第3章接口技術(shù)與輸入輸出通道

第3章接口技術(shù)與輸入輸出通道

3.1計(jì)算機(jī)接口技術(shù)3.2計(jì)算機(jī)接口設(shè)計(jì)3.1計(jì)算機(jī)接口技術(shù)

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(jiǎn)稱接口電路，它是主機(jī)和外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件（電路）。它在主機(jī)和外圍設(shè)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(jī)CPU和外圍設(shè)備之間的時(shí)序配合和通信聯(lián)絡(luò)問題。（2）解決CPU和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和匹配問題。（3）解決CPU的負(fù)載能力和外圍設(shè)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(jì)算機(jī)和控制對(duì)象之間信息傳送和變換的連接通道。典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖

I/O接口和I/O通道都是為實(shí)現(xiàn)主機(jī)和外圍設(shè)備（包括被控對(duì)象）之間信息交換而設(shè)的器件，其功能都是保證主機(jī)和外圍設(shè)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(jié)合在一起了。例如，目前大多數(shù)大規(guī)模集成A/D轉(zhuǎn)換器芯片，除了完成A/D轉(zhuǎn)換，起模擬量輸入通道的作用外，其轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量可保存在片內(nèi)具有三態(tài)輸出的輸出鎖存器中；同時(shí)，具有通信聯(lián)絡(luò)及I/O控制的有關(guān)信號(hào)端，可以直接掛到主機(jī)的數(shù)據(jù)總線及控制總線上去，這樣，A/D轉(zhuǎn)換器也就同時(shí)起到了輸入接口的作用。

3.1.2I/O信號(hào)的種類

在微機(jī)控制系統(tǒng)或微機(jī)系統(tǒng)中，主機(jī)和外圍設(shè)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(jī)和外圍設(shè)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(guān)量和脈沖量。

（1）數(shù)字量。 （2）模擬量。 （3）開關(guān)量。 （4）脈沖量。

2.狀態(tài)信息 狀態(tài)信息是外圍設(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，可作為兩者交換信息的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。

3.控制信息 控制信息是CPU通過接口傳送給外圍設(shè)備的信息

3.1.3計(jì)算機(jī)和外部的通信方式

計(jì)算機(jī)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(shí)傳送。其優(yōu)點(diǎn)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(shè)備之間的協(xié)調(diào)和應(yīng)答，實(shí)現(xiàn)異步傳輸。2.串行通信 串行通信是指數(shù)據(jù)按位進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的異步通信格式如圖所示。

標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器存取方式。 在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可按不同要求來選擇外圍設(shè)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(shè)備之間的信息傳送是在程序控制下進(jìn)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(shí)，CPU和外圍設(shè)備的I/O接口除需設(shè)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(jī)控制系統(tǒng)中經(jīng)常采用的方式。假設(shè)某微機(jī)控制系統(tǒng)中采用查詢式對(duì)1＃、2＃、3＃三個(gè)外圍設(shè)備進(jìn)行I/O管理，其查詢和I/O處理的簡(jiǎn)化程序流程圖如圖所示。查詢式I/O處理簡(jiǎn)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(jiǎn)單，不占用中斷輸入線，而且查詢程序也簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)調(diào)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(cè)狀態(tài)字，不管那個(gè)外圍設(shè)備是否有服務(wù)請(qǐng)求，都必須一一查詢，許多次的重復(fù)查詢可能都是無用的，而又占去了CPU的時(shí)間，效率較低。

I/O方式的選擇必須符合實(shí)時(shí)控制的要求。對(duì)于查詢式I/O方式，滿足實(shí)時(shí)控制要求的使用條件是：“所有外圍設(shè)備的服務(wù)時(shí)間的總和必須小于或等于任一外圍設(shè)備的最短響應(yīng)時(shí)間”。這里所說的服務(wù)時(shí)間，是指某臺(tái)外圍設(shè)備服務(wù)子程序的執(zhí)行時(shí)間。最短響應(yīng)時(shí)間是指某臺(tái)設(shè)備相鄰兩次請(qǐng)求服務(wù)的最短間隔時(shí)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(shí)時(shí)性，可以采用中斷控制I/O方式。 在中斷傳送時(shí)的接口電路如圖所示。

中斷傳送方式的接口電路

微機(jī)控制系統(tǒng)中，可能設(shè)計(jì)有多個(gè)中斷源，且多個(gè)中斷源可能同時(shí)提出中斷請(qǐng)求。多重中斷處理必須注意如下四個(gè)問題： （1）保存現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。 （2）正確判斷中斷源。 （3）實(shí)時(shí)響應(yīng)。 （4）按優(yōu)先權(quán)順序處理。3.直接存儲(chǔ)器存取（DMA）方式

利用中斷方式進(jìn)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(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送，就要執(zhí)行一次中斷過程，其中保護(hù)和恢復(fù)斷點(diǎn)、保護(hù)和恢復(fù)寄存器內(nèi)容的操作與數(shù)據(jù)傳送沒有直接關(guān)系，但會(huì)花費(fèi)掉CPU的不少時(shí)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(nèi)部編程結(jié)構(gòu)和外部連接3.1.5I/O接口的編址方式1.I/O接口獨(dú)立編址方式 將存儲(chǔ)器地址空間和I/O接口地址空間分開設(shè)置，互不影響，并設(shè)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(dú)立編址方式的。它允許有256個(gè)8位的I/O端口，兩個(gè)編號(hào)相鄰的8位端口可以組合成一個(gè)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(shè)置好訪問端口號(hào)。2.I/O接口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式

不區(qū)分存儲(chǔ)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(dāng)作是存儲(chǔ)器的一個(gè)單元對(duì)待，每個(gè)接口芯片都安排一個(gè)或幾個(gè)與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編號(hào)的地址號(hào)；也不設(shè)專門的輸入/輸出指令，所有傳送和訪問存儲(chǔ)器的指令都可用來對(duì)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(jī)都采用I/O接口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式。 兩種編址方式有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按所選定的處理器規(guī)定的編址方式來設(shè)計(jì)I/O接口地址譯碼器。3.2計(jì)算機(jī)接口設(shè)計(jì) 3.2.1I/O接口與系統(tǒng)的連接

計(jì)算機(jī)接口是CPU和外圍設(shè)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(shè)備的連接關(guān)系如圖。可見，接口芯片與CPU之間必要的連接信號(hào)有下列4類： （1）數(shù)據(jù)信號(hào)D0～D7

（2）讀/寫控制信號(hào) （3）片選信號(hào)CS和地址線A１、A0

（4）時(shí)鐘、復(fù)位、中斷控制、聯(lián)絡(luò)信號(hào)等控制信號(hào)8255A與CPU和外設(shè)的連接8251A與CPU和外設(shè)的連接

3.2.2I/O接口擴(kuò)展

1.地址譯碼器的擴(kuò)展 擴(kuò)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(gè)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(jī)控制系統(tǒng)，按控制要求擴(kuò)展一個(gè)并行接口芯片PIO、一個(gè)計(jì)數(shù)器／定時(shí)器（CTC）、一個(gè)8位的A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0808）和一個(gè)8位的D/A轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)出如圖所示的地址譯碼電路。

I/O接口地址譯碼擴(kuò)展

獨(dú)立編址方式的片選信號(hào)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(chǔ)器還是訪問I/O接口，IORQ信號(hào)是必須用的。同時(shí),為了控制數(shù)據(jù)流向也要使用讀（RD）、寫（WR）信號(hào)。但是Z80PIO和Z80CTC芯片有些特殊，沒有WR信號(hào)引腳，它是利用IORQ、RD和Mi三個(gè)信號(hào)通過內(nèi)部邏輯電路的組合而得到讀、寫、復(fù)位、中斷響應(yīng)等控制信號(hào)的。

2.負(fù)載能力的擴(kuò)展 擴(kuò)展的I/O接口和存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)線都同時(shí)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(qū)動(dòng)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(duì)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(dāng)然，由于在收發(fā)器中數(shù)據(jù)是雙向傳輸?shù)模虼藢?shí)際上輸入線和輸出線也可以交換。用T表示的引腳信號(hào)就是用來控制數(shù)據(jù)傳輸方向的。當(dāng)T＝1時(shí)，就使A7～A0為輸入線；當(dāng)T＝0時(shí)，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(hào)。當(dāng)CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出時(shí)，DT/為高電平，于是數(shù)據(jù)流由A7～A0進(jìn)入，從B7～B0送出；當(dāng)CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入時(shí)，DT/R為低電平，于是數(shù)據(jù)流由B7～B0進(jìn)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(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)的任務(wù)。依據(jù)被控參量和控制要求的不同，模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)形式不完全相同。目前普遍采用的是公用運(yùn)算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)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(hào)處理裝置

信號(hào)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(zhuǎn)換電路等。

2.采樣單元

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

3.計(jì)算機(jī)采樣與量化

模擬信號(hào)的計(jì)算機(jī)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(hào)的精度問題。

模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程。 （1）采樣過程。如圖所示。 （2）量化過程。 量化過程（簡(jiǎn)稱量化）就是用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的過程，如圖所示。

采樣過程(a）模擬信號(hào)；(b）離散模擬信號(hào)

量化過程(a）離散模擬信號(hào)；(b）數(shù)字信號(hào)

3.2.4輸入/輸出通道

在微機(jī)控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的控制，要將對(duì)象的各種測(cè)量參數(shù)，按要求的方式送入微機(jī)。微機(jī)經(jīng)過運(yùn)算、處理后，將結(jié)果以數(shù)字量的形式輸出，此時(shí)也要把該輸出變換為適合于對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的量。所以在微機(jī)和生產(chǎn)過程之間，必須設(shè)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(hào)處理裝置、多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換器等組成。 模擬量輸出通道有以下兩種基本結(jié)構(gòu)形式。 （1）一個(gè)通道設(shè)置一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的形式。這種形式是指在微機(jī)和通路之