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内容简介
本书兼顾传统微机接口与嵌入式系统接口技术，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，具体内括概述线技术、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，具有较好的可读和实用，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。
目录
目录第1章概述11.1接口的基本任务与接口技术的发展概况11.1.1接口的基本任务11.1.2接口技术的发展概况11.2接口的层次概念21.2.1硬件分层31.2.2软件分层31.2.3接口技术内容的划分31.3设备接口41.3.1设备接口能41.3.2设备接口的组成51.3.3设备接口与CPU交换数据的方式61.3.4分析与设计设备接口电路的基本方法61.4接口电路设计的解决方案81.4.1接口电路的配置方式91.4.2接口电路的构成9习题110第2线技术112.线的作用与组成112.1.线的作用112.1.线的组成112.线的能参数122.线数据传输过程及其握手方式132.3.线数据传输过程132.3.线数据传输过程的握手方式132.线的分类与层次化结构152.4.线的分类152.4.线的层次化结构162.线标准线插槽182.5.线标准182.5.线插槽182.63种典型线192.6.1IS线192.6.2PC线212.6.3AMB线33习题233第3章I/O端口地址译码技术353.1I/O地址空间353.2I/O端口353.2.1什么是端口353.2.2端口的共用技术363.2.3I/O端口编址方式363.2.4I/O端口访问373.3I/O端口地址分配及选用的原则383.3.1早期微机I/O地址的分配383.3.2现代微机I/O地址的分配393.3.3I/O端口地址选用的原则393.4I/O端口地址译码403.4.1I/O端口地址译码的方法403.4.2I/O端口地址译码电路的输入与输出信号线403.4.3CS的物理含义413.5设计I/O端口地址译码电路时应注意的问题413.6I/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494.1MIPSfpga处理器494.1.1概述494.1.2MIPSfpga处理器核504.2MIPSfpga处理器的接口534.2.1MIPSfpga处理器接口544.2.2AHBLit线接口554.2.3FPGA开发板接口564.2.4EJTAG接口574.3MIPSfpga处理器系统574.3.1AMB线规范574.3.2AXI线规范584.3.3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695.1并行接口的特点695.2PPI8255并行接口695.2.1PPI接口芯片705.2.2PPI接口实例: 步进电机控制接口设计735.2.3PPI接口实例: 声光报警器接口设计765.3GPIO接口795.3.1GPIO的基本概念795.3.2GPIO的结构795.3.3基于AHBLit线的GPIO应用实例80习题582第6章串行接口836.1串行通信的基本概念836.1.1串行通信的基本特点836.1.2串行通信的工作方式836.1.3串行通信数据传输的基本方式846.1.4串行通信中的调制与解调846.2串行通信协议856.2.1串行通信中的传输速率控制856.2.2串行通信中的差错检测876.2.3串行通信中的数据格式886.3串行通信接口标准916.3.1RS232C标准916.3.2RS485标准936.3.3SPI标准966.4串行通信接口电路986.4.1串行通信接口电路的基本任务986.4.2串行通信接口电路的解决方案996.5RS232C标准的串行通信接口电路设计1006.5.1设计要求1006.5.2设计方案分析1006.5.3电路与程序设计1036.6基于UART的串行通信接口电路1046.6.1设计要求1046.6.2设计方案分析1056.6.3电路与程序设计111习题6113第7章中断技术1157.1中断的概念1157.2中断的类型1157.2.1外部中断1167.2.2内部中断1167.3中断系统1177.3.1中断系统的组成1177.3.2中断系统能1187.4中断程序入口地址的式1217.4.1向量中断1217.4.2非向量中断1227.5Intel中断系统1237.5.1Intel中断系统的组成1237.5.2中断控制器PIC82C59A1237.5.3Intel系统中断资源的应用1317.5.4中断服务程序设计1337.6MIPSfpga处理器中断系统1367.6.1中断兼容模式1377.6.2向量中断模式1397.6.3外部中断控制器模式1417.6.4GPIO中断实例1427.7基于AX线接口的中断控制器1467.7.1特征概述1467.7.2基本构成1477.7.3中断处理过程1507.7.4AXI中断控制器应用实例151习题7154第8章DMA传输技术1568.1DMA传输基本原理1568.1.1DMA传输的特点1568.1.2DMA传输过程1568.2DMA操作1578.2.1DMA操作类型1578.2.2DMA操作方式1588.3DMAC与CPU对系线占有权的转移1598.4Intel DMA系统1608.4.1Intel DMA系统的组成1608.4.2可编程DMAC 82C37A1618.4.3Intel DMA传输的初始化1688.4.4Intel 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1719.1模拟量接口的作用1719.2A/D转换器1719.2.1A/D转换器的主要技术指标1719.2.2A/D转换器的外部特1729.3A/D转换器接口设计的任务与方法1739.3.1A/D转换器与CPU的连接1739.3.2A/D转换器与CPU之间的数据交换方式1749.3.3A/D转换器的数据在线处理1749.3.4A/D转换器接口设计需考虑的问题1759.4A/D转换器中断方式接口电路设计1759.5D/A转换器1799.5.1D/A转换器的主要技术指标1799.5.2D/A转换器的外部特1809.6D/A转换器接口设计的任务与方法1809.6.1D/A转换器与CPU的连接1809.6.2D/A转换器与CPU之间的数据交换方式1819.6.3D/A转换器接口设计需考虑的问题1819.7锯齿波三角波发生器接口电路设计1819.8温度采样接口电路设计184习题9191第10章USB设备接口19210.1USB概述19210.1.1USB技术的发展19210.1.2USB标准的设计目标及使用特点19310.2微机USB系统结构19410.2.1USB系统的组成19410.2.2USB通信模型及数据流模型19710.2.3USB数据传输类型与传输方式20110.3USB接口与信号定义20310.3.1USB电缆的物理特与电气特20310.3.2USB信号定义20410.3.3USB数据编码与解码20510.4USB设备接口设计基础知识20610.4.1USB设备接口逻辑结构20710.4.2USB设备状态及转换20810.4.3USB设备的配置及描述符21010.4.4USB设备的标准操作及请求21110.5大容量USB存储设备设计实例21510.5.1概述21510.5.2USB存储设备初始化21610.5.3USB传输220习题10223第11章基本人机交互设备接口22411.1人机交互设备22411.2键盘22411.2.1键盘的类型22411.2.2线键盘的工作原理22511.2.3矩阵键盘的工作原理22611.3LED显示器22711.3.1LED显示器的工作原理22811.3.2LED显示器的字形码22811.3.3LED显示器动态显示的扫描方式22911.4键盘/LED显示器接口电路设计23011.4.1键盘/LED显示器接口芯片82C79A的外部特23011.4.2键盘/LED显示器接口芯片82C79A的编程模型23111.5LED显示器接口电路设计23511.6矩阵键盘接口电路设计23711.7并行打印机接口标准及接口电路设计23811.7.1并行打印机接口标准23811.7.2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24312.1GPS定位显示系统整体设计24312.1.1系能描述24312.1.2系统设计24312.2GPS数据采集显示24412.2.1PmodGPS模块24412.2.2GPS数据采集驱动模块实现24512.2.3基于AHBLit线的GPIO模块实现24812.3UART通信25612.3.1PmodBT2模块25612.3.2UART数据收发驱动模块实现25712.3.3UART接口实现25912.4整能实现26012.4.1系统底层接口实现26012.4.2系统PC客户端软件实现26112.4.结262习题12262参考文献264
摘要与插图
第pan style="font-family:宋体">章概述
在各类微机系统中，微处理器的强能都是在外部设备(简称外设)的支持下实现的，微处理器十外设掀起了网络化与智能化的技术潮流，而外设与微处理器之间的信息交换是通过接口来实现的，接口技术已成为直接影响微机系能和微机推广应用的关键技术之一。因此，微机接口技术已成为工科大学生应该学基本知识和科技人员应该了解的常用技术。本章对接口技术的基本概念进行介绍和讨论。1.1接口的基本任务与接口技术的发展概况1.1.1接口的基本任务在微机系统中，接口处线与I/O设备之间，负责CPU与I/O设备之间的信息交换。接口在微机系统中所处的位置决定了它在CPU与I/O设备之间的桥梁作用。因此，接口技术是随CPU技术线技术的变化而发展的，也与被连接的I/O设备密切相关。在实际应用中，人是利用接口加入自己的设备或模块，构成应用系统。可见，接口技术是应用系统开发必不可少的关键技术。微机接口技术的基本任务有两个：一是实现I/O设备线的连接；二是连接起来以后，CPU通过接口对I/O设备进行访问，即操作或控制I/O设备。因此，接口技术的研究是围绕I/O设备线如何连接以及CPU如何通过接口对I/O设备进行操作展开的。这涉及接口两侧的微处理器、I/O设备及微处理器通过什么方式与途径访问设备等一系列问题。例如，I/O设备的连接问题涉及微机线结构是线还是线、接口类型是并口接口还是串行接口等；I/O设备的访问问题涉及采用何种操作系统、微机I/O地址空间的编址方式是独立编址还是统一编址以及微机的中断系统与DMA系统的应用等。这些都是接口技术需要考虑的内 …1.1.2接口技术的发展概况接口技术是随着微机体系结构、被连接的对象以及操作系统的发展而发展的。当接口应用环境发生了变化，作为桥梁的接口也必须变化。这种变化与发展，过去一直如此，今后仍然如此。在早期的计算机系统中，接口与I/O设备之间无明显的边界，接口与I/O设备控制器做在一起。在8位计算机系统中，接口与I/O设备之间有了边界，并且出现了许多接口标准。在8位/16位计算机系统中，接口面向的对象与环境是XT/ISADOS操作系统。在现代微机系统(例如Intel架构下的系统)中，接口面向的对象与环境是PCIWindows等操作系统。这使得接口技术面临许多新概念、新方法与新技术，而且出现了层次结构。简要地说明接口技术的变化发展过程。在早期的计算机系统中并没有设置独立的接口电路，对外设的控制与管理由CPU直接进行。这在当时外设品种少、操作简单的情况下是一种简单可行的方法。然而，随着微机技术的发展，微机应用越来越广泛，外设门类、品增加，且能各异，操作复杂，从而导致接口的出现。其原因如下：首先，如果仍由CPU直接管理外设，会使CPU陷入与外设打交道的沉重负担中，导致CPU工作效率低下；其次，由于外设种类繁多，且每种外设提供的信息格式、电平高低、逻辑关系各不相同，因此，主机对每一种外设都要配置一套相应的控制和逻辑电路，使得主机对外议时拴制电酳F币发示，v，入阻J异机的发展。为了解决以上问题，初在CPU与外设之间设置简单的接口电路，后来逐步发展为独能的接口和I/O设备控制器，把对外设的控制任务交给接口和I/O设备控制器去完成，这样极大地减轻了主机的负担，简化了CPU对外设的控制和管理。同时，有了接口之后，研制CPU时无须考虑外设的结构特如何，研制外设时也无须考虑它是与哪种CPU连接。CPU与外设按照各自的规律更新，形成CPU和外设产品的标准化和系列化，促进了微机系统的发展。接口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。各种高能接口标准的不断推出和使用，超大规模接口集成芯片的不断出现，以及接口控制软件固化技术的应用，使得接口向智能化、标准化、能化及高集成度化的方向发展。市场上还流行一种紧凑的I/O子系统结构，是把接口与I/O设备控制器及I/O设备融合在一起，而不单独设置接口电路。例如，高速I/O设备(硬盘驱动器和网卡)中采用了这种结构。由于微机体系结构的变化及微电子技术的发展，微机系统所配置的接口的物理结构也发生了变化，以往在微机系统板上能见到的一个个单独的接口芯片，现在集成在一块超大规模的外围芯片中，也是说，原来的那些接口芯片在物理结构上已“面目全非”。目前，越来越多的接口设计人员采用大规模可编程逻辑阵列芯片把多个接口电路集中在一个芯片中。例如，用一个FPGA或CPLD芯含并行接口、串行接口、定时计数器以及I/O端口地址译码电路。这些都只是接口电路结构上的变化，而接口能与工作原理并未改变。需要指出的是，尽管外设及接口有了很大的发展，但比起微处理器突飞猛进的发展，差距仍然很大，尤其是在数据传输速率方面还存在尖锐的矛盾年来，工业界推出了不少新型外设线技术、接口标准及芯片组，正是为了解决系统I/O瓶颈问题。今后还会出能更强大、技术更先进、使用更方便的外设及接口。CPU、外设及接口在微机系统中所起的作用不同，因而对它们的要求也不一样。例如，8位数据宽度基本上可以满足一般工业系统对外设和接口的要求，而微处理器内部数据处理则要求32位、64位甚更高。集成度的提高与物理结构上的改变并不意味着否定接口在逻能上的兼容。初学者好从基本接口电路开始，在充分理解了独立接口芯片的工作原理、方法及特点之后，才能更好地了解并掌握高集成度的组合接口芯片的工作原理与使用方法。1.2接口的层次概念Intel系统而言，从早期PC发展到现代微机，影响接口变化的因素主要有两个。一个因素线结构不同，这属于硬件上的变化。早期微机是线，只有单线，如ISA
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