计算机接口技术PPT电子教案课件-第一章 绪论.ppt

计算机接口技术,第一章 绪论,选修考查课，注重计算机在数据采集、机电测控系统中的应用； 32学时，其中26学时课堂讲授，6学时实验。 考核方式：考试70%+平时30%（出勤实验作业）,第一节 接口技术的基本概念,冯诺依曼架构 1.引进存储程序的概念 2.计算机应以运算器为核心 3.指令由操作码和地址码两部分组成，指令在计算机中是顺序执行的，并受pc的统一控制 4.提出计算机系统应由：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。,计算机硬件子系统,1、为什么要有接口i/o系统的特点,1）外部设备的品种繁多，结构各异,2）外部设备输入、输出数据信号的类型不同,3）外部设备的工作速度差异很大,4）若不用接口， i/o直接接cpu，随着外设增加，会大大降低cpu的效率。,5）i/o直接接cpu，会使外设硬件结构过于依赖cpu，对外设本身发展不利。,接口：微处理器与外设的连接部件，它是cpu与外设进行信息交换的中转站；,接口技术：采用硬件与软件相结合的方法，研究cpu如何与外部世界进行最佳藕合与匹配。,图1-2 ibm pc/at微机主机板及扩充接口板示意图,2、微机都有哪些接口？,接口不是插口,ps2鼠标,ps2键盘,千兆网,10/100m网卡,usb,并行口,midi/游戏接口,显示器接口,1394,1394a,音箱/线入接口/麦克风,串行口,3、软件接口是什么意思？,不同编程语言之间进行信息交换时的一种约定。 api：application programming interface,第二节 接口的作用与功能,1.接口的桥梁作用,图1-3 cpu与外部设备的硬件接口,2.接口要解决的问题,1）速度匹配问题： cpu速度高，外设有高有低，差异大。 2）信号电平和驱动能力问题： cpu的信号是ttl电平，功率小；外设电平范围大，所需驱动能力也大。 3）信号形式问题： cpu只能处理数字信号；外设信号多种多样。 4）时序匹配问题： 外设的时序大多与cpu不一致。,3.接口的功能,1）地址译码和设备选择 2）信息的输入输出 3）命令、数据和状态的缓冲与锁存 4）信息转换,本课程的地位,硬件类,软件类,cpu及整机设计（微机原理）,bios与接口驱动程序设计,模拟电路、数字逻辑电路设计,嵌入式/单片机系统,soc芯片设计,计算机系统结构,外围接口电路设计,操作系统,编译系统,数据库,数据结构,c+,java,离散数学,计算机系统综合设计,电子商务,多媒体技术,算法设计、数值分析、信号与系统、计算机理论课程、数学基础课程,汇编语言,软件工程,vb,本课程的主要内容,绪论 引入接口、端口等有关概念，了解i/o端口的编址方式及分类。,串行通信接口学习串行通信的有关概念和串行总线标准rs-232-c，掌握intel8251的功能、编程和使用。,dma控制接口掌握8237a的工作周期、工作模式、编程和使用，学习pc/xt机中8237a的应用。,中断控制接口学习intel 8088的中断系统，掌握8259的功能、编程和应用，学习pc系列机中8259的应用和编写中断服务程序的方法。,定时/计数控制接口了解计数器、定时器的作用，掌握8253的工作方式、编程和使用，学习微机中8253的应用。,键盘接口技术掌握键盘的工作原理和键的识别方法，学习键值分析方法和去抖动、防串键的方法；掌握8279的引脚定义、功能、组成和工作原理。,模数/数模转换接口了解模拟输入输出系统，学习d/a转换和a/d转换的工作原理，掌握dac和adc的使用及其与cpu的连接。,显示接口技术了解led显示器的结构和工作原理，掌握led显示器接口开发技术；掌握crt显示器接口技术。,本课程学习方法 特点：本课程涉及的知识范围广，内容多。,1）通读教材 2）认真领会接口及接口技术的含义 3）学会分析与设计接口电路的基本方法 a.分析接口两侧的情况 b.进行信号转换 c.合理选择接口芯片 d.接口驱动程序的设计与分析 4）理论与实践相结合，锻炼实验动手能力。,第三节 数据传输控制方式,1、无条件传送方式 特点：输入时假设外设已准备好，输出时假设外设空闲。 要求：接口输入时加缓冲器，输出时加锁存器。 应用：对简单外设的操作。,一、程序控制方式（以cpu为中心）,2、条件传送方式（查询方式） 原理：cpu查询外设已准备好后，才传送数据。 特点：cpu与外设间自然同步。 要求：不需要增加额外的硬件电路。 应用：适用在cpu不太忙且传送速度要求不高时。,3、中断传送方式 原理：仅当外设有传送数据需求时，cpu才转去处理数据传送。 特点：cpu与外设可同时工作。 要求：接口中需要中断控制逻辑支持。 应用：计算机工作量十分饱满、而i/o处理的实 时性要求又很高的系统，如实时采集、处理、控制系统中。 中断过程：中断响应和中断处理。,二、直接存储器存取(dma)方式,特点：数据的传送不经过cpu，i/o设备管理 由dmac控制，简化cpu对i/o的控制。,要求：需要dma控制器及相关逻辑支持。,应用：适用与高速度大批量数据传送时。,原理：由第三方硬件（dma控制器）从cpu接管总线控制权，然后发起一个数据传送过程。,三、i/o处理机方式,特点：i/o处理机接管了cpu的各种i/o操作及i/o控制功能，有自己专用的指令系统，cpu能与iop并行工作。 要求：需要iop支持。 应用：高速i/o归iop管理，低速i/o设备归cpu管理。,第四节 i/o端口编址方法,一、i/o端口,1、i/o端口供cpu直接存取访问的接口中的寄存器或电路 接口中的命令口、状态口和数据口均为i/o端口。通过端口，cpu能方便地找到要进行信息交换的设备。 cpu通过命令对接口 进行控制。对设备的访问 就是对端口的访问。,3、接口、i/o端口、命令（数据）的关系 一个接口中有多个i/o端口；一个i/o端口（命令口）可接受多种命令。,2、i/o端口地址 接口中的不同寄存器或电路的编号；,二、i/o端口编址,1. i/o统一编址（存储器映像编址）:一个i/o端口等同于一个存储器单元。,图1-4 端口统一编址,优点： 对i/o端口的访问命令与对存储器单元访问相同，不必使用专用i/o指令； 外设数目或i/o寄存器数几乎不受限制。 缺点： i/o端口占用部分mem空间，可用mem空间减小； 对mem访问指令较长，执行速度较慢； i/o端口地址译码时间较长。,二、i/o独立编址 i/o端口与存储器地址空间相互独立。z-80系列和x86系列均采用此方式。,图1-5 端口独立编址,优点： mem地址空间不受i/o端口地址空间影响； i/o端口数量不多，占用地址线少，地址译码简单，速度较快； 使用专用i/o命令(in/out),与mem访问命令 (load/store)有明显区别，便于理解和检查。 缺点： 专用i/o指令增加指令系统复杂性 要求处理器提供memr/memw和 ior/iow控制信号，增加了控制逻辑的复杂性。,第五节 接口分析与设计基本方法,1、接口硬件设计方法 接口主要完成数据、地址、控制总线与外设信号的转换和连接任务。,分析接口两侧的情况： cpu侧：数据线宽度、地址线宽度、控制线逻辑定义及时序； 外设侧：工作原理与特点，引脚信号逻辑定义、时序和电平差异。 进行信号转换：找出差异并进行信号转换与改造。 选择合理外围接口芯片构成接口电路。,2、接口软件设计方法 直接对硬件编程： 设计者必须对接口硬件细节十分熟悉；尽可能用汇编语言编写程序。 间接对硬件编程： bios调用、调用标准接口驱动程序。,注意点： 资源冲突问题； 时序问题及缓冲、锁存措施； 负载与干扰问题。,第六节 接口的分类,一、按传送方式分类 （一）并行接口 i8212，8155，8255，8755，zilog pio，mc6820 （二）串行行接口 i8251，zilog sio，mc6850，ins8250,二、按使用灵活性分类 （一）不可编程接口 （二）可编程接口,三、按接口的通用性分类 （一）通用接口 （二）专用接口 i8279键盘接口，8275crt接口,四、按输入输出信号分类 （一）数字接口 （二）模拟接口 adc0809，dac0808，ad574，ad774,作 业,习题： 1cpu与外设之间有哪几种传送信息的分式，它们各应用在什么场合？ 2什么是接口，接口有什么作用？,第二章 串行通信及接口,一、数字信号的并行传输和串行传输,为了提高数据传输的效率，多位二进制数据可以同时传输 ，称并行通信。 一般计算机内部、或计算机与几米内的设备之间采用并行通信。 计算机内部总线上并行传输数据的位数称计算机的字长。 每一位数据都要有自己的数据传输线和发送接收器件 。 cp时钟脉冲,第一节 串行通信的基本概念,一、数字信号的并行传输和串行传输,串行传输：在一根数据传输线上，每次传送1位二进制数据，1位接1位地传送。 在同样的时钟频率下，串行传输的效率要比并行传输低很多倍；但是串行传输节省了大量的通信设备和线路，在技术上更适合于远距离传输。,发送方在发送前要将并行数据转成串行数据， 接收方接收后要完成串行数据到并行数据的转换。,串、并行通信的对比,1.串行通信传输距离长，可达到数千公里,2.若采样同样的时钟频率，并行通信比串行通信速度快。,3.串行通信抗干扰能力强，信号间的互相干扰完全可以忽略。,4.串行通信成本更低。,二、串行通信的同步方式,在接收端使数据位与时钟脉冲在频率和相位上保持一致的机制称同步，实现这种同步的技术称同步方式。,根据在接收端获取同步参考信号的不同方法，同步方式可分为字符同步方式和位同步方式。,（一）字符同步方式异步通信,以字符为单位进行传输！ 发送端在每发送一个字符前都要先发送一个同步参考信号，接收端根据这个同步参考信号产生与数据位同步的时钟脉冲。 即:在发送端和接收端之间,每个字符都要同步一次。 所谓异步 是指字符内的各个位是同步的，而字符与字符之间没有严格的同步要求,n波特率因子 16 32 64,（二）位同步方式同步通信,在发送端可以附加发送与数据位同步的时钟脉冲，在接收端用这个时钟脉冲来读入数据。 省去了异步通信方式中的起始位、停止位等冗余同步信息，提高了数据传输的效率。 但需要增加一条传输时钟脉冲的通信线路。,图2-4 位同步传输方式,三、数据编码技术,（一）数字数据的数字编码技术 nrz编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码,图2-5数字数据的信号编码,调制过程是数字数据对一定频率的正弦载波信号的振幅、频率或相位进行控制，使数字数据加载到载波信号上，并在信道上传送。 解调过程是在接收端将数字数据从加载的载波信号上取出。 modulating + demodulating=modem,（二）数字数据的模拟编码技术,脉冲信号可分解成直流分量、低频和高频谐波分量，频带很宽。 窄带介质传送脉冲信号，会滤去一些谐波分量，造成脉冲波形畸变而导致传输失败。,图2-6 三种调制方式,三种基本的调制方式为调幅、调频和调相。,（三）模拟数据的数字编码技术,由于数字信号在传输过程中不引入噪声，具有传输可靠，没有失真的特点。 将模拟数据变换为数字信号的最常用的方法是脉冲编码调制简称脉码调制（pcm ），整个pcm过程分成采样、量化和编码三个阶段 。 1）采样是将一个时间连续变化的物理量转换成在时间上断续的物理量 。 2）量化过程是将采样值以某个最小数量单位的整数倍来表示采样值的大小 。 3）编码是将量化值用相应的二进制编码表示 。,pcm-脉码调制,量化单位 量化级,四、数据传输速度,（一）调制速度波特率（baud rate）