文档介绍：第七章嵌入式微处理器的设计
微型计算机在机械工程中有着广泛的应用,如数据的计算、分析,计算机辅助设计(CAD),工业过程的信号采集或控制等。数据的计算、分析和计算机辅助设计基本上是进行数据、文字和图形的处理,本章主要介绍与工业过程的信号采集和控制方面有关的硬件和软件内容。
任何一台电子计算机都具有输入、存储、运算、控制和输出5个基本单元。其中输入输出系统分别模拟了人的感受器和效应器的功能;存储器模拟了人的记忆功能;控制器和运算器模拟了判断和计算功能,它的结构如图所示。
上图所示基本部件中,运算器和控制器是系统核心。在第四代大规模集成电路计算机中,把台式计算机中的11片芯片压缩为中央处理单元(CPU)、读写存储器(RAM)和只读存储器(ROM)3片电路,CPU承担控制器和运算器的功能。这三片电路必须通过接口电路与必要的输入输出设备结合在一起,才构成下图所示的一个完整的嵌入式微处理器系统。
微处理器与内存及I/O接口电路的连接
在嵌入式微处理器系统中,微处理器总是通过数据总线、地址总线和控制总线与存储器及I/O接口电路相连的。其中:
数据总线用来传送信息;
地址总线用于指定被传送信息的地址;
控制总线用于区分所执行操作的性质和时刻,并且也用于传送中断、直接存储器访问(DMA)和其他控制信号。
几乎所有的存储器和I/O接口电路都与微处理器共用同一数据总线,因此微处理器必须依靠地址信号和相应的控制信号来区分与存储单元和I/O接口寄存器的信息交换。
I/O接口电路是CPU与外部设备之间交换信息的必经之路。各种I/O接口电路都要完成以下工作:
在系统总线一侧,有若干寄存器负责数据缓冲,若干种逻辑电路负责传输管理等;
在外设一侧,有各种电平转换电路和逻辑电路,负责电平转换、数据格式变换、联络和时序控制等。
有的外部设备要与CPU交换不止一种信息,这个外部设备的接口在总线一侧供CPU访问的寄存器就不止一个,称一个寄存器为一个I/O端口。由于外设种类繁多,不同的I/O接口电路外设一侧差别很大。有的外设自备接口电路,可以直接接在总线上。
按总体功能分类,接口电路可分为输入接口电路和输出接口电路;
按外设的信息传送方式可分为并行接口和串行接口;
按外设的信息类型可分为模拟量接口和数字量接口;
按是否可编程还可分为不可编程的和可编程的。不可编程的接口电路、不可编程的接口电路芯片结构较简单,常用作一些简单外设的接口;可编程接口电路芯片结构较复杂,功能较丰富,能够通过软件式设定芯片的工作方式。
随着超大规模集成电路技术的发展,已有多种通用或专用的接口芯片问世,其应用前景将会更加广阔。
存储器与I/O端口的编址方式
为了区分微处理器是同存储器交换信息还是与I/O接口寄存器交换信息,必须对存储器及I/O端口进行编址。编址的方式有两种:
1. 独立编址
2. 统一编址
存储器与I/O端口独立编址
这是微型计算机系统常用的编址方式,简称独立编址法。这种编址方式将存储空间和I/O接口寄存器地址空间分开设置、互不影响。采用独立编址的微处理器,指令系统有访内(访问内存)指令和访外(访问外设)指令,并且当这些指令被执行时,控制器会产生相应的控制信号控制访内和访外操作。
Z-80、Intel8086/8088和Intel X86系列的CPU都采用独立编址方式。Intel8086/8088可以访问64K(65536)个8位的I/O端口,两个相邻的8位端口可组成一个16位端口,这种处理器的指令系统中既有专门访问8位端口的输入、输出指令,也有专门访问16位端口的输入、输出指令。
8088CPU在最小模式和最大模式下独立编址的寻址信号见图7-3。当CPU执行访问内存的指令时,除使RD或WR有效外,同时使IO/M信号为低电平,表示当前对内存读或写。而当CPU执行访问I/O端口的指令时,使IO/M为高电平,表示当前在对外设读或写。