虚拟仪器设计测控应用典型实例04电子课件06io接口

计算机测控系统李江全石河子大学机电学院电气工程系2009年11月——I/O接口

I/O接口定义

微机接口技术是采用硬件与软件相结合的方法，使微处理器与外部设备进行最佳的匹配，实现CPU与外部设备之间的高效、可靠的信息交换的一门技术。

接口技术是把由处理器、存储器等组成的基本系统与外部设备连接起来，从而实现计算机与外部设备通信的一门技术。处理器通过总线与接口电路连接，接口电路再与外部设备连接，因此CPU总是通过接口与外部设备发生联系。微机的应用是随着外部设备的不断更新和接口技术的发展而深入到各个领域的，因此接口技术是组成任何实用微机系统的关键技术，任何微机应用开发工作都离不开接口的设计、选用和连接。实际上，任何一个微机应用系统的研制和设计，主要就是微机接口的研制和设计，需要设计的硬件是一些接口电路，所要编写的软件是控制这些电路按要求工作的驱动程序。因此，微机接口技术是一种用软件和硬件综合来完成某一特定任务的技术，掌握微机接口技术已成为当代科技和工程技术人员应用微机必不可少的基本技能。

所谓接口就是微处理器CPU与外部连接的部件，是CPU与外部设备进行消息交换的中转站。

如：源程序或数据要通过接口从输入设备送入计算机，运算结果要通过接口向输出设备送出；控制命令通过接口发出，现场状态通过接口取进来，实现现场的实时控制等。

接口可以抽象地定义为一个部件（Unit）或一台设备（Device）与周围环境的理想分界面。这个假设的分界面切断该部件或设备与周围环境的一切联系，当一个组件或设备与外界环境进行任何信息交换和传输时，必须通过这个假想的分界面，我们称这个分界面为接口（Interface）。

所谓标准接口，就是指明确定义了几何尺寸、信号功能、信号电平等的接口。有了标准接口，可以使不同类型、不同生产厂家的数据终端和数据通信设备之间方便地进行通信。

I/O设备I/O设备外部设备是微机系统的重要组成部分。首先，任何计算机必须有一条接受程序和数据的通道，才能接收外界的信息来进行处理，这就必须有输入设备，如键盘、操纵杆、鼠标器、光笔、触摸屏和扫描仪等；而处理的结果还必须送给要求进行信息处理的人或设备，才能为人或设备所利用，这就必须有输出设备，如CRT显示终端、打印机和绘图仪等。为了将计算机应用于数据采集、参数检测和实时控制等领域，必须向计算机输入反映测控对象的状态和变化的信息，经过中央处理器处理后，再向控制对象输出控制信息。这些输入信息和输出信息的表现形式是干差万别、千姿百态的，可能是开关量或数字量，更可能是各种不同性质的模拟量，如温度、湿度、压力、流量、长度、刚度和浓度等等，因此需要把各种传感器和执行机构与微处理器或微机连接起来。所有这些设备统称为外部设备或输入/输出设备，即I/O设备。

由于计算机的外围设备品种繁多，几乎都采用了机电传动设备，因此，CPU在与I/O设备进行数据交换时存在以下问题：

1）速度不匹配。I/O设备的工作速度一般要比CPU慢许多，而且由于种类不同，它们之间的速度差异也很大，例如硬盘的传输速度就要比打印机快很多。2）时序不匹配。各个I/O设备都有自己的定时控制电路，以自己的速度传输数据，无法与CPU的时序取得统一。3）信息格式不匹配。不同的I/O设备存储和处理信息的格式不同，例如可以分为串行和并行两种；也可以分为二进制格式、ASCII编码和BCD编码等。4）信息类型不匹配。不同I/O设备采用的信号类型不同，有些是数字信号，有些是模拟信号，因此所采用的处理方式也不同。基于以上原因，I/O设备一般不和微机内部直接相连，而是必须通过I/O接口与微机内部进行信息交换。接口的作用主要就是为了解决计算机与外部设备连接时存在的各种矛盾。接口电路接口是计算机系统中一个部件与另一些部件的相互联系，它是系统各部分之间进行信息交换的桥梁。在计算机系统内各部件之间或计算机与外设之间，或更一般的智能设备与智能设备之间的联系实际上都是部件与总线的联系，这样，接口又可定义为部件（此处部件所指小至单一元件、大至一个智能系统）与某一具体总线之间的一切联系，介于该部件与总线之间为实现这种联系所必需的全部电路称之为接口电路。接口电路的作用就是将来自外部设备的数据信号传送给CPU，CPU对数据进行适当的加工后再通过接口传回外部设备，所以接口的基本功能就是对数据传送控制。I／O接口电路也简称接口电路，它是主机和外围设备之间交换信息的连接部件(电路)。为什么要设置接口电路?(1)解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题；(2)解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题；(3)解决CPU的负载能力和外围设备端口选择问题；(4)接口电路可实现端口的可编程功能以及错误检测功能。接口1为程序存储器ROM接口，接口2为数据存储器RAM接口；接口3为打印机接口，接口4为显示器接口；接口5为键盘接口；接口6为系统间接接口；RS-232C为通用串行接口。

接口信息计算机系统与I/O外部设备之间交换信息通常需要以下一些接口信息：数据信息、状态信息、控制信息。数据、状态、控制信息是不同性质的接口信息，一般要用不同的端口地址分别传送，如图所示。

数据信息在计算机中数据一般有8位、16位、32位、64位等，大致可以分为三种基本类型：数字量（常见的有键盘、打印机、显示器等）数据、模拟量（如温度、压力、声音等）数据、开关量（如电机启停控制、开关断开与闭合等）。计算机与外部设备之间的数据传送主要有并行传送（如打印机等）和串行传送（如键盘、异步通信口等）两种传送方式。

状态信息状态信息反映了当前外设或接口本身所处的工作状态。计算机在I/O过程中，外部设备的数据是否准备好，外部设备是否己准备好接收数据等，都要通过一定的数据量来表示，才能实现计算机与外部设备之间的正确“握手”。常见的状态信息有READY、EMPTY、BUSY等。一般来说，不同的外部设备其状态信息的数量和类别有很大的差异。

控制信息控制信息主要是指启动、停止外部设备之类的接口信息。CPU通过发送控制信息控制外设的工作。

接口地址CPU要和I/O设备进行数据传送，在接口中就必须有一些寄存器或特定的硬件电路供CPU直接存取访问，这就是接口电路。为了区分不同的接口电路，也必须像存储器一样给它们编号，这就是接口电路的地址，这样CPU就可以象访问存储单元一样按地址访问这些接口电路，从而与外设发生联系。一个接口电路中根据需要可能有多个存储器，如数据寄存器、状态寄存器和命令寄存器等，为了区别它们，也给予不同的地址，以便CPU能正确找到它们。为了将这些地址和存储器地址相区别，称它们为接口地址。

CPU通过这些地址向接口电路中的寄存器发送命令，读取状态和传送数据。

有时也将上述提到的接口中可被CPU直接访问的一些寄存器称为端口。一个接口常常有几个端口，如数据端口、状态端口、命令端口等，每个端口的地址叫端口地址。如何实现对这些接口地址、端口地址的访问，就是I/O地址的寻址问题。

在接口电路中，一般一个端口对应一个寄存器，也可以一个端口对应多个寄存器，此时由内部控制逻辑根据程序指定的I/O端口地址和数据标志位选择不同的寄存器进行读/写等操作。因此，CPU在访问这些寄存器时，只需指明它们的端口，不需指出是什么寄存器。我们在输入/输出程序中，也只看到端口，而看不到相应的具体寄存器。也就是说，访问端口就是访问接口电路中的寄存器。这些端口可以是输入端口，也可以是输出端口，还可以是双向端口。端口寄存器或部分端口线与I/O设备直接相连，完成数据、状态及控制信息的交换。这样，I/O操作实质上转化为对I/O端口的操作，即CPU所访问的是与I/O设备相关的端口，而不是I/O设备本身。对I/O端口的访问，则取决于I/O端口的编址方式，即I/O编址。常用的编址方式主要有I/O端口与存储器统一编址和I/O端口与存储器分开独立编址。I/O接口的功能

1）数据缓冲功能

计算机的工作速度很快，过程通道和外部设备的工作速度相比则是比较慢的，为了避免因速度不一致而丢失数据，利用接口电路进行数据缓冲，协调两者的工作。接口电路设置有数据寄存器或者锁存器，以解决高速的主机与低速的外没之间的速度匹配问题。计算机工作时从寄存器取数据，而寄存器数据是由外部电路或计算机定时刷新，所以计算机的工作不受寄存器数据和外部电路影响。

2）设备选择功能一个接口往往会连接多个外部设备，而CPU在同一时间里只能与一台外设交换信息，因此需要通过接口的地址译码对外设进行寻址。一般来说，通过高位地址产生外设的片选信号，低位地址作为芯片内部寄存器或锁存器寻址，以选定所需的设备，只有被选中的设备才能与CPU交换数据信息。

3）信号转换功能由于外部设备所需的控制信号和所能提供的状态信号与计算机能识别的信号往往是不一致的，特别是连接不同公司生产的芯片时，进行信号之间的转换是不可避免的。信号的转换包括：时序的配合、电平的转换、信号类型的转换（模拟量变数字量或数字量变模拟量）、数据格式的转换（并行变串行或串行变并行）等。

4）提供信息交换的握手信号CPU对外设的各种命令和数据都是以代码的形式发送到接口电路，再由接口电路解读后，形成一系列控制信号去控制外设。为了CPU与外设之间的联络，接口电路要提供寄存器或锁存器“空”、“满”、“准备好”、“忙”、“不忙”等状态信息，以便程序能够了解是否可以发送数据到外设或从外设读取数据。

5）驱动功能由于计算机总线的信号驱动能力有限，当要连接多台外部设备时，总线资源可能不够。利用接口电路可以提高总线的负载能力，使一个接口与多台外部设备相连接，充分利用计算机的硬件资源。

6）中断管理功能当外部设备需要及时得到计算机的服务时，特别是一些随机需要与CPU交换信息的外设，就要求接口设备具有中断控制管理功能。此时，接口为计算机（CPU）处理有关中断事务，如提出中断请求，中断优先级排队，提供中断向量等。这样既加快了计算机对外部的响应速度，又使CPU与外部设备能并行工作，从而提高了CPU的效率。

7）可编程功能所谓可编程，即可以用程序来改变接口的工作方式。目前大多数接口芯片是可编程的，这样在不改动硬件电路的情况下通过修改接口驱动程序就可以改变接口的工作方式，从而大大增强了接口的灵活性和适应性，使接口向智能化方向发展。

接口的分类

1．按接口的功能划分1）人机对话接口。这类接口主要为操作者与计算机之间的信息交换服务，如键盘接口、显示器接口、图形设备接口和语音输入输出接口等。2）过程控制接口（I/O接口）。这类接口是为实现对生产过程进行检测与控制的接口。它一般包括传感器接口和控制接口两部分，前者输入各种外界信息，以实现对生产过程的检测，后者输出经计算机处理后的控制信号，以实现对生产过程的控制。所以过程接口是计算机应用于控制系统的关键部分。3）通用外设接口（标准接口）。这类接口是通用外设（如打印机、磁盘机、绘图仪等）与计算机之间的接口。

某型号个人计算机的外设接口示意图

2．按接口与总线的关系划分接口是某一部件与总线的联系，它与总线密切相关。1）元件级接口。元件级接口是计算机系统内部某一具体元件如存储器、定时器、中断控制器等与内部总线之间的联系。元件级接口是接口电路的基本部分，任何档次的接口都必须涉及元件级接口，因为它是实现各种接口电路的基础。元件级接口电路比较简单，特别是现代LSI接口芯片均与CPU兼容，只需外加译码器电路等即可直接与CPU相连。2）插板级接口。插板级接口又称系统内接口，它是系统某一部分与系统内总线之间的一切联系。如键盘接口、显示器接口、打印机接口、磁盘驱动器接口等，这种接口都比较复杂。

3）系统间接口。系统间接口又称通信接口，是计算机系统与另外一系统或智能设备之间的联系，因这种联系不外乎就是数据的通信联系，故常称之为通信接口。数据信息都是通过总线传输的，因此通信接口是一种总线与另一种总线之间的接口，即计算机系统总线与通信总线之间的接口。如RS-232C接口、IEEE-488接口、USB接口等。

按照信息的流向可以将接口分为输入接口和输出接口；按照接口与外设交换信息的方式可以将接口分为并行接口和串行接口等。

I/O接口的实现方式

1．整体方式

将控制系统制作成一个独立的装置，在这种方式中，计算机（CPU）与I/O接口是安装在同一块印刷线路板上的。例如，用单片机开发的系统或单板计算机。这种方式的特点是：体积小、重量轻、成本也比较低。由于接口装置与CPU是做在一起的，一旦系统开发完成，就不能轻易改变。这种方式一般用于小型的计算机控制系统，特别是嵌入式系统中。

2．板卡方式

利用计算机的扩展功能，将I/O接口装置按照计算机扩展槽的标准开发，并根据实际需要