计算机接口技术报告

1、 2015 年 秋 季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目: 计算机接口技术 学生所在院（系）: 航天学院学生所在学科: 控制科学与工程学 生 姓 名: 王磊学 号: 15S004079学 生 类 别: 学术型考核结果阅卷人 第 1 页 （共 21 页）计算机接口技术研究报告3一计算机接口技术概述31.什么是接口32.接口的功能33.CPU与外设之间设置接口34.接口技术在微机应用中起的作用45.接口电路的硬件组成46.接口电路的软件控制程序组成47.接口电路的结构形式48.CPU与接口之间传送数据方式5二总线技术51.总线的定义52.总线技术的特点53.总线的分类标准64.发展历

2、史7三并行接口71.并行接口的概述72.接口的通信原理83.并行接口的主要特点94.串、并口95.并行接口的分类96.接口电缆107.链式连接方式118.发展现状及困境11四串行通讯接口121.定义：串行接口122.串行接口的由来133.接口划分标准13五模数（A/D）和数模（D/A）转换151.模数转换和数模转换概述152.ADC0809模/数转换器173.DAC0832数/模转换器18六DMA接口技术181.DMA概述182.DMA工作方式203.DMA控制器823720计算机接口技术研究报告一计算机接口技术概述1.什么是接口微机接口是指计算机与其以外的设备进行通讯时的连接方式，具体分为硬

3、件接口和软件接口，硬件接口也称为硬设备接口，主要指与外设备连接时的电缆接口、蓝牙接口、红外接口等；软件接口，是通过计算机语言实现两个设备之间的数据通讯连接，实现信息交换。微机的强大功能是通过其与连接的外围设备以及处理信息的过程表现出来的。输入输出接口电路是微机的微处理器连接外部设备的部件，在硬件电路和软件实现上都有其特定的要求和方法。2.接口的功能（a）执行CPU命令的功能：CPU将对外设的控制命令发到接口电路中的命令寄存器（命令口）中，在经分析去控制外设 （b）返回外设状态的功能：通过状态寄存器（状态口）完成，包括正常工作状态和故障状态 （c）数据缓冲的功能：接口电路中的数据寄存器（数据口）

4、对CPU于外设间传送的数据进行中转 （d）设备寻址的功能：CPU某个时刻只能和一台外设交换数据，CPU发出的地址信号经过接口电路中的地址译码电路来选中I/O设备 （e）信号转换的功能：当CPU与外设的信号功能定义、逻辑关系、电平高低及工作时序不兼容时接口电路要完成信号的转换功能 （f）数据宽度与数据格式转换的功能：由于CPU处理的数据都是并行的，当外设采用串行传送方式时，接口电路就要完成串、并之间的转换，并进行数据格式的转换。 3.CPU与外设之间设置接口 在CPU与外设之间设置接口主要有4个原因： （a）CPU与外设二者的信号不兼容，包括信号线的功能定义、逻辑定义和时序关系 （b）CPU与外

5、设的速度不匹配，CPU的速度快，外设的速度慢 （c）若不通过接口，而由CPU直接对外设的操作实施控制，会使CPU处于穷于应付与外设打交道之中，大大降低CPU的效率 （d）若外设直接由CPU控制，会使外设的硬件结构依赖于CPU，对外设本身的发展不利。 4.接口技术在微机应用中起的作用随着计算机技术的高速发展，计算机的应用越来越广泛。然而，在微机系统中，微处理器的强大功能必须通过外部设备才能实现，而外设与微处理器之间的信息交换和通信又是靠接口来实现的，所以，接口技术成为了一门关键技术，它直接影响微机系统的功能和微机的推广应用。 5.接口电路的硬件组成接口电路的硬件一般由以下几部分组成： （a）基本

6、逻辑电路：包括命令寄存器、状态寄存器和数据缓冲寄存器，是接口电路中的核心 （b）端口地址译码电路：实现设备的选择功能 （c）供选电路：根据不同任务和功能要求而添加的功能模块电路。 6.接口电路的软件控制程序组成 接口电路的软件控制程序一般包括以下的程序段，各部分程序是相互渗透、融为一体的： （a）初始化程序段：对可编程接口芯片进行初始化编程 （b）传送方式处理程序段：不同的传送方式（查询、中断、DMA方式）程序段不同 （c）主控程序段：完成接口任务的程序段 （d）程序终止与退出程序段：程序退出前对接口电路中硬件进行保护的程序段 （e）辅助程序段：人机对话、菜单等 7.接口电路的结构形式 接口电

7、路的结构主要有四种： （a）固定式结构：不可编程的接口电路，结构简单、功能单一、固定 （b）半固定式结构：由PAL或GAL器件构成的接口电路，功能和工作方式可以通过改写内部的逻辑表达式来改变，但逻辑表达式一旦烧入芯片，其功能和工作方式就固定下来了 （c）可编程结构：其功能和工作方式可由编程指定，使用灵活、适应面广，且种类繁多 （d）智能型结构：芯片本身就是一个微处理器，外设的全部管理都由智能接口完成，如I/O处理器I0809或通用单片机 8.CPU与接口之间传送数据方式CPU与接口之间的数据传送方式主要有查询方式、中断方式和DMA方式： （a）查询方式：主要用于CPU不太忙且传送速度不高的情况

8、下。无条件传送方式作为查询方式的一个特例，主要用于对简单I/O设备的控制或CPU明确知道外设所处状态的情况下。 （b）中断方式：主要用于CPU的任务比较忙的情况下，尤其适合实时控制和紧急事件的处理 （c）DMA方式（直接存储器存取方式）：主要用于高速外设进行大批量数据传送的场合。二总线技术1.总线的定义总线，英文叫作“BUS”,即我们中文的“公共车”，这是非常形象的比如，公共车走的路线是一定的，我们任何人都可以坐公共车去该条公共车路线的任意一个站点。如果把我们人比作是电子信号，这就是为什么英文叫它为“BUS”而不是“CAR”的真正用意。当然，从专业上来说，总线是一种描述电子信号传输线路的结构形

9、式，是一类信号线的集合，是子系统间传输信息的公共通道。通过总线能使整个系统内各部件之间的信息进行传输、交换、共享和逻辑控制等功能。如在计算机系统中，它是CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过主机相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接。2.总线技术的特点总线的优点就是能够更加方便地更换各个部件。如果您想更换一个更好的显卡，您只需从总线上拔掉原来的显卡，然后插上新的就可以了。如果您要在计算机上安装两个显示器，只需在总线上插入两个显卡。二、三十年前，处理器的速度要非常慢，以便与总线同步，即总线与处理器的速度相同。而且当时计算机上只有一条总线。处理器的运转速度非常

10、快，多数计算机都有两条或更多的总线。每条总线专用于特定类型的流量。现今，一台典型的台式个人计算机一般有两条主总线：一条是我们通常所说的系统总线或局部总线，用于连接微处理器（中央处理器）和系统内存。它是系统中运行最快的总线。 另一条总线的速度较慢，用于与硬盘和声卡等部件进行通信。这种类型的总线最常见的是PCI总线。这些运行较慢的总线通过桥接器连接到系统总线，因为桥接器是计算机芯片组的一部分并能起到流量交换的作用，所以能够将其他总线的数据集成到系统总线。 其实还有其他的总线。例如，通用串行总线（USB），用于把照相机、扫描仪和打印机等设备连接到计算机。它利用细线缆连接到设备，并且多个设备可以同时共

11、用一根总线。FireWire是另一种总线，主要用于摄影机和外置硬盘。3.总线的分类标准总线分类的方式有很多，如被分为外部和内部总线、系统总线和非系统总线等等，下面是几种最常用的分类方法。（a）按功能分最常见的是从功能上来对数据总线进行划分，可以分为地址总线（address bus）、数据总线（data bus）和控制总线（control bus）。在有的系统中，数据总线和地址总线可以在地址锁存器控制下被共享，也即复用。地址总线是专门用来传送地址的。在设计过程中，见得最多的应该是从CPU地址总线来选用外部存储器的存储地址。地址总线的位数往往决定了存储器存储空间的大小，比如地址总线为16位，则其最

12、大可存储空间为216（64KB）。数据总线是用于传送数据信息，它又有单向传输和双向传输数据总线之分，双向传输数据总线通常采用双向三态形式的总线。数据总线的位数通常与微处理的字长相一致。例如Intel 8086微处理器字长16位，其数据总线宽度也是16位。在实际工作中，数据总线上传送的并不一定是完全意义上的数据。控制总线是用于传送控制信号和时序信号。如有时微处理器对外部存储器进行操作时要先通过控制总线发出读/写信号、片选信号和读入中断响应信号等。控制总线一般是双向的，其传送方向由具体控制信号而定，其位数也要根据系统的实际控制需要而定。(b)按传输方式分按照数据传输的方式划分，总线可以被分为串行总

13、线和并行总线。从原理来看，并行传输方式其实优于串行传输方式，但其成本上会有所增加。通俗地讲，并行传输的通路犹如一条多车道公路，而串行传输则是只允许一辆汽车通过单线公路。常见的串行总线有SPI、I2C、USB、IEEE1394、RS232、CAN等；而并行总线相对来说种类要少，常见的如IEEE1284、ISA、PCI等。(e)按时钟信号方式分按照时钟信号是否独立，可以分为同步总线和异步总线。同步总线的时钟信号独立于数据，也就是说要用一根单独的线来作为时钟信号线；而异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的，通常利用数据信号的边沿来作为时钟同步信号。4.发展历史早期美国国际商用机器公司（IBM）生产的

14、PC（circa 1982）使用了最早的PC总线，它的位宽是16位，速度为4.77兆赫。后来正式称为工业标准结构（ISA）总线。这种总线传输数据的速度约为9兆字节/秒，速度之快甚至能用在现今的应用软件中。几年前，许多计算机仍在使用ISA总线。二十世纪八十年代初，为早期的IBM PC开发了专用这种总线的计算机卡。甚至在大量可取代它的先进技术出现后，人们仍在使用ISA总线。这种总线被人们长期使用有两个主要原因：它长期与多数硬件制造商保持兼容性。多媒体兴起之前，只有少数的外围硬件设备完全采用新型总线的速度。 随着技术的进步，ISA总线无法跟上时代的步伐，于是开发了其他的总线。其中主要的是扩展工业标准

15、结构（EISA）线（位宽32位，频率8兆赫）和视频电子标准协会局部总线（VL-Bus）。VL-Bus（由创建该标准的视频电子标准协会（VESA）命名）的位宽是32位，以局部总线的速度运行，一般与处理器的速度相同。实质上，VL-Bus能够直接连接到CPU。人们可以用这种方式连接一个单独的设备，甚至还可以连接两个。但是将两个以上的设备连接到VL-Bus则可能会影响CPU的性能。因此，VL-Bus一般只用于连接显卡，它将真正从高速访问CPU的过程中受益。三并行接口 并行接口，指采用并行传输方式来传输数据的接口标准。从最简单的一个并行数据寄存器或专用接口集成电路芯片如8255、6820等，一直至较复杂

16、的SCSI或IDE并行接口，种类有数十种。一个并行接口的接口特性可以从两个方面加以描述：1. 以并行方式传输的数据通道的宽度，也称接口传输的位数；2. 用于协调并行数据传输的额外接口控制线或称交互信号的特性。 数据的宽度可以从1128位或者更宽，最常用的是8位，可通过接口一次传送8个数据位。在计算机领域最常用的并行接口是通常所说的LPT接口。1.并行接口的概述通常所说的并行接口一般称为Centronics接口，也称IEEE1284，最早由Centronics Data Computer Corporation公司在20世纪60年代中期制定。Centronics公司当初是为点阵行式打印机设计的并

17、行接口，1981年被IBM公司采用，后来成为IBM PC计算机的标准配置。它采用了当时已成为主流的TTL电平，每次单向并行传输1字节（8-bit）数据，速度高于当时的串行接口（每次只能传输1bit），获得广泛应用，成为打印机的接口标准。1991年，Lexmark、 IBM、Texas instruments等公司为扩大其应用范围而与其他接口竞争，改进了Centronics接口，使它实现更高速的双向通信，以便能连接磁盘机、磁带机、光盘机、网络设备等计算机外部设备（简称外设），最终形成了IEEE1284-1994标准，全称为Standard Signaling Method for a Bi-di

18、rectional Parallel Peripheral Interface for Personal Computers，数据率从10KB/s提高到可达2MB/s（16Mbit/s）。但事实上这种双向并行通信并没有获得广泛使用，并行接口仍主要用于打印机和绘图仪，其他方面只有的少量设备应用，这种接口一般被称为打印接口或LPT接口 。2.接口的通信原理并行接口中各位数据都是并行传送的，它通常是以字节（8位）或字节（16位）为单位进行数据传输。如上图所示，图中的并行接口是一个双通道的接口，能完成数据的输入和输出。其中，数据的输入/输出是由输入/输出缓冲器来实现的，状态寄存器提供状态信息供CPU查

19、询，控制寄存器接收来自CPU的各种控制命令。在数据输入过程中：输入设备将数据送给接口同时使“数据输入准备好”有效。接口把数据送给输入缓冲寄存器时，使“数据输入回答”信号有效，当外设收到应答信号后，就撤消“数据输入准备好”和数据信号。同时，状态寄存器中的相应位（“数据输入准备好”）有效，以供CPU查询。当然，也可采用中断方式，向CPU发出中断请求。CPU在读取数据后，接口会自动将状态寄存器中的“数据输入准备好”位复位。然后，CPU进入下一个输入过程。在数据输出过程中：当CPU输出的数据送到数据输出缓冲寄存器后，接口会自动清除状态寄存器中的“输出准备好”状态位，并且把数据送给输出设备，输出设备收到

20、数据后，向接口发一个应答信号，告诉接口数据已收到，接口收到信号后，将状态寄存器中的“输出准备好”状态位置“1”。然后，CPU进入下一个输出过程。 3.并行接口的主要特点并行接口是指数据的各位同时进行传送，其特点是传输速度快，但当传输距离较远、位数又多时，就导致通信线路复杂且成本提高。4.串、并口串口形容一下就是：一条车道，而并口就是有8个车道同一时刻能传送8位（一个字节）数据。但是并不是并口快。由于8位通道之间的互相干扰，传输时速度就受到了限制。而且当传输出错时，要同时重新传8个位的数据。而串口没有干扰，传输出错后重发一位就可以了，所以要比并口快。串口硬盘就是这样被人们重视的。5.并行接口的分

21、类在IEEE1284标准中定义了多种并行接口模式，常用的有以下三种：SPP（Standard Parallel Port）标准并行接口EPP（Enhanced Parallel Port）增强并行接口ECP（Extended Capabilities Port）扩展功能并行接口这几种模式因硬件和编程方式的不同，传输速度可以从50K Bits/秒到2MB/秒不等。一般用以从主机传输数据到打印机、绘图仪或其它数字化仪器的接口，是一种叫Centronics的36脚弹簧式接口（通常主机上是25针D型接口，打印机上是36针Centronics接口）。并行接口，通常主机上是25针D型接口，打印机上是36针

22、弹簧式接口（Centronics接口）。IEEE1284标准规定了3种连接器，分别称为A、B、C型：A型25PIN DB-25连接器，只用于主机端。DB-25孔型插座（也称FEMALE或母头），用于PC机上，外形如下图：DB-25孔型插座（母头）这种A型的DB-25针型插头（也称MALE或公头），因为尺寸较小，也有少数小型打印机（如POS机打印机等）使用（非标准使用），但电缆要短。DB-25针形电缆插头（公头）B型36PIN Centronics电缆插头36PIN 0.085inch间距的Champ连接器，带卡紧装置，也称Centronics连接器，只用于外设。36PIN Centronics

23、插座36PIN Centronics插座（SOCKET或FEMALE），用于打印机上。1C型Mini-Centronics 36PIN插座新增加的Mini-Centronics 36PIN连接器，也称为half-pitch Centronics 36 connector （HPCN36），也有称MDR36，36PIN 0.050inch间距，带夹紧装置，既可用于主机，也可用于外设，应用还不够普遍，因有竞争力的新的接口标准的不断出现，普及应用很难。新接口还增加了两个信号线Peripheral Logic High和Host Logic High，用于通过电缆能检测到另一端是否打开电源。6.接口电

24、缆（a）性能要求最早的Centronics并口电缆长度为2米，且只能支持10KB/s的数据率传输，对性能要求不高。为了把数据率提高到2MB/s以上，对IEEE1284电缆提出许多特殊要求：1） 因为是并行数据，为避免传输时各BIT数据间的串扰，每条数据线都需要配合一条地线，形成双绞线结构；2） 每对信号和返回地线间的不平衡特性阻抗为62欧6欧（在频带4M-16MHz上）；3） 线间串扰不超过10%；4） 电缆有屏蔽层，并与接头的屏蔽壳连接，使用360度包裹。1 (b)典型电缆典型的IEEE1284 电缆有如下6种，标准长度为10、20、30英尺（约3、7、10米）：AMAM ：Type A M

25、ale to Type A Male（一般用于计算机间互联）AMAF ：Type A Male to Type A Female（一般用于延长线或连接A型口并行打印机）AB ：Type A Male to Type B Plug（一般用于连接计算机和普通B型口打印机）AC ：Type A Male to Type C PlugBC ：Type B Plug to Type C PlugCC ：Type C Plug to Type C Plug其中前3种为常用的电缆，后3种是与新增加的C型接口相关的电缆。7.链式连接方式依照IEEE 1284链式连接规格书，一个并口最多可以连接8个设备，而每个

26、链式连接设备拥有2个并口连接器，1个主连接器（host connector）和一个直通连接器（pass through connector）。主机连到第一个设备的主连接器，其直通连接器连接下一个设备的主连接器，依次连接。而不支持链式连接的设备可接在最后1个设备的直通连接器上。不过常见的都是一对一连接，很少能见到这种设备。8.发展现状及困境电脑中的接口是主机与外部设备间传送数据的“大动脉”，随着处理器速度的节节攀升，接口的数据传输速度也需要逐步提高，否则就会成为电脑发展的瓶颈。并行数据传输技术向来是提高数据传输率的重要手段，但是，进一步发展却遇到了障碍。首先，由于并行传送方式的前提是用同一时序传

27、播信号，用同一时序接收信号，而过分提升时钟频率将难以让数据传送的时序与时钟合拍，布线长度稍有差异，数据就会以与时钟不同的时序送达，另外，提升时钟频率还容易引起信号线间的相互干扰，导致传输错误。因此，并行方式难以实现高速化。从制造成本的角度来说，增加位宽无疑会导致主板和扩充板上的布线数目随之增加，成本随之攀升。在外部接口方面，IEEE 1284并行口的速率可达300kBps，传输图形数据时采用压缩技术可以提高到2MBps，而RS-232C标准串行口的数据传输率通常只有20kbps，并行口的数据传输率无疑要胜出一筹。因此并行口一直是打印机首选的连接方式。对于仅传输文本的针式打印机来说，IEEE 1

28、284并行口的传输速度可以说是绰绰有余的。但是，对于一再提速的激光打印机来说，情况发生了变化。笔者使用爱普生6200L在打印2MB图片时，速度差异不甚明显，但在打印7.5MB大小的图片文件时，从点击“打印”到最终出纸，使用USB接口用了18秒，而使用并行口时，用了33秒。这一测试结果说明，现行的并行口对于时下流行的激光打印机来说，已经力难胜任了。不过，“在相同频率下并行通信速度更高”这个基本的道理是永远不会错的，通过增加位宽来提高数据传输率的并行策略仍将发挥重要作用。技术进步周而复始，以至无穷，没有一项技术能够永远适用。电脑技术将来跨入THz时代后，对信号传输速度的要求会更高，USB和Fire

29、Wire等新串行接口所使用的差分传输技术是否还能满足未来要求，是否需要另一种更好的技术来完成频率的另一次突破，这些都需要人们共同关注 。四串行通讯接口1.定义：串行接口是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信（可以直接利用电话线作为传输线），从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是：数据位的传送，按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；成本低但传送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米；根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。串行接口2.串行接口的由来串口的出现是

30、在1980年前后，数据传输率是115kbps230kbps。串口出现的初期是为了实现连接计算机外设的目的，初期串口一般用来连接鼠标和外置Modem以及老式摄像头和写字板等设备。串口也可以应用于两台计算机（或设备）之间的互联及数据传输。由于串口（COM）不支持热插拔及传输速率较低，目前部分新主板和大部分便携电脑已开始取消该接口。目前串口多用于工控和测量设备以及部分通信设备中。3.接口划分标准（a）总述串口通信的两种最基本的方式：同步串行通信方式和异步串行通信方式。同步串行是指SPI（Serial Peripheral interface）的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。SPI总线系统是一种

31、同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息，TRM450是SPI接口。异步串行是指UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通用异步接收/发送。UART是一个并行输入成为串行输出的芯片，通常集成在主板上。UART包含TTL电平的串口和RS232电平的串口。 TTL电平是3.3V的，而RS232是负逻辑电平，它定义+5+12V为低电平，而-12-5V为高电平，MDS2710、MDS SD4、EL805等是RS232接口，EL806有TTL接口。串行接口按电气标准及协议来分包括RS-232-C、RS-422、

32、RS485等。RS-232-C、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。（b）RS-232也称标准串口，最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。传统的RS-232-C接口标准有22根线，采用标准25芯D型插头座（DB25），后来使用简化为9芯D型插座（DB9），现在应用中25芯插头座已很少采用。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。由于其发

33、送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为37k。所以RS-232适合本地设备之间的通信。(c)RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。典型的RS-422是四线接口。实际上还有一根信号地线，共5根线。其DB9连接器引脚定义。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备

34、（Slave），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是104k+100（终接电阻）。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。RS-422的最大传输距离为1219米，最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。(d)RS-485是从

35、RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485是-7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间，RS-485接收器最小输入阻抗为12k、RS-422是4k；由于RS-485满足所有

36、RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以在RS-422网络中应用。RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。五模数（A/D）和数模（D/A）转换1.模数转换和数模转换概述(1)一个典型的计算机自动控制系统一个包含A/D和D/A转换器的计算机闭环自动控制系统如下图所示。典型的计算机自动控制系统在中，A/D转换器和D/A转换器是模拟量输入和模拟量输出通路中的核心部件。

37、在实际控制系统中，各种非电物理量需要由各种传感器把它们转换成模拟电流或电压信号后，才能加到A/D转换器转换成数字量。一般来说，传感器的输出信号只有微伏或毫伏级，需要采用高输入阻抗的运算放大器将这些微弱的信号放大到一定的幅度，有时候还要进行信号滤波，去掉各种干扰和噪声，保留所需要的有用信号。送入A/D转换器的信号大小与A/D转换器的输入范围不一致时，还需进行信号预处理。在计算机控制系统中，若测量的模拟信号有几路或几十路，考虑到控制系统的成本，可采用多路开关对被测信号进行切换，使各种信号共用一个A/D转换器。多路切换的方法有两种：一种是外加多路模拟开关，如多路输入一路输出的多路开关有：AD7501

38、，AD7503，CD4097，CD4052等。另一种是选用内部带多路转换开关的A/D转换器，如ADC0809等。若模拟信号变化较快，为了保证模数转换的正确性，还需要使用采样保持器。在输出通道，对那些需要用模拟信号驱动的执行机构，由计算机将经过运算决策后确定的控制量（数字量）送D/A转换器，转换成模拟量以驱动执行机构动作，完成控制过程。（2）模/数转换器（ADC）的主要性能参数（a) 分辨率 它表明A/D对模拟信号的分辨能力，由它确定能被A/D辨别的最小模拟量变化。一般来说，A/D转换器的位数越多，其分辨率则越高。实际的A/D转换器，通常为8，10，12，16位等。(b) 量化误差 在A/D转换

39、中由于整量化产生的固有误差。量化误差在1/2LSB（最低有效位）之间。例如：一个8位的A/D转换器，它把输入电压信号分成28=256层，若它的量程为05V，那么，量化单位q为：q = = 0.0195V=19.5mVq正好是A/D输出的数字量中最低位LSB=1时所对应的电压值。因而，这个量化误差的绝对值是转换器的分辨率和满量程范围的函数。(c) 转换时间 转换时间是A/D完成一次转换所需要的时间。一般转换速度越快越好，常见有高速（转换时间1us）、中速（转换时间1ms）和低速（转换时间1s）等。(d) 绝对精度对于A/D，指的是对应于一个给定量，A/D转换器的误差，其误差大小由实际模拟量输入值

40、与理论值之差来度量。(e)相对精度对于A/D，指的是满度值校准以后，任一数字输出所对应的实际模拟输入值（中间值）与理论值（中间值）之差。例如，对于一个8位0+5V的A/D转换器，如果其相对误差为1LSB，则其绝对误差为19.5mV，相对误差为0.39%。(3) 数/模转换器（DAC）的主要性能参数(a)分辨率 分辨率表明DAC对模拟量的分辨能力，它是最低有效位（LSB）所对应的模拟量，它确定了能由D/A产生的最小模拟量的变化。通常用二进制数的位数表示DAC的分辨率，如分辨率为8位的D/A能给出满量程电压的1/28的分辨能力，显然DAC的位数越多，则分辨率越高。(b)线性误差 D/A的实际转换值

41、偏离理想转换特性的最大偏差与满量程之间的百分比称为线性误差。(c)建立时间 这是D/A的一个重要性能参数，定义为：在数字输入端发生满量程码的变化以后，D/A的模拟输出稳定到最终值1/2LSB时所需要的时间。(d)温度灵敏度它是指数字输入不变的情况下，模拟输出信号随温度的变化。一般D/A转换器的温度灵敏度为50PPM/。PPM为百万分之一。(e)输出电平不同型号的D/A转换器的输出电平相差较大，一般为5V10V，有的高压输出型的输出电平高达24V30V。2.ADC0809模/数转换器A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位

42、移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。(1)模/数转换器原理A/D转换器的工作原理实现A/D转换的方法很多，常用的有逐次逼近法、双积分法及电压频率转换法等。逐次逼近法：速度快、分辨率高、成本低，在计算机系统得到广泛应用。逐次逼近法原理电路类同天平称重。在节拍时钟控制下，逐次比较，最后留下的数字砝码，即转换结果。逐次逼近法A/D转换器采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。它的基本原理是从高位到低位逐位试探比较，

43、好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为o，与送入比较器的待转换的模拟量i进行比较，若oi，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的o再与i比较，若oi，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。3.DAC0832数/模转换器D/A

44、转换器是指将数字量转换成模拟量的电路。数字量输入的位数有8位、12位和16位等，输出的模拟量有电流和电压两种。(1) 数/模转换器原理简单的权电阻网络D/A转换器D/A转换器它的输入量是数字量D，输出量为模拟量0，要求输出量与输入量成正比，即0=DVR,其中VR为基准电压。数字量是由一位一位的数字构成，每个数位都代表一定的权。例如10000001，最高位的权是27，所以此位上的代码1表示数值1128。因此，数字量D可以用每位的权乘以其代码值，然后各位相加。六DMA接口技术1.DMA概述DMA是指外部设备不通过CPU而直接与系统内存交换数据的接口技术。要把外设的数据读入内存或把内存的数据传送到外设，一般都要通过CPU控制完成，如CPU程序查询或中断方式。利用中断进行数据传送，可以大大提高CPU的利用率。但是采用中断传送有它的缺点，对于一个高速I/O设备，以及批量交换数据的情况，只能采用DMA方式，才能解决效率和速度问题。DMA在外设与内存间直接进行数据交换，而不通过CPU，这样数据传送的速度就取决于存储器和外设的