第二章 过程输入输出接口技术

1、 过程输入输出接口技术过程输入输出接口技术2.0 基础知识基础知识2.1 数据的采样及保持数据的采样及保持 2.2 模模/数（数（A/D）转换器）转换器 2.3 数数/模（模（D/A）转换器）转换器 2.6 开关量接口技术开关量接口技术 第二章第二章 2.0 基础知识基础知识输入输出接口技术输入输出接口技术 研究微处理器和外部设备之间信息交研究微处理器和外部设备之间信息交换的技术。换的技术。输入输出接口输入输出接口 简称简称“接口接口”2.0.1 接口、通道及其功能接口、通道及其功能 一、一、I IO O接口电路接口电路I IO O接口电路：是主机和外围设备之间交换信息的连接部件。接口电路：是

2、主机和外围设备之间交换信息的连接部件。 使主机和外设能够协调工作，有效地完成信使主机和外设能够协调工作，有效地完成信息交换。息交换。为什麽要设置接口电路为什麽要设置接口电路?v1、解决主机、解决主机CPU和外设之间的时序配合和通信联络问题和外设之间的时序配合和通信联络问题 解决高速的解决高速的CPU与慢速的外设通信速度和时序与慢速的外设通信速度和时序 为联络与匹配，通常为联络与匹配，通常I/O接口电路设有数据锁存器、缓接口电路设有数据锁存器、缓 冲器、状态寄存器及中断控制电路冲器、状态寄存器及中断控制电路-异步工作异步工作v2、解决、解决CPU 和外设之间的数据转换和匹配问题和外设之间的数据转

3、换和匹配问题 解决解决CPU的并行数据格式转换为串形数据格式的并行数据格式转换为串形数据格式-串串并行问题并行问题 主要有相关的接口芯片完成主要有相关的接口芯片完成v3、解决、解决CPU的负载能力和外设端口选择问题的负载能力和外设端口选择问题 CPU的数据总线连接设备较多的数据总线连接设备较多,而且数据总线还担任内而且数据总线还担任内部的数据信息部的数据信息,若外设数据总线直接挂在若外设数据总线直接挂在CPU总线上总线上,则有则有可能产生混乱可能产生混乱.因此一般通过带三态门的缓冲器和锁存器因此一般通过带三态门的缓冲器和锁存器,在选通信号及控制信号控制下完成通信在选通信号及控制信号控制下完成通

4、信. 二、二、IO通道通道I IO O通道：也称为过程通道。它是计算机和控制对通道：也称为过程通道。它是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。象之间信息传送和变换的连接通道。信号的输入通路。信号的输入通路。信号的输出通路。信号的输出通路。输入和输出通路的主要功能输入和输出通路的主要功能 实现模拟量与数字量之间的信号实现模拟量与数字量之间的信号变换。变换。学习目的学习目的: : 解决微型计算机和外部的连接解决微型计算机和外部的连接问题，使计算机和外部构成一个整体，能正问题，使计算机和外部构成一个整体，能正确、可靠、高效率的交换信息，这是设计一确、可靠、高效率的交换信息，这是设计一个微机控

5、制系统必须解决的基本问题。个微机控制系统必须解决的基本问题。 三、三、IO信号的种类信号的种类CPU外部外部设备设备数据数据状态状态控制控制通常有三类信息：通常有三类信息：数据信息数据信息数字量数字量模拟量模拟量开关量开关量状态信息状态信息控制信息控制信息 2.0.2 计算机和外部的通信方式计算机和外部的通信方式并行通信：并行通信：串行通信：串行通信：把一个字符的各数位用几条线同时进行传输把一个字符的各数位用几条线同时进行传输 数据按位进行传送的数据按位进行传送的 串行通信串行通信全双工方式全双工方式半双工方式半双工方式同步通信同步通信异步通信异步通信发送A K1K2 B 接收接收发送发送A接

6、收数据应答数据应答接收B发送全双工方式全双工方式: :数据信息能沿相反两个方向传送。数据信息能沿相反两个方向传送。 半双工方式半双工方式: :数据信息可沿数据传输线的两个方向传送，但数据信息可沿数据传输线的两个方向传送，但同一时刻只能沿一个方向传送。同一时刻只能沿一个方向传送。 SYN SYN 控制字符控制字符控制字符控制字符数据字符数据字符. . .SYN同步通信：同步通信：在一组字符前后加同步字符，标志一组数据在一组字符前后加同步字符，标志一组数据块的开始与结束，接收装置接收到同步字符块的开始与结束，接收装置接收到同步字符而开始接收数据，直到接收后同步字符，一而开始接收数据，直到接收后同步

7、字符，一帧数据接收结束。帧数据接收结束。 异步通信：异步通信： 要传送的字符代码前加一起始位，以示该字要传送的字符代码前加一起始位，以示该字符代码开始，在字符代码后面加一停止位，符代码开始，在字符代码后面加一停止位，以示该字符代码结束。以示该字符代码结束。2.0.3 输人输出的控制方式输人输出的控制方式一、一、程序控制方式程序控制方式 1、无条件传送方式、无条件传送方式 此方式外设总是就绪状态此方式外设总是就绪状态 如如:开开 关关.LED等设备等设备2、 查询传送方式（条件传送方式）查询传送方式（条件传送方式）查询式输入的接口电路查询式输入的接口电路查询方式的优缺点和使用条件查询方式的优缺点

8、和使用条件v优点优点: 查询式比无条件传送方式可靠查询式比无条件传送方式可靠,接口电路简单接口电路简单,不不 占用中断输入线占用中断输入线,同时查询程序也简单同时查询程序也简单,易于调试易于调试.v缺点缺点:CPU要不断的读取状态字和检测状态字要不断的读取状态字和检测状态字,不管哪不管哪个外设是否有服务请求个外设是否有服务请求,都必须一一查询都必须一一查询.多次的重复查多次的重复查询可能是无用的询可能是无用的,而且还占用了而且还占用了CPU的时间的时间,效率低效率低.v使用条件使用条件:因是通过因是通过CPU程序实现程序实现,外设和执行程序同外设和执行程序同步步,特别适用于多个按一定规律顺序工

9、作的生产机械或特别适用于多个按一定规律顺序工作的生产机械或生产过程生产过程.如机床如机床,自动线自动线,温度巡回检测温度巡回检测,定时数据采集定时数据采集等等.同时要注意同时要注意,该方式用于外设时间服务时间不太长的该方式用于外设时间服务时间不太长的情况情况.若太长若太长,则须用中断方式则须用中断方式.二、中断控制二、中断控制I/OI/O方式方式 1. 1. 中断控制中断控制I/OI/O时应解决的问题时应解决的问题外部中断：是通过外部中断：是通过IO接口硬件向接口硬件向CPU发出中断请求信号，发出中断请求信号，从而引起一个中断处理过程。从而引起一个中断处理过程。多重中断处理时必须解决的四个问题

10、：多重中断处理时必须解决的四个问题： 保存现场和恢复现场。保存现场和恢复现场。 正确判断中断源。正确判断中断源。 实时响应。实时响应。 按优先权顺序处理。按优先权顺序处理。2. 中断优先级问题的解决中断优先级问题的解决软件查询方式软件查询方式雏菊链法雏菊链法专用硬件方式专用硬件方式1) 软件查询方式软件查询方式v2个外设的程序框图个外设的程序框图查询子程序查询子程序设各外设的状态字为第五位，高电平为发生中断请求，即设各外设的状态字为第五位，高电平为发生中断请求，即20H；STAT1、2是外设是外设的状态寄存器；设备端口地址未定。的状态寄存器；设备端口地址未定。 PUSH AX ;保存处理机状态

11、保存处理机状态DVC1: IN AL, STAT 1 ;读入读入1#外设状态外设状态 TEST AL, 20H ;测试状态测试状态,1#外设请求服务吗外设请求服务吗? JZ DVC2 ;不不,跳转至查询跳转至查询2# CALL CCS1 ;是是,转转1#外设外设I/O处理处理 JMP DVEND ;转至中断返回转至中断返回DVC2: IN AL, STAT2 ;读入外设状态读入外设状态 TEST AL, 20H ;测试状态测试状态,2#外设请求服务吗外设请求服务吗? JZ DVEND ;不不,转至中断返回转至中断返回 CALL CCS2 ;是是,2#外设外设I/O处理处理DVEND : POP

12、 AX ;恢复处理机状态恢复处理机状态 IRET ;中断返回中断返回 2) 2) 雏菊链法雏菊链法菊花链逻辑电路菊花链逻辑电路外设接口收到中断回答信号后外设接口收到中断回答信号后,发出中断类型号发出中断类型号,CPU找到入口地址找到入口地址3) 专用硬件专用硬件 8259A三、三、DMA控制方式控制方式DMA控制方式：是一种成块传送数据的方式。控制方式：是一种成块传送数据的方式。8237A的数据传的数据传送速率可达送速率可达1.6M字节字节/s；8257A的的数据传送速率可数据传送速率可达达125M字节字节/s。2.0.4 I/O接口设计接口设计vI/O接口设计任务接口设计任务：设计出合适的接

13、口硬件设计出合适的接口硬件电路和相应的接口控制程序电路和相应的接口控制程序，使使CPU与外设实与外设实时、可靠的通信。时、可靠的通信。vI/O接口的控制方式选定接口的控制方式选定：因接口的控制方因接口的控制方式决定硬件及软件。即使在同一种控制方式下，式决定硬件及软件。即使在同一种控制方式下，可以用软件来实现，也可以用硬件实现选定可以用软件来实现，也可以用硬件实现选定控制方式，主要考虑控制方式，主要考虑CPU的工作效率和信息交的工作效率和信息交换的速度多用硬件，速度快，但成本高多换的速度多用硬件，速度快，但成本高多用软件，则成本低，但效率低具体设计时，用软件，则成本低，但效率低具体设计时，应比较

14、优缺点，选择合理的折中方案应比较优缺点，选择合理的折中方案一、一、 I0接口的编址方式接口的编址方式vCPU通过数据总线读写存储器和通过数据总线读写存储器和I/O接口接口,多个多个I/O接口和存储器均连接在数据总线接口和存储器均连接在数据总线上，信息交换时必须进行地址的选择。上，信息交换时必须进行地址的选择。v编址方式：编址方式： 、I/O接口与存储器统一编址接口与存储器统一编址 2、I/O接口与存储器独立编址接口与存储器独立编址（一）（一）. I0接口与存储器独立编址方式接口与存储器独立编址方式v该方式是该方式是I/O接口地址空间与存储器地址空间分开设置，接口地址空间与存储器地址空间分开设置

15、，互不影响。有专门的输入（互不影响。有专门的输入（IN）和输出（）和输出（OUT）指令）指令完成操作。完成操作。v8086的两类的两类I/O指令：指令： 直接：直接：IN AL ，XXH ；OUT XXH ， AX 间接：间接：IN AL ，DX ；OUT DX ， AX （间接指令输出时，先把端口地址放入（间接指令输出时，先把端口地址放入DX）v8086CPU执行执行I/O指令时，产生指令时，产生RD、WR，同时使得，同时使得 M/IO为低电平（最小模式）。最大模式系统时，由为低电平（最小模式）。最大模式系统时，由8288控制，信号类似。控制，信号类似。独立编址方式的优点：独立编址方式的优点

16、： 可寻址可寻址256256个端口，执行个端口，执行I IO O指令时间短，译码电路简单指令时间短，译码电路简单 程序清晰易读程序清晰易读 硬件设计简单硬件设计简单独立编址方式的缺点：独立编址方式的缺点： 专门专门I IO O指令的功能有限，不如访问内存指令丰富；指令的功能有限，不如访问内存指令丰富； 增加了微处理器本身控制逻辑的复杂性。增加了微处理器本身控制逻辑的复杂性。（二）、（二）、I0接口与存储器统一编址方式接口与存储器统一编址方式 又称存储器映像方式又称存储器映像方式: : 把所有的把所有的I I0 0端口作为存储单元，端口作为存储单元，每个外围设备的端口都给予相应的一个或几个每个外

17、围设备的端口都给予相应的一个或几个1616位地址号。位地址号。Inel8086+8288AB /MRDC/MWTC/IORC/IOWC译译码码器器不不用用去存储器去存储器 去去 I/O 接口接口统一编址方式的优点：统一编址方式的优点： 数据处理能力强数据处理能力强 输入输出部分可以和存储器部分共用译码和控制电路输入输出部分可以和存储器部分共用译码和控制电路 CPUCPU不需区分访内操作及访问输入输出操作的控制信号，不需区分访内操作及访问输入输出操作的控制信号，可以相应减少引脚可以相应减少引脚 I IO O端口数目不受限制端口数目不受限制 统一编址方式的缺点：统一编址方式的缺点： 每个每个I I

18、O O操作需全字长地址译码，整个指令执行时间较长操作需全字长地址译码，整个指令执行时间较长 程序中较难区分程序中较难区分I IO O操作操作 I IO O端口占用了存储空间地址端口占用了存储空间地址二、二、 I IO O接口与系统的连接接口与系统的连接(a)通过通过I IO O接口芯片与接口芯片与CPUCPU和外围设备的连接和外围设备的连接 (b)通过通过I IO O接口芯片与接口芯片与CPUCPU和外围设备的连接和外围设备的连接 接口芯片和接口芯片和CPUCPU之间必须连接的信号有下列之间必须连接的信号有下列4 4类：类：数据信号数据信号D0D7读写控制信号读写控制信号 片选信号和地址线片选

19、信号和地址线时钟、复位、中断控制、联络信号时钟、复位、中断控制、联络信号 三、三、 I IO O接口扩展接口扩展1. 1. 地址译码器的扩展地址译码器的扩展 使用译码器的目的使用译码器的目的 因微机系统虽然带因微机系统虽然带I/O接口，但在多个外设时以不够用。接口，但在多个外设时以不够用。 利用地址线与译码器相连，生成片选信号选通各外设。利用地址线与译码器相连，生成片选信号选通各外设。 v译码器译码器v常用的译码器有：四中选一、八中选一、常用的译码器有：四中选一、八中选一、十六中选一。十六中选一。 74LS138 （3：8） 74LS155 （双（双2：4） v使用时注意控制端子的电平高低及其逻使用时注意控制端子的电平高低及其逻辑关系辑关系74LSl3874LSl38扩展地址译码器扩展地址译码器 例：采用例：采用74LSl38作地址译码器设计的微机主机板接口子系作地址译码器设计的微机主机板接口子系统地址译码电路。统地址译码电路。 /Y0 /Y1 /Y2 /Y3 /Y4 /Y5 /Y67输出v