微機(jī)原理及應(yīng)用CH6 總線技術(shù)與I／O接口基礎(chǔ)

6.1總線技術(shù)6.2I/O接口基礎(chǔ)

第6章總線技術(shù)與I/O接口基礎(chǔ)6.1總線技術(shù)6.1.1總線技術(shù)概述總線定義:總線是芯片內(nèi)部各單元電路之間、芯片與芯片之間、模塊與模塊之間、設(shè)備與設(shè)備之間、甚至系統(tǒng)與系統(tǒng)之間傳輸信息的公共通路，在物理上它是一組信號(hào)線的集合。總線技術(shù)研究對(duì)象:總線技術(shù)研究如何利用一組信號(hào)線有效地傳遞信息，并使其具有通用性強(qiáng)、擴(kuò)展性好、升級(jí)容易等性能。

數(shù)據(jù)總線：傳送數(shù)據(jù)信息

地址總線：傳送地址信息系統(tǒng)總線的基本組成:

控制總線：傳送控制信息

（完成總線操作功能）電源線：為系統(tǒng)提供電源信號(hào)1.總線的基本組成2.總線功能（1）數(shù)據(jù)傳輸功能數(shù)據(jù)傳輸功能是總線的基本功能，用總線傳輸率來表示，即每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，單位是MBps（兆字節(jié)每秒）。（2）多設(shè)備支持功能多個(gè)設(shè)備使用一條總線，首先是總線占用權(quán)的問題，哪一個(gè)主設(shè)備申請(qǐng)占用總線，由總線仲裁器確定。（3）中斷中斷是計(jì)算機(jī)對(duì)緊急事務(wù)響應(yīng)的機(jī)制。當(dāng)外部設(shè)備與主設(shè)備之間進(jìn)行服務(wù)約定時(shí)，中斷是實(shí)現(xiàn)服務(wù)約定的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。（4）錯(cuò)誤處理

錯(cuò)誤處理包括奇偶校驗(yàn)錯(cuò)、系統(tǒng)錯(cuò)、電池失效等錯(cuò)誤檢測(cè)處理，以及提供相應(yīng)的保護(hù)對(duì)策。規(guī)定模塊尺寸，總線插頭、邊沿連接器等的規(guī)格。3.總線規(guī)范的基本內(nèi)容機(jī)械結(jié)構(gòu)規(guī)范：

確定引腳名稱與功能，及其相互連接的協(xié)議。功能結(jié)構(gòu)規(guī)范是總線的核心，通常以時(shí)序和狀態(tài)來描述信息的交流、流向及管理規(guī)則?？偩€在功能結(jié)構(gòu)方面的規(guī)范包括：數(shù)據(jù)線、地址線、讀/寫及其它控制線、狀態(tài)線、時(shí)鐘線、電源線和地線等；中斷機(jī)制；總線主控仲裁；

應(yīng)用邏輯：如聯(lián)絡(luò)（也稱握手）線、復(fù)位、自啟動(dòng)、休眠維護(hù)等。

功能結(jié)構(gòu)規(guī)范：電氣規(guī)范：

規(guī)定信號(hào)邏輯電平、負(fù)載能力及最大額定值、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間等。4.總線的數(shù)據(jù)傳送（1）申請(qǐng)占用總線：需要使用總線的總線主設(shè)備（如CPU、DMA控制器等）向總線仲裁機(jī)構(gòu)提出占用總線的請(qǐng)求，經(jīng)總線仲裁機(jī)構(gòu)判定，若滿足響應(yīng)條件，則發(fā)出響應(yīng)信號(hào)，并把下一個(gè)總線傳送周期的總線控制權(quán)授予申請(qǐng)者。（2）尋址：獲得總線控制權(quán)的總線主設(shè)備，通過地址總線發(fā)出本次要訪問的存儲(chǔ)器和I/O端口的地址，經(jīng)地址譯碼選中被訪問的模塊并開始啟動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。（3）傳送數(shù)據(jù)：總線主設(shè)備也叫主模塊，被訪問的設(shè)備叫從模塊。主模塊和從模塊之間的操作是由主模塊控制在兩個(gè)從模塊之間通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。（4）結(jié)束：主、從模塊的信息均從總線上撤除，讓出總線，以便其它主模塊使用。5.微機(jī)總線的分類

片內(nèi)總線：它是位于大規(guī)模、超大規(guī)模集成芯片內(nèi)部各單元電路之間的總線，作為這些單元電路之間的信息通路。如CPU內(nèi)部ALU、寄存器組、控制器等部件之間的總線。局部總線（也稱內(nèi)部總線）：通常指微機(jī)主板上各部件之間的信息通路。由于是一塊電路板內(nèi)部的總線，故又稱在板局部總線。較典型的局部總線如：IBM-PC總線，ISA總線，EISA總線，VL和PCI總線等。系統(tǒng)總線（也稱外部總線）：是指微機(jī)底板上的總線，用來構(gòu)成微機(jī)系統(tǒng)的各插件板、多處理器系統(tǒng)各CPU模塊之間的信道。較典型的系統(tǒng)總線如：STD-BUS，MULTI-BUS，VME等。通信總線：它是微機(jī)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、微機(jī)系統(tǒng)與其它儀器儀表或設(shè)備之間的信息通路。這種總線往往不是計(jì)算機(jī)專有的，而是借用電子工業(yè)其它領(lǐng)域已有的總線標(biāo)準(zhǔn)并加以應(yīng)用形成的。流行的通信總線如：EIA-RS-232C、RS-422A、RS-485，IEEE-488，VXI等總線標(biāo)準(zhǔn)。各類總線之間的相互關(guān)系見圖6.1。

圖6.14類總線之間的關(guān)系6.使用標(biāo)準(zhǔn)總線的優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)化軟、硬件設(shè)計(jì)：由于總線定義非常嚴(yán)格，任何廠家或個(gè)人都必須按其標(biāo)準(zhǔn)制作插件板，有了規(guī)范就給用戶在硬件設(shè)計(jì)上帶來了很大的方便，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程。簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：采用標(biāo)準(zhǔn)總線，只要將各功能模塊（板）掛在總線上就可以方便的構(gòu)成微機(jī)的硬件系統(tǒng)。

便于系統(tǒng)的擴(kuò)充：對(duì)于采用標(biāo)準(zhǔn)總線構(gòu)成的微機(jī)系統(tǒng)，只要按總線標(biāo)準(zhǔn)和用戶擴(kuò)充要求設(shè)計(jì)或直接購(gòu)買插件板插到總線插槽上就達(dá)到了擴(kuò)充的目的。便于系統(tǒng)的更新：隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新的器件不斷涌現(xiàn)，微機(jī)系統(tǒng)也要不斷更新，在采用標(biāo)準(zhǔn)總線的插件板上用新的器件取代原來的器件就可以很方便地提高系統(tǒng)性能，而不必做很大改動(dòng)?？偩€名稱數(shù)據(jù)位數(shù)適用處理器所屬類型中文名稱引腳數(shù)目推出年份ISA-8(PC/XT)88088局部總線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線PC/XT總線621981ISA-16(PC/AT)168086、80286局部總線擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線PC/AT總線62+36（加長(zhǎng)）1984ISA-32(EISA)3280386局部總線擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線62+36（上層）+90+10(空)（下層）1988MCA32PS/2(IBM)局部總線微通道結(jié)構(gòu)總線與ISA不兼容1987(VESA)VL-BUS32/6480486局部總線視頻總線62+36+90+112（加長(zhǎng)）1992PCI3264Pentium局部總線外圍組件互連總線短卡124長(zhǎng)卡1881993幾種局部總線的比較總線名稱數(shù)據(jù)位數(shù)適用微機(jī)系統(tǒng)所屬類型中文名稱推出年份Multi-bus1632SBC、多處理器系統(tǒng)系統(tǒng)總線SBC多總線(SBC公司)19741985STD8/16/32Z80等系統(tǒng)總線工業(yè)控制微機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線19781989S-10016Altair

(MITS公司)系統(tǒng)總線S-100總線1979VME32M68000系統(tǒng)總線專用模塊互連總線1988幾種系統(tǒng)總線的比較6.1.3系統(tǒng)總線

STD總線的特點(diǎn)（1）模塊化的小板結(jié)構(gòu)、開放式的靈活組態(tài)STD總線使得微機(jī)系統(tǒng)被劃分成若干模塊，并制作成標(biāo)準(zhǔn)的功能模板（插件卡）。用戶可根據(jù)需要選擇功能模板組成自己的微機(jī)，插件卡與外設(shè)之間可用其他方式連接，因此可以靈活方便地構(gòu)成適應(yīng)不同要求的微機(jī)系統(tǒng)。圖6.5是基于STD總線的微機(jī)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。圖6.5STD總線微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（2）高可靠性、高抗干擾能力和高信號(hào)質(zhì)量：

STD總線優(yōu)良的物理特性使之具有抗惡劣環(huán)境的能力。其模塊化小尺寸結(jié)構(gòu)使其具有抗沖擊和振動(dòng)的能力，也可以減少自身發(fā)熱產(chǎn)生的問題。由于STD總線采用印刷電路板邊緣做接插件，可防止插件卡反插，引腳彎曲或折斷。同時(shí)STD總線的結(jié)構(gòu)可使信號(hào)流有序地從總線接口流向用戶接口，提高了信號(hào)的質(zhì)量。（3）兼容的結(jié)構(gòu)、配套的產(chǎn)品和齊全的功能：STD總線的兼容式結(jié)構(gòu)可以使8位的STD產(chǎn)品與新標(biāo)準(zhǔn)的16位或32位STD產(chǎn)品一起工作。STD總線還支持多處理器系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)展和STD產(chǎn)品的推廣和應(yīng)用，其標(biāo)準(zhǔn)插件板的功能不斷增強(qiáng)，配套產(chǎn)品越來越豐富，給使用帶來極大方便?？偩€名稱引腳數(shù)目適用微機(jī)系統(tǒng)所屬類型

說明推出年份RS-23225、9具有相應(yīng)接口通信總線1發(fā)1收，單端輸入1962年推出1969年公布RS-422同上具有相應(yīng)接口通信總線1發(fā)10收，差分輸入1977RS-485同上具有相應(yīng)接口通信總線1發(fā)32收，差分輸入1983USB4具有相應(yīng)接口通信總線通用串行總線（2信號(hào)、1電源、1地）1996IEEE-48824具有相應(yīng)接口通信總線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)并行接口總線1975年推出1977年公布幾種通信總線的比較6.1.4通信總線

（1）RS-232C總線RS-232C是一種串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)，也是數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，是1969年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）從CCITT遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)中導(dǎo)出的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)初制定這一標(biāo)準(zhǔn)的目的是為了使不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備能達(dá)到接插的兼容性，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)只保證硬件兼容而不保證軟件兼容。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)包括機(jī)械指標(biāo)和電氣指標(biāo)，其中機(jī)械指標(biāo)規(guī)定：RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口通向外部的連接器（插針和插座）是一個(gè)“D”型保護(hù)殼25針插頭。1.RS-232C、RS-422A和RS-485總線圖6.6標(biāo)準(zhǔn)25針“D”型插頭表6.2RS-232C總線引腳分配及定義注：帶*者為主信道信號(hào)組。信號(hào)線少：RS-232C總線共有25根線，它包括有主副兩個(gè)通道，用它可進(jìn)行雙工通信。實(shí)際應(yīng)用中，多數(shù)只用主信號(hào)通道（即第一通道），并只使用其中幾個(gè)信號(hào)（通常3~9根線）。傳輸距離遠(yuǎn)(相對(duì)于并行)：由于RS-232C采用串行傳輸方式，并將TTL電平轉(zhuǎn)換成了RS-232C電平，在基帶傳輸時(shí)，距離可達(dá)30m。若是采用光電隔離20A電流環(huán)傳送，其傳輸距離可達(dá)1000m。當(dāng)然，如果在串行接口加上調(diào)制解調(diào)器，利用有線、無線或光纖進(jìn)行傳送，其距離會(huì)更遠(yuǎn)。①RS-232C的主要特點(diǎn)可供選擇的傳輸速率多：RS-232C規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)傳送速率有：50，75，110，150，300，600，1200，2400，4800，9600，19200波特?？梢造`活地使用于不同速率的設(shè)備。

抗干擾能力強(qiáng)：RS-232C采用負(fù)邏輯，空載時(shí)以+3~+25V之間任意電壓表示邏輯“0”，以-3~-25V之間任意電壓表示邏輯“1”，且它是無間隔不歸零電平傳送，從而大大提高了抗干擾能力。②RS-232C總線的功能規(guī)范

引腳分配：共有25根信號(hào)線，其中，2根地線、4根數(shù)據(jù)線、11根控制線、3根定時(shí)線、5根備用線。引腳信號(hào)說明：在RS-232C總線中，在一般的微型計(jì)算機(jī)串行通信中，經(jīng)常使用的只有以下9個(gè)信號(hào)線，具體見表6.3，它們都是主信道組的信號(hào)線。這9根引腳分為兩類：一類是基本的數(shù)據(jù)傳送引腳，另一類是用于調(diào)制解調(diào)器(MODEM)的控制和反映它的狀態(tài)的引腳?；镜臄?shù)據(jù)傳送引腳：TXD，RXD，GND（2，3，7號(hào)引腳）是基本數(shù)據(jù)傳送引腳。表6.3微型計(jì)算機(jī)通信中常用的RS-232C接口信號(hào)DTRRTSDSRCTSDCDRI計(jì)算機(jī)調(diào)制解調(diào)器

MODEM的控制和狀態(tài)引腳：·DTR數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備完畢引腳，用于通知MODEM計(jì)算機(jī)準(zhǔn)備好，可以通信了?！TS為請(qǐng)求發(fā)送引腳，用于通知MODEM計(jì)算機(jī)請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)。·DSR為數(shù)據(jù)通信設(shè)備準(zhǔn)備就緒引腳，用于通知計(jì)算機(jī)，MODEM準(zhǔn)備好了。·CTS為允許發(fā)送引腳，用于通知計(jì)算機(jī)MODEM可以接收數(shù)據(jù)了。·DCD為數(shù)據(jù)載體檢測(cè)引腳，用于通知計(jì)算機(jī)MODEM與電話線另一端的MODEM已經(jīng)建立聯(lián)系。·RI為振鈴信號(hào)指示引腳，用于通知計(jì)算機(jī)，有來自電話網(wǎng)的信號(hào)。表6.4RS-232C總線的電氣規(guī)范

④RS-232C電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換

由于RS-232C使用非常廣泛，許多半導(dǎo)體廠家都生產(chǎn)專用于TTL電平與RS-232C電平的專用轉(zhuǎn)換芯片。常用于將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232C電平的芯片，除MC1488外還有75188，75150等，用于將RS-232C電平轉(zhuǎn)換為TTL電平的除MC1489外還有75189，75154等。采用MC1488和MC1489進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的原理如圖6.7所示。⑤RS-232C總線接口幾種常用的連接方法利用RS-232C總線接口，可以實(shí)現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)之間、微型計(jì)算機(jī)與其他具有RS-232C接口的設(shè)備之間相連接。常用的連接方法如圖6.8所示。其中，下頁(yè)圖6.8(a)、(b)連線比較簡(jiǎn)單,可以利用查尋或中斷方式實(shí)現(xiàn)他們之間的通信。采用MC1488和MC1489的電平轉(zhuǎn)換原理14881489幾種常用的RS-232C接口連接方法

RS-422A采用平衡輸出的發(fā)送器，差分輸入的接收器。圖6.9RS-422A的平衡輸出和差分輸入（2）RS-422A總線

發(fā)送器有兩根輸出線，當(dāng)一條線向高電平跳變的同時(shí)，另一條輸出線向低電平跳變，線之間的電壓極性因此翻轉(zhuǎn)過來。在RS-422A線路中發(fā)送信號(hào)要用兩條線，接收信號(hào)也要用兩條線，對(duì)于雙工通信，至少要有4根線。由于RS-422A線路是完全平衡的，一般情況下，RS-422A線路不使用公共地線。這使得通信雙方由于地電位不同而對(duì)通信線路產(chǎn)生的干擾減至最小。雙方地電位不同產(chǎn)生的信號(hào)成為共模干擾會(huì)被差分接收器濾波掉，而這種干擾卻能使RS-232C的線路產(chǎn)生錯(cuò)誤。

使用接口電路進(jìn)行全雙工通信，需要兩對(duì)線或4條線，使線路成本增加。RS-485適用于收發(fā)雙方共用一對(duì)線進(jìn)行通信，也適用于多個(gè)點(diǎn)之間共用一對(duì)線路進(jìn)行總線方式聯(lián)網(wǎng)，通信只是半雙工的，線路如圖6.11。

由于共用一條線路，任何時(shí)刻，只允許有一個(gè)發(fā)送器發(fā)送數(shù)據(jù)，其它發(fā)送器必須處于關(guān)閉（高阻）狀態(tài)，這是通過發(fā)送器芯片上的發(fā)送允許端控制的。例如，當(dāng)該端為高電平時(shí)，發(fā)送器可以發(fā)送數(shù)據(jù)，而為低電平時(shí)，發(fā)送器的兩個(gè)輸出端都呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，好象從線路上脫開一樣。（3）RS-485總線圖6.11用RS-485實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)間的總線方式聯(lián)網(wǎng)

2.IEEE-488總線

IEEE488是一種并行的外總線，它同時(shí)使用了IEEE-448，IEC-IB(IEC接口總線)，HP-IB(HP接口總線)或GP-IB(通用接口總線)多種名稱。由于IEEE-448總線的推出，使得當(dāng)用IEEE-448標(biāo)準(zhǔn)建立一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，不要再加一大堆復(fù)雜的控制電路，IEEE-488系統(tǒng)以機(jī)架層疊式智能儀器為主要器件，構(gòu)成開放式的積木測(cè)試系統(tǒng)，因此IEEE-488總線是當(dāng)前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的通信總線之一。（1）IEEE-488總線使用的約定·數(shù)據(jù)傳輸速率≤1MB/S?！みB接在總線上的設(shè)備(包括作為主控器的微型機(jī))≤15個(gè)?！ぴO(shè)備間的最大距離≤20M。整個(gè)系統(tǒng)的電纜總長(zhǎng)度≤220M，若電纜長(zhǎng)度超過220M，則會(huì)因延時(shí)而改變定時(shí)關(guān)系，從而造成工作不可靠。這種情況應(yīng)附加調(diào)制解調(diào)器?！に袛?shù)字交換都必須是數(shù)字化的?！た偩€規(guī)定使用24線的組合插頭座，并且采用負(fù)邏輯，即用小于＋0.8V的電平表示邏輯“1”；用大于2V的電平表示邏輯“0”。（2）系統(tǒng)上設(shè)備的工作方式·“聽者”方式：這是一種接收器，它在數(shù)據(jù)總線上接收數(shù)據(jù)，一個(gè)系統(tǒng)在同一時(shí)刻，可以有兩個(gè)以上的“聽者”在工作?！ぁ爸v者”方式：這是一種發(fā)送器，一個(gè)系統(tǒng)可以有兩個(gè)以上的“講者”但任一時(shí)刻只能有一個(gè)講者在工作?！ぁ翱卣摺狈绞剑哼@是一種向其他設(shè)備發(fā)布命令的設(shè)備，例如對(duì)其他設(shè)備尋址，或允許“講者”使用總線。任一時(shí)刻只能有一個(gè)控者。圖6.12IEEE-448總線接口結(jié)構(gòu)（3）IEEE-488總線信號(hào)定義說明IEEE-488的信號(hào)線除8條地線外，有以下信號(hào)線?！7～D0數(shù)據(jù)總線：這是8條雙向數(shù)據(jù)線，除了用于傳送數(shù)據(jù)外，還用于“聽”、“講”方式的設(shè)置，以及設(shè)備地址和設(shè)備控制信息的傳送。·字節(jié)傳送控制線：在IEEE-488總線上數(shù)據(jù)傳送采用異步握手（掛鉤）聯(lián)絡(luò)方式。即用

DAV，NRFD和NDAC3根線進(jìn)行握手聯(lián)絡(luò)。·DAV（DATAAVAIBLE）——數(shù)據(jù)有效線。當(dāng)由發(fā)送器控制的數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)有效時(shí)，發(fā)送器置DAV低電平（邏輯1），指示接受器可以從總線上接收數(shù)據(jù)?！RFD（NOTREADYFORDATA）——未準(zhǔn)備好接受數(shù)據(jù)線，只要連接在總線上被指定為接收器中的設(shè)備，尚有一個(gè)未準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，接收器就置NRFD線為低電平，示意發(fā)送器不要發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)所有接收器都準(zhǔn)備好時(shí)，NRFD變?yōu)楦唠娖?。·NDAC（NotDataAccepted）——未接收完數(shù)據(jù)，當(dāng)總線上被指定為接收器的設(shè)備，有任何一個(gè)未接收完數(shù)據(jù)，它就置NDAC線為低電平，示意發(fā)送器不要撤消當(dāng)前數(shù)據(jù)。只有當(dāng)所有接收器都接收完數(shù)據(jù)后，此信號(hào)才變?yōu)楦唠娖?。?dāng)ATN=“1”時(shí)，表示數(shù)據(jù)線上傳送的是地址或命令，這時(shí)只有控制器能發(fā)送信息，其它設(shè)備都只能接收信息并作出解釋。當(dāng)ATN=“0”時(shí)，表示數(shù)據(jù)總線上傳送的是數(shù)據(jù)?！OI（EndorIdentify）——結(jié)束或識(shí)別線。該線與ATN線一起指示是數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，還是用來識(shí)別一個(gè)具體設(shè)備。當(dāng)ATN=“0”時(shí)，這是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，當(dāng)傳送完最后一個(gè)字節(jié)使EOI=“1”，表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，當(dāng)ATN=“1”，若EOI=“1”時(shí)，則表示數(shù)據(jù)總線上是設(shè)備識(shí)別信息，即可得到請(qǐng)求得到的設(shè)備編碼。（4）IEEE-488總線傳送數(shù)據(jù)時(shí)序

圖6.13IEEE488總線3線握手時(shí)序圖IEEE-488總線上數(shù)據(jù)傳送采用異步方式，即每傳送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)都要利用DAV，NRFD和NDAC3條信號(hào)線進(jìn)行握手聯(lián)絡(luò)。數(shù)據(jù)傳送的時(shí)序如圖6.13所示?！EN（remoteEnable）——遠(yuǎn)程控制線。該信號(hào)為低電平時(shí)，系統(tǒng)處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)，設(shè)備面板開關(guān)、按鍵均不起作用；若該信號(hào)為高電平，則遠(yuǎn)程控制不起作用，本地面板控制開關(guān)、按鍵起作用。SCSI是smallcomputersysteminterface的縮寫，即小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口。它用于計(jì)算機(jī)與磁帶機(jī)、軟磁盤機(jī)、硬磁盤機(jī)、CD-ROM、掃描儀、通信設(shè)備及打印機(jī)等外部設(shè)備的連接。目前廣泛應(yīng)用于微型計(jì)算機(jī)中主機(jī)與硬磁盤、光盤的連接，成為最重要、最有潛力的新的總線標(biāo)準(zhǔn)。另外:還有SCSI總線、AGP總線等AGP是AcceleratedGraphicPort的縮寫，即圖形加速接口，是專用的圖形總線，它只用于微機(jī)上的AGP顯示卡。6.2I/O接口基礎(chǔ)

6.2.1微機(jī)接口基本概念

1.接口與接口技術(shù)接口的定義:“接口”是微處理器CPU與外界的連接部件（電路）。接口技術(shù)的研究對(duì)象：“接口技術(shù)”是研究CPU如何與外部世界進(jìn)行最佳耦合與匹配，以實(shí)現(xiàn)雙方高效、可靠地交換信息的一門技術(shù)。2.為什么要用接口電路

輸入/輸出（Input/Output）是計(jì)算機(jī)與外部世界交換信息所必需的手段。一方面，程序、數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)物理量等要通過輸入設(shè)備送給計(jì)算機(jī)；另一方面，計(jì)算機(jī)運(yùn)行的結(jié)果和各種控制信號(hào)要通過輸出設(shè)備（輸入/輸出設(shè)備以下簡(jiǎn)稱外設(shè)）進(jìn)行顯示、打印或?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)控制等。計(jì)算機(jī)的外設(shè)有機(jī)械式、電子式、機(jī)電式等。（1）數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息是指CPU與外設(shè)之間要傳送的數(shù)據(jù)本身。其形式有三種：·數(shù)字量：常以8位或16位的二進(jìn)制或ASCⅡ碼形式傳輸。

·模擬量：模擬的電壓或電流，甚至非電量(如：溫度、壓力、流量等)，需經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的電信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量形式傳輸。·開關(guān)量：通常用于表示兩種狀態(tài)“0”和“1”，如開關(guān)的通/斷，電機(jī)的轉(zhuǎn)/停，閥門的開/關(guān)等。

3.接口電路的組成及其傳遞的信息為了完成CPU與外設(shè)之間的信息交換，通常在接口部件中需要傳輸三種信息。（2）狀態(tài)信息為實(shí)現(xiàn)CPU與外設(shè)配合工作，CPU需要了解外設(shè)所處的現(xiàn)行狀態(tài)，如打印機(jī)是否忙（BUSY），輸入設(shè)備是否準(zhǔn)備好（READY），用于表示外設(shè)工作狀態(tài)的信號(hào)叫狀態(tài)信息，它是由外設(shè)通過接口傳遞到CPU的。（3）控制信息在CPU與外設(shè)的信息傳送過程中，需要向外設(shè)發(fā)出控制命令，這些控制信號(hào)由CPU發(fā)給接口電路，經(jīng)接口電路解釋并做適當(dāng)變換后（若需要的話），去控制外設(shè)的動(dòng)作。圖6.14接口電路的典型結(jié)構(gòu)4.接口的作用和特點(diǎn)（1）接口的作用主要負(fù)責(zé)接收、解釋并執(zhí)行CPU發(fā)出的命令，傳送外設(shè)的狀態(tài)，以及雙方的數(shù)據(jù)傳輸。管理雙方的工作邏輯、協(xié)調(diào)它們的工作時(shí)序。（2）接口的功能特點(diǎn)按CPU與外界交換信息的要求，一般來講，接口部件應(yīng)具有如下功能特點(diǎn)：數(shù)據(jù)緩沖功能接口中一般都設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器或鎖存器，以解決高速CPU和低速外設(shè)之間的矛盾，避免丟失數(shù)據(jù)。另外，這些鎖存器常常有驅(qū)動(dòng)作用。

設(shè)備選擇功能微機(jī)系統(tǒng)中通常都有多臺(tái)外設(shè)，而CPU在同一時(shí)間里只能與一臺(tái)外設(shè)交換信息，這就要借助于接口的地址譯碼對(duì)外設(shè)進(jìn)行尋址。高位地址用于芯片（電路）選擇，低位地址用于選擇接口芯片（電路）內(nèi)部寄存器或鎖存器，從而選定需要與CPU交換信息的外設(shè)。

信號(hào)轉(zhuǎn)換功能

由于外設(shè)所能提供和所需要的各種信號(hào)常常與微機(jī)總線信號(hào)不兼容，因此信號(hào)變換就不可避免，它是接口設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要方面。接受、解釋并執(zhí)行CPU命令的功能CPU發(fā)往外設(shè)的各種命令都是以代碼形式先發(fā)到接口電路，再由接口電路解釋后，形成一系列控制信號(hào)送往外設(shè)（被控對(duì)象）的。

中斷管理功能

當(dāng)外設(shè)需要及時(shí)得到CPU的服務(wù)，例如，在出現(xiàn)故障而要求CPU進(jìn)行刻不容緩的處理時(shí)，就應(yīng)在接口中設(shè)置中斷控制邏輯，由它完成向CPU提出中斷請(qǐng)求，進(jìn)行中斷優(yōu)先級(jí)排隊(duì)，接收中斷響應(yīng)信號(hào)以及向CPU提供中斷類型或中斷向量等有關(guān)中斷事務(wù)工作?？删幊坦δ?/p>

為使接口具有較強(qiáng)的通用性、靈活性和可擴(kuò)充性，現(xiàn)在的接口芯片多數(shù)都是可編程的，這樣在不改變硬件的條件下，只改變驅(qū)動(dòng)程序就可改變接口的工作方式和功能，以適應(yīng)不同的用途。（3）CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式①程序控制方式分為無條件傳送方式和條件傳送方式。

無條件傳送方式(又稱同步傳送方式)。其具體方法是：在程序中的適當(dāng)位置直接插入I/O指令，以完成數(shù)據(jù)的傳輸。在這種方式中，CPU始終認(rèn)為外設(shè)是準(zhǔn)備好的。條件傳送方式(又稱查詢傳送方式)。其實(shí)現(xiàn)方法是：在每次執(zhí)行I/O操作之前，CPU先查詢外設(shè)的狀態(tài)，當(dāng)外部設(shè)備準(zhǔn)備好時(shí)才執(zhí)行I/O指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。這種傳送方式有效地解決了無條件傳送方式難以保證CPU與外設(shè)同步動(dòng)作的問題，但其傳輸速度慢，CPU工作效率低，因?yàn)镃PU將花費(fèi)絕大部分時(shí)間去查詢外設(shè)的狀態(tài)。程序控制方式的具體實(shí)例參見可編程并行接口芯片8255A的應(yīng)用。

②

中斷傳送方式

為了提高CPU的效率，使系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)處理能力，可采用中斷傳送方式進(jìn)行CPU與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送。具體過程為：當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通過接口向CPU提出中斷請(qǐng)求，CPU在滿足響應(yīng)中斷的條件下，向接口發(fā)出中斷響應(yīng)（回答）信號(hào)，然后執(zhí)行中斷服務(wù)程序，完成數(shù)據(jù)傳送。這種方式可使CPU與外設(shè)并行工作，從而大大提高了CPU的工作效率。關(guān)于詳細(xì)的中斷處理過程參見中斷技術(shù)一章。③

DMA傳送方式（直接存儲(chǔ)器存取方式）

在中斷傳送方式中，每傳送一次數(shù)據(jù)，CPU就要執(zhí)行一些附加的保護(hù)斷點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)和斷點(diǎn)的指令。因此不能從根本上提高CPU的效率，且不能成塊傳送數(shù)據(jù)。

無條件傳送：傳送之前不查詢外設(shè)狀態(tài)

程序控制方式

查詢傳送：傳送之前查詢外設(shè)狀態(tài)

中斷方式：外設(shè)準(zhǔn)備好后向CPU申請(qǐng)中斷，CPU響應(yīng)中斷完成數(shù)據(jù)傳送。DMA（直接存儲(chǔ)器存?。┓绞剑河蓪Ｓ糜布癉MA控制器”

控制內(nèi)存和外設(shè)之間直接傳送數(shù)據(jù)。

（不需要CPU干預(yù)）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和日益廣泛的應(yīng)用，CPU需要執(zhí)行的任務(wù)愈來愈多，外設(shè)的種類也大大增加，且性能各異，對(duì)外設(shè)的管理就變得愈來愈復(fù)雜。如果再使CPU承擔(dān)全部任務(wù)，那么勢(shì)必會(huì)使主機(jī)完全陷入與外設(shè)打交道的沉重負(fù)擔(dān)之中，因而必須設(shè)置專門的接口電路，把對(duì)外設(shè)的控制管理任務(wù)交給接口去完成，而主機(jī)只在適當(dāng)時(shí)刻向接口發(fā)出命令，從接口讀入外設(shè)狀態(tài)或與外設(shè)傳送數(shù)據(jù)。這就大大減輕了主機(jī)的負(fù)擔(dān)，降低了對(duì)CPU的要求，同時(shí)也極大地提高了CPU的效率。5.接口技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展現(xiàn)在接口電路都做成大規(guī)模、超大規(guī)模、超高速集成電路，并且可編程控制。甚至將若干接口芯片的電路集成到一個(gè)硅片上，形成具有多種功能的芯片組。今后將發(fā)展成用處理器控制的I/O通道或嵌入式I/O接口系統(tǒng)。

微機(jī)外圍接口芯片品種繁多，常用的有：并行接口芯片8255A、8155A；串行接口芯片8250、8251；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器8253、8254；中斷控制器8259A；DMA控制器8237A；鍵盤/LED專用控制器8279；CRT控制器6834、8275；磁盤控制器μPD765\6843等。另外，在模擬接口中，還要用到A/D轉(zhuǎn)換器（如ADC0809）和D/A轉(zhuǎn)換器（如DAC0832）等。高檔微機(jī)中的接口有的是這些接口芯片的級(jí)聯(lián)，或?qū)⒛承┬酒墓δ芗傻揭黄?，或在它們的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)充。上一節(jié)中已介紹了一些多功能接口芯片。6.常用外圍接口芯片7.高檔微機(jī)系統(tǒng)中幾種常見的總線接口器件

根據(jù)不同的總線標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，均需配置相應(yīng)的接口電路，近年來，隨著高檔微處理器的發(fā)展，外圍接口電路也不斷發(fā)展，從而產(chǎn)生了許多系列的多功能集成電路芯片，例如：（1）82C206：是一種多功能外圍接口電路，其內(nèi)部包含的功能部件有：2個(gè)82C37DMA控制器；2個(gè)82C59中斷控制器；1個(gè)82C54定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；1個(gè)MC146818實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路；1個(gè)74LS612存儲(chǔ)器頁(yè)面映像控制器以及輔助接口電路。（2）82344：ISA總線控制器，包含的功能部件有：2個(gè)82C37DMA控制器，與頁(yè)面地址寄存器組成4個(gè)8位DMA通道和3個(gè)16位DMA通道；2個(gè)82C59中斷控制器，實(shí)現(xiàn)16級(jí)中斷請(qǐng)求控制；1個(gè)82C54定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，提供3個(gè)16位定時(shí)器計(jì)數(shù)器；1個(gè)與MC146818完全兼容的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，且具有114字節(jié)的通用CMOSRAM；另外還具有DRAM刷新控制邏輯、并行PORTA和NMI邏輯。（3）82360SL：也是一個(gè)多功能外圍接口電路，包含的功能部件有：2個(gè)82C37ADMA控制器；2個(gè)82C59中斷控制器；2個(gè)82C54定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；1個(gè)與MC146818兼容的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路；1個(gè)增強(qiáng)型74LS612頁(yè)面存儲(chǔ)映像控制器；2個(gè)與NC16450兼容的串行通信接口和1個(gè)8位雙向并行I/O接口；另外還有256字節(jié)的CMOSRAM。（4）82380：也是一個(gè)多功能外圍接口電路，包括的功能部件有：1個(gè)32位8通道DMA控制器；3個(gè)82C59A功能相當(dāng)?shù)闹袛嗫刂破鳎?個(gè)82C54功能相同的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；另外還有DRAM刷新控制電路、總線判優(yōu)及控制電路。

（5）82357：集成系統(tǒng)外圍接口電路（ISP），包括的功能部件有：2個(gè)4通道DMA控制器二級(jí)級(jí)聯(lián)；2個(gè)相當(dāng)于8259的中斷控制器，主從級(jí)聯(lián)；3個(gè)與8254功能相當(dāng)?shù)亩〞r(shí)器/計(jì)數(shù)器；另外還有總線判優(yōu)電路和NMI產(chǎn)生電路等。（6）HT21：系統(tǒng)控制器，包括的功能部件有：1個(gè)82284產(chǎn)生系統(tǒng)定時(shí)時(shí)序；1個(gè)74612提供存儲(chǔ)器地址映像；1個(gè)8254提供3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；1個(gè)8284為8254提供定時(shí)脈沖信號(hào)；2個(gè)8237DMA控制器；2個(gè)8259中斷控制器，主從級(jí)聯(lián)，接收4個(gè)內(nèi)部和11個(gè)外部中斷請(qǐng)求。

6.2.2接口的譯碼

CPU通過接口與外設(shè)打交道，那么CPU如何找到要與之傳送信息的外設(shè)呢？在第一節(jié)中已經(jīng)知道接口電路中一般包含多個(gè)寄存器，CPU是通過這些寄存器發(fā)出命令、讀取狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)的。因此，每個(gè)寄存器都被安排了一個(gè)地址，稱為端口地址（PORTADDRESS），以便CPU能尋址它們。一個(gè)接口芯片上可能有多個(gè)端口，要尋址某個(gè)端口，除了找到該芯片外，還要能區(qū)分出不同端口。內(nèi)部端口的區(qū)分是由接口電路內(nèi)部的地址譯碼邏輯完成的。通常將低位地址線（一位或幾位）直接連到接口芯片上，用于內(nèi)部譯碼，而其余地址線作選擇接口芯片的譯碼輸入（也稱外部譯碼）。這一節(jié)的地址譯碼均指外部譯碼。1.固定式地址譯碼（1）用邏輯門電路進(jìn)行譯碼這是最簡(jiǎn)單