微机接口技术及应用（纯手打）——期末复习用

目录

1. 概述

2. 总线

3. I/O地址译码技术

4. 定时、计时技术

5. 中断技术

6. DMA技术

7. 并行接口

8. 串行通信接口

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一、概述

接口的作用？

进行CPU与设备之间的信息交换

接口的基本任务？

（1）实现设备与总线的连接

（2）连接后，CPU对设备进行操作或控制

用户接口是所有微机系统都必须具有的接口层次

设备接口和总线桥的概念

（1）设备接口：I/O设备与本地总线之间的连接电路并进行信息交换的中转站，直接传递

（2）总线桥：连接的是本地总线与PCI总线，间接传递（映射）

为什么要设置I/O接口？

（1）总线与设备信号不兼容

（2）总线与设备速度不兼容

（3）避免CPU穷于应付与设备打交道，提高CPU效率

（4）有利于设备的独立发展

I/O设备接口的功能？

（1）执行CPU命令

（2）返回外设状态

（3）数据缓冲

（4）信号转换

（5）设备选择

（6）数据宽度与数据格式转换

接口与CPU交换数据的方式？

用老师收作业举例，老师就是CPU，学生是设备接口

（1）查询方式。老师隔一段时间就挨个问每个学生作业写好了没有，写好了就收，没写好就不收

（2）中断方式。老师不问学生，写好了的同学就立马交给老师

（3）DMA方式。由学习委员（DMA）收作业，一起交给老师，老师不再挨个问学生，不再让学生单独交作业

是不是DMA方式是最高效的？？

接口技术的发展趋势

经历了 固定式简单接口——>可编程复杂接口——>功能强大的智能接口 几个发展阶段。

向着更加智能化、多功能化、高集成度化发展

概述就完了~

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二、总线

总线这玩意儿在《计算机组成原理》学过，不过当时疫情在家里，学得比较水，这里再当复习一下

总线是啥？

总线是连接微处理器、存储器、外部设备构成微机系统，进行各成员之间相互通信的公共通路

总线包括：

地址线、数据线、控制线

总线最基本的任务

微处理器对外连接和传输信息

总线标准

各成员之间通过总线进行连接和传输信息时，应遵守一些协议与规范，这些协议与规范成为总线标准

性能参数

评价总线好不好，看这几方面

（1）总线频率，MHz表示

（2）总线宽度，数据总线的位数

（3）总线传输率，单位时间内总线上可传输的数据总量，单位MB/s

总线传输率 = （总线宽度 / 8位）X 总线频率

（4）同步的方式

（5）多路复用

（6）负载功能

（7）信号线数

（8）总线控制方式

最重要的是（1）（2）（3），其他的了解就可以啦

总线传输操作过程

申请与仲裁——>寻址——>传输——>结束

总线与接口是啥关系？

外部设备要连接到微机系统中，但不是直接连进去的，接口就是个桥梁作用，接口才是直接挂在总线上的东东，而不是设备

外部设备——>接口——>总线

总线的层次化结构

CPU总线、PCI总线、本地总线（如ISA总线、用户总线）

传输速率依次递减

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三、I/O端口地址译码技术

啥叫端口？

是一个I/O地址空间的地址单元

端口与接口的关系？

端口是接口电路中能被CPU访问的寄存器的地址

一个接口电路中可以有几种不同类型的端口：命令（端）口，状态（端）口，数据（端）口

端口的两种编址方式？

（1）独立编址，接口中的端口地址单独编址，不和存储空间合在一起

特点：指令短、执行速度快、地址线少、I/O地址和存储器地址可以重叠，不会混淆

缺点：指令类型少、会增加控制信号引脚

（2）统一编址，从存储空间内划出一片区域来给I/O设备用

特点：增强了I/O处理能力、有较大的寻址空间

缺点：使存储空间变小、执行时间长、增加了地址线等硬件开销

端口的读与写的指令及用法？

有这样一个事实：

AL ：8位

AX ： 16位

EAX ：32位

IN AL, 0F4H;  // 从端口0F4H输入 8 位数据到AL
IN AX, OF4H;  // 将端口0F4H和端口0F5H的 16 位数据送到AX
IN EAX, OF4H; // 将端口0F4H、0F5H、0F6H、0F7H的 32 位数据送到 EAX
IN EAX, DX;   // 将DX所指的端口输入 32 位数据到EAX
OUT DX, EAX;  // EAX内容输出到DX所指的32位数据端口

----------- 这是一条华丽的分隔线 -----------

MOV DX, 300H; // 将300H这个端口地址存到DX
IN AL, DX;    // 将DX所指端口的 8 位数据输入到AL
MOV [DI], AL; // 将AL的八位数据存到存储器


----------- 这又是一条华丽的分割线 -----------

MOV DX, 300H;
MOV AL, [SI];
OUT DX, AL;

I/O端口寻址方式

就分为直接寻址和间接寻址

区别在于端口地址是否经过DX寄存器传输，是：间接寻址， 否：直接寻址

例如：

IN AX, 0E0H; // 直接
MOV DX, 300H;
IN AX, DX;   // 间接

I/O端口地址的选用原则，这个是重点

（1）由系统配置的外部设备占用的地址不能使用

（2）厂家申明保留的地址最好不要使用，否则会发生地址重叠和冲突，造成用户开发的产品与系统不兼容

（3）用户可以使用300到31FH地址，为了避免与其他用户开发的插排发生地址冲突，最好采用可选式地址译码，即开关地址

I/O地址的译码方法

（1）全译码

所有的I/O地址线全部作为译码电路的输入参加译码，一般要求产生单个端口时使用

（2）部分译码

只有高位地址线参加译码， 产生片选信号。一般要求在产生多个接口端口时使用

低位地址线直接连接到接口芯片，进行片内端口寻址——寄存器寻址

（3）开关式译码

在部分译码方法的基础上，加上地址开关来改变端口地址。一般要求I/O端口地址需要改变事使用

电路设计要注意的问题？

（1）遵循I/O端口地址的选用原则

（2）正确的选择译码方法

（3）灵活设计I/O地址译码电路

三八译码器与其他器件一起的使用

待写

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四、定时、计时技术

分类

（1）内部定时

产生运算器、控制器等CPU内部的控制时序。

由CPU硬件结构决定，一旦设计好了，就不会变动

单位比外部定时小得多，一般在ns级

（2）外部定时

外设在实现某种功能时所需要的一种时序关系。

可由硬件实现，也可由软件实现，定时长短根据需要而定

定时方法

（1）软件定时

运用编程软件，循环执行一段程序而产生的等待延时

延时长短不仅与延时程序中的延时常数有关，而且会随主机工作频率不同而发生变化

（2）硬件定时

采用外部定时器计时

分为可编程定时器（较灵活）和不可编程定时器

芯片82C54A，绝对的重点

（1）外部连接特性

[1] 面向CPU的信号线

数据线：D0~D7，地址线，CS片选信号，A0、A1（片内端口地址），读/写线，RD（I/O读信号），WR(I/O写信号)

[2] 面向I/O设备的信号线

时钟脉冲信号CLK0~CLK2(输入)，用作计数脉冲

门控信号GATE0~GATE2(输入)，用于定时/计数的启动和停止

输出信号OUT0~OUT2(输出)，用于实现对I/O设备的定时/计时操作

（2）内部结构

3个相同结构的独立的计数器，每个计数器由16位的初值寄存器、减法计数器、当前数值锁存器三部分组成

（3）命令字

分为三个：方式命令（初始化），锁存命令（当前计数值锁存起来再读），读回命令（既能锁存计数值，又能锁存状态信息）

[1]方式命令，开始工作之前都要使用它进行初始化，格式如下

具体怎样用01码来选，见下

举个例子：

[2]锁存命令

后四位与锁存命令无关

[3]读回命令

[4]工作方式

有6种工作方式：0, 1, 2, 3, 4, 5

由软件启动：0, 2, 3, 4 高电平触发

由硬件启动：1, 5 上升沿触发

需要强制停止：2, 3 (置GATE = 0)

自动停止：0, 1, 4, 5

• 0工作方式

做事件计数器，改变计数初值就可以改变计数器的大小

由波形可知

0工作方式：当写入计数值后，计数器开始计数，OUT信号变为低电平，并保持低电平直到计数器的内容减为0，停止工作，OUT信号变为高电平，并保持高电平直到再次写入新的计数值

• 1工作方式

硬件可重触发单稳，波形如下：

由波形可知

1工作方式：当写入计数值后，再由GATE门信号启动计数，OUT变为低电平，没来一个CLK，计数器减一直到减到0时，停止工作，OUT输出高电平，并维持高电平到GATE门信号再次启动

可见1方式和0方式的最大区别在于启动方式。1 ： 硬件启动， 0：软件启动

• 2工作方式

N分频器方式或速率波发生器

由波形可知

2工作方式：当写入计数值后，计数器开始计数，直到减到1时，OUT输出一个宽度为时钟CLK周期的低电平，接着又变为高电平，且计数初值自动重装，开始下一轮计数，如此往复，不停地工作，输出连续的负脉冲

和方式0,1的区别：计数时保持高电平，不能自动停止

• 3工作方式

方波发生器

由波形可知

3工作方式：当写入计数值后，计数器开始计数，OUT输出占空比为1:1或近似1:1的连续方波，且计数初值自动重装，开始下一轮的计数，不停地工作，计数初值为偶数时，输出波形的占空比为1:1；为奇数时，输出波形的占空比近似1:1

这个工作方式很特殊：1:1和近似1:1

• 4工作方式

软件触发选通

由波形可知

4工作方式：当写入计数初值后，开始计数，OUT输出高电平，直到计数器减到0时，在OUT端输出一个宽度等于时钟CLK脉冲周期的负脉冲，并停止工作，然后OUT信号变为高电平，并保持高电平到再次写入新的计数值

特点：只有计数到0时才为低电平

• 5工作方式

硬件触发选通

由波形可知

5工作方式：当写入计数初值后，由GATE门信号启动计数，OUT输出高电平，开始减一直到减到0时，在OUT端输出一个宽度等于时钟CLK脉冲周期的负脉冲，并停止工作。然后OUT变为高电平，并维持到高电平直到写入新的计数值

和4工作方式的最大区别在于：启动方式。4：软件启动 5：硬件启动

4. 82C54A计算初值

要求产生定时时间间隔的定时常数Tc = 要求定时的时间t / 时钟脉冲周期(1/CLK) = t * CLK

要求产生频率为f的信号波形的定时常数Tc = 时钟脉冲的频率 / 要求的波形频率 = CLK / f

5. 82C54A初始化的两个任务

一是设置方式命令

二是设置计数初始值

6. 使用汇编语言进行初始化

功能：选择2号计数器，工作在3方式，计数初值为533H（2个字节），采用二进制计数

MOV DX, 307H;        // 命令口
MOV AL, 10110110B;   // 2号计数器的方式命令字
OUT DX, AL;
// 上面为设置方式命令
MOV DX, 306H;        // 2号计数器数据口
MOV AX, 533H;        // 计数初值
OUT DX, AL;          // 先送低字节到2号计数器
MOV AL, AH;          // 取高字节送AL
OUT DX, AL;          // 后送高字节到2号计数器

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五、中断技术

中断的概念

CPU在正常运行程序时，由于外部/内部随机事件或由程序预先安排的事件，引起CPU暂时中断正在运行的程序，而转为外部/内部或为预先安排的事件服务的程序中去，服务完毕，再返回去继续执行被暂时中断的程序

也就是CPU正在处理程序A，但是B突然插了一手，CPU停止执行A，先执行完B，再继续执行A

中断的分类

可分为两大类：硬中断和软中断

（1）硬中断

是由来自外部的事件产生，具有随机性

可分为可屏蔽中断INTR和不可屏蔽中断NMI（立即照办，在硬件中断中优先级最高）

（2）软中断

是在预料之中的

（1）DOS功能调用

存放在磁盘上的操作系统软件，是用户访问系统资源的主要途径

（2）BIOS功能调用

存放在ROM，独立于DOS的I/O中断服务程序，直接对系统中的I/O设备进行设备级控制

应用

（3）特殊中断

既不是由外部设备提出申请而产生的，也不是由用户在程序中发中断指令而发生的，而是由内部的突发事件所引起的中断，是不可屏蔽中断

0号中断——除数为零

1号中断——单步中断

3号中断——断点中断

4号中断——溢出中断

中断号

系统分配给每个中断源的代号，以便识别和处理

中断号怎样获取？

（1）可屏蔽中断——中断控制器获取

（2）软中断——指令直接给出的

（3）不可屏蔽中断——系统预先设定的

中断响应周期

（1）置位中断服务寄存器ISR

总线控制器发出第一个INTA脉冲

中断服务程序执行完毕后，该寄存器不能自动清零，需要中断控制器发中断结束命令EOI才能清零

（2）读取中断号

总线控制器发出第二个INTA脉冲

中断号的分配

系统对外部中断和内部中断、硬中断和软中断一律统一编号，一共有256个号

中断号是固定不变的，中断号所对应的中断向量是可以改变的

中断向量与中断向量表

通过中断向量表中的中断向量查找程序的入口地址

啥是中断向量？

中断服务程序的入口地址由服务程序的段基址CS(2字节)和偏移地址IP(2字节)两部分组成。

中断向量就是中断服务程序的这4个字节的入口地址

找中断服务程序的本质就是找中断向量

中断向量的段地址SC * 16 + 段地址IP = 存放服务程序第一条指令的物理地址

啥是中断向量表？

把系统中所有的中断向量集中起来放到存储器的某一区域内，这个存储区就是中断向量表

中断向量表的起始地址是固定的，并且从存储器的物理地址0开始

如何在中断向量表中查找服务程序的中断向量？

中断号 X 4得到一个向量表的地址指针，该指针所指向的表项就是服务程序的中断向量，即服务程序的入口地址

中断处理过程

可屏蔽中断的处理过程

（1）中断申请与响应握手

（2）标志位的处理和断点保存

（3）向中断服务程序转移并执行中断服务程序

（3）返回断点

不可屏蔽中断和软件中断的处理过程

不需通过中断响应周期获取中断号

中断服务程序结束，不需要发送中断结束命令

其他与可屏蔽中断一样

中断控制器82C59A，重点

外部特性

有3组信号线

（1）面向CPU的信号线：8根数据线D0~D7，一对中断请求线INT和中断回答线INTA，WR和RD控制线，地址线CS，A0

（2）面向外设的8根中断申请线IR0~IR7

有两个作用：1. 接受外设的中断申请 2. 作中断优先级排队用

（3）面向同类芯片的中断级联信号线，用于扩展中断源

内部寄存器

（1）中断请求寄存器（IRR）

（2）中断服务寄存器（ISR）

INTA信号的活动

ISR的记录由CPU响应中断后发回的第一个中断回答信号INTA1直接置位

清零的方式：

• 在INTA1信号将某位置1后，接着由第二个INTA2将该位置0，这叫自动清零
• 必须在中断服务程序中，用中断结束命令EOI强制清零，这叫非自动清零

（3）中断屏蔽寄存器（IMR）

（4）中断申请优先级分析器（PR）

几乎都是8位

82C59A的编程命令

初始化命令（4个）

对芯片的工作方式和中断号进行设置，包括中断触发方式、级联方式、排队方式及结束方式

（1）ICW1：进行中断触发方式和单片/多片使用

8位，D3位设置触发方式，D1位设置单/多片使用

（2）ICW2：进行中断号设置

一共8位，初始化编程时只用写高五位，低三位写0

（3）ICW3：进行级联方式设置

8位，主片和从片分开设置

若有从片，则写1，无从片写0

（4）ICW4：设置中断优先级排队方式和中断结束方式

操作命令（3个）

对82C59A经初始化所选定的中断屏蔽（常规中断屏蔽（用OCW1）、特殊中断屏蔽（用OCW3））、中断结束(用OCW2)、中断排队方式(固定的完全嵌套（输入线IR决定）、优先级循环队列（用OCW2）)进行操作

（1）OCW1：控制常规的屏蔽/开放

8位，分别对应8个外部中断请求，置1屏蔽，置0开放

对主片和从片要分别写OCW1

（2）OCW2：执行中断结束和优先级循环排队操作

8位，D6，D5位，D0~D2用于进行中断结束操作

D7位进行优先级循环的操作

（3）进行特定的屏蔽/开放操作

D6、D5位进行特定的屏蔽/开放操作

D2位作查询时读取状态及RR、RIS用

82C54A对中断管理的作用

1. 接收和扩充I/O设备的中断请求
2. 进行中断优先级排队
3. 向CPU提供中断号
4. 进行中断申请的开放与屏蔽
5. 执行中断结束命令

修改中断向量的方法

利用DOS功能调用INT 21H的35H号和25H号功能

步骤：

• 调用35H号功能
• 调用25H号功能
• 新中断服务程序完毕后，再用25H号功能将保存在自变量中的原中断写回去，恢复原中断向量

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六、DMA技术

存储器直接存储方式、数据不经过CPU而直接写入或从存储器中读出

特点

传输速率高、用硬件控制、DMA传输期间CPU被挂起，部分或完全失去对系统总线的控制（DMA控制器暂时取代CPU）

使用场合

主要用于高速、大批量数据传输的系统中

传输过程

（1）申请阶段

外设向DMAC（DMA控制器）发出DMA请求信号DREQ，如果同意，就进一步向CPU发出总线保持信号

（2）响应阶段

DMAC接管总线正式成为系统的主控者

（3）数据传输阶段

DMAC通知设备传输，同时具有总线控制权，像存储器发地址信号和外设接通，进行传输

（4）传输结束阶段

DMA操作类型

（1）数据传输

（2）数据校验

（3）数据检索

DMA操作方式

（1）单字节方式

（2）连续（块字节）方式

（3）请求（询问）方式

两种工作状态

主动态——主控器

取代CPU，获得系统总线的控制权

被动态——受控器

接受CPU的控制

82C37A——DMA控制器

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七、并行接口

特点

（1）以字节、字或双字宽度，在接口与I/O设备之间的多根数据线上传输，因此传输速率快

（2）除数据线外，还可设置握手联络信号，易于实现异步互锁协议，提高数据传输的可靠性

（3）所传输的并行数据的格式、传输速率和工作时序，均由被连接或控制的I/O设备操作的要求绝对，并行接口本身对此没有固定的规定，使用起来自由

（4）一般不作差错检验和传输速率控制

（5）用于近距离传输

（6）实际应用中使用很广泛

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八、串行接口

特点

（1）在一根数据线上，传输数据+联络控制信号

（2）传输有固定的格式

（3）在通信设备与计算机之间需要进行逻辑关系及逻辑电平的转换

（4）双方传输速率一致