第二章 輸入輸出接口技術(shù)和輸入輸出通道

1、第二章第二章 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)和輸入輸出通道本章學(xué)習(xí)目的本章學(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(gè)整體，能正確、問題，使計(jì)算機(jī)和外部構(gòu)成一個(gè)整體，能正確、可靠、高效率的交換信息，這是設(shè)計(jì)一個(gè)微機(jī)可靠、高效率的交換信息，這是設(shè)計(jì)一個(gè)微機(jī)控制系統(tǒng)必須解決的基本問題?？刂葡到y(tǒng)必須解決的基本問題。 2.1 概述概述 為何外圍設(shè)備不能像存儲(chǔ)器直接掛到為何外圍設(shè)備不能像存儲(chǔ)器直接掛到主機(jī)主機(jī)CPU的總線上？的總線上？ 原因：原因： 形式多樣形式多樣輸入輸出類型不同輸入輸出類型不同工作速度不同工作速度不同信息類型和傳送方式不

2、同信息類型和傳送方式不同1、接口、通道及其功能、接口、通道及其功能 1)IO接口電路：接口電路：是主機(jī)和外圍設(shè)備之間交換信是主機(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，有效地完成信息交換。效地完成信息交換。其功能如下：其功能如下： 解決主機(jī)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)問和外圍設(shè)備之間的時(shí)序配合和通信聯(lián)絡(luò)問題（數(shù)據(jù)鎖存器、緩沖器、狀態(tài)寄存器、中斷控制電路）題（數(shù)據(jù)鎖存器、緩沖器、狀態(tài)寄存器、中斷控制電路） 解決解決CPU和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和匹配問題和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和匹配問題 解決解決CPU的負(fù)

3、載能力（總線控制器）和外圍設(shè)備端口選的負(fù)載能力（總線控制器）和外圍設(shè)備端口選擇問題（鎖存器、緩沖器）擇問題（鎖存器、緩沖器） 2)IO通道通道I IO O通道：也稱為過(guò)程通道。它是計(jì)算機(jī)和控制對(duì)通道：也稱為過(guò)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。象之間信息傳送和變換的連接通道。信號(hào)的輸入通路。信號(hào)的輸入通路。信號(hào)的輸出通路。信號(hào)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(hào)實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的信號(hào)變換。變換。2、IO信號(hào)的種類信號(hào)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

4、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3 3、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(gè)字符的各數(shù)位用幾條線同時(shí)進(jìn)行傳輸把一個(gè)字符的各數(shù)位用幾條線同時(shí)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(gè)方向傳送。數(shù)據(jù)信息能沿相反兩個(gè)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(gè)方向傳送，但數(shù)據(jù)信息

5、可沿?cái)?shù)據(jù)傳輸線的兩個(gè)方向傳送，但同一時(shí)刻只能沿一個(gè)方向傳送。同一時(shí)刻只能沿一個(gè)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，

6、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。2.2 IO控制方式控制方式 I/OI/O控制方式分為三種控制方式分為三種：程序控制方式、程序控制方式、中斷中斷控制方式控制方式和和直接存儲(chǔ)器方式。直接存儲(chǔ)器方式。2.2.1 程序控制方式程序控制方式 程序控制程序控制I/OI/O方式：指方式：指CPUCPU和外圍設(shè)備之間和外圍設(shè)備之間的信息傳送，是在程序控制下進(jìn)行的。它又可的信息傳送，是在程序控制下進(jìn)行的。它又可分為無(wú)條件分為無(wú)條件I/OI/O方式和查詢式方式和查詢式I/OI/O方式方式。1 1 無(wú)條件無(wú)條件I/OI/O方式方式 無(wú)條件無(wú)條件I/OI/O方式：指不必查詢外圍設(shè)備

7、的方式：指不必查詢外圍設(shè)備的狀態(tài)即可進(jìn)行信息傳送的狀態(tài)即可進(jìn)行信息傳送的I/OI/O方式。適用于簡(jiǎn)方式。適用于簡(jiǎn)單外設(shè)的操作。其工作原理如下圖所示單外設(shè)的操作。其工作原理如下圖所示。注意注意輸入數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)確信外設(shè)已經(jīng)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，輸出輸入數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)確信外設(shè)已經(jīng)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)確信外設(shè)已經(jīng)讀走前一個(gè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)確信外設(shè)已經(jīng)讀走前一個(gè)數(shù)據(jù)。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） 查詢式查詢式I/O方式，也稱條件傳送方式。此時(shí)，方式，也稱條件傳送方式。此時(shí)，CPU和外和外圍設(shè)備的圍設(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)端接口除需設(shè)置數(shù)據(jù)端口外，還要有狀態(tài)端口。口。

8、NY從狀態(tài)端口讀入狀態(tài)信息從狀態(tài)端口讀入狀態(tài)信息從數(shù)據(jù)端口傳送一個(gè)數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)端口傳送一個(gè)數(shù)據(jù)外設(shè)準(zhǔn)備好外設(shè)準(zhǔn)備好？ 當(dāng)一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)有當(dāng)一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)有多個(gè)外設(shè)采用查詢多個(gè)外設(shè)采用查詢式交換信息時(shí)，式交換信息時(shí)，CPU需采用分時(shí)控需采用分時(shí)控制方式，逐一查詢，制方式，逐一查詢，逐一服務(wù)。逐一服務(wù)。例：假設(shè)某微機(jī)控例：假設(shè)某微機(jī)控制系統(tǒng)采用查詢式制系統(tǒng)采用查詢式對(duì)對(duì)1#，2#，3#三個(gè)三個(gè)外圍設(shè)備進(jìn)行外圍設(shè)備進(jìn)行I/O管管理，其簡(jiǎn)化程序流理，其簡(jiǎn)化程序流程圖如圖程圖如圖24所示。所示。查詢程序見教材查詢程序見教材P20 3 查詢式查詢式I/O方式的優(yōu)缺點(diǎn)及使用條件方式的優(yōu)缺點(diǎn)及使用條件 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：

9、查詢式接口電路簡(jiǎn)單，不占用中斷輸入線，同時(shí)查詢式接口電路簡(jiǎn)單，不占用中斷輸入線，同時(shí)查詢程序也簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)調(diào)試。由于查詢式查詢程序也簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)調(diào)試。由于查詢式I/O方式是方式是通過(guò)通過(guò)CPU執(zhí)行程序來(lái)完成的，因此各外設(shè)的工作與程序執(zhí)行程序來(lái)完成的，因此各外設(shè)的工作與程序的執(zhí)行保持同步關(guān)系，特別適用于多個(gè)按一定規(guī)律順序的執(zhí)行保持同步關(guān)系，特別適用于多個(gè)按一定規(guī)律順序工作的生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程的控制。工作的生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程的控制。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：查詢式查詢式I/O方式下，方式下，CPU要不斷地讀取各外設(shè)狀態(tài)，要不斷地讀取各外設(shè)狀態(tài)，一一查詢各外設(shè)是否有服務(wù)請(qǐng)求。浪費(fèi)主機(jī)時(shí)間，效率一一查詢各外設(shè)

10、是否有服務(wù)請(qǐng)求。浪費(fèi)主機(jī)時(shí)間，效率較低。較低。 例：例：用查詢式管理鍵盤輸入，若程序員在終端按10個(gè)字符個(gè)字符/秒秒的速度打字，那么計(jì)算機(jī)平均用100ms的時(shí)間完成一個(gè)字符的輸入過(guò)程，而實(shí)際上從終端讀入一個(gè)字符并送出顯示等處理的時(shí)間只需約50s，如果同時(shí)管理30臺(tái)終端，那么用于測(cè)試狀態(tài)和等待時(shí)間為：100000s-5030s=98500s；可見，98.5%的時(shí)間都在查詢等待中浪費(fèi)了。I/O方式的選擇必須滿足實(shí)時(shí)控制的要求。對(duì)于查詢方式的選擇必須滿足實(shí)時(shí)控制的要求。對(duì)于查詢式式I/O方式，滿足實(shí)時(shí)控制要求的使用條件是：方式，滿足實(shí)時(shí)控制要求的使用條件是：“所有外圍設(shè)備的所有外圍設(shè)備的服務(wù)時(shí)間服務(wù)

11、時(shí)間的總和必須小于或等的總和必須小于或等于任一外圍設(shè)備的于任一外圍設(shè)備的最短響應(yīng)時(shí)間最短響應(yīng)時(shí)間（也稱危險(xiǎn)時(shí)（也稱危險(xiǎn)時(shí)間）間）”。 服務(wù)時(shí)間服務(wù)時(shí)間指某臺(tái)外設(shè)服務(wù)子程序的執(zhí)行時(shí)間。指某臺(tái)外設(shè)服務(wù)子程序的執(zhí)行時(shí)間。 最短響應(yīng)時(shí)間最短響應(yīng)時(shí)間指某臺(tái)設(shè)備相鄰兩次請(qǐng)求服務(wù)的指某臺(tái)設(shè)備相鄰兩次請(qǐng)求服務(wù)的最短間隔時(shí)間。最短間隔時(shí)間。 查詢方式一般適用于各外圍設(shè)備服務(wù)時(shí)間不太長(zhǎng)、查詢方式一般適用于各外圍設(shè)備服務(wù)時(shí)間不太長(zhǎng)、最短響應(yīng)時(shí)間差別不大的情況。最短響應(yīng)時(shí)間差別不大的情況。中斷請(qǐng)求中斷請(qǐng)求1INTR中斷請(qǐng)求中斷請(qǐng)求2INTR中斷服務(wù)中斷服務(wù)程序程序1中斷服務(wù)中斷服務(wù)程序程序2主程序主程序IRETIRE

12、T斷點(diǎn)斷點(diǎn)中斷源中斷源1中斷源中斷源2使用堆棧使用堆棧保護(hù)斷點(diǎn)保護(hù)斷點(diǎn)中斷運(yùn)行過(guò)程2.2 2中斷控制中斷控制I/O方式方式1. 1. 中斷控制中斷控制I/OI/O時(shí)應(yīng)解決的問題時(shí)應(yīng)解決的問題外部中斷：外部中斷：是通過(guò)是通過(guò)IO接口硬件向接口硬件向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，從而引起一個(gè)中斷處理過(guò)程。從而引起一個(gè)中斷處理過(guò)程。多重中斷處理時(shí)必須解決的四個(gè)問題：多重中斷處理時(shí)必須解決的四個(gè)問題： 保存現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。保存現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。 正確判斷中斷源。正確判斷中斷源。 實(shí)時(shí)響應(yīng)。實(shí)時(shí)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(jí)問題的解決中斷優(yōu)先級(jí)問題的解決軟件查詢方

13、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 各外設(shè)的優(yōu)先各外設(shè)的優(yōu)先權(quán)順序就由查詢序權(quán)順序就由查詢序列中它所處的位置列中它所處的位置決定，先查詢的設(shè)決定，先查詢的設(shè)備優(yōu)先權(quán)最高，最備優(yōu)先權(quán)最高，最后查詢的設(shè)備優(yōu)先后查詢的設(shè)備優(yōu)先權(quán)最低。即：查詢權(quán)最低。即：查詢的先后順序決定了的先后順序決定了各外設(shè)的優(yōu)先權(quán)高各外設(shè)的優(yōu)先權(quán)高低。低。 軟件查詢式中軟件查詢式中斷控制斷控制I/O處理程序處理程序流程圖如圖流程圖如圖29所所示。示。 2) 2) 雛菊鏈法雛菊鏈法3) 專用硬件方式專用硬件方式 在微機(jī)系統(tǒng)或微機(jī)控制系統(tǒng)中更多的是采用專用硬件在微機(jī)系統(tǒng)或微機(jī)控制系

14、統(tǒng)中更多的是采用專用硬件芯片芯片中斷控制器來(lái)進(jìn)行中斷優(yōu)先級(jí)管理的。在中斷控制器來(lái)進(jìn)行中斷優(yōu)先級(jí)管理的。在8086/8088微機(jī)系統(tǒng)中常常采用的是可編程中斷控制器微機(jī)系統(tǒng)中常常采用的是可編程中斷控制器8259A。1片片8259A能管理能管理8級(jí)中斷，從其引腳級(jí)中斷，從其引腳IR7IR0接收接收8個(gè)個(gè)I/O設(shè)備的中斷請(qǐng)求，請(qǐng)求標(biāo)志積存在中斷請(qǐng)?jiān)O(shè)備的中斷請(qǐng)求，請(qǐng)求標(biāo)志積存在中斷請(qǐng)求寄存器求寄存器IRR中，然后通過(guò)中斷優(yōu)先級(jí)裁決器的裁決，中，然后通過(guò)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，使選中當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的中斷請(qǐng)求，使8259A的輸出端的輸出端INT為為1，從而向，從而向CPU發(fā)出一

15、個(gè)中斷請(qǐng)求。發(fā)出一個(gè)中斷請(qǐng)求。 3 實(shí)時(shí)響應(yīng)的條件實(shí)時(shí)響應(yīng)的條件 采用中斷控制采用中斷控制I/O方式時(shí)，只要外設(shè)不提出中斷方式時(shí)，只要外設(shè)不提出中斷請(qǐng)求，請(qǐng)求，CPU運(yùn)行主程序，完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中指定的運(yùn)行主程序，完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中指定的工作（不必循環(huán)檢測(cè)各外設(shè)的狀態(tài)避免浪費(fèi)工作（不必循環(huán)檢測(cè)各外設(shè)的狀態(tài)避免浪費(fèi)CPU的時(shí)的時(shí)間），只有應(yīng)外設(shè)的請(qǐng)求才臨時(shí)中斷當(dāng)前工作去為外間），只有應(yīng)外設(shè)的請(qǐng)求才臨時(shí)中斷當(dāng)前工作去為外設(shè)服務(wù)，因此，采用中斷控制設(shè)服務(wù)，因此，采用中斷控制I/O方式解決了慢速的外方式解決了慢速的外設(shè)和高速的設(shè)和高速的CPU之間交換信息時(shí)在時(shí)間配合上的矛盾，之間交換信息時(shí)在時(shí)間配合上

16、的矛盾，充分利用了充分利用了CPU的時(shí)間，提高了輸入輸出的速度。的時(shí)間，提高了輸入輸出的速度。 采用了中斷，可根據(jù)采用了中斷，可根據(jù)各外設(shè)最短響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短各外設(shè)最短響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短恰當(dāng)?shù)匕才牌鋬?yōu)先權(quán)順序。但是，即使采用了中斷控恰當(dāng)?shù)匕才牌鋬?yōu)先權(quán)順序。但是，即使采用了中斷控制制I/O方式，也不是在任何情況下，都能滿足實(shí)時(shí)控制方式，也不是在任何情況下，都能滿足實(shí)時(shí)控制的要求，可采用的要求，可采用中斷嵌套中斷嵌套。2.2.3. 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)的數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)傳送速率可達(dá)1.6M字節(jié)字節(jié)/s；825

17、7A的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)傳送速率可達(dá)125M字節(jié)字節(jié)/s。2.3 I/O2.3 I/O接口設(shè)計(jì)接口設(shè)計(jì)I/OI/O接口設(shè)計(jì)的任務(wù)接口設(shè)計(jì)的任務(wù)I/OI/O控制方式與接口軟、硬件設(shè)計(jì)的關(guān)系控制方式與接口軟、硬件設(shè)計(jì)的關(guān)系2.3.1 I2.3.1 I0 0接口的編址方式接口的編址方式 * * I/O I/O接口為何需要地址（編址）？接口為何需要地址（編址）？I I0 0接口與存儲(chǔ)器獨(dú)立編址方式接口與存儲(chǔ)器獨(dú)立編址方式I0接口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式接口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式編址方式編址方式-微處理器決定微處理器決定地址尋址地址尋址- 地址譯碼器地址譯碼器Inel8086+8288/MRDC/MWTC

18、AB/IORC/IOWC譯譯碼碼器器譯譯碼碼器器去存儲(chǔ)器去存儲(chǔ)器 去去I/O接口接口.1. I1. I0 0接口與存儲(chǔ)器獨(dú)立編址方式接口與存儲(chǔ)器獨(dú)立編址方式獨(dú)立編址方式的優(yōu)點(diǎn)： 內(nèi)存地址空間與內(nèi)存地址空間與I/O接口地址空間分開，互不影響接口地址空間分開，互不影響 可尋址可尋址256256個(gè)端口，執(zhí)行個(gè)端口，執(zhí)行I IO O指令時(shí)間短，譯碼電路簡(jiǎn)單指令時(shí)間短，譯碼電路簡(jiǎn)單 程序清晰易讀程序清晰易讀 硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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

19、。增加了微處理器本身控制邏輯的復(fù)雜性。2I0接口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式接口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式 又稱存儲(chǔ)器映像方式又稱存儲(chǔ)器映像方式: : 把所有的把所有的I I0 0端口作為存儲(chǔ)單元，端口作為存儲(chǔ)單元，每個(gè)外圍設(shè)備的端口都給予相應(yīng)的一個(gè)或幾個(gè)每個(gè)外圍設(shè)備的端口都給予相應(yīng)的一個(gè)或幾個(gè)1616位地址號(hào)。位地址號(hào)。Inel8086+8288AB /MRDC/MWTC/IORC/IOWC譯譯碼碼器器不不用用去存儲(chǔ)器去存儲(chǔ)器 去去 I/O 接口接口統(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) IO部分可以和存儲(chǔ)器部分共用譯碼和控制電路部分可以和存儲(chǔ)器部分共用譯碼和控制電路 CPUCPU不需區(qū)分訪內(nèi)

20、操作及訪問輸入輸出操作的控制信號(hào)，不需區(qū)分訪內(nèi)操作及訪問輸入輸出操作的控制信號(hào)，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)： 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(chǔ)空間地址端口占用了存儲(chǔ)空間地址補(bǔ)充：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最大模式與最小模式注意 如何區(qū)分計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最大/最小模式、獨(dú)立/統(tǒng)一編址方式？口訣：最大最小四三分，獨(dú)立統(tǒng)一有無(wú)辨?？谠E：最大最小四三分，獨(dú)立統(tǒng)一有無(wú)辨。注：四三注：四三讀寫控制引腳數(shù)量，有無(wú)讀寫控制引腳數(shù)量，有無(wú)IORCIORC、IOWCIOWC是否有效是否有效2.3.

21、2 I2.3.2 IO O接口與系統(tǒng)的連接接口與系統(tǒng)的連接(a)通過(guò)IO接口芯片與CPU和外圍設(shè)備的連接 (b)通過(guò)IO接口芯片與CPU和外圍設(shè)備的連接 接口芯片和CPU之間必須連接的信號(hào)有下列4類：數(shù)據(jù)信號(hào)數(shù)據(jù)信號(hào)D0D7讀寫控制信號(hào)讀寫控制信號(hào) 片選信號(hào)和地址線片選信號(hào)和地址線時(shí)鐘、復(fù)位、中斷控制、聯(lián)絡(luò)時(shí)鐘、復(fù)位、中斷控制、聯(lián)絡(luò)信號(hào)信號(hào) 2.3.3 I2.3.3 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 譯碼器譯碼器常用的譯碼器有：四中選一、八中選一、十常用的譯碼器有：四中選一、八中選一、十六中選一。六中選一。74LSl3874

22、LSl38擴(kuò)展地址譯碼器擴(kuò)展地址譯碼器 例：例：采用采用74LS138做地址譯碼器的某數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。做地址譯碼器的某數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。8255A的A、B、C、控制口地址：3E4H、3E5H、3E6H、3E7H8253的口地址：3F8H、3F9H、3FAH、3FBH 2. 2. 負(fù)載能力的擴(kuò)展負(fù)載能力的擴(kuò)展1) 應(yīng)用總線收發(fā)器提高總線驅(qū)動(dòng)能力應(yīng)用總線收發(fā)器提高總線驅(qū)動(dòng)能力總線收發(fā)器總線收發(fā)器 Intel8286 A0 B0 A1 B1 A2 B2 A3 B3 A4 B4 A5 B5 A6 B6 A7 B7 /OE T 82862)2)應(yīng)用接口芯片應(yīng)用接口芯片常用的：常用的：74LS244單向三態(tài)門單

23、向三態(tài)門74LS373(74LS273)三態(tài)輸出鎖存器三態(tài)輸出鎖存器74LS245三態(tài)輸出八總線收發(fā)器三態(tài)輸出八總線收發(fā)器74LS245： 使能端使能端/G方向控制方向控制端端DIR操操 作作L L B 數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)至A總線總線 L H A數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)至B總線總線 H 隔隔 開開 2.3.42.3.4 I IO O接口設(shè)計(jì)的方法、步驟及設(shè)計(jì)舉例接口設(shè)計(jì)的方法、步驟及設(shè)計(jì)舉例 1. IO接口設(shè)計(jì)的方法、步驟 IO接口設(shè)計(jì)步驟接口設(shè)計(jì)步驟 了解常用外圍設(shè)備或被控設(shè)備與了解常用外圍設(shè)備或被控設(shè)備與CPU之間信息交換的要求；之間信息交換的要求； 考慮硬件和軟件的功能分配；考慮硬件和軟件的功能分配； 進(jìn)行進(jìn)

24、行IO端口的數(shù)量統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)流向安排和端口地址號(hào)分配；端口的數(shù)量統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)流向安排和端口地址號(hào)分配； IO接口硬件電路的擴(kuò)展設(shè)計(jì)；接口硬件電路的擴(kuò)展設(shè)計(jì)； IO接口控制軟件設(shè)計(jì)；接口控制軟件設(shè)計(jì)； 進(jìn)行接口硬件和軟件聯(lián)調(diào)。進(jìn)行接口硬件和軟件聯(lián)調(diào)。 IO接口擴(kuò)展的方案選擇接口擴(kuò)展的方案選擇: 購(gòu)置多功能購(gòu)置多功能IO接口板接口板 自行設(shè)計(jì)自行設(shè)計(jì)IO接口電路接口電路 采用通用的大規(guī)模集成電路接口芯采用通用的大規(guī)模集成電路接口芯片擴(kuò)展片擴(kuò)展IO接口電路接口電路 采用普通的緩沖器、鎖存器和譯采用普通的緩沖器、鎖存器和譯碼器等集成電路擴(kuò)展碼器等集成電路擴(kuò)展IO接口接口 2.I2.IO O接口設(shè)計(jì)舉例一接

25、口設(shè)計(jì)舉例一 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)8088CPU微機(jī)系統(tǒng)微機(jī)系統(tǒng)IO接口電路，接口電路，有有8組組8位的數(shù)字量外部輸入，位的數(shù)字量外部輸入，8組組8位的位的控制和顯示數(shù)據(jù)輸出到外部?？刂坪惋@示數(shù)據(jù)輸出到外部。8個(gè)輸入端個(gè)輸入端口地址號(hào)為口地址號(hào)為E8HEFH，8個(gè)輸出端口地個(gè)輸出端口地址為址為F0HF7H,可采用無(wú)條件傳送方式。可采用無(wú)條件傳送方式。設(shè)計(jì)要求： 設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)： A7A6A5A4A3A2A1A01 1 1 0 1 IN AL, 0E8H1 1 1 1 0 X X XOUT 0F0H, AL3. I3. IO O接口設(shè)計(jì)舉例二接口設(shè)計(jì)舉例二設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)要求： 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)8086最小模式系統(tǒng)接口電

26、路，采用最小模式系統(tǒng)接口電路，采用8255A作為連作為連接打印機(jī)的接口，指定接打印機(jī)的接口，指定8255A的的A、B、C和控制端口的地和控制端口的地址號(hào)分別為址號(hào)分別為FFF8H、FFFAH、FFFCH和和FFFEH。設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)： 以程序控制方式設(shè)計(jì)以程序控制方式設(shè)計(jì)A7A6A5A4A3A2A1A0 1 1 1 1 1 X X X 0FFF8H、FFFAH、FFFCH、FFFEH2.4 I2.4 IO O通道通道 模擬量輸入通道模擬量輸出通道數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸出通道 I IO O通道分為：通道分為： 2.4.1 2.4.1 模擬量輸入通道模擬量輸入通道主要組成：主要組成： 信號(hào)處理裝置、采

27、樣單元、采樣保持器、數(shù)據(jù)信號(hào)處理裝置、采樣單元、采樣保持器、數(shù)據(jù)放大器、放大器、AD轉(zhuǎn)換器控制電路。轉(zhuǎn)換器控制電路。任務(wù)：任務(wù)：完成模擬量的采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)完成模擬量的采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)。 1 1、信號(hào)處理裝置、信號(hào)處理裝置組成：組成：標(biāo)度變換器、濾波電路、線性化處理及電參量間的轉(zhuǎn)標(biāo)度變換器、濾波電路、線性化處理及電參量間的轉(zhuǎn)換電路等。換電路等。 標(biāo)度變換器：標(biāo)度變換器：作用：把經(jīng)由各種傳感器所得到的不同種類和不同電平的被作用：把經(jīng)由各種傳感器所得到的不同種類和不同電平的被測(cè)模擬信號(hào)變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。測(cè)模擬信號(hào)變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。 濾波電路：濾波電路：作用：濾掉或消

28、除干擾信號(hào)，保留或增強(qiáng)有用信號(hào)。作用：濾掉或消除干擾信號(hào)，保留或增強(qiáng)有用信號(hào)。 線性化處理：線性化處理：有些電信號(hào)轉(zhuǎn)換后與被測(cè)參量呈現(xiàn)非線性。有些電信號(hào)轉(zhuǎn)換后與被測(cè)參量呈現(xiàn)非線性。 所以必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行線性化處理，使它接近線性化。所以必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行線性化處理，使它接近線性化。 電參量間的轉(zhuǎn)換電路：電參量間的轉(zhuǎn)換電路： 主要進(jìn)行電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。主要進(jìn)行電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。 2 2、采樣單元、采樣單元 作用：作用：把各路模擬量分時(shí)接到把各路模擬量分時(shí)接到AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)CPU對(duì)各路模擬量分時(shí)采樣。對(duì)各路模擬量分時(shí)采樣。 組成：組成：開關(guān)矩陣及邏輯控制電路。開關(guān)矩陣及邏輯控

29、制電路。 開關(guān)矩陣開關(guān)矩陣 模擬開關(guān)的組合模擬開關(guān)的組合 邏輯控制電路邏輯控制電路 在軟件或通道控制電路的控制下，以一在軟件或通道控制電路的控制下，以一定速度，按順序輸入被測(cè)模擬信號(hào)。定速度，按順序輸入被測(cè)模擬信號(hào)。CD405l 組成：組成：邏輯電平轉(zhuǎn)換、邏輯電平轉(zhuǎn)換、二進(jìn)制譯碼器二進(jìn)制譯碼器及及8個(gè)開關(guān)電個(gè)開關(guān)電路。路。 主要特性：主要特性： 直流供電電源：直流供電電源：VDD+5V+15V， 數(shù)字信號(hào)電位變化范圍：數(shù)字信號(hào)電位變化范圍：315V 輸入電壓：輸入電壓：UIN0VDD， 模擬信號(hào)峰峰值：模擬信號(hào)峰峰值：15V3、采樣保持、采樣保持1)孔徑時(shí)間引起的孔徑時(shí)間引起的A/D轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)

30、換誤差 完成一次完成一次A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間所需的時(shí)間稱為孔徑時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間所需的時(shí)間稱為孔徑時(shí)間間tA/D。對(duì)于隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)，孔。對(duì)于隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)，孔徑時(shí)間決定了每個(gè)采樣時(shí)刻的最大轉(zhuǎn)換誤差。徑時(shí)間決定了每個(gè)采樣時(shí)刻的最大轉(zhuǎn)換誤差。令令 dU/dt =Umcost=Um2fcost式中，式中，Um為正弦模擬信號(hào)的幅值；為正弦模擬信號(hào)的幅值；f為信號(hào)頻率。為信號(hào)頻率。 在坐標(biāo)的原點(diǎn)上在坐標(biāo)的原點(diǎn)上 =Um2f取取t=tA/D，則得原點(diǎn)處轉(zhuǎn)換的不確定電壓誤差為，則得原點(diǎn)處轉(zhuǎn)換的不確定電壓誤差為 U= Um2f tA/D誤差的百分?jǐn)?shù)誤差的百分?jǐn)?shù) = U / Um =2f tA/D100

31、% 例：一個(gè)例：一個(gè)10位的位的A/D轉(zhuǎn)換器，若要求轉(zhuǎn)換精度為轉(zhuǎn)換器，若要求轉(zhuǎn)換精度為01%，孔徑時(shí)間孔徑時(shí)間10s，則允許轉(zhuǎn)換的正弦波模擬信號(hào)的最大頻，則允許轉(zhuǎn)換的正弦波模擬信號(hào)的最大頻率為率為 f= 16Hz 因此，如被采樣模擬信號(hào)的變化頻率相對(duì)于因此，如被采樣模擬信號(hào)的變化頻率相對(duì)于A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度來(lái)說(shuō)是較高的話，為了保證轉(zhuǎn)換精度，換器的轉(zhuǎn)換速度來(lái)說(shuō)是較高的話，為了保證轉(zhuǎn)換精度，就要在就要在A/D轉(zhuǎn)換之前加上采樣保持電路，使得在轉(zhuǎn)換之前加上采樣保持電路，使得在A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換期間保持輸入模擬信號(hào)不變。期間保持輸入模擬信號(hào)不變。 s2610101021 . 02) 采樣保持器的工作原

32、理采樣保持器的工作原理采樣保持電路：采樣保持電路：對(duì)變化的模擬信號(hào)快速采樣，并在轉(zhuǎn)換過(guò)程中對(duì)變化的模擬信號(hào)快速采樣，并在轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持保持模擬信號(hào)模擬信號(hào)。 兩個(gè)工作狀態(tài)：兩個(gè)工作狀態(tài)： 采樣狀態(tài)采樣狀態(tài) 保持狀態(tài)保持狀態(tài) 采樣保持集成芯片采樣保持集成芯片LFl98 主要特性：主要特性：供電電源：供電電源：5V18V；信號(hào)獲取時(shí)間：信號(hào)獲取時(shí)間：10as；可以和可以和TTL、PMOS、CMOS邏輯輸入兼容；邏輯輸入兼容；典型保持電容：典型保持電容：1000pF、0.01F。 4 4、 數(shù)據(jù)放大器數(shù)據(jù)放大器 把傳感器的信號(hào)從毫伏電平按比例放大到典型的把傳感器的信號(hào)從毫伏電平按比例放大到典型的AD

33、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器輸入電平。換器輸入電平。5 5、A AD D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器把通道輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，把通道輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過(guò)通過(guò)I/O接口電路送接口電路送入入CPU。f(t) K f*(t) T2.4.22.4.2 采樣與量化采樣與量化1 1采樣過(guò)程采樣過(guò)程采樣過(guò)程：用采樣開關(guān)將模擬信號(hào)按一定時(shí)間間隔抽樣成離散模擬信號(hào)的過(guò)程。采樣周期、采樣時(shí)間與采樣時(shí)刻采樣周期、采樣時(shí)間與采樣時(shí)刻香農(nóng)香農(nóng)(Shannon)(Shannon)定理：定理：如果隨時(shí)間變化的模擬如果隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)的最高頻率為信號(hào)的最高頻率為maxmax，只要按照采樣頻率，只要按照采樣頻率S S22maxmax進(jìn)行采樣，

34、那么取出的樣品系列進(jìn)行采樣，那么取出的樣品系列(f(f1 1* *(t)(t)，f f2 2* *(t)(t)，) )就足以代表就足以代表( (或恢或恢復(fù)復(fù))f(t)f(t)。2 2量化過(guò)程量化過(guò)程 量化過(guò)程：量化過(guò)程：是用一組數(shù)碼是用一組數(shù)碼(如二進(jìn)制碼如二進(jìn)制碼)來(lái)逼近離散模擬信來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。 fmax：轉(zhuǎn)換信號(hào)的最大值；：轉(zhuǎn)換信號(hào)的最大值； fmin：轉(zhuǎn)換信號(hào)的最小值；：轉(zhuǎn)換信號(hào)的最小值； i：轉(zhuǎn)換后二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。：轉(zhuǎn)換后二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。 量化單位為：量化單位為：iffq2minmax量化誤差量化誤差：在量化過(guò)程中，取相鄰兩

35、個(gè)數(shù)字量中更接近：在量化過(guò)程中，取相鄰兩個(gè)數(shù)字量中更接近的一個(gè)數(shù)值（四舍五入）作為采樣值的量化量：量化的一個(gè)數(shù)值（四舍五入）作為采樣值的量化量：量化誤差的最大值為誤差的最大值為+q/2。 例：模擬信號(hào)例：模擬信號(hào)fmax=16V、fmin=0V，取，取i=4，則，則q=1V，量化誤差最大值量化誤差最大值emax=+q/2=+05V。2.4.3 2.4.3 模擬量輸出通道模擬量輸出通道功能：功能：把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬量，并輸出到被選中把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬量，并輸出到被選中的某一控制回路上，完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制動(dòng)作。的某一控制回路上，完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制動(dòng)作。組成：組成：DA轉(zhuǎn)換器

36、、輸出保持器、多路切換開關(guān)、低通濾轉(zhuǎn)換器、輸出保持器、多路切換開關(guān)、低通濾波電路和功放電路。波電路和功放電路。輸出保持器的作用：輸出保持器的作用：將前一采樣時(shí)刻的輸出信號(hào)保持到下一個(gè)將前一采樣時(shí)刻的輸出信號(hào)保持到下一個(gè)采樣時(shí)刻，重新得到新的輸出信號(hào)。采樣時(shí)刻，重新得到新的輸出信號(hào)。 輸出保持方案：輸出保持方案：數(shù)字量保持方案；模擬量保持方案。數(shù)字量保持方案；模擬量保持方案。1 1、一個(gè)輸出通路設(shè)置一個(gè)、一個(gè)輸出通路設(shè)置一個(gè)D DA A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式 2 2、多個(gè)輸出通路共用一個(gè)、多個(gè)輸出通路共用一個(gè)D DA A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式常用的零階保持器：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)多

37、圈電位器電容保持電路2.4.4 模擬量輸入模擬量輸入/輸出通道工作過(guò)程分析輸出通道工作過(guò)程分析2.4.5 2.4.5 數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸入通道 數(shù)字輸入信號(hào)分三類：數(shù)字輸入信號(hào)分三類：編碼數(shù)字編碼數(shù)字 開關(guān)量開關(guān)量 脈沖列脈沖列數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)：數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)：TTL電平編碼數(shù)字： 直接和并行接口電路的輸入口連接。直接和并行接口電路的輸入口連接。 加光電隔離電路。加光電隔離電路。脈沖信號(hào)： 采用軟件計(jì)數(shù)法。采用軟件計(jì)數(shù)法。 接口電路外加硬件計(jì)數(shù)器。接口電路外加硬件計(jì)數(shù)器。 觸點(diǎn)通斷的開關(guān)量：觸點(diǎn)通斷的開關(guān)量： 電平轉(zhuǎn)換、濾波、防抖及光電（繼電器）電平轉(zhuǎn)換、濾波、防抖及光電（繼電器

38、） 隔離電路隔離電路常用的電平轉(zhuǎn)換電路：常用的電平轉(zhuǎn)換電路：(a)2.4.5 2.4.5 數(shù)字量輸出通道數(shù)字量輸出通道 編碼數(shù)字編碼數(shù)字 二進(jìn)制數(shù)。二進(jìn)制數(shù)。 開關(guān)量開關(guān)量 “1”、“0”的形式。的形式。輸出電路的形式：輸出電路的形式： (b)(c) 脈沖信號(hào)脈沖信號(hào) 輸出脈沖的頻率及個(gè)數(shù)都可通過(guò)程序設(shè)置來(lái)控制。輸出脈沖的頻率及個(gè)數(shù)都可通過(guò)程序設(shè)置來(lái)控制。 2.5 D2.5 DA A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 作用：把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。作用：把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。按工作方式可分成：按工作方式可分成：并行并行和和串行串行兩種。兩種。 并行并行D/A轉(zhuǎn)換器又可分為轉(zhuǎn)換器又可分為電流相加型電流相加型和和電壓相加

39、型電壓相加型，還，還有并行數(shù)據(jù)是二進(jìn)制或二有并行數(shù)據(jù)是二進(jìn)制或二十進(jìn)制數(shù)之別。并行十進(jìn)制數(shù)之別。并行D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快（轉(zhuǎn)換速度快（s），應(yīng)用較多。），應(yīng)用較多。 串行串行D/A轉(zhuǎn)換有特殊用途，在某些情況下必須采用它，轉(zhuǎn)換有特殊用途，在某些情況下必須采用它，如步進(jìn)電機(jī)的控制。如步進(jìn)電機(jī)的控制。 2.5.1 并行并行DA轉(zhuǎn)換器的工作原理轉(zhuǎn)換器的工作原理 1 基本思想：基本思想： 純小數(shù)純小數(shù)0.11000110= 2-1+2-2+2-6+ 2-7 為了把一個(gè)數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須把每一位上為了把一個(gè)數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須把每一位上的代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，再把代表的代碼

40、按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，再把代表各位的模擬量相加，這樣，得到的總的模擬量就是與各位的模擬量相加，這樣，得到的總的模擬量就是與數(shù)字量成正比的模擬量。數(shù)字量成正比的模擬量。 并行并行D/A轉(zhuǎn)換器由轉(zhuǎn)換器由電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器、位切換開電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器、位切換開關(guān)和基準(zhǔn)電壓關(guān)和基準(zhǔn)電壓組成。組成。 電阻網(wǎng)絡(luò)通常有兩種：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和電阻網(wǎng)絡(luò)通常有兩種：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和T型電阻網(wǎng)絡(luò)。型電阻網(wǎng)絡(luò)。2. T 型電阻網(wǎng)絡(luò)的型電阻網(wǎng)絡(luò)的DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器圖中所有電阻均為圖中所有電阻均為R和和2R。每個(gè)支路都有一個(gè)電子開關(guān)，當(dāng)。每個(gè)支路都有一個(gè)電子開關(guān)，當(dāng)Di=0時(shí)，開關(guān)接地；當(dāng)時(shí)，開關(guān)接地；當(dāng)Di=1時(shí)，

41、開關(guān)接時(shí)，開關(guān)接UR。反相端作輸入電壓：反相端作輸入電壓：0UfLORIUUfLORIU 電路工作過(guò)程：電路工作過(guò)程：輸入信號(hào)為輸入信號(hào)為001 2IIL 輸入的信號(hào)為輸入的信號(hào)為010RUIR34IIL I流經(jīng)負(fù)載電阻的電流表達(dá)式為：流經(jīng)負(fù)載電阻的電流表達(dá)式為：)2.22(3)2.22(22112211nnRnnLDDDRUIDDDI )D2.D2D(23nn-22-1-1 RfLOfURIURR則則取取2.5.2 2.5.2 串行串行D DA A轉(zhuǎn)換器的工作原理轉(zhuǎn)換器的工作原理采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 2.5.3 D2.5.3 DA A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的性能指

42、標(biāo)1分辨率分辨率定義：當(dāng)輸入數(shù)字量變化定義：當(dāng)輸入數(shù)字量變化1時(shí)，輸出模擬量變化的大小。時(shí)，輸出模擬量變化的大小。對(duì)于一個(gè)對(duì)于一個(gè)N位的位的DA轉(zhuǎn)換器其分辨率為：轉(zhuǎn)換器其分辨率為： N2滿刻度值分辨率例如：對(duì)于滿刻度值例如：對(duì)于滿刻度值5.12V，單極性輸出，單極性輸出，8位位DA轉(zhuǎn)換器的分辨率為：轉(zhuǎn)換器的分辨率為：5.12V/2820mV l0位位DA轉(zhuǎn)換器的分辨率為：轉(zhuǎn)換器的分辨率為：5.12V/210=5.12V/10245mV12位位DA轉(zhuǎn)換器的分辨率為：轉(zhuǎn)換器的分辨率為：5.12V/212=5.12V/40961.25mV 2.穩(wěn)定時(shí)間穩(wěn)定時(shí)間定義：數(shù)據(jù)變化量是滿刻度時(shí)，達(dá)到并保持在

43、終值定義：數(shù)據(jù)變化量是滿刻度時(shí)，達(dá)到并保持在終值1/2LSB范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。 3輸入編碼輸入編碼 一般為二進(jìn)制編碼、一般為二進(jìn)制編碼、BCD碼、符號(hào)碼、符號(hào)-數(shù)值碼等。數(shù)值碼等。定義：在滿刻度范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差。定義：在滿刻度范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差。一般用最低有效位一般用最低有效位LSB的分?jǐn)?shù)來(lái)表示。為的分?jǐn)?shù)來(lái)表示。為0.010.8。 4線性誤差線性誤差數(shù)字量輸入模擬量輸出 理想特性實(shí)際滿刻度 線性誤差5. 輸出方式和極性輸出方式和極性6工作溫度范圍工作溫度范圍 較好的較好的DA轉(zhuǎn)換器工作溫度范圍為一轉(zhuǎn)換器工作溫度范圍為一4085，較差的為較

44、差的為070。 7. 使用調(diào)整使用調(diào)整2.5.4 D/A2.5.4 D/A轉(zhuǎn)換器芯片及其接口電路轉(zhuǎn)換器芯片及其接口電路 功能管腳共同之處包括以下方面：功能管腳共同之處包括以下方面： 它包括數(shù)字量的輸入端和模擬量的輸出端，芯片的模擬信它包括數(shù)字量的輸入端和模擬量的輸出端，芯片的模擬信號(hào)輸出端又有單端輸出和差動(dòng)輸出兩種。號(hào)輸出端又有單端輸出和差動(dòng)輸出兩種。 D/A 轉(zhuǎn)換器所需參考電壓由芯片以外的電源提供。轉(zhuǎn)換器所需參考電壓由芯片以外的電源提供。 許多芯片內(nèi)設(shè)置了輸入數(shù)據(jù)寄存器。許多芯片內(nèi)設(shè)置了輸入數(shù)據(jù)寄存器。 芯片都具有片選信號(hào)和寫信號(hào)管腳芯片都具有片選信號(hào)和寫信號(hào)管腳 1 1、8 8位位DAC0

45、832DAC0832及接口電路及接口電路1 1）外部結(jié)構(gòu)特征）外部結(jié)構(gòu)特征采用采用20引腳、雙列直插式集成電路芯片。引腳、雙列直插式集成電路芯片。主要參數(shù)：分辨率主要參數(shù)：分辨率8位，電流穩(wěn)定時(shí)間位，電流穩(wěn)定時(shí)間1s，電流輸，電流輸出，與出，與TTL電平兼容；功耗電平兼容；功耗20mW。2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理兩種情況轉(zhuǎn)換：兩種情況轉(zhuǎn)換： /WR2=0 ，/XFER =0，DAC寄存器為不鎖存狀態(tài)，寄存器為不鎖存狀態(tài)，ILE=1時(shí)，時(shí)，/CS=/WR1=0。 /WR1=0，/CS=0，ILE=1 輸入寄存器為不鎖存狀態(tài)，而輸入寄存器為不鎖存狀態(tài)，而/WR2=/XFER=0。 若不鎖存，直接轉(zhuǎn)換，若不

46、鎖存，直接轉(zhuǎn)換，/WR1、/WR2、/CS和和/XFER為為0，ILE接高電平，稱為直通工作方式。接高電平，稱為直通工作方式。3 3）DAC0832DAC0832輸出方式輸出方式 電壓輸出方式電壓輸出方式 電流輸出方式電流輸出方式 電壓輸出方式電壓輸出方式 單極性電壓輸出方式單極性電壓輸出方式-+OA.VoutRfIout1Iout2 雙極性電壓輸出電路雙極性電壓輸出電路 OREFUV數(shù)字碼）( 電流輸出方式電流輸出方式 量程選擇：量程選擇：010mA直流電流直流電流 420mA直流電流直流電流4 4）接口電路）接口電路 用鎖存器連接用鎖存器連接 用可編程并行口用可編程并行口8255連接連接

47、D/A與與CPU直接連接直接連接補(bǔ)充例題：補(bǔ)充例題： DAC0832用作波形發(fā)生器。試根據(jù)圖用作波形發(fā)生器。試根據(jù)圖2-58接接線，分別寫出產(chǎn)生鋸齒波、三角波和方波的程線，分別寫出產(chǎn)生鋸齒波、三角波和方波的程序，產(chǎn)生的波形如下圖所示（設(shè)序，產(chǎn)生的波形如下圖所示（設(shè)DAC0832的地的地址為址為0FFF0H）。）。 鋸齒波程序：鋸齒波程序：JCB PROCNEAR MOV DX，0FFF0H MOV AL，0；轉(zhuǎn)換初值；轉(zhuǎn)換初值LP1： OUTDX，AL；D/A開始轉(zhuǎn)換開始轉(zhuǎn)換 INCAL NOP；延時(shí)；延時(shí) NOP NOP NOP SJMP LP1 RETJCBENDP三角波程序：三角波程序：

48、SJB PROC NEARMOVDX，0FFF0HMOVAL，0 ；轉(zhuǎn)換初值；轉(zhuǎn)換初值LPDN：OUT DX，AL；D/A開始轉(zhuǎn)換，線性下降段開始轉(zhuǎn)換，線性下降段NOP；延時(shí)；延時(shí)NOPINCALJNZLPDNMOV AL，0FEH；置上升階段初值；置上升階段初值LPUP：OUTDX，AL；線性上升段；線性上升段NOPNOPDECALJNZLPUPSJMPLPDNRETSJB ENDP方波程序：方波程序：FB PROC NEARMOVDX，0FFF0HMOVAL，33H；置上限電平；置上限電平LP1：OUTDX，AL；D/A開始轉(zhuǎn)換開始轉(zhuǎn)換CALL DELAY；形成方波頂寬；形成方波頂寬MOV

49、 AL，0FFH；置下限電平；置下限電平OUTDX，ALCALLDELAY ；形成方波底寬；形成方波底寬SJMPLP1RETFBENDP2.6 A2.6 AD D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器常用的常用的AD轉(zhuǎn)換器有：轉(zhuǎn)換器有：計(jì)數(shù)器式計(jì)數(shù)器式雙積分式雙積分式逐次逼近式逐次逼近式 組成：組成：計(jì)數(shù)器、計(jì)數(shù)器、DA轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器及比較器換器及比較器工作過(guò)程：工作過(guò)程：特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但轉(zhuǎn)換速度比較慢。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但轉(zhuǎn)換速度比較慢。2.6.1 A2.6.1 AD D轉(zhuǎn)換器原理轉(zhuǎn)換器原理 1. 計(jì)數(shù)器式計(jì)數(shù)器式AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器組成：組成： 逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器SARDA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器比較器比較

50、器時(shí)序（時(shí)鐘）時(shí)序（時(shí)鐘）置數(shù)選擇邏輯置數(shù)選擇邏輯 工作過(guò)程：工作過(guò)程：如果如果UiUO，應(yīng)予保留；，應(yīng)予保留；如果如果UiUO，應(yīng)予清除。，應(yīng)予清除。2. 逐次逼近式逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器例：例：設(shè)：數(shù)碼寄存器為設(shè)：數(shù)碼寄存器為4 4位，位，滿刻度值滿刻度值1v 1v ，V Vi i=0.65v=0.65v，用逐次逼近式用逐次逼近式A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。V0Vin 0.5V (1000)0.75V(1100)0.625V(1010)0.6875V (1011)量化單位量化單位vq0625. 01612143. 3. 雙積分式雙積分式A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換

51、器方法：方法：測(cè)量模擬輸入電壓向電容充電的固定時(shí)間及測(cè)量在已知標(biāo)準(zhǔn)電壓下放電所需的時(shí)間。工作過(guò)程：工作過(guò)程：優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 消除干擾和電源噪聲的能力強(qiáng)，精度高。消除干擾和電源噪聲的能力強(qiáng)，精度高。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 轉(zhuǎn)換速度慢轉(zhuǎn)換速度慢。2.6.2 A2.6.2 AD D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)分辯率是指能使轉(zhuǎn)換后數(shù)字量變化分辯率是指能使轉(zhuǎn)換后數(shù)字量變化1 1的最小模擬輸?shù)淖钚∧M輸入量。入量。n n位二進(jìn)制數(shù)最低位具有的權(quán)值就是它的分辨率。位二進(jìn)制數(shù)最低位具有的權(quán)值就是它的分辨率。2量程量程 量程是指所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍。量程是指所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍。l分辨率分辨率4轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)

52、換時(shí)間是指啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)間是指啟動(dòng)A AD D到轉(zhuǎn)換結(jié)束所需的時(shí)間。到轉(zhuǎn)換結(jié)束所需的時(shí)間。5工作溫度范圍工作溫度范圍 較好的轉(zhuǎn)換器件工作溫度為較好的轉(zhuǎn)換器件工作溫度為-40 -40 8585，差的只有差的只有0 0 7070。3轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 絕對(duì)精度常用數(shù)字量的位數(shù)表示。絕對(duì)精度常用數(shù)字量的位數(shù)表示。 相對(duì)精度用相對(duì)于滿量程的百分比表示。相對(duì)精度用相對(duì)于滿量程的百分比表示。 如如 10 10 位位A AD D轉(zhuǎn)換器，滿量程為轉(zhuǎn)換器，滿量程為10V10V。 絕對(duì)精度為絕對(duì)精度為1/21/210/210/21010= =4.88mV4.88mV， 相對(duì)精度為相對(duì)精度為l l2 2101010010

53、00.1 0.1 。 2.6.3 2.6.3 常用常用A AD D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 8位位AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器ADC0809主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)： 分辨率分辨率 8 8 位；位； 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間100100 s s； 溫度范圍溫度范圍-40 -40 +85 +85 ； 可使用單一的可使用單一的 +5V+5V電源；電源； 可直接與可直接與CPUCPU連接；連接； 輸出帶鎖存器；輸出帶鎖存器； 邏輯電平與邏輯電平與TTLTTL兼容。兼容。電路組成及工作原理電路組成及工作原理ADC0809有有28條引腳。條引腳。OE2.6.4 A/DA/D轉(zhuǎn)換器接口轉(zhuǎn)換器接口（一）與系統(tǒng)的連接信號(hào)（一）與系統(tǒng)的連接信號(hào)1.

54、 輸入模擬電壓的連接輸入模擬電壓的連接AD的輸入模擬電壓的輸入模擬電壓?jiǎn)味溯斎雴味溯斎腚p端差動(dòng)輸入雙端差動(dòng)輸入ADC0808/0809單端、單極性輸入：?jiǎn)味?、單極性輸入：VREF(+)= 5v, VREF(-)= 0v 雙極性輸入雙極性輸入： VREF(+) 和和 VREF(-) 接接+、- 極性參考電源極性參考電源2. 數(shù)據(jù)輸出和系統(tǒng)總線的連接數(shù)據(jù)輸出和系統(tǒng)總線的連接AD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出器數(shù)據(jù)輸出方式方式 具有可控的三態(tài)輸出門具有可控的三態(tài)輸出門不帶三態(tài)輸出門，或雖有三態(tài)輸出不帶三態(tài)輸出門，或雖有三態(tài)輸出門，但它不受外部信號(hào)控制，轉(zhuǎn)換門，但它不受外部信號(hào)控制，轉(zhuǎn)換結(jié)束后自動(dòng)開門結(jié)束后自動(dòng)開

55、門3. 3. 片選、啟動(dòng)、讀寫信號(hào)的設(shè)置片選、啟動(dòng)、讀寫信號(hào)的設(shè)置啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)由啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)由CPU發(fā)出，有電平啟動(dòng)和脈沖啟動(dòng)兩種方式。發(fā)出，有電平啟動(dòng)和脈沖啟動(dòng)兩種方式。片選、讀寫信號(hào)一般由片選、讀寫信號(hào)一般由3-8譯碼器的通道號(hào)以及微處理器的譯碼器的通道號(hào)以及微處理器的/IOR、/IOW經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)倪壿嬰娐穪?lái)連接。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)倪壿嬰娐穪?lái)連接。4. 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取CPU讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)程序查詢方式程序查詢方式中斷方式中斷方式延遲程序方式延遲程序方式（二）（二）A/D轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)連接舉例轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)連接舉例 8位位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器ADC0808/

56、0809與與CPU的連接指定的連接指定8路路模擬電壓輸入端口地址為模擬電壓輸入端口地址為78H7FH。 ADC0808/0809有三態(tài)緩沖輸出，故可直接接到有三態(tài)緩沖輸出，故可直接接到CPU的數(shù)據(jù)總線上。的數(shù)據(jù)總線上。 啟動(dòng)啟動(dòng)/鎖存與輸出允許信號(hào)鎖存與輸出允許信號(hào)OE合用一個(gè)口地址，由合用一個(gè)口地址，由RD#、WR#信號(hào)進(jìn)行區(qū)分。信號(hào)進(jìn)行區(qū)分。 啟動(dòng)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，用一條輸出指令即可開啟某一通轉(zhuǎn)換時(shí)，用一條輸出指令即可開啟某一通路開始轉(zhuǎn)換。路開始轉(zhuǎn)換。 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束以中斷方式與轉(zhuǎn)換結(jié)束以中斷方式與CPU聯(lián)系，即將聯(lián)系，即將EOC送送向向8259A。讀入。讀入A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，用相同的地址

57、使用一條輸轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，用相同的地址使用一條輸入指令讀入。入指令讀入。補(bǔ)充題：補(bǔ)充題： 某某8086最小模式系統(tǒng)中，需擴(kuò)展最小模式系統(tǒng)中，需擴(kuò)展ADC0808、8255A各一片進(jìn)行外部模擬各一片進(jìn)行外部模擬數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和采集，要求數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和采集，要求CPU采用程序采用程序查詢方式讀取查詢方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。已知芯片地轉(zhuǎn)換結(jié)果。已知芯片地址分配如下：址分配如下： 8255A：90H，92H，94H，96H ADC0808：70H7FH 試設(shè)計(jì)硬件電路，并編寫程序試設(shè)計(jì)硬件電路，并編寫程序?qū)?duì)IN3通道上的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將轉(zhuǎn)換結(jié)果送通道上的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入內(nèi)存單元入內(nèi)存單元1000H處保存。處保存。EOCD0D7OE IN0 IN1 IN2 IN3START IN4ALE