輸入輸出接口技術(shù)和輸入輸出通道

輸入輸出接口技術(shù)和輸入輸出通道第一頁，共七十頁，2022年，8月28日本章學(xué)習(xí)目的:解決微型計算機和外部的連接問題，使計算機和外部構(gòu)成一個整體，能正確、可靠、高效率的交換信息，這是設(shè)計一個微機控制系統(tǒng)必須解決的基本問題第二頁，共七十頁，2022年，8月28日主要內(nèi)容

概述：接口、通道、IO信號種類、通信方式

IO控制方式：程序控制、中斷控制、直接存取

IO接口設(shè)計

DA、AD轉(zhuǎn)換器抗干擾措施第三頁，共七十頁，2022年，8月28日第一節(jié)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”第四頁，共七十頁，2022年，8月28日1、接口通道及功能第五頁，共七十頁，2022年，8月28日門電路&與非門或門≥1=11異或非第六頁，共七十頁，2022年，8月28日：是CPU與“外部世界”的連接電路，負(fù)責(zé)“中轉(zhuǎn)”各種信息。“接口”定義第七頁，共七十頁，2022年，8月28日1、接口、通道及其功能I／O接口電路定義：是主機和圍設(shè)備之間交換信息的連接部件。使主機和外設(shè)能夠協(xié)調(diào)工作，有效地完成信息交換。設(shè)置原因：解決主機cpu和外圍設(shè)備之間的問題第八頁，共七十頁，2022年，8月28日1、接口、通道及其功能設(shè)置原因：

1、時序配合和通信聯(lián)絡(luò)問題

cpu快、外設(shè)速度不定，因此異步工作

2、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換匹配問題

cpu并行，外設(shè)不定、串行；速率、電平匹配

3、負(fù)載能力和外設(shè)端口選擇、

cpu超載，可靠性降低，多外設(shè)數(shù)據(jù)混亂

4、端口可編程功能（單口復(fù)用）

5、傳輸錯誤檢測功能（奇偶校驗、冗余校驗）第九頁，共七十頁，2022年，8月28日接口組成：數(shù)據(jù)鎖存器緩沖器狀態(tài)寄存器中斷控制電路第十頁，共七十頁，2022年，8月28日1、接口、通道及其功能I／O通道：定義：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設(shè)置原因：

cpu只能處理數(shù)字量，必需有通道將被控對象采集的量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量（開關(guān)量），或相反第十一頁，共七十頁，2022年，8月28日1、接口、通道及其功能I／O通道：功能：

實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的信號方便、可靠、高效率的變換信號的輸入通路。信號的輸出通路。第十二頁，共七十頁，2022年，8月28日I／O通道：給計算機提供被控對象的各種物理參數(shù)的通道稱為信號的輸入通路。傳輸計算機控制命令作用于被控對象的通道稱為信號的輸出通路。1、接口、通道及其功能第十三頁，共七十頁，2022年，8月28日I／O通道：單信號輸入通道：高電壓大電流低電壓小電流頻率信號開關(guān)信號多信號輸入通道1、接口、通道及其功能第十四頁，共七十頁，2022年，8月28日2、I／O信號的種類第十五頁，共七十頁，2022年，8月28日2、I／O信號的種類CPU外部設(shè)備數(shù)據(jù)狀態(tài)控制外部設(shè)備與CPU之間交換信息，通常有三類信息數(shù)據(jù)信息狀態(tài)信息控制信息數(shù)字量模擬量開關(guān)量第十六頁，共七十頁，2022年，8月28日2、I／O信號的種類

數(shù)據(jù)信息：微機中，數(shù)據(jù)通常為8位或16位數(shù)字量:

由鍵盤、光電輸入機、卡片機等讀入的信息，一般是以二進制形式表示的數(shù)或以ASCII碼表示的數(shù)或字符。模擬量:

現(xiàn)場信息經(jīng)過傳感器把非電量轉(zhuǎn)換成的電量以及執(zhí)行機構(gòu)所能接受的控制量。開關(guān)量:

只有開和關(guān)兩個狀態(tài)，用一位二進制數(shù)來表示脈沖量：脈沖列，其頻率和個數(shù)可表示物理量第十七頁，共七十頁，2022年，8月28日2、I／O信號的種類

狀態(tài)信息：狀態(tài)信息也稱握手信息、應(yīng)答信息，它是反應(yīng)外部設(shè)備的狀態(tài)。是cpu和外設(shè)之間交換信息的聯(lián)絡(luò)信號

Eg：cpureadycpubusy第十八頁，共七十頁，2022年，8月28日2、I／O信號的種類控制信息：用來控制I／O裝置的啟動或停止，信息流入或流出，端口尋址信號等信息，它是由CPU發(fā)送給外部設(shè)備的控制信號

第十九頁，共七十頁，2022年，8月28日2、I／O信號的種類為保證信息的正確傳送，I／O接口往往開辟三個不同的端口來傳送數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。第二十頁，共七十頁，2022年，8月28日3、cpu與外設(shè)的通信方式第二十一頁，共七十頁，2022年，8月28日3、cpu與外設(shè)的通信方式

并行通信：串行通信：把一個字符的各數(shù)位用幾條線同時進行傳輸速度快，協(xié)調(diào)，異步傳輸。成本高，復(fù)雜

數(shù)據(jù)按位進行傳送的

串行通信全雙工方式半雙工方式同步通信異步通信計算機與外部交換信息叫做通信（communication）第二十二頁，共七十頁，2022年，8月28日發(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。

接口與外圍設(shè)備間有2條數(shù)據(jù)傳輸線優(yōu)點：同時收發(fā)，傳輸效率高缺點：線多。

第二十三頁，共七十頁，2022年，8月28日發(fā)送AK1K2B

接收接收發(fā)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。

接口與外圍設(shè)備間有1條數(shù)據(jù)傳輸線優(yōu)點：傳輸效率稍低缺點：省一根傳輸線

第二十四頁，共七十頁，2022年，8月28日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)塊的開始與結(jié)束，接收裝置接收到同步字符而開始接收數(shù)據(jù)，直到接收后同步字符，一幀數(shù)據(jù)接收結(jié)束。

優(yōu)點：比異步傳輸效率稍高。缺點：若數(shù)據(jù)有一位錯，就必須重傳整塊數(shù)據(jù)，且控制比較復(fù)雜第二十五頁，共七十頁，2022年，8月28日異步通信：要傳送的字符代碼前加一起始位，以示該字符代碼開始，在字符代碼后面加一停止位，以示該字符代碼結(jié)束。起始位：1跳變0開始傳輸?shù)诙?，共七十頁?022年，8月28日優(yōu)點：如果有錯，只需重發(fā)一個字符，控制簡單缺點：開銷大，效率低，速度慢。。由于這種方式的字符發(fā)送是相互獨立的故稱為異步方式是計算機通信網(wǎng)絡(luò)中常用的、最簡單的傳輸方式第二十七頁，共七十頁，2022年，8月28日第二節(jié)IO控制方式控制方式原因：cpu與外設(shè)種類、功能、工作速度差異定義：為了使外設(shè)在cpu控制下有機、協(xié)調(diào)、可靠、高效率的工作，采取的cpu控制外設(shè)的策略

cpu采用分時控制第二十八頁，共七十頁，2022年，8月28日基本控制方式

程序控制方式:無條件、查詢式中斷控制方式直接存取DMA方式有的系統(tǒng)可同時采用2到3種控制方式第二十九頁，共七十頁，2022年，8月28日指CPU和外圍設(shè)備間信息傳送實在程序控制下進行的。分類：無條件傳送方式

查詢式傳送方式

（條件傳送方式）1、程序控制方式

第三十頁，共七十頁，2022年，8月28日定義：當(dāng)外設(shè)已準(zhǔn)備就緒，不必查詢外設(shè)的狀態(tài)而進行信息傳輸，這就稱為無條件傳送。適用范圍：只適用于簡單的外設(shè)，

eg：開關(guān)和LED數(shù)碼段顯示器等

無條件傳送方式這種情況下，外設(shè)總是處于就緒狀態(tài)第三十一頁，共七十頁，2022年，8月28日1、程序控制方式

直接使用三態(tài)緩沖器與數(shù)據(jù)總線相連無條件傳送方式端口譯碼，選中端口M/IO為0與外設(shè)傳輸數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)流向數(shù)據(jù)流向讀入需要緩沖器寫需要鎖存器第三十二頁，共七十頁，2022年，8月28日RD讀信號引腳（輸出），低電平有效，執(zhí)行一個對內(nèi)存或I/O端口的讀操作，到底是讀取內(nèi)存中的單元數(shù)據(jù)還是I/O端口中的數(shù)據(jù)，取決于M/IO信號WR寫信號（輸出），低電平有效，對存儲器或I/O寫操作，具體哪種操作取決于M/IO信號M/IO存儲器/輸入/輸出控制信號（輸出）若此信號為高電平，表示CPU和存儲器之間進行數(shù)據(jù)傳輸；若為低電平，表示CPU和輸入輸出設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸。第三十三頁，共七十頁，2022年，8月28日有條件傳送方式——查詢傳送方式CPU通過執(zhí)行程序不斷讀取并測試外設(shè)狀態(tài)，如果輸入外設(shè)處于已準(zhǔn)備好狀態(tài)或輸出外設(shè)為空閑狀態(tài)時，則CPU執(zhí)行傳送信息指令。查詢傳送方式的接口電路應(yīng)包括：傳送數(shù)據(jù)端口及傳送狀態(tài)端口。狀態(tài)：由開關(guān)量0、1表示多個外設(shè)：逐一查詢、逐一服務(wù)第三十四頁，共七十頁，2022年，8月28日鎖存器，就是把當(dāng)前的狀態(tài)鎖存起來，使CPU送出的數(shù)據(jù)在接口電路的輸出端保持一段時間鎖存后狀態(tài)不再發(fā)生變化，直到解除鎖定。緩沖器，它分輸入緩沖器和輸出緩沖器兩種。前者的作用是將外設(shè)送來的數(shù)據(jù)暫時存放，以便處理器將它取走；后者的作用是用來暫時存放處理器送往外設(shè)的數(shù)據(jù)第三十五頁，共七十頁，2022年，8月28日查詢式輸出接口電路第三十六頁，共七十頁，2022年，8月28日端口譯碼≥1≥1輸入緩沖器輸出鎖存器數(shù)據(jù)總線M/≥1三態(tài)緩沖器數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸出外設(shè)狀態(tài)CPU不斷讀入并測試狀態(tài)口的狀態(tài)，只有當(dāng)狀態(tài)口的信號為“1”時，CPU才發(fā)出輸入輸出指令，此時M/才為低電平，譯碼器才開始工作。地址總線第三十七頁，共七十頁，2022年，8月28日MPU是MicroProcessorUnit的所寫微處理器。早期甚至多達7、8顆，但目前大多合并成2顆，一般稱作北橋（NorthBridge，是主板芯片組中起主導(dǎo)作用的最重要的組成部分，也稱為主橋）芯片和南橋（SouthBridge，南橋芯片負(fù)責(zé)I/O總線之間的通信)芯片，在計算機中起到轉(zhuǎn)接橋的作用，轉(zhuǎn)接數(shù)據(jù).（轉(zhuǎn)自百科）CPU是英語“CentralProcessingUnit”的縮寫，是計算機的大腦，起到運算數(shù)據(jù)的作用，而CPU的指令調(diào)用、數(shù)據(jù)傳輸、各個設(shè)備的工作狀態(tài)都需要CPU通過MPU轉(zhuǎn)接控制才能完成第三十八頁，共七十頁，2022年，8月28日播放flv第三十九頁，共七十頁，2022年，8月28日查詢傳送方式優(yōu)點：傳送可靠、接口簡單、不占用中斷傳輸線、程序設(shè)計簡單缺點Cpu需不斷讀取、檢測狀態(tài)，費時間、效率低適用于多個按一定規(guī)律工作的生產(chǎn)、機械過程第四十頁，共七十頁，2022年，8月28日查詢傳送方式實時響應(yīng)所有外圍設(shè)備的服務(wù)時間的總和必須小于或等于任一外圍設(shè)備的最短響應(yīng)時間（也稱危險時間）∑各外設(shè)的服務(wù)時間≤任一外設(shè)的最短響應(yīng)時間最短響應(yīng)時間：設(shè)備相鄰2次請求服務(wù)的最短間隔時間

不能丟失任何一個任務(wù)?。。。。〉谒氖豁摚财呤摚?022年，8月28日2、中斷控制I/O方式為了更好地滿足實時性的要求，通常采用中斷控制I/O方式。這樣CPU不必花大量時間去查詢各設(shè)備的狀態(tài)位，而是當(dāng)外設(shè)提出中斷請求時，CPU才響應(yīng)。停止當(dāng)前的工作，去執(zhí)行外圍設(shè)備的服務(wù)程序。該中斷服務(wù)程序處理完后回到剛才的執(zhí)行點繼續(xù)執(zhí)行先前未完成的程序。沒有中斷請求時，CPU運行主程序。計控系統(tǒng)一般采用外部中斷方式。即通過I/O接口硬件向CPU發(fā)出中斷請求信號。第四十二頁，共七十頁，2022年，8月28日圖6-3中斷方式原理圖第四十三頁，共七十頁，2022年，8月28日圖6-8中斷服務(wù)子程序第四十四頁，共七十頁，2022年，8月28日2、中斷控制I/O方式定義：當(dāng)外圍設(shè)備需要請求服務(wù)時，向CPU發(fā)出中斷請求，CPU響應(yīng)外圍設(shè)備中斷，停止執(zhí)行當(dāng)前程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行一個外圍設(shè)備的服務(wù)程序。中斷處理完畢，CPU又返回來執(zhí)行原來的程序。分類：外部中斷、內(nèi)部中斷第四十五頁，共七十頁，2022年，8月28日2、中斷控制I/O方式外部中斷：通過I／O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。8086有兩個中斷引腳：NMI和INTR。NMI是非屏蔽中斷，不受中斷允許標(biāo)志IF控制的，只要收到信號立即響應(yīng)中斷服務(wù)程序。一般用來處理設(shè)備的中斷故障。INTR為可屏蔽中斷，只有當(dāng)IF＝1時才相應(yīng)中斷服務(wù)程序。第四十六頁，共七十頁，2022年，8月28日2、中斷控制I/O方式多重中斷處理時必須解決以下四個問題保存現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場在中斷服務(wù)程序開始設(shè)置保存現(xiàn)場、中斷返回前恢復(fù)現(xiàn)場。（軟件編程可解決，保存/恢復(fù)指令）

保存和恢復(fù)通用寄存器的內(nèi)容正確判斷中斷源要能正確地找到申請中斷的外圍設(shè)備的中斷服務(wù)程序入口地址，且能跳轉(zhuǎn)到這個入口。

（硬件為基礎(chǔ)解決—中斷向量表；軟件查詢）第四十七頁，共七十頁，2022年，8月28日2、中斷控制I/O方式實時響應(yīng)對于每個外圍設(shè)備的中斷請求，CPU都能接受到并在最短響應(yīng)時間內(nèi)給予服務(wù)。按優(yōu)先權(quán)順序處理優(yōu)先權(quán)順序：多個外圍設(shè)備同時提出中斷請求時，應(yīng)能按輕重緩急設(shè)定中斷順序，逐個進行處理。優(yōu)先級高的中斷源可中斷優(yōu)先級低的中斷多重中斷處理時必須解決以下四個問題第四十八頁，共七十頁，2022年，8月28日第四十九頁，共七十頁，2022年，8月28日小結(jié)

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。第五十頁，共七十頁，2022年，8月28日測驗設(shè)置接口通道的原因？（5點）IO信號的種類？簡述CPU與外界的通信方式，優(yōu)缺點IO基本控制方式有哪3種？第五十一頁，共七十頁，2022年，8月28日2、中斷控制I/O方式A、中斷優(yōu)先級問題的解決軟件查詢方式雛菊鏈法專用硬件方式第五十二頁，共七十頁，2022年，8月28日2、中斷控制I/O方式1）軟件查詢方式：想讓誰先誰就先接口硬件電路包括三部分：中斷寄存器、中斷申請電路和并行I／O接口

存放中斷請求信息中斷申請電路外圍設(shè)備優(yōu)先順序由查詢序列中它所處的位置決定第五十三頁，共七十頁，2022年，8月28日只需有簡單的硬件電路，如將A、B、C三臺設(shè)備的中斷請求信號“或”后作為系統(tǒng)INTR，A、B、C三臺設(shè)備中只要至少有一臺設(shè)備提出中斷請求，都可以向CPU發(fā)中斷請求。進入中斷服務(wù)子程序后，再用軟件查詢的方式分別對不同的設(shè)備的服務(wù)查詢程序的設(shè)計思想同查詢式，查詢的前后順序就給出了設(shè)備的優(yōu)先級圖6-5軟件查詢方式第五十四頁，共七十頁，2022年，8月28日軟件查詢中斷控制程序

PUSHAX

因為在查詢程序中要用到AX寄存器，因DVC1:INAL,STAT1要保存它原來的內(nèi)容

TESTAL,20HJZDVC2CALLCCS1JMPDVANDDVC2:INAL,STAT2TESTAL,20HJZDVC3CALLCCS2JMPDVANDDVC3:INAL,STAT3TESTAL,20HJMPDVANDCALLCCS3DVEND:POPAXIRET外圍設(shè)備中斷的優(yōu)先權(quán)由所處查詢序列中的位置決定。第五十五頁，共七十頁，2022年，8月28日2、中斷控制I/O方式2）雛菊鏈法（硬件方法）雛菊鏈法：在每個外圍設(shè)備的接口上連接一個邏輯電路，邏輯電路構(gòu)成雛菊鏈控制中斷回答信號的通路雛菊鏈?zhǔn)侵袛嗷卮鹦盘柕目刂仆?。雛菊鏈法:所有I/O模塊共享一根共同的中斷請求線.當(dāng)CPU檢測到中斷請求信號,則發(fā)出中斷確認(rèn)信號.中斷確認(rèn)信號依次在I/O模塊間傳遞,直到發(fā)出請求的模塊,該模塊則把它的ID送往數(shù)據(jù)線由CPU讀取

第五十六頁，共七十頁，2022年，8月28日CPU及總線控制邏輯INTR設(shè)備·1接口雛菊鏈邏輯電路1中斷應(yīng)答11中斷請求設(shè)備·2接口雛菊鏈邏輯電路中斷應(yīng)答中斷請求…在雛菊鏈電路中如果某級設(shè)備發(fā)出中斷請求，則截獲該選通信號，從而使自己的中斷請求得到響應(yīng)。并且使后面的設(shè)備無法再獲得該選通信號。該設(shè)備截獲選通信號后則撤銷自己的中斷請求，然后發(fā)一個中斷類型號，使CPU找到正確的中斷程序入口。如果該設(shè)備沒有提出請求，則該選通信號會繼續(xù)往后傳遞。當(dāng)有幾個設(shè)備同時提出中斷請求時，最接近CPU的設(shè)備先得到響應(yīng)，優(yōu)先級最高。中斷允許信號0第五十七頁，共七十頁，2022年，8月28日基本設(shè)計思想：將所有的設(shè)備連成一條鏈，靠近CPU的設(shè)備優(yōu)先級最高，越遠的設(shè)備優(yōu)先級別越低，則發(fā)出中斷響應(yīng)信號，若級別高的設(shè)備發(fā)出了中斷請求，在它接到中斷響應(yīng)信號的同時，封鎖其后的較低級設(shè)備使得它們的中斷請求不能響應(yīng)，只有等它的中斷服務(wù)結(jié)束以后才開放，允許為低級的設(shè)備服務(wù)。第五十八頁，共七十頁，2022年，8月28日若兩個設(shè)備同時發(fā)出中斷申請，會怎樣？？接近CPU的得到中斷響應(yīng)，后面得不到響應(yīng)的設(shè)備一直保持中斷請求。中斷結(jié)束后才會響應(yīng)下個中斷第五十九頁，共七十頁，2022年，8月28日專用硬件方式采用“中斷控制器”進行優(yōu)先級管理。如：采用可編程中斷控制器8259A。

1片8259A可以管理8級中斷源。效率高，使用靈活方便。

第六十頁，共七十頁，2022年，8月28日圖6-7中斷控制器的系統(tǒng)連接第六十一頁，共七十頁，2022年，8月28日有了中斷控制器以后，CPU的INTR和引腳不再與接口直接相連，而是與中斷控制器相連外設(shè)的中斷請求信號通過IR0～IR7進入中斷控制器，經(jīng)優(yōu)先級管理邏輯確認(rèn)為級別最高的那個請求的類型號會經(jīng)過中斷類型寄存器在當(dāng)前中斷服務(wù)寄存器的某位上置1，并向CPU發(fā)INTR請求，CPU發(fā)出信號后，中斷控制器將中斷類型碼送出。在整個過程中，優(yōu)先級較低的中斷請求都受到阻塞，直到較高級的中斷服務(wù)完畢之后，當(dāng)前服務(wù)寄存器的對應(yīng)位清0，較低級的中斷請求才有可能被響應(yīng)第六十二頁，共七十頁，2022年，8月28日實時響應(yīng)的條件采用中斷控制I/O方式時，當(dāng)外設(shè)沒有提出中斷請求時，CPU運行主程序。僅當(dāng)外設(shè)提出中斷請求時才臨時中斷主程序去為外設(shè)服務(wù)。因此這種方式可以較好得解決CPU與外設(shè)在速度上差別很大的問題，協(xié)調(diào)二者的工作，效率較高。為了更好地滿足實時性的要求，可以根據(jù)外設(shè)最短響應(yīng)時間的長短恰當(dāng)?shù)匕才艃?yōu)先級順序。為了滿足實時性的要求還有一些必須滿足的條件第六十三頁，共七十頁，2022年，8月28日假設(shè)采用軟件查詢的中斷控制方式，現(xiàn)在我們有n個中斷方式控制的外設(shè)。把他們按照最短響應(yīng)時間從小到大的順序排列。各外設(shè)的實際服務(wù)時間為S1，S2,….Si,….Sn。設(shè)其中第i個設(shè)備的服務(wù)時間最長。最短響應(yīng)時間是C1,C2,C3,…,Cn即Si

＝Smax。最壞的一種情況是，當(dāng)?shù)趇個設(shè)備剛剛進入服務(wù)程序時，其他所有的設(shè)備都提出中斷請求。假設(shè)不允許中斷嵌套，那么系統(tǒng)必須為第i個設(shè)備服務(wù)完后才能依次從第1個設(shè)備開始為其余設(shè)備服務(wù)。要滿足實時性要求，必須在各設(shè)備的最短響應(yīng)時間內(nèi)使他們都得到服務(wù)，則最短響應(yīng)時間必須滿足下列條件：在允許中斷嵌套時，優(yōu)先權(quán)較高的設(shè)備的實時響應(yīng)要求較容易滿足。但是若優(yōu)先權(quán)高的外設(shè)以過高的頻率中斷優(yōu)先權(quán)低的外設(shè)服務(wù)程序的話，則優(yōu)先權(quán)低的外設(shè)的中斷請求能否得到實時響應(yīng)還要具體分析，所以必須合理安排中斷優(yōu)先權(quán)第六十四頁，共七十頁，2022年，8月28日3、直接存儲器