微机接口技术概述

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,微机接口技术,聂伟荣,2011年春,11/18/2024,1,课程主要内容,1 微机接口技术基础,2 DMA控制器,3 总线技术,4 串行通信接口及其应用,5 A/D、D/A转换技术及其接口,6 人机接口,11/18/2024,2,教材及参考书,主要教材,:,1.,艾德才 主编,微机接口技术实用教程,(,第二版,),清华大学出版社,2009.5,2.,雷丽文，微机原理与接口技术，电子工业出版社，,2003,参考书：,1.,戴梅萼,史嘉权。微型计算机技术及应用,电子工业出版社,2003,2.,李大友，微型计算机接口技术，清华大学出版社，,1997,先修课程：,微机原理及应用，模拟电路与数字电路,11/18/2024,3,教学要求与考核,要求：,通过本课程的学习和实验，了解并掌握基本串行接口、并行接口、人机接口通信及数据采集系统的组成、基本原理、设计方法，并掌握微机在测控系统中的简单应用；在微机系统工程应用方面的实际动手能力得到锻炼和提高。,考核：,平时成绩20%，实验成绩10%，期末考试70%。,期末考试形式：开卷,11/18/2024,4,1 微机接口技术基础,1.1,接口及接口技术的基本概念,1.2 接口的功能,1.3,接口电路的组成及其传递的信息,1.4 接口的编址与译码,1.5常用外围接口芯片,1.6 微机接口设计与分析的基本方法,11/18/2024,5,微机硬件系统组成,11/18/2024,6,微机硬件系统结构图,11/18/2024,7,人是通过外部设备和软件使用计算机的，由于多种原因（信号兼容、电平匹配、时序速度匹配、管理多个外设等），外设往往不能与系统总线直接相连，它们之间的信息交换需要一个中间环节（或称界面），这就是接口(,Interface：,接口，界面),。,接口的基本概念包括 硬件接口和软件接口两个方面的含义。,1.1,接口及接口技术的基本概念,11/18/2024,8,从硬件角度讲，一个微机系统由CPU、存储器、接口电路、外部设备、电源及系统总线构成，存储器和各类外设都是通过各自的,接口电路,连接到系统总线上，如图1.1所示。,不同的外部设备，通过各自相应的接口电路（或接口卡），连接到系统总线上，从而与CPU进行信息交换。,1.1,接口及接口技术的基本概念,11/18/2024,9,CPU,内 存,内存接口,电 源,输入接口,输出接口,通信接口,过程控制接口,外存接口,智能仪器接口,键盘,光笔,声音输入,图形输入,打印机,显示器,绘图仪,调制器,解调器,电传机,ADC,DAC,开关量,磁盘机,磁带机,光存储器,数字化,仪表,11/18/2024,10,1.1,接口及接口技术的基本概念,从软件角度讲，CPU对外设的监控以及CPU、M与外设的信息交换是通过相应的,接口程序,来完成，因此软件接口也是接口的重要组成部分。,硬件电路和接口程序相配合才能完成计算机与外设之间的信息交换。,11/18/2024,11,1.1,接口及接口技术的基本概念,微机接口：,是指CPU与存储器、外部设备，或者两种外设之间，或者两种机器之间通过系统总线进行连接的一组控制电路及其相应的控制程序,是CPU与外设进行信息交换的中转站。,接口,从广义上讲，凡是两个相对独立的子系统之间的连接部分均可称之为接口。,11/18/2024,12,接口技术,：是采用硬件和软件相结合的方法研究微处理器如何与外部世界进行,最佳耦合与匹配,以实现CPU与外界,高效且可靠,的信息交换的一门技术,是计算机应用领域的非常重要的技术。,1.1,接口及接口技术的基本概念,11/18/2024,13,1.2 接口的功能,1),设备的选择功能：,即接口被译码寻址功能,2),数据的锁存与缓冲：,输入缓冲，输出锁存,3),信号转换：,串/并、并/串转换，数/模、模/数的转换，电平转换，光电隔离等,4)对外设的控制和监测：,提供命令译码和状态信息,5)中断或DMA管理,6),可编程功能,微机中，接口的基本功能就是对数据传送实现控制，具体包括以下,六种,功能：,结论：,任何和CPU交换信息的设备及器件都必须通过相应的接口才能和总线相连,。,11/18/2024,14,1.3,接口电路的组成及其传递的信息,1数据信息(Data)：,1)数字量,：,以二进制或ASCII码表示的数或字符；,2)模拟量：,如温度、压力、位移等；,3)开关量：,只有两个状态的量，如开关的合与断，阀门的开与关等，只要用1位二进制数即可表示。,2状态信息(Status)：,1)输入装置的状态：是否准备好数据（Ready）；,2)输出装置的状态：若为空（Empty）则可传送；若输出装置忙（以Busy指示）则不可传送；,3控制信息(Control)：,如控制输入输出装置启动或停止等信息。,CPU与I/O设备之间通过接口要传送的信息包括,数据信息、状态信息和控制信息,。,11/18/2024,15,接口电路的组成,尽管功能不同的接口电路结构差别很大，但从使用和编程的角度来看，接口电路对应传送数据信息、状态信息和控制信息，应该包括数据缓冲寄存器、状态寄存器和控制寄存器等基本电路。,接口电路连接于系统总线，接口电路还应包括总线驱动、地址译码等读写控制逻辑电路。,一个典型的接口电路如下图所示。,11/18/2024,16,典型接口电路,11/18/2024,17,CPU与外设之间的数据传送方式,(1)无条件传送方式,(2)查询传送方式,以上两种方式合称,程序控制传送方式,，即在程序的编制中利用I/O指令来执行输入输出，CPU处于主动地位。,(3)中断传送方式,(4)直接存储器存取(DMA)方式,CPU与外部设备交换信息通常有如下四种方式：,11/18/2024,18,无条件传输方式,最简单的传送方式，它适用于外设总是处于准备好的情况，如开关设备等，较少使用。,1无条件传送的输入方式,由于简单外设用为输入设备时，输入数据的保持时间相对于CPU的处理时间要长得多，所以可直接使用三态缓冲器和总线相连。输入时认为来自外设的数据已出现在三态缓冲器的输入端。,2无条件传送的输出方式,在输出时，CPU的输出数据经数据总线加至输出锁存器的输入端。,11/18/2024,19,查询传输方式,查询传送方式就是在传送前先查询外设的状态，当外设准备好了才传送；若未准备好，则CPU等待外设。,1）,查询式输入,CPU先从状态口输入外设的状态信息，检查外设是否已准备好数据。若未准备好，则CPU进入循环等待，直到准备好才退出循环，输入数据。,2）,查询式输出,查询式输出时，CPU必须先查外设的BUSY状态，看外设的数据缓冲区是否已空。若缓冲区为空，即BUSY为假，则CPU执行输出指令；否则若BUSY为真，CPU就等待。,11/18/2024,20,中断传输方式,在查询传送方式中，CPU要不断地询问慢速的外设，当外设没有准备好，CPU就要等待，不能做其它的操作，这样就浪费了CPU的时间。,为了提高CPU的工作效率，提出了中断传送方式。采用,中断,传送方式，可允许CPU和多个外设并行工作，此时外设处于主动地位。,在一定的条件下，外设向CPU提出中断请求，CPU响应中断请求后，暂停原程序的执行，转至为中断服务，中断处理结束后继续原程序的执行。,11/18/2024,21,直接存储器存取方式(DMA),中断传送方式相对于查询传送方式来说，大大提高了CPU的利用率，但中断传送方式仍然是由CPU通过指令来传送的。每次中断，都要进行保护断点、保护现场，传送数据、存取数据以及最后恢复现场、返回主程序等操作，需要执行很多条指令。,DMA方式是在DMA控制器的控制下，在存储器与I/O设备之间直接进行数据交换而不通过CPU。这样数据传送上限将主要取决于存储器的存取速度，数据传输效率最高。,11/18/2024,22,1.4,接口的编址与译码,一个接口（,Interface,)一般含有几个,端口,(,Port,),，CPU通过输入输出指令向端口存或取信息。,端口,主要有三类：,数据口(Data),状态口(Status),控制口(Control),11/18/2024,23,I/O,装置,CPU,接口信息,I/O端口1,I/O端口2,I/O端口3,端口地址,数据,IORQ,RD,WR,数据,状态,控制,11/18/2024,24,端口的编址方式,I/O映射方式(I/O端口独立编址)：,(1)I/O设备的地址空间和存储器地址空间是独立的、分开的，即I/O接口地址不占用存储器的地址空间。,(2)微处理器对I/O设备的管理是用专门的,IN,和,OUT,指令来实现数据传送的。,(3)CPU对I/O设备的读写控制是用I/O读写控制信号,(IOR、IOW),8080、Z80、8086/8088等系列微机采用这种方式。,通常有两种I/O接口结构：一种是,I/O映射方式,，一种是,存储器映射I/O方式,。,11/18/2024,25,端口的编址方式,存储器映射I/O方式(I/O端口与M统一编址)：,(1)I/O设备与存储器共用同一个地址空间。,(2)微处理器用对存储器进行操作的指令来实现对I/O设备的管理。,(3)CPU用对存储器的读写控制信号MEMR、MEMW对I/O设备进行读写控制。,Motorola的CPU采用这种方式。,11/18/2024,26,I/O端口地址的译码方法,用逻辑门电路进行译码,用译码器进行地址译码,开关式可选口地址译码,11/18/2024,27,1.5 常用外围接口芯片,微机外围接口芯片品种繁多，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）定时器/计数器8253、8254、Z80-CTC；,4）中断控制器8259A；,5)DMA控制器8237A、Z80-DMA；,6）人机接口:键盘/LED专用控制器8279；CRT、磁盘控制器Upd765、6843等，,7）模拟接口，A/D转换器ADC0809和D/A转换器DAC0832等。,11/18/2024,28,IBM PC机与外设的主要接口芯片,定时/计数器8253,并行接口芯片8255,中断控制器8259,DMA控制器8237,串行通信控制器8250,其它中小规模集成电路，如缓冲器、锁存器以及用于与存储器以及键盘连接的接口芯片等。,11/18/2024,29,数据总线,缓冲器,计数器,0 号,D7D0,内,部,数,据,总,线,RD,WR,A0,A1,CS,读/写,控制,逻辑,计数器,1 号,计数器,2 号,控制字,寄存器,CLK0,GATE0,OUT0,CLK1,GATE1,OUT1,CLK2,GATE2,OUT2,8253的内部结构,11/18/2024,30,A组,控制,B组,控制,数据,总线,缓冲器,A组,端口A(8),A组,端口C,高4位,B组,端口C,低4位,B组,端口B (8),RD,WR,A0,A1,RESET,CS,读/写,控制,逻辑,D0D7,8位内部,数据总线,PA7PA0,PC7PC4,PC3PC0,PB7PB0,CPU接口,内部逻辑,外设接口,8255,11/18/2024,31,8259A的内部结构,数据,总线,缓冲器,控制逻辑,D7D0,内,部,数,据,总,线,RD,WR,A0,CS,读/写,控制,逻辑,在服务寄存器(ISR),优先权,电路,级联缓冲/比较器,IR0,IR1,IR2,IR3,IR4,IR5,IR6,IR7,CAS0,CAS1,CAS2,SP/EN,中断,请求,寄存器(IRR),中断屏蔽寄存器(IMR),INTA INT,11/18/2024,32,1.6 微机接口设计与分析的基本方法,首先要分析接口两侧的情况,对CPU一侧，要弄清CPU的类型和总线引脚定义，如CPU 提供的数据宽度（8bit、16bit、32bit）、地址线宽度（16bit、20bit、24bit）和控制线的逻辑