1-微機(jī)接口技術(shù)概述

微機(jī)接口技術(shù)聶偉榮2011年春2023/10/222課程主要內(nèi)容1微機(jī)接口技術(shù)基礎(chǔ)2DMA控制器3總線技術(shù)4串行通信接口及其應(yīng)用5A/D、D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)及其接口6人機(jī)接口2023/10/223教材及參考書主要教材:1.艾德才主編,微機(jī)接口技術(shù)實(shí)用教程(第二版),清華大學(xué)出版社,2009.52.雷麗文，微機(jī)原理與接口技術(shù)，電子工業(yè)出版社，2003參考書：

1.戴梅萼,史嘉權(quán)。微型計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用,電子工業(yè)出版社,20032.李大友，微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)，清華大學(xué)出版社，1997先修課程：微機(jī)原理及應(yīng)用，模擬電路與數(shù)字電路2023/10/224教學(xué)要求與考核要求：通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，了解并掌握基本串行接口、并行接口、人―機(jī)接口通信及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成、基本原理、設(shè)計(jì)方法，并掌握微機(jī)在測(cè)控系統(tǒng)中的簡(jiǎn)單應(yīng)用；在微機(jī)系統(tǒng)工程應(yīng)用方面的實(shí)際動(dòng)手能力得到鍛煉和提高。

考核：平時(shí)成績(jī)20%，實(shí)驗(yàn)成績(jī)10%，期末考試70%。期末考試形式：開(kāi)卷

1微機(jī)接口技術(shù)基礎(chǔ)1.1

接口及接口技術(shù)的基本概念1.2接口的功能1.3接口電路的組成及其傳遞的信息1.4接口的編址與譯碼1.5

常用外圍接口芯片1.6微機(jī)接口設(shè)計(jì)與分析的基本方法2023/10/226微機(jī)硬件系統(tǒng)組成2023/10/227微機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2023/10/228人是通過(guò)外部設(shè)備和軟件使用計(jì)算機(jī)的，由于多種原因（信號(hào)兼容、電平匹配、時(shí)序\速度匹配、管理多個(gè)外設(shè)等），外設(shè)往往不能與系統(tǒng)總線直接相連，它們之間的信息交換需要一個(gè)中間環(huán)節(jié)（或稱界面），這就是接口(Interface：接口，界面)。接口的基本概念包括硬件接口和軟件接口兩個(gè)方面的含義。1.1

接口及接口技術(shù)的基本概念2023/10/229從硬件角度講，一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)由CPU、存儲(chǔ)器、接口電路、外部設(shè)備、電源及系統(tǒng)總線構(gòu)成，存儲(chǔ)器和各類外設(shè)都是通過(guò)各自的接口電路連接到系統(tǒng)總線上，如圖1.1所示。不同的外部設(shè)備，通過(guò)各自相應(yīng)的接口電路（或接口卡），連接到系統(tǒng)總線上，從而與CPU進(jìn)行信息交換。1.1

接口及接口技術(shù)的基本概念CPU內(nèi)存內(nèi)存接口電源輸入接口輸出接口通信接口過(guò)程控制接口外存接口智能儀器接口鍵盤光筆聲音輸入圖形輸入打印機(jī)顯示器繪圖儀調(diào)制器解調(diào)器電傳機(jī)ADCDAC開(kāi)關(guān)量磁盤機(jī)磁帶機(jī)光存儲(chǔ)器數(shù)字化儀表2023/10/22111.1

接口及接口技術(shù)的基本概念從軟件角度講，CPU對(duì)外設(shè)的監(jiān)控以及CPU、M與外設(shè)的信息交換是通過(guò)相應(yīng)的接口程序來(lái)完成，因此軟件接口也是接口的重要組成部分。硬件電路和接口程序相配合才能完成計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的信息交換。2023/10/22121.1

接口及接口技術(shù)的基本概念微機(jī)接口：是指CPU與存儲(chǔ)器、外部設(shè)備，或者兩種外設(shè)之間，或者兩種機(jī)器之間通過(guò)系統(tǒng)總線進(jìn)行連接的一組控制電路及其相應(yīng)的控制程序,是CPU與外設(shè)進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站。接口從廣義上講，凡是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)之間的連接部分均可稱之為接口。2023/10/2213接口技術(shù)：是采用硬件和軟件相結(jié)合的方法研究微處理器如何與外部世界進(jìn)行最佳耦合與匹配以實(shí)現(xiàn)CPU與外界高效且可靠的信息交換的一門技術(shù),是計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的非常重要的技術(shù)。1.1

接口及接口技術(shù)的基本概念2023/10/22141.2接口的功能1)

設(shè)備的選擇功能：即接口被譯碼尋址功能2)

數(shù)據(jù)的鎖存與緩沖：輸入緩沖，輸出鎖存3)

信號(hào)轉(zhuǎn)換：串/并、并/串轉(zhuǎn)換，數(shù)/模、模/數(shù)的轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換，光電隔離等4)對(duì)外設(shè)的控制和監(jiān)測(cè)：提供命令譯碼和狀態(tài)信息5)

中斷或DMA管理6)

可編程功能

微機(jī)中，接口的基本功能就是對(duì)數(shù)據(jù)傳送實(shí)現(xiàn)控制，具體包括以下六種功能：結(jié)論：任何和CPU交換信息的設(shè)備及器件都必須通過(guò)相應(yīng)的接口才能和總線相連。2023/10/22151.3接口電路的組成及其傳遞的信息1．?dāng)?shù)據(jù)信息(Data)：

1)數(shù)字量：以二進(jìn)制或ASCII碼表示的數(shù)或字符；

2)模擬量：如溫度、壓力、位移等；

3)開(kāi)關(guān)量：只有兩個(gè)狀態(tài)的量，如開(kāi)關(guān)的合與斷，閥門的開(kāi)與關(guān)等，只要用1位二進(jìn)制數(shù)即可表示。2．狀態(tài)信息(Status)：

1)輸入裝置的狀態(tài)：是否準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)（Ready）；

2)輸出裝置的狀態(tài)：若為空（Empty）則可傳送；若輸出裝置忙（以Busy指示）則不可傳送；3．控制信息(Control)：如控制輸入輸出裝置啟動(dòng)或停止等信息。CPU與I/O設(shè)備之間通過(guò)接口要傳送的信息包括數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。2023/10/2216接口電路的組成盡管功能不同的接口電路結(jié)構(gòu)差別很大，但從使用和編程的角度來(lái)看，接口電路對(duì)應(yīng)傳送數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息，應(yīng)該包括數(shù)據(jù)緩沖寄存器、狀態(tài)寄存器和控制寄存器等基本電路。接口電路連接于系統(tǒng)總線，接口電路還應(yīng)包括總線驅(qū)動(dòng)、地址譯碼等讀寫控制邏輯電路。一個(gè)典型的接口電路如下圖所示。2023/10/2217典型接口電路2023/10/2218CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式(1)無(wú)條件傳送方式

(2)查詢傳送方式以上兩種方式合稱程序控制傳送方式，即在程序的編制中利用I/O指令來(lái)執(zhí)行輸入輸出，CPU處于主動(dòng)地位。(3)中斷傳送方式(4)直接存儲(chǔ)器存取(DMA)方式CPU與外部設(shè)備交換信息通常有如下四種方式：2023/10/2219無(wú)條件傳輸方式

最簡(jiǎn)單的傳送方式，它適用于外設(shè)總是處于準(zhǔn)備好的情況，如開(kāi)關(guān)設(shè)備等，較少使用。1．無(wú)條件傳送的輸入方式

由于簡(jiǎn)單外設(shè)用為輸入設(shè)備時(shí)，輸入數(shù)據(jù)的保持時(shí)間相對(duì)于CPU的處理時(shí)間要長(zhǎng)得多，所以可直接使用三態(tài)緩沖器和總線相連。輸入時(shí)認(rèn)為來(lái)自外設(shè)的數(shù)據(jù)已出現(xiàn)在三態(tài)緩沖器的輸入端。2．無(wú)條件傳送的輸出方式

在輸出時(shí)，CPU的輸出數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)總線加至輸出鎖存器的輸入端。2023/10/2220查詢傳輸方式

查詢傳送方式就是在傳送前先查詢外設(shè)的狀態(tài)，當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好了才傳送；若未準(zhǔn)備好，則CPU等待外設(shè)。1）查詢式輸入

CPU先從狀態(tài)口輸入外設(shè)的狀態(tài)信息，檢查外設(shè)是否已準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)。若未準(zhǔn)備好，則CPU進(jìn)入循環(huán)等待，直到準(zhǔn)備好才退出循環(huán)，輸入數(shù)據(jù)。2）查詢式輸出查詢式輸出時(shí)，CPU必須先查外設(shè)的BUSY狀態(tài)，看外設(shè)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是否已空。若緩沖區(qū)為空，即BUSY為假，則CPU執(zhí)行輸出指令；否則若BUSY為真，CPU就等待。2023/10/2221中斷傳輸方式

在查詢傳送方式中，CPU要不斷地詢問(wèn)慢速的外設(shè)，當(dāng)外設(shè)沒(méi)有準(zhǔn)備好，CPU就要等待，不能做其它的操作，這樣就浪費(fèi)了CPU的時(shí)間。為了提高CPU的工作效率，提出了中斷傳送方式。采用中斷傳送方式，可允許CPU和多個(gè)外設(shè)并行工作，此時(shí)外設(shè)處于主動(dòng)地位。在一定的條件下，外設(shè)向CPU提出中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求后，暫停原程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)至為中斷服務(wù)，中斷處理結(jié)束后繼續(xù)原程序的執(zhí)行。2023/10/2222直接存儲(chǔ)器存取方式(DMA)

中斷傳送方式相對(duì)于查詢傳送方式來(lái)說(shuō)，大大提高了CPU的利用率，但中斷傳送方式仍然是由CPU通過(guò)指令來(lái)傳送的。每次中斷，都要進(jìn)行保護(hù)斷點(diǎn)、保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，傳送數(shù)據(jù)、存取數(shù)據(jù)以及最后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)、返回主程序等操作，需要執(zhí)行很多條指令。

DMA方式是在DMA控制器的控制下，在存儲(chǔ)器與I/O設(shè)備之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而不通過(guò)CPU。這樣數(shù)據(jù)傳送上限將主要取決于存儲(chǔ)器的存取速度，數(shù)據(jù)傳輸效率最高。2023/10/22231.4接口的編址與譯碼一個(gè)接口（Interface)一般含有幾個(gè)端口(Port)，CPU通過(guò)輸入輸出指令向端口存或取信息。端口主要有三類：數(shù)據(jù)口(Data)

狀態(tài)口(Status)

控制口(Control)2023/10/2224I/O裝置CPU接口信息I/O端口1I/O端口2I/O端口3端口地址數(shù)據(jù)IORQRDWR數(shù)據(jù)狀態(tài)控制2023/10/2225端口的編址方式

I/O映射方式(I/O端口獨(dú)立編址)：(1)

I/O設(shè)備的地址空間和存儲(chǔ)器地址空間是獨(dú)立的、分開(kāi)的，即I/O接口地址不占用存儲(chǔ)器的地址空間。(2)

微處理器對(duì)I/O設(shè)備的管理是用專門的IN和OUT指令來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的。(3)

CPU對(duì)I/O設(shè)備的讀寫控制是用I/O讀寫控制信號(hào)(IOR、IOW)8080、Z80、8086/8088等系列微機(jī)采用這種方式。

通常有兩種I/O接口結(jié)構(gòu)：一種是I/O映射方式，一種是存儲(chǔ)器映射I/O方式。2023/10/2226端口的編址方式

存儲(chǔ)器映射I/O方式(I/O端口與M統(tǒng)一編址)：(1)

I/O設(shè)備與存儲(chǔ)器共用同一個(gè)地址空間。(2)

微處理器用對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作的指令來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O設(shè)備的管理。(3)

CPU用對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫控制信號(hào)MEMR、MEMW對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行讀寫控制。Motorola的CPU采用這種方式。2023/10/2227I/O端口地址的譯碼方法

用邏輯門電路進(jìn)行譯碼用譯碼器進(jìn)行地址譯碼開(kāi)關(guān)式可選口地址譯碼2023/10/22281.5常用外圍接口芯片微機(jī)外圍接口芯片品種繁多，常用的有：1）并行接口芯片8255A、8155A、Z80-PIO：2）串行接口芯片8250、8251、Z80-SIO；3）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器8253、8254、Z80-CTC；4）中斷控制器8259A；5)DMA控制器8237A、Z80-DMA；6）人機(jī)接口:鍵盤/LED專用控制器8279；CRT、磁盤控制器Upd765、6843等，7）模擬接口，A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809和D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832等。2023/10/2229IBMPC機(jī)與外設(shè)的主要接口芯片定時(shí)/計(jì)數(shù)器8253并行接口芯片8255中斷控制器8259DMA控制器8237串行通信控制器8250其它中小規(guī)模集成電路，如緩沖器、鎖存器以及用于與存儲(chǔ)器以及鍵盤連接的接口芯片等。2023/10/2230

數(shù)據(jù)總線緩沖器計(jì)數(shù)器0號(hào)D7~D0內(nèi)部數(shù)據(jù)總線RDWRA0A1CS讀/寫控制邏輯計(jì)數(shù)器1號(hào)計(jì)數(shù)器2號(hào)控制字寄存器CLK0GATE0OUT0CLK1GATE1OUT1CLK2GATE2OUT28253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2023/10/2231

A組控制B組控制數(shù)據(jù)總線緩沖器A組端口A(8)A組端口C高4位B組端口C低4位B組端口B(8)RDWRA0A1RESETCS讀/寫控制邏輯D0~D78位內(nèi)部數(shù)據(jù)總線PA7~PA0PC7~PC4PC3~PC0PB7~PB0CPU接口內(nèi)部邏輯外設(shè)接口82552023/10/22328259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)總線緩沖器控制邏輯D7~D0內(nèi)部數(shù)據(jù)總線RDWRA0CS讀/寫控制邏輯在服務(wù)寄存器(ISR)優(yōu)先權(quán)電路級(jí)聯(lián)緩沖/比較器IR0IR1IR2IR3IR4IR5IR6IR7CAS0CAS1CAS2SP/EN中斷請(qǐng)求寄存器(IRR)中斷屏蔽寄存器(IMR)INTAINT2023/10/22331.6微機(jī)接口設(shè)計(jì)與分析的基本方法

首先要分析接口兩側(cè)的情況對(duì)CPU一側(cè)，要弄清CPU的類型和總線引腳定義，如CPU提供的數(shù)據(jù)寬度（8bit、16bit、32bit）、地址線寬度（16bit、20bit、24bit）和控制線的邏輯定義（高電平有效、低電平有效、脈沖跳變），以及時(shí)序關(guān)系有什么特點(diǎn)。對(duì)于外設(shè)一側(cè)，連線只有三種：數(shù)據(jù)線（即接口的數(shù)據(jù)端口）、控制線和狀態(tài)線。設(shè)計(jì)和分析的重點(diǎn)應(yīng)放在控制線和狀態(tài)線上，因?yàn)榻涌谏系耐粋€(gè)引腳接不同外設(shè)時(shí)的作用可能不同。外設(shè)的速度千差萬(wàn)別，而且相差懸殊。因此尤其要注意如何借助接口在時(shí)序上與CPU配合工作。

2023/10/2234進(jìn)行適當(dāng)?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換有些接口芯片的信號(hào)線可直接與CPU系統(tǒng)連接，有些信號(hào)線則需經(jīng)過(guò)一定的處理或變換，這種變換包括邏輯上、時(shí)序上或電平上的。特別是接外設(shè)一側(cè)的信號(hào)線，由于外設(shè)需要的電平常常不是TTL電平,而且要求有一定驅(qū)動(dòng)能力。因此多數(shù)情況下，要經(jīng)過(guò)一定轉(zhuǎn)換才能連接?？傊珻PU和外設(shè)之間的各種不匹配都要由接口電路完成雙方的匹配和協(xié)調(diào)工作，以保證信息的正確傳輸。1.6微機(jī)接口設(shè)計(jì)與分析的基本方法

2023/10/2