微机原理与接口技术：第10章 微机应用实例

1、1第十章 微机应用实例 计算机渗透到我们生活的各个领域，导弹的导航装置、计算机的网络通讯与数据传输、工业自动化过程的实时控制和数据处理、民用豪华轿车的安全保障系统、智能洗衣机的控制，以及程控玩具等等，这些都离不开计算机，另外自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械也离不开计算机。 计算机在实际环境中应用很广，但主要有两大类：内接插卡方式和外部接口方式。内接方式设计的插卡一般直接插入到计算机总线上，例如ISA、PCI等总线。外部接口方式就是把设计的插卡通过接口连接到计算机上，一般利用USB总线。2微机应用实例内接插卡方式应用实例基于ISA总线的应用实例基于PCI总线的应用实例外部

2、接口方式的应用实例基于USB总线的应用实例基于I2C总线的应用实例31.基于ISA总线的应用实例 微机为了对I/O端口进行操作，就需端口地址译码以确定与自己交换信息的端口（寄存器）。首先，应该指出的是，I/O地址译码电路不仅仅与地址信号有关，而且与控制信号有关。因此，I/O端口地址译码电路的作用是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。由于I/O地址译码除了地址受上述地址分配的限制之外，还要满足其他一些控制条件，所以，译码电路的输入除了地址信号线外，还要引入一些控制信号。除了根据选用I/O端口地址的原则、精心选择地址范围之外，还要根据微机与I/O端口交换数据时的流向（读/写

3、）、数据宽度（8位/16位），以及是否采用奇偶地址和DMA传送方式的要求来引入相应的控制信号，参加地址译码。41.基于ISA总线的应用实例译码电路把输入的地址线和控制线经过逻辑组合后，所产生的输出信号线就是1根选中线，低电平有效。若译码电路的输出线为低，表示译码有效；若输出线为高，则译码无效。当I/O地址译码有效，选中一个接口芯片时，这个芯片内部的数据线打开，并与系统总线相连，从而打通了接口电路与系统总线的通路，而其他接口芯片的选中线无效，于是芯片内部呈高阻抗，自然就与系统总线隔离开来，从而关闭了接口电路与系统总线的通路。CPU就是这样利用译码电路来选择与之交换信息的接口电路的。5I/O端口地

4、址译码 I/O端口地址译码的方法灵活多样，可按地址和控制信号不同的组合去进行译码。一般原则是把地址线分为两部分：一部分是高位地址线与CPU的控制信号组合，经译码电路产生I/O接口芯片的片选 信号，实现系统中的片间寻址；另一部分是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。从系统的角度来考虑，低位地址线的根数应由系统中含有寄存器数目最多的接口芯片来决定。6ISA接口设计 ISA接口设计电路如图10-1所示，由采样保持、控制电路、A/D转换芯片和微机系统组成。7ISA接口设计 接口控制电路的设计原理如图10-2所示，由比较器、D触发器、与门、与非门

5、以及一个采样保持单元电路组成。8ISA接口设计 模数转换单元电路是数据采集卡的核心部分，其设计要求满足以下重要条件：（1）转换的对象是信号峰值幅度；（2）转换期间，不受后续信号的叠加影响；（3）转换完成后，必须及时读取转换结果；（4）转换完成后，不能残留本次信号电压，影响后续信号。模数转换电路设计如图10-3所示，其中：C为控制电路的输出端； 为控制电路中D触发器的 输出端，控制AD转换器；GATE是微机的控制信号，低电平对电容C2进行放电处理，同时复位D触发器，使 端输出高电平，对AD转换器进行读取操作；D为第二级采样电路的线性门控制端，低电平控制线性门导通，高电平关闭线性门。9ISA接口设

6、计 10基于PCI总线的应用实例PCI总线特点 PCI 是先进的高性能局部总线，可同时支持多组外围设备。其特点是：总线操作与处理器-存储器子系统操作并行；线性突发传输；极小的存取延误；不受处理器限制；基于PCI卡设备信息，全自动配置与资源分配，实现即插即用。在PCI系统结构中，为每个PCI都提供了256个字节（至少是前64个字节）的配置空间，这256个字节的配置空间中前64个字节称为头区域，是每一个PCI设备都应该实现的，它的主要功能是识别PCI接口设备，以及PC访问板卡的方式等。其余的192个字节根据不同的PCI 设备有所不同。11基于PCI总线的应用实例PCI 接口设计 PCI总线接口相对

7、其它总线接口较为复杂，除了严格的同步时序要求，还要满足即插即用和自动配置，PCI接口必须具有配置寄存器。PCI接口电路至少实现如下功能：（1）地址产生单元，由于地址线与数据线是复用的，在突发传输方式包括一个地址周期和若干个数据周期，接口电路中必须包含高速的地址产生部件，用于向后级应用电路提供连续的地址；（2）地址译码及命令译码单元；（3）PCI总线上的数据传输主要由FRAME#、IRDY#、TRDY#、DEVSEL#、IDSEL#几条信号线控制，接口根据PCI总线控制信号的要求设计。12基于PCI总线的应用实例PCI 接口设计 CH365可实现基于32位PCI总线的从设备接口。芯片CH365的

8、引脚如图10-6所示13基于PCI总线的应用实例14基于PCI总线的应用实例15基于PCI总线的应用实例图10-5为PCI采集卡的电路原理图。作为PCI总线接口，CH365为高频数字电路，电磁兼容设计尤为重要，在设计PCB板时需要参考PCI总线规范。16基于PCI总线的应用实例 PC机中包括三种空间：存储器空间、I/O空间、配置空间。存储器空间主要包括内存、显存、扩展ROM、设备缓冲区等，用于存放大量数据和进行数据块交换。I/O空间主要包括设备的控制寄存器和状态寄存器，一般用于控制和查询设备的工作状态以及少量数据的交换。配置空间主要用于向系统提供设备自身的基本信息，并接受系统对设备全局状态的控

9、制和查询。为了避免地址冲突，PCI总线要求各个设备所占用的地址能够重定位。 17基于PCI总线的应用实例 CH365的存储器空间占用32K字节，偏移地址是0000H7FFFH，可以全部提供给外部设备使用，实际地址是存储器基址加上偏移地址。CH365的I/O空间占用256字节，去掉CH365自用寄存器，还可以提供240字节给外部设备使用，偏移地址是00HEFH，实际地址是I/O基址加上偏移地址。18基于PCI总线的应用实例 CH365对PCI总线的各种信号进行译码后，产生内部数据总线D31D0、内部地址总线A31A0、读I/O端口信号、写I/O端口信号、读存储器信号、写存储器信号等。地址线A15

10、A0用于提供相对于基址的偏移地址，数据总线D7D0在读操作时用于输入数据，在写操作时用于输出数据。IOP_RD用于提供I/O读选通脉冲信号，IOP_WR用于提供I/O写选通脉冲信号，MEM_RD用于提供存储器读选通脉冲信号，MEM_WR用于提供存储器写选通脉冲信号，上述引脚的读写选通脉冲信号都是低电平有效。19基于PCI总线的应用实例 在I/O读写操作期间，CH365的A7A0输出I/O端口的偏移地址，提供给外部设备的有效偏移地址范围是00HEFH，外部设备可以进一步对A7A0进行译码产生二级片选信号。在I/O读写操作期间，CH365的A15A10保持不变，但可以由内部寄存器事先设定为高电平或

11、者低电平，A9A8输出PCI总线的地址，如果使用本地硬件定址的功能，则应该对CH365的A9A0进行地址译码，通过IOP_HIT引脚向CH365请求本地定址，以实现与ISA总线相兼容的000H3FFH地址范围内的I/O端口定址。20基于PCI总线的应用实例 在存储器读写操作期间，CH365的A14A0输出存储器的偏移地址，提供给外部设备的有效偏移地址范围是0000H7FFFH。在存储器读写操作期间，CH365的A15保持不变，但可以由内部寄存器事先设定为高电平或者低电平，用于存储器地址线扩展或者页面选择。由于扩展ROM属于存储器的一种，所以其操作方式以及操作时序与存储器相同。21基于PCI总线

12、的应用实例 CH365支持PC机程序以单字节、双字节（字）、四字节（双字）为单位对I/O端口或者存储器进行读写。在多字节连续读写操作期间，CH365每读写完一个字节数据后，就会自动将偏移地址加1，以指向下一字节的偏移地址。由于PC机只要执行一条读写四字节数据的指令，CH365就会自动将其分解为4个8位数据的连续读写操作，所以在PC机看来，CH365能够提供8位、16位和32位的数据宽度，而且实际情况也是32位数据宽度时的工作效率更高，总体数据交换速度更快。22外部接口方式的应用实例基于USB总线的应用实例 CH372芯片说明USB接口芯片种类繁多，基本上可分为两类：一类是内（部）带有CPU通用

13、功能的USB接口芯片，另一类是内部不带集成CPU的纯粹的USB接口芯片。CH371、CH372、CH375芯片系列就是后者。CH372具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上；在计算机系统中，CH372的配套软件提供了简洁易用的操作接口，与本地端的单片机通讯就如同读写文件。23外部接口方式的应用实例 CH372内置了USB通讯中的底层协议，具有省事的内置固件模式和灵活的外置固件模式。在内置固件模式下，CH372自动处理默认端点0 的所有事务，本地端单片机只要负责数据交换，所以单片机程序非常简洁。在外置固件模式下，由外部

14、单片机根据需要自行处理各种USB 请求，从而可以实现符合各种USB类规范的设备。芯片CH372的引脚如图10-6所示，引脚功能如表10-2所示。24外部接口方式的应用实例25外部接口方式的应用实例26外部接口方式的应用实例USB总线接口设计图10-7是基于单片机的USB接口设计原理图。P1是USB端口，USB总线包括一对5V电源线和一对数据信号线，通常，+5V电源线是红色，接地线是黑色，D+信号线是绿色，D-信号线是白色。如果USB产品通过其它供电方式提供常备电源，那么CH372应该与单片机一起使用该常备电源并且断开USB总线的电源；如果需要同时使用USB总线的电源，那么可以通过阻值约为1的电

15、阻R1连接USB总线的5V电源线与USB产品的5V常备电源，并且两者的接地线直接相连接。图中，可选电阻R2用于在电源断电后将电解电容C5中的电能及时释放掉，使VCC及时下降到0V，确保在下次通电时CH372能够可靠地上电复位。27外部接口方式的应用实例USB总线接口设计28外部接口方式的应用实例基于I2C总线的应用实例 在一些设计功能较多的系统中，常需扩展多个外围接口器件。若采用传统的并行扩展方式，将占用较多的系统资源，且硬件电路复杂，成本高、功耗大、可靠性差。为此，Philips公司推出了一种高效、可靠、方便的串行扩展总线I2C总线。 Philips公司除了生产具有I2C总线接口的单片机外，

16、还推出了许多具备I2C总线的外部接口芯片，如24XX系列的E2PROM 、128字节的静态RAM芯片PCF8571、日历时钟芯片PCF8563、4位LED驱动芯片SAA1064、160段LCD驱动芯片PCF8576等多种类多系列接口芯片。29芯片24LC16B说明24LC16B的封装形式有DIP8、SOIC8、SOIC14三种。8脚双列直插式封装见图10-8所示，各引脚功能如下：（1）SCL：串行时钟输入端；（2）SDA：串行数据输入/输出（或地址输入）端；（3）WP：写保护输入端，用于硬件数据保护，当其低电平时，可以对整个存储器进行正常的读/写操作，当其为高电平时存储器具有写保护功能，但读操

17、作不受影响；（4）A0、A1、A2：页面选择地址输入端；（5）VCC：+5 V电源端；（6）VSS：接地端。30存储结构与寻址24LC16B的存储容量为2K，内部分成8个存储区域，每个存储区容量为256个字节，操作时有芯片寻址及片内子地址寻址。（1）芯片寻址：24LC16B的芯片地址为1010，其地址控制字格式为1010A2A1A0 R/ 。其中A2、A1、A0为片内存储区域选择位，R/ 为芯片读写控制位，该位为0，表示对芯片进行写操作，该位为1，表示对芯片进行读操作。（2）片内子地址寻址：芯片寻址可指定进行芯片读、写的8个存储区之一，具体寻址片内某个子地址（字节地址）另需一个字节的子地址，其寻址范围为00FF，共256个单元。31I2C