IO通道基本知識

1、第2章 輸入輸出過程通道 本章主要內(nèi)容1. 簡介2. 過程I/O通道的設計問題3. 模擬量輸入通道（AI）4. 模擬量輸出通道（AO）5. 數(shù)字量輸入輸出通道（DI、DO）幾個常見概念：1. 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 420mA電流信號：抗干擾性好，常用于信號傳輸2. 阻抗匹配：信號源輸出最大功率的條件：輸出阻抗=輸入阻抗，即阻抗匹配高阻抗匹配：電壓信號低阻抗匹配：電流信號3. 理想的壓流源的特點：理想電壓源：內(nèi)阻為0理想電流源：內(nèi)阻無窮大2.1 I/O通道簡介一、I/O接口電路 I/O接口電路也簡稱接口電路。它是主機和外圍設備之間交換信息的連接部件。它在主

2、機和外圍設備之間的信息交換中起著橋梁和紐帶作用。為什么要設置接口電路？其必要性可歸納成如下幾點。1. 解決主機CPU和外圍設備之間的時序配合和通信聯(lián)絡問題3. 解決CUP的負載能力和外圍設備端口選擇問題2. 解決CUP和外圍設備之間的數(shù)據(jù)格式轉換和匹配問題二、過程通道接口設計應考慮的問題 接口電路起著連接過程通道與CPU的橋梁作用，它的基本任務有： 1控制信息的傳遞路徑：即根據(jù)控制的任務在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。 2控制信息傳送的順序：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，接口電路應根據(jù)控制程序的要求，適時地發(fā)出一組有序的門控信號。 1觸發(fā)方式

3、：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)出開啟或關閉(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。 2時序：控制邏輯的結構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，每一個操作步驟又都是在一組有序的控制信號驅動下實現(xiàn)的。 3.負載能力：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，還應考慮器件所帶負載是否匹配。在過程通道接口電路設計中應解決以下問題： I/O接口和I/O通道都是為實現(xiàn)主機和外圍設備之間信息交換而設的器件，其功能都是保證主機和外圍設備之

4、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，在電路上往往結合在一起。 在計算機控制系統(tǒng)中，需要及時對被控對象的各種參數(shù)進行檢測，并將其轉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，必須設置進行信息傳遞和轉換的連接通道，即過程通道 。根據(jù)過程信息的性質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（開關量）輸入通道（DI）、數(shù)字量（開關量）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

5、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、I/O通道 1主機和外圍設備交換的信息通常包括三種： （1）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) 字量、開關量和模擬量。（2）狀態(tài)信息：是外圍設備通過接口向CPU提供的反映外圍設 備所處的工作狀態(tài)的信息。又叫做應答信息、握手信息， 它反映過程通道的狀態(tài)，如準備就緒信號等。（3）控制信息：用來控制過程通道的啟動和停止等信息，如三 態(tài)門的打開和關閉、觸發(fā)器的啟動等。 四、過程I/O通道的設計問題2.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

6、兩種： （1）過程通道與存儲器統(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IO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。 （2）過程通道與存儲器獨立編址方式 這種編址方式將過程通道的端口地址單獨編址，有自己獨立的過程通道地址空間，而不占用存儲器地址空間。編址方式的比較 統(tǒng)一編址的最大優(yōu)點是無需專門的I/O指令，從而簡化了指令系統(tǒng)的設計，并能省去相應的I/O操作的對外引線。而且CPU可直接對I/O數(shù)據(jù)進行算術和邏輯運算，指令豐富。 統(tǒng)一編址的不足之處在于I/O端口地址占用了一部分存

7、儲器空間；另外訪問內(nèi)存的指令長度一般比專用的I/O指令長，因而取指周期較長，又多占了指令字節(jié)。 3.CPU對過程通道的控制方式 計算機的外圍設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)生復雜的定時問題，也就是CPU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：程序查詢方式、中斷控制方式和直接存儲器存取(DMA)方式。 （1）程序查詢方式CPU向過程通道發(fā)啟動命令過程通道準備就緒？過程通道服務程序繼續(xù)原來程序的運行是采用中斷控制方式時，CPU與IO通道處于并行工作方式。當CPU與IO通道需要傳送數(shù)據(jù)時，過程通道作好準備后，主動向CPU請求中斷，CPU響應這一

8、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的先后順序問題。 （2）中斷控制方式 DMA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，IO通道和存儲器之間不通過CPU而直接進行數(shù)據(jù)交換。為了實現(xiàn)這種交換，需增加一種硬件設備DMAC，把通常要執(zhí)行一段程序來完成的數(shù)據(jù)傳送過程由DMAC自動地以硬件的速度完成之，大大的提高了數(shù)據(jù)傳送速度。（3）直接存儲器存取(DMA)方式所謂“可編程接口”是指其功能可由程序指令（接口芯片功能設定的初始化程序）設定接口芯片的功能。故接口的設計與應用除了合理選擇/接口芯片進行硬件設計外，還應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計。

9、 CPU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、恢復斷點，浪費了很多不必要的CPU時間。信息種類輸入信息來