第二章 輸入輸出接口和輸入輸出通道 2-1

第二章輸入輸出接口和

輸入輸出通道2.1概述2.2I/O控制方式2.3I/O接口設(shè)計(jì)2.4I/O通道2.5D/A轉(zhuǎn)換器2.6A/D轉(zhuǎn)換器2.7I/O通道的抗干擾措施2/5/20231門電路&與非門或門≥1=11異或非返回本章首頁2/5/20232計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成：主機(jī)、外圍設(shè)備兩類外設(shè)：1）常規(guī)外設(shè)，如鍵盤、CRT、打印機(jī)、磁盤機(jī)2）被控設(shè)備和檢測儀表、顯示裝置、操作臺等無論哪一類外設(shè)都要通過Ｉ/O接口和輸入/輸出通道(I/O通道)與CPU的總線相連外圍設(shè)備分類：1.機(jī)械式、機(jī)電式、電子式2.輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、既可輸入又可輸出的設(shè)備2.1概述2/5/20233信息類型：數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量信息傳送方式：并行傳送、串行傳送一、接口、通道及其功能什么是I/O接口？為什么需要I/O接口電路？？2/5/20234I/O接口

是主機(jī)和外設(shè)之間交換信息的連接部件，它起橋梁和紐帶作用。設(shè)置I/O接口電路的必要性：1）解決主機(jī)CPU和外設(shè)之間的時(shí)序配合和通信聯(lián)絡(luò)；2）解決CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和匹配問題；3）解決CPU的負(fù)載能力和外設(shè)端口選擇問題。（P14~15）2/5/20235（二）I/O通道I/O通道：也稱過程通道。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。

模擬量輸入/輸出通道、數(shù)字量輸入/輸出通道數(shù)據(jù)采集的參量分兩類：1.

模擬量：時(shí)間上和數(shù)值上都連續(xù)變化的物理量，如溫度、壓力、流量、速度、位移等。

2.數(shù)字量（開關(guān)量）：時(shí)間上和數(shù)值上都不連續(xù)的量，如表示開關(guān)閉合或斷開二個(gè)狀態(tài)的量，按一定編碼的數(shù)字量和串行脈沖序列等。2/5/20236tta)模擬信號b)數(shù)字信號2/5/20237過程通道/I/O通道的功能：1.將從被控對象采集的參量變換成計(jì)算機(jī)所要求的數(shù)字量（或開關(guān)量）的形式，送入計(jì)算機(jī)。（A/D轉(zhuǎn)換器完成）2.計(jì)算機(jī)按某一數(shù)學(xué)公式計(jì)算后，又將其結(jié)果以數(shù)字量形式或轉(zhuǎn)換成模擬量形式輸出至被控對象。（D/A轉(zhuǎn)換器完成）（P15）2/5/20238二、I/O信號的種類：1）數(shù)據(jù)信息：主機(jī)和外圍設(shè)備交換的基本信息（8位或16位、串行或并行）1.數(shù)字量、2.模擬量、

開關(guān)量、4.脈沖量2）狀態(tài)信息：外圍設(shè)備通過接口向CPU提供的反映外圍設(shè)備所處的工作狀態(tài)的信息。它作為兩者交換信息的聯(lián)絡(luò)信號。（輸入信號）3）控制信息：CPU通過接口傳送給外圍設(shè)備的。（輸出信號）（P16）2/5/20239示意圖主機(jī)系統(tǒng)外圍設(shè)備數(shù)據(jù)信息狀態(tài)信息控制信息2/5/202310三、計(jì)算機(jī)和外部的通訊方式1）并行通信2）串行通信3）有線網(wǎng)絡(luò)通信4）無線通信（P17）2/5/202311（一）并行通信（1）傳輸線條數(shù)n=傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)n；（2）傳送速度快、信息率高；（3）握手信號線一般是兩條（控制和狀態(tài)線）握手信號線在某些芯片中是固定的，某些則是通過軟件編程指定的。（4）在短距離的傳送中常采用。常用的并行接口電路芯片，如Z-80系列的PIO、Intel系列的8255A等。2/5/202312（二）串行通信（1）傳輸線條數(shù)n=1～2；（2）傳輸線既可做數(shù)據(jù)線又可做聯(lián)絡(luò)線用；（3）每個(gè)數(shù)據(jù)都占一個(gè)固定的時(shí)間長度；串行通信分為全雙工方式和半雙工方式、同步方式和異步方式。1)全雙工方式

CPU通過串行接口和外圍設(shè)備相連。串行接口和外設(shè)之間有兩根數(shù)據(jù)傳輸線，串行接口可同時(shí)輸入和輸出數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)可同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。這如同馬路上左右道。外設(shè)接口計(jì)算機(jī)2/5/2023132）半雙工方式串行接口和外設(shè)之間只有一根數(shù)據(jù)傳輸線，某一時(shí)刻數(shù)據(jù)只能一個(gè)方向傳送。這很像交通中有時(shí)間限制的單行線。（打印機(jī)）另外還有“單工方式”，現(xiàn)在已經(jīng)很少采用。3）異步通訊通訊中兩個(gè)字符的時(shí)間間隔是不固定的，而在同一字符中的兩個(gè)相鄰代碼間的時(shí)間間隔是固定的。異步通訊是字符是一幀一幀傳送的，每幀字符的傳送靠起始位來同步。外設(shè)接口計(jì)算機(jī)2/5/202314幀的定義：用一個(gè)起始位表示字符開始，用停止位表示字符結(jié)束，在起始位和停止位之間是n位字符及奇偶校驗(yàn)位。這樣的一串?dāng)?shù)據(jù)，叫做幀。通常波特率在50~9600波特之間，高速可達(dá)19200波特。串行通信多采用異步通信，收發(fā)雙方的時(shí)鐘誤差或波特率誤差允許值4~5%。 2/5/2023154）同步通信采用同步通信時(shí)，將許多字符組成一個(gè)信息組，通常稱為信息幀。在每幀信息的開始加上同步字符，接著字符一個(gè)接一個(gè)的傳輸。在沒有信息要傳送時(shí)，要添上空字符，因同步傳輸不允許有間隙。同步通信可工作在幾十~幾百千波特。但同步通信要求用精確的同步時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方的嚴(yán)格同步。

一般異步串行通信用在數(shù)據(jù)傳送時(shí)間不能確知，發(fā)送數(shù)據(jù)不連續(xù)，數(shù)據(jù)量較少和數(shù)據(jù)傳輸速度較低的場合；而同步通信則用在要求快速、連續(xù)傳輸大批量數(shù)據(jù)的場合。常用串行通信接口芯片：Z-80系列的SIO、Intel系列的8251A等。返回本章首頁2/5/2023162.2I/O控制方式本節(jié)任務(wù)：掌握I/O控制方式及其應(yīng)用場合，重點(diǎn)掌握中斷控制方式。

CPU為了很好的控制各個(gè)外設(shè)，需要控制方式。常用的控制方式有：程序控制方式、中斷控制方式和直接存儲器存取方式－DMA存取方式。2/5/202317一、程序控制方式

程序控制I/O方式，是指CPU和外設(shè)之間的信息傳遞，是在程序控制下進(jìn)行的?？煞譃闊o條件I/O方式和查詢I/O方式。（一）無條件I/O方式不必查詢外設(shè)狀態(tài)即可進(jìn)行信息傳送此方式下，外設(shè)總是處于就緒狀態(tài)（開關(guān)、LED顯示器）CPU和外設(shè)之間的接口電路通常采用輸入緩沖器和輸出鎖存器。由地址總線和M/IO信號端經(jīng)端口譯碼器譯出所選中的I/O端口，用讀寫信號決定數(shù)據(jù)流向。2/5/202318返回2/5/202319（二）查詢方式查詢方式中，CPU和外設(shè)的I/O接口除設(shè)置數(shù)據(jù)端口外，還有狀態(tài)端口。狀態(tài)端口的指定位表明外圍設(shè)備的狀態(tài)，通常只是“0”和“1”的兩狀態(tài)開關(guān)量。交換信息時(shí)，CPU通過執(zhí)行程序不斷讀取并測試外圍設(shè)備的狀態(tài)，如果外圍設(shè)備處于準(zhǔn)備好（輸入時(shí)）或空閑狀態(tài)（輸出時(shí)），則CPU執(zhí)行輸入或輸出指令，與外設(shè)交換信息，否則CPU要等待。多個(gè)外設(shè)時(shí)，CPU進(jìn)行分時(shí)控制。2/5/2023202/5/202321查詢式I/O接口簡化流程圖8086匯編語言程序：

MOVFLAG,0

DVC1:INAL,STAT

TESTAL,01H

JZDVC2

CALLCCS1

DVC2:INAL,STAT

TESTAL,02H

JZDVC3

CALLCCS2

DVC3:INAL,STAT

TESTAL,03H

JZDDS

CALLCCS3

DDS:CMPFLAG,1

JNZDVC12/5/202322（三）查詢式I/O方式應(yīng)用舉例某機(jī)床有X、Y、Z三個(gè)運(yùn)動坐標(biāo)軸，各軸都裝有一個(gè)光電編碼器作為位移檢測器件。要求采用微機(jī)控制，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對各軸的點(diǎn)位控制。試按查詢方式設(shè)計(jì)該機(jī)床的I/O接口電路，并畫出實(shí)現(xiàn)三軸點(diǎn)位控制的控制程序流程圖。光電編碼器脈沖整形判向位移脈沖位移方向2/5/2023232/5/2023242/5/202325（四）查詢式I/O方式的優(yōu)缺點(diǎn)及使用條件優(yōu)點(diǎn)：傳送方式可靠，接口電路簡單，不占用中斷輸入線，查詢程序簡單易調(diào)試。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)過程的控制。（組合機(jī)床、自動線、溫度巡檢、定時(shí)采集數(shù)據(jù)等）缺點(diǎn)：占用CPU太多時(shí)間，效率低。使用條件：所有外設(shè)的服務(wù)時(shí)間的總和必須小于或等于任一外設(shè)的最短響應(yīng)時(shí)間。適用于各外設(shè)服務(wù)時(shí)間不太長，最短響應(yīng)時(shí)間差別不大的情況。否則不能滿足實(shí)時(shí)控制要求。就得采用中斷控制方式了。

2/5/202326二、中斷控制I/O方式

CPU不必花費(fèi)大量時(shí)間去查詢各外圍設(shè)備的狀態(tài)，只是當(dāng)外設(shè)需要服務(wù)時(shí)，向CPU提出申請，CPU停止當(dāng)前工作，去執(zhí)行外設(shè)服務(wù)程序。

8086系統(tǒng)中，中斷分為兩類，外部中斷和內(nèi)部中斷。(NMI,電源掉電、故障緊停;INTR)微機(jī)控制系統(tǒng)中，多重中斷時(shí)該如何做？1）保存現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場；屬于軟件設(shè)計(jì)問題，避免計(jì)算與控制的混亂和失誤，要保存／恢復(fù)通用寄存器的內(nèi)容對于8086/8088來說，要保存的有：當(dāng)前標(biāo)志PSW,當(dāng)前段地址CS和指令指針I(yè)P。2/5/2023272）正確判斷中斷源；正確找到申請中斷的外設(shè)的中斷服務(wù)程序入口地址對于8086/8088來說，是以8086/8088和中斷控制器(如8259A)的中斷處理硬件為基礎(chǔ)在系統(tǒng)初始化時(shí)，正確設(shè)定中斷向量表(在0段的0080~03FFH區(qū)域內(nèi))，則當(dāng)某外設(shè)通過INTR端發(fā)出中斷請求時(shí)，CPU在中斷響應(yīng)過程中，將自動正確的跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)中斷服務(wù)入口地址3）實(shí)時(shí)響應(yīng)；（在外設(shè)最短響應(yīng)時(shí)間內(nèi)給予服務(wù)）4）按優(yōu)先權(quán)順序。（多個(gè)外設(shè)提出請求時(shí)；中斷嵌套）(Ｐ22)2/5/202328

多重中斷情況下，就存在中斷優(yōu)先級的問題，常用的解決辦法有：軟件查詢方式、雛菊鏈法和專用硬件方式。1.軟件查詢方式需借助簡單的硬件接口電路中斷寄存器寄存各中斷源的中斷請求信息中斷申請電路將中斷請求相‘或’后，加到INTR端任一外設(shè)提出中斷請求后，經(jīng)并行接口輸入中斷寄存器的狀態(tài)，CPU響應(yīng)中斷后讀入并測試中斷寄存器的狀態(tài)，即可知誰申請了中斷外設(shè)的優(yōu)先權(quán)由查詢序列位置決定2/5/2023292/5/2023302/5/202331３專用硬件方式8259A使用很靈活，可有多種工作方式。1片8259A能管理8級中斷，從其引腳IR7~IR0接收8個(gè)I/O設(shè)備的中斷請求，請求標(biāo)志存在中斷申請寄存器IRR中，然后通過中斷優(yōu)先級裁決器的裁決，選中當(dāng)前優(yōu)先級最高的中斷請求，使8259A的輸出端INT為1，從而向CPU發(fā)出一個(gè)中斷請求。圖2-11:8259A與8086/8088聯(lián)結(jié)的例子8086接成最大模式，由IOWC向8259實(shí)現(xiàn)寫入控制字的操作，IORC向8259實(shí)現(xiàn)CPU對8259狀態(tài)信號讀的操作

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