第二章 输入输出接口和输入输出通道 2-1

第二章输入输出接口和

输入输出通道2.1概述2.2I/O控制方式2.3I/O接口设计2.4I/O通道2.5D/A转换器2.6A/D转换器2.7I/O通道的抗干扰措施2/5/20231门电路&与非门或门≥1=11异或非返回本章首页2/5/20232计算机控制系统的硬件组成：主机、外围设备两类外设：1）常规外设，如键盘、CRT、打印机、磁盘机2）被控设备和检测仪表、显示装置、操作台等无论哪一类外设都要通过Ｉ/O接口和输入/输出通道(I/O通道)与CPU的总线相连外围设备分类：1.机械式、机电式、电子式2.输入设备、输出设备、既可输入又可输出的设备2.1概述2/5/20233信息类型：数字量、模拟量、开关量信息传送方式：并行传送、串行传送一、接口、通道及其功能什么是I/O接口？为什么需要I/O接口电路？？2/5/20234I/O接口

是主机和外设之间交换信息的连接部件，它起桥梁和纽带作用。设置I/O接口电路的必要性：1）解决主机CPU和外设之间的时序配合和通信联络；2）解决CPU和外设之间的数据格式转换和匹配问题；3）解决CPU的负载能力和外设端口选择问题。（P14~15）2/5/20235（二）I/O通道I/O通道：也称过程通道。是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。

模拟量输入/输出通道、数字量输入/输出通道数据采集的参量分两类：1.

模拟量：时间上和数值上都连续变化的物理量，如温度、压力、流量、速度、位移等。

2.数字量（开关量）：时间上和数值上都不连续的量，如表示开关闭合或断开二个状态的量，按一定编码的数字量和串行脉冲序列等。2/5/20236tta)模拟信号b)数字信号2/5/20237过程通道/I/O通道的功能：1.将从被控对象采集的参量变换成计算机所要求的数字量（或开关量）的形式，送入计算机。（A/D转换器完成）2.计算机按某一数学公式计算后，又将其结果以数字量形式或转换成模拟量形式输出至被控对象。（D/A转换器完成）（P15）2/5/20238二、I/O信号的种类：1）数据信息：主机和外围设备交换的基本信息（8位或16位、串行或并行）1.数字量、2.模拟量、

开关量、4.脉冲量2）状态信息：外围设备通过接口向CPU提供的反映外围设备所处的工作状态的信息。它作为两者交换信息的联络信号。（输入信号）3）控制信息：CPU通过接口传送给外围设备的。（输出信号）（P16）2/5/20239示意图主机系统外围设备数据信息状态信息控制信息2/5/202310三、计算机和外部的通讯方式1）并行通信2）串行通信3）有线网络通信4）无线通信（P17）2/5/202311（一）并行通信（1）传输线条数n=传送数据的位数n；（2）传送速度快、信息率高；（3）握手信号线一般是两条（控制和状态线）握手信号线在某些芯片中是固定的，某些则是通过软件编程指定的。（4）在短距离的传送中常采用。常用的并行接口电路芯片，如Z-80系列的PIO、Intel系列的8255A等。2/5/202312（二）串行通信（1）传输线条数n=1～2；（2）传输线既可做数据线又可做联络线用；（3）每个数据都占一个固定的时间长度；串行通信分为全双工方式和半双工方式、同步方式和异步方式。1)全双工方式

CPU通过串行接口和外围设备相连。串行接口和外设之间有两根数据传输线，串行接口可同时输入和输出数据，计算机可同时发送和接收数据。这如同马路上左右道。外设接口计算机2/5/2023132）半双工方式串行接口和外设之间只有一根数据传输线，某一时刻数据只能一个方向传送。这很像交通中有时间限制的单行线。（打印机）另外还有“单工方式”，现在已经很少采用。3）异步通讯通讯中两个字符的时间间隔是不固定的，而在同一字符中的两个相邻代码间的时间间隔是固定的。异步通讯是字符是一帧一帧传送的，每帧字符的传送靠起始位来同步。外设接口计算机2/5/202314帧的定义：用一个起始位表示字符开始，用停止位表示字符结束，在起始位和停止位之间是n位字符及奇偶校验位。这样的一串数据，叫做帧。通常波特率在50~9600波特之间，高速可达19200波特。串行通信多采用异步通信，收发双方的时钟误差或波特率误差允许值4~5%。 2/5/2023154）同步通信采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，通常称为信息帧。在每帧信息的开始加上同步字符，接着字符一个接一个的传输。在没有信息要传送时，要添上空字符，因同步传输不允许有间隙。同步通信可工作在几十~几百千波特。但同步通信要求用精确的同步时钟，实现收发双方的严格同步。

一般异步串行通信用在数据传送时间不能确知，发送数据不连续，数据量较少和数据传输速度较低的场合；而同步通信则用在要求快速、连续传输大批量数据的场合。常用串行通信接口芯片：Z-80系列的SIO、Intel系列的8251A等。返回本章首页2/5/2023162.2I/O控制方式本节任务：掌握I/O控制方式及其应用场合，重点掌握中断控制方式。

CPU为了很好的控制各个外设，需要控制方式。常用的控制方式有：程序控制方式、中断控制方式和直接存储器存取方式－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和外设之间的信息传递，是在程序控制下进行的。可分为无条件I/O方式和查询I/O方式。（一）无条件I/O方式不必查询外设状态即可进行信息传送此方式下，外设总是处于就绪状态（开关、LED显示器）CPU和外设之间的接口电路通常采用输入缓冲器和输出锁存器。由地址总线和M/IO信号端经端口译码器译出所选中的I/O端口，用读写信号决定数据流向。2/5/202318返回2/5/202319（二）查询方式查询方式中，CPU和外设的I/O接口除设置数据端口外，还有状态端口。状态端口的指定位表明外围设备的状态，通常只是“0”和“1”的两状态开关量。交换信息时，CPU通过执行程序不断读取并测试外围设备的状态，如果外围设备处于准备好（输入时）或空闲状态（输出时），则CPU执行输入或输出指令，与外设交换信息，否则CPU要等待。多个外设时，CPU进行分时控制。2/5/2023202/5/202321查询式I/O接口简化流程图8086汇编语言程序：

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）查询式I/O方式应用举例某机床有X、Y、Z三个运动坐标轴，各轴都装有一个光电编码器作为位移检测器件。要求采用微机控制，能同时实现对各轴的点位控制。试按查询方式设计该机床的I/O接口电路，并画出实现三轴点位控制的控制程序流程图。光电编码器脉冲整形判向位移脉冲位移方向2/5/2023232/5/2023242/5/202325（四）查询式I/O方式的优缺点及使用条件优点：传送方式可靠，接口电路简单，不占用中断输入线，查询程序简单易调试。适用于多个按一定规律顺序工作的生产机械或生产过程的控制。（组合机床、自动线、温度巡检、定时采集数据等）缺点：占用CPU太多时间，效率低。使用条件：所有外设的服务时间的总和必须小于或等于任一外设的最短响应时间。适用于各外设服务时间不太长，最短响应时间差别不大的情况。否则不能满足实时控制要求。就得采用中断控制方式了。

2/5/202326二、中断控制I/O方式

CPU不必花费大量时间去查询各外围设备的状态，只是当外设需要服务时，向CPU提出申请，CPU停止当前工作，去执行外设服务程序。

8086系统中，中断分为两类，外部中断和内部中断。(NMI,电源掉电、故障紧停;INTR)微机控制系统中，多重中断时该如何做？1）保存现场和恢复现场；属于软件设计问题，避免计算与控制的混乱和失误，要保存／恢复通用寄存器的内容对于8086/8088来说，要保存的有：当前标志PSW,当前段地址CS和指令指针IP。2/5/2023272）正确判断中断源；正确找到申请中断的外设的中断服务程序入口地址对于8086/8088来说，是以8086/8088和中断控制器(如8259A)的中断处理硬件为基础在系统初始化时，正确设定中断向量表(在0段的0080~03FFH区域内)，则当某外设通过INTR端发出中断请求时，CPU在中断响应过程中，将自动正确的跳转到相应中断服务入口地址3）实时响应；（在外设最短响应时间内给予服务）4）按优先权顺序。（多个外设提出请求时；中断嵌套）(Ｐ22)2/5/202328

多重中断情况下，就存在中断优先级的问题，常用的解决办法有：软件查询方式、雏菊链法和专用硬件方式。1.软件查询方式需借助简单的硬件接口电路中断寄存器寄存各中断源的中断请求信息中断申请电路将中断请求相‘或’后，加到INTR端任一外设提出中断请求后，经并行接口输入中断寄存器的状态，CPU响应中断后读入并测试中断寄存器的状态，即可知谁申请了中断外设的优先权由查询序列位置决定2/5/2023292/5/2023302/5/202331３专用硬件方式8259A使用很灵活，可有多种工作方式。1片8259A能管理8级中断，从其引脚IR7~IR0接收8个I/O设备的中断请求，请求标志存在中断申请寄存器IRR中，然后通过中断优先级裁决器的裁决，选中当前优先级最高的中断请求，使8259A的输出端INT为1，从而向CPU发出一个中断请求。图2-11:8259A与8086/8088联结的例子8086接成最大模式，由IOWC向8259实现写入控制字的操作，IORC向8259实现CPU对8259状态信号读的操作

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