计算机接口的基本概念.docVIP

第一章 绪论（1）什么是接口：接口就是连接CPU与外设之间的部件，它完成CPU与外设之间的信息传送。还包括辅助CPU工作的外围电路。（课本上的定义）：微机接口就是微处理器CPU与“外部世界”的连接电路，是CPU与外界进行信息交换的中转站（2）为什么使用接口？a. 外设品种繁多；b. 工作速度快、慢不一；c. 信号类型和电平种类不同；d. 信息结构格式复杂（3）接口的功能1）执行CPU命令的功能；2）返回外设状态的功能；3）数据缓冲功能；4）信号转换功能；5）设备选择功能；6）数据宽度与数据格式转换功能(4) 接口的组成硬件(予以支撑)+软件(予以驱动)；2）硬件电路A. 基本逻辑电路；B. 端口地址译码电路；C. 供选电路3）软件编程：初始化程序段、传送方式处理程序段、主控程序段、程序终止与退出程序段、辅助程序段（LED, LCD）(5 )接口电路的结构形式固定式结构,半固定式结构,可编程结构,智能型结构(6) CPU与接口交换数据的方式1、查询方式（cpu不太忙，传送速度不高）2、中断方式（cpu任务比较忙，适用于实时控制，紧急事件的管理）3、直接存储器存取方式(DMA)（高速大批量的数据传送）第二章 I/O端口地址译码技术一、I/O接口的定义：I/O接口是一电子电路(以IC芯片或接口板形式出现 ),其内有若干专用寄存器和相应的控制逻辑电路构成.它是CPU和I/O设备之间交换信息的媒介和桥梁.二、I/O接口的功能：进行端口地址译码设备选择；向CPU提供I/O设备的状态信息和进行命令译码； 进行定时和相应时序控制。；对传送数据提供缓冲，以消除计算机与外设在“定时” 或数据处理速度上的差异；提供计算机与外设间有关信息格式的相容性变换。；提供有关电气的适配；还可以中断方式实现CPU与外设之间信息的交换三、I/O端口的定义：是 I/O接口中可通过编程实现寻址并进行读写的寄存器。CPU 与外设之间交换信息具体是通过I/O端口来进行的。一个外设与CPU交换信息往往需要几个端口：数据，控制，状态；四、I/O端口编址方式：A、统一编址：i/o端口雨存储器地址单元统一编址，是从存储器空间分出一块空间作为i/o端口地址。统一编址的特点（1） 主存单元与I/O端口一起编址。（2） 根据地址区分访问是I/O端口还是主存。（3） 系统中可以不设I/O指令。统一编址的优缺点（1）指令兼容性，存储器指令也可用于I/O数据。（2）I/O接口有较大的编址空间。（3）I/O部分的控制逻辑比较简单。（4）减小存储器的空间，指令长度比专门IO指令长。B、独立I / O 的编址方式i/o端口与存储器地址单元分开独立编址。I/o地址是系统单独配置的地址空间1：特点（1） 主存单元与I/O端口分开寻址（2） 设置I/O指令（3） 指明是访问I/O端口，还是主存单元？2：优缺点：（1） 独立的控制结构，使其可与存储器分开进行设计。（2） 单独的I/O指令，可与访问存储器的指令区分。（3） 指令地址较短，所需译码硬件较少。（4） 指令格式较短，执行时间也短五、I/O端口访问所谓对端口的访问就是CPU对端口的读/写。将端口的数据传送存储器六、I/O端口地址分配1、 I/O接口硬件分类：系统板上的I/O芯片；I/O扩展槽上的接口控制卡2、 I/O端口地址分配范围：PC微机I/O地址线可有16根，对应的I/O端口编址可达64k字节，其端口地址译码是采用部分译码法，即只使用了低10位地址线一个A0A9，故其I/0端口地址范围是0000H003FFH,总共只有1024个端口。七、I/O端口地址选用的原则凡是被系统配置占用了的地址一律不能使用；未被占用的地址，用户可以使用，但厂家申明保留的地址，不要使用。用户可使用300H31FH地址。八、I/O端口地址译码A、IO端口地址译码电路的作用：把地址和控制信号进行逻辑组合，从而产生对接口芯片的选择信号。B、I/O地址线用作端口寻址时，高位地址线和低位地址线各有什么用途？如何决定低位地址线的根数？高位地址线与CPU的控制信号进行组合，经译码电路产生I/O接口芯片的片选信号CS 。实现系统中的片间寻址。低位地址线不参加译码，直接连到I/O接口芯片，进行I/O接口芯片的片内端口寻址，即寄存器寻址（IO端口）低位地址线的根数决定于接口中寄存器的个数。从系统的角度考虑，低位地址线的根数应该由系统中含有寄存器数目最多的接口芯片来决定。九、I/O端口地址译码电路的两种结构形式：固定式端口地址译码：固定式端口地址译码电路译出的i/o地址不能改变，一旦与其他设备地址发生冲突，就不能工作。开关式端口地址译码(可选式)：开关式端口地址译码地址可通过地址开关加以改变，若发生地址冲突，可通过地址开关更换地址，避免冲突。十、端口地址的复用：a输入输出指令法:数据输入reg/数据输出寄存器 、状态寄存器/控制寄存器；b特征位法；c特定顺序法；d索引法：cmos。数据口，索引口第三章 定时/计时技术一、定时与计数器的概念A、定时器：在时钟信号作用下，进行定时的减“1”计数，定时时间到（减“1”计数回零），从输出端输出周期均匀、 频率恒定的脉冲信号。由上述可知，定时器强调的是精确的时间。定时举例：一天24小时的计时，称为日时钟。在监测系统中，对被测点的定时取样。在读键盘时，为去抖，一般延迟一段时间，再读。在微机控制系统中，控制某工序定时启动。B、计数器：在时钟信号作用下，进行减“1”计数，计数次数到（减“1”计数回零），从输出端输出一个脉冲信号。计数举例：对零件和产品的计数；对大桥和高速公路上车流量的统计，等等。 二、微机系统中的定时的分类微机系统的定时可以分为内部定时和外部定时：内部定时是指计算机本身运行的时间基准或时序关系，计算机本身是按照严格的节拍执行的，内部定时是由cpu硬件结构决定的，用户无法更改，并且内部定时的单位很小，为ns，us；外部定时是外部设备实现某种功能时，本身所需要的一种时序关系，外部定时是由用户根据外设的需要设定的，因此，外部定时是随外部不同而变化的。外部定时的单位比内部大，一般为ms，s。三、时序配合：用户在考虑外设和cpu连接时，不能脱离计算机的定时要求，即应以计算机的时序关系为依据，来设计外部定时结构，以满足计算机的时序需求，这叫做时序配合。四、外部定时的两种方法:1.软件定时通过软件指令周期方法定时，如执行循环程序,优点：不需要增加硬件，编写相应的延时程序以备调用。缺点：增加CPU负担，通用性差，一般用于短延时.2硬件定时（采用可编程通用的定时计数器或单稳延时电路产生定时或延时）.由于外部定时器是独立于cpu工作的，因此，硬件定时不占用cpu的时间，定时时间可长可短，使用灵活。尤其是定时时间固定，不受cpu工作频率影响，定时程序具有通用性。硬件可以分成：a不可编程硬件定时。采用中小规模IC构成不增加CPU负担，成本低，定时值不可改变。b可编程硬件定时。采用可编程计数器完成，软件可改变计数值。五、8253定时器的特点：1、既可以作定时器用又可以作计数器用，一个器件两种用途。2、片内有3个独立的16位长度的计数器，最大可计数65536个数。3、是减法计数器，只能作减法计数（倒计时），不能做加法计数（正计时）。4、计数码制有二进制和十进制两种计数方式。5、有六种工作方式，能适用不同用途的计数或定时需求。6、计数或定时过程不受cpu控制，这给用户在设计微机应用系统外部定时带来很大的好处。六、8253初始化编程包含哪两种进程：(1)写工作方式控制字；(2)设置计数初值七、8253有哪几种工作方式？区分不同工作方式的特点体现在哪几个方面？为什么3方式最普遍？方式0计数结束时中断，作事件计数器；方式1可编程单稳态触发器；方式2周期性负脉冲输出（分频器、速率发生器）；方式3方波发生器；方式4软件触发选通；方式5硬件触发选通。可以从基本功能、输出波形、启动方式、初值重装和gate信号的控制作用几个方面来体现。因为3方式输出1:1的方波或近似方波，所以其用的普遍。（附3的功能：（1）工作在方式3 ，引脚OUT输出的不是一个时钟周期的负脉冲，而是占空比为1：1或近似1：1的方波；当计数初值为偶数时，输出在前一半的计数过程中为高电平，在后一半的计数过程中为低电平。 （2）由于方式3输出的波形是方波，并且具有自动重装计数初值的功能，因此，8253一旦计数开始，就会在输出端OUT输出连续不断的方波。）八、波特率时钟发生器求定时器常数，其中Tc为定时器常数。Tc=CLK/（baud*factor）；factor是波特率因子，baud是波特率第五章 中断技术一、中断的定义：中断：由于某个内部或外部的事件发生，CPU中断当前正在执行的程序，而转去执行处理该事件，处理完后，再回到原程序继续执行，这过程称为中断。二、中断的基本过程：中断请求 中断响应 中断服务 中断返回三、中断优先级排队：中断优先权排队 ：当有多个中断源同时请求时，CPU就要识别出是哪些中断源有中断请求，辨别和比较它们的优先权，先响应优先权级别最高的中断申请。这种把多个中断源按轻重缓急的优先处理权按由高到低的顺序排列，称之为中断优先权排队。什么是中断优先级？为什么要进行优先级排队？微机中优先级排队的顺序是怎么样？中断优先级是根据任务轻重的缓急，给每一个中断源指定的一个优先级别，任务紧急的中断分配高优先级，任务可以暂缓的分配低优先级。安排中断优先级的目的是当有多个中断中断源同时申请中断时，cpu就按中断优先级别的高低排队顺序来依次响应和处理中断问题，以便系统那些需要实时处理的任务得到及时的处理。有高到底的排队顺序：内部中断和异常-软终端-外部不可屏蔽中断-外部可屏蔽中断四、中断嵌套： 若CPU正在处理某一中断过程时，出现了级别更高的中断请求，CPU应能停止执行级别低的中断服务程序而去处理级别更高的中断，等高级别中断处理完，再处理未处理完的低级中断，它处理完，再回到主程序。这种方式称为多重中断或中断嵌套。五、找到中断服务程序的两种方法：1、程序查询中断2、向量中断六、中断向量和中断向量表：中断向量就是中断服务程序的入口地址。包括服务程序的段基址CS（两个字节）和服务程序的偏移地址ip（3字节）。而中断向量表：把系统中所有的中断向量集中起来，按中断类型号从小到大的顺序放到存储器的某一个区域内。这个存放中断矢量的存储区为中断向量表中断向量的装入：分系统装入和用户装入两种情况：系统设置的中断服务程序，其中断向量由系统复制装入。其中bios提供的服务程序，其中断向量是系统加电后由bios负责装入；由dos提供的服务程序，其中断向量在启动dos时由dos负责装入。用户开发的中断系统，在编写中断服务程序时，其中断向量由用户负责人装入，其方法可以采用mov指令直接对中断向量表中填写中断向量。用户直接装入中断向量的做法只在单板微机中使用，而pc机不采用。七、中断类型号及其作用：中断号（中断类型号）是分配给每个中断系统中每个中断源的代号。中断号的作用：其一、cpu需要通过中断号形成一个地址指针，才能在中断向量中找到中断服务程序的入口地址，以便实现程序的转移。其二、应用程序进行初始化时需要用中断号去修改中断向量。八、可编程中断控制器8259A协助cpu处理那些中断事务：1、进行优先级排队管理；2、接受和扩充外部设备的中断请求；3、提供中断类型号；4、进行中断请求的屏蔽和开放。九、什么是中断向量修改？修改中断向量的方法和步骤如何？修改中断向量并非修改中断类型还，而是修改同一中断号下的中断服务程序的入口地址。若入口地址改变了，则产生中断后，程序的转移目标也随之改变。中断向量修改是解决系统中断资源共享的一种手段，因此，也是用户利用系统中断资源来开发可屏蔽中断中断服务程序的常用方法。中断向量的修改方法是利用dos功能调用INT21H的35H号功能和25H号功能。中断向量的修改分为三步进行：1、 用INT21H的35H号功能，从向量表中读取某一中断号的原中断向量，并保存在字变量中。2、 用INT21H的25H号的功能，将新中断向量写入中断向量表原中断向量的位置，取代原中断向量。3、 新中断服务程序完毕后，再用25号功能将保存在字变量中的原中断向量写回去，恢复中断向量。十、8259A的工作方式（5种）：1、引入中断请求（中断触发）的方式2、连接系统总线的方式3、屏蔽中断源的方式4、优先级排队的方式5、结束中断的处理方式十一、8259A的中断操作功能及其命令：1、中断请求触发方式的设置及8259A芯片数目的选择（icw1）2、中断类型号的设置（icw2）3、中断级联的设置（icw3）4、特定完全嵌套方式的设置（icw4-d4）5、缓冲器方式的设置（icw4-d3d2）6、中断结束方式的设置（icw4-d1）7、中断屏蔽操作方式（ocw1）8、非自动中断结束方式的操作（ocw2）9中断排队方式的操作（ocw2）10、查询中断方式的操作（ocw3-d2）11、特定屏蔽方式的操作（ocw3-d6d5）12读状态操作（ocw3-d1d0）第六章 存储器接口一、设计存储器接口应该考虑哪些主要问题？在设计存储器接口时除了要考虑存储器的地址空间外，还要考虑1存储器与CPU的时序配合问题：慢速存储器要能够向CPU申请延长总线传输周期；2CPU总线的负载能力：大系统中，考虑到总线驱动能力不够，需要在接口中加入驱动器/缓冲器；3存储芯片的选择：选择芯片类型时根据存储信息类型的不同决定选择RAM或ROM；选择芯片具体型号时，在满足容量要求的情况下，尽量选择容量大、集成度高的芯片。二、DRAM接口电路和SRAM接口电路的主要区别是什么？Dram与sram相比，由于存储原理和芯片结构的区别，在使用与cpu接口时有两个特殊问题要考虑。一是由于dram芯片中的存储单元是靠栅极电容上的电荷存储信息的，时间一长会引起信息的丢失，所以必须定时刷新；而是由于dram芯片的集成度高，存储容量大，使引脚数量不够用，所以地址输入一般采用锁存方式。所以dram的接口比sram的接口复杂的多。第七章 并行接口 $1 并行接口的特点1、 其最基本的特点是在多根据数据线上以数据字节（字）为单位与I/O设备或被控对象传送信息2、 在并行接口中，除了少数据场合之外，一般都要求在接口与外设之间设置并行数据线的同时，至少还要设置两根握手（联线）信号线，以便进行互锁异步握手方式（即查询方式）的通信3、 在并行接口中，8位或16位是一起行动的，因此，当采用并行接口与外设交换数据时，即使是只用到其中的一位，也是一次输入/输出8位或16位。4、 并行传送信息，不要求固定的格式，这与串行传送的数据格式的要求不同。$2 可编程并行接口8255A一、8255A的外部特性和内部结构1、基本特性1）具有两个8位（A口和B口）和两个4位（C口高/低4位）并行I/O端口的接口芯片。2）能适应CPU与I/O接口之间的多种数据传送方式的要求3）可执行功能很强，内容丰富的命令4）PC口的使用比较特殊，除作数据口外，当工作在1方式和2方式时，它的大部分引脚被分配作专用联络信号；PC口可以进行按位控制；在CPU读取8255A状态时，PC口又作1，2方式的状态口用5）8255芯片内部主要由控制寄存器、状态寄存器和数据寄器组成。2、pc口的作用：a.作数据口。b.作状态口。c.作专用（固定）联络（握手）信号线。d.作按位控制用。3、8255的内部结构数据总线缓冲器；读/写控制逻辑；输入/输出端口A、B、C；A组和B组控制电路。二、8255A的编程命令1.方式命令作用：指定8255A的工作方式及其方式下3个并行端口（PA、PB、PC）的功能，是作输入还是作输出。格式：8位，其中最高位是特征位，一定要写1，其余各位定义如下，应根据用户的设计要求填写1或0。最高位：特征位必须写1；D6D5是A组方式，00为0方式，01为1方式，10为2方式，11无；D4是pa；D3是PC47；D2为B组方式，0为0方式1为1方式；D1为PB；D0为PC03；其中D4D3D1D0，0为输出，1为输入。2按位置位/复位命令作用：指定PC口的某一位（某一个引脚）输出高平或低电平。格式：8位，其中最高位是特征位，一定要写0，其余各位的定义如下，应根据用户的设计要求填写1或0最高位：特征位为0；D6D5D4不用写0；D3D2D1为位选择，=000为c口0位，111为C口7位；D0为1时为置位，0为复位。三、8255A的初始化编程根据用户对8255的使用要求（8255的端口和引脚设置），按照8255方式命令的格式，写出8位命令的每一位形成一个命令代码，并利用out指令送到8255A的命令端口，即把实现对8255A的初始化编程。$3 8255的三种工作方式及其特点一、0方式：1、0方式是一种基本输入/输出工作方式。通常不用联络信号，或不使用固定的联络信号，软件时序。基本I/O方式是指查询方式传送，也包括无条件传送。2、在0方式下，彼此独立的两个8位和两个4位并行口，都能被指定作为输入或者输出用，共有16种不同的使用状态。3、输出有锁存，输入无锁存4、在0方式下不设置专用联络信号线，需要联络时，可由用户任意指定C口中的哪根线完成某种联络功能，这与后面要讨论的在1方式、2方式下设置固定的专用联络信号线不同。5、是单向I/O，一次初始化只能指定端口（PA、PB和PC）作输入或输出，不能指定端口同时既作输入又作输出。二、1方式特点：1、1方式是一种选通输入/输出方式或叫应答方式，因此，需设置专用的联络信号线或应答信号线，以便对I/O设备和CPU两侧进行联络。2、PA和PB为数据口，而PC口的大部分引脚分配作专用（固定）的联络信号的C口引脚，用户不能再指定作其他作用。3、各联络信号线之间有固定的时序关系，传送数据时，要严格按照时序进行。4、输入/输出操作过程中，产生固定的状态字，这些状态信息可作为查询或中断请求之用。状态字从PC口读取。5、单向传送、三、2方式特点：1、PA口为双向选通输入/输出或叫双向应答式输入/输出。一次初始化可指定PA口既作输入口又作输出口。2、设置专用的联络信号线和中断请求信号线，因此，2方式下可采用中断方式和查询方式与CPU交换数据。3、各联络线的定义及其时序关系和壮态基本上是在1方式下输入和输出两种操作的组合。第八章 人机交互设备接口$1 键盘接口一、键盘: 是微型计算机系统中最基本的人机对话输入设备。键盘的两种类型。A编码键盘（键盘本身带有实现接口主要功能所必需的硬件电路。由硬件逻辑自动提供与被按键对应的ASCII码。）B.非编码键盘（键盘只简单地提供按键开关的行列矩阵）二、键盘的基本功能键盘接口必须具有去抖动、防串键、按键识别和键码产生4个基本功能。行扫描法的基本思想：该方法的基本思想是，由程序对键盘进行逐行扫描，通过检测到的列输出的列输出状态来确定闭合键。三、键盘接口的基本原理检查是否有键按下；去抖动；被按键识别；产生键码四、CRT显示器的扫描显示原理五、打印机接口的分类：按打印机外部接口特性分类，打印机可分为串行打印机和并行打印机两大类。第9章 串行通信接口$1 串行传送的基本概念一、 串行传送的特点：A、在一根传输线上既传送数据信息，又传送联络控制信息。B、数据格式有固定的要求，分为异步与同步数据格式，与此相应就有异步与同步的两种通信方式。C、串行通信中对信号的逻辑定义与ttl不兼容，需要进行逻辑电平转换。D、串行传送信息速率需要控制。二、串行通信的连接方式单工方式、半双工方式和全双工方式。三、波特率与发送接收时钟波特率：单位时间内传送二进制数据（串行数据）的位数。常用的有：110波特、300波特、600波特、1200波特、1800波特、2400波特、 4800波特、9600波特和19200波特。发送接收脉冲与波特率之间的关系：T*c或R*c=Baud*Factor; baud是波特率，factor是波特因子。四、串行通信的基本方式异步串行通信和同步串行通信异步：以字符为信息单位传送的，发送端发出的每个字符在数据流出现的时间是任意的，接收端预先不知道。异步主要体现在字符与字符之间的通信没有严格的定时要求。所谓异步通信是指字符与字符之间的传送是异步的，而字符内部位与位之间的传送是同步的。同步：同步通信是以数据块为信息单位传送的，所谓同步通信是指字符内部位与位之间传送是同步的，字符与字符之间的传送也是同步的。$2 串行通信的数据格式一、 起止式异步通信的数据格式 起止位 停止位的作用异步通信是以字符为单位进行传送。所谓起止式帧数据格式是在每个字符的前面加起始位，后面加停止位，中间加奇偶校验位形成一个完整的字符帧格式。起始位的作用是作为联络信号通知收方接收数据，停止位表示一帧数据已经结束。起止式的帧数据格式有4部分组成：a、1位起始位（低电平，逻辑值0）；b、58数据，起始位后紧跟的是要传送的数据，可以是位，位数由双方约定。传送数据时，先发送低位，后发送高位；c、1位校验位（也可以没有）d、停止位紧跟在校验位或数据位（无奇偶校验）之后，是1位、1.5位或2位的高电平。停止位的出现表示该字符的结束。二、同步通信面向字符的帧数据格式 同步字符的作用同步通信是以数据块为单位进行传送。所谓面向字符格式是在数据块的前面加12个同步字符（SYNC），接着是表示传送的源及目标地址，以及数据块开始与结束的字符，最后是crc校验码，形成1个完整的数据块帧格式，同步字符作为联络信号通知对方开始接受数据。$3 串行通信的接口标准RS-232接口标准Rs-232与ttl进行转换 Ttl与rs-232之间进行逻辑关系（正逻辑-负逻辑）及逻辑电平（低电平/低摆幅-高电压/高摆幅）的转换。这种转换可以通过专门的芯片如MC1488/1489，SN75150/75154，Max232等来实现。$ 3串行通信接口的任务及组成一、 串行通信接口的基本任务1、实现数据格式化2、进行串并转换3、控制数据传输速率4、进行错误检测5、进行ttl与eia电平转换6、提供符合eia-rs-232c接口标准所要求的信号线第十章 A/D与DA转换器接口$1 DA转换器的接口方法DA转换器的基本参数1、 分辨率：DA转换器能够转换二进制的位数2、 转换时间：指从数字输入端发生变化 ( 如从全“0”变为全“1” )到模拟输出达到稳定(