計算機(jī) 第二章 輸入輸出接口技術(shù)和輸入輸出通道課件

1、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 簡稱“接口”1、接口、通道及其功能 1)IO接口電路IO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)IO通道IO通道：也稱為過程通道。它是計算機(jī)和控制對象之間信息傳送和變換的連接通道。信號的輸入通路。信號的輸出通路。輸入和輸出通路的主要功能 實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的信號變換。本章學(xué)習(xí)目的: 解決微型計算機(jī)和外部的連接問題，使計算機(jī)和外部構(gòu)成一個整體，能正確、可靠、高效率的交換信息，這是設(shè)計一個微機(jī)控制系統(tǒng)必須解決

2、的基本問題。 2、IO信號的種類CPU外部設(shè)備數(shù)據(jù)狀態(tài)控制通常有三類信息：數(shù)據(jù)信息數(shù)字量模擬量開關(guān)量狀態(tài)信息控制信息3、計算機(jī)和外部的通信方式并行通信：串行通信：把一個字符的各數(shù)位用幾條線同時進(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A K1K2 B 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)信息能沿相反兩個方向傳送。 半雙工方式:數(shù)據(jù)信息可沿數(shù)據(jù)傳輸線的兩個方向傳送，但同一時刻只能沿一個方向傳送。 SYN SYN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)塊的開始與結(jié)束，接收裝置接收到同步字

3、符而開始接收數(shù)據(jù)，直到接收后同步字符，一幀數(shù)據(jù)接收結(jié)束。 2. 查詢傳送方式（條件傳送方式）查詢式輸入的接口電路查詢式輸出接口電路2.2 2中斷控制I/O方式 1. 中斷控制I/O時應(yīng)解決的問題外部中斷：是通過IO接口硬件向CPU發(fā)出中斷請求信號，從而引起一個中斷處理過程。多重中斷處理時必須解決的四個問題： 保存現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場。 正確判斷中斷源。 實時響應(yīng)。 按優(yōu)先權(quán)順序處理。2.3 I/O接口設(shè)計2.3.1 I0接口的編址方式 I0接口與存儲器獨立編址方式I0接口與存儲器統(tǒng)一編址方式Inel8086+8288/MRDC/MWTCAB/IORC/IOWC譯碼器譯碼器去存儲器 去I/O接口.1.

4、 I0接口與存儲器獨立編址方式獨立編址方式的優(yōu)點： 可尋址256個端口，執(zhí)行IO指令時間短，譯碼電路簡單 程序清晰易讀 硬件設(shè)計簡單獨立編址方式的缺點： 專門IO指令的功能有限，不如訪問內(nèi)存指令豐富； 增加了微處理器本身控制邏輯的復(fù)雜性。2I0接口與存儲器統(tǒng)一編址方式 又稱存儲器映像方式: 把所有的I0端口作為存儲單元，每個外圍設(shè)備的端口都給予相應(yīng)的一個或幾個16位地址號。Inel8086+8288AB /MRDC/MWTC/IORC/IOWC譯碼器不用去存儲器 去 I/O 接口統(tǒng)一編址方式的優(yōu)點： 數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng) 輸入輸出部分可以和存儲器部分共用譯碼和控制電路 CPU不需區(qū)分訪內(nèi)操作及訪問輸

5、入輸出操作的控制信號，可以相應(yīng)減少引腳 IO端口數(shù)目不受限制 統(tǒng)一編址方式的缺點： 每個IO操作需全字長地址譯碼，整個指令執(zhí)行時間較長 程序中較難區(qū)分IO操作 IO端口占用了存儲空間地址接口芯片和CPU之間必須連接的信號有下列4類：數(shù)據(jù)信號D0D7讀寫控制信號 片選信號和地址線時鐘、復(fù)位、中斷控制、聯(lián)絡(luò)信號 2.3.3 IO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

6、. 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)動能力總線收發(fā)器 Intel8286 A0 B0 A1 B1 A2 B2 A3 B3 A4 B4 A5 B5 A6 B6 A7 B7 /OE T 82862)應(yīng)用接口芯片常用的：74LS244單向三態(tài)門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L L B 數(shù)據(jù)至A總線 L H A數(shù)據(jù)至B總線 H 隔 開 設(shè)計： A7A6A5A4A3A2A1A01 1 1 0 1 IN AL, 0E8H1 1 1 1 0 X X XOUT 0F0H, AL3. IO接口設(shè)計舉例

7、二設(shè)計要求： 設(shè)計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分別為FFF8H、FFFAH、FFFCH和FFFEH。設(shè)計： 以程序控制方式設(shè)計A7A6A5A4A3A2A1A0 1 1 1 1 1 X X X 0FFF8H、FFFAH、FFFCH、FFFEH2.4 IO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 IO通道分為： 2.4.1 模擬量輸入通道主要組成： 信號處理裝置、采樣單元、采樣保持器、數(shù)據(jù)放大器、AD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)字量送入計算機(jī)。 1、信號處理裝置組成：標(biāo)度變換

8、器、濾波電路、線性化處理及電參量間的轉(zhuǎn)換電路等。 標(biāo)度變換器：作用：把經(jīng)由各種傳感器所得到的不同種類和不同電平的被測模擬信號變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號。 濾波電路：作用：濾掉或消除干擾信號，保留或增強(qiáng)有用信號。 線性化處理：有些電信號轉(zhuǎn)換后與被測參量呈現(xiàn)非線性。 所以必須對信號進(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)行電信號之間的轉(zhuǎn)換。 2、采樣單元 作用：把各路模擬量分時接到AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)CPU對各路模擬量分時采樣。 組成：開關(guān)矩陣及邏輯控制電路。 開關(guān)矩陣 模擬開關(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，按順序輸入被測模擬信號。CD405l

9、 組成：邏輯電平轉(zhuǎn)換、二進(jìn)制譯碼器及8個開關(guān)電路。 主要特性： 直流供電電源：VDD+5V+15V， 數(shù)字信號電位變化范圍：315V 輸入電壓：UIN0VDD， 模擬信號峰峰值：15VCD405l的應(yīng)用：3、采樣保持采樣保持電路：對變化的模擬信號快速采樣，并在轉(zhuǎn)換過程中保持模擬信號。 兩個工作狀態(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：5V18V；信號獲取時間：10as；可以和TTL、PMOS、CMOS邏輯輸入兼容；典型保持電容：1000pF、0.01F。 4、 數(shù)據(jù)放大器 把傳感器的信號從毫伏電平按比例放大到典型的AD轉(zhuǎn)換器輸入電平。5、AD轉(zhuǎn)換器把通道輸入的

10、模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過I/O接口電路送入CPU。f(t) K f*(t) T2.4.2 采樣與量化1采樣過程采樣過程：用采樣開關(guān)將模擬信號按一定時間間隔抽樣成離散模擬信號的過程。香農(nóng)(Shannon)定理：如果隨時間變化的模擬信號的最高頻率為max，只要按照采樣頻率S2max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量化過程 量化過程：是用一組數(shù)碼(如二進(jìn)制碼)來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 fmax：轉(zhuǎn)換信號的最大值； fmin：轉(zhuǎn)換信號的最小值； 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

11、算機(jī)的運算結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬量，并輸出到被選中的某一控制回路上，完成對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制動作。組成：DA轉(zhuǎn)換器、輸出保持器、多路切換開關(guān)、低通濾波電路和功放電路。輸出保持器的作用：將前一采樣時刻的輸出信號保持到下一個采樣時刻，重新得到新的輸出信號。 輸出保持方案：數(shù)字量保持方案；模擬量保持方案。1、一個輸出通路設(shè)置一個DA轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式 2、多個輸出通路共用一個DA轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式2.4.4 數(shù)字量輸入通道 數(shù)字輸入信號分三類： 編碼數(shù)字 開關(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。 采用軟件計數(shù)法。 接口電路外加硬件計數(shù)器。 (a)

12、2.4.5 數(shù)字量輸出通道 編碼數(shù)字 二進(jìn)制數(shù)。 開關(guān)量 “1”、“0”的形式。輸出電路的形式： (b)(c) 脈沖信號 輸出脈沖的頻率及個數(shù)都可通過程序設(shè)置來控制。 2.5 DA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。2.5.1 并行DA轉(zhuǎn)換器的工作原理DA轉(zhuǎn)換器由電阻網(wǎng)絡(luò)和運算放大器組成。 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)的DA轉(zhuǎn)換器：反相端作輸入電壓：電路工作過程：輸入信號為001 輸入的信號為010I流經(jīng)負(fù)載電阻的電流表達(dá)式為：2.5.2 串行DA轉(zhuǎn)換器的工作原理采用步進(jìn)電動機(jī)的DA轉(zhuǎn)換器 2.5.3 DA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，輸出模擬量變化的

13、大小。對于一個N位的DA轉(zhuǎn)換器其分辨率為： 例如：對于滿刻度值5.12V，單極性輸出，8位DA轉(zhuǎn)換器的分辨率為：5.12V/2820mV l0位DA轉(zhuǎn)換器的分辨率為：5.12V/210=5.12V/10245mV12位DA轉(zhuǎn)換器的分辨率為：5.12V/212=5.12V/40961.25mV 2.穩(wěn)定時間定義：數(shù)據(jù)變化量是滿刻度時，達(dá)到終值1/2LSB時所需要的時間。 3輸入編碼 一般為二進(jìn)制編碼、BCD碼、符號-數(shù)值碼等。定義：在滿刻度范圍內(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)來表示。為0.010.8。 5工作溫度范圍 較好的DA轉(zhuǎn)換器工作溫度范圍為一4085，較差的為

14、070。 4線性誤差數(shù)字量輸入模擬量輸出 理想特性實際滿刻度 線性誤差2.5.4 D/A轉(zhuǎn)換器芯片及其接口電路 例如：滿足速度、精度、分辨率及經(jīng)濟(jì)性能要求的有： 通用、廉價的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

15、擬信號輸出端又有單端輸出和差動輸出兩種。 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和寫信號管腳 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)定時間1s，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，/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

16、/XFER為0，ILE接高電平，稱為直通工作方式。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：010mA直流電流 420mA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 8088CPU A9-A0IOW1D 1Q2D 2Q3D 3Q4D 4Q5D 5Q6D 6Q7D 7Q8D 8Q CP74LS273+5V A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 DAC0808 A VOUT -+譯碼器Y0DoD1D2D3D4D5D6D7RESET+5VVRE用鎖存器

17、連接 用可編程并行口8255連接 DAC: MOV DX,0383H MOV AL,80H OUT DX,AL MOV AL,DATA MOV DX,0381H OUT DX,AL XOR AL,AL MOV DX,0380H OUT DX,AL OR AL,01H OUT DX,AL HLT 匯編程序：A9-A28088CPU A1 Ao PB7CS 8255A1Ao PAo譯碼器D7D0 NE 5018 VoutCED7-Do YoPB0控制線 D/A與CPU直接連接+5 DAC0832 +5VRA VOUT譯碼器Vcc ILR VREFCS RfbWR1 Iout1WR2 Iout2XF

18、ERDGND A1 Ao IOWGND8088CPUA9-A2-+AGND2、 12位DA轉(zhuǎn)換器DAC 12101）DAC 1210的主要性能及特點DACl210是雙列直插式24引腳集成電路芯片。主要技術(shù)指標(biāo)： 輸入數(shù)字為12位二進(jìn)制數(shù)字； 分辨率12位； 電流建立時間1s； 供電電源+5+15V(單電源供電)； 基準(zhǔn)電壓VREF范圍-10+10V。 特點： 線性規(guī)范只有零位和滿量程調(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）DAC 1210引腳說明與DAC0832的兩點區(qū)別 ： 它有12條數(shù)據(jù)輸入線 可用BYTElBYTE2控制數(shù)據(jù)

19、的輸入 3)DACl210與CPU的連接2.6 AD轉(zhuǎn)換器常用的AD轉(zhuǎn)換器有：計數(shù)器式雙積分式逐次逼近式組成：計數(shù)器、DA轉(zhuǎn)換器及比較器工作過程：特點：結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，但轉(zhuǎn)換速度比較慢。2.6.1 AD轉(zhuǎn)換器原理 1. 計數(shù)器式AD轉(zhuǎn)換器組成：逐次逼近寄存器SARDA轉(zhuǎn)換器比較器時序（時鐘）置數(shù)選擇邏輯工作過程：如果UiUO，應(yīng)予保留；如果UiUO，應(yīng)予清除。2. 逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器例：設(shè)：數(shù)碼寄存器為4位，滿刻度值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)。V0Vin 0.5V (1000)0.75V(1100)0.625V(1010)0.6875V (1011)

20、量化單位3. 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器方法：測量模擬輸入電壓向電容充電的固定時間及測量在已知標(biāo)準(zhǔn)電壓下放電所需的時間。工作過程：優(yōu)點： 消除干擾和電源噪聲的能力強(qiáng)，精度高。缺點： 轉(zhuǎn)換速度慢。2.6.2 AD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。2量程 量程是指所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍。l分辨率4轉(zhuǎn)換時間 轉(zhuǎn)換時間是指啟動AD到轉(zhuǎn)換結(jié)束所需的時間。5工作溫度范圍 較好的轉(zhuǎn)換器件工作溫度為-40 85，差的只有0 70。3轉(zhuǎn)換精度 絕對精度常用數(shù)字量的位數(shù)表示。 相對精度用相對于滿量程的百分比表示。 如 10 位AD轉(zhuǎn)換器，滿量程

21、為10V。 絕對精度為1/210/210=4.88mV， 相對精度為l2101000.1 。 2.6.3 常用AD轉(zhuǎn)換器1. 8位AD轉(zhuǎn)換器ADC809主要特點： 分辨率 8 位； 轉(zhuǎn)換時間100s； 溫度范圍-40 +85 ； 可使用單一的 +5V電源； 可直接與CPU連接； 輸出帶鎖存器； 邏輯電平與TTL兼容。1) 電路組成及引腳功能ADC0809有28條引腳。OE2) 工作原理OE3) A/D轉(zhuǎn)換器接口 A/D轉(zhuǎn)換器的接口設(shè)計 輸入模擬電壓的連接AD的輸入模擬電壓單端輸入雙端差動輸入正向信號：把VIN(-)接地，信號加到VIN(+)端；負(fù)向信號：把VIN(+)接地，信號加到VIN(-)

22、端。單端輸入差動輸入: 模擬信號加在VIN(-)端和VIN(+)端之間。ADC0804ADC0808/0809單端、單極性輸入：VREF(+)= 5v, VREF(-)= 0v 雙極性輸入： VREF(+) 和 VREF(-) 接+、- 極性參考電源 數(shù)據(jù)輸出的方式AD轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出方式 具有可控的三態(tài)輸出門不帶三態(tài)輸出門，或雖有三態(tài)輸出門，但它不受外部信號控制。 片選、啟動、讀寫信號的設(shè)置啟動轉(zhuǎn)換信號由CPU發(fā)出，有電平啟動和脈沖啟動兩種方式。片選、讀寫信號一般由3-8譯碼器的通道號以及微處理器的/IOR、/IOW經(jīng)過適當(dāng)?shù)倪壿嬰娐穪磉B接。 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取CPU讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)程序

23、查詢方式中斷方式延遲程序方式 連接方式 直接連接 用8255連接 PA7 PA0/STBA PB0 PC68255DB7 AIN AC DC DB0 /DR AD570B/C8086CPUD7D0 程序查詢方式開 始置A口為輸入方式B口為輸出方式送啟動脈沖讀入PB0線使A/D復(fù)位讀入數(shù)據(jù)暫 停轉(zhuǎn)換結(jié)束嗎？Y NADC： MOVDX，0383H MOV AL，0B2H OUT DX，AL MOVAL，40H MOVDX，0382H OUTDX，AL XOR AL，AL OUT DX，ALADC1： MOV DX，0381H IN AL，DX TEST AL，01H JNZ ADC1ADC2： I

24、N AL，DX TEST AL，01H JZ ADC2 MOV DX，0382H MOV AL，40H OUT DX，AL MOV DX，0380H IN AL，DX MOV DATA，AL HLT 開 始置A口為輸入方式B口為輸出方式送啟動脈沖讀入PB0線使A/D復(fù)位讀入數(shù)據(jù)暫 停轉(zhuǎn)換結(jié)束嗎？Y N 中斷方式讀取數(shù)據(jù) PA7 PA0 PB0 /STBA8255DB7 ADC0809DB0 STARTALE EOC8086CPUD7D0 74L S048259INTRAINTRIR3VX主程序關(guān)中斷8259初始化8255A，B口初始化開中斷啟動A/D執(zhí)行主程序 中斷服務(wù)程序入口保護(hù)現(xiàn)場讀入數(shù)據(jù)

25、恢復(fù)現(xiàn)場返 回主程序和中斷服務(wù)程序流程圖START：CLI MOVAX，0MOVES，AXMOVDI，0BH*4MOVAX,OFFSET INTR CLDSTOSW MOVAX,CSSTOSWMOVAL,34HOUT21H,ALMOVDX,0383H MOVAL,OBOH OUTDX,AL MOVAL,09HOUTDX,AL STI MOVDX,0381HMOVAL,00H OUTDX,AL HERE：HLT JMPHERE 主程序關(guān)中斷8259初始化8255A，B口初始化開中斷啟動A/D執(zhí)行主程序INTR：PROCNEAR PUSHAX PUSHDX PUSHDS MOV DX，0380H INAL，DX MOVD