第2章a總線接口與過程通道(new)

計算機控制技術(shù)黃國宏廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院應(yīng)用電子系第2章總線、接口與過程通道2.1總線及其標(biāo)準(zhǔn)2.2I/O接口2.1總線2.1.1總線的概念

所謂總線就是在模塊和模塊之間或設(shè)備與設(shè)備之間的一組進行互連和傳輸信息的信號線，信息包括指令、數(shù)據(jù)和地址。總線就是一組信號線的集合，用這個集合可以組成系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)信息通道，它定義了各引線的信號、電氣、機械特性，使計算機內(nèi)部各組成部分之間以及不同的計算機之間建立信號聯(lián)系，進行信息傳送和通信。2.1.2總線的類別

按其傳送數(shù)據(jù)的方式可分為串行總線和并行總線；按應(yīng)用的場合可分為芯片總線、板內(nèi)總線、機箱總線、設(shè)備互連總線、現(xiàn)場總線及網(wǎng)絡(luò)總線等；按用途可分為計算機總線、外設(shè)總線和控制系統(tǒng)總線；按總線的作用域可分為全局總線和本地總線；按標(biāo)準(zhǔn)化程度可分為標(biāo)準(zhǔn)總線和非標(biāo)準(zhǔn)化（專用）總線等。按使用位置可為分內(nèi)部總線和外部總線。內(nèi)部總線是計算機內(nèi)部功能模板之間進行通信的總線，它按功能又可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線和電源總線四部分，每種型號的計算機都有自身的內(nèi)部總線。

數(shù)據(jù)總線用于CPU與其他部件之間傳送信息（數(shù)據(jù)和指令代碼）。具有三態(tài)（高阻、“1”和“0”三種狀態(tài)）控制功能，而且是雙向傳輸?shù)?，即CPU通過數(shù)據(jù)總線可以接收來自其它部件的信息，也可以通過數(shù)據(jù)總線向其它部件發(fā)送信息。

數(shù)據(jù)線的寬度表示了總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，反映了總線的性能。如ISA總線數(shù)據(jù)線是16位，PCI總線是32位或64位。1.數(shù)據(jù)總線

地址總線用來傳送CPU要訪問的存儲單元或I/O接口地址信號。地址信號一般由CPU發(fā)往其它芯片，屬于單向總線，但也具有三態(tài)控制功能。

地址總線的數(shù)據(jù)位數(shù)決定了該總線構(gòu)成的微機系統(tǒng)的尋址能力。例如，ISA總線有24位地址線，可尋址16MB，PCI總線有32位地址線，可尋址到4GB。

地址總線的寬度視CPU所能直接訪問的存儲空間的容量而定。2.地址總線控制總線用于傳輸控制命令和狀態(tài)信息。根據(jù)不同的使用條件，控制總線有的為單向，有的為雙向；有的為三態(tài)，有的為非三態(tài)。比如，I/O讀寫信號、存儲器讀寫信號和中斷信號等等?？刂瓶偩€是最能體現(xiàn)總線特色的信號線，它決定總線功能的強弱和適應(yīng)性。3.控制總線

電源線與地線為掛在總線上的模塊或設(shè)備提供了電能以及電流通路。電源的區(qū)別在一定程度上也體現(xiàn)了總線標(biāo)準(zhǔn)的特色。例如，ISA采用+12V和+5V，PCI采用+5V和+3V。一般來說，越是先進的總線標(biāo)準(zhǔn)，采用的電壓越低。4.電源線與地線2.1.3采用總線的優(yōu)點

1．簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2．簡化了硬件與軟件的設(shè)計

3．便于系統(tǒng)的擴充與更新

4．便于組織生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品造價

5．可維護性好

不要打了，我再聊會就去學(xué)習(xí)了…2.2輸入輸出接口與過程通道接口:

是計算機與外部設(shè)備（部件與部件之間）交換信息的橋梁，它包括輸入接口和輸出接口。

接口技術(shù):

是研究計算機與外部設(shè)備之間如何交換信息的技術(shù)。所謂標(biāo)準(zhǔn)接口，就是指明確定義了幾何尺寸、信號功能、信號電平等的接口。實現(xiàn)這種聯(lián)系所必需的全部電路稱之為接口電路。CPU在與I/O設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換時存在以下問題：1）速度不匹配。I/O設(shè)備的工作速度一般要比CPU慢許多，而且由于種類不同，它們之間的速度差異也很大，例如硬盤的傳輸速度就要比打印機快很多。2）時序不匹配。各個I/O設(shè)備都有自己的定時控制電路，以自己的速度傳輸數(shù)據(jù)，無法與CPU的時序取得統(tǒng)一。3）信息格式不匹配。不同的I/O設(shè)備存儲和處理信息的格式不同，例如可以分為串行和并行兩種；也可以分為二進制格式、ASCII編碼和BCD編碼等。4）信息類型不匹配。不同I/O設(shè)備采用的信號類型不同，有些是數(shù)字信號，有些是模擬信號，因此所采用的處理方式也不同?；谝陨显?，I/O設(shè)備一般不和微機內(nèi)部直接相連，而是必須通過I/O接口與微機內(nèi)部進行信息交換。接口的作用主要就是為了解決計算機與外部設(shè)備連接時存在的各種矛盾。其中接口1為程序存儲器ROM接口；接口2為數(shù)據(jù)存儲器RAM接口；接口3為打印機接口；接口4為顯示器接口；接口5為鍵盤接口；接口6為系統(tǒng)間接接口；RS-232C為通用串行接口。

在計算機控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，要將生產(chǎn)現(xiàn)場的各種被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字計算機能夠接受的形式，計算機經(jīng)過計算、處理后的結(jié)果還須變換成適合于對生產(chǎn)進行控制的信號量。這個在計算機和生產(chǎn)過程之間傳遞和變換信息的裝置稱為輸入輸出過程通道。過程通道

計算機控制系統(tǒng)的過程通道分為四類：

模擬量輸入通道和模擬量輸出通道

數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道

計算機控制系統(tǒng)組成框圖數(shù)字量(開關(guān)量)信號開關(guān)的閉合與斷開，指示燈的亮與滅，繼電器或接觸器的吸合與釋放，馬達(dá)的啟動與停止，閥門的打開與關(guān)閉等。共同特征：這些信號的是以二進制的邏輯“1”和“0”出現(xiàn)的，代表生產(chǎn)過程的一個狀態(tài)。2.2.1數(shù)字量輸入輸出接口技術(shù)1、數(shù)字量輸入接口（DI）對生產(chǎn)過程進行控制，往往要收集生產(chǎn)過程的狀態(tài)信息，根據(jù)狀態(tài)信息，再給出控制量。作用：采集生產(chǎn)過程的狀態(tài)信息。完成過程：

可以用三態(tài)門緩沖器74LS244取得狀態(tài)信息。經(jīng)過端口地址譯碼，得到片選信號。當(dāng)在執(zhí)行IN指令周期時，產(chǎn)生I/O()讀信號，則被測的狀態(tài)信息可通過三態(tài)門送到PC總線工業(yè)控制機的數(shù)據(jù)總線，然后裝入AL寄存器。

1G2G74LS244

輸入接口

D0D1D2D3D4D5D6D7

1A11Y1

1A21Y2

1A31Y3

1A41Y4

1A51Y5

1A61Y6

1A71Y7

1A81Y8

IORCS圖2.1數(shù)字量輸入接口

PC總線設(shè)片選端口地址為port，可用如下指令來完成取數(shù).MOVDX，portINAL，DX74LS244用來隔離輸入和輸出線路，在兩者間起緩沖作用，它有8個通道可輸入8個開關(guān)狀態(tài)。

1G2G74LS244

輸入接口

D0D1D2D3D4D5D6D7

1A11Y1

1A21Y2

1A31Y3

1A41Y4

1A51Y5

1A61Y6

1A71Y7

1A81Y8

IORCS圖2.1數(shù)字量輸入接口

PC總線當(dāng)對生產(chǎn)過程進行控制時，一般控制狀態(tài)需進行保持，直到下次給出新的值為止，這時輸出就要鎖存?？梢杂?4LS273作8位輸出鎖存口，對狀態(tài)輸出信號進行鎖存。2．?dāng)?shù)字量輸出接口（DO）完成過程：經(jīng)過端口地址譯碼，得到片選信號，當(dāng)在執(zhí)行OUT指令周期時，產(chǎn)生I/O寫信號。

74LS273

CLR

CLK

輸出接口

RESET

D0D1D2D3D4D5D6D7

PC總線

D1Q1

D2Q2

D3Q3

D4Q4

D5Q5

D6Q6

D7Q7

D8Q8

IOW

CS圖2.2數(shù)字量輸出接口

設(shè)片選端口地址為port，可用以下指令完成數(shù)據(jù)輸出控制。MOVAL，DATAMOVDX，portOUTDX，AL74LS273有8個通道，可輸出8個開關(guān)狀態(tài)，并可驅(qū)動8個輸出裝置。

74LS273

CLR

CLK

輸出接口

RESET

D0D1D2D3D4D5D6D7

PC總線

D1Q1

D2Q2

D3Q3

D4Q4

D5Q5

D6Q6

D7Q7

D8Q8

IOW

CS圖2.2數(shù)字量輸出接口

2.3數(shù)字量輸入通道1.數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)

數(shù)字量輸入通道主要由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入口地址譯碼電路等組成。

PC總線

輸入

緩沖

器

輸入

調(diào)理

電路

地址譯碼器

來自生產(chǎn)過程

2.輸入調(diào)理電路

數(shù)字量(開關(guān)量)輸入通道的基本功能就是接收外部裝置或生產(chǎn)過程的狀態(tài)信號。這些狀態(tài)信號的形式可能是電壓、電流、開關(guān)的觸點，因此引起瞬時高壓、過電壓、接觸抖動等現(xiàn)象。為了將外部開關(guān)量信號輸入到計算機，必須將現(xiàn)場輸入的狀態(tài)信號經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計算機能夠接收的邏輯信號，這些功能稱為信號調(diào)理。（1）小功率輸入調(diào)理電路（2）大功率輸入調(diào)理電路（1）小功率輸入調(diào)理電路下圖所示為從開關(guān)、繼電器等接點輸入信號的電路。開關(guān)、繼電器等接點接通和斷開動作，被轉(zhuǎn)換成TTL電平信號與計算機相連。為了清除由于接點的機械抖動而產(chǎn)生的振蕩信號，一般都應(yīng)加入有較長時間常數(shù)的積分電路來消除這種振蕩。+5V

C

K

R2

R1

采用積分電路的小功率輸入調(diào)理電路

目的：把開關(guān)K的狀態(tài)轉(zhuǎn)化成二進制狀態(tài)。原理：閉和K時，電容C放電，反相器反相為1；斷開K時，電容C充電，反相器反相為0。（2）大功率輸入調(diào)理電路在大功率系統(tǒng)中，當(dāng)從電磁離合等大功率器件的接點輸入信號時，為了使接點工作可靠，接點兩端至少要加24V以上的直流電壓（因為直流電平的響應(yīng)快，不易產(chǎn)生干擾）。

但是這種電路，由于所帶電壓高，所以高壓與低壓之間，用光電耦合器進行隔離。+5V

R2

R3

C

R1

+48V

光電隔離：通常使用一個光耦將電子信號轉(zhuǎn)換為光信號，在另一邊再將光信號轉(zhuǎn)換回電子信號。如此，這兩個電路就可以互相的隔離。原理：當(dāng)K閉合時，光電二極管導(dǎo)通，發(fā)光使晶體管導(dǎo)通，經(jīng)反相器反相為1。當(dāng)K斷開時，光電二極管不導(dǎo)通，晶體管不導(dǎo)通，經(jīng)反相器反相輸出為0。其中，用R1、R2進行分壓，C進行濾波，要合理選擇參數(shù)。+5V

R2

R3

C

R1

+48V

2.4.3數(shù)字量輸出通道1、數(shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu)

數(shù)字量輸出通道主要由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動電路、輸出口地址譯碼電路等組成。

去生產(chǎn)過程

PC總線

輸

出

鎖

存

器

輸

出

驅(qū)

動

電

路

地址譯碼器

圖

2.6

數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu)

在數(shù)字量輸出通道中，關(guān)鍵是驅(qū)動，因為從鎖存器中出來的是TTL電平，驅(qū)動能力有限，所以要加上驅(qū)動電路。（1）小功率直流驅(qū)動電路

①功率晶體管輸出驅(qū)動繼電器電路2、輸出驅(qū)動電路作用過程：當(dāng)TTL電平為1時，晶體管截止，J不吸合；當(dāng)TTL電平為0