中国地质大学远程教学导学--教学目的.ppt

导学教学目的,本课程是计算机科学与技术专业的一门必修专业课，是一门实践性很强、又非常重要的课程。本课程的任务是使学生获得计算机接口技术方面的基本理论、基本知识和基本技能（设计），培养学生分析问题和解决问题的能力。为以后走向工作岗位，进行计算机系统设计打好基础。该课程以计算机组成原理、微机接口技术的基本原理、设计方法为基础，培养学生的设计、实践等方面的能力。,导学教学要求,通过课程学习和实践教学，要求学生掌握基本的接口概念，译码技术，总线技术、串行接口技术、并行接口技术、数模/模数接口技术、定时/计数器接口技术、中断技术等。利用以前所学的电子技术、可编程器件以及上述技术进行微机应用系统设计。在这些知识点中，本课程的核心内容，以及学生需要熟练掌握的是掌握几口技术的一般设计方法、利用可编程器件进行接口电路的设计。,导学课程概述,微机系统与接口技术是计算机科学与技术专业本科生的一门必修课程。本课程以IBM-PC微机及兼容机为主要地研究对象，系统深入地阐述了微型计算机接口技术与总线技术的原理及应用，研究了外围支援芯片的功能、结构、编程方法以及基本外部设备的接口技术。在此基础上， 对译码技术、串行接口、并行接口、定时计数技术、DMA技术、中断技术、与转换器等基本外部设备的原理与接口技术进行讨论。,通过本课程的学习和实验， 要求学生掌握IBM-PC微机及主要支援芯片的功能、结构、编程方法以及基本外部设备的接口技术，具备对微机系统的设计、维护与软硬件开发能力。,导学课程概述（续）,（1）概述，主要讲述计算机接口及接口技术、接口的功能、组成及组成形式、CPU与接口交换数据的方式等； （2） I/O端口地址译码技术，主要讲述I/O端口及编址方式、I/O端口地址分配、I/O端口地址译码； （3）定时/计数技术，主要讲述定时与技术技术的基本概念、可编程定时计数器、应用举例等； （4）DMA技术，主要讲述DMA技术的概述、DMA控制器 、DMA编程及应用等； （5）中断技术，主要讲述中断的概念、IBM-PC中断系统、中断控制器Intel 8259A、 8259A在微机系统中的应用等；,导学主要内容,（6）并行接口，主要讲述并行接口概述、可编程并行接口芯片82C55、8255A的0方式、1方式、2方式的应用等； （7）串行通信接口，串行通信基本概念、串行通信数据格式、串行接口标准、串行接口任务及组成、可编程串行接口芯片8251A等内容； （8）A/D、D/A转换器接口，D/A转换器的接口方法、D/A转换器接口电路设计、A/D转换器接口原理与方法、查询方式的A/D转化器接口电路设计、中断方式的A/D转换器接口设计、DMA方式的A/D转换器的接口电路设计等内容； （9）总线与接口标准，主要讲述总线概述、ISA总线、PCI总线。,导学主要内容（续）,导学重点章节,（1）概述 （2） I/O端口地址译码技术 （3）定时/计数技术 （6）并行接口 （7）串行通信接口 （8）A/D、D/A转换器接口 （9）总线与接口标准,导学学习进度,2006.10.21-2006.11.5 第1章接口技术概述 （一般了解）接口及接口技术 （掌握）接口功能及组成 （一般了解）接口的电路结构形式及数据交换方式 （掌握）分析设计接口电路的基本方法 2006.11.6-2006.11.25 第2章I/O端口地址译码技术 （熟练掌握）I/O端口及编址方式 （熟练掌握）I/O端口地址分配 （熟练掌握） I/O端口地址译码,导学学习进度（续1）,2006.11.26-2006.12.20 第3章 定时与计数技术 （掌握） 基本概念 （熟练掌握） 8253定时计数器 （熟练掌握）8253的应用举例 2006.12.21-2006.12.30 第4章 DMA技术 （一般了解）DMA传输的概念及过程 第5章 中断技术 （一般了解）中断技术的概念及分类,导学学习进度（续2）,2006.1.1-2006.1.20 第6章 并行接口技术 （掌握）并行接口的特点 （掌握）8255可编程并行接口 （熟练掌握）8255的应用 2006.1.21-2006.1.30 第7章 串行通讯接口 （一般了解）串行通讯的基本概念 （掌握）数据格式及接口标准,导学学习进度（续3）,2006.2.1-2006.2.21 第8章 A/D与D/A转换器接口 （熟练掌握）D/A接口方法及电路设计 （熟练掌握）A/D接口方法及电路设计 2006.2.22-2006.3.16 第9章 总线 （了解）总线基本概念和分类 总复习 根据总复习内容进行,第1章 接口技术概述,主讲老师：张伟民,本章讲述了接口的概念、功能和组成以及接口怎样在CPU与外设间的传送数据中起重要作用，接口部件的I/O端口，以及CPU与外设间的数据传送方式。I/O接口就是为了解决计算机与外部设备之间的信息变换问题而提出来的，它是计算机与外设之间传送信息的部件，每个外设都要通过接口与主机系统相连。接口技术就是专门研究CPU和外设之间的数据传送方式、接口电路的工作原理和使用方法的，该章将逐步讨论这些问题。,本章概述,教学目标,1.能叙述接口电路的作用。 2.能说出CPU与接口之间传送信息的方式。 3.能描述中断的概念，微机系统中的中断源。中断向量、中断处理过程、中断处理程序。 4.懂得分析与设计接口电路的基本方法。 5.端口地址的编址方式及I/O端口地址分配。 6.知道I/O端口地址译码方法及译码电路 。,学习内容,1.1 微机接口及接口与总线的连接 1.2 接口电路的功能 1.3 接口技术的发展与分类 1.4 CPU与接口间的数据传送 1.5 分析与设计接口电路的基本方法,重点,1.接口的功能。 2.各种输入/输出方式的概念。 3.接口电路的设计。,难点,I/O端口地址译码以及CPU和外设之间的数 据传送方式的理解。,学习方法,首先要了解接口的作用、接口部件的端口，以及CPU与外设的数据传输方式，在此前提下，进行接口电路的设计，由于本章比较基础，因此应仔细学习。,1.1 接口及其与总线的连接,所谓接口就是微处理器与外围设备之间的连接电路，它是两者之间进行信息交换时的必要通路，不同的外设有不同的输入/输出接口电路。例如，键盘输入有键盘接口电路，CRT显示器有显示器输出接口电路，打印机也有打印输出接口电路等等 微型计算机系统的各类接口如下图所示:,1.1 接口及其与总线的连接（续1）,1.1 接口及其与总线的连接（续2）,什么是I/O接口（电路）？,I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路。 PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板（适配器）都是接口电路。,1.1 接口及其与总线的连接（续3）,为什么需要I/O接口（电路）？,微机的外部设备多种多样。 工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大。 它们不能与CPU直接相连。 必须经过中间电路再与系统相连。 这部分电路被称为I/O接口电路。,1.1 接口及其与总线的连接（续4）,什么是微机接口技术？,处理微机系统与外设间联系的技术。 注意其软硬结合的特点。 根据应用系统的需要，使用和构造相应的接口电路，编制配套的接口程序，支持和连接有关的设备。,1.2 接口电路的主要功能,设备选择功能 数据缓冲功能 接收和执行CPU命令的功能 寄存外设状态的功能 信号的转换功能 数据宽度变换的功能 可编程功能,1.3 接口技术的发展及分类,微型计算机接口技术的发展，基本上是与微处理器的发展同步进行的。按照接口技术与接口随着微处理器的发展，可将接口电路分为四类: 固定式接口电路 可编程接口电路 智能接口与通用外围接口 功能接口板,1.3.1 固定式接口电路,早期的微处理器多采用PMOS工艺，集成度低，系统结构与指令系统均比较简单，受半导体工艺的限制，接口芯片的集成度也不高，大都采用TTL与MSI工艺，计算机接口由小规模或中规模集成电路组合而成，要改变其功能与工作方式必须改变硬件连线才能实现，将这种简单接口电路称之为固定式接口电路。,1.3.2 可编程接口电路,16位微处理器（例如8086CPU）的出现，使微型计算机的发展进入了第二代，第二代微处理器采用了NMOS工艺，集成度明显提高，Intel公司推出的与此相适应的接口芯片有中断控制器8259A，并行I/O接口芯片8255A，定时/计数器82538254，DMA控制器8237A以及串行通信接口芯片8250等，这些芯片都是采用NMOS工艺的大规模集成（LSI）芯片，而且都是可编程的接口芯片，用户可以通过对接口芯片的在线编程，方便灵活地改变接口的工作方式。,1.3.3 智能接口与通用外围接口,Intel公司于1985年首次推出第三代微处理器80386，1989年又推出X86系列的第四代微处理器80486，这时代的芯片大都是采用了NMOS或CMOS工艺的超大规模集成（VLSI）芯片。与此相应，也开发出了大批集成度更高的接口器件。这一时期接口芯片的显著特点是应用了单片机作通用接口，使接口电路智能化。 智能化接口集单片机技术与接口技术于一体，可直接与外围设备相连，它是一种结构与功能接近于CPU的专用控制器，有独立的指令系统，通过编写完整的I/O管理程序和预处理程序，来实现对许多外设频繁的I/O进行管理，从而减轻了CPU管理I/O设备的负担，大大提高了微机系统的运行速度。,1.3.4 功能接口板,由于微型计算机使用了各种统一的总线标准，例如：ISA、PCI、SCSI、USB等各种总线，因而从电气特性、机械特性及通信协议等方面都已标准化，开发商已为各种总线开发出了不同功能的专用接口板，可供用户选购，例如：PCI总线的ADC和DAC功能板，PCI的网卡，基于PCI的RS-232串行通行卡等。,1.4 CPU与接口数据传送的几种方式,1.4.1 I/O接口电路的连接,1.4.2 I/O接口电路中的基本寄存器,I/O接口电路中一般具有三种类型的基本寄存器，它们是用于存取数据的寄存器，存取命令信息的寄存器以及存取外设所处状态的寄存器,习惯上把这些寄存器称为端口 1、数据端口 2、命令端口 3、状态端口,1.4.2 I/O接口电路中的基本寄存器（续1）,1数据端口,用于中转数据信息。一种情况是CPU通过数据总线，将待传送给外设的数据先传送到数据端口，然后由I/O设备通过与I/O接口电路相连接的数据线取得该数据。 另一种情况是I/O设备首先将输入数据锁存于数据端口，然后，CPU通过数据端口将该数据读入CPU中。数据端口一般既有输出寄存器（或称输出锁存器），又有输入寄存器（或称输入锁存器）。,1.4.2 I/O接口电路中的基本寄存器（续2）,2、命令端口,用于传送对I/O设备的命令信息。CPU将命令信息通过数据总线写入I/O接口电路的命令寄存器中，然后传送到I/O设备，以便控制外设的操作。它由输出寄存器组成，命令端口是一个输出端口。,1.4.2 I/O接口电路中的基本寄存器（续3）,用于传送外设所处的状态信息。状态端口是输入端口，CPU通过读取状态端口的数据，以此了解外设当前所处的工作状态，比如，如果是输入设备，则可以通过状态信息了解输入设备是否有了等待输入的新数据，如果是输出设备，CPU通过读入的状态信息，可以了解输出设备是否作好了接受CPU传送新数据的准备。显然，1bit的状态信息可以反应1个外设的两种状态，1个8位的状态端口则可以反应外设的8个状态信息。,3、状态端口,1.4.2 I/O接口电路中的基本寄存器（续3）,总之，I/O接口电路中一般有数据端口、命令端口以及状态端口，每个端口地址是不相同的，CPU均通过数据总线来传送三种端口的数据。有些I/O接口中，还有中断控制逻辑电路，以便外设与CPU之间以中断方式进行输入或输出，其优点是可以提高CPU的工作效率。,1.4.3 CPU与I/O设备传输数据的几种方式,CPU以及I/O设备的种类繁多，CPU与I/O设备所构成的系统不可能完全相同，CPU与I/O设备之间传输数据的方式也不完全相同，接口电路的结构与功能也不同，驱动程序也不相同 一般可以划分为五种传输数据的方式：无条件I/O传送方式、查询式输入输出方式、中断控制方式、DMA方式以及I/O处理器控制方式,1.4.3 CPU与I/O设备传输数据的几种方式（续1）,1、无条件输入输出方式,无条件输入输出方式是一种最简单的输入/输出控制方式，其I/O接口电路及软件比较简单，所有的操作均由执行程序来完成。 特点：输入接口电路总是准备好了等待输入给CPU的数据，输出接口电路总是准备好了接受来自CPU的数据。CPU无须查询I/O设备是否准备就绪，直接用汇编语言或高级语言编程，实现输入或输出操作。 此种方式的接口电路是查询式输入输出方式接口电路的基础。,1.4.3 CPU与I/O设备传输数据的几种方式（续2）,2、查询式输入输出方式,当CPU采用查询方式从外设读取数据时，CPU必须首先从状态端口查询外设的数据是否已经准备好，确认已准备好后，才能执行一次数据输入操作。 当CPU采用查询方式向外设输出数据时，CPU必须首先从状态端口查询外设是否已经作好了接受CPU数据的准备，若没有准备好，则要继续查询，若准备好了，CPU便执行一次数据输出操作。,1.4.3 CPU与I/O设备传输数据的几种方式（续3）,查询方式存在的问题,当CPU与I/O设备之间采用查询式输入输出方式交换数据时，CPU必须顺序查询每一个外设，当某一个外设不需要服务时，CPU也得按顺序查询一次。外设总是处于被动状态，CPU无法快速响应外设要求及时服务的请求。CPU为了服务外设，其它程序会停止执行，所以，查询式I/O方式不可能是微型计算机外设工作的最佳选择，不适用于实时监控系统。,1.4.3 CPU与I/O设备传输数据的几种方式（续4）,3、中断方式输入输出,中断是外设或者其他中断源中止CPU当前正在执行的程序，转向为申请中断的外设（或中断源）执行服务程序，一旦服务程序执行结束，必须返回到被中断程序的断点处，接着执行原来的程序。,运用中断控制方式实现外设数据的输入输出，完全可以解决查询式输入输出存在的问题。在中断控制方式下，所有的I/O设备都可以工作在主动请求CPU为该外设服务的状态下，一旦一个或多个外设申请中断服务，则CPU根据各I/O设备预先被设置的中断优先级别，逐个予以响应，并进行中断处理、中断返回，实现中断处理的全过程。,1.4.3 CPU与I/O设备传输数据的几种方式（续5）,1.4.3