机制，不允许不允许应用程序应用程序直接访问硬件直接访问硬件，应应用程序用程序通过调用通过调用驱动程序驱动程序去去访问底层硬件访问底层硬件，作为操作设备的作为操作设备的接口程序接口程序就就不再是只有单一的应用程序了，不再是只有单一的应用程序了，也要分层次也要分层次。2024/7/27微型计算机接口技术12分为分为上层用户态应用程序上层用户态应用程序和和底层核心态驱动程序底层核心态驱动程序。与早期微机相比，。与早期微机相比，现代微机对外设的操作与控制需要通
7、过两层程序才行，即通过应用现代微机对外设的操作与控制需要通过两层程序才行，即通过应用程序和设备驱动程序才能访问设备。程序和设备驱动程序才能访问设备。1.2.3接口技术内容的划分接口技术内容的划分按照接口分层次的概念按照接口分层次的概念，把把接口技术的内容分为接口技术的内容分为两部分两部分：一部分一部分是接口的是接口的上层上层，包括包括设备接口设备接口及及应用程序应用程序，构成接口的，构成接口的基本内容基本内容；另一部分是接口的另一部分是接口的下层下层，包括包括总线接口总线接口及及设备驱动程序设备驱动程序，构成接口，构成接口的的高级内容高级内容。用户用户做一般应用开发时做一般应用开发时，只涉及接
8、口的只涉及接口的基本内容基本内容，若要若要做原创性做原创性开发开发，则则需要考虑接口的需要考虑接口的高级内容高级内容。2024/7/27微型计算机接口技术131.3设设备备接接口口1.3.1设备接口的功能设备接口的功能1.执行执行CPU命令命令CPU对被控对象外设的对被控对象外设的控制控制是是通过接口电路通过接口电路的的命令寄存器命令寄存器解释与执行解释与执行CPU命令代码来实现的。命令代码来实现的。2.返回外设状态返回外设状态接口电路在执行接口电路在执行CPU命令过程中命令过程中，外设及接口电路的工作外设及接口电路的工作状态状态是是由接口由接口电路电路的的状态寄存器状态寄存器报告给报告给CP
9、U的。的。3.数据缓冲数据缓冲与锁存与锁存在在CPU与与外设之间外设之间传输数据传输数据时，时，主机高速主机高速与与外设低速外设低速的的矛盾矛盾是是通过接口通过接口电路的电路的数据寄存器数据寄存器缓冲来解决的。缓冲来解决的。4.信号转换信号转换微机的微机的系统系统总线信号总线信号与与外设外设特有功能的特有功能的信号信号的的转换转换是是通过接口通过接口的的逻辑电逻辑电路路实现的，包括信号的实现的，包括信号的功能、功能、逻辑关系、时序配合及电平匹配的转换。逻辑关系、时序配合及电平匹配的转换。2024/7/27微型计算机接口技术145.数据宽度与数据格式转换数据宽度与数据格式转换有的有的外设或通信设
10、备使用外设或通信设备使用串行数据串行数据，并且要求按照协议并且要求按照协议的规定，的规定，以以特定的数据格式特定的数据格式传输传输，而，而微处理器是使用微处理器是使用并行数据并行数据和和普通的数据格式普通的数据格式。为此，为此，接口电路就应具有接口电路就应具有数据并数据并- -串转换串转换和和数据格式转换数据格式转换的能力。的能力。6.设备选择设备选择当当CPU与外设交换信息与外设交换信息时，是时，是通过接口通过接口的的I/OI/O地址译码电路地址译码电路选定需要与选定需要与自己交换信息的设备端口自己交换信息的设备端口，进行数据交换或通信。，进行数据交换或通信。1.3.2设备接口的组成设备接口
11、的组成1硬件电路硬件电路（1）接口电路基本电路）接口电路基本电路基本电路基本电路包括包括命令寄存器命令寄存器、状态寄存器状态寄存器和和数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器。它们它们是是接口接口电路的核心电路的核心，担负着担负着接收并执行命令接收并执行命令、返回状态返回状态和和传送数据传送数据的基本任的基本任务，目前，务，目前，可编程可编程大规模集成大规模集成接口芯片接口芯片中中都包含了这些基本电路都包含了这些基本电路，是，是接口芯片接口芯片编程模型编程模型中中的主要对象的主要对象。若。若采用采用FPGA自行设计自行设计接口电路模块接口电路模块至少至少也必须也必须包含这几个寄存器包含这几个寄存器。202
12、4/7/27微型计算机接口技术15（2）接口支持电路）接口支持电路支持电路支持电路包括包括用于数据交换方式用于数据交换方式的的中断控制器中断控制器、DMADMA控制器控制器；用于寻址用于寻址I/O设备设备的的端口地址译码器端口地址译码器；用于速度、频率控制用于速度、频率控制的的定时定时/ /计数器计数器。它们是它们是支持支持各类设备接口的各类设备接口的共用技术共用技术，也，也是是CPU的外围支持电路的外围支持电路，是是系统系统配置的资源配置的资源，因此，因此，用户用户一般不需重新设计，一般不需重新设计，只申请使用即可只申请使用即可。（3）供选电路）供选电路根据接口不同任务和功能要求根据接口不同
13、任务和功能要求而而添加的添加的IC电路电路，设计者可按照需要加，设计者可按照需要加以选择。以选择。例如例如，串串-并转换并转换的的移位寄存器移位寄存器，EAI-TTL转换转换的的逻辑电平转换逻辑电平转换器器；控制速度控制速度的的时钟发生器时钟发生器；增强增强驱动能力驱动能力和和进行进行信号隔离信号隔离的的IC芯片芯片等。等。2软件编程软件编程（1）初始化程序段）初始化程序段一般都一般都根据设计要求，根据设计要求，通过方式命令或初始化命令，设置通过方式命令或初始化命令，设置工作方式工作方式、数据格式数据格式、初始条件初始条件以及以及确定其具体用途确定其具体用途，这是，这是接口程序中的接口程序中的
14、基本部分基本部分。有人有人把这个工作叫做把这个工作叫做可编程接口芯片的可编程接口芯片的“组态组态”。2024/7/27微型计算机接口技术16（2）主控程序段）主控程序段主控程序段主控程序段是是完成接口任务的核心程序段完成接口任务的核心程序段。如。如数据采集的数据采集的主程主程序段序段，包括，包括发转换启动信号发转换启动信号、查转换结束信号查转换结束信号、读数据读数据以及以及存存数据数据等内容。又如等内容。又如步进电机控制的步进电机控制的主程序段主程序段，包括，包括运行方式运行方式、运行方向运行方向、运行速度运行速度以及以及启启/停控制停控制等。等。（3）传送方式处理程序段）传送方式处理程序段若
15、若采用采用查询方式查询方式，则，则有检测外设有检测外设或或接口状态接口状态的的程序段程序段；若若采用采用中断方式中断方式，则，则有中断向量修改有中断向量修改、对中断源的屏蔽对中断源的屏蔽/开放开放以及以及中断中断结束结束等的等的处理程序段处理程序段，且这种程序段一定是主程序和中断服务，且这种程序段一定是主程序和中断服务程序分开编写。程序分开编写。若若采用采用DMADMA方式方式，则，则有传输参数的设置有传输参数的设置、通道通道的开放的开放/屏蔽屏蔽等等处理程序段处理程序段。（4）辅助程序段）辅助程序段包括包括人人- -机对话机对话、菜单设计菜单设计等内容。人等内容。人-机对话程序段能增加人机对
16、话程序段能增加人-机交互作用；设计菜单使操作方便。机交互作用；设计菜单使操作方便。2024/7/27微型计算机接口技术171.3.3设备接口与设备接口与CPU交换数据的方式交换数据的方式1.查询方式查询方式查询方式查询方式是是CPUCPU主动去检查主动去检查外设外设是否是否“准备好准备好”传输数据的状态传输数据的状态，因此，因此，CPU需花费很多时间来等待外设进行数据传输的准备，工作效率很低。需花费很多时间来等待外设进行数据传输的准备，工作效率很低。但但查询方式查询方式易于实现易于实现，在在CPU不太忙不太忙的情况下，的情况下，可以采用可以采用。2.中断方式中断方式中断方式中断方式是是I/OI
17、/O设备设备做好数据传输准备后，做好数据传输准备后，主动向主动向CPUCPU请求请求传输数据传输数据，CPU节省了等待外设的时间。因此，节省了等待外设的时间。因此，中断方式中断方式用于用于CPU的任务比较忙的的任务比较忙的场合，尤其场合，尤其适合实时控制及紧急事件的处理适合实时控制及紧急事件的处理。3.DMA方式方式DMADMA方式方式是是DMADMA控制器控制器代替代替CPUCPU进行数据在进行数据在I/OI/O设备与存储器之间的的设备与存储器之间的的直接传输管理直接传输管理，在传输过程中在传输过程中CPU不干预。这不仅简化了不干预。这不仅简化了CPU对输入对输入/输输出的管理，更重要的是大
18、大提高了数据的传输速率。因此，出的管理，更重要的是大大提高了数据的传输速率。因此，DMA方式特方式特别适合高速度、大批量数据传输别适合高速度、大批量数据传输。2024/7/27微型计算机接口技术181.3.4分析与设计设备接口电路的基本方法分析与设计设备接口电路的基本方法1接口芯片的编程模型方法接口芯片的编程模型方法编程模型编程模型是指是指接口芯片接口芯片或或接口模块接口模块内部可访问的内部可访问的寄存器寄存器及其及其命令命令、状态状态，数据格式数据格式和分配给寄存器的和分配给寄存器的端口地址端口地址3 3个元素个元素。了解与掌握了解与掌握了了一个芯片这一个芯片这3个方面的内容个方面的内容，也
19、就可以利用它也就可以利用它进行接口的软件设计进行接口的软件设计了，了，因此，因此，编程模型编程模型也叫芯片的也叫芯片的软件模型软件模型。编程模型方法编程模型方法的的实质实质是是强调对硬件对象的应用强调对硬件对象的应用，而不在意其内部结构而不在意其内部结构，这这大大简化了对硬件对象复杂结构大大简化了对硬件对象复杂结构的了解的了解，而又不失而又不失对硬件的应用对硬件的应用。2接口两侧分析方法接口两侧分析方法在分析与设计在分析与设计接口接口时，显然应该从接口的两侧入手。时，显然应该从接口的两侧入手。CPUCPU一侧一侧，面向的，面向的是是总线的数据总线的数据、地址地址和和控制三总线控制三总线，情况单
20、一情况单一。接口。接口电路与之对接的信号线，电路与之对接的信号线，只要满足三总线在电平高低只要满足三总线在电平高低、时序逻辑时序逻辑上的要求上的要求并进行号入座连接即可。并进行号入座连接即可。I/OI/O设备一侧设备一侧，情况很复杂情况很复杂。分析。分析重点放在重点放在两个方面两个方面：一是分析被连一是分析被连I/OI/O设备的外部特性设备的外部特性-外设信号引脚的外设信号引脚的功能功能与与特点特点，以便在接口以便在接口硬件设计硬件设计时，时，提供这些信号线提供这些信号线，满足满足外设在连接上外设在连接上的要求的要求；二是分析被控外设的工作原二是分析被控外设的工作原理与工作过程理与工作过程，以
21、便在接口以便在接口软件软件设计设计时，时，按照这种过程编写程序按照这种过程编写程序，满足满足外外设工作条件设工作条件的要求的要求。以此为依据来进行接口电路的硬件设计与软件编程。以此为依据来进行接口电路的硬件设计与软件编程。2024/7/27微型计算机接口技术193硬软结合法硬软结合法以硬件为基础，硬件与软件相结合是设计设备接口电路的以硬件为基础，硬件与软件相结合是设计设备接口电路的基本方法。基本方法。1.4接口电路设计的解决方案接口电路设计的解决方案所谓所谓接口电路设计的解决方案接口电路设计的解决方案是指是指在微机接口电路总体设计时，在微机接口电路总体设计时，对接对接口电路的配置方式和接口电路
22、芯片的选择口电路的配置方式和接口电路芯片的选择进行分析与认定。进行分析与认定。解决方案解决方案与微处理器类型有关与微处理器类型有关，台式微机（，台式微机（PC机）、嵌入式微机、机）、嵌入式微机、MCU各不各不相同。相同。1.4.1接口电路的配置方式接口电路的配置方式接口电路的配置方式接口电路的配置方式，是指是指把把接口电路安排在微机系统的什么地方接口电路安排在微机系统的什么地方，有，有外置式外置式与与内嵌式内嵌式之分之分。1.外置式接口电路外置式接口电路外置式外置式接口电路接口电路是把是把接口电路分立出来接口电路分立出来，作为独立的电路，放在微处作为独立的电路，放在微处理器芯片之外理器芯片之外
23、，形成各种外围接口芯片形成各种外围接口芯片和和外围支持芯片外围支持芯片，如并行接口芯，如并行接口芯片、串行接口芯片、定时与计数器芯片、中断控制器芯片等。片、串行接口芯片、定时与计数器芯片、中断控制器芯片等。使用时使用时通通过总线与过总线与CPU进行连进行连接接，一般多，一般多在台式微机中采用在台式微机中采用。2024/7/27微型计算机接口技术202.内置式接口电路内置式接口电路内置式内置式接口电路接口电路是把是把接口电路当做一个接口功能模块接口电路当做一个接口功能模块与与微处微处理器放在同一芯片理器放在同一芯片中，如中，如嵌入式微机嵌入式微机和和单片机单片机内部内部包含包含的的并行并行接口模
24、块接口模块、串行接口模块、定时、串行接口模块、定时/ /计数器模块、中断控制器模块计数器模块、中断控制器模块等。等。由于接口模块由于接口模块与与微处理器微处理器同在一个芯片内部同在一个芯片内部，CPUCPU与与I/OI/O设备设备之间的之间的接口电路基本结构接口电路基本结构是一组核心寄存器是一组核心寄存器(1.3.2(1.3.2节中的接口节中的接口基本电路基本电路) )，CPUCPU通过读写通过读写这些寄存器这些寄存器来与设备通信来与设备通信，在外部只，在外部只需与需与I/OI/O设备连接。设备连接。1.4.2接口电路芯片的选择接口电路芯片的选择根据接口电路所担负任务的复杂程度不同，根据接口电
25、路所担负任务的复杂程度不同，搭建接口电路的搭建接口电路的元器件有多种选择，元器件有多种选择，可采用一般的可采用一般的ICIC电路、可编程的通用电路、可编程的通用/ /专用专用接口芯片或可编程的逻辑阵列器件。接口芯片或可编程的逻辑阵列器件。1.一般的一般的IC芯片芯片利用利用一般一般ICIC芯片芯片中的三态缓冲器和锁存器即中的三态缓冲器和锁存器即可组成可组成简单的简单的I/OI/O端口端口。例如，采用三态缓冲器。例如，采用三态缓冲器74LS24474LS244构造构造8 8位输入端口，读取位输入端口，读取DIPDIP开关的开关状态；采用锁存器开关的开关状态；采用锁存器74ALS37374ALS3
26、73构造构造8 8位输出端口，位输出端口，发出控制信号，使发出控制信号，使LEDLED发光。发光。2024/7/27微型计算机接口技术212.可编程通用可编程通用/专用接口芯片专用接口芯片可编程通用可编程通用/ /专用接口芯片专用接口芯片功能强、可靠性高、通用性好功能强、可靠性高、通用性好/针针对性强，并且使用灵活方便，因此对性强，并且使用灵活方便，因此成为成为台式微机系统接口设计台式微机系统接口设计的首选的首选。3.FPGA器件器件采用采用FPGA/CPLDFPGA/CPLD器件器件，利用，利用EDA技术来设计接口，可以实现复技术来设计接口，可以实现复杂的接口功能，并且可以将接口功能模块与其
27、他应用电路集成杂的接口功能，并且可以将接口功能模块与其他应用电路集成在一起。其结构紧凑、灵活多样，可满足不同复杂度接口电路在一起。其结构紧凑、灵活多样，可满足不同复杂度接口电路的要求，因此的要求，因此成为成为嵌入式微机系统嵌入式微机系统和和微控制器微控制器MCUMCU接口设计的首接口设计的首选选。2024/7/27微型计算机接口技术22本本章章小小结结通过本章学习，要重点了解以下几个知识点。通过本章学习，要重点了解以下几个知识点。为什么要学习接口技术为什么要学习接口技术接口技术分层次概念接口技术分层次概念设备接口的基本功能设备接口的基本功能接口电路的核心寄存器接口电路的核心寄存器接口芯片或接口模块的编程模型方法接口芯片或接口模块的编程模型方法接口电路的配置方式接口电路的配置方式结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！23
