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微機(jī)接口技術(shù),華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,主講:譚支鵬博士聯(lián)系方式：18971367841QQ:75159262Mail:zhipengtan@,,,課程學(xué)習(xí)要求1.成績(jī)計(jì)算方法平時(shí)成績(jī)30%（出勤+試驗(yàn)+作業(yè)情況）考試成績(jī)70%2.課堂紀(jì)律上課不要吃東西、講話……,課程性質(zhì)：計(jì)算機(jī)本科專(zhuān)業(yè)核心課程課程的特點(diǎn)：偏重硬件，軟硬結(jié)合,實(shí)用性強(qiáng)基礎(chǔ)要求：數(shù)字電路、組成原理、匯編、C語(yǔ)言等,1.《微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)》劉樂(lè)善、陳進(jìn)才主編.人民郵電出版社2.《現(xiàn)代微機(jī)系統(tǒng)與接口技術(shù)》周功業(yè)、黃文蘭等編著.高教出版社3.《32微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用》劉樂(lè)善周功業(yè)楊柳編著,華中科技大學(xué)出版社4.《微型計(jì)算機(jī)（XT.AT.386)與接口技術(shù)》唐棠等編著.南京大學(xué)出版社,主要參考書(shū),微機(jī)接口技術(shù)難？認(rèn)識(shí)這門(mén)課，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)并不難…要實(shí)現(xiàn)接口硬件軟件,真正認(rèn)識(shí)這門(mén)課微機(jī)系統(tǒng)包括？接口技術(shù)的重要性…有關(guān)接口技術(shù)你的認(rèn)識(shí)？你能舉出那些例子？你能說(shuō)出不應(yīng)用接口技術(shù)能方便我們的例子嗎？加入沒(méi)有接口技術(shù)會(huì)怎么樣？,接口技術(shù)改變我們的生活,藍(lán)牙,紅外,USB接口手機(jī),PM3,PM4,U盤(pán),USB充電器,USB數(shù)碼相機(jī),USB小家電,接口技術(shù)方便了我們的學(xué)習(xí)和工作,接口技術(shù)是外部設(shè)備的橋梁,2019/12/10,微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù),9,第1章概論,本章主要內(nèi)容接口的基本任務(wù)及接口技術(shù)發(fā)展概況接口分層次概念設(shè)備接口電路的功能與組成分析與設(shè)計(jì)設(shè)備接口電路的基本方法設(shè)備接口電路設(shè)計(jì)的解決方案,2019/12/10,微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù),10,接口是微處理器與外部設(shè)備之間的連接橋梁和信息交換的中轉(zhuǎn)站，在實(shí)際應(yīng)用中，人們總是利用接口來(lái)加入用戶(hù)自己的設(shè)備或模塊構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)，可見(jiàn)接口技術(shù)是微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)，所以要學(xué)習(xí)接口技術(shù)。1.1接口的基本任務(wù)與接口技術(shù)的發(fā)展概況1.1.1接口的基本任務(wù)微機(jī)接口的基本任務(wù)有兩個(gè)：一是實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備與總線的連接；二是連接起來(lái)以后，CPU通過(guò)接口對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)，即操作或控制I/O設(shè)備。如何連接是硬件方面的任務(wù)，怎樣訪問(wèn)是軟件方面的任務(wù)。1.1.2接口技術(shù)的發(fā)展概況在早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中并沒(méi)有設(shè)置獨(dú)立的接口電路。接口經(jīng)歷了固定式簡(jiǎn)單接口、可編程復(fù)雜接口和智能接口幾個(gè)發(fā)展階段。接口電路的配置形式，也由采用獨(dú)立接口芯片的外置式接口，發(fā)展為采用接口模塊的內(nèi)置式接口。,2019/12/10,微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù),11,1.2接口的分層次概念由于微機(jī)系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)的發(fā)展變化，使接口在完成連接與訪問(wèn)設(shè)備任務(wù)時(shí)產(chǎn)生了與傳統(tǒng)根本不同的處理方法，形成接口分層次的概念，把接口分成上層設(shè)備接口和下層總線接口兩個(gè)層次。1.2.1硬件分層現(xiàn)代微機(jī)采用多級(jí)總線，除了設(shè)備與用戶(hù)總線(如ISA)之間的那一層設(shè)備接口之外，還有總線與總線的接口(總線橋)。作為連接總線與設(shè)備之間的接口就不再是單一層次的，就要分層次了。設(shè)備與用戶(hù)總線之間的接口稱(chēng)為設(shè)備接口；PCI總線與用戶(hù)總線之間的接口稱(chēng)為總線接口。與早期微機(jī)相比，現(xiàn)代微機(jī)的外設(shè)進(jìn)入系統(tǒng)需要通過(guò)兩級(jí)接口才行，即通過(guò)設(shè)備接口和總線接口把設(shè)備連接到微機(jī)系統(tǒng)。1.2.2軟件分層現(xiàn)代微機(jī)操作系統(tǒng)，由于保護(hù)機(jī)制，不允許應(yīng)用程序直接訪問(wèn)硬件，應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序去訪問(wèn)底層硬件，作為操作設(shè)備的接口程序就不再是只有單一的應(yīng)用程序了，也要分層次。,2019/12/10,微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù),12,分為上層用戶(hù)態(tài)應(yīng)用程序和底層核心態(tài)驅(qū)動(dòng)程序。與早期微機(jī)相比，現(xiàn)代微機(jī)對(duì)外設(shè)的操作與控制需要通過(guò)兩層程序才行，即通過(guò)應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序才能訪問(wèn)設(shè)備。1.2.3接口技術(shù)內(nèi)容的劃分按照接口分層次的概念，把接口技術(shù)的內(nèi)容分為兩部分：一部分是接口的上層，包括設(shè)備接口及應(yīng)用程序，構(gòu)成接口的基本內(nèi)容；另一部分是接口的下層，包括總線接口及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，構(gòu)成接口的高級(jí)內(nèi)容。用戶(hù)做一般應(yīng)用開(kāi)發(fā)時(shí)，只涉及接口的基本內(nèi)容，若要做原創(chuàng)性開(kāi)發(fā)，則需要考慮接口的高級(jí)內(nèi)容。,2019/12/10,微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù),13,1.3設(shè)備接口1.3.1設(shè)備接口的功能1.執(zhí)行CPU命令CPU對(duì)被控對(duì)象外設(shè)的控制是通過(guò)接口電路的命令寄存器解釋與執(zhí)行CPU命令代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2.返回外設(shè)狀態(tài)接口電路在執(zhí)行CPU命令過(guò)程中，外設(shè)及接口電路的工作狀態(tài)是由接口電路的狀態(tài)寄存器報(bào)告給CPU的。3.數(shù)據(jù)緩沖與鎖存在CPU與外設(shè)之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)高速與外設(shè)低速的矛盾是通過(guò)接口電路的數(shù)據(jù)寄存器緩沖來(lái)解決的。4.信號(hào)轉(zhuǎn)換微機(jī)的系統(tǒng)總線信號(hào)與外設(shè)特有功能的信號(hào)的轉(zhuǎn)換是通過(guò)接口的邏輯電路實(shí)現(xiàn)的，包括信號(hào)的功能、邏輯關(guān)系、時(shí)序配合及電平匹配的轉(zhuǎn)換。,2019/12/10,微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù),14,5.數(shù)據(jù)寬度與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換有的外設(shè)或通信設(shè)備使用串行數(shù)據(jù)，并且要求按照協(xié)議的規(guī)定，以特定的數(shù)據(jù)格式傳輸，而微處理器是使用并行數(shù)據(jù)和普通的數(shù)據(jù)格式。為此，接口電路就應(yīng)具有數(shù)據(jù)并-串轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的能力。6.設(shè)備選擇當(dāng)CPU與外設(shè)交換信息時(shí)，是通過(guò)接口的I/O地址譯碼電路選定需要與自己交換信息的設(shè)備端口，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或通信。1.3.2設(shè)備接口的組成1．硬件電路（1）接口電路基本電路基本電路包括命令寄存器、狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)緩沖寄存器。它們是接口電路的核心，擔(dān)負(fù)著接收并執(zhí)行命令、返回狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)的基本任務(wù)，目前，可編程大規(guī)模集成接口芯片中都包含了這些基本電路，是接口芯片編程模型中的主要對(duì)象。若采用FPGA自行設(shè)計(jì)接口電路模塊至少也必須包含這幾個(gè)寄存器。,2019/12/10,微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù),15,（2）接口支持電路支持電路包括用于數(shù)據(jù)交換方式的中斷控制器、DMA控制器；用于尋址I/O設(shè)備的端口地址譯碼器；用于速度、頻率控制的定時(shí)/計(jì)數(shù)器。它們是支持各類(lèi)設(shè)備接口的共用技術(shù)，也是CPU的外圍支持電路，是系統(tǒng)配置的資源，因此，用戶(hù)一般不需重新設(shè)計(jì)，只申請(qǐng)使用即可。（3）供選電路根據(jù)接口不同任務(wù)和功能要求而添加的IC電路，設(shè)計(jì)者可按照需要加以選擇。例如，串-并轉(zhuǎn)換的移位寄存器，EAI-TTL轉(zhuǎn)換的邏輯電平轉(zhuǎn)換器；控制速度的時(shí)鐘發(fā)生器；增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力和進(jìn)行信號(hào)隔離的IC芯片等。2．軟件編程（1）初始化程序段一般都根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過(guò)方式命令或初始化命令，設(shè)置工作方式、數(shù)據(jù)格式、初始條件以及確定其具體用途，這是接口程序中的基本部分。有人把這個(gè)工作叫做可編程接口芯片的“組態(tài)”。,2019/12/10,微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù),16,（2）主控程序段主控程序段是完成接口任務(wù)的核心程序段。如數(shù)據(jù)采集的主程序段，包括發(fā)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)、查轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)、讀數(shù)據(jù)以及存數(shù)據(jù)等內(nèi)容。又如步進(jìn)電機(jī)控制的主程序段，包括運(yùn)行方式、運(yùn)行方向、運(yùn)行速度以及啟/?？刂频?。（3）傳送方式處理程序段若采用查詢(xún)方式，則有檢測(cè)外設(shè)或接口狀態(tài)的程序段；若采用中斷方式，則有中斷向量修改、對(duì)中斷源的屏蔽/開(kāi)放以及中斷結(jié)束等的處理程序段，且這種程序段一定是主程序和中斷服務(wù)程序分開(kāi)編寫(xiě)。若采用DMA方式，則有傳輸參數(shù)的設(shè)置、通道的開(kāi)放/屏蔽等處理程序段。（4）輔助程序段包括人-機(jī)對(duì)話、菜單設(shè)計(jì)等內(nèi)容。人-機(jī)對(duì)話程序段能增加人-機(jī)交互作用；設(shè)計(jì)菜單使操作方便。,2019/12/10,微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù),17,1.3.3設(shè)備接口與CPU交換數(shù)據(jù)的方式1.查詢(xún)方式查詢(xún)方式是CPU主動(dòng)去檢查外設(shè)是否“準(zhǔn)備好”傳輸數(shù)據(jù)的狀態(tài)，因此，CPU需花費(fèi)很多時(shí)間來(lái)等待外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)備，工作效率很低。但查詢(xún)方式易于實(shí)現(xiàn)，在CPU不太忙的情況下，可以采用。2.中斷方式中斷方式是I/O設(shè)備做好數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)備后，主動(dòng)向CPU請(qǐng)求傳輸數(shù)據(jù)，CPU節(jié)省了等待外設(shè)的時(shí)間。因此，中斷方式用于CPU的任務(wù)比較忙的場(chǎng)合，尤其適合實(shí)時(shí)控制及緊急事件的處理。3.DMA方式DMA方式是DMA控制器代替CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)在I/O設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的的直接傳輸管理，在傳輸過(guò)程中CPU不干預(yù)。這不僅簡(jiǎn)化了CPU對(duì)輸入/輸出的管理，更重要的是大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。因此，DMA方式特別適合高速度、大批量數(shù)據(jù)傳輸。,2019/12/10,微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù),18,1.3.4分析與設(shè)計(jì)設(shè)備接口電路的基本方法1．接口芯片的編程模型方法編程模型是指接口芯片或接口模塊內(nèi)部可訪問(wèn)的寄存器及其命令、狀態(tài)，數(shù)據(jù)格式和分配給寄存器的端口地址3個(gè)元素。了解與掌握了一個(gè)芯片這3個(gè)方面的內(nèi)容，也就可以利用它進(jìn)行接口的軟件設(shè)計(jì)了，因此，編程模型也叫芯片的軟件模型。編程模型方法的實(shí)質(zhì)是強(qiáng)調(diào)對(duì)硬件對(duì)象的應(yīng)用，而不在意其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這大大簡(jiǎn)化了對(duì)硬件對(duì)象復(fù)雜結(jié)構(gòu)的了解，而又不失對(duì)硬件的應(yīng)用。2．接口兩側(cè)分析方法在分析與設(shè)計(jì)接口時(shí)，顯然應(yīng)該從接口的兩側(cè)入手。CPU一側(cè)，面向的是總線的數(shù)據(jù)、地址和控制三總線，情況單一。接口電路與之對(duì)接的信號(hào)線，只要滿(mǎn)足三總線在電平高低、時(shí)序邏輯上的要求并進(jìn)行號(hào)入座連接即可。I/O設(shè)備一側(cè)，情況很復(fù)雜。分析重點(diǎn)放在兩個(gè)方面：一是分析被連I/O設(shè)備的外部特性-外設(shè)信號(hào)引腳的功能與特點(diǎn)，以便在接口硬件設(shè)計(jì)時(shí)，提供這些信號(hào)線，滿(mǎn)足外設(shè)在連接上的要求；二是分析被控外設(shè)的工作原理與工作過(guò)程，以便在接口軟件設(shè)計(jì)時(shí)，按照這種過(guò)程編寫(xiě)程序，滿(mǎn)足外設(shè)工作條件的要求。以此為依據(jù)來(lái)進(jìn)行接口電路的硬件設(shè)計(jì)與軟件編程。,2019/12/10,微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù),19,3．硬軟結(jié)合法以硬件為基礎(chǔ)，硬件與軟件相結(jié)合是設(shè)計(jì)設(shè)備接口電路的基本方法。1.4接口電路設(shè)計(jì)的解決方案所謂接口電路設(shè)計(jì)的解決方案是指在微機(jī)接口電路總體設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)接口電路的配置方式和接口電路芯片的選擇進(jìn)行分析與認(rèn)定。解決方案與微處理器類(lèi)型有關(guān)，臺(tái)式微機(jī)（PC機(jī)）、嵌入式微機(jī)、MCU各不相同。1.4.1接口電路的配置方式接口電路的配置方式，是指把接口電路安排在微機(jī)系統(tǒng)的什么地方，有外置式與內(nèi)嵌式之分。1.外置式接口電路外置式接口電路是把接口電路分立出來(lái)，作為獨(dú)立的電路，放在微處理器芯片之外，形成各種外圍接口芯片和外圍支持芯片，如并行接口芯片、串行接口芯片、定時(shí)與計(jì)數(shù)器芯片、中斷控制器芯片等。使用時(shí)通過(guò)總線與CPU進(jìn)行連接，一般多在臺(tái)式微機(jī)中采用。,2019/12/10,微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù),20,2.內(nèi)置式接口電路內(nèi)置式接口電路是把接口電路當(dāng)做一個(gè)接口功能模塊與微處理器放在同一芯片中，如嵌入式微機(jī)和單片機(jī)內(nèi)部包含的并行接口模塊、串行接口模塊、定時(shí)/計(jì)數(shù)器模塊、中斷控制器模塊等。由于接口模塊與微處理器同在一個(gè)芯片內(nèi)部，CPU與I/O設(shè)備之間的接口電路基本結(jié)構(gòu)是一組核心寄存器(1.3.2節(jié)中的接口基本電路)，CPU通過(guò)讀寫(xiě)這些寄存器來(lái)與設(shè)備通信，在外部只需與I/O設(shè)備連接。1.4.2接口電路芯片的選擇根據(jù)接口電路所擔(dān)負(fù)任務(wù)的復(fù)雜程度不同，搭建接口電路的元器件有多種選擇，可采用一般的IC電路、可編程的通用/專(zhuān)用接口芯片或可編程的邏輯陣列器件。1.一般的IC芯片利用一般IC芯片中的三態(tài)緩沖器和鎖存器即可組成簡(jiǎn)單的I/O端口。例如，采用三態(tài)緩沖器74LS244構(gòu)造8位輸入端口，讀取DIP開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)；采用鎖存器74ALS373構(gòu)造8位輸出端口，發(fā)出控制信號(hào)，使LED發(fā)光。,2019/12/10,微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù),21,2.可編程通用/專(zhuān)用接口芯片可編程通用/專(zhuān)用接口芯片功能強(qiáng)、可靠性高、通用性好/針對(duì)性強(qiáng)，并且使用靈活方便，因此成為臺(tái)式微機(jī)系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)的首選。3.FPGA器件采用FPGA/CPLD器件，利用EDA技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)接口，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的接口功能，并且可以將接口功能模塊與其他應(yīng)用電路集成在一起。其結(jié)構(gòu)緊湊、靈活多樣，可滿(mǎn)足不同復(fù)雜度接口電路的要求，因此成為嵌入式微機(jī)系統(tǒng)和微控制器MCU接口設(shè)計(jì)的首選。,2019/12/10,微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù),22,本章小結(jié)通過(guò)本章學(xué)習(xí)，要重點(diǎn)了解以下幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)。為什么要學(xué)習(xí)接口技術(shù)接口技術(shù)分層次概念設(shè)備接口的基本功能接口電路的核心寄存器接口芯片或接口模塊的編程模型方法接口電路的配置方式,