第2章IO通道基本知識

1、河南機電高等?？茖W校河南機電高等?？茖W校Henan Mechanical and Electrical Engineering College第第2章章 輸入輸出過程通道輸入輸出過程通道 河南機電高等?？茖W校河南機電高等?？茖W校Henan Mechanical and Electrical Engineering College本章主要內(nèi)容1 1. . 簡介簡介2 2. . 過程過程I/OI/O通道的設(shè)計問題通道的設(shè)計問題3 3. . 模擬量模擬量輸入通道（輸入通道（AIAI）4. 4. 模擬量輸出通道（模擬量輸出通道（AOAO）5 5. . 數(shù)字量輸入輸出通道數(shù)字量輸入輸出通道（DIDI、D

2、ODO）河南機電高等?？茖W校河南機電高等?？茖W校Henan Mechanical and Electrical Engineering College幾個常見概念：幾個常見概念：1. 模擬信號的常用規(guī)格：模擬信號的常用規(guī)格： 15v電壓信號：易受干擾，常用于儀表中電壓信號：易受干擾，常用于儀表中 420mA電流信號：抗干擾性好，常用于信號傳輸電流信號：抗干擾性好，常用于信號傳輸2. 阻抗匹配：阻抗匹配：信號源輸出最大功率的條件：輸出阻抗信號源輸出最大功率的條件：輸出阻抗=輸入阻抗，即阻抗匹配輸入阻抗，即阻抗匹配高阻抗匹配：電壓信號高阻抗匹配：電壓信號低阻抗匹配：電流信號低阻抗匹配：電流信號3.

3、 理想的壓流源的特點：理想的壓流源的特點：理想電壓源：內(nèi)阻為理想電壓源：內(nèi)阻為0理想電流源：內(nèi)阻無窮大理想電流源：內(nèi)阻無窮大2.1 I/O2.1 I/O通道簡介通道簡介河南機電高等?？茖W校河南機電高等?？茖W校Henan Mechanical and Electrical Engineering College一、一、I/OI/O接口電路接口電路 I/O接口電路也簡稱接口電路。它是主機和外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件。它在主機和外圍設(shè)備之間的信息交換中起著橋梁和紐帶作用。為什么要設(shè)置接口電路？其必要性可歸納成如下幾點。1. 解決主機CPU和外圍設(shè)備之間的時序配合和通信聯(lián)絡(luò)問題3. 解決CUP的負

4、載能力和外圍設(shè)備端口選擇問題2. 解決CUP和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和匹配問題河南機電高等?？茖W校河南機電高等?？茖W校Henan Mechanical and Electrical Engineering College二、過程通道接口設(shè)計應(yīng)考慮的問題二、過程通道接口設(shè)計應(yīng)考慮的問題 接口電路起著連接過程通道與接口電路起著連接過程通道與CPUCPU的橋梁作用，的橋梁作用，它的基本任務(wù)有：它的基本任務(wù)有： 1 1控制信息的傳遞路徑控制信息的傳遞路徑：即根據(jù)控制的任務(wù)在：即根據(jù)控制的任務(wù)在眾多的信息源中進行選擇，以確定該信息傳送的路眾多的信息源中進行選擇，以確定該信息傳送的路徑和目的地。徑和目

5、的地。 2 2控制信息傳送的順序控制信息傳送的順序：計算機控制的過程就：計算機控制的過程就是執(zhí)行程序的過程，為確保進程正確無誤，接口電是執(zhí)行程序的過程，為確保進程正確無誤，接口電路應(yīng)根據(jù)控制程序的要求，適時地發(fā)出一組有序的路應(yīng)根據(jù)控制程序的要求，適時地發(fā)出一組有序的門控信號。門控信號。河南機電高等?？茖W校河南機電高等?？茖W校Henan Mechanical and Electrical Engineering College 1 1觸發(fā)方式：觸發(fā)方式：有序的門控信號的主要作用就是嚴格遵循系有序的門控信號的主要作用就是嚴格遵循系統(tǒng)工作時序要求，適時對系統(tǒng)中某個或某些特定部件發(fā)出開啟統(tǒng)工作時序要求

6、，適時對系統(tǒng)中某個或某些特定部件發(fā)出開啟或關(guān)閉或關(guān)閉( (觸發(fā)觸發(fā)) )信號，這必然涉及到同步觸發(fā)和異步觸發(fā)的方式。信號，這必然涉及到同步觸發(fā)和異步觸發(fā)的方式。 2 2時序：時序：控制邏輯的結(jié)構(gòu)有組合控制邏輯與存儲控制邏控制邏輯的結(jié)構(gòu)有組合控制邏輯與存儲控制邏輯兩種類型，不管哪種類型都要嚴格遵守規(guī)定的操作步驟，每輯兩種類型，不管哪種類型都要嚴格遵守規(guī)定的操作步驟，每一個操作步驟又都是在一組有序的控制信號驅(qū)動下實現(xiàn)的。一個操作步驟又都是在一組有序的控制信號驅(qū)動下實現(xiàn)的。 3.3.負載能力：負載能力：一旦控制邏輯確定后，系統(tǒng)能否可靠運行與一旦控制邏輯確定后，系統(tǒng)能否可靠運行與器件的選擇關(guān)系密切，器

7、件的選擇除了要考慮電平的擺幅、數(shù)器件的選擇關(guān)系密切，器件的選擇除了要考慮電平的擺幅、數(shù)值、延時外，還應(yīng)考慮器件所帶負載是否匹配。值、延時外，還應(yīng)考慮器件所帶負載是否匹配。在過程通道接口電路設(shè)計中應(yīng)解決以下問題：在過程通道接口電路設(shè)計中應(yīng)解決以下問題：河南機電高等?？茖W校河南機電高等?？茖W校Henan Mechanical and Electrical Engineering College I/O接口和I/O通道都是為實現(xiàn)主機和外圍設(shè)備之間信息交換而設(shè)的器件，其功能都是保證主機和外圍設(shè)備之間能方便、可靠、高效率的交換信息。因此，接口和通道緊密相連，在電路上往往結(jié)合在一起。在計算機控制系統(tǒng)中，需

8、要及時對被控對象的各種參數(shù)進行檢測，并將其轉(zhuǎn)換成計算機可以接收的數(shù)據(jù)形式送入計算機進行處理；處理后的結(jié)果還需變換成合適的控制信號輸出至被控對象。因此，在計算機和被控對象(或生產(chǎn)過程)之間，必須設(shè)置進行信息傳遞和轉(zhuǎn)換的連接通道，即過程通道 。根據(jù)過程信息的性質(zhì)及傳遞方向它包括模擬量輸入通道（AI）、模擬量輸出通道（AO）、數(shù)字量（開關(guān)量）輸入通道（DI）、數(shù)字量（開關(guān)量）輸出通道（DO）。I/O通道也稱為過程通道。它是計算機和控制對象之間信息傳送和變換的連接通道。為使計算機和被控制對象之間能夠連同起來，除了需要I/O接口電路外，還需要I/O通道。三、三、I/OI/O通道通道河南機電高等?？茖W校河

9、南機電高等?？茖W校Henan Mechanical and Electrical Engineering College 1 1主機和外圍設(shè)備交換的信息通常包括三種：主機和外圍設(shè)備交換的信息通常包括三種： （1 1）數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息：反映生產(chǎn)現(xiàn)場的參數(shù)及狀態(tài)的信息，它包括數(shù)：反映生產(chǎn)現(xiàn)場的參數(shù)及狀態(tài)的信息，它包括數(shù) 字量、開關(guān)量和模擬量。字量、開關(guān)量和模擬量。（2 2）狀態(tài)信息狀態(tài)信息：是外圍設(shè)備通過接口向：是外圍設(shè)備通過接口向CPUCPU提供的反映外圍設(shè)提供的反映外圍設(shè) 備所處的工作狀態(tài)的信息。備所處的工作狀態(tài)的信息。又叫做應(yīng)答信息、握手信息，又叫做應(yīng)答信息、握手信息， 它反映過程通道的狀態(tài)

10、，如準備就緒信號等。它反映過程通道的狀態(tài)，如準備就緒信號等。（3 3）控制信息控制信息：用來控制過程通道的啟動和停止等信息，如三：用來控制過程通道的啟動和停止等信息，如三 態(tài)門的打開和關(guān)閉、觸發(fā)器的啟動等。態(tài)門的打開和關(guān)閉、觸發(fā)器的啟動等。 四、過程四、過程I/OI/O通道的設(shè)計問題通道的設(shè)計問題河南機電高等?？茖W校河南機電高等?？茖W校Henan Mechanical and Electrical Engineering College2.2.過程通道的編址方式過程通道的編址方式 由于計算機控制系統(tǒng)一般都有多個過程輸入輸出通道，因由于計算機控制系統(tǒng)一般都有多個過程輸入輸出通道，因此需對每一個過

11、程輸入輸出通道安排地址。過程通道編址方式此需對每一個過程輸入輸出通道安排地址。過程通道編址方式有兩種：有兩種： （1 1）過程通道與存儲器）過程通道與存儲器統(tǒng)一編址方式統(tǒng)一編址方式 這種編址方式又稱存儲器映像方式，它從存貯器空間劃出這種編址方式又稱存儲器映像方式，它從存貯器空間劃出一部分地址空間給過程通道，把過程通道的端口當作存貯單元一部分地址空間給過程通道，把過程通道的端口當作存貯單元一樣進行訪問，對一樣進行訪問，對I IO O端口進行輸入輸出操作跟對存儲單元進端口進行輸入輸出操作跟對存儲單元進行讀寫操作方式相同，只是地址不同。行讀寫操作方式相同，只是地址不同。 （2 2）過程通道與存儲器）

12、過程通道與存儲器獨立編址方式獨立編址方式 這種編址方式將過程通道的端口地址單獨編址，有自己獨這種編址方式將過程通道的端口地址單獨編址，有自己獨立的過程通道地址空間，而不占用存儲器地址空間。立的過程通道地址空間，而不占用存儲器地址空間。河南機電高等?？茖W校河南機電高等?？茖W校Henan Mechanical and Electrical Engineering College編址方式的比較編址方式的比較 統(tǒng)一編址的統(tǒng)一編址的最大優(yōu)點最大優(yōu)點是無需專門的是無需專門的I/OI/O指令，從指令，從而簡化了指令系統(tǒng)的設(shè)計，并能省去相應(yīng)的而簡化了指令系統(tǒng)的設(shè)計，并能省去相應(yīng)的I/OI/O操作操作的對外引線

13、。而且的對外引線。而且CPUCPU可直接對可直接對I/OI/O數(shù)據(jù)進行算術(shù)和邏數(shù)據(jù)進行算術(shù)和邏輯運算，指令豐富。輯運算，指令豐富。 統(tǒng)一編址的統(tǒng)一編址的不足之處不足之處在于在于I/OI/O端口地址占用了一端口地址占用了一部分存儲器空間；另外訪問內(nèi)存的指令長度一般比專部分存儲器空間；另外訪問內(nèi)存的指令長度一般比專用的用的I/OI/O指令長，因而取指周期較長，又多占了指令指令長，因而取指周期較長，又多占了指令字節(jié)。字節(jié)。 河南機電高等?？茖W校河南機電高等?？茖W校Henan Mechanical and Electrical Engineering College3.CPU3.CPU對過程通道的控制

14、方式對過程通道的控制方式 計算機的外圍設(shè)備及過程通道種類繁多，它們計算機的外圍設(shè)備及過程通道種類繁多，它們的傳送速率又很不相同。因此輸入輸出產(chǎn)生復(fù)雜的的傳送速率又很不相同。因此輸入輸出產(chǎn)生復(fù)雜的定時問題，也就是定時問題，也就是CPUCPU采用什么控制方式向過程通采用什么控制方式向過程通道輸入和輸出數(shù)據(jù)。常用的控制方式有三種：道輸入和輸出數(shù)據(jù)。常用的控制方式有三種：程序程序查詢方式、中斷控制方式和直接存儲器存取查詢方式、中斷控制方式和直接存儲器存取(DMA)(DMA)方式方式。河南機電高等?？茖W校河南機電高等?？茖W校Henan Mechanical and Electrical Engineer

15、ing College （1 1）程序查詢方式）程序查詢方式CPUCPU向過程通道發(fā)啟動命令向過程通道發(fā)啟動命令過程通道準備就緒？過程通道準備就緒？過程通道服務(wù)程序過程通道服務(wù)程序繼續(xù)原來程序的運行繼續(xù)原來程序的運行是是河南機電高等?？茖W校河南機電高等?？茖W校Henan Mechanical and Electrical Engineering College采用中斷控制方式時，采用中斷控制方式時，CPUCPU與與I IO O通道處于并行通道處于并行工作方式。當工作方式。當CPUCPU與與I IO O通道需要傳送數(shù)據(jù)時，過程通道需要傳送數(shù)據(jù)時，過程通道作好準備后，主動向通道作好準備后，主動向C

16、PUCPU請求中斷，請求中斷，CPUCPU響應(yīng)這響應(yīng)這一請求，并暫停正在運行的程序。一般用優(yōu)先級來一請求，并暫停正在運行的程序。一般用優(yōu)先級來解決中斷響應(yīng)的先后順序問題。解決中斷響應(yīng)的先后順序問題。 （2 2）中斷控制方式）中斷控制方式河南機電高等?？茖W校河南機電高等?？茖W校Henan Mechanical and Electrical Engineering College DMADMA方式是一種完全由硬件完成輸入輸出操作方式是一種完全由硬件完成輸入輸出操作的工作方式。在這種方式下，的工作方式。在這種方式下，I IO O通道和存儲器之通道和存儲器之間不通過間不通過CPUCPU而直接進行數(shù)據(jù)交

17、換。為了實現(xiàn)這種而直接進行數(shù)據(jù)交換。為了實現(xiàn)這種交換，需增加一種硬件設(shè)備交換，需增加一種硬件設(shè)備DMACDMAC，把通常要執(zhí)行一，把通常要執(zhí)行一段程序來完成的數(shù)據(jù)傳送過程由段程序來完成的數(shù)據(jù)傳送過程由DMACDMAC自動地以硬件自動地以硬件的速度完成之，大大的的速度完成之，大大的提高提高了數(shù)據(jù)傳送速度。了數(shù)據(jù)傳送速度。（3 3）直接存儲器存?。┲苯哟鎯ζ鞔嫒?DMA)(DMA)方式方式河南機電高等專科學校河南機電高等?？茖W校Henan Mechanical and Electrical Engineering College所謂“可編程接口”是指其功能可由程序指令（接口芯片功能設(shè)定的初始化程序

18、）設(shè)定接口芯片的功能。故接口的設(shè)計與應(yīng)用除了合理選擇/接口芯片進行硬件設(shè)計外，還應(yīng)包括對接口芯片的功能初始化程序和接口程序的分析與設(shè)計。 DMA響應(yīng)發(fā)送存儲器地址傳遞數(shù)據(jù)地址增1傳遞完畢?NYDMA請求DMA結(jié)束河南機電高等專科學校河南機電高等?？茖W校Henan Mechanical and Electrical Engineering CollegeCPU對過程通道的控制方式比較 程序查詢方式的主要優(yōu)點是能保證主機與輸入輸出通道之間協(xié)調(diào)工作。主要缺點是重復(fù)查詢輸入輸出通道是否“準備就緒”，從而浪費了CPU的時間。 DMA方式的主要優(yōu)點是速度快，數(shù)據(jù)傳送速度只受存儲器存取時間的限制，其缺點是需要一個專用的芯片控制器來加以控制、管理，硬件連接也稍微復(fù)雜一些。 過程通道需要傳送數(shù)據(jù)時就向CPU發(fā)出中斷請求信號，實時性比程序查詢方式好。但由于為了能接受中斷請求信號，CPU內(nèi)部需要有一些線路來控制。另外采用中斷控制方式時，每傳送一次數(shù)據(jù)就要中斷一次CPU原來的運行，CPU響應(yīng)中斷后，每次都要執(zhí)行“中斷處理程序”，而且在其中都要保護斷點、恢復(fù)斷點，浪費了很多不必要的CPU時間。河南機電高等專科學校河南機電高等專科學校Henan Mechanical and El