微機接口技術聶偉榮2011年春2024/8/302課程主要內容1微機接口技術基礎2DMA控制器3總線技術4串行通信接口及其應用5A/D、D/A轉換技術及其接口6人機接口2024/8/303教材及參考書主要教材:1.艾德才主編,微機接口技術實用教程(第二版),清華大學出版社,2009.52.雷麗文，微機原理與接口技術，電子工業出版社，2003參考書：

1.戴梅萼,史嘉權。微型計算機技術及應用,電子工業出版社,20032.李大友，微型計算機接口技術，清華大學出版社，1997先修課程：微機原理及應用，模擬電路與數字電路2024/8/304教學要求與考核要求：通過本課程的學習和實驗，了解并掌握基本串行接口、并行接口、人―機接口通信及數據采集系統的組成、基本原理、設計方法，并掌握微機在測控系統中的簡單應用；在微機系統工程應用方面的實際動手能力得到鍛煉和提高。

考核：平時成績20%，實驗成績10%，期末考試70%。期末考試形式：開卷

1微機接口技術基礎1.1

接口及接口技術的基本概念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微機接口設計與分析的基本方法2024/8/306微機硬件系統組成2024/8/307微機硬件系統結構圖2024/8/308人是通過外部設備和軟件使用計算機的，由于多種原因（信號兼容、電平匹配、時序\速度匹配、管理多個外設等），外設往往不能與系統總線直接相連，它們之間的信息交換需要一個中間環節（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方面的含義。1.1

接口及接口技術的基本概念2024/8/309從硬件角度講，一個微機系統由CPU、存儲器、接口電路、外部設備、電源及系統總線構成，存儲器和各類外設都是通過各自的接口電路連接到系統總線上，如圖1.1所示。不同的外部設備，通過各自相應的接口電路（或接口卡），連接到系統總線上，從而與CPU進行信息交換。1.1

接口及接口技術的基本概念CPU內存內存接口電源輸入接口輸出接口通信接口過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顯示器繪圖儀調制器解調器電傳機ADCDAC開關量磁盤機磁帶機光存儲器數字化儀表2024/8/30111.1

接口及接口技術的基本概念從軟件角度講，CPU對外設的監控以及CPU、M與外設的信息交換是通過相應的接口程序來完成，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算機與外設之間的信息交換。2024/8/30121.1

接口及接口技術的基本概念微機接口：是指CPU與存儲器、外部設備，或者兩種外設之間，或者兩種機器之間通過系統總線進行連接的一組控制電路及其相應的控制程序,是CPU與外設進行信息交換的中轉站。接口從廣義上講，凡是兩個相對獨立的子系統之間的連接部分均可稱之為接口。2024/8/3013接口技術：是采用硬件和軟件相結合的方法研究微處理器如何與外部世界進行最佳耦合與匹配以實現CPU與外界高效且可靠的信息交換的一門技術,是計算機應用領域的非常重要的技術。1.1

接口及接口技術的基本概念2024/8/30141.2接口的功能1)

設備的選擇功能：即接口被譯碼尋址功能2)

數據的鎖存與緩沖：輸入緩沖，輸出鎖存3)

信號轉換：串/并、并/串轉換，數/模、模/數的轉換，電平轉換，光電隔離等4)對外設的控制和監測：提供命令譯碼和狀態信息5)

中斷或DMA管理6)

可編程功能

微機中，接口的基本功能就是對數據傳送實現控制，具體包括以下六種功能：結論：任何和CPU交換信息的設備及器件都必須通過相應的接口才能和總線相連。2024/8/30151.3接口電路的組成及其傳遞的信息1．數據信息(Data)：

1)數字量：以二進制或ASCII碼表示的數或字符；

2)模擬量：如溫度、壓力、位移等；

3)開關量：只有兩個狀態的量，如開關的合與斷，閥門的開與關等，只要用1位二進制數即可表示。2．狀態信息(Status)：

1)輸入裝置的狀態：是否準備好數據（Ready）；

2)輸出裝置的狀態：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或停止等信息。CPU與I/O設備之間通過接口要傳送的信息包括數據信息、狀態信息和控制信息。2024/8/3016接口電路的組成盡管功能不同的接口電路結構差別很大，但從使用和編程的角度來看，接口電路對應傳送數據信息、狀態信息和控制信息，應該包括數據緩沖寄存器、狀態寄存器和控制寄存器等基本電路。接口電路連接于系統總線，接口電路還應包括總線驅動、地址譯碼等讀寫控制邏輯電路。一個典型的接口電路如下圖所示。2024/8/3017典型接口電路2024/8/3018CPU與外設之間的數據傳送方式(1)無條件傳送方式

(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指令來執行輸入輸出，CPU處于主動地位。(3)中斷傳送方式(4)直接存儲器存取(DMA)方式CPU與外部設備交換信息通常有如下四種方式：2024/8/3019無條件傳輸方式

最簡單的傳送方式，它適用于外設總是處于準備好的情況，如開關設備等，較少使用。1．無條件傳送的輸入方式

由于簡單外設用為輸入設備時，輸入數據的保持時間相對于CPU的處理時間要長得多，所以可直接使用三態緩沖器和總線相連。輸入時認為來自外設的數據已出現在三態緩沖器的輸入端。2．無條件傳送的輸出方式

在輸出時，CPU的輸出數據經數據總線加至輸出鎖存器的輸入端。2024/8/3020查詢傳輸方式

查詢傳送方式就是在傳送前先查詢外設的狀態，當外設準備好了才傳送；若未準備好，則CPU等待外設。1）查詢式輸入

CPU先從狀態口輸入外設的狀態信息，檢查外設是否已準備好數據。若未準備好，則CPU進入循環等待，直到準備好才退出循環，輸入數據。2）查詢式輸出查詢式輸出時，CPU必須先查外設的BUSY狀態，看外設的數據緩沖區是否已空。若緩沖區為空，即BUSY為假，則CPU執行輸出指令；否則若BUSY為真，CPU就等待。2024/8/3021中斷傳輸方式

在查詢傳送方式中，CPU要不斷地詢問慢速的外設，當外設沒有準備好，CPU就要等待，不能做其它的操作，這樣就浪費了CPU的時間。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和多個外設并行工作，此時外設處于主動地位。在一定的條件下，外設向CPU提出中斷請求，CPU響應中斷請求后，暫停原程序的執行，轉至為中斷服務，中斷處理結束后繼續原程序的執行。2024/8/3022直接存儲器存取方式(DMA)

中斷傳送方式相對于查詢傳送方式來說，大大提高了CPU的利用率，但中斷傳送方式仍然是由CPU通過指令來傳送的。每次中斷，都要進行保護斷點、保護現場，傳送數據、存取數據以及最后恢復現場、返回主程序等操作，需要執行很多條指令。

DMA方式是在DMA控制器的控制下，在存儲器與I/O設備之間直接進行數據交換而不通過CPU。這樣數據傳送上限將主要取決于存儲器的存取速度，數據傳輸效率最高。2024/8/30231.4接口的編址與譯碼一個接口（Interface)一般含有幾個端口(Port)，CPU通過輸入輸出指令向端口存或取信息。端口主要有三類：數據口(Data)

狀態口(Status)

控制口(Control)2024/8/3024I/O裝置CPU接口信息I/O端口1I/O端口2I/O端口3端口地址數據IORQRDWR數據狀態控制2024/8/3025端口的編址方式

I/O映射方式(I/O端口獨立編址)：(1)

I/O設備的地址空間和存儲器地址空間是獨立的、分開的，即I/O接口地址不占用存儲器的地址空間。(2)

微處理器對I/O設備的管理是用專門的IN和OUT指令來實現數據傳送的。(3)

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

通常有兩種I/O接口結構：一種是I/O映射方式，一種是存儲器映射I/O方式。2024/8/3026端口的編址方式

存儲器映射I/O方式(I/O端口與M統一編址)：(1)

I/O設備與存儲器共用同一個地址空間。(2)

微處理器用對存儲器進行操作的指令來實現對I/O設備的管理。(3)

CPU用對存儲器的讀寫控制信號MEMR、MEMW對I/O設備進行讀寫控制。Motorola的CPU采用這種方式。2024/8/3027I/O端口地址的譯碼方法

用邏輯門電路進行譯碼用譯碼器進行地址譯碼開關式可選口地址譯碼2024/8/30281.5常用外圍接口芯片微機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）定時器/計數器8253、8254、Z80-CTC；4）中斷控制器8259A；5)DMA控制器8237A、Z80-DMA；6）人機接口: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轉換器ADC0809和D/A轉換器DAC0832等。2024/8/3029IBMPC機與外設的主要接口芯片定時/計數器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其它中小規模集成電路，如緩沖器、鎖存器以及用于與存儲器以及鍵盤連接的接口芯片等。2024/8/3030

數據總線緩沖器計數器0號D7~D0內部數據總線RDWRA0A1CS讀/寫控制邏輯計數器1號計數器2號控制字寄存器CLK0GATE0OUT0CLK1GATE1OUT1CLK2GATE2OUT28253的內部結構2024/8/3031

A組控制B組控制數據總線緩沖器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位內部數據總線PA7~PA0PC7~PC4PC3~PC0PB7~PB0CPU接口內部邏輯外設接口82552024/8/30328259A的內部結構

數據總線緩沖器控制邏輯D7~D0內部數據總線RDWRA0CS讀/寫控制邏輯在服務寄存器(ISR)優先權電路級聯緩沖/比較器IR0IR1IR2IR3IR4IR5IR6IR7CAS0CAS1CAS2SP/EN中斷請求寄存器(IRR)中斷屏蔽寄存器(IMR)INTAINT2024/8/30331.6微機接口設計與分析的基本方法

首先要分析接口兩側的情況對CPU一側，要弄清CPU的類型和總線引腳定義，如CPU提供的數據寬度（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），以及時序關系有什么特點。對于外設一側，連線只有三種：數據線（即接口的數據端口）、控制線和狀態線。設計和分析的重點應放在控制線和狀態線上，因為接口上的同一個引腳接不同外設時的作用可能不同。外設的速度千差萬別，而且相差懸殊。因此尤其要注意如何借助接口在時序上與CPU配合工作。

2024/8/3034進行適當的信號轉換有些接口芯片的信號線可直接與CPU系統連接，有些信號線則需經過一定的處理或變換，這種變換包括邏輯上、時序上或電平上的。特別是接外設一側的信號線，由于外設需要的電平常常不是TTL電平,而且要求有一定驅動能力。因此多數情況下，要經過一定轉換才能連接。總之，CPU和外設之間的各種不匹配都要由接口電路完成雙方的匹配和協調工作，以保證信息的正確傳輸。1.6微機接口設計與分析的基本方法

2024/8/3