第二章過程輸入輸出接口技術(shù)

1、 過程輸入輸出接口技術(shù)過程輸入輸出接口技術(shù)2.0 基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識2.1 數(shù)據(jù)的采樣及保持?jǐn)?shù)據(jù)的采樣及保持 2.2 模模/數(shù)（數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換器 2.3 數(shù)數(shù)/模（模（D/A）轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換器 2.6 開關(guān)量接口技術(shù)開關(guān)量接口技術(shù) 第二章第二章 2.0 基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識輸入輸出接口技術(shù)輸入輸出接口技術(shù) 研究微處理器和外部設(shè)備之間信息交研究微處理器和外部設(shè)備之間信息交換的技術(shù)。換的技術(shù)。輸入輸出接口輸入輸出接口 簡稱簡稱“接口接口”2.0.1 接口、通道及其功能接口、通道及其功能 一、一、I IO O接口電路接口電路I IO O接口電路：是主機(jī)和外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件。接口電路：是

2、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。息交換。為什麼要設(shè)置接口電路為什麼要設(shè)置接口電路?v1、解決主機(jī)、解決主機(jī)CPU和外設(shè)之間的時序配合和通信聯(lián)絡(luò)問題和外設(shè)之間的時序配合和通信聯(lián)絡(luò)問題 解決高速的解決高速的CPU與慢速的外設(shè)通信速度和時序與慢速的外設(shè)通信速度和時序 為聯(lián)絡(luò)與匹配，通常為聯(lián)絡(luò)與匹配，通常I/O接口電路設(shè)有數(shù)據(jù)鎖存器、緩接口電路設(shè)有數(shù)據(jù)鎖存器、緩 沖器、狀態(tài)寄存器及中斷控制電路沖器、狀態(tài)寄存器及中斷控制電路-異步工作異步工作v2、解決、解決CPU 和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和匹配問題和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)

3、換和匹配問題 解決解決CPU的并行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為串形數(shù)據(jù)格式的并行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為串形數(shù)據(jù)格式-串串并行問題并行問題 主要有相關(guān)的接口芯片完成主要有相關(guān)的接口芯片完成v3、解決、解決CPU的負(fù)載能力和外設(shè)端口選擇問題的負(fù)載能力和外設(shè)端口選擇問題 CPU的數(shù)據(jù)總線連接設(shè)備較多的數(shù)據(jù)總線連接設(shè)備較多,而且數(shù)據(jù)總線還擔(dān)任內(nèi)而且數(shù)據(jù)總線還擔(dān)任內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息部的數(shù)據(jù)信息,若外設(shè)數(shù)據(jù)總線直接掛在若外設(shè)數(shù)據(jù)總線直接掛在CPU總線上總線上,則有則有可能產(chǎn)生混亂可能產(chǎn)生混亂.因此一般通過帶三態(tài)門的緩沖器和鎖存器因此一般通過帶三態(tài)門的緩沖器和鎖存器,在選通信號及控制信號控制下完成通信在選通信號及控制信號控制下完成通

4、信. 二、二、IO通道通道I IO O通道：也稱為過程通道。它是計(jì)算機(jī)和控制對通道：也稱為過程通道。它是計(jì)算機(jī)和控制對象之間信息傳送和變換的連接通道。象之間信息傳送和變換的連接通道。信號的輸入通路。信號的輸入通路。信號的輸出通路。信號的輸出通路。輸入和輸出通路的主要功能輸入和輸出通路的主要功能 實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的信號實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的信號變換。變換。學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)目的: : 解決微型計(jì)算機(jī)和外部的連接解決微型計(jì)算機(jī)和外部的連接問題，使計(jì)算機(jī)和外部構(gòu)成一個整體，能正問題，使計(jì)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(jì)一確、可靠、高效率的交換信息，這是設(shè)計(jì)一個微機(jī)控

5、制系統(tǒng)必須解決的基本問題。個微機(jī)控制系統(tǒng)必須解決的基本問題。 三、三、IO信號的種類信號的種類CPU外部外部設(shè)備設(shè)備數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)狀態(tài)控制控制通常有三類信息：通常有三類信息：數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息數(shù)字量數(shù)字量模擬量模擬量開關(guān)量開關(guān)量狀態(tài)信息狀態(tài)信息控制信息控制信息 2.0.2 計(jì)算機(jī)和外部的通信方式計(jì)算機(jī)和外部的通信方式并行通信：并行通信：串行通信：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)行傳送的數(shù)據(jù)按位進(jìn)行傳送的 串行通信串行通信全雙工方式全雙工方式半雙工方式半雙工方式同步通信同步通信異步通信異步通信發(fā)送A K1K2 B 接收接收發(fā)送發(fā)送A接

6、收數(shù)據(jù)應(yīng)答數(shù)據(jù)應(yīng)答接收B發(fā)送全雙工方式全雙工方式: :數(shù)據(jù)信息能沿相反兩個方向傳送。數(shù)據(jù)信息能沿相反兩個方向傳送。 半雙工方式半雙工方式: :數(shù)據(jù)信息可沿?cái)?shù)據(jù)傳輸線的兩個方向傳送，但數(shù)據(jù)信息可沿?cái)?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。同一時刻只能沿一個方向傳送。 SYN SYN 控制字符控制字符控制字符控制字符數(shù)據(jù)字符數(shù)據(jù)字符. . .SYN同步通信：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)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，一而開始接收數(shù)據(jù)，直到接收后同步

7、字符，一幀數(shù)據(jù)接收結(jié)束。幀數(shù)據(jù)接收結(jié)束。 異步通信：異步通信： 要傳送的字符代碼前加一起始位，以示該字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，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。以示該字符代碼結(jié)束。2.0.3 輸人輸出的控制方式輸人輸出的控制方式一、一、程序控制方式程序控制方式 1、無條件傳送方式、無條件傳送方式 此方式外設(shè)總是就緒狀態(tài)此方式外設(shè)總是就緒狀態(tài) 如如:開開 關(guān)關(guān).LED等設(shè)備等設(shè)備2、 查詢傳送方式（條件傳送方式）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入的接口電路查詢方式的優(yōu)缺點(diǎn)和使用條件查詢方式的優(yōu)缺點(diǎn)

8、和使用條件v優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 查詢式比無條件傳送方式可靠查詢式比無條件傳送方式可靠,接口電路簡單接口電路簡單,不不 占用中斷輸入線占用中斷輸入線,同時查詢程序也簡單同時查詢程序也簡單,易于調(diào)試易于調(diào)試.v缺點(diǎn)缺點(diǎn):CPU要不斷的讀取狀態(tài)字和檢測狀態(tài)字要不斷的讀取狀態(tài)字和檢測狀態(tài)字,不管哪不管哪個外設(shè)是否有服務(wù)請求個外設(shè)是否有服務(wù)請求,都必須一一查詢都必須一一查詢.多次的重復(fù)查多次的重復(fù)查詢可能是無用的詢可能是無用的,而且還占用了而且還占用了CPU的時間的時間,效率低效率低.v使用條件使用條件:因是通過因是通過CPU程序?qū)崿F(xiàn)程序?qū)崿F(xiàn),外設(shè)和執(zhí)行程序同外設(shè)和執(zhí)行程序同步步,特別適用于多個按一定規(guī)律順序工

9、作的生產(chǎn)機(jī)械或特別適用于多個按一定規(guī)律順序工作的生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程.如機(jī)床如機(jī)床,自動線自動線,溫度巡回檢測溫度巡回檢測,定時數(shù)據(jù)采集定時數(shù)據(jù)采集等等.同時要注意同時要注意,該方式用于外設(shè)時間服務(wù)時間不太長的該方式用于外設(shè)時間服務(wù)時間不太長的情況情況.若太長若太長,則須用中斷方式則須用中斷方式.二、中斷控制二、中斷控制I/OI/O方式方式 1. 1. 中斷控制中斷控制I/OI/O時應(yīng)解決的問題時應(yīng)解決的問題外部中斷：是通過外部中斷：是通過IO接口硬件向接口硬件向CPU發(fā)出中斷請求信號，發(fā)出中斷請求信號，從而引起一個中斷處理過程。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

10、：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。保存現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場。 正確判斷中斷源。正確判斷中斷源。 實(shí)時響應(yīng)。實(shí)時響應(yīng)。 按優(yōu)先權(quán)順序處理。按優(yōu)先權(quán)順序處理。2. 中斷優(yōu)先級問題的解決中斷優(yōu)先級問題的解決軟件查詢方式軟件查詢方式雛菊鏈法雛菊鏈法專用硬件方式專用硬件方式1) 軟件查詢方式軟件查詢方式v2個外設(shè)的程序框圖個外設(shè)的程序框圖查詢子程序查詢子程序設(shè)各外設(shè)的狀態(tài)字為第五位，高電平為發(fā)生中斷請求，即設(shè)各外設(shè)的狀態(tài)字為第五位，高電平為發(fā)生中斷請求，即20H；STAT1、2是外設(shè)是外設(shè)的狀態(tài)寄存器；設(shè)備端口地址未定。的狀態(tài)寄存器；設(shè)備端口地址未定。 PUSH AX ;保存處理機(jī)狀態(tài)

11、保存處理機(jī)狀態(tài)DVC1: IN AL, STAT 1 ;讀入讀入1#外設(shè)狀態(tài)外設(shè)狀態(tài) TEST AL, 20H ;測試狀態(tài)測試狀態(tài),1#外設(shè)請求服務(wù)嗎外設(shè)請求服務(wù)嗎? JZ DVC2 ;不不,跳轉(zhuǎn)至查詢跳轉(zhuǎn)至查詢2# CALL CCS1 ;是是,轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)1#外設(shè)外設(shè)I/O處理處理 JMP DVEND ;轉(zhuǎn)至中斷返回轉(zhuǎn)至中斷返回DVC2: IN AL, STAT2 ;讀入外設(shè)狀態(tài)讀入外設(shè)狀態(tài) TEST AL, 20H ;測試狀態(tài)測試狀態(tài),2#外設(shè)請求服務(wù)嗎外設(shè)請求服務(wù)嗎? JZ DVEND ;不不,轉(zhuǎn)至中斷返回轉(zhuǎn)至中斷返回 CALL CCS2 ;是是,2#外設(shè)外設(shè)I/O處理處理DVEND : POP

12、 AX ;恢復(fù)處理機(jī)狀態(tài)恢復(fù)處理機(jī)狀態(tài) IRET ;中斷返回中斷返回 2) 2) 雛菊鏈法雛菊鏈法菊花鏈邏輯電路菊花鏈邏輯電路外設(shè)接口收到中斷回答信號后外設(shè)接口收到中斷回答信號后,發(fā)出中斷類型號發(fā)出中斷類型號,CPU找到入口地址找到入口地址3) 專用硬件專用硬件 8259A三、三、DMA控制方式控制方式DMA控制方式：是一種成塊傳送數(shù)據(jù)的方式?？刂品绞剑菏且环N成塊傳送數(shù)據(jù)的方式。8237A的數(shù)據(jù)傳的數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)送速率可達(dá)1.6M字節(jié)字節(jié)/s；8257A的的數(shù)據(jù)傳送速率可數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)達(dá)125M字節(jié)字節(jié)/s。2.0.4 I/O接口設(shè)計(jì)接口設(shè)計(jì)vI/O接口設(shè)計(jì)任務(wù)接口設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)出合適的接

13、口硬件設(shè)計(jì)出合適的接口硬件電路和相應(yīng)的接口控制程序電路和相應(yīng)的接口控制程序，使使CPU與外設(shè)實(shí)與外設(shè)實(shí)時、可靠的通信。時、可靠的通信。vI/O接口的控制方式選定接口的控制方式選定：因接口的控制方因接口的控制方式?jīng)Q定硬件及軟件。即使在同一種控制方式下，式?jīng)Q定硬件及軟件。即使在同一種控制方式下，可以用軟件來實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件實(shí)現(xiàn)選定可以用軟件來實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件實(shí)現(xiàn)選定控制方式，主要考慮控制方式，主要考慮CPU的工作效率和信息交的工作效率和信息交換的速度多用硬件，速度快，但成本高多換的速度多用硬件，速度快，但成本高多用軟件，則成本低，但效率低具體設(shè)計(jì)時，用軟件，則成本低，但效率低具體設(shè)計(jì)時，應(yīng)比較

14、優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合理的折中方案應(yīng)比較優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合理的折中方案一、一、 I0接口的編址方式接口的編址方式vCPU通過數(shù)據(jù)總線讀寫存儲器和通過數(shù)據(jù)總線讀寫存儲器和I/O接口接口,多個多個I/O接口和存儲器均連接在數(shù)據(jù)總線接口和存儲器均連接在數(shù)據(jù)總線上，信息交換時必須進(jìn)行地址的選擇。上，信息交換時必須進(jìn)行地址的選擇。v編址方式：編址方式： 、I/O接口與存儲器統(tǒng)一編址接口與存儲器統(tǒng)一編址 2、I/O接口與存儲器獨(dú)立編址接口與存儲器獨(dú)立編址（一）（一）. I0接口與存儲器獨(dú)立編址方式接口與存儲器獨(dú)立編址方式v該方式是該方式是I/O接口地址空間與存儲器地址空間分開設(shè)置，接口地址空間與存儲器地址空間分開設(shè)置

15、，互不影響。有專門的輸入（互不影響。有專門的輸入（IN）和輸出（）和輸出（OUT）指令）指令完成操作。完成操作。v8086的兩類的兩類I/O指令：指令： 直接：直接：IN AL ，XXH ；OUT XXH ， AX 間接：間接：IN AL ，DX ；OUT DX ， AX （間接指令輸出時，先把端口地址放入（間接指令輸出時，先把端口地址放入DX）v8086CPU執(zhí)行執(zhí)行I/O指令時，產(chǎn)生指令時，產(chǎn)生RD、WR，同時使得，同時使得 M/IO為低電平（最小模式）。最大模式系統(tǒng)時，由為低電平（最小模式）。最大模式系統(tǒng)時，由8288控制，信號類似?？刂?，信號類似。獨(dú)立編址方式的優(yōu)點(diǎn)：獨(dú)立編址方式的優(yōu)點(diǎn)

16、： 可尋址可尋址256256個端口，執(zhí)行個端口，執(zhí)行I IO O指令時間短，譯碼電路簡單指令時間短，譯碼電路簡單 程序清晰易讀程序清晰易讀 硬件設(shè)計(jì)簡單硬件設(shè)計(jì)簡單獨(dú)立編址方式的缺點(diǎn)：獨(dú)立編址方式的缺點(diǎn)： 專門專門I IO O指令的功能有限，不如訪問內(nèi)存指令豐富；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。增加了微處理器本身控制邏輯的復(fù)雜性。（二）、（二）、I0接口與存儲器統(tǒng)一編址方式接口與存儲器統(tǒng)一編址方式 又稱存儲器映像方式又稱存儲器映像方式: : 把所有的把所有的I I0 0端口作為存儲單元，端口作為存儲單元，每個外圍設(shè)備的端口都給予相應(yīng)的一個或幾個每個外

17、圍設(shè)備的端口都給予相應(yīng)的一個或幾個1616位地址號。位地址號。Inel8086+8288AB /MRDC/MWTC/IORC/IOWC譯譯碼碼器器不不用用去存儲器去存儲器 去去 I/O 接口接口統(tǒng)一編址方式的優(yōu)點(diǎn)：統(tǒng)一編址方式的優(yōu)點(diǎn)： 數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)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輸入輸出部分可以和存儲器部分共用譯碼和控制電路 CPUCPU不需區(qū)分訪內(nèi)操作及訪問輸入輸出操作的控制信號，不需區(qū)分訪內(nèi)操作及訪問輸入輸出操作的控制信號，可以相應(yīng)減少引腳可以相應(yīng)減少引腳 I IO O端口數(shù)目不受限制端口數(shù)目不受限制 統(tǒng)一編址方式的缺點(diǎn)：統(tǒng)一編址方式的缺點(diǎn)： 每個每個I I

18、O O操作需全字長地址譯碼，整個指令執(zhí)行時間較長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)分程序中較難區(qū)分I IO O操作操作 I IO O端口占用了存儲空間地址端口占用了存儲空間地址二、二、 I IO O接口與系統(tǒng)的連接接口與系統(tǒng)的連接(a)通過通過I IO O接口芯片與接口芯片與CPUCPU和外圍設(shè)備的連接和外圍設(shè)備的連接 (b)通過通過I IO O接口芯片與接口芯片與CPUCPU和外圍設(shè)備的連接和外圍設(shè)備的連接 接口芯片和接口芯片和CPUCPU之間必須連接的信號有下列之間必須連接的信號有下列4 4類：類：數(shù)據(jù)信號數(shù)據(jù)信號D0D7讀寫控制信號讀寫控制信號 片選信號和地址線片選

19、信號和地址線時鐘、復(fù)位、中斷控制、聯(lián)絡(luò)信號時鐘、復(fù)位、中斷控制、聯(lián)絡(luò)信號 三、三、 I IO O接口擴(kuò)展接口擴(kuò)展1. 1. 地址譯碼器的擴(kuò)展地址譯碼器的擴(kuò)展 使用譯碼器的目的使用譯碼器的目的 因微機(jī)系統(tǒng)雖然帶因微機(jī)系統(tǒng)雖然帶I/O接口，但在多個外設(shè)時以不夠用。接口，但在多個外設(shè)時以不夠用。 利用地址線與譯碼器相連，生成片選信號選通各外設(shè)。利用地址線與譯碼器相連，生成片選信號選通各外設(shè)。 v譯碼器譯碼器v常用的譯碼器有：四中選一、八中選一、常用的譯碼器有：四中選一、八中選一、十六中選一。十六中選一。 74LS138 （3：8） 74LS155 （雙（雙2：4） v使用時注意控制端子的電平高低及其邏使用時注意控制端子的電平高低及其邏輯關(guān)系輯關(guān)系74LSl3874LSl38擴(kuò)展地址譯碼器擴(kuò)展地址譯碼器 例：采用例：采用74LSl38作地址譯碼器設(shè)計(jì)的微機(jī)主機(jī)板接口子系作地址譯碼器設(shè)計(jì)的微機(jī)主機(jī)板接口子系統(tǒng)地址譯碼電路。統(tǒng)地址譯碼電路。 /Y0 /Y1 /Y2 /Y3 /Y4 /Y5 /Y67輸出v