第二章輸入輸出接口技術(shù)和輸入輸出通道

§2.1概述輸入輸出接口技術(shù)——研究微處理器和外部設(shè)備之間信息交換的技術(shù)。輸入輸出接口——簡(jiǎn)稱(chēng)“接口”1、接口、通道及其功能

1)I／O接口電路I／O接口電路：主機(jī)和外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件。使主機(jī)和外設(shè)能夠協(xié)調(diào)工作，有效地完成信息交換。

2)I／O通道I／O通道：也稱(chēng)為過(guò)程通道。它是計(jì)算機(jī)和控制對(duì)象之間信息傳送和變換的連接通道。信號(hào)的輸入通路。信號(hào)的輸出通路。輸入和輸出通路的主要功能———實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的信號(hào)變換。本章學(xué)習(xí)目的:解決微型計(jì)算機(jī)和外部的連接問(wèn)題，使計(jì)算機(jī)和外部構(gòu)成一個(gè)整體，能正確、可靠、高效率的交換信息，這是設(shè)計(jì)一個(gè)微機(jī)控制系統(tǒng)必須解決的基本問(wèn)題。2、I／O信號(hào)的種類(lèi)CPU外部設(shè)備數(shù)據(jù)狀態(tài)控制通常有三類(lèi)信息：數(shù)據(jù)信息數(shù)字量模擬量開(kāi)關(guān)量狀態(tài)信息控制信息3、計(jì)算機(jī)和外部的通信方式并行通信：串行通信：把一個(gè)字符的各數(shù)位用幾條線同時(shí)進(jìn)行傳輸

數(shù)據(jù)按位進(jìn)行傳送的

串行通信全雙工方式半雙工方式同步通信異步通信發(fā)送AK1K2B

接收接收發(fā)送發(fā)送A接收數(shù)據(jù)應(yīng)答數(shù)據(jù)應(yīng)答接收B發(fā)送全雙工方式:數(shù)據(jù)信息能沿相反兩個(gè)方向傳送。

半雙工方式:數(shù)據(jù)信息可沿?cái)?shù)據(jù)傳輸線的兩個(gè)方向傳送，但同一時(shí)刻只能沿一個(gè)方向傳送。

SYNSYN控制字符控制字符數(shù)據(jù)字符...SYN同步通信：在一組字符前后加同步字符，標(biāo)志一組數(shù)據(jù)塊的開(kāi)始與結(jié)束，接收裝置接收到同步字符而開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，直到接收后同步字符，一幀數(shù)據(jù)接收結(jié)束。

異步通信：要傳送的字符代碼前加一起始位，以示該字符代碼開(kāi)始，在字符代碼后面加一停止位，以示該字符代碼結(jié)束?！?.2輸人／輸出的控制方式§2.21．程序控制方式1.無(wú)條件傳送方式2.查詢(xún)傳送方式（條件傳送方式）查詢(xún)式輸入的接口電路查詢(xún)式輸出接口電路§2.22．中斷控制I/O方式

1.中斷控制I/O時(shí)應(yīng)解決的問(wèn)題外部中斷：是通過(guò)I／O接口硬件向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，從而引起一個(gè)中斷處理過(guò)程。多重中斷處理時(shí)必須解決的四個(gè)問(wèn)題：

?

保存現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。

?

正確判斷中斷源。

?

實(shí)時(shí)響應(yīng)。

?

按優(yōu)先權(quán)順序處理。2.中斷優(yōu)先級(jí)問(wèn)題的解決軟件查詢(xún)方式雛菊鏈法專(zhuān)用硬件方式1)軟件查詢(xún)方式2)雛菊鏈法3)專(zhuān)用硬件方式3、DMA控制方式DMA控制方式：是一種成塊傳送數(shù)據(jù)的方式。8237A的數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)1.6M字節(jié)/s；8257A的數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)1．25M字節(jié)/s?！?.3I/O接口設(shè)計(jì)§2.3.1I／0接口的編址方式I／0接口與存儲(chǔ)器獨(dú)立編址方式I／0接口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式Inel8086+8288/MRDC/MWTCAB/IORC/IOWC譯碼器譯碼器去存儲(chǔ)器去I/O接口......1.I／0接口與存儲(chǔ)器獨(dú)立編址方式獨(dú)立編址方式的優(yōu)點(diǎn)：?可尋址256個(gè)端口，執(zhí)行I／O指令時(shí)間短，譯碼電路簡(jiǎn)單?程序清晰易讀?硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單獨(dú)立編址方式的缺點(diǎn)：?專(zhuān)門(mén)I／O指令的功能有限，不如訪問(wèn)內(nèi)存指令豐富；?增加了微處理器本身控制邏輯的復(fù)雜性。2．I／0接口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式

又稱(chēng)存儲(chǔ)器映像方式:把所有的I／0端口作為存儲(chǔ)單元，每個(gè)外圍設(shè)備的端口都給予相應(yīng)的一個(gè)或幾個(gè)16位地址號(hào)。Inel8086+8288AB/MRDC/MWTC/IORC/IOWC譯碼器不用…去存儲(chǔ)器去I/O接口統(tǒng)一編址方式的優(yōu)點(diǎn)：?

數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)?

輸入輸出部分可以和存儲(chǔ)器部分共用譯碼和控制電路?

CPU不需區(qū)分訪內(nèi)操作及訪問(wèn)輸入輸出操作的控制信號(hào)，可以相應(yīng)減少引腳?

I／O端口數(shù)目不受限制統(tǒng)一編址方式的缺點(diǎn)：?

每個(gè)I／O操作需全字長(zhǎng)地址譯碼，整個(gè)指令執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)?

程序中較難區(qū)分I／O操作

?

I／O端口占用了存儲(chǔ)空間地址§2.3.2I／O接口與系統(tǒng)的連接(a)通過(guò)I／O接口芯片與CPU和外圍設(shè)備的連接(b)通過(guò)I／O接口芯片與CPU和外圍設(shè)備的連接接口芯片和CPU之間必須連接的信號(hào)有下列4類(lèi)：數(shù)據(jù)信號(hào)D0~D7讀／寫(xiě)控制信號(hào)片選信號(hào)和地址線時(shí)鐘、復(fù)位、中斷控制、聯(lián)絡(luò)信號(hào)

§2.3.3I／O接口擴(kuò)展1.地址譯碼器的擴(kuò)展?使用譯碼器的目的?譯碼器常用的譯碼器有：四中選一、八中選一、十六中選一。74LSl38擴(kuò)展地址譯碼器

例：采用74LSl38作地址譯碼器設(shè)計(jì)的微機(jī)主機(jī)板接口子系統(tǒng)地址譯碼電路。/Y0/Y1/Y2/Y3/Y4/Y5/Y67輸出

2.負(fù)載能力的擴(kuò)展1)應(yīng)用總線收發(fā)器提高總線驅(qū)動(dòng)能力總線收發(fā)器——Intel8286－A0B0－－A1B1－－A2B2－－A3B3－－A4B4－－A5B5－－A6B6－－A7B7－－/OET

－82862)應(yīng)用接口芯片常用的：74LS244單向三態(tài)門(mén)74LS373(74LS273)三態(tài)輸出鎖存器74LS245三態(tài)輸出八總線收發(fā)器74LS245：

使能端/G方向控制端DIR操作LLB數(shù)據(jù)至A總線LHA數(shù)據(jù)至B總線H隔開(kāi)§2.3.3

I／O接口設(shè)計(jì)的方法、步驟及設(shè)計(jì)舉例1.I／O接口設(shè)計(jì)的方法、步驟★I／O接口設(shè)計(jì)步驟?了解常用外圍設(shè)備或被控設(shè)備與CPU之間信息交換的要求；?

考慮硬件和軟件的功能分配；?

進(jìn)行I／O端口的數(shù)量統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)流向安排和端口地址號(hào)分配；?

I／O接口硬件電路的擴(kuò)展設(shè)計(jì)；

?

I／O接口控制軟件設(shè)計(jì)；?

進(jìn)行接口硬件和軟件聯(lián)調(diào)。

★I／O接口擴(kuò)展的方案選擇:

?購(gòu)置多功能I／O接口板

?

自行設(shè)計(jì)I／O接口電路

?采用通用的大規(guī)模集成電路接口芯片擴(kuò)展I／O接口電路

?采用普通的緩沖器、鎖存器和譯碼器等集成電路擴(kuò)展I／O接口

2.I／O接口設(shè)計(jì)舉例一

設(shè)計(jì)8088CPU微機(jī)系統(tǒng)I／O接口電路，有8組8位的數(shù)字量外部輸入，8組8位的控制和顯示數(shù)據(jù)輸出到外部。8個(gè)輸入端口地址號(hào)為E8H～EFH，8個(gè)輸出端口地址為F0H～F7H。設(shè)計(jì)要求：

設(shè)計(jì)：A7A6A5A4A3A2A1A011101ΧΧΧINAL,0E8H11110XXXOUT0F0H,AL3.I／O接口設(shè)計(jì)舉例二設(shè)計(jì)要求：

設(shè)計(jì)8086最小模式系統(tǒng)接口電路，采用8255A作為連接打印機(jī)的接口，指定8255A的A、B、C和控制端口的地址號(hào)分別為FFF8H、FFFAH、FFFCH和FFFEH。設(shè)計(jì)：以程序控制方式設(shè)計(jì)A7A6A5A4A3A2A1A011111XXX0FFF8H、FFFAH、FFFCH、FFFEH§2.4I／O通道

模擬量輸入通道模擬量輸出通道數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸出通道

I／O通道分為：

§2.4.1模擬量輸入通道主要組成：

信號(hào)處理裝置、采樣單元、采樣保持器、數(shù)據(jù)放大器、A／D轉(zhuǎn)換器控制電路。任務(wù)：完成模擬量的采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)。

1、信號(hào)處理裝置組成：標(biāo)度變換器、濾波電路、線性化處理及電參量間的轉(zhuǎn)換電路等?！飿?biāo)度變換器：作用：把經(jīng)由各種傳感器所得到的不同種類(lèi)和不同電平的被測(cè)模擬信號(hào)變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)?！餅V波電路：作用：濾掉或消除干擾信號(hào)，保留或增強(qiáng)有用信號(hào)?！锞€性化處理：有些電信號(hào)轉(zhuǎn)換后與被測(cè)參量呈現(xiàn)非線性。所以必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行線性化處理，使它接近線性化。

★電參量間的轉(zhuǎn)換電路：

主要進(jìn)行電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。

2、采樣單元

作用：把各路模擬量分時(shí)接到A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)CPU對(duì)各路模擬量分時(shí)采樣。

組成：開(kāi)關(guān)矩陣及邏輯控制電路。開(kāi)關(guān)矩陣——模擬開(kāi)關(guān)的組合邏輯控制電路——在軟件或通道控制電路的控制下，以一定速度，按順序輸入被測(cè)模擬信號(hào)。CD405l組成：邏輯電平轉(zhuǎn)換、二進(jìn)制譯碼器及8個(gè)開(kāi)關(guān)電路。主要特性：直流供電電源：VDD＝+5V～+15V，數(shù)字信號(hào)電位變化范圍：3～15V輸入電壓：UIN＝0～VDD，模擬信號(hào)峰峰值：15VCD405l的應(yīng)用：3、采樣保持采樣保持電路：對(duì)變化的模擬信號(hào)快速采樣，并在轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持模擬信號(hào)。兩個(gè)工作狀態(tài)：

★

采樣狀態(tài)

★

保持狀態(tài)采樣保持集成芯片LFl98主要特性：供電電源：±5V～±18V；信號(hào)獲取時(shí)間：<10／as；可以和TTL、PMOS、CMOS邏輯輸入兼容；典型保持電容：1000pF、0.01μF。4、數(shù)據(jù)放大器——把傳感器的信號(hào)從毫伏電平按比例放大到典型的A／D轉(zhuǎn)換器輸入電平。5、A／D轉(zhuǎn)換器——把通道輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過(guò)I/O接口電路送入CPU。f(t)Kf*(t)T§2.4.2采樣與量化1．采樣過(guò)程采樣過(guò)程：用采樣開(kāi)關(guān)將模擬信號(hào)按一定時(shí)間間隔抽樣成離散模擬信號(hào)的過(guò)程。香農(nóng)(Shannon)定理：如果隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)的最高頻率為ωmax，只要按照采樣頻率ωS≥2ωmax進(jìn)行采樣，那么取出的樣品系列(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢復(fù))f(t)。2．量化過(guò)程量化過(guò)程：是用一組數(shù)碼(如二進(jìn)制碼)來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

fmax：轉(zhuǎn)換信號(hào)的最大值；fmin：轉(zhuǎn)換信號(hào)的最小值；i：轉(zhuǎn)換后二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。

量化單位為：§2.4.3模擬量輸出通道功能：把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬量，并輸出到被選中的某一控制回路上，完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制動(dòng)作。組成：D／A轉(zhuǎn)換器、輸出保持器、多路切換開(kāi)關(guān)、低通濾波電路和功放電路。輸出保持器的作用：將前一采樣時(shí)刻的輸出信號(hào)保持到下一個(gè)采樣時(shí)刻，重新得到新的輸出信號(hào)。

輸出保持方案：數(shù)字量保持方案；模擬量保持方案。1、一個(gè)輸出通路設(shè)置一個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式

2、多個(gè)輸出通路共用一個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式§2.4.4數(shù)字量輸入通道

數(shù)字輸入信號(hào)分三類(lèi)：

編碼數(shù)字開(kāi)關(guān)量脈沖列常用的電平轉(zhuǎn)換電路：

數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)：?

直接和并行接口電路的輸入口連接。

?

加光電隔離電路。?

采用軟件計(jì)數(shù)法。?

接口電路外加硬件計(jì)數(shù)器。(a)§2.4.5數(shù)字量輸出通道★編碼數(shù)字

——二進(jìn)制數(shù)。★開(kāi)關(guān)量

——“1”、“0”的形式。輸出電路的形式：(b)(c)★脈沖信號(hào)

——輸出脈沖的頻率及個(gè)數(shù)都可通過(guò)程序設(shè)置來(lái)控制?！?.5D／A轉(zhuǎn)換器

作用：把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。按工作方式可分成：并行和串行兩種?！?.5.1并行D／A轉(zhuǎn)換器的工作原理D／A轉(zhuǎn)換器由電阻網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器組成。T型電阻網(wǎng)絡(luò)的D／A轉(zhuǎn)換器：反相端作輸入電壓：電路工作過(guò)程：輸入信號(hào)為0…01輸入的信號(hào)為0…10I流經(jīng)負(fù)載電阻的電流表達(dá)式為：§2.5.2串行D／A轉(zhuǎn)換器的工作原理采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的D／A轉(zhuǎn)換器§2.5.3D／A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)1．分辨率定義：當(dāng)輸入數(shù)字量變化1時(shí)，輸出模擬量變化的大小。對(duì)于一個(gè)N位的D／A轉(zhuǎn)換器其分辨率為：

例如：對(duì)于滿(mǎn)刻度值5.12V，單極性輸出，8位D／A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：5.12V/28＝20mVl0位D／A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：5.12V/210=5.12V/1024＝5mV12位D／A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：5.12V/212=5.12V/4096＝1.25mV2.穩(wěn)定時(shí)間定義：數(shù)據(jù)變化量是滿(mǎn)刻度時(shí)，達(dá)到終值±1/2LSB時(shí)所需要的時(shí)間。3．輸入編碼

一般為二進(jìn)制編碼、BCD碼、符號(hào)-數(shù)值碼等。定義：在滿(mǎn)刻度范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差。一般用最低有效位LSB的分?jǐn)?shù)來(lái)表示。為0.01％～0.8％。5．工作溫度范圍

較好的D／A轉(zhuǎn)換器工作溫度范圍為一40～85℃，較差的為0～70℃。4．線性誤差數(shù)字量輸入模擬量輸出理想特性實(shí)際滿(mǎn)刻度線性誤差§2.5.4D/A轉(zhuǎn)換器芯片及其接口電路例如：滿(mǎn)足速度、精度、分辨率及經(jīng)濟(jì)性能要求的有：?

通用、廉價(jià)的D/A轉(zhuǎn)換器：AD1408、AD7524、AD558。?

高速、高精度D/A：AD562、AD7541。?

高速D/A：AD561、DAC-08。?

高分辨率D/A：DAC1136、DAC1137等。為了應(yīng)用的靈活性，有：?

可選擇輸出電壓雙極性的：AD7524、AD7542。?

芯片內(nèi)帶有數(shù)字寄存器可與CPU數(shù)字總線直接相連的AD558、AD7524。功能管腳共同之處包括以下方面：

?它包括數(shù)字量的輸入端和模擬量的輸出端，芯片的模擬信號(hào)輸出端又有單端輸出和差動(dòng)輸出兩種。

?

D/A轉(zhuǎn)換器所需參考電壓由芯片以外的電源提供。

?許多芯片內(nèi)設(shè)置了輸入數(shù)據(jù)寄存器。

?芯片都具有片選信號(hào)和寫(xiě)信號(hào)管腳1、8位DAC0832及接口電路1）外部結(jié)構(gòu)特征

采用20引腳、雙列直插式集成電路芯片。主要參數(shù)：分辨率8位，電流穩(wěn)定時(shí)間1μs，電流輸出，與TTL電平兼容；功耗20mW。2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理兩種情況轉(zhuǎn)換：?/WR2=0，/XFER=0，DAC寄存器為不鎖存狀態(tài)，ILE=1時(shí)，/CS=/WR1=0。?/WR1=0，/CS=0，ILE=1輸入寄存器為不鎖存狀態(tài)，而/WR2=/XFER=0。

∴若不鎖存，直接轉(zhuǎn)換，/WR1、/WR2、/CS和/XFER為0，ILE接高電平，稱(chēng)為直通工作方式。3）DAC0832輸出方式?電壓輸出方式?電流輸出方式

★電壓輸出方式?單極性電壓輸出方式?雙極性電壓輸出電路★電流輸出方式

量程選擇：0～10mA直流電流4～20mA直流電流4）接口電路?用鎖存器連接?

用可編程并行口8255連接?

直接連接8088CPUA9-A0IOW1D1Q2D2Q3D3Q4D4Q5D5Q6D6Q7D7Q

8D8Q

CP74LS273+5V

A0A1A2A3A4A5A6

A7

DAC0808

AVOUT-+譯碼器Y0DoD1D2D3D4D5D6

D7RESET+5VVRE用鎖存器連接★用可編程并行口8255連接

DAC:MOVDX,0383HMOVAL,80HOUTDX,ALMOVAL,[DATA]MOVDX,0381HOUTDX,ALXORAL,ALMOVDX,0380HOUTDX,ALORAL,01HOUTDX,ALHLT匯編程序：A9-A28088CPU

A1Ao

PB7CS

8255A1AoPAo譯碼器D7D0

NE5018VoutCED7-DoYoPB0控制線

★D/A與CPU直接連接+5DAC0832+5VRAVOUT譯碼器VccILRVREFCSRfbWR1Iout1WR2Iout2XFERDGNDA1AoIOWGND8088CPUA9-A2-+AGND2、12位D／A轉(zhuǎn)換器DAC12101）DAC1210的主要性能及特點(diǎn)DACl210是雙列直插式24引腳集成電路芯片?！镏饕夹g(shù)指標(biāo)：

?輸入數(shù)字為12位二進(jìn)制數(shù)字；

?分辨率12位；?電流建立時(shí)間1μs；?供電電源+5～+15V(單電源供電)；?基準(zhǔn)電壓VREF范圍-10～+10V?！锾攸c(diǎn)：

?

線性規(guī)范只有零位和滿(mǎn)量程調(diào)節(jié)；

?

和所有的通用微處理機(jī)直接接口；

?

單緩沖、雙緩沖或直通數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸入；

?

與TTL邏輯電平兼容。2）DAC1210引腳說(shuō)明與DAC0832的兩點(diǎn)區(qū)別：?它有12條數(shù)據(jù)輸入線?可用BYTEl／BYTE2控制數(shù)據(jù)的輸入3)DACl210與CPU的連接§2.6A／D轉(zhuǎn)換器常用的A／D轉(zhuǎn)換器有：計(jì)數(shù)器式雙積分式逐次逼近式組成：計(jì)數(shù)器、D／A轉(zhuǎn)換器及比較器工作過(guò)程：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但轉(zhuǎn)換速度比較慢?！?.6.1A／D轉(zhuǎn)換器原理

1.計(jì)數(shù)器式A／D轉(zhuǎn)換器組成：逐次逼近寄存器SARD／A轉(zhuǎn)換器比較器時(shí)序（時(shí)鐘）置數(shù)選擇邏輯工作過(guò)程：如果Ui≥UO，應(yīng)予保留；如果Ui<UO，應(yīng)予清除。2.逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器例：設(shè)：數(shù)碼寄存器為4位，滿(mǎn)刻度值1v，Vi=0.65v，用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。V0Vin0.5V(1000)0.75V(1100)0.625V(1010)0.6875V(1011)量化單位3.雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器方法：測(cè)量模擬輸入電壓向電容充電的固定時(shí)間及測(cè)量在已知標(biāo)準(zhǔn)電壓下放電所需的時(shí)間。工作過(guò)程：優(yōu)點(diǎn)：

消除干擾和電源噪聲的能力強(qiáng)，精度高。缺點(diǎn)：

轉(zhuǎn)換速度慢。§2.6.2A／D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)分辯率是指能使轉(zhuǎn)換后數(shù)字量變化1的最小模擬輸入量。n位二進(jìn)制數(shù)最低位具有的權(quán)值就是它的分辨率。