微型计算机接口技术第一章接口的基本概念

第一章接口基本知识§1微机接口中的基本概念一、微机接口

1、微机接口中的基本概念

①接口：

所谓的接口就是微处理器（MPU或CPU）与外部设备连接的部件，是MPU（CPU）与外设进行信息交换的中转站。②微机接口技术：是采用硬件与软件相结合的方法，使微处理器与外部设备进行最佳的匹配，实现MPU（CPU）与外部设备之间的高效、可靠的信息交换的一门技术。③端口：其实就是接口芯片中的寄存器。④外设：在本教材中，大多数时候所谓的外设，指的是除CPU之外的计算机设备，统称为外部设备，简称外设。（包括内存等）第一章接口基本知识§1微机接口中的基本概念2、接口的功能①数据缓冲功能：

②设备选择功能：③信号转换功能：为了实现MPU（CPU）与外设之间的高效、可靠的信息交换，微机接口应具备以下功能：④提供信息交换的握手信号：

⑤中断管理功能：⑥可编程功能：为了解决高速的MPU（CPU）与低速的外设之间速度匹配的问题。MPU（CPU）在同一时刻只能与一个外设交换信息，而如何在众多的外设中找到需要操作的外设？这就需要通过接口中的地址译码电路对外设进行寻址。由于外设的功能、用途不同，因此各外设所提供的数据、状态和控制信号的电平往往与微机的总线电平不兼容，所以接口电路中对电平（信号）的转换是不可避免的。为了使CPU能够与外设之间联络，因此必须在接口电路中提供“空”、“满”、“准备好”、“忙”等状态信号，以便程序可以了解是否能够发送数据到外设或从外设读取数据。在一些外设需要及时得到CPU的响应的情况下，通过在接口芯片中设置中断控制器，为CPU提供中断事务。这样既增加了微机系统对外设随机事件的处理能力，又使CPU可以与外设并行工作，从而提高了CPU的利用率。即工作方式的可选择性。通过向外设的接口芯片中写入不同的命令，选择外设工作于不同的方式之下，大大增加了接口的灵活性和可扩充性。第一章接口基本知识§1微机接口中的基本概念二、接口中的信息计算机系统与IO外设之间的信息通常有以下几种：

①数据信息：大致可以分为以下三种：数字量（如发送到打印机的、从键盘接收的）数据、模拟量（如温度、电流、压力、声音等）数据及开关量（如开关的断开与闭合）数据。②状态信息：计算机在与外设通信的过程中，外设的数据是否准备好、或外设是否已准备好接收数据等，都需要用到一些信号来表示，以实现计算机与外设之间的正确的“握手”。常见的状态信息有READY（准备好）、BUSY（忙）、EMPTY（空）、ACK（应答）等。③控制信息：其主要作用是用以启动、停止外设的工作。其实就是我们在对接口编程时，写入各个端口的命令。第一章接口基本知识§1微机接口中的基本概念三、数据传送的方式计算机与外设之间的数据传送主要有以下四种基本方式：①无条件传送方式：又被称为同步传送方式。主要适用于外设和各种动作时间是固定的，并且条件是已知的、或者计算机与外设是完全同步的情况。②条件传送方式（查询方式）：大多数情况下，计算机与外设的速度并不同步。因此，在CPU对外设发送数据或从外设读取数据时，先查询外设的状态信息。只有在外设已经准备好时才进行数据传送。③中断方式：

对于查询方式，当外设没有准备好时，CPU就必须等待而不能进行其它的操作。为此，采用中断传送方式：当外设准备好数据或准备好接收数据时，由外设向CPU发出一个中断请求；而如果CPU可以响应这个中断请求，则暂停原来程序的执行，转入执行相应的中断操作（中断服务程序），当输入/输出完成之后，再返回原程序处继续执行（中断返回）。④DMA方式（直接存储器存取）：让外设与计算机内存直接进行数据交换（直接存储器存取），交换数据的过程中无须CPU的干预。第一章接口基本知识§1微机接口中的基本概念四、I/O的寻址方式在计算机中有两种主要的外设寻址方式：与存储器对应的I/O寻址方式和端口I/O寻址方式①与存储器对应的I/O寻址方式：又称为统一寻址方式。在这种方式中，外设的端口地址占用一个或几个存储器地址。当欲对这些I/O端口进行操作时，使用与操作存储器相同的指令。优点：操作I/O端口与操作存储器使用相同的命令，从而减少了指令；缺点：对I/O端口操作速度慢；占用了计算机的有效内存。采用这种方式的有摩托罗拉的6800系列及部分小型机。②端口I/O寻址方式：又称为独立寻址方式。在这种方式中，处理器访问端口时使用专门的IO指令，而计算机存储器地址与外设的端口地址可以相同。缺点：使用专门的I/O指令，增加了指令数；优点：访问I/O的速度快；不占用计算机的有效内存地址。Intel系列的CPU即采用这种方式。第一章接口基本知识§1微机接口中的基本概念四、I/O的寻址方式对于采用Intel系列CPU的微机，CPU可使用DX寄存器间接对I/O端口寻址，因此能寻址的端口为65536个。早期的IBM-PC机从硬件上对I/O端口的数量进行了限制，共使用10根地址线（A0~A9）作为I/O端口的寻址，因此最多可寻址的端口数为1024个（0~3FFH）。而当微机进入奔腾时代后，这一限制不再存在，因此，目前的微机最大可访问的端口数为65536个（0~0FFFFH）。第一章接口基本知识§1微机接口中的基本概念五、PC机的I/O口地址分配表1-1IBM-PC机常见的I/O口地址分配表I/O口地址设备0~0FHDMA控制器8237片内寄存器地址20~21H中断控制器825940~43H定时/计数器825360~63H并行接口芯片825570~71HCMOS索引寄存器和数据寄存器320~32FH硬盘控制器378~37AH打印机端口LPT13D0~3DFH彩色显示器参数3F0~3F7H软盘控制器3F8~3FEH异步通信口COM12F8~2FEH异步通信口COM2278~27AH打印机端口LPT2第一章接口基本知识§1微机接口中的基本概念五、PC机的I/O口地址分配在早期的PC机所允许操作的1024外端口中，前面的512个规定为系统板上的口地址（A9=0），后面的512个规定为扩展槽上的口地址（A9=1）。也就是说：如果用户要自行开发扩展卡，则必须保证该扩展卡的端口地址为200H~3FFH之间（A9=1）。在目前的微机中，随着PCI总线的大面积推广，大部分的外设的端口地址都为16位的地址（口地址>1024），而且可以通过设置程序来改变。第一章接口基本知识§1微机接口中的基本概念六、I/O口地址的译码方法CPU为了对某一外设的端口进行读写操作，就需要在众多的I/O端口中按选定该端口地址。如何通过CPU发出的地址编码来识别确认这个端口，就是所谓的地址译码。CPU50#60#70#80#60#第一章接口基本知识§1微机接口中的基本概念六、I/O口地址的译码方法在接口芯片中，负责将CPU发出的地址信号转换成为唯一的片选信号的电路，称之为译码电路。常见的译码电路有以下几种：①固定式端口地址译码：采用这种方式的译码电路所确定的端口地址不能改变。目前除系统板上的接口外，使用这种方式的译码电路已经很少了。原理图如下：②可选择端口地址译码：对于用户自行开发的扩展卡上的接口芯片，如果也采用如上所述的译码电路，那么在实际的使用当中就会受到一些局限：端口地址冲突！因此，这就要求有一种地址译码电路，对于芯片内的端口地址能够根据用户需要进行选择。采用这种方式的接口卡上一般都会有开关、跳线等，通过改变它们而无须改动线路，即可实现对端口地址的改变。原理图如下：第一章接口基本知识§1微机接口中的基本概念六、I/O口地址的译码方法③程序选择端口地址译码：采用开关式的接口卡，如果需要改变端口地址，必须取出接口卡，改变其上的开关或跳线，然后再将之插回系统板。这在具体操作时显得很不方便。而程序选择端口地址译码电路采用GAL或PAL或EPROM器件作为I/O端口地址的数据存储器（现在一般采用闪存，即FLASHROM），当选择不同的存储单元时，即可输出不同的地址信号。原理图如下：§2操作接口的语言①汇编语言中的I/O语句：提供两个指令——IN、OUT

②C语言中的I/O语句：四个函数：inportb、inportw、outporb、outportw

③Windows中访问I/O设备的方法：可以象DOS下的程序一样直接访问I/O设备，这是为了兼容DOS应用程序而提供的，但是缺乏好的安全性，而且有些设备是不能直接访问的（如硬盘）；另外一种方法是利用VxD访问I/O设备。VxD是32位的程序，用来支持Windows操作系统中的VMM（VirtualMachineManager，虚拟设备管理）管理计算机硬件及I/O设备，它具有很高的特权级。对于每一个应用程序来说，VxD是一个虚拟的设备。特定设备的VxD可以接收很多个应用程序的请求。利用VxD同外部设备通信，提高了多任务下资源的利用率；同时也避免了设备访问冲突。操作接口除了要有硬件设备外，还必须有软件的支持。许多计算机语言中都提供了操作端口的语句，如汇编、C、BASIC等。Windows环境下的计算机语言也几乎都提供了操作接口的语句。

§3总线技术

①面向处理器的总线结构：是将需要交换信息的模块通过总线建立点对点的连接。如下图所示：②面向总线的总线结构：以总线为中心，而将计算机中的所有设备（包括CPU）均看作是总线上挂接的外设。如下图所示：总线：就是计算机与计算机之间、模块与模块之间传递信息的信号线的集合。一、总线的结构CPUDRAMI/OI/O……系统总线面向总线的系统结构两种总线结构相比，面向总线的总线结构具有如下优点：§3总线技术

①简化了软、硬件设计由于面向总线的结构总线规范是严格定义了的，因此只需将按照标准设计的CPU、存储器及各种I/O设备以插件形式挂入总线，并辅以相应软件即可工作，而无须专门为某一外设设计硬件线路。②简化了系统结构③便于系统的扩充和更新用户可根据需要选购相应的插件板，使计算机系统的功能得以扩展。而生产硬件的厂家也可以根据严格定义的总线规范，设计出各种更新功能的插件板。而面向处理器的总线结构则可以根据处理器和外设的特点设计出最适合的总线系统，因此可以达到最佳效果；而面向总线的总线结构由于采用的通用的总线规范，兼容性虽然比较好，但性能却很难达到最佳状态。面向处理器的总线结构具有如下优点：二、总线分类：根据总线的用途和应用场所，总线可以分为以下几种类型：①系统总线：

也称为板级总线，用于计算机内部各个模块、器件之间的数据通信，是构成微机系统中的最重要的总线。②外总线：

一般又称为通信总线，用于计算机与各个外设（打印机等）、计算机与计算机等连接通信的信号线。这种总线不是计算机所专有的。③局部总线：

用于某些特殊功能和用途而设计的总线，一般它是系统总线的一部分，完成系统总线所不能完成的功能。如PCI局部总线、AGP图形接口等。④内总线：

一般指集成电路内部或模块内部各功能部件之间的信号线。一般有其独立的总线周期和总线时序，用户不能更改其总线特性。三、总线的数据传输过程：

总线的基本任务是保证使用总线的各个模块在通过总线进行数据交换时，数据能够高速、可靠地传输。

①申请分配阶段：由需要使用总线的模块或外设申请，通过总线分配仲裁功能确定将下一传输周期的总线使用权交给申请者。②寻址阶段：取得总线使用权的模块通过总线发出本次访问模块或设备的地址，建立数据传输通道。③传输阶段：主模块与从模块进行数据交换，数据由源模块发出经数据总线输入到从模块。④结束阶段：主模块的有关信息从系统总线上撤除，让出总线。总线完成一次数据传输称为一个总线周期，一个总线周期可分为四个阶段：四、总线的传输方式①同步式传输：传输周期是固定的，在传输周期内严格地按规定的时间发出信号和进行相应的动作。有如齐步走。在微机中的典型实例是CPU与内存之间的数据传输。②异步式传输：在数据传输的大多数情况下，主模块与从模块之间的速度差异很大，无法进行同步式传输。为此，在传输数据的主从模块之间增加了请求（RQ）和应答（ACK）信号线，以实现主从模块之间的查询式传输。③半同步式传输：是同步传输和异步传输的折中方式：以系统时钟作为时间标准。为了在不同的速度模块间进行数据传输，特设了一条“WAIT”信号线。对于低速设备，通过WAIT信号线强迫高速设备延迟等待数个系统周期，以达到同步的目的。④分离式传输：以上的三种方式都存在一个共同的问题：当主从模块进行数据传送期间，其它模块无法使用系统总线。如果外设速度比较慢，则在外设准备数据的这段时间内，系统总线被浪费了。而分离式传输将一个传输周期分解为两个子周期：即在主模块向从模块发出读取数据的命令后（同时发送其它一些相关信息），释放出总线；而从模块接收到命令之后，开始准备数据。当数据准备好之后，由从模块向系统申请总线，获得同意后，从模块将数据发送到系统总线上，供主模块读取。§4常见的总线规范也称为IBM-PC总线，是IBM公司在推出其第一代个人机时，使用的一种系统总线。由于采用了开放的体系结构，公开其技术规范，因而得到了广泛的应用。IBM-PC总线是一个8位的总线，有62根信号线，其I/O通道（即扩展槽）是系统总线的延伸。

当IBM推出AT机时，采用了80286作为其CPU；而286是一个16位的处理器，则原来定义的PC总线已经变得不再适合；IBM变通的办法是：在原来的PC总线的基础上，又增加了32根信号线，也就是说，AT机的I/O通道（扩展槽）由两部分构成：上半部分为原来的62根信号线，下半部分为新增加32根信号线。这就是AT总线，它保证了新的总线规范与早期硬件的兼容性。一、PC总线：由于IBM-PC总线及AT总线的广泛应用，已经成了8位/16位数据传输的总线的工业标准，故而被命名为ISA总线（IndustryStandardArchitecture——工业标准结构）。尽管IBM-PC/AT总线很成功，但IBM公司却未从中得到任何利益。为了能够独占市场，IBM公司又回到了非开放式系统结构的老路，推出了其32位个人计算机——PS/2。PS/2作为新一代的32位机，其系统总线为IBM公司重新严格定义的MCA总线，其中使用了很多先进的技术，包括一些小型机中的总线技术，这使得PS/2机具有很高的性能。然而，由于IBM的技术保护，以及它与早期的ISA外设完全不兼容，因此，PS/2及MCA均未能广泛应用。EISA（ExtendedISA——扩展ISA总线）：32位总线PCI总线（PeripheralComponentInterconnect，即外设部件互连），是一种新型的、同步的、高带宽的、独立于处理器的总线。PCI1.0版是作为一种局部总线出现的。PCI总线之所以能在各类总线中脱颖而出，是因为其具有以下特点：

（1）传输速度快。最高工作频率33MHz，峰值吞吐率在32位时为132MB/s，64位时为264MB/s。二、PCI总线：（2）支持并行工作方式。PCI控制器具有多级缓冲，利用它可使PCI总线上的外设与CPU并行工作。例如CPU输出数据时，先将数据快速送到缓冲器中，当这些数据不断送往设备时，CPU就可以转而执行其它的工作了。（3）独立于处理器。PCI在CPU和外设间插入了一个复杂的管理层用以协调数据传输，通常称之为桥。桥的主要功能是在两种不同的信号环境间进行转换，并向系统中所有的主控制器提供一致的总线接口。因此PCI总线可支持多种系列的处理器，并为处理器升级创造了条件。（4）提供四种规格，可定义32位/64位以及5V/3.3V电压信号。

（5）数据线和地址线采用了复用结构，减少了针脚数。（6）支持即插即用功能，能实现自动配置。在PCI器件上包含有寄存器，里面带有配置所需的器件信息，使外设在和系统相连时能自动进行配置，而无须人工干预。STD即标准，STD总线是工业控制领域的一种应用很广的标准总线。我国在八十年代曾经在工业控制中大面积推广这种总线技术。它是一个8位的总线规范。STD总线具有如下的特点：（1）高可靠性三、STD总线（2）小板结构，便于在工业机件中组成系统（3）成本低廉（4）开放的体系结构（5）产品配套、功能齐全。（6）软件及开发环境完善由于现在PC机的价格越来越低，而功能越来越强，软件也越来越丰富，因此，现在工业控制中，越来越多地使用PC机作为工控机。SCSI（SmallComputerSystemInterface——小型机系统接口）总线是当今最流行的、应用于小型机及工作站的外部设备接口标准。目前在微机中见得最多的是SCSI硬盘，其速度远高于IDE硬盘。目前，微机中没有SCSI总线接口，一般要使用SCSI外设（如SCSI硬盘）需添加一SCSI卡。SCSI总线的信号线共50根，其中大多为地线，以保证信号的良好屏蔽。在SCSI总线上，最多允许连接8个外设，接入总线的每个外设都有一个ID（标识号），所有外设都并行工作。四、SCSI总线USB（UniversalSerialBus——通用串行总线）用于微机与外设之间的数据交换。USB允许外设在主机和其他外设工作时进行连接、配置、使用和移走。USB的应用可减少微机与外设连接的I/O端口，仅用一个USB接口来代替，使PC机与外设之间的连接更加容易。1．总线拓扑结构：USB的物理连接是一种分层的星型结构，集线器(Hub)是每个星型结构的中心，PC机是根集线器，外设或附加的Hub与之相连。USB最多可支持5个Hub层、127个外设。五、USB总线2．USB的物理层USB通过4线电缆传输数据和电源，其中D+和D-是差模信号线，Vbus为+5V电源，GND为电源地。USB提供12Mbps高速模式和1.5Mbps低速模式传输数据，两种模式可并存于一个系统中。低速模式主要用于一些低速设备(如鼠标、键盘等)。高速模式用于系统中的高速设备(如磁盘、CD刻录机等)。高速模式必须使用带屏蔽层的双绞线，最大长度为5m。低速模式可用一般双绞线，最大长度为3m。3．USB设备USB设备包括Hub和功能设备。当在一根USB端口插接多个USB设备时，需要HUB。功能设备又可分为定位设备和字符设备。一个USB设备可以分为三个层：最底层是总线用户接口，用于发送和接收包；中间层是逻辑设备，用于处理总线接口与不同端点之间的数据流通；最上层是功能层，