计算机 第二章 输入输出接口技术和输入输出通道

第二章输入输出接口技术和输入输出通道

§2.1概述输入输出接口技术——研究微处理器和外部设备之间信息交换的技术。输入输出接口——简称“接口”1、接口、通道及其功能

1)I／O接口电路I／O接口电路：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，有效地完成信息交换。

2)I／O通道I／O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。信号的输入通路。信号的输出通路。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变换。本章学习目的: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，能正确、可靠、高效率的交换信息，这是设计一个微机控制系统必须解决的基本问题。2、I／O信号的种类CPU外部设备数据状态控制通常有三类信息：数据信息数字量模拟量开关量状态信息控制信息3、计算机和外部的通信方式并行通信：串行通信：把一个字符的各数位用几条线同时进行传输

数据按位进行传送的

串行通信全双工方式半双工方式同步通信异步通信发送AK1K2B

接收接收发送发送A接收数据应答数据应答接收B发送全双工方式:数据信息能沿相反两个方向传送。

半双工方式: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。

SYNSYN控制字符控制字符数据字符...SYN同步通信：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而开始接收数据，直到接收后同步字符，一帧数据接收结束。

异步通信：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，以示该字符代码结束。§2.2输人／输出的控制方式§2.21．程序控制方式1.无条件传送方式2.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出接口电路§2.22．中断控制I/O方式

1.中断控制I/O时应解决的问题外部中断：是通过I／O接口硬件向CPU发出中断请求信号，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：

►

保存现场和恢复现场。

►

正确判断中断源。

►

实时响应。

►

按优先权顺序处理。2.中断优先级问题的解决软件查询方式雏菊链法专用硬件方式1)软件查询方式2)雏菊链法3)专用硬件方式3、DMA控制方式DMA控制方式：是一种成块传送数据的方式。8237A的数据传送速率可达1.6M字节/s；8257A的数据传送速率可达1．25M字节/s。§2.3I/O接口设计§2.3.1I／0接口的编址方式I／0接口与存储器独立编址方式I／0接口与存储器统一编址方式Inel8086+8288/MRDC/MWTCAB/IORC/IOWC译码器译码器去存储器去I/O接口......1.I／0接口与存储器独立编址方式独立编址方式的优点：►可寻址256个端口，执行I／O指令时间短，译码电路简单►程序清晰易读►硬件设计简单独立编址方式的缺点：►专门I／O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。2．I／0接口与存储器统一编址方式

又称存储器映像方式:把所有的I／0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16位地址号。Inel8086+8288AB/MRDC/MWTC/IORC/IOWC译码器不用…去存储器去I/O接口统一编址方式的优点：►

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►

CPU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►

I／O端口数目不受限制统一编址方式的缺点：►

每个I／O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I／O操作

►

I／O端口占用了存储空间地址§2.3.2I／O接口与系统的连接(a)通过I／O接口芯片与CPU和外围设备的连接(b)通过I／O接口芯片与CPU和外围设备的连接接口芯片和CPU之间必须连接的信号有下列4类：数据信号D0~D7读／写控制信号片选信号和地址线时钟、复位、中断控制、联络信号

§2.3.3I／O接口扩展1.地址译码器的扩展►使用译码器的目的►译码器常用的译码器有：四中选一、八中选一、十六中选一。74LSl38扩展地址译码器

例：采用74LSl38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。/Y0/Y1/Y2/Y3/Y4/Y5/Y67输出

2.负载能力的扩展1)应用总线收发器提高总线驱动能力总线收发器——Intel8286－A0B0－－A1B1－－A2B2－－A3B3－－A4B4－－A5B5－－A6B6－－A7B7－－/OET

－82862)应用接口芯片常用的：74LS244单向三态门74LS373(74LS273)三态输出锁存器74LS245三态输出八总线收发器74LS245：

使能端/G方向控制端DIR操作LLB数据至A总线LHA数据至B总线H隔开§2.3.3

I／O接口设计的方法、步骤及设计举例1.I／O接口设计的方法、步骤★I／O接口设计步骤►了解常用外围设备或被控设备与CPU之间信息交换的要求；►

考虑硬件和软件的功能分配；►

进行I／O端口的数量统计、数据流向安排和端口地址号分配；►

I／O接口硬件电路的扩展设计；

►

I／O接口控制软件设计；►

进行接口硬件和软件联调。

★I／O接口扩展的方案选择:

►购置多功能I／O接口板

►

自行设计I／O接口电路

►采用通用的大规模集成电路接口芯片扩展I／O接口电路

►采用普通的缓冲器、锁存器和译码器等集成电路扩展I／O接口

2.I／O接口设计举例一

设计8088CPU微机系统I／O接口电路，有8组8位的数字量外部输入，8组8位的控制和显示数据输出到外部。8个输入端口地址号为E8H～EFH，8个输出端口地址为F0H～F7H。设计要求：

设计：A7A6A5A4A3A2A1A011101ΧΧΧINAL,0E8H11110XXXOUT0F0H,AL3.I／O接口设计举例二设计要求：

设计8086最小模式系统接口电路，采用8255A作为连接打印机的接口，指定8255A的A、B、C和控制端口的地址号分别为FFF8H、FFFAH、FFFCH和FFFEH。设计：以程序控制方式设计A7A6A5A4A3A2A1A011111XXX0FFF8H、FFFAH、FFFCH、FFFEH§2.4I／O通道

模拟量输入通道模拟量输出通道数字量输入通道数字量输出通道

I／O通道分为：

§2.4.1模拟量输入通道主要组成：

信号处理装置、采样单元、采样保持器、数据放大器、A／D转换器控制电路。任务：完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机。

1、信号处理装置组成：标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转换电路等。★标度变换器：作用：把经由各种传感器所得到的不同种类和不同电平的被测模拟信号变换成统一的标准信号。★滤波电路：作用：滤掉或消除干扰信号，保留或增强有用信号。★线性化处理：有些电信号转换后与被测参量呈现非线性。所以必须对信号进行线性化处理，使它接近线性化。

★电参量间的转换电路：

主要进行电信号之间的转换。

2、采样单元

作用：把各路模拟量分时接到A／D转换器进行转换，实现CPU对各路模拟量分时采样。

组成：开关矩阵及逻辑控制电路。开关矩阵——模拟开关的组合逻辑控制电路——在软件或通道控制电路的控制下，以一定速度，按顺序输入被测模拟信号。CD405l组成：逻辑电平转换、二进制译码器及8个开关电路。主要特性：直流供电电源：VDD＝+5V～+15V，数字信号电位变化范围：3～15V输入电压：UIN＝0～VDD，模拟信号峰峰值：15VCD405l的应用：3、采样保持采样保持电路：对变化的模拟信号快速采样，并在转换过程中保持模拟信号。两个工作状态：

★

采样状态

★

保持状态采样保持集成芯片LFl98主要特性：供电电源：±5V～±18V；信号获取时间：<10／as；可以和TTL、PMOS、CMOS逻辑输入兼容；典型保持电容：1000pF、0.01μF。4、数据放大器——把传感器的信号从毫伏电平按比例放大到典型的A／D转换器输入电平。5、A／D转换器——把通道输入的模拟量转换成数字量，通过I/O接口电路送入CPU。f(t)Kf*(t)T§2.4.2采样与量化1．采样过程采样过程：用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。香农(Shannon)定理：如果随时间变化的模拟信号的最高频率为ωmax，只要按照采样频率ωS≥2ωmax进行采样，那么取出的样品系列(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢复)f(t)。2．量化过程量化过程：是用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号。

fmax：转换信号的最大值；fmin：转换信号的最小值；i：转换后二进制数的位数。

量化单位为：§2.4.3模拟量输出通道功能：把计算机的运算结果转换成模拟量，并输出到被选中的某一控制回路上，完成对执行机构的控制动作。组成：D／A转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤波电路和功放电路。输出保持器的作用：将前一采样时刻的输出信号保持到下一个采样时刻，重新得到新的输出信号。

输出保持方案：数字量保持方案；模拟量保持方案。1、一个输出通路设置一个D／A转换器的结构形式

2、多个输出通路共用一个D／A转换器的结构形式§2.4.4数字量输入通道

数字输入信号分三类：

编码数字开关量脉冲列常用的电平转换电路：

数字量输入通道的结构：►

直接和并行接口电路的输入口连接。

►

加光电隔离电路。►

采用软件计数法。►

接口电路外加硬件计数器。(a)§2.4.5数字量输出通道★编码数字

——二进制数。★开关量

——“1”、“0”的形式。输出电路的形式：(b)(c)★脉冲信号

——输出脉冲的频率及个数都可通过程序设置来控制。§2.5D／A转换器

作用：把数字量转换成模拟量。按工作方式可分成：并行和串行两种。§2.5.1并行D／A转换器的工作原理D／A转换器由电阻网络和运算放大器组成。T型电阻网络的D／A转换器：反相端作输入电压：电路工作过程：输入信号为0…01输入的信号为0…10I流经负载电阻的电流表达式为：§2.5.2串行D／A转换器的工作原理采用步进电动机的D／A转换器§2.5.3D／A转换器的性能指标1．分辨率定义：当输入数字量变化1时，输出模拟量变化的大小。对于一个N位的D／A转换器其分辨率为：

例如：对于满刻度值5.12V，单极性输出，8位D／A转换器的分辨率为：5.12V/28＝20mVl0位D／A转换器的分辨率为：5.12V/210=5.12V/1024＝5mV12位D／A转换器的分辨率为：5.12V/212=5.12V/4096＝1.25mV2.稳定时间定义：数据变化量是满刻度时，达到终值±1/2LSB时所需要的时间。3．输入编码

一般为二进制编码、BCD码、符号-数值码等。定义：在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大误差。一般用最低有效位LSB的分数来表示。为0.01％～0.8％。5．工作温度范围

较好的D／A转换器工作温度范围为一40～85℃，较差的为0～70℃。4．线性误差数字量输入模拟量输出理想特性实际满刻度线性误差§2.5.4D/A转换器芯片及其接口电路例如：满足速度、精度、分辨率及经济性能要求的有：►

通用、廉价的D/A转换器：AD1408、AD7524、AD558。►

高速、高精度D/A：AD562、AD7541。►

高速D/A：AD561、DAC-08。►

高分辨率D/A：DAC1136、DAC1137等。为了应用的灵活性，有：►

可选择输出电压双极性的：AD7524、AD7542。►

芯片内带有数字寄存器可与CPU数字总线直接相连的AD558、AD7524。功能管脚共同之处包括以下方面：

►它包括数字量的输入端和模拟量的输出端，芯片的模拟信号输出端又有单端输出和差动输出两种。

►

D/A转换器所需参考电压由芯片以外的电源提供。

►许多芯片内设置了输入数据寄存器。

►芯片都具有片选信号和写信号管脚1、8位DAC0832及接口电路1）外部结构特征

采用20引脚、双列直插式集成电路芯片。主要参数：分辨率8位，电流稳定时间1μs，电流输出，与TTL电平兼容；功耗20mW。2）内部结构及原理两种情况转换：►/WR2=0，/XFER=0，DAC寄存器为不锁存状态，ILE=1时，/CS=/WR1=0。►/WR1=0，/CS=0，ILE=1输入寄存器为不锁存状态，而/WR2=/XFER=0。

∴若不锁存，直接转换，/WR1、/WR2、/CS和/XFER为0，ILE接高电平，称为直通工作方式。3）DAC0832输出方式►电压输出方式►电流输出方式

★电压输出方式►单极性电压输出方式►双极性电压输出电路★电流输出方式

量程选择：0～10mA直流电流4～20mA直流电流4）接口电路►用锁存器连接►

用可编程并行口8255连接►

直接连接8088CPUA9-A0IOW1D1Q2D2Q3D3Q4D4Q5D5Q6D6Q7D7Q

8D8Q

CP74LS273+5V

A0A1A2A3A4A5A6

A7

DAC0808

AVOUT-+译码器Y0DoD1D2D3D4D5D6

D7RESET+5VVRE用锁存器连接★用可编程并行口8255连接

DAC:MOVDX,0383HMOVAL,80HOUTDX,ALMOVAL,[DATA]MOVDX,0381HOUTDX,ALXORAL,ALMOVDX,0380HOUTDX,ALORAL,01HOUTDX,ALHLT汇编程序：A9-A28088CPU

A1Ao

PB7CS

8255A1AoPAo译码器D7D0

NE5018VoutCED7-DoYoPB0控制线

★D/A与CPU直接连接+5DAC0832+5VRAVOUT译码器VccILRVREFCSRfbWR1Iout1WR2Iout2XFERDGNDA1AoIOWGND8088CPUA9-A2-+AGND2、12位D／A转换器DAC12101）DAC1210的主要性能及特点DACl210是双列直插式24引脚集成电路芯片。★主要技术指标：

►输入数字为12位二进制数字；

►分辨率12位；►电流建立时间1μs；►供电电源+5～+15V(单电源供电)；►基准电压VREF范围-10～+10V。★特点：

►

线性规范只有零位和满量程调节；

►

和所有的通用微处理机直接接口；

►

单缓冲、双缓冲或直通数字数据输入；

►

与TTL逻辑电平兼容。2）DAC1210引脚说明与DAC0832的两点区别：►它有12条数据输入线►可用BYTEl／BYTE2控制数据的输入3)DACl210与CPU的连接§2.6A／D转换器常用的A／D转换器有：计数器式双积分式逐次逼近式组成：计数器、D／A转换器及比较器工作过程：特点：结构简单，价格便宜，但转换速度比较慢。§2.6.1A／D转换器原理

1.计数器式A／D转换器组成：逐次逼近寄存器SARD／A转换器比较器时序（时钟）置数选择逻辑工作过程：如果Ui≥UO，应予保留；如果Ui<UO，应予清除。2.逐次逼近式A／D转换器例：设：数码寄存器为4位，满刻度值1v，Vi=0.65v，用逐次逼近式A/D转换器转换成二进制数。V0Vin0.5V(1000)0.75V(1100)0.625V(1010)0.6875V(1011)量化单位3.双积分式A/D转换器方法：测量模拟输入电压向电容充电的固定时间及测量在已知标准电压下放电所需的时间。工作过程：优点：

消除干扰和电源噪声的能力强，精度高。缺点：

转换速度慢。§2.6.2A／D转换器的主要技术参数分辩率是指能使转换后数字量变化1的最小模拟输入量。n位二进制数最低位具有的权值就是它的分辨率。