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一文讀懂微機接口技術原理與設計

電子設計 ? 2018-04-11 16:48 ? 次閱讀
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微機接口技術是采用硬件與軟件相結合的方法,使微處理器與外部設備進行最佳的匹配,實現CPU與外部設備之間的高效、可靠的信息交換的一門技術。

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接口技術是把由處理器、存儲器等組成的基本系統與外部設備連接起來,從而實現計算機與外部設備通信的一門技術。處理器通過總線與接口電路連接,接口電路再與外部設備連接,因此CPU總是通過接口與外部設備發生聯系。微機的應用是隨著外部設備的不斷更新和接口技術的發展而深入到各個領域的,因此接口技術是組成任何實用微機系統的關鍵技術,任何微機應用開發工作都離不開接口的設計、選用和連接。
實際上,任何一個微機應用系統的研制和設計,主要就是微機接口的研制和設計,需要設計的硬件是一些接口電路,所要編寫的軟件是控制這些電路按要求工作的驅動程序。因此,微機接口技術是一種用軟件和硬件綜合來完成某一特定任務的技術,掌握微機接口技術已成為當代科技和工程技術人員應用微機必不可少的基本技能。
所謂接口就是微處理器CPU與外部連接的部件,是CPU與外部設備進行消息交換的中轉站。
如:源程序或數據要通過接口從輸入設備送入計算機,運算結果要通過接口向輸出設備送出;控制命令通過接口發出,現場狀態通過接口取進來,實現現場的實時控制等。
接口可以抽象地定義為一個部件(Unit)或一臺設備(Device)與周圍環境的理想分界面。這個假設的分界面切斷該部件或設備與周圍環境的一切聯系,當一個組件或設備與外界環境進行任何信息交換和傳輸時,必須通過這個假想的分界面,我們稱這個分界面為接口(Interface)。
I/O接口電路 也簡稱 接口電路,它是主機和外圍設備 之間交換信息的連接部件(電路)。
接口電路的作用就是將來自外部設備的數據信號傳送給CPU,CPU對數據進行適當的加工后再通過接口傳回外部設備,所以接口的基本功能就是對數據傳送控制。
CPU在與I/O設備進行數據交換時存在以下問題:
1) 速度不匹配。
2) 時序不匹配。
3) 信息格式不匹配。(串行、并行;二進制、ASCII編碼和BCD編碼)
4) 信息類型不匹配。(數字信號模擬信號)
所謂標準接口,就是指明確定義了幾何尺寸、信號功能、信號電平等的接口。
有了標準接口,可以使不同類型、不同生產廠家的數據終端和數據通信設備之間方便地進行通信。
2. 接口信息
微機接口技術
3. 數據信息
計算機中數據位數,一般:
8位、16位、32位、64位等。
計算機中數據基本類型:
數字量數據(常見的有鍵盤、打印機、顯示器等)
模擬量數據(如溫度、壓力、聲音等)
開關量(如電機啟停控制、開關斷開與閉合等)。
計算機與外設之間的 數據傳送方式:
并行(如打印機等)
串行(如鍵盤、異步通信口等)
狀態信息:反映當前外設或接口 本身所處的工作狀態。
計算機在I/O過程中,外部設備的數據是否準備好,外部設備是否已準備好接受數據等,都要通過一定的數據量來表示,才能實現計算機與外設之間的正確"握手"。常見的狀態信息有:ready/empty/busy等。
控制信息:主要是指啟動、停止外部設備的接口信息。
CPU通過發送控制信息開工至外設的工作。
4. 接口地址
CPU要和 I/O設備進行數據傳送,在接口中就必須有一些寄存器或特定的硬件電路供CPU直接存取訪問,這就是接口電路。
為了區分不同的接口電路,也必須像 存儲器一樣給他們編號,這就是接口電路的地址。這樣 CPU就可以象訪問存儲單元一樣按地址訪問這些接口電路,從而與外設發生聯系。
一個接口電路中根據需要可能有多個存儲器,如數據寄存器、狀態寄存器和命令寄存器等,為了區別他們,也給予不同的地址,以便CPU能正確找到它們。為了將這些地址和存儲器地址相區別,稱它們為接口地址。
CPU通過這些地址向接口電路中的 寄存器 發送命令,讀取狀態和傳送數據。
有時,也將上述提到的接口中可被CPU直接訪問的一些寄存器 稱為端口。一個接口常常有幾個端口,如數據端口、狀態端口、命令端口等,每個端口的地址叫端口地址。
如何實現 這些 接口地址、端口地址的訪問,就是I/O地址的尋址問題。
在接口電路中,一般 一個端口 對應 一個寄存器,
也可以 多個寄存器。
此時,由 內部控制邏輯 根據 程序指定的I/O端口地址和數據標志位選擇不同的寄存器進行讀/寫等操作。因此,CPU在訪問這些寄存器時,只需指明它們的端口,不需指出是什么寄存器。
我們在輸入/輸出程序中,也只看到端口,而看不到相應的具體寄存器。也就是說,訪問端口就是訪問接口電路中的寄存器,這些端口可以是輸入端口,也可以是輸出端口,還可以是雙向端口。
端口寄存器 或 部分端口線 與 I/O設備直接相連,完成數據、狀態及控制信息的交換。這樣,I/O操作實質上轉化為對I/O端口的操作,即CPU所訪問的是 與 I/O設備相關的端口,而不是I/O設備本身。
對I/O端口的訪問,則取決于I/O端口的編制方式,即I/O編制。常用的編址方式主要有 I/O端口與存儲器統一編制和 I/O端口與存儲器分開獨立編址。
5. I/O接口的功能
1) 數據緩沖功能。
2) 設備選擇功能。 (通過 接口的地址譯碼對外設進行尋址。)
一般,通過 高位地址產生 外設的片選信號,
地位地址作為 芯片 內部寄存器或鎖存器尋址,
以選定所需的設備,只有被選中的設備才能與CPU交換數據信息。
3)信號轉換功能。
由于外部設備所需的控制信號和所能提供的狀態信號與計算機能識別的信號往往是不一致的,特別是連接不同公司生產的芯片時,進行信號之間的轉換是不可避免的。信號的轉換包括:時序的配合、電平的轉換、信號類型的轉換(模擬量變數字量或數字量變模擬量)、數據格式的轉換(并行變串行或串行變并行)等。
4)提供信息交換的握手信號。
CPU對外設的各種命令和數據都是以代碼的形式發送到接口電路,再由接口電路解讀后,形成一系列控制信號去控制外設。為了CPU與外設之間的聯絡,接口電路要提供寄存器或鎖存器“空”、“滿”、“準備好”、“忙”、“不忙”等狀態信息,以便程序能夠了解是否可以發送數據到外設或從外設讀取數據。
5)驅動功能。
由于計算機總線的信號驅動能力有限,當要連接多臺外部設備時,總線資源可能不夠。利用接口電路可以提高總線的負載能力,使一個接口與多臺外部設備相連接,充分利用計算機的硬件資源。
6)中斷管理功能。
當外部設備需要及時得到計算機的服務時,特別是一些隨機需要與CPU交換信息的外設,就要求接口設備具有中斷控制管理功能。此時,接口為計算機(CPU)處理有關中斷事務,如提出中斷請求,中斷優先級排隊,提供中斷向量等。這樣既加快了計算機對外部的響應速度,又使CPU與外部設備能并行工作,從而提高了CPU的效率。
7)可編程功能。
所謂可編程,即可以用程序來改變接口的工作方式。目前大多數接口芯片是可編程的,這樣在不改動硬件電路的情況下通過修改接口驅動程序就可以改變接口的工作方式,從而大大增強了接口的靈活性和適應性,使接口向智能化方向發展。
6. 接口的分類
6.1 按接口的功能劃分
1) 人機對話接口。這類接口 主要 為 操作者與計算機之間的信息交換服務。如鍵盤接口、顯示器接口、圖形設備接口和語音輸入輸出接口等。
2) 過程控制接口(I/O接口)。
傳感器接口,輸入各種外界信息。
控制接口,輸出經計算機處理后的控制信好。
3) 通用外設接口(標準接口)。
這類接口是通用外設 與 計算機之間的接口。
6.2 按接口與總線的關系劃分
接口是某一部件與總線的聯系,它與總線密切相關。
1) 元件級接口。
是計算機系統 內部 某一 具體元件 如:存儲器、定時器、中斷控制器等 與 內部總線之間的聯系。
焊接?
元件級接口 是 接口電路的基本部分,任何檔次的接口都必須涉及元件級接口,因為它是實現各種接口電路的基礎。元件級接口電路比較簡單看,特別是現代LSI接口芯片均與CPU兼容,只需外加譯碼器電路等即可直接與CPU相連。
2) 插板級接口。
插接?
插板級接口又稱系統內接口,它是 系統某一部分 與 系統內總線之間的一切聯系。如鍵盤接口、顯示器接口、打印機接口、磁盤驅動器接口等。這種接口都比較復雜。
3) 系統間接口。
系統間接口又稱 通信接口,是計算機系統 與 另外一系統或智能設備之間的 聯系,因這種聯系 不外乎就是數據的通信聯系,故稱之為通信接口。
數據通信都是 通過總線傳輸的,因此通信接口 是 一種總線與另一種總線之間的接口,即計算機系統總線與通信總線之間的接口。如:RS-232C接口、IEEE-488接口、USB接口等。
7. I/O接口的實現方式
7.1 整體方式
控制系統制作成一個獨立的裝置,在這種方式中,計算機(CPU)與看I/O接口是安裝在同一塊印刷線路板上的。
例如:用單片機開發的系統 或 單板機計算機。這種方式的特點是:體積小、重量輕、成本也比較低。由于接口裝置與CPU是做在一起的,一旦系統開發完成,就不能輕易改變。這種方式一般用于小型的計算機控制系統,特別是嵌入式系統中。
7.2 板卡方式
利用計算機的擴展功能,將 I/O接口裝置 按照計算機擴展槽的標準開發,并根據實際需要制成 多種類型的板卡,有的板卡同時包含了 A/D和D/A 功能。
板卡直接插在個人計算機的擴展槽上,板卡通過總線與計算機互聯和傳輸信息。
7.3 模塊方式
在這種方式中,將各種I/O功能以模塊的形式來實現。I/O模塊與計算機之間 以及I/O模塊與I/O模塊之間的物理連接可以很靈活。
例如,可以采用雙絞線 連接或 同軸電纜連接,也可以采用并行總線(底板總線)連接。

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