第一章 计算机接口技术概述

计算机接口技术

教学方法和手段1、课堂讲授，采用教师引导式教学；2、课程讨论，对相关技术进行课程发言式讨论；3、课程实验设计，计算机接口软硬件驱动系统(重点)。考试或考核方式及要求

1、期末笔试占30%2、设计论文报告占15%3、设计系统占55%教材和主要教学参考资料参考教材：《实用接口技术》李广军等，电子科技大学出版社《现代计算机接口技术》洪志全等，电子工业出版社参考资料：《微计算机技术》马群生等编著，清华大学出版社《微型计算机技术及其应用》戴梅萼等编著第一章计算机接口技术概述一、微机接口与接口技术

人们是通过外部设备来使用计算机或跟计算机打交道的。由于以下原因：

①外设种类很多，有机械式的、电子式的、机电式的等；

②外设的工作速度相差甚远；

③输入输出信号形式多样，有数字量、模拟量（电流、电压、甚至非电量）、开关量；

④信号传送的方式有串行或并行等。一、微机接口与接口技术

因此，外设往往不能与CPU直接相连，它们之间的信息交换需要通过一个中间环节（或称界面），这就是接口电路。就是说，接口是CPU与外设的连接部件（电路），是CPU与外界进行信息交换的中转站。“接口技术”是研究CPU如何与外部世界进行最佳耦合与匹配，以实现双方高效、可靠地交换信息的一门技术，它是软硬件结合的体现，是微型计算机应用的关键。一、微机接口与接口技术

微机的发展表明，在提高微处理器的功能的同时，必须大力发展与其配套的外围接口电路。所以，近年来各生产厂家都把注意力放在发展各种外围接口电路上，使外围接口电路进入了一个新的时期。一、微机接口与接口技术

其特点是：（1）专用化：除了许多通用接口芯片外，发展了一系列专用的外部设备控制器，如软盘控制器：CRT控制器、键盘控制器、打印控制器等，还出现了为Intel80486、Pentium微处理器的专用接口芯片组。（2）复杂化：外围接口芯片的复杂程度大大提高，接口芯片的集成度和复杂程度不亚于微处理器芯片。一、微机接口与接口技术（3）智能化：接口芯片不但可承担基本的接口功能，还具有更高的“智能”，可以取代微处理器的某些功能，甚至某些接口芯片本身内部还有自身的微处理器，从而大大减轻了主处理器的负担，使微机系统性能大大提高。在I/O接口电路中内置专用微处理器、单片机、专用接口芯片等，根据主机发送的命令，执行相应的控制程序，发出有关控制信号，使设备完成规定的操作。这样就减轻了CPU的负担，提高了系统的性能。一、微机接口与接口技术（4）组合化：将多种接口组合在一个外围接口芯片内，进一步提高了系统的可靠性。如82206

（=8237×2+8259×2+8254+MC146818+…）集成外设控制器，它集成了包括2个8237DMA控制器，2个8259中断控制器，1个8254定时器/计数器，1个MC146818实时时钟，74LS612存贮器映射器，此外，还集成了一些TTL/SSJ接口逻辑芯片。即在IBMPC/AT机中等于外部总线的外围芯片都集成在一个单一的芯片内。一、微机接口与接口技术综上所述，一个微机系统和微机应用系统设计者，不但要熟练掌握微机原理和微机基本系统的设计方法，而且要熟练掌握微机接口技术，即微机与外界联系的技术。只有这样，才能真正掌握微机及其应用系统的设计和应用方法。因此，微机接口技术是微机应用系统设计者必须熟练掌握的重要技术。不但要了解接口的基本原理、而且要掌握其系统设计方法。一、微机接口与接口技术由于计算机的应用越来越广泛，要求与计算机接口的外围设备越来越多，越来越复杂，微机接口本身已不是一些逻辑电路的简单组合，是采用硬件与软件相结合的方法，使微处理器与外部世界进行最佳的耦合与匹配，以在CPU与外部世界之间实现高效、可靠的信息交换，是由硬件和软件的综合技术。一、微机接口与接口技术从编程角度看，可被系统或用户调用的DOS功能、ROMBIOS中断功能及对应的各个软件中断服务程序，实际上都是对指定的接口实施控制。当你编写应用程序时，为了达到高效运行的目的，就要绕过DOS或ROMBIOS，直接对I/O的硬件设备进行编程控制，就必然涉及对指定I/O端口进行访问，所以对I/O接口的结构多了解一些，以后进行应用程序的开发会大有帮助。二、接口的功能图1.1微机系统接口框图二、接口的功能按CPU与外界交换信息的要求，一般来讲接口部件应具有如下功能：

1、数据缓冲功能：接口中一般都设置数据寄存器或缓存器，以解决高速CPU与低速外设之间的矛盾，避免数据丢失。另外，这些锁存器常常具有驱动作用。二、接口的功能2、设备选择功能：

微机系统中常常配有多台外设，CPU在某一时间里只能与一台外设交换信息，这就要求借助接口的地址译码对外设进行寻址。高位地址用于芯片选择，低位地址用于选择芯片内部的寄存器或锁存器，以选定要与CPU交换信息的外设。二、接口的功能3、信号转换功能：由于外设所能提供的和所需要的各种信号常常与微机总线信号不兼容，必须进行变换。这是接口设计中的一个重要方面。常遇到的信号变换有：信号电平变换、A/D和D/A、串/并和并/串、数据宽度变换及信号的逻辑关系和时序上的配合所要求的变换等。二、接口的功能4、接受、解释并执行CPU命令的功能：

CPU发往接口的命令是以代码形式出现，再由接口电路解释后产生控制信号送往外设，接口电路还得提供寄存器满、空，外设忙、闲等状态信号。二、接口的功能5、中断管理功能：

当外设需要及时得到CPU的服务时，就应在接口中设置中断控制逻辑，由它完成中断申请、优先权排队，接收中断响应信号及向CPU提供中断向量等工作。6、可编程功能：为使接口电路具有较强的通用性、灵活性和可靠性，现在的接口芯片大多数都是可编程的。三、CPU与外设之间的数据传送方式

有以下四种方式：1、程序控制方式（又分无条件传送和条件传送或查询方式传送）

三、CPU与外设之间的数据传送方式（1）无条件传送方式（用于外设总是准备好的情况）三、CPU与外设之间的数据传送方式（1）无条件传送方式（用于外设总是准备好的情况）

一般用于控制CPU与低速I/O设备之间的信息交换，由于信号变化很缓慢，可认为外设总是把数据准备好，无需检查端口的状态，可随时用输入指令将数据读入。这种外设数据保持的时间相对于CPU的处理速度长得多。因此，输入的数据就用不着加锁存器而直接用三态缓冲器与总路线相连。若是输出设备，一般要求接口有锁存能力，即CPU送出的数据要保存一段时间。三、CPU与外设之间的数据传送方式（2）程序查询传送方式（用于外设并非总是准备好的情况）

即CPU是通过读接口的状态，以判断外设是否已准备好。在得知外设已准备好后才进行I/O操作。这种接口电路除了应具有数据缓冲器或锁存器外，还应有能反映外设状态的信号，以供CPU查询。三、CPU与外设之间的数据传送方式图1-3查询式输入的接口电路三、CPU与外设之间的数据传送方式图1-4查询式输出接口电路三、CPU与外设之间的数据传送方式2、中断控制传送方式程序查询降低了CPU的利用率，且无法实现实时处理，所以引入中断控制方式。这种方式外设变被动为主动，当准备好进行数据传送时，即可通过接口向CPU提出中断请求，CPU在满足响应中断的条件下，响应外设的请求，执行中断服务程序，完成数据传送。这种方式可使CPU与外设并行工作，大大提高了CPU的工作效率和系统实时处理的能力。三、CPU与外设之间的数据传送方式

图1-5中断传送方式的接口电路三、CPU与外设之间的数据传送方式3、DMA传送方式（直接存贮器存贮方式）上述中断传送方式，要求CPU中断当前的程序运行，转为为外设服务（输入、输出），在中断服务程序中要做保护现场和恢复现场等操作，这对于一些高速的I/O设备（如高速磁盘控制器或高速数据采集系统）是不能满足要求的，所以出现了DMA方式，即不需CPU的干预，而是在专用硬件DMAC的控制下，实现数据在I/O接口与存贮器之间直接传送。三、CPU与外设之间的数据传送方式3、DMA传送方式（直接存贮器存贮方式）图1-6DMA工作流程图三、CPU与外设之间的数据传送方式3、DMA传送方式（直接存贮器存贮方式）图1-7DMA控制器方框图三、CPU与外设之间的数据传送方式4、I/O处理机（IOP）方式

DMA传送方式仍然需要CPU对DMAC进行初始化，启动DMA操作以及完成DMA操作之后，检查传送的状态等，对I/O数据的处理，如数据的变换、拆装、检查等，更需要CPU的支持。为减少CPU的开销，出现了I/O处理机方式。如Intel公司专门为8086/8088CPU系统配置了I/O协处理器芯片8089，这是一个智能控制器。它共有52条指令、1兆字节的寻址能力和两个独立的DMA通道。三、CPU与外设之间的数据传送方式

4、I/O处理机（IOP）方式

它可以取出和执行指令，除了控制数据传送外，还能执行算术和逻辑运算、转移、搜索和转换。当CPU需要进行I/O操作时，它只要在存贮器中建立一个信息块，将所需要的操作和有关的参数按照规定列入，然后通知8089前来读取。8089读到操作控制信息后，能自动完成全部的I/O操作。4、I/O处理机（IOP）方式三、CPU与外设之间的数据传送方式图1-8四、接口的编址与译码1、端口及编址：

CPU是通过接口与外设进行数据传送的，在这个过程中，除了传送数据信息外，还得传送CPU发给外设的命令及外设提供的反映其工作状态的信息。因为数据、命令和状态命令是不同性质的信息，通常是经过不同端口传送的。就是说一个接口电路通常含有多个端口。这些端口有的只能读，有的只能写，有的既能读又能写。四、接口的编址与译码1、端口及编址：总之CPU总是通过访问端口与外设打交道的。那么CPU是如何找到所要访问的外设呢？在计算机中通过对端口进行编号即编址。具体编址方法有两种：四、接口的编址与译码1、端口及编址：（1）I/O端口与存贮器统一编址：这种编址方式将存贮器空间划出一部分给I/O端口或者说每一个I/O端口占据了一个存贮单元地址，CPU对I/O端口的操作与对存贮单元操作完全一样。特点是适用于I/O的指令多。四、接口的编址与译码1、端口及编址：（2）I/O端口单独编址：这种方式I/O端口不占用存贮单元地址空间，有单独的I/O指令。对存贮单元操作的指令不适用于I/O操作。

8086CPU采用I/O端口单独编址方式。

在I/O指令中，可采用8位地址（直接寻址）或16位地址（用寄存器DX间接寻址）四、接口的编址与译码

1、端口及编址：（2）I/O端口单独编址如：INAX，PORT；(AX)(PORT)INAL，PORT；(AL)(PORT)OUTPORT，AX；(PORT)(AX)OUTPORT，AL；(PORT)(AL)

其中PORT是8位地址。四、接口的编址与译码

1、端口及编址：（2）I/O端口单独编址又如：

MOVDX，XXXXHINAX，DX；(AX)((DX))或INAL，DX；(AL)((DX))MOVDX，XXXXHOUTDX，AX；((DX))(AX)或OUTDX，AL；((DX))(AL)四、接口的编址与译码

1、端口及编址：（2）I/O端口单独编址采用TurboC函数：

inportb(intport);

outportb(intport,unsignedcharvalue);四、接口的编址与译码

1、端口及编址：（2）I/O端口单独编址可见，对于PC系列的机器，I/O端口内的数据也有8位与16位之分。通常16位数据端口地址安置在偶地址号上，CPU一次总线周期内就可以存取16位的数据。8位数据的端口可以安置在偶地址号上，也可安置在奇地址号上，偶地址使用数据总线D7~D0传送数据。奇地址用数据总线D15~D8传送数据。四、接口的编址与译码

1、端口及编址：（2）I/O端口单独编址对8086CPU来讲，有一个必须遵守的约定：即低8位数据线上的数据总是写入偶地址存贮单元或端口，而高8位数据线上的数据总是写入奇地址存贮单元或端口，读出时的情况也一样。

四、接口的编址与译码1、端口及编址：（2）I/O端口单独编址

接口时将地址总线的次低位A1连到接口芯片上，而不是将A0连到芯片上。当A1与8251的C/D线相连，8251相当于占用两个连续的偶地址，较低的偶地址对应于8251的偶地址端口，较高的偶地址对应于8251的奇地址端口。四、接口的编址与译码1、端口及编址：（2）I/O端口单独编址这样一来，从CPU这边来说，端口地址都是偶地址，所以传输信息时，数据总是出现在低8位数据线上，一般来说，8位芯片和16位系统相连时都采用这种方法。

四、接口的编址与译码2、PC系列机I/O端口地址配置

8086/8088以及80286以上CPU只利用A15~A016根地址线传送I/O端口地址信号，可寻址64K，但PC机只使用其低10根地址线即A9~A0，所以实际上PC使用了1K个端口地址。四、接口的编址与译码

2、PC系列机I/O端口地址配置

PC系统的I/O端口可分为两大类：

第一类是系统主板上的I/O芯片如8255、8253、8259、8237等，这些芯片配置在较低的512个地址区域内，即0000~01FFH；

四、接口的编址与译码

2、PC系列机I/O端口地址配置

PC系统的I/O端口可分为两大类：第二类是I/O扩展槽上的接口适配器占用的地址：如串行通信适配器卡、打印机（并行口）卡、软驱卡、硬驱卡、CRT显示器卡、LAN网络卡等。这些地址分配在另外的512个地址区域内，即0200~03FFH。

图1-9地址四、接口的编址与译码

2、PC系列机I/O端口地址配置四、接口的编址与译码2、PC系列机I/O端口地址配置在PC/AT机上，端口地址配置与PC/XT机大致相同，只是第一类端口地址只有256个，而第二类扩到768个。如下图所示：

图1-10有关PC/XT和PC/AT机系统板I/O端口地址如下图四、接口的编址与译码2、PC系列机I/O端口地址配置有关PC/XT和PC/AT机适配器控制卡端口地址：注意：用户开发的扩展卡一般可使用0300～031FH地址四、接口的编址与译码3、端口地址译码：

CPU要寻址某个端口，首先要找到该接口芯片，还得指明所寻址的端口。接口内部端口的区分是由接口内部的译码逻辑完成的。通常将低端地址线直接连到接口芯片上用于内部译码。而用余下的高位地址线（或其中部分）经地址译码电路后产生芯片选择信号。3、端口地址译码：（1）固定式译码电路①用逻辑电路组成的译码电路如：四、接口的编址与译码图1-11四、接口的编址与译码

3、端口地址译码：（1）固定式译码电路

②用地址译码器进行地址译码：如IBM

PC/XT机系统板上接口芯片的译码电路，采用了3--8译码器74LS138进行地址译码。具体电路如下图所示：（注：下图中AEN是从DMAC（8237）的AEN经反相后的信号。作DMA操作时，AEN＝0，即AEN＝1。）

②用地址译码器进行地址译码：四、接口的编址与译码

3、端口地址译码：（1）固定式译码电路图1-12四、接口的编址与译码

3、端口地址译码：（2）可选式（开关/跳线）译码电路：为了应用的灵活性，可通过改变开关的位置或跳线而改变端口地址分配。如下图1-14所示的译码电路，使用了DIP开关、8位比较器74LS688和3--8译码器74LS138。四、接口的编址与译码

3、端口地址译码：（2）可选式（开关/跳线）译码电路：图中，当P7~P0与Q7~Q0状态相同时，P＝Q端输出低电平。那么当AEN＝0（不进行DMA操作）地址线A9＝1，A8~A3分别与六位开关状态相同时，比较器P＝Q端输出“0”，138工作。若Q5~Q0=000111时，Y0的地址为1000111000B=0238H四、接口的编址与译码

3、端口地址译码：（2）可选式（开关/跳线）译码电路：图1-14可选式译码电路之一四、接口的编址与译码

3、端口地址译码：（2）可选式（开关/跳线）译码电路：图1-13可选式译码电路之二五、微机接口设计与分析的基本方法现在设计微机接口，一般都是选用可实现相应接口功能的接口芯片。尽管各种接口芯片的功能和引脚均不相同，但在使用方法上却有共同之处，所以接口电路的设计与分析的基本方法也是相同的。过程大致如下：

1、首先需要分析接口两侧的情况：接口作为CPU与外设的中间界面，一面要与CPU连接，另一面要与外设连接。五、微机接口设计与分析的基本方法（1）对CPU一侧，要弄清CPU的类型和引脚定义，如数据线宽度、地址线宽度、控制线的逻辑定义及时序关系的特点。对于数据线:目前外设数据线多数是8位的，接口芯片多数也是8位的。它们与8位CPU的连接是方便的，但如何与16位CPU或32位CPU连接，这是接口设计的一个关键。以Intel8086为例，其数据总线为16位，而且约定低8位数据线上的数据对应偶地址，高8位数据线上的数据对应奇地址。五、微机接口设计与分析的基本方法为了使8位接口芯片固定接低8位(或高8位)数据线，又能同时正确对端口进行寻址，需要采取一定的措施。

一般将接口芯片数据线接CPU低8位数据线，而将地址线A1(而不是A0)接到接口片子的最低位