第二章 輸入輸出接口和輸入輸出通道 2-1

第二章輸入輸出接口和

輸入輸出通道2.1概述2.2I/O控制方式2.3I/O接口設(shè)計(jì)2.4I/O通道2.5D/A轉(zhuǎn)換器2.6A/D轉(zhuǎn)換器2.7I/O通道的抗干擾措施2/5/20231門電路&與非門或門≥1=11異或非返回本章首頁2/5/20232計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成：主機(jī)、外圍設(shè)備兩類外設(shè)：1）常規(guī)外設(shè)，如鍵盤、CRT、打印機(jī)、磁盤機(jī)2）被控設(shè)備和檢測(cè)儀表、顯示裝置、操作臺(tái)等無論哪一類外設(shè)都要通過Ｉ/O接口和輸入/輸出通道(I/O通道)與CPU的總線相連外圍設(shè)備分類：1.機(jī)械式、機(jī)電式、電子式2.輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、既可輸入又可輸出的設(shè)備2.1概述2/5/20233信息類型：數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量信息傳送方式：并行傳送、串行傳送一、接口、通道及其功能什么是I/O接口？為什么需要I/O接口電路？？2/5/20234I/O接口

是主機(jī)和外設(shè)之間交換信息的連接部件，它起橋梁和紐帶作用。設(shè)置I/O接口電路的必要性：1）解決主機(jī)CPU和外設(shè)之間的時(shí)序配合和通信聯(lián)絡(luò)；2）解決CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和匹配問題；3）解決CPU的負(fù)載能力和外設(shè)端口選擇問題。（P14~15）2/5/20235（二）I/O通道I/O通道：也稱過程通道。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。

模擬量輸入/輸出通道、數(shù)字量輸入/輸出通道數(shù)據(jù)采集的參量分兩類：1.

模擬量：時(shí)間上和數(shù)值上都連續(xù)變化的物理量，如溫度、壓力、流量、速度、位移等。

2.數(shù)字量（開關(guān)量）：時(shí)間上和數(shù)值上都不連續(xù)的量，如表示開關(guān)閉合或斷開二個(gè)狀態(tài)的量，按一定編碼的數(shù)字量和串行脈沖序列等。2/5/20236tta)模擬信號(hào)b)數(shù)字信號(hào)2/5/20237過程通道/I/O通道的功能：1.將從被控對(duì)象采集的參量變換成計(jì)算機(jī)所要求的數(shù)字量（或開關(guān)量）的形式，送入計(jì)算機(jī)。（A/D轉(zhuǎn)換器完成）2.計(jì)算機(jī)按某一數(shù)學(xué)公式計(jì)算后，又將其結(jié)果以數(shù)字量形式或轉(zhuǎn)換成模擬量形式輸出至被控對(duì)象。（D/A轉(zhuǎn)換器完成）（P15）2/5/20238二、I/O信號(hào)的種類：1）數(shù)據(jù)信息：主機(jī)和外圍設(shè)備交換的基本信息（8位或16位、串行或并行）1.數(shù)字量、2.模擬量、

開關(guān)量、4.脈沖量2）狀態(tài)信息：外圍設(shè)備通過接口向CPU提供的反映外圍設(shè)備所處的工作狀態(tài)的信息。它作為兩者交換信息的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。（輸入信號(hào)）3）控制信息：CPU通過接口傳送給外圍設(shè)備的。（輸出信號(hào)）（P16）2/5/20239示意圖主機(jī)系統(tǒng)外圍設(shè)備數(shù)據(jù)信息狀態(tài)信息控制信息2/5/202310三、計(jì)算機(jī)和外部的通訊方式1）并行通信2）串行通信3）有線網(wǎng)絡(luò)通信4）無線通信（P17）2/5/202311（一）并行通信（1）傳輸線條數(shù)n=傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)n；（2）傳送速度快、信息率高；（3）握手信號(hào)線一般是兩條（控制和狀態(tài)線）握手信號(hào)線在某些芯片中是固定的，某些則是通過軟件編程指定的。（4）在短距離的傳送中常采用。常用的并行接口電路芯片，如Z-80系列的PIO、Intel系列的8255A等。2/5/202312（二）串行通信（1）傳輸線條數(shù)n=1～2；（2）傳輸線既可做數(shù)據(jù)線又可做聯(lián)絡(luò)線用；（3）每個(gè)數(shù)據(jù)都占一個(gè)固定的時(shí)間長度；串行通信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

CPU通過串行接口和外圍設(shè)備相連。串行接口和外設(shè)之間有兩根數(shù)據(jù)傳輸線，串行接口可同時(shí)輸入和輸出數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)可同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。這如同馬路上左右道。外設(shè)接口計(jì)算機(jī)2/5/2023132）半雙工方式串行接口和外設(shè)之間只有一根數(shù)據(jù)傳輸線，某一時(shí)刻數(shù)據(jù)只能一個(gè)方向傳送。這很像交通中有時(shí)間限制的單行線。（打印機(jī)）另外還有“單工方式”，現(xiàn)在已經(jīng)很少采用。3）異步通訊通訊中兩個(gè)字符的時(shí)間間隔是不固定的，而在同一字符中的兩個(gè)相鄰代碼間的時(shí)間間隔是固定的。異步通訊是字符是一幀一幀傳送的，每幀字符的傳送靠起始位來同步。外設(shè)接口計(jì)算機(jī)2/5/202314幀的定義：用一個(gè)起始位表示字符開始，用停止位表示字符結(jié)束，在起始位和停止位之間是n位字符及奇偶校驗(yàn)位。這樣的一串?dāng)?shù)據(jù)，叫做幀。通常波特率在50~9600波特之間，高速可達(dá)19200波特。串行通信多采用異步通信，收發(fā)雙方的時(shí)鐘誤差或波特率誤差允許值4~5%。 2/5/2023154）同步通信采用同步通信時(shí)，將許多字符組成一個(gè)信息組，通常稱為信息幀。在每幀信息的開始加上同步字符，接著字符一個(gè)接一個(gè)的傳輸。在沒有信息要傳送時(shí)，要添上空字符，因同步傳輸不允許有間隙。同步通信可工作在幾十~幾百千波特。但同步通信要求用精確的同步時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方的嚴(yán)格同步。

一般異步串行通信用在數(shù)據(jù)傳送時(shí)間不能確知，發(fā)送數(shù)據(jù)不連續(xù)，數(shù)據(jù)量較少和數(shù)據(jù)傳輸速度較低的場(chǎng)合；而同步通信則用在要求快速、連續(xù)傳輸大批量數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。常用串行通信接口芯片：Z-80系列的SIO、Intel系列的8251A等。返回本章首頁2/5/2023162.2I/O控制方式本節(jié)任務(wù)：掌握I/O控制方式及其應(yīng)用場(chǎng)合，重點(diǎn)掌握中斷控制方式。

CPU為了很好的控制各個(gè)外設(shè)，需要控制方式。常用的控制方式有：程序控制方式、中斷控制方式和直接存儲(chǔ)器存取方式－DMA存取方式。2/5/202317一、程序控制方式

程序控制I/O方式，是指CPU和外設(shè)之間的信息傳遞，是在程序控制下進(jìn)行的?？煞譃闊o條件I/O方式和查詢I/O方式。（一）無條件I/O方式不必查詢外設(shè)狀態(tài)即可進(jìn)行信息傳送此方式下，外設(shè)總是處于就緒狀態(tài)（開關(guān)、LED顯示器）CPU和外設(shè)之間的接口電路通常采用輸入緩沖器和輸出鎖存器。由地址總線和M/IO信號(hào)端經(jīng)端口譯碼器譯出所選中的I/O端口，用讀寫信號(hào)決定數(shù)據(jù)流向。2/5/202318返回2/5/202319（二）查詢方式查詢方式中，CPU和外設(shè)的I/O接口除設(shè)置數(shù)據(jù)端口外，還有狀態(tài)端口。狀態(tài)端口的指定位表明外圍設(shè)備的狀態(tài)，通常只是“0”和“1”的兩狀態(tài)開關(guān)量。交換信息時(shí)，CPU通過執(zhí)行程序不斷讀取并測(cè)試外圍設(shè)備的狀態(tài)，如果外圍設(shè)備處于準(zhǔn)備好（輸入時(shí)）或空閑狀態(tài)（輸出時(shí)），則CPU執(zhí)行輸入或輸出指令，與外設(shè)交換信息，否則CPU要等待。多個(gè)外設(shè)時(shí)，CPU進(jìn)行分時(shí)控制。2/5/2023202/5/202321查詢式I/O接口簡(jiǎn)化流程圖8086匯編語言程序：

MOVFLAG,0

DVC1:INAL,STAT

TESTAL,01H

JZDVC2

CALLCCS1

DVC2:INAL,STAT

TESTAL,02H

JZDVC3

CALLCCS2

DVC3:INAL,STAT

TESTAL,03H

JZDDS

CALLCCS3

DDS:CMPFLAG,1

JNZDVC12/5/202322（三）查詢式I/O方式應(yīng)用舉例某機(jī)床有X、Y、Z三個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸，各軸都裝有一個(gè)光電編碼器作為位移檢測(cè)器件。要求采用微機(jī)控制，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)各軸的點(diǎn)位控制。試按查詢方式設(shè)計(jì)該機(jī)床的I/O接口電路，并畫出實(shí)現(xiàn)三軸點(diǎn)位控制的控制程序流程圖。光電編碼器脈沖整形判向位移脈沖位移方向2/5/2023232/5/2023242/5/202325（四）查詢式I/O方式的優(yōu)缺點(diǎn)及使用條件優(yōu)點(diǎn)：傳送方式可靠，接口電路簡(jiǎn)單，不占用中斷輸入線，查詢程序簡(jiǎn)單易調(diào)試。適用于多個(gè)按一定規(guī)律順序工作的生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)過程的控制。（組合機(jī)床、自動(dòng)線、溫度巡檢、定時(shí)采集數(shù)據(jù)等）缺點(diǎn)：占用CPU太多時(shí)間，效率低。使用條件：所有外設(shè)的服務(wù)時(shí)間的總和必須小于或等于任一外設(shè)的最短響應(yīng)時(shí)間。適用于各外設(shè)服務(wù)時(shí)間不太長，最短響應(yīng)時(shí)間差別不大的情況。否則不能滿足實(shí)時(shí)控制要求。就得采用中斷控制方式了。

2/5/202326二、中斷控制I/O方式

CPU不必花費(fèi)大量時(shí)間去查詢各外圍設(shè)備的狀態(tài)，只是當(dāng)外設(shè)需要服務(wù)時(shí)，向CPU提出申請(qǐng)，CPU停止當(dāng)前工作，去執(zhí)行外設(shè)服務(wù)程序。

8086系統(tǒng)中，中斷分為兩類，外部中斷和內(nèi)部中斷。(NMI,電源掉電、故障緊停;INTR)微機(jī)控制系統(tǒng)中，多重中斷時(shí)該如何做？1）保存現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)；屬于軟件設(shè)計(jì)問題，避免計(jì)算與控制的混亂和失誤，要保存／恢復(fù)通用寄存器的內(nèi)容對(duì)于8086/8088來說，要保存的有：當(dāng)前標(biāo)志PSW,當(dāng)前段地址CS和指令指針I(yè)P。2/5/2023272）正確判斷中斷源；正確找到申請(qǐng)中斷的外設(shè)的中斷服務(wù)程序入口地址對(duì)于8086/8088來說，是以8086/8088和中斷控制器(如8259A)的中斷處理硬件為基礎(chǔ)在系統(tǒng)初始化時(shí)，正確設(shè)定中斷向量表(在0段的0080~03FFH區(qū)域內(nèi))，則當(dāng)某外設(shè)通過INTR端發(fā)出中斷請(qǐng)求時(shí)，CPU在中斷響應(yīng)過程中，將自動(dòng)正確的跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)中斷服務(wù)入口地址3）實(shí)時(shí)響應(yīng)；（在外設(shè)最短響應(yīng)時(shí)間內(nèi)給予服務(wù)）4）按優(yōu)先權(quán)順序。（多個(gè)外設(shè)提出請(qǐng)求時(shí)；中斷嵌套）(Ｐ22)2/5/202328

多重中斷情況下，就存在中斷優(yōu)先級(jí)的問題，常用的解決辦法有：軟件查詢方式、雛菊鏈法和專用硬件方式。1.軟件查詢方式需借助簡(jiǎn)單的硬件接口電路中斷寄存器寄存各中斷源的中斷請(qǐng)求信息中斷申請(qǐng)電路將中斷請(qǐng)求相‘或’后，加到INTR端任一外設(shè)提出中斷請(qǐng)求后，經(jīng)并行接口輸入中斷寄存器的狀態(tài)，CPU響應(yīng)中斷后讀入并測(cè)試中斷寄存器的狀態(tài)，即可知誰申請(qǐng)了中斷外設(shè)的優(yōu)先權(quán)由查詢序列位置決定2/5/2023292/5/2023302/5/202331３專用硬件方式8259A使用很靈活，可有多種工作方式。1片8259A能管理8級(jí)中斷，從其引腳IR7~IR0接收8個(gè)I/O設(shè)備的中斷請(qǐng)求，請(qǐng)求標(biāo)志存在中斷申請(qǐng)寄存器IRR中，然后通過中斷優(yōu)先級(jí)裁決器的裁決，選中當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的中斷請(qǐng)求，使8259A的輸出端INT為1，從而向CPU發(fā)出一個(gè)中斷請(qǐng)求。圖2-11:8259A與8086/8088聯(lián)結(jié)的例子8086接成最大模式，由IOWC向8259實(shí)現(xiàn)寫入控制字的操作，IORC向8259實(shí)現(xiàn)CPU對(duì)8259狀態(tài)信號(hào)讀的操作

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