微型计算机接口技术及应用教案.docx
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微型计算机接口技术及应用教案
第一章概述
本章要点
•接口的概念
•微机系统的组成结构
•为什么要在CPU与外设之间设置接口
•理解接口实现的主要功能
•CPU与接口交换数据的方式、各方式的特点及应用场合
1.接口
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.微机系统的组成结构
微型计算机的硬件组成：
中央处理器（CPU或MPU）、存储器、I/O（输入/输出）设备及其接口电路，通过系统总线相连。
3.为什么要在CPU与外设之间设置接口
信号不兼容——功能定义、逻辑定义、时序关系
速度不兼容
为了提高CPU的效率
为了利于外设自身的发展
4.接口的功能（基本功能）
1）执行CPU命令的功能：
CPU对外设的控制通过接口电路完成——命令口
2）返回外设状态的功能:
正常工作状态、故障状态——状态口
3）数据缓冲功能:
输入/输出缓冲；三态特性——数据口
4）设备选择功能:
地址代码I/O设备选择信号——端口地址译码电路
5）信号转换功能:
信号的功能定义、逻辑关系、电平高低、工作时序
6）数据宽度与数据格式转换功能:
串行通信：
串并转换、串行数据格式化
5.CPU与接口交换数据的方式
1.查询方式:
CPU反复、主动地查询外设状态.
特点：
无额外的硬件开销；CPU工作效率低,
应用：
CPU不太忙、传送速度不高,
无条件方式是查询方式的特例
2.中断方式:
外设主动向CPU提出中断申请；CPU与外设并行工作
特点：
增加了硬件开销，提高了CPU工作效率
应用：
CPU较忙、尤其是实时控制及紧急事件处理
3.直接存储器存取方式（DMA方式）:
M与I/O、I/O与I/O间直接快速传送
快速性原因：
硬件取代软件；提供直接通路
特点：
电路结构复杂，硬件开销大
应用：
高速外设进行大量数据传送
其他知识点
1接口电路的结构
◆固定式结构——不可编程
◆半固定式结构——用GAL器件设计
◆可编程结构大规模集成芯片——本书重点
◆智能型结构——I/O处理器、通用单片微机
2分析与设计接口电路的基本方法
◆两侧分析法:
CPU一侧：
CPU的类型；DB和AB的宽度；CB的逻辑定义；时序特点
外设一侧：
外部特性（引脚的功能定义和逻辑定义）、工作过程
◆硬软结合法
1）硬件设计方法
合理选用外围接口芯片
有针对性地设计附加电路——逻辑关系与电平转换、时序配合、驱动能力
2）软件设计方法
用汇编语言（或高级语言）直接对低层硬件编程——了解硬件电路工作原理
用DOS系统功能调用和BIOS调用编程——标准输入/输出设备
3.接口技术的发展趋势
发展过程：
固定式简单接口、可编程复杂接口、功能强大的智能接口
发展趋势：
智能化、标准化、多功能化、高集成度化
第二章I/O端口地址译码技术
本章要点
•端口的概念
•端口的地址编址方式及其特点
•I/O端口地址选用的原则
•掌握I/O端口地址译码电路的工作原理
•I/O端口地址译码电路的设计与分析
1.I/O端口和I/O操作
1）I/O端口
端口（port）：
接口电路中能被CPU直接访问的寄存器。
端口的种类：
数据口、状态口、命令口
2）I/O操作
本质：
I/O端口的操作
2.端口地址编址方式
1）统一编址（存储器映象方式）
原则：
M与I/O共用整个地址空间；I/O端口与存储单元等同——M与I/O地址不重叠
优点：
I/O可有较大编址空间，易扩展；I/O操作指令类型多、功能齐全
缺点：
M的地址空间受限；I/O指令较长，执行速度较慢
2）独立编址（I/O映象、专用I/O指令方式）
原则：
M与I/O分开编址、互不干扰——M与I/O地址重叠
优点：
M空间不受I/O空间影响；有专用I/O指令（程序清晰）；I/O指令短，执行速度快
缺点：
I/O指令种类有限，I/O空间不易扩展
3.I/O端口地址选用原则
1）凡是系统配置占用了的地址一律不能使用
2）计算机厂家申明保留的地址最好不要使用
3）可用留作实验卡的地址：
300H～31FH；最好用地址开关
4.I/O地址译码电路工作原理及作用
1）地址译码电路的作用
作用：
地址＋控制信号=接口芯片的选择信号
AEN＝0的原因：
避免在DMA期间，由DMA控制器对这些以非DMA方式传送的端口执行DMA操作
2）地址译码电路的输出信号
输出信号：
低电平有效
5.I/O地址译码方法
片间选择：
高位地址＋控制信号=片选信号
片内端口选择：
低位地址直接与接口芯片地址线相连
6.I/O端口地址译码电路设计
地址范围：
n根地址线未参与译码，译出地址含2n个
例：
图中译码输出地址2F8H（只读、AEN＝0）试分析将图中的A1、A0去掉后，译码输出的地址（地址范围：
2F8H～2FBH）
第三章计数器与定时器
本章要点
•微机系统中的定时、时序配合
•8253/8254的主要特性、8253/8354计数初值的计算
•8253/8254的初始化
•8253/8254的6种方式的主要区别、应用场合
1基本概念
1）定时
2）计数
3）定时与计数的关系
4）频率－声音－音乐
2.微机系统中的定时
内部定时：
计算机本身运行的时间基准或时序关系；由计算机硬件决定，用户无法更改
外部定时：
外设实现某种功能时，本身所需的时序关系
时序配合：
考虑外设与CPU连接时，以计算机的时序关系为依据，以满足计算机的时序要求
3.定时方法
1）软件定时（短时延时）不需增加硬件；浪费CPU资源、程序通用性差
典型的延时程序：
MOVCX,n
DELAY:
LOOPDELAY
2）硬件定时（定时时间长）可编程定时/计数器或单稳延时电路，不占用CPU时间、定时准确、定时程序具有通用性
4.8253-5/8254-2外部特性与内部结构
8253/8254主要特性：
3个独立的、16位的、减1计数通道（T0～T2）；每个通道有自己的GATE、CLK、OUT；6种工作方式
8253的内部结构图：
5.8253通道内部各寄存器的作用
Ø初值寄存器：
存放初值，可读/写，写入后不变
Ø减1计数器：
在GATE作用下，对CLK输入的脉冲进行减1计数，不能直接读写
Ø当前计数值锁存器：
锁存减1计数器的当前值，只读
6.计数初值
8253/8254是逆计数器（减1计数器）减1计数器减为0时输出有效
7.编程命令
写入方式字：
向控制端口写入方式字，选择通道、确定工作方式
写入计数初值：
按方式字的要求向指定通道装入计数初值
命令字的格式
SC1
SC0
RL1
RL0
M2
M1
M0
BCD
8.8253/8254初始化举例
要求：
频率为2MHz的时钟信号，利用T1定时2ms，试对8253初始化（方式3）
初值：
初始化程序段
MOVDX,307H
MOVAL,76H
OUTDX,AL
MOVDX,305H
MOVAX,4000
OUTDX,AL
MOVAL,AH
OUTDX,AL
9.工作方式及特点
区分6种工作方式的标志
1启动计数器的触发方式
2输出波形
3计数过程中门控信号的作用
4在计数过程中写入新初值的处理方式
六种方式的比较
方式
GATE引脚输入状态所起的作用
输出波形
高电平
低电平
下降沿
上升沿
0
允许
禁止
暂停
继续
计数过程中为低,计数值减为0时,变高
（单次）
1
不影响
不影响
不影响
开始或重新开始
宽度为n个CLK的低电平（单次）
2
允许
禁止
停止
重新开始
周期为n个CLK，宽度为1个CLK的负脉冲
（重复波形）
3
允许
禁止
停止
重新开始
周期为n个CLK的方波（重复波形）
4
允许
禁止
停止
重新开始
减为0时输出宽度为1个CLK的负脉冲（单次）
5
不影响
不影响
不影响
开始或重新开始
减为0时输出宽度为1个CLK的负脉冲（单次）
第四章DMA控制器
本章要点
•DMA传送的特点、传送过程及操作类型、操作方式
•DMA读、DMA写的传送方向
•DMA控制器在系统中的工作状态及地位
•DMAC级联方式下的工作过程
•8237A-5的一些特殊引脚的功能：
DB0～7、A0～3、IOR、IOW
•8237A-5的工作时序中各状态周期内完成的任务
•DMA传送过程中对存储器和外设的寻址方法
•PC机DMA初始化中20位存储单元物理地址的形成
•8237A-5的初始化编程
1.DMA传送的特点
I/O——I/O;I/O——M;M——M
高速外设进行大量数据传送
具有快速性的原因
硬件取代软件（DMAC取代CPU）
为两个介质提供直接通路
2.DMA传送的过程
在DMA操作之前要进行初始化：
数据块大小、M起始地址、传送方向、使用通道等
申请阶段：
外设——〉DMAC，若允许，DMAC——〉CPU
响应阶段：
LOCK无效，CPU——〉DMAC，DMAC成为系统主控者
数据传送阶段：
DMAC——〉I/O，发地址给M；发读/写信号；源——〉目标
传送结束阶段：
DMAC——〉/O；I/O撤除DREQ；HRQ、HLDA无效；CPU控制总线
3.DMA操作类型
1）数据传送
源——〉目标，源和目标为M或I/O传送方向，DMA读写针对M而言
2）数据校验
进行某种校验，不发读/写信号，常在DMA读后
3）数据检索
不发读/写信号，在M中查找关键字节或关键位——比较寄存器
4.DMA操作方式
1）单字节方式（单一方式）操作一个字节就释放总线
2）连续方式（块字节方式）操作结束（数据块操作结束，检索时找到关键字节或关键位）才释放总线；在操作过程中，DREQ无效则等待其有效
3）请求方式（询问方式）操作结束或DREQ无效即释放总线
5.DMA控制器在系统中的地位
两种工作状态：
主动态和被动态对应于两种地位：
主控器和受控器
6.总线控制权在DMAC与CPU间的转移
两对握手信号：
DREQ和DACK；HRQ和HLDA
7.DMA控制器8237A-5
主要特性：
4个独立通道；64KB计数和寻址能力；支持I/O——M；M——M；2种操作类型、3种操作方式
8.8237A-5的内部寄存器及编程命令
基地址和当前地址寄存器
基字节计数器和当前字节计数器
状态寄存器和命令寄存器
请求寄存器
屏蔽寄存器
方式寄存器
暂存寄存器
软命令
9.软命令
只要对特定地址进行一次写操作（即CS、内部端口地址和IOW同时有效），命令就生效，与写入的具体数据无关
OUT0CH,AL;清先/后触发器软命令
OUT0DH,AL;总清除软命令
OUT0EH,AL;清屏蔽寄存器软命令
10.8237A-5各操作周期说明
空闲周期SI：
（未发生DMA请求时）检测CS：
CPU是否对其操作；检测DREQ：
外设是否有请求
过渡状态S0：
DMAC发出HRQ之后，收到HLDA之前
有效周期（DMAC收到HLDA后，接管总线）
S1：
更新高8位地址.AEN、ADSTB有效,DMAC将M的A8～15放到DB0～7上;只有当A8～15有变化时才出现
S2：
选中两个介质.输出16位地址选中M:
低8位由A0～7直接输出;高8位由DB0～7经外部锁存器（由ADSTB下降沿锁存）输出；发有效的DACK选中I/O
S3：
读周期.发出IOR（DMA写）或MEMR（DMA读）,从源读数据到DB0～7,等待写周期
S4：
写周期.发出MEMW（DMA写）或IOW（DMA读）,将DB0～7上的数据写到目标中
说明：
提前写（扩展写）：
写提前到与读同时开始（S3），与读一样扩展到2个时钟周期
压缩时序：
去掉S3，读与写同为1个时钟周期
SW：
慢速I/O或M传送时，在S3和S4间插入SW
第五章中断技术
本章要点
•中断、中断向量、向量表的结构、类型号与中断向量的关系
•修改中断向量的方法和步骤
•PC机中断系统的组成；几种特殊中断产生的条件
•硬中断与软中断的区别
•中断处理过程；中断响应周期CPU与8259A的操作
•8259A的主要特性
•8259A写入命令字的区分方式；各编程命令的功能
•8259A级联方式下的工作过程
•8259A的初始化编程
1.基本概念
中断：
是指CPU在正常运行程序时，由于内部/外部事件或由程序预先安排的事件，引起CPU中断正在运行的程序，转去为该事件服务。
服务完毕，再返回去继续运行被暂时中断的程序的过程。
中断源：
发出中断请求的外部设备或引起中断的内部原因
中断识别：
确定中断源，实现程序转移
中断向量：
中断服务程序入口地址，4个字节（偏移地址、段首址）
中断向量表：
PA=000H～3FFH，256个；存储结构（中断号,顺序）
类型号：
8位，N=00～FFH
中断向量指针：
PA=4*N
2.中断向量的装入（填写）与修改
1）装入：
系统配置和使用的系统软件负责。
设中断类型号为N,服务程序入口为INT_SEV，2）中断向量的修改
修改方法与步骤：
保存原中断向量INT21H的35H号功能
设置新中断向量INT21H的25H号功能
恢复原中断向量INT21H的25H号功能
3）中断向量装入程序段
CLI
MOVAX,0
MOVES,AX
MOVDI,4*N
MOVAX,OFFSETINT_SEV
MOVES:
[DI],AX
MOVAX,SEGINT_SEV
MOVES:
[DI+2],AX
STI
3.硬中断（NMI和INTR）
1）不可屏蔽中断NMI：
Ø不可屏蔽：
不受IF状态影响
Ø类型号固定：
02H
Ø有效信号：
上升沿
紧急故障处理：
RAM奇偶校验错、I/O通道校验错、协处理器运算错
2）可屏蔽中断INTR
Ø可屏蔽：
IF=1,开放;IF=0,屏蔽
Ø类型号由8259A提供（PC机08H～0FH）
Ø有效信号：
高电平
3）INTR的处理过程
1开中断，接收请求
2发2个INTA,取得类型号N
3（PSW）（SP）,IF=TF=0
4（CS）（SP）,（4*N+2）CS
5（IP）（SP）,（4*N）IP
6执行中断服务程序
7执行IRET时
（SP）（IP）,（SP）（CS）
（SP）（PSW）
8继续运行原程序
4.软中断
1）双字节指令形式的中断（INTn）
ØROM-BIOS中断：
INT10H;INT16H等
ØDOS中断：
INT21H;INT20H等
Ø未定义中断：
INT60H;INT78H等
2）特殊中断
除法溢出中断（N=0）
条件：
商超出规定寄存器的表示范围;字（AX）,字节（AL）
单步中断（N=1）
条件：
TF=1;调试工具或程序设置
断点中断（N=3）
条件：
调试工具中使用
溢出中断（N=4）
条件：
OF=1且执行INTO指令
5.硬中断与软中断的比较
特点
软中断
硬中断（INTR）
随机性、突发性
否
是
中断响应周期
无
有
类型号的提供
指令或固定
中断控制器
可屏蔽
否
是
6.中断的处理过程（INTR）
1）中断申请：
CPU在每条指令最后一个T内检测INTR；若为高电平,IF=1,且无DMA请求,当前指令执行完进入响应阶段
2）中断响应
3）中断服务：
执行中断服务程序
4）中断返回：
执行到IRET恢复断点，返回
7.中断响应周期及INTA的作用
两个连续中断应答信号INTA负脉冲组成一个中断响应周期
第1个负脉冲：
CPU:
LOCK=0;8259A:
IRRi=0;ISRi=1
第2个负脉冲：
CPU:
LOCK=1;ALE=0;8259A:
类型号——〉CPU自动结束方式中ISRi=0
8.8259A协助CPU完成的工作
接收和扩充外设的中断请求：
一片可管理8级中断;两级级联最多管理64级
优先级排队管理：
固定优先级、循环优先级
控制中断请求的屏蔽与开放
提供中断类型号：
向量中断，还可实现查询中断
9.内部结构
说明：
1.中断请求寄存器（IRR）:
8位,可读，寄存有请求的中断级,IRi有请求,IRRi=1
2.正在服务寄存器（ISR）:
8位,可读，寄存正在服务的中断级,IRi被响应且未服务完,ISRi=1,ISR可能多位同时为1
3.中断屏蔽寄存器（IMR）:
8位,可读可写，寄存中断级屏蔽情况,IMRi=1,IRi被屏蔽
10.8259A的编程命令及中断操作功能
4个初始化命令字（ICW1～4）、3个操作命令字（OCW1～3）;写入到2个端口中
同一端口写入多个命令字的区分方式:
设置特征位、规定写入顺序
11.8259A编程命令的使用
ICW:
初始化时,按顺序接收2～4个
OCW:
工作过程中,动态控制
例：
端口地址:
20H、21H;边沿触发;完全嵌套;固定优先级;非缓冲;中断类型号:
08H～0FH
初始化编程
MOVAL,13H
OUT20H,AL
MOVAL,08H
OUT21H,AL
MOVAL,01H
OUT21H,AL
第六章存储器接口
本章要点
•半导体存储器的分类及其主要特点
•存储器与CPU接口时应该考虑的问题
•片选控制信号产生的方法
•EPROM、SRAM的接口电路设计
•DRAM接口的特殊性
•DRAM控制器的构成及其功能
•DRAM接口电路分析
•Cache的地址映象方式及其原理
•地址索引机构的作用及其特点
1.存储器系统的分级结构
存储器系统：
容量大、速度快、成本低
高速缓冲存储器（Cache）、
主存储器（MM）、
辅助存储器（外存储器）
2.半导体存储器的主要性能指标
存储容量:
能存储二进制数码的数量,即存储元的个数;mn,1K4,8KB
存取时间（读写周期）:
从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间
功耗:
每个存储元消耗功率的大小;µw/位、mw/位
可靠性:
对电磁场及温度变化等的抗干扰能力,无故障时间:
数千小时
3.存储器接口应考虑的问题
1）与CPU的时序配合
2）CPU总线负载能力
小型系统:
直接相连
较大系统:
加缓冲器或驱动器
3）存储芯片的选用
4.地址映象方式
1）全相联映象方式
原则:
Cache和MM均划分为页,MM中的任何一页可调入到Cache中的任何一页位置上
256B/页;Cache:
32KB,128页;MM:
16MB,64K页
2）直接映象方式
原则:
Cache划分为页,MM划分为段,每段容量与Cache相同,Cache只接收页号相同的页
256B/页;Cache:
32KB;MM:
16MB,512段
3）分组相联映象方式
原则:
Cache和MM均划分为组,组容量相同;组内直接映象,组间全相联映象，存储组号
256B/页;Cache:
32KB;MM:
16MB如:
分2组,Cache:
64页/组;MM:
512×2=1024组;Cache的组间全相联,组内直接映象;地址索引机构存储组号,共128×（1+9）
5.地址索引机构
作用:
命中时形成Cache的高位地址特点:
按内容存取的相联存储器CAM,TTL器件,本身读写时间延迟极小,所有比较一次完成
6.置换控制策略
先进先出（FIFO）,易实现,但效果不理想
最近最少使用（LRU）,效果好,但复杂
第七章并行接口
本章要点
•并行接口的特点，“并行”的含义
•8255A的主要特性，PC口的特殊性
•8255A的0方式、1方式、2方式的特点
•8255A的1方式、2方式各联络信号线的作用
•8255A的编程应用
1.并行接口的特点
多根数据线上同时传送多位信息，字节并行、字并行
“并行”的含义是指接口与外设间的数据线
接口与外设间设置联络信号（至少2根）
数据传送单位：
1个字节或1个字
不要求有固定的数据格式
2.8255A的基本特性
数据端口：
2个8位端口（PA、PB）、2个4位端口（PC高/低4位）与TTL电平兼容
数据传送方式：
无条件、查询、中断对应的工作方式:
0、1、2
命令字：
工作方式字和PC口按位置/复位命令字
寄存器种类：
数据口、控制口和状态口
3.PC的特殊性
作为数据口,是2个独立的4位口
可由控制字进行按位控制
方式1、2时,大部分引脚作应答线
作为方式1、方式2的状态口
4.内部结构
数据端口A、B、C:
输入三态缓冲,输出锁存;C口分为两个4位口、状态口
A组和B组控制电路:
A组:
A口和C口上半部B组:
B口和C口下半部
数据总线缓冲器
读/写控制逻辑
5.8255A方式命令字
例：
A口方式0,入;B口方式1,出;C上输出,C下输入方式字为10010101=95H
MOVDX,303H
MOVAL,95H
OUTDX,AL
C口按位置/复位命令字
0
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
特征位
无效
引脚选择
置/复位选择
6.方式0的特点
基本输入/输出方式，无固定联络信号；输入缓冲、输出锁存；无条件或查询方式
独立的2个8位口和2个4位口，24根I/O线全部由用户控制
无固定时序和确定状态字
单向传送
7.并行打印机接口设计
1）要求
查询方式，将内存中首址为BUF的256个字符（ASCII码）进行打印
2）使用的信号（Centronics标准，8位并行）
BUSY:
忙,=1,打印机忙;打印机打印完使BUSY=0,可供查询
DATABIT1～8（DB1～8）:
数据线,传ASCII码,但数据并未进入打印机
DATASTROBE（DSTB）:
数据选通,负脉冲将DB1～8上数据打入打印机
ACKNOWLEDGE（ACK）:
应答,打印机打印完输出负脉冲,可产生中断
3）硬件设计
4）驱动程序设计
MOVDX,303H
MOVAL,88H
OUTDX,AL
MOVAL,03H
OUTDX,AL
LEASI,BUF
MOVCX,256
L：
MOVDX,302H
INAL,DX
ANDAL,20H
JNZL
MOVDX,300H
MOVAL,[SI]
OUTDX,AL
MOVDX,303H
MOVAL,02H
OUTDX,AL
NOP
NOP
MOVAL,03H
OUTDX,AL
INCSI
LOOPL
8.方式1的特点
选通（应答）输入/输出，有固定应答和中断申请信号;输入有锁存功能;
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