第3章接口技術與輸入輸出通道

3.1計算機接口技術3.2計算機接口設計3.1計算機接口技術

3.1.1接口、通道及其功能1、I/O接口電路

I/O接口電路簡稱接口電路，它是主機和外圍設備之間交換信息的連接部件（電路）。它在主機和外圍設備之間的信息交換中起著橋梁和紐帶作用

接口電路的主要作用如下：

（1）解決主機CPU和外圍設備之間的時序配合和通信聯(lián)絡問題。（2）解決CPU和外圍設備之間的數(shù)據(jù)格式轉換和匹配問題。（3）解決CPU的負載能力和外圍設備端口的選擇問題。2.I/O通道

I/O通道也稱為過程通道。它是計算機和控制對象之間信息傳送和變換的連接通道。典型計算機控制系統(tǒng)的組成框圖

I/O接口和I/O通道都是為實現(xiàn)主機和外圍設備（包括被控對象）之間信息交換而設的器件，其功能都是保證主機和外圍設備之間能方便、可靠、高效率地交換信息。因此，接口和通道緊密相連，在電路上往往結合在一起了。例如，目前大多數(shù)大規(guī)模集成A/D轉換器芯片，除了完成A/D轉換，起模擬量輸入通道的作用外，其轉換后的數(shù)字量可保存在片內具有三態(tài)輸出的輸出鎖存器中；同時，具有通信聯(lián)絡及I/O控制的有關信號端，可以直接掛到主機的數(shù)據(jù)總線及控制總線上去，這樣，A/D轉換器也就同時起到了輸入接口的作用。

3.1.2I/O信號的種類

在微機控制系統(tǒng)或微機系統(tǒng)中，主機和外圍設備間所交換的信息通常分為數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息三類。

1.數(shù)據(jù)信息 數(shù)據(jù)信息是主機和外圍設備交換的基本信息，通常是8位或16位的數(shù)據(jù)，它可以用并行格式傳送，也可以用串行格式傳送。數(shù)據(jù)信息又可以分為數(shù)字量、模擬量、開關量和脈沖量。

（1）數(shù)字量。 （2）模擬量。 （3）開關量。 （4）脈沖量。

2.狀態(tài)信息 狀態(tài)信息是外圍設備通過接口向CPU提供的反映外圍設備所處的工作狀態(tài)的信息，可作為兩者交換信息的聯(lián)絡信號。

3.控制信息 控制信息是CPU通過接口傳送給外圍設備的信息

3.1.3計算機和外部的通信方式

計算機和外部交換信息又稱為通信（communication）,按數(shù)據(jù)傳送方式可分為并行通信和串行通信兩種基本方式。

1.并行通信 并行通信就是把傳送數(shù)據(jù)的n位數(shù)用n條傳輸線同時傳送。其優(yōu)點是傳送速度快、信息率高，并且通常只需提供兩條控制和狀態(tài)線，就能完成CPU和接口及設備之間的協(xié)調和應答，實現(xiàn)異步傳輸。2.串行通信 串行通信是指數(shù)據(jù)按位進行傳送。 串行通信又分為全雙工方式和半雙工方式、同步方式和異步方式。 （1）全雙工方式。 （2）半雙工方式。 （3）同步通信。 （4）異步通信。 標準的異步通信格式如圖所示。

標準的異步通信數(shù)據(jù)格式3.1.4I/O控制方式

三種I/O控制方式：程序控制方式、中斷控制方式和直接存儲器存取方式。 在進行微機控制系統(tǒng)設計時，可按不同要求來選擇外圍設備的I/O控制方式。

1.程序控制方式 程序控制I/O方式是指CPU和外圍設備之間的信息傳送是在程序控制下進行的。它又可分為無條件I/O方式和查詢式I/O方式。 （1）無條件I/O方式。 無條件傳送方式的工作原理如圖所示。無條件傳送方式I/O接口的電路原理圖

（2）查詢式I/O方式。

查詢式I/O方式也稱為條件傳送方式。按查詢式I/O方式傳送信息時，CPU和外圍設備的I/O接口除需設置數(shù)據(jù)端口外，還要有狀態(tài)端口。查詢式I/O接口電路的原理框圖如圖所示。查詢式I/O方式接口電路的原理框圖

查詢式I/O方式是微機控制系統(tǒng)中經(jīng)常采用的方式。假設某微機控制系統(tǒng)中采用查詢式對1＃、2＃、3＃三個外圍設備進行I/O管理，其查詢和I/O處理的簡化程序流程圖如圖所示。查詢式I/O處理簡化程序流程圖

原理上，查詢式比無條件傳送方式可靠，接口電路簡單，不占用中斷輸入線，而且查詢程序也簡單，易于設計調試。 但是在查詢式I/O方式下，CPU要不斷地讀取狀態(tài)字和檢測狀態(tài)字，不管那個外圍設備是否有服務請求，都必須一一查詢，許多次的重復查詢可能都是無用的，而又占去了CPU的時間，效率較低。

I/O方式的選擇必須符合實時控制的要求。對于查詢式I/O方式，滿足實時控制要求的使用條件是：“所有外圍設備的服務時間的總和必須小于或等于任一外圍設備的最短響應時間”。這里所說的服務時間，是指某臺外圍設備服務子程序的執(zhí)行時間。最短響應時間是指某臺設備相鄰兩次請求服務的最短間隔時間。2.中斷控制I/O方式

為了提高CPU的效率和使系統(tǒng)具有良好的實時性，可以采用中斷控制I/O方式。 在中斷傳送時的接口電路如圖所示。

中斷傳送方式的接口電路

微機控制系統(tǒng)中，可能設計有多個中斷源，且多個中斷源可能同時提出中斷請求。多重中斷處理必須注意如下四個問題： （1）保存現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場。 （2）正確判斷中斷源。 （3）實時響應。 （4）按優(yōu)先權順序處理。3.直接存儲器存?。―MA）方式

利用中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送，可以大大提高CPU的利用率。但在中斷方式下，仍必須通過CPU執(zhí)行程序來完成數(shù)據(jù)的傳送。每進行一次數(shù)據(jù)傳送，就要執(zhí)行一次中斷過程，其中保護和恢復斷點、保護和恢復寄存器內容的操作與數(shù)據(jù)傳送沒有直接關系，但會花費掉CPU的不少時間。

DMA的工作流程如圖所示。

DMA的工作流程圖

DMA控制器框圖DMA控制器的硬件框圖8237A的內部編程結構和外部連接3.1.5I/O接口的編址方式1.I/O接口獨立編址方式 將存儲器地址空間和I/O接口地址空間分開設置，互不影響，并設有專門的輸入指令（IN）和輸出指令（OUT）來完成I/O操作。

8086微處理器的I/O接口是屬于獨立編址方式的。它允許有256個8位的I/O端口，兩個編號相鄰的8位端口可以組合成一個16位端口。

8086輸入/輸出指令可以分為兩大類。一類是直接的輸入/輸出指令，如INAL，55H；OUT70H，AX。另一類是間接的輸入輸出指令，如INAX，DX；OUTDX，AL。在執(zhí)行間接輸入/輸出指令前，必須在DX寄存器中先設置好訪問端口號。2.I/O接口與存儲器統(tǒng)一編址方式

不區(qū)分存儲器地址空間和I/O接口地址空間，它把所有的I/O接口的端口都當作是存儲器的一個單元對待，每個接口芯片都安排一個或幾個與存儲器統(tǒng)一編號的地址號；也不設專門的輸入/輸出指令，所有傳送和訪問存儲器的指令都可用來對I/O接口操作。M6800和6502微處理器以及Intel51系列的51、96系列單片機都采用I/O接口與存儲器統(tǒng)一編址方式。 兩種編址方式有各自的優(yōu)缺點。

I/O接口的編址方式是由所選定的微處理器決定的，接口設計時應按所選定的處理器規(guī)定的編址方式來設計I/O接口地址譯碼器。3.2計算機接口設計 3.2.1I/O接口與系統(tǒng)的連接

計算機接口是CPU和外圍設備之間的連接界面。典型的I/O接口和外部的連接如圖所示。

典型的I/O接口與外部的連接

典型的I/O接口芯片8255A和8251A與CPU和外圍設備的連接關系如圖?？梢姡涌谛酒cCPU之間必要的連接信號有下列4類： （1）數(shù)據(jù)信號D0～D7

（2）讀/寫控制信號 （3）片選信號CS和地址線A１、A0

（4）時鐘、復位、中斷控制、聯(lián)絡信號等控制信號8255A與CPU和外設的連接8251A與CPU和外設的連接

3.2.2I/O接口擴展

1.地址譯碼器的擴展 擴展I/O接口必然要解決I/O接口的端口（寄存器）的編址和選址問題。每個通用接口部件都包含一組寄存器，一般稱這些寄存器為I/O端口。

74LS138的管腳圖如下圖所示。74LS138管腳圖

例:采用8位的Z80CPU的微機控制系統(tǒng)，按控制要求擴展一個并行接口芯片PIO、一個計數(shù)器／定時器（CTC）、一個8位的A/D轉換器（ADC0808）和一個8位的D/A轉換器（DAC0832）。若指定它們的地址分別為40H～43H、44H～47H、58H和5CH，那么可以設計出如圖所示的地址譯碼電路。

I/O接口地址譯碼擴展

獨立編址方式的片選信號只利用地址總線的低8位（A0～A7）譯出，為了區(qū)別是訪問存儲器還是訪問I/O接口，IORQ信號是必須用的。同時,為了控制數(shù)據(jù)流向也要使用讀（RD）、寫（WR）信號。但是Z80PIO和Z80CTC芯片有些特殊，沒有WR信號引腳，它是利用IORQ、RD和Mi三個信號通過內部邏輯電路的組合而得到讀、寫、復位、中斷響應等控制信號的。

2.負載能力的擴展 擴展的I/O接口和存儲器的數(shù)據(jù)線都同時要掛到CPU的數(shù)據(jù)總線上，各芯片的地址也都要掛到CPU的地址線上，控制線也一樣要掛到CPU的控制總線上。 由表1可見，MOS器件的輸入電流小，驅動能力也差。TTL和MOS器件的輸入/輸出電流

從圖中可以看到，8286具有兩組對稱的數(shù)據(jù)引線，A7～A0為輸入數(shù)據(jù)線，B7～B0為輸出數(shù)據(jù)線。當然，由于在收發(fā)器中數(shù)據(jù)是雙向傳輸?shù)模虼藢嶋H上輸入線和輸出線也可以交換。用T表示的引腳信號就是用來控制數(shù)據(jù)傳輸方向的。當T＝1時，就使A7～A0為輸入線；當T＝0時，則使B7～B0為輸入線。在系統(tǒng)中，T端和CPU的DT/R端相連，DT/R為數(shù)據(jù)收發(fā)信號。當CPU進行數(shù)據(jù)輸出時，DT/為高電平，于是數(shù)據(jù)流由A7～A0進入，從B7～B0送出；當CPU進行數(shù)據(jù)輸入時，DT/R為低電平，于是數(shù)據(jù)流由B7～B0進入，而從A7～A0送出。

8286收發(fā)器和8088的連接 3.2.3模擬量的采樣與處理

模擬量輸入通道可完成模擬量的采集并將它轉換成數(shù)字量送入計算機的任務。依據(jù)被控參量和控制要求的不同，模擬量輸入通道的結構形式不完全相同。目前普遍采用的是公用運算放大器和A/D轉換器的結構形式，其組成方框圖如圖所示。

模擬量輸入通道的組成方框圖

1.信號處理裝置

信號處理裝置一般包括敏感元件、傳感器、濾波電路、線性化處理及電參量間的轉換電路等。

2.采樣單元

采樣單元也稱為多路轉換器或多路切換開關，它的作用是把多個已變換成統(tǒng)一電壓信號（0~40mV）的測量信號按序或隨機地接到采樣保持器或直接接到數(shù)據(jù)放大器上。

3.計算機采樣與量化

模擬信號的計算機數(shù)據(jù)采集過程需要解決用離散數(shù)據(jù)表示連續(xù)信號的精度問題。

模擬信號轉換為數(shù)字信號的過程。 （1）采樣過程。如圖所示。 （2）量化過程。 量化過程（簡稱量化）就是用一組數(shù)碼（如二進制碼）來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉換成數(shù)字信號的過程，如圖所示。

采樣過程(a）模擬信號；(b）離散模擬信號

量化過程(a）離散模擬信號；(b）數(shù)字信號

3.2.4輸入/輸出通道

在微機控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對生產過程的控制，要將對象的各種測量參數(shù)，按要求的方式送入微機。微機經(jīng)過運算、處理后，將結果以數(shù)字量的形式輸出，此時也要把該輸出變換為適合于對生產過程進行控制的量。所以在微機和生產過程之間，必須設置信息的傳遞和變換的連接通道。該連接通道被稱為輸入與輸出通道，它包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道，其組成如圖所示。輸入與輸出通道的組成

1.模擬量輸入通道

模擬量輸入通道一般由信號處理裝置、多路轉換器、采樣保持和A/D轉換器等組成。 模擬量輸出通道有以下兩種基本結構形式。 （1）一個通道設置一個D/A轉換器的形式。這種形式是指在微機和通路之