第二章 输入输出接口技术和输入输出通道.docx

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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。

外界的各种数据和信息通过输入设备送到微处理器，而微处理器将计算结果或控制信号输出外部设备，以便显示、打印或实现各种控制。

外部设备品种很多，有机械式的、机电式的或电子式的等，其原理也多种多样，各不相同。

它们在与微机系统交换信息时，往往存在着速度不匹配、数据类型不一样等问题，为了解决这些问题，必须设计一套介于主机和外部设备之间的控制逻辑部件，这就是所谓输入输出接口或简称接口。

I／O通道（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。

一、接口、通道及其功能

（一）I／O接口电路

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）。

或是主机和外围设备之间的信息交换的桥梁。

（二）I／O通道

I／O通道（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。

给计算机提供被控对象的各种物理参数的通道称为信号的输入通路。

传输计算机控制命令作用于被控对象的通道称为信号的输出通路。

反映（或作用于）生产过程工况的信号既有模拟量，也有数字量（或开关量）,可是计算机识别数字信号。

所以输入和输出通路的主要功能就是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。

二、I／O信号的种类

外部设备与CPU之间交换信息，如图2—1所示，通常有三类信息。

（1）数据信息

在微型机中，数据通常为8位或16位，它可以分为以下三种：

1）数字量:

由键盘、光电输入机、卡片机等读入的信息一般是以二进制形式表示的数或以ASCII码表示的数或字符。

2）模拟量:

当微处理器用于实时控制时，大量的现场信息经过传感器把非电量转换成的电量以及执行机构所能接受的控制量。

3）开关量:

这些变量只有开和关两个状态，通常用一位二进制数来表示。

（2）状态信息：

状态信息也称握手信息、应答信息，它是反应外部设备的状态的。

（3）控制信息：

用来控制I／O装置的启动或停止等信息，它是由CPU发送给外部设备的。

CPU与外部设备之间的信息传送是通过I／O接口电路来完成的，微处理机与外部设备的联系，如图2—2所示。

为保证信息的正确传送，I／O接口往往开辟三个不同的端口来传送数据信息、状态信息和控制信息。

三、计算机和外部的通信方式

并行通信

串行通信

（一）并行通信

并行通信：

把一个字符的各数位用几条线同时进行传输，传输速度快，信息率高。

（二）串行通信

串行通信：

数据按位进行传送的。

串行通信又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

全双工通信方式：

指数据信息能沿相反两个方向传送。

特点：

信息传输效率较高。

2．半双工方式

半双工通信方式：

指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。

特点：

信息传输效率低些，但可省一根传输线。

3．同步通信

同步通信方式：

在一组字符（信息帧）前后加同步字符（如SYN字符），它们标志着一组数据块的开始，这样接收装置一接收到SYN字符，就知道已发送了数据块而开始接收数据，直到接收后同步字符，一帧数据宣告结束。

然后，接收装置又开始寻找新的SYN控制字符。

特点：

开销小，效率高，可获得较高的数据率。

但如果数据中有一位错，就必须重新传输整块数据，且控制比较复杂。

4．异步通信（起止方式）

异步通信

方式：

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。

这是一种在计算机通信网络中常用的也是最简单的传输方式。

特点：

开销大，效率低，速度慢。

但如果有错，只需重发一个字符，且控制简单。

由于这种方式的字符发送是相互独立的故称为异步方式。

§2.2输人／输出的控制方式

在微机系统中，可采用的输入／输出控制方式一般有3种：

程序控制方式、中断控制方式、直接存储器存取方式（DMA方式）。

一．程序控制方式

程序控制方式又分为无条件传送方式和查询传送方式（条件传送方式）。

（1）无条件传送方式

当外设已准备就绪，那就不必查询外设的状态而进行信息传输，这就称为无条件传送。

这种信息传送方式只适用于简单的外设，如开关和数码段显示器等。

如图所示，直接使用三态缓冲器与数据总线相连。

（2）查询传送方式（条件传送方式）

CPU通过执行程序不断读取并测试外设状态，如果输入外设处于已准备好状态或输出外设为空闲状态时，则CPU执行传送信息指令。

查询传送方式的接口电路应包括：

传送数据端口及传送状态端口。

图1为查询式输入的接口电路。

图2为查询式输出接口电路。

二．中断控制I/O方式

（一）中断控制I／O时应解决的问题

中断控制方式：

当外围设备需要请求服务时，向CPU发出中断请求，CPU响应外围设备中断，停止执行当前程序，转去执行一个外围设备的服务程序。

中断处理完毕，CPU又返回来执行原来的程序。

外部中断：

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以下四个问题。

一、保存现场和恢复现场

在中断服务程序开始设置保存现场、中断返回前恢复现场。

二、正确判断中断源

要能正确地找到申请中断的外围设备的中断服务程序入口地址，且能跳转到这个入口。

三、实时响应

对于每个外围设备的中断请求，CPU都能接受到并在最短响应时间内给予服务。

四、按优先权顺序处理

优先权顺序：

多个外围设备同时提出中断请求时，应能按轻重缓急设定中断顺序，逐个进行处理。

（二）中断优先级

中断优先级的设定办法常采用：

软件查询方式，雏菊链法，专用硬件方式。

1．软件查询方式

如图所示，接口硬件电路包括三部分：

中断寄存器、中断申请电路和并行I／O接口。

2．雏菊链法

雏菊链法：

在每个外围设备的接口上连接一个雏菊链（逻辑电路），这个雏菊

链是中断回答信号的控制通路。

如图是雏菊链的线路图。

越靠近CPU的接口，优先级越高。

3．专用硬件方式

如：

采用可编程中断控制器8259A。

三、DMA控制方式

DMA控制方式：

一种成块传送数据的方式。

当某一外设需要输入/输出一批数据时，向DMA控制器发出请求，DMA控制器接收到这一请求后，向CPU发出总线请求，若CPU响应DMA的请求把总线使用权赋给DMA控制器，数据不通过CPU，可直接在DMA控制器操纵下进行。

通常采用的是可编程DMA控制器8237A。

8237A的数据传送速率高达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

一、I／0接口的编址方式

输入输出接口有两种编址方式：

１.I／0接口与存储器独立编址方式

这种编址方式：

将存储器地址空间和I／O接口地址空间分开设置，互不影响。

独立编址方式是用微处理器的专用I／O指令来访问外设的，如IN（输入）和OUT（输出）指令来实现的。

独立编址方式的优点：

１）I／O端口地址只用A0~A7低8位地址总线，可寻址256个端口，一般系统也已够用，I／O指令执行时间比较短，译码电路也比较简单，

2）由于使用专门的I／O指令，所编的程序容易区分，比较清晰，

3）由于I／O端口与存储器地址彼此分开，输入输出时容量安排应答联系信号，硬件设计也比较简单。

独立编址方式的不足：

（1）专门I／O指令的功能有限，输入输出数据都必须经过累加器A，然后才能进行算术逻辑运算，不如访问内存指令丰富，

（2）采用了专门的I／O周期和专门的I／O控制线，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

统一编址方式（又称存储器映像方式）：

把所有的I／0端口都当作存储单元一样进行读写操作，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。

统一编址方式的优点：

1）用于存储器存取的访内指令，也可以用于输入输出，对于I／O接口寄存器，数据处理能力强；

2）输入输出部分可以和存储器部分共用译码和控制电路；

3）CPU无需产生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；

4）I／O端口数目几乎不受限制。

统一编址方式的缺点：

1）每个I／O操作需全字长地址译码，整个指令执行时间较长；

2）程序中较难区分I／O操作；

3）I／O端口占用了存储空间地址。

二、I／O接口与系统的连接

I／O接口：

CPU和外围设备之间的连接界面。

典型的I／O接口和外部的连接如图所示。

以下分别为通过I／O接口芯片8255A和8251A与CPU和外围设备的连接关系。

由图，接口芯片和CPU之间必须连接的信号有下列4类：

三、I／O接口扩展

一般我们选用通用可编程序I／O接口电路（如PIO、8255A；SIO、825lA；CTC、8253以及DMA等）。

当接口和内存不够用时，需要扩展I／O接口及内存容量。

I／O接口扩展包括：

（一）地址译码器的扩展

使用译码器的目的：

解决I／O端口的编址、选址问题。

扩展的地址译码电路不仅要提供接口芯片的片选信号，而且还要对芯片内的I／O口进行寻址。

2、译码器

常用的译码器有2：

4；3：

8和4：

16译码器等。

74LSl38扩展地址译码器的应用

74LSl38的管脚图如图

管脚说明：

允许输入：

G1——片选

G2A——允许输入1

G2B——允许输入2,G2A+G2B=0,译码输出有效。

选择输入：

A、B、C——3/8译码输入

译码输出：

功能表：

芯片应用实例：

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。

如图所示。

/Y0

/Y1

/Y3

/Y4

/Y5

/Y67

译出各芯片对应端口地址如表所示。

说明：

每个芯片4个通道，每个通道8个端口地址，共32个端口地址。

♣另外：

地址总线的低5位（A0-A4）没接到74LSl38上，可作为对接口芯片内部寄存器的选择信号。

一般都只用A1、A0，此时A4~A2悬空，这样一个I／O端口便对应了多个端口地址。

（二）负载能力的扩展

原因：

总线系统负载能力是有限的，不能无限制的增加。

当负载过重时，各信号线的电平就会偏离正常值，造成系统工作不稳定、不可靠、抗干扰能力差，严重时甚至会损坏器件。

因此总线负载能力的扩展也是I／O接口扩展设计的重要部分。

方法：

1．应用总线收发器提高总线驱动能力

典型总线收发器为Intel系列芯片8286。

如图

8286具有两组对称的数据引线，A7～A0和B7～B0。

T：

数据传输方向控制信号。

当T＝l时，就使A７~AＯ为输入线，当T＝0时，则使B７～B0为输入线。

/OE：

输出允许信号，此信号决定了是否允许数据通过8286。

当/OE＝l时，数据在两个方向上都不能传输。

只有/OE＝0时，数据才允许传输。

如图8088系统中，只用一片8286就可以构成数据总线收发器，16位的8086系统中，则要用2片8286。

/OE端和CPU的/DEN端相连。

在CPU的存储器访问周期和I／O访问周期中，DEN为低电平，在中断响应周期，/DEN也为低电平。

正是在这些总线周期中，需要8286开启，以允许数据通过，从而完成CPU和其他部件之间的数据传输。

2．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）

是微机系统中常用的接口芯片，起到提高驱动能力的作用。

74LS245是常用的双向总线驱动器，三态输出直接驱动总线。

74LS245的简化原理及管脚如图所示：

G：

使能端

DIR：

方向控制信号，DIR：

“0”时，B数据→A总线，DIR＝“1”时，A数据→B总线。

双向传输时，DIR接R／/W信号。

其真值表列于表中

74LS245的用法如图：

四、I／O接口设计的方法、步骤及设计举例

（一）I／O接口设计的方法、步骤

I／O接口设计步骤:

1、解分析常用外围设备或被控设备与CPU之间信息交换的要求

2、考虑硬件和软件的功能分配

3、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。

4、I／O接口硬件电路的扩展设计

5、I／O接口控制软件设计。

6、进行接口硬件和软件联调，

I／O接口扩展的方案选择:

1．购置多功能I／O接口板

特点：

最简单、快速、灵活方便、可靠。

2．自行设计I／O接口电路

方案：

①采用通用的大规模集成电路接口芯片扩展I／O接口电路。

②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。

（二）I／O接口设计举例一

设计要求：

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：

选用自行设计I／O接口电路方案。

如图：

输入各端口采用74LS244作缓冲器。

输出各端口采用74LS273作锁存器，输入输出采用了74LSl383:

8译码器。

工作过程：

74LS138A的/Y0——/Y7译出的片选地址是E8H—EFH，当CPU执行输入指令INAL，0E8H时，/IOR信号为有效低电平，把E8H端口的数据经数据总线读到AL中。

74LSl38B的/Yo～/Y7译出的片选地址是F0H～F7H，当CPU执行输出指令OUT0F0H，AL时，/IOW信号为有效低电平，AL中的数据就通过数据总线打入到F0H端口对应的74LS273中锁存，供给外部使用。

其它端口输出数据也都一样。

（三）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，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。

以程序控制方式来设计。

设计要点：

1、设定8255A的A口工作方式为方式0，输出口，向打印机传送字符数据；C口用来传送状态和控制信息，工作方式为方式0；PC2作为打印机向CPU提供状态信息（BUSY）的输入端；PC3—PC0设定为输入方式；PC7～PC4，设定为输出方式，PC6为CPU给打印机的选通脉冲信号。

2、8086工作在最小模式。

这里8255A只和8086的低8位数据线连接。

3、选用3片74LS373作为地址锁存器

4、74LSl38地址译码器，用地址译码输出信号/Y7作为8255A的片选信号。

/Y7的地址范围是FFF8H～FFFFH，占用了8个地址。

特点：

当/BHE＝1，A0=0有效，就从偶地址读（写）一个字节。

所以把/BHE信号接到74LSl38的G1端，只有当/BHE＝l时才能译出/Y7＝0的地址译码信号。

所以8个地址中，只有FFF8H、FFFAH、FFFCH和FFFEH四个偶地址是有效的，而且分别是A、B、C和控制端口的端口地址，符合设计要求。

§2.4I／O通道

过程I/O通道在计算机和生产过程之间起到起到纽带和桥梁的作用。

如图。

I／O通道分为：

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。

一、模拟量输入通道

任务：

完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机。

常用的模拟量输入通道的结构形式如图。

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。

分别介绍各部分的功能、组成、原理及电路。

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。

如（0～10mA或4～20mA）或（0~±5V）信号。

标度变换器一般包含在变送器中，通常是电阻网络或电桥。

☆滤波电路：

作用：

滤掉或消除干扰信号，保留或增强有用信号。

方法：

采用有源滤波器或无源滤波器，

☆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。

方法：

在硬件上可采用加负反馈放大器或采用线性化处理电路。

在软件上可采用分段线性化数字处理的办法来解决。

☆电参量转换电路：

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，实现了CPU对各路模拟量分时采样。

组成：

采样单元一般由开关矩阵及逻辑控制电路组成。

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。

开关矩阵——模拟开关的组合。

模拟开关分为两类：

机械式触点或开关

晶体管开关、场效应管开关和光电耦合开关

CD405l

CD4051为16脚、双列直插封装芯片，原理及引脚如图。

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：

直流供电电源为VDD＝+5V～+15V，

数字信号电位变化范围为3～15V

输入电压UIN＝0～VDD，

模拟信号峰峰值15V

当VEE接负电源时，正负模拟电压均可通过。

接通电阻小，一般小于80Ω，断开电阻高，在VDD～VEE＝10V时，通过泄漏电流为±10nA。

应用：

如图16个通路差动输入CD4501的连接方法。

3、采样保持

作用：

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。

采样保持电路：

由输入缓冲放大器A1、模拟开关AS、模拟信号存储电容CH和输出缓冲放大器A2组成，如图。

两个工作状态：

采样状态

保持状态。

采样保持电路的集成电路芯片——LFl98的原理图和典型应用如图。

LFl98的主要特性：

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

作用：

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。

仪表放大器特点：

共模抑制能力强，输入阻抗高，漂移低，增益可调。

5、A／D转换器

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。

二、采样与量化

由测量装置所测得的模拟信号，经A／D转换器进行编码，变成计算机内通用的数字信号。

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。

如图：

采样信号f*（t）：

时间上离散，幅值上连续的脉冲信号称为离散模拟信号。

T——采样周期；

K——采样开关或采样器；

τ——采样宽度。

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：

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。

量化单位q：

量化后二进制数的最低位所对应的模拟量的值。

设fmax和fmin转换信号的最大值和最小值，则量化单位为

式中i——转换后二进制数的位数。

三、模拟量输出通道

功能：

把计算机的运算结果（数字量）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。

输出保持有两种方案：

数字量保持方案；

模拟量保持方案。

模拟量输出通道的两种基本结构形式。

1、一个输出通路设置一个D／A转换器的结构形式

方案优点：

速度快、精度高、工作可靠、节省多路切换开关。

缺点：

使用D／A转换器较多。

成本增加，电路也较复杂。

2、多个输出通路共用一个D／A转换器的结构形式

模拟量保持的方案。

结构特点：

一个通路设置一个输出保持器，同时有一个多路切换开关。

两种零阶保持器：

采用步进电动机带动多圈电位器；

采用电容保持电路。

四、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。

数字量输入常见的有：

拨码开关设置控制给定值或控制参数，

用绝对编码的编码器检测位置，

用光电脉冲编码器检测速度，

用按钮或转换开关控制系统的启停或选择工作状态，

在生产现场用行程开关反映生产设备的运行状态

电平转换电路：

把触点的通断转换成高电平或低电平。

常用电平转换电路：

数字量输入通道的结构：

①直接和并行接口电路的输入口连接。

②加光电隔离电路，数字输入信号经光电隔离后再接到接口的端口上。

可提高信号的可靠性。

③采用软件计数法，将脉冲信号加到并行接口的一个输入端，用查询方式或中断方式对输入脉冲计数。

④接口电路外加硬件计数器，如使用可编程计数器／定时器8253。

五、数字量输出通道

输出信号有三类：

编码数字、

开关信号、

脉冲信号。

★编码数字：

可直接从I／O接口电路的输出端口送出，输出数据需要锁存。

可串行发送，节省传输线路和提高可靠性。

★开关量：

输出为“1”、“0”的形式，输出电路有以下几种形式：

1）TTL电平逻辑信号输出、

2）电子无触点开关输出、

3）继电器输出

★脉冲信号：

经常是对步进电动机控制要求输出脉冲列信号，输出通道应加脉冲发生器及其控制电路。

如使用8253让它工作在方波发生器的模式，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。

是模拟量输出通道的重要组成部分。

D／A转换器可分成：

并行和串行两种。

一、并行D／A转换器的工作原理

D／A转换器组成：

电阻网络和运算放大器。

常用电阻网络有：

权电阻网络和T型电阻网络。

T型电阻网络D／A转换器如图。

运算放大器同相端接地，反相端输入电压

U∑≈0

所以U∑－U0=ILRf,-U0≈ILRf

电路工作过程：

输入信号为0…01，负载电阻RL上的电流：

输入的信号为0…10，流过第2支路电流：

流经RL的电流：

依次类推。

根据叠加原理，流经负载电阻的电流表达式为：

转换后的输出模拟电压与输入数字量成正比，实现了D／A转换。

二、串行D／A转换器的工作原理

工作原理：

把数字量转换成一系列的脉冲，再把每一个脉冲变成单位模拟量，然后将所有单位模拟量相加，得到和数字量成正比的总的模拟量输出。

采用步进电动机的D／A转换器原理图如图。

三、D／A转换器的性能指标

D／A转换器的性能指标有以下几个：

1．分辨率

反应了计算机数字量输出对执行部件控制的灵敏程度。

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＝20mV；

l0位D／A转换器的分辨率为5.12V/210=5.12V/1024＝5mV；

12位D／A转换器的分辨率为5.12V/21