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[導(dǎo)讀]對接口電路的一個很詳細介紹。接口設(shè)計什么是接口?接口是CPU和外設(shè)之間的連接設(shè)備,用于緩存和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。為什么需要接口?(1)解決主機CPU和外圍設(shè)備之間的時序配合和通信聯(lián)絡(luò)問題? ?? ?? ?主機的

對接口電路的一個很詳細介紹。


接口設(shè)計
什么是接口?接口是CPU和外設(shè)之間的連接設(shè)備,用于緩存和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。


為什么需要接口?(1)解決主機CPU和外圍設(shè)備之間的時序配合和通信聯(lián)絡(luò)問題
? ?? ?? ?主機的CPU是高速處理器件,比如8086-1的主頻為10MHz,1個時鐘周期僅為100ns,一個最基本的總線周期為400ns。而外圍設(shè)備的工作速度比CPU的速度慢得多。如常規(guī)外圍設(shè)備中的電傳打字機傳送信息的速度是毫秒級;工業(yè)控制設(shè)備中的爐溫控制采樣周期是秒級。為保證CPU的工作效率并適應(yīng)各種外圍設(shè)備的速度配合要求,應(yīng)在CPU和外圍設(shè)備間增設(shè)一個I/O接口電路,滿足兩個不同速度系統(tǒng)的異步通信聯(lián)絡(luò)。
? ?? ?? ? I/O接口電路為完成時序配合和通信聯(lián)絡(luò)功能,通常都設(shè)有數(shù)據(jù)鎖存器、緩沖器、狀態(tài)寄存器以及中斷控制電路等。通過接口電路,CPU通常采用查詢或中斷控制方式為慢速外圍設(shè)備提供服務(wù),就可保證CPU和外圍設(shè)備間異步而協(xié)調(diào)的工作,既滿足了外圍設(shè)備的要求,又提高了CPU的利用率。
? ? (2)解決CPU和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和匹配問題
? ?? ?? ?? ? CPU是按并行處理設(shè)計的高速處理器件,即CPU只能讀入和輸出并行數(shù)據(jù)。但是,實際上要求其發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)格式卻不僅僅是并行的,在許多情況下是串行的。例如,為了節(jié)省傳輸導(dǎo)線,降低成本,提高可靠性,機間距離較長的通信都采用串行通信。又如,由光電脈沖編碼器輸出的反饋信號是串行的脈沖列,步進電動機要求提供串行脈沖等等。這就要求應(yīng)將外部送往計算機的串行格式的信息轉(zhuǎn)換成CPU所能接收的并行格式,也要將CPU送往外部的并行格式的信息轉(zhuǎn)換成與外圍設(shè)備相容的串行格式,并且要以雙方相匹配的速率和電平實現(xiàn)信息的傳送。這些功能在CPU控制下主要由相應(yīng)的接口芯片來完成。
? ? (3)解決CPU的負載能力和外圍設(shè)備端口選擇問題
? ?? ?? ?? ???即使是CPU和某些外圍設(shè)備之間僅僅進行并行格式的信息交換,一般也不能將各種外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)線、地址線直接掛到CPU的數(shù)據(jù)總線和地址總線上。這里主要存在兩個問題,一是CPU總線的負載能力的問題:二是外圍設(shè)備端口的選擇問題。因為過多的信號線直接接到CPU總線上,必將超過CPU總線的負載能力,采用接口電路可以分擔CPU總線的負載,使CPU總線不致于超負荷運行,造成工作不可靠。CPU和所有外圍設(shè)備交換信息都是通過雙向數(shù)據(jù)總線進行的,如果所有外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)線都直接接到CPU的數(shù)據(jù)總線上,數(shù)據(jù)總線上的信號將是混亂的,無法區(qū)分是送往哪一個外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)還是來自哪一個外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)。只有通過接口電路中具有三態(tài)門的輸出鎖存器或輸入緩沖器,再將外圍設(shè)備數(shù)據(jù)線接到CPU數(shù)據(jù)總線上,通過控制三態(tài)門的使能(選通)信號,才能使CPU的數(shù)據(jù)總線在某一時刻只接到被選通的那一個外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)線上,這就是外圍設(shè)備端口的選址問題。使用可編程并行接口電路或鎖存器、緩沖器就能方便的解決上述問題。
? ?? ?? ?? ? 此外,接口電路可實現(xiàn)端口的可編程功能以及錯誤檢測功能。一個端口通過軟件設(shè)置既可作為輸入口又可作為輸出口,或者作為位控口,使用非常靈活方便。同時,多數(shù)用于串行通信的可編程接口芯片都具有傳輸錯誤檢測功能,如可進行奇/偶校驗、冗余校驗等。

接口硬件包含哪些部分?(1)基本邏輯電路
命令寄存器 狀態(tài)寄存器 數(shù)據(jù)緩沖寄存器
(2)端口地址譯碼電路
根據(jù)地址總線上的信號確定是否選中該接口的某個寄存器(端口)
(3)供選電路
與其它部件的連接電路,如與中斷控制器連接以實現(xiàn)中斷方式的數(shù)據(jù)傳送。



接口軟件有什么功能?一個完整的設(shè)備接口程序包括:
(1)初始化程序段
(2)傳送設(shè)置程序段
(3)主控程序段
(4)結(jié)束程序段
(5)人機接口程序段
設(shè)備驅(qū)動程序就是一種標準化的接口軟件。

接口電路有哪些形式? 固定式結(jié)構(gòu):SSI,MSI (IC) 半固定結(jié)構(gòu):GAL, PAL 可編程結(jié)構(gòu):可編程芯片 智能型結(jié)構(gòu):帶微處理器
CPU如何與接口進行數(shù)據(jù)交換? 查詢方式: CPU<>接口? ?? ?? ???先確認外設(shè)已準備好,才進行傳送 中斷方式: CPU<>接口? ?? ?? ???為避免不斷讀取狀態(tài)位檢查設(shè)備是否已準備好而造成等待循環(huán),當輸入設(shè)備準備好時,才向CPU發(fā)中斷請求,CPU響應(yīng)后轉(zhuǎn)入執(zhí)行中斷服務(wù)程序。 DMA方式: 存儲器<>接口? ???接口<>接口? ?? ?? ???存儲器<>存儲器


I/O端口什么是I/O端口?
CPU與外設(shè)通信時,傳送的數(shù)據(jù)信息,狀態(tài)信息和控制信息分別進入接口電路中不同的寄存器,通常將這些寄存器和它們的控制邏輯統(tǒng)稱為I/O端口(Port),CPU可對端口中的信息直接進行讀寫。
數(shù)據(jù)端口:存放數(shù)據(jù),是主機和外設(shè)之間交換的基本信息,長度一般為1-2字節(jié),主要起數(shù)據(jù)緩沖的作用。 狀態(tài)端口:指示外設(shè)的當前狀態(tài),每種狀態(tài)用1位表示,每個外設(shè)可以有幾個狀態(tài)位,由CPU讀取以測試或檢查外設(shè)的狀態(tài)。最常用的狀態(tài)位有準備就緒位(Ready),忙碌位(Busy)和錯誤位(Error)。 命令端口:也稱為控制端口,用來存放CPU向接口發(fā)出的各種命令和控制字,以便控制接口或設(shè)備的動作。常見的命令信息位有啟動位,停止位,允許中斷位等。
I/O端口編址方式數(shù)據(jù)信息,狀態(tài)信息和控制信息的含義各不相同,但在微機系統(tǒng)中,CPU通過接口與外設(shè)交換數(shù)據(jù)時,只有輸入(IN)和輸出(OUT)兩種指令,所以只能把狀態(tài)信息和命令信息也都當作數(shù)據(jù)信息來傳送。
I/O端口的編址方式: 存儲器映象尋址方式和I/O指令尋址方式。
存儲器映象尋址方式(Memory Mapped I/O):把每一個I/O端口都看作一個存儲單元,并與存儲單元一樣統(tǒng)一編址,可使用訪問存儲器映象的所有指令來訪問I/O端口。 I/O單獨編址方式:對系統(tǒng)中的輸入輸出端口地址單獨編址,構(gòu)成一個I/O地址空間,不占用存儲空間,用專門的IN和OUT指令來訪問這種具有獨立地址空間的端口。8080/Z80/8088和8086等都采用此種方式。8086用地址總線的低16位來尋址I/O端口,可尋址的端口數(shù)最大可達到65536個。
I/O指令
如何訪問I/O端口?通過執(zhí)行I/O指令。
Intel 8086的I/O指令有哪些?
[plain]?view plaincopy


IN AL, PORT8 ;AL《(PORT8)?? IN AL, DX ;AL《(DX)?? OUT PORT8, AL ;(PORT8)《AL?? OUT DX, AL ;(DX)《AL??

其中,PORT8表示8位端口地址, PORT16表示16位端口地址,AX可以替代AL。
例如,
[cpp]?view plaincopy


MOV DX, 300H ; DX《300H?? IN AL, DX ; AL《(DX)?? MOV DX, 301H ; DX《301H?? OUT DX, AL ; (DX)《AL?? IN AX, 80H ; AL 《80H? ?AH 《81H??




I/O端口地址譯碼原理 如何在CPU執(zhí)行I/O指令時可以訪問到相應(yīng)端口地址的I/O端口?設(shè)計I/O端口地址譯碼線路。 如何設(shè)計I/O端口地址譯碼電路?通過地址總線和控制總線產(chǎn)生端口芯片的選擇信號(CS)。




I/O端口地址譯碼電路分類 端口地址譯碼電路的種類:
固定式單端口地址譯碼 采用門電路或譯碼器進行譯碼,設(shè)計完畢后端口地址不能更改。 可選式端口地址譯碼??通過比較器和譯碼器等組成,端口地址可以通過DIP開關(guān)進行更改。
采用可編程邏輯陣列實現(xiàn)邏輯電路



固定式單端口地址譯碼(1)





固定式單端口地址譯碼(2)





固定式單端口地址譯碼(3)



3-8譯碼器譯碼電路

接口的輸入輸出方法(1)無條件傳送方式
也稱為同步傳送方式,主要用于對簡單外設(shè)進行操作。對這類外設(shè),在任何時刻均已準備好數(shù)據(jù)或處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài),如LED顯示器的明滅控制(如下圖所示)


(2)查詢方式
執(zhí)行讀端口指令不斷查詢接口狀態(tài),若接口準備好, 則可以執(zhí)行I/O指令輸出數(shù)據(jù)到接口或或從接口讀入數(shù)據(jù)。




(3)中斷方式
接口準備好之后,便請求CPU中斷現(xiàn)在執(zhí)行的程序,轉(zhuǎn)而為之服務(wù)。


(4) DMA方式
當外設(shè)有大量數(shù)據(jù)需要與主存儲器交換時,DMA控制器向CPU申請接管總線,若成功,則控制外設(shè)與主存儲器直接交換數(shù)



DMA方式讀磁盤的過程
系統(tǒng)啟動時,3個開關(guān)打向上端,總線與CPU/存儲器/外設(shè)連接,并由CPU來控制,進行DMA傳輸前,首先初始化8237A DMA控制器,設(shè)定傳送數(shù)據(jù)的計數(shù)器,起始地址,DMA通道和傳送方式。 CPU向磁盤控制器發(fā)出讀盤命令,磁盤控制器讀出數(shù)據(jù)。 磁盤控制器準備好數(shù)據(jù)后,向DMA控制器發(fā)送一個DMA請求信號DREQ,DMA控制器送一個保持請求信號HRQ到CPU的HOLD輸入端,CPU發(fā)回保持響應(yīng)信號HLDA信號,中止當前程序運營。DMA控制器收到HLDA后,將3個總線開關(guān)置向下方,讓總線與CPU脫開而與DMA控制器相連。 DMA控制器取得總線控制權(quán)后,通過地址總線向存儲器發(fā)送地址信號,并向磁盤控制器發(fā)出DMA確認信號DACK。 DMA控制器使控制總線上IOR#和MEMW#信號有效,使得磁盤控制器能向數(shù)據(jù)總線輸出數(shù)據(jù)字節(jié),并使存儲器單元能夠被寫入。 完成一個字節(jié)傳送后,DMA控制器自動修改內(nèi)部寄存器的內(nèi)容并指向下一個字節(jié)的地址,通過計數(shù)器的遞減完成所有數(shù)據(jù)的傳送。 DMA傳送結(jié)束后,DMA控制器撤銷它對CPU發(fā)出的保持信號HRQ,并釋放總線。 CPU在每一個非鎖定時鐘周期結(jié)束后,都檢測HOLD引腳看是否有DMA信號。


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