计算机接口技术

在微机系统中，微处理器的强大控制功能必须通过外部设备（简称外设）才能实现，而外设与微处理器之间的信息交换及通信又是靠接口来实现的。在实际应用中，人们总是通过接口加入自己的设备或模块，构成应用系统，所以，接口技术是微机应用系统研究与开发的重要基础，是当代理工科大学生应当掌握的通用技术。为此，对不同类型的接口的工作原理与基本组成进行系统学习是必要的。但是，接口技术涉及的知识面较广，尤其是必须与硬件打交道，课程的实践性很强，这些都给学习和掌握微机接口技术带来了一定的困难，需要相关的教材提供帮助。本书就是为此而编写的。
微机接口技术的基本任务有两个: 一是接口要实现I/O设备与总线的连接；二是CPU通过接口对I/O设备进行控制或通信。接口技术的发展是随着微机体系结构和被连接的对象的发展而发展的，它经历了固定式简单接口、可编程复杂接口和智能接口3个发展阶段。
目前，在嵌入式微机应用系统以及物联网系统中，接口的结构形式已经发生了很大变化，由原来外接式独立接口电路发展为与微控制器融为一体的内嵌式接口，但接口的功能与工作原理并未改变。初学者好从基本接口电路开始，充分理解独立的接口芯片或模块的工作原理、方法及特点，才能更好地了解并掌握高集成度的组合接口的设计方法。
影响接口变化的因素主要有两个: 一是总线结构不同，这属于硬件上的变化；二是操作系统不同，这属于软件上的变化。这两种变化使接口在完成连接和操作设备的任务时产生了不同的处理方法，形成了接口的层次概念，从而把接口分为上层与下层两个层次。上层包括设备接口及应用程序，构成接口的基本内容；下层包括总线接口及设备驱动程序，构成接口的高级内容。这两部分是现代接口技术的完整内容。限于篇幅，本书只讨论接口技术的基本内容。
接口技术要与各种芯片、器件、设备打交道，这也是有些读者学习接口技术时颇感困难的部分，但是，要学习接口，就要与硬件打交道。那么，应采用何种方法学习庞杂的硬件知识，就成为掌握现代接口技术必须考虑的问题。
本书编者根据多年教学经验总结出一种行之有效的方法，称为接口设计的编程模型方法。编程模型包含两个层次。
首先，根据接口技术课程的特点，对任何一种硬件对象，如一个接口芯片，主要了解与掌握芯片的功能、外部特性和编程使用方法3方面，而不过多关注其内部的详细结构。因为芯片的功能是制定接口设计方案时选择芯片的依据，芯片的外部特性是进行接口硬件设计时确定连接方式的依据，芯片的编程使用方法是进行接口软件设计时编程的依据。
其次，所谓编程模型是指芯片内部可访问的寄存器、寄存器的端口地址以及寄存器的写入命令或读出状态的数据格式。了解与掌握了芯片的这3个元素，也就可以利用它进行接口的软件编程设计了。由于设备接口是连接CPU与I/O设备的桥梁，在分析接口设计的需求时，显然应该从接口的两侧入手。在CPU一侧，接口面对的是本地的数据总线、地址总线和控制总线（简称三总线），因此，主要任务是使接口电路的信号线满足三总线在时序逻辑上的要求，并进行“对号入座”连接。而在I/O设备一侧，接口面对的是类型、信号、工作速度各异的外设，情况复杂，因此重点是分析I/O设备的外部特性，即I/O设备信号引脚的功能与特点，以便在进行接口硬件设计时提供这些信号线，以满足I/O设备在连接上的要求;同时需分析I/O设备的工作过程，以便在设计接口软件时按照这种过程编写程序，以满足I/O设备的工作条件与要求。
设备接口电路的设计，是以硬件为基础，采用硬件与软件相结合的综合设计方法。对于硬件设计，通常采用可编程通用/专用接口芯片，因而需要深入了解并熟练掌握各类芯片的功能、特点、工作原理、使用方法及编程技巧，以便合理地选择芯片，把它们与微处理器正确地连接起来。对于软件设计，应该包括上层的用户应用程序和下层的设备驱动程序。一般用户只须编写用户态应用程序，而对原创性开发，就要涉及核心态的设备驱动程序设计。所谓接口电路设计的解决方案，是指在微机接口电路总体设计时，对接口电路的配置方式、接口电路的构成和芯片的选择进行分析与认定。解决方案的制定与微处理器类型有关，台式微机桌面系统、嵌入式系统、微控制器、单片机以及各种片上系统SoC的解决方案各不相同。接口电路的配置方式是指把接口电路安排在微机系统的什么地方，有外置方式与内置方式之分。本书以外置式接口芯片和支持芯片为主，内置式接口电路重点在第4、5、7、9、12章有所介绍或应用。
接口电路的构成有多种选择，如一般的IC电路、可编程通用/专用接口芯片或可编程逻辑阵列器件。其中，可编程通用/专用接口芯片功能强，可靠性高，通用性好，针对性强，接口设计的周期短，并且使用灵活方便。FPGA器件可以实现复杂的接口功能，并且可以将接口功能模块与其他应用电路集成在一起，结构紧凑，灵活多样，可满足不同复杂度的接口电路的要求，因此成为嵌入式微机系统和微控制器接口设计的。
目前，在实际应用中，采用FPGA进行微机应用系统开发时，将多种外设接口功能模块与CPU集成于一体，构成内嵌式接口电路，已成为ARM和微控制器接口设计的一种趋势。但在校学生作为初学者学习接口技术原理与方法时，采用各种分立接口芯片构建外置式接口电路的解决方案是可取的，因此本书以外置式接口电路为主。各章在讨论各类接口电路设计之前，都要介绍解决方案中所采用的外置式接口芯片。同时，考虑到嵌入式设备的广泛应用，本书还介绍了基于MIPSfpga处理器的FPGA接口设计与应用，第12章详细介绍了基于MIPSfpga的GPS定位显示系统设计。通过该应用系统接口设计过程的学习，读者可以举一反三，为设计用户需要的其他嵌入式应用系统提供借鉴。
本书由陈进才、胡迪青主编，第1、3、6、8、11章由刘乐善编写，第2、9章由刘乐善、胡迪青编写，第4章由胡迪青编写，第5、7章由刘乐善、陈进才、张胜编写，第10章由李畅、王海卫编写，第12章由卢萍、罗可、谭支鹏编写。全书由陈进才统稿。华中科技大学研究生鲍锦星、柳栋栋、熊阳、许欣怡、刘涛等为本书的编写做了许多技术性工作。本书的出版得到了华中科技大学的大力支持，在此表示衷心感谢。同时特别要感谢本书参考文献的作者，他们为本书的编写提供了丰富的技术文献支持。
计算机接口技术是一门实践性很强的课程，除了课堂理论学习之外，还需要强有力的实践性环节与之配合。编者在计算机接口技术课程中设置了课程设计、毕业设计、实习和实训等多种实践环节，并积累了丰富的实践教学资料，可对有兴趣的读者开放。
由于计算机技术发展迅速，加之编者水平有限，书中肯定存在不少不足，恳切希望各位专家和读者赐正。

编者2021年4月于喻园

本书兼顾传统微机接口与嵌入式系统接口技术，全面介绍计算机接口的基本结构、工作原理和典型接口实现方法。全书共12章，具体内容包括概述、总线技术、I/O端口地址译码技术、基于MIPSfpga的微处理器、并行接口、串行接口、中断技术、DMA技术、A/D与D/A转换器接口、USB设备接口和人机交互设备接口，后通过基于MIPSfpga的GPS定位显示系统设计实例综合介绍接口应用与设计方法。 本书内容丰富，取材新颖，叙述清晰，具有较好的可读性和实用性，既适合作为高等院校计算机、物联网、电子、通信、自动化等专业研究生、本科生教材，也可供微型或嵌入式计算机应用系统开发人员自学参考。

陈进才，华中科技大学计算机学院/武汉光电国家实验室教授，博士生导师。2000 年12 月毕业于西安交通大学计算机系统结构专业，获博士学位。2001 年1 月至2003 年1 月在华中科技大学外存储系统国家专业实验室从事博士后研究工作。2011 年10 月至2012年10 月由国家公派到美国加州大学圣克鲁斯分校(University of California, Santa Cruz)存储系统研究中心(Storage Systems Research Center，SSRC)访学。近年主持国家自然科学基金项目2项，承担“973”计划项目1项、“863”计划项目4项，发表学术论文60余篇，获国际发明专利2项、中国发明专利15项。长期从事计算机专业的教学与科研工作。

第1章概述1
1.1接口的基本任务与接口技术的发展概况1
1.1.1接口的基本任务1
1.1.2接口技术的发展概况1
1.2接口的层次概念2
1.2.1硬件分层3
1.2.2软件分层3
1.2.3接口技术内容的划分3
1.3设备接口4
1.3.1设备接口的功能4
1.3.2设备接口的组成5
1.3.3设备接口与CPU交换数据的方式6
1.3.4分析与设计设备接口电路的基本方法6
1.4接口电路设计的解决方案8
1.4.1接口电路的配置方式9
1.4.2接口电路的构成9
习题110

第2章总线技术11
2.1总线的作用与组成11
2.1.1总线的作用11
2.1.2总线的组成11
2.2总线的性能参数12
2.3总线数据传输过程及其握手方式13
2.3.1总线数据传输过程13
2.3.2总线数据传输过程的握手方式13
2.4总线的分类与层次化结构15
2.4.1总线的分类15
2.4.2总线的层次化结构16
2.5总线标准和总线插槽18
2.5.1总线标准18
2.5.2总线插槽18
2.63种典型的总线192.6.1ISA总线19
2.6.2PCI总线21
2.6.3AMBA总线33
习题233

第3章I/O端口地址译码技术35
3.1I/O地址空间35
3.2I/O端口35
3.2.1什么是端口35
3.2.2端口的共用技术36
3.2.3I/O端口编址方式36
3.2.4I/O端口访问37
3.3I/O端口地址分配及选用的原则38
3.3.1早期微机I/O地址的分配38
3.3.2现代微机I/O地址的分配39
3.3.3I/O端口地址选用的原则39
3.4I/O端口地址译码40
3.4.1I/O端口地址译码的方法40
3.4.2I/O端口地址译码电路的输入与输出信号线40
3.4.3CS的物理含义41
3.5设计I/O端口地址译码电路时应注意的问题41
3.6I/O端口地址译码电路举例41
习题347

第4章基于MIPSfpga的微处理器系统49
4.1MIPSfpga处理器49
4.1.1概述49
4.1.2MIPSfpga处理器核50
4.2MIPSfpga处理器的接口53
4.2.1MIPSfpga处理器接口54
4.2.2AHBLite总线接口55
4.2.3FPGA开发板接口56
4.2.4EJTAG接口574.3MIPSfpga处理器系统57
4.3.1AMBA总线规范57
4.3.2AXI4总线规范58
4.3.3基于AXI4接口模块的MIPSfpga处理器系统65
习题467

第5章并行接口69
5.1并行接口的特点69
5.2PPI8255并行接口69
5.2.1PPI接口芯片70
5.2.2PPI接口实例: 步进电机控制接口设计73
5.2.3PPI接口实例: 声光报警器接口设计76
5.3GPIO接口79
5.3.1GPIO的基本概念79
5.3.2GPIO的结构79
5.3.3基于AHBLite总线的GPIO应用实例80
习题582

第6章串行接口83
6.1串行通信的基本概念83
6.1.1串行通信的基本特点83
6.1.2串行通信的工作方式83
6.1.3串行通信数据传输的基本方式84
6.1.4串行通信中的调制与解调84
6.2串行通信协议85
6.2.1串行通信中的传输速率控制85
6.2.2串行通信中的差错检测87
6.2.3串行通信中的数据格式88
6.3串行通信接口标准91
6.3.1RS232C标准91
6.3.2RS485标准93
6.3.3SPI标准96
6.4串行通信接口电路986.4.1串行通信接口电路的基本任务98
6.4.2串行通信接口电路的解决方案99
6.5RS232C标准的串行通信接口电路设计100
6.5.1设计要求100
6.5.2设计方案分析100
6.5.3电路与程序设计103
6.6基于UART的串行通信接口电路104
6.6.1设计要求104
6.6.2设计方案分析105
6.6.3电路与程序设计111
习题6113

第7章中断技术115
7.1中断的概念115
7.2中断的类型115
7.2.1外部中断116
7.2.2内部中断116
7.3中断系统117
7.3.1中断系统的组成117
7.3.2中断系统的功能118
7.4中断程序入口地址的处理方式121
7.4.1向量中断121
7.4.2非向量中断122
7.5Intel中断系统123
7.5.1Intel中断系统的组成123
7.5.2中断控制器PIC82C59A123
7.5.3Intel系统中断资源的应用131
7.5.4中断服务程序设计133
7.6MIPSfpga处理器中断系统136
7.6.1中断兼容模式137
7.6.2向量中断模式139
7.6.3外部中断控制器模式141
7.6.4GPIO中断实例1427.7基于AXI总线接口的中断控制器146
7.7.1特征概述146
7.7.2基本构成147
7.7.3中断处理过程150
7.7.4AXI中断控制器应用实例151
习题7154

第8章DMA传输技术156
8.1DMA传输基本原理156
8.1.1DMA传输的特点156
8.1.2DMA传输过程156
8.2DMA操作157
8.2.1DMA操作类型157
8.2.2DMA操作方式158
8.3DMAC与CPU对系统总线占有权的转移159
8.4Intel DMA系统160
8.4.1Intel DMA系统的组成160
8.4.2可编程DMAC 82C37A161
8.4.3Intel DMA传输的初始化168
8.4.4Intel DMA系统资源的应用168
习题8170

第9章A/D与D/A转换器接口171
9.1模拟量接口的作用171
9.2A/D转换器171
9.2.1A/D转换器的主要技术指标171
9.2.2A/D转换器的外部特性172
9.3A/D转换器接口设计的任务与方法173
9.3.1A/D转换器与CPU的连接173
9.3.2A/D转换器与CPU之间的数据交换方式174
9.3.3A/D转换器的数据在线处理174
9.3.4A/D转换器接口设计需考虑的问题175
9.4A/D转换器中断方式接口电路设计1759.5D/A转换器179
9.5.1D/A转换器的主要技术指标179
9.5.2D/A转换器的外部特性180
9.6D/A转换器接口设计的任务与方法180
9.6.1D/A转换器与CPU的连接180
9.6.2D/A转换器与CPU之间的数据交换方式181
9.6.3D/A转换器接口设计需考虑的问题181
9.7锯齿波三角波发生器接口电路设计181
9.8温度采样接口电路设计184
习题9191

第10章USB设备接口192
10.1USB概述192
10.1.1USB技术的发展192
10.1.2USB标准的设计目标及使用特点193
10.2微机USB系统结构194
10.2.1USB系统的组成194
10.2.2USB通信模型及数据流模型197
10.2.3USB数据传输类型与传输方式201
10.3USB接口与信号定义203
10.3.1USB电缆的物理特性与电气特性203
10.3.2USB信号定义204
10.3.3USB数据编码与解码205
10.4USB设备接口设计基础知识206
10.4.1USB设备接口逻辑结构207
10.4.2USB设备状态及转换208
10.4.3USB设备的配置及描述符210
10.4.4USB设备的标准操作及请求211
10.5大容量USB存储设备设计实例215
10.5.1概述215
10.5.2USB存储设备初始化216
10.5.3USB传输220
习题10223第11章基本人机交互设备接口224
11.1人机交互设备224
11.2键盘224
11.2.1键盘的类型224
11.2.2线性键盘的工作原理225
11.2.3矩阵键盘的工作原理226
11.3LED显示器227
11.3.1LED显示器的工作原理228
11.3.2LED显示器的字形码228
11.3.3LED显示器动态显示的扫描方式229
11.4键盘/LED显示器接口电路设计230
11.4.1键盘/LED显示器接口芯片82C79A的外部特性230
11.4.2键盘/LED显示器接口芯片82C79A的编程模型231
11.5LED显示器接口电路设计235
11.6矩阵键盘接口电路设计237
11.7并行打印机接口标准及接口电路设计238
11.7.1并行打印机接口标准238
11.7.2并行打印机接口电路设计240
习题11242

第12章基于MIPSfpga的GPS定位显示系统设计243
12.1GPS定位显示系统整体设计243
12.1.1系统功能描述243
12.1.2系统设计243
12.2GPS数据采集显示244
12.2.1PmodGPS模块244
12.2.2GPS数据采集驱动模块实现245
12.2.3基于AHBLite总线的GPIO模块实现248
12.3UART通信256
12.3.1PmodBT2模块256
12.3.2UART数据收发驱动模块实现257
12.3.3UART接口实现259
12.4整体功能实现26012.4.1系统底层接口实现260
12.4.2系统PC客户端软件实现261
12.4.3总结262
习题12262

参考文献264

本书兼顾传统微机接口与嵌入式系统接口技术，全面介绍计算机接口的基本结构、工作原理和典型接口实现方法。全书共12章，具体内容包括概述、总线技术、I/O端口地址译码技术、基于MIPSfpga的微处理器、并行接口、串行接口、中断技术、DMA技术、A/D与D/A转换器接口、USB设备接口和人机交互设备接口，后通过基于MIPSfpga的GPS定位显示系统设计实例综合介绍接口应用与设计方法。 本书内容丰富，取材新颖，叙述清晰，具有较好的可读性和实用性，既适合作为高等院校计算机、物联网、电子、通信、自动化等专业研究生、本科生教材，也可供微型或嵌入式计算机应用系统开发人员自学参考。

陈进才，华中科技大学计算机学院/武汉光电国家实验室教授，博士生导师。2000 年12 月毕业于西安交通大学计算机系统结构专业，获博士学位。2001 年1 月至2003 年1 月在华中科技大学外存储系统国家专业实验室从事博士后研究工作。2011 年10 月至2012年10 月由国家公派到美国加州大学圣克鲁斯分校(University of California, Santa Cruz)存储系统研究中心(Storage Systems Research Center，SSRC)访学。近年主持国家自然科学基金项目2项，承担“973”计划项目1项、“863”计划项目4项，发表学术论文60余篇，获国际发明专利2项、中国发明专利15项。长期从事计算机专业的教学与科研工作。