安徽工程大学微型单片计算机与接口技术第一章.ppt

第一章概述,1.1单片机与微控制器,按照冯.诺依曼原则，一台计算机的硬件系统由五大部分（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备）组成。一般的计算机，是采用按逻辑功能划分的各种微机电路芯片（如：CPU芯片、存储器芯片、I/O芯片等）组装而成的，即所谓“多片结构的计算机”。单片机则是将CPU、存储器、I/O接口等集成在一块芯片上，因此称为“Single-ChipMicrocomputer”。单片机主要是针对工业控制以及与控制有关的数据处理而设计的。,单片机的发展,目前，单片机的发展已近40年的历史，它是硬件和软件交替发展的，可以分为四个阶段。第一阶段（1971-1974年）：第二阶段（1974-1978年）：初级单片机阶段。第三阶段（1978-1983年）：高性能单片机阶段。第四阶段（1983年至今）：,1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001ROM芯片、4002RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器）。这个时期的微处理器还不是真正意义上的单片机，但却拉开了单片机研制的序幕。,这个时期的代表产品是Intel公司的8048，它出现在1976年。8048片内包含了微型计算机的基本单元（CPU、存储器、并行I/O、定时计数器等），形成了实际的单片机。,这个时期的代表产品是Intel公司的8051，它出现在1980年。由于其面向控制的独特功能，使其在工业控制领域引起了轰动。在此基础上发展的51系列单片机，迅速成为应用最广泛的单片机系列。,高档单片机和专用单片机阶段。,微控制器,由于Intel公司彻底开放了8051单片机的技术，使得世界上很多IT厂商加入到开发与改造8051单片机的行列中，开发出各种基于51内核的新型单片机产品。随着单片机技术的不断发展，新型的单片机内部不断扩展了各种控制功能。如：A/D转换器、D/A转换器、脉宽调制器（PWM）、计数器捕获/比较逻辑（PCA）、高速I/O口等等，使得它已突破了Microcomputer的传统内容，而朝着Microcontroller的内涵发展。因此国外已将单片机统一称为Microcontroller（微控制器）。国内，仍按习惯称为“单片机”，但其实质应该是“微控制器”或“单片微控制器”。,1.2单片机系统,同计算机系统一样，单片机系统也是由硬件系统和软件系统构成的。单片机的硬件系统分为单片机、单片机系统和单片机应用系统三个层次。单片机：单片机系统：单片机应用系统：单片机的软件一般可以分层为系统软件和应用软件。系统软件处于底层硬件和高层应用软件之间。但是，单片机的资源有限，设计者必须在系统软件的功能与构成系统软件的软硬件开销之间，仔细地寻求平衡。,将CPU和计算机的外围功能单元（如：存储器、I/O口、定时计数器、中断系统等）集成在一起的芯片。,当单片机内部的计算机外围功能单元不能满足对象要求时，通过系统扩展，在外部并行总线上扩展相应的计算机外围功能单元所构成的系统。构成单片机系统的手段是“系统扩展”。,通过系统配置，给单片机系统按控制对象的环境要求配置相应的外部接口电路（如：数据采集系统的传感器接口、控制系统的伺服驱动接口单元以及人机界面等），以构成满足对象全部要求的单片机硬件环境。构成单片机应用系统的手段是“系统配置”。,1.3关于接口的一些基本概念,1、接口与端口2、接口的基本形式3、接口电路的基本组成,1、接口与端口,.接口的概念计算机在工作过程中，CPU要不断地与其它部件交换信息。CPU不是直接与外部设备交换信息的，而是经过一个中间电路，这个电路就称为“接口电路”，简称“接口”。所谓接口就是主机与外部设备连接的桥梁，由它来完成CPU与外部设备之间信息的传递。一般将外部设备与接口合称为“I/O系统”。接口又称为“设备控制器”或“适配器”。.端口的概念这里所说的端口，是指接口电路内可由程序员通过选择进行读/写的那些寄存器的地址。通常，一个外设可用一个接口与计算机总线相连。但由于工作需要，一个接口中往往有几个端口。除了数据口外，还有命令口（或控制口）和状态口，分别用于对数据、命令和状态进行锁存。,2、接口的基本形式,I/O接口通常是数据传送的中转站，它的动作受控制信号的控制。因此，I/O接口一方面与数据总线相连，同时还必须与控制总线相连。为了保证通信的两方都得到数据，它至少应包含一个具有数据锁存能力的锁存器，锁存器和缓冲器一起用以实现对输入/输出数据的锁存与缓冲。此外，对锁存器还必须有选择机构和读/写控制，使CPU能有选择地对I/O端口进行读或写。,3、接口电路的基本组成,接口是主机（CPU）与外部设备连接的桥梁，一定存在两个方向的连接界面，一方面与主机（CPU）的连接，另一方面与外部设备的连接，由它来完成CPU与外部设备之间信息的传递。接口电路主要由若干个端口和相应的控制逻辑组成。例如，要完成端口的选择，要有地址译码部件；要完成中断控制，要有中断控制逻辑；要完成差错检测，要有差错检测逻辑等。,1.4数据传送方式,1、I/O接口与外部设备之间的数据传送方式I/O接口与外部设备的数据传送方式是由所用外部设备决定的。根据外部设备的特点，有以下三种数据传送方式：、无条件传送方式、同步传送方式、应答方式,无条件传送方式认为外部设备始终是准备好的，能随时接收或提供数据。,同步传送方式是指接口以某一确定的时钟速率和外设交换数据。例如，对磁盘信息的读写，计算机外部的同步通信都采用这种传送方式。这是一种速度较高的数据传送方式。它适用于中等以上数据传送速率和按规则间隔工作的外部设备。同步传送方式的关键是确定数据传送的起始与停止，通常采用的是使用专门信息或作出某些规定。,应答方式又称为握手（Handshake）方式。应答方式要安排一对握手线。一根由接口送信号到外设，一根由外设送信号到接口。它们可以是一位控制信号或状态信号。,1.4数据传送方式,2、CPU与I/O接口之间的数据传送方式CPU与I/O接口的数据传送方式通常称为输入/输出的控制方式。采用何种方式和接口与外设之间的数据传送方式有很大关系。常见的方式有以下几种：、无条件传送方式、查询传送方式、中断方式、直接存储器存取（DMA）方式,无条件传送方式（或称简单的I/O方式）对应于接口与外设间的无条件传送方式。适用于那些随时都能读、写数据的设备。无条件传送方式的接口要求比较简单，只需具有选址和缓冲功能即可。,很多外部设备，其状态不是已知的。例如，有些与CPU异步工作的设备，其工作状态总在变化，在这种情况下，利用无条件传送方式进行数据传送就很难保证数据的可靠性，因此必须在数据传送之前，对目标设备的状态进行查询，确知外设已做好了传送数据的准备时再进行数据传送，否则，CPU等待并持续不断地查询，一旦外设准备好，则立即进行读或写操作，这种式称为查询传送方式。,为了提高系统效率和实时性，可以采用中断传送方式。在中断传送方式下，外设具有申请CPU服务的主动权，当输入设备已将数据准备好或者输出设备可以接收数据时，便可以向CPU发出中断请求，如果CPU允许中断响应，则CPU暂时停下目前的工作而和外设进行一次数据传输。等输入操作完成后，CPU继续进行原来的工作。,在DMA方式下，外部设备利用专门的接口电路直接和存储器进行高速数据传送，并不经过CPU。这样，进行传输就不必进行保护现场之类的一系列额外操作，数据传输的速度基本上决定于外设和存储器的速度。,1.5认识接口的基本方法,为了实现接口的基本功能，一方面需要有物理基础-硬件的支持；另一方面还要有相应的程序-软件驱动。所以，一个能够实际运行的接口，应由硬件和软件两部分组成。要掌握接口的应用，必须从硬件与软件两方面来认识它：1、接口的外特性（硬件）2、接口的编程（软件）,1、接口的外特性（硬件）,接口的外特性，就是接口的应用特性，一般包括以下几个方面：.接口的逻辑组成.接口的引脚信号.与接口相关的寄存器（端口）,通过接口的连接框图了解接口的逻辑组成。,对于扩展的接口电路，可以采用两侧分析法来认识接口的引脚信号。其一是与CPU连接的一侧，了解它提供的数据线的宽度、地址线的宽度、控制线的逻辑定义（高电平有效、低电平有效、脉冲跳变）、以及时序关系。其二是与外设连接的一侧，情况比较复杂，因为被控对象种类繁多，型号不一，所提供的信号线五花八门，其逻辑定义，时序关系，电平高低差异甚大。,了解接口中的端口非常重要，一切对外设的操作都是通过对接口中的端口的操作来实现的。要正确的应用接口，必须从以下两个方面了解端口。了解端口的功能了解端口的地址分配对于地址复用的端口，必须详细了解其采用的是哪种技术，才能够正确的实现对端口的操作。,常用的端口复用方法,常用的端口复用方法有如下几种：I特征位法在每次写入控制信息中留出若干位用于区分写入的是哪一种命令字。这些位称为特征位。II索引法每次写入控制信息时先写入索引值，然后写入命令字。由索引值决定命令字写入哪一个寄存器。此方法在命令种类多时尤其有用。III特定顺序法这种方法要求写入命令字时要按照严格的写入次序。由事先走好的次序决定哪一个命令写入哪一个寄存器。,2、接口的编程（软件）,从实现接口的功能来看，一个完整的接口程序主要包括初始化程序段和数据传送程序段。初始化程序段数据传送程序段,初始化程序一般包括两大内容，其一对于可编程接口芯片，使用前都需要设置其工作方式及初始工作条件；其二是传送方式的初始化处理，对于中断方式，有中断源的屏蔽/开放、中断优先级的设置等；对于DMA方式，有相关的DMA通道的开放/屏蔽等。,只要有数据传送，就一定涉及到传送方式。无条件传送方式：比较简单，只要直接用指令去读或写即可。程序查询方式：需要首先读取状态口，检测外设或接口的状态，根据状态进行分析，如果外设传送数据准备就绪时，即进行数据传送，否