1、 過程輸入輸出接口技術過程輸入輸出接口技術2.0 基礎知識基礎知識2.1 數據的采樣及保持數據的采樣及保持 2.2 模模/數（數（A/D）轉換器）轉換器 2.3 數數/模（模（D/A）轉換器）轉換器 2.6 開關量接口技術開關量接口技術 第二章第二章 2.0 基礎知識基礎知識輸入輸出接口技術輸入輸出接口技術 研究微處理器和外部設備之間信息交研究微處理器和外部設備之間信息交換的技術。換的技術。輸入輸出接口輸入輸出接口 簡稱簡稱“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接口電路接口電路I IO O接口電路：是主機和外圍設備之間交換信息的連接部件。接口電路：是

2、主機和外圍設備之間交換信息的連接部件。 使主機和外設能夠協調工作，有效地完成信使主機和外設能夠協調工作，有效地完成信息交換。息交換。為什麼要設置接口電路為什麼要設置接口電路?v1、解決主機、解決主機CPU和外設之間的時序配合和通信聯絡問題和外設之間的時序配合和通信聯絡問題 解決高速的解決高速的CPU與慢速的外設通信速度和時序與慢速的外設通信速度和時序 為聯絡與匹配，通常為聯絡與匹配，通常I/O接口電路設有數據鎖存器、緩接口電路設有數據鎖存器、緩 沖器、狀態寄存器及中斷控制電路沖器、狀態寄存器及中斷控制電路-異步工作異步工作v2、解決、解決CPU 和外設之間的數據轉換和匹配問題和外設之間的數據轉

3、換和匹配問題 解決解決CPU的并行數據格式轉換為串形數據格式的并行數據格式轉換為串形數據格式-串串并行問題并行問題 主要有相關的接口芯片完成主要有相關的接口芯片完成v3、解決、解決CPU的負載能力和外設端口選擇問題的負載能力和外設端口選擇問題 CPU的數據總線連接設備較多的數據總線連接設備較多,而且數據總線還擔任內而且數據總線還擔任內部的數據信息部的數據信息,若外設數據總線直接掛在若外設數據總線直接掛在CPU總線上總線上,則有則有可能產生混亂可能產生混亂.因此一般通過帶三態門的緩沖器和鎖存器因此一般通過帶三態門的緩沖器和鎖存器,在選通信號及控制信號控制下完成通信在選通信號及控制信號控制下完成通

4、信. 二、二、IO通道通道I IO O通道：也稱為過程通道。它是計算機和控制對通道：也稱為過程通道。它是計算機和控制對象之間信息傳送和變換的連接通道。象之間信息傳送和變換的連接通道。信號的輸入通路。信號的輸入通路。信號的輸出通路。信號的輸出通路。輸入和輸出通路的主要功能輸入和輸出通路的主要功能 實現模擬量與數字量之間的信號實現模擬量與數字量之間的信號變換。變換。學習目的學習目的: : 解決微型計算機和外部的連接解決微型計算機和外部的連接問題，使計算機和外部構成一個整體，能正問題，使計算機和外部構成一個整體，能正確、可靠、高效率的交換信息，這是設計一確、可靠、高效率的交換信息，這是設計一個微機控

5、制系統必須解決的基本問題。個微機控制系統必須解決的基本問題。 三、三、IO信號的種類信號的種類CPU外部外部設備設備數據數據狀態狀態控制控制通常有三類信息：通常有三類信息：數據信息數據信息數字量數字量模擬量模擬量開關量開關量狀態信息狀態信息控制信息控制信息 2.0.2 計算機和外部的通信方式計算機和外部的通信方式并行通信：并行通信：串行通信：串行通信：把一個字符的各數位用幾條線同時進行傳輸把一個字符的各數位用幾條線同時進行傳輸 數據按位進行傳送的數據按位進行傳送的 串行通信串行通信全雙工方式全雙工方式半雙工方式半雙工方式同步通信同步通信異步通信異步通信發送A K1K2 B 接收接收發送發送A接

6、收數據應答數據應答接收B發送全雙工方式全雙工方式: :數據信息能沿相反兩個方向傳送。數據信息能沿相反兩個方向傳送。 半雙工方式半雙工方式: :數據信息可沿數據傳輸線的兩個方向傳送，但數據信息可沿數據傳輸線的兩個方向傳送，但同一時刻只能沿一個方向傳送。同一時刻只能沿一個方向傳送。 SYN SYN 控制字符控制字符控制字符控制字符數據字符數據字符. . .SYN同步通信：同步通信：在一組字符前后加同步字符，標志一組數據在一組字符前后加同步字符，標志一組數據塊的開始與結束，接收裝置接收到同步字符塊的開始與結束，接收裝置接收到同步字符而開始接收數據，直到接收后同步字符，一而開始接收數據，直到接收后同步

7、字符，一幀數據接收結束。幀數據接收結束。 異步通信：異步通信： 要傳送的字符代碼前加一起始位，以示該字要傳送的字符代碼前加一起始位，以示該字符代碼開始，在字符代碼后面加一停止位，符代碼開始，在字符代碼后面加一停止位，以示該字符代碼結束。以示該字符代碼結束。2.0.3 輸人輸出的控制方式輸人輸出的控制方式一、一、程序控制方式程序控制方式 1、無條件傳送方式、無條件傳送方式 此方式外設總是就緒狀態此方式外設總是就緒狀態 如如:開開 關關.LED等設備等設備2、 查詢傳送方式（條件傳送方式）查詢傳送方式（條件傳送方式）查詢式輸入的接口電路查詢式輸入的接口電路查詢方式的優缺點和使用條件查詢方式的優缺點

8、和使用條件v優點優點: 查詢式比無條件傳送方式可靠查詢式比無條件傳送方式可靠,接口電路簡單接口電路簡單,不不 占用中斷輸入線占用中斷輸入線,同時查詢程序也簡單同時查詢程序也簡單,易于調試易于調試.v缺點缺點:CPU要不斷的讀取狀態字和檢測狀態字要不斷的讀取狀態字和檢測狀態字,不管哪不管哪個外設是否有服務請求個外設是否有服務請求,都必須一一查詢都必須一一查詢.多次的重復查多次的重復查詢可能是無用的詢可能是無用的,而且還占用了而且還占用了CPU的時間的時間,效率低效率低.v使用條件使用條件:因是通過因是通過CPU程序實現程序實現,外設和執行程序同外設和執行程序同步步,特別適用于多個按一定規律順序工

9、作的生產機械或特別適用于多個按一定規律順序工作的生產機械或生產過程生產過程.如機床如機床,自動線自動線,溫度巡回檢測溫度巡回檢測,定時數據采集定時數據采集等等.同時要注意同時要注意,該方式用于外設時間服務時間不太長的該方式用于外設時間服務時間不太長的情況情況.若太長若太長,則須用中斷方式則須用中斷方式.二、中斷控制二、中斷控制I/OI/O方式方式 1. 1. 中斷控制中斷控制I/OI/O時應解決的問題時應解決的問題外部中斷：是通過外部中斷：是通過IO接口硬件向接口硬件向CPU發出中斷請求信號，發出中斷請求信號，從而引起一個中斷處理過程。從而引起一個中斷處理過程。多重中斷處理時必須解決的四個問題

10、：多重中斷處理時必須解決的四個問題： 保存現場和恢復現場。保存現場和恢復現場。 正確判斷中斷源。正確判斷中斷源。 實時響應。實時響應。 按優先權順序處理。按優先權順序處理。2. 中斷優先級問題的解決中斷優先級問題的解決軟件查詢方式軟件查詢方式雛菊鏈法雛菊鏈法專用硬件方式專用硬件方式1) 軟件查詢方式軟件查詢方式v2個外設的程序框圖個外設的程序框圖查詢子程序查詢子程序設各外設的狀態字為第五位，高電平為發生中斷請求，即設各外設的狀態字為第五位，高電平為發生中斷請求，即20H；STAT1、2是外設是外設的狀態寄存器；設備端口地址未定。的狀態寄存器；設備端口地址未定。 PUSH AX ;保存處理機狀態

11、保存處理機狀態DVC1: IN AL, STAT 1 ;讀入讀入1#外設狀態外設狀態 TEST AL, 20H ;測試狀態測試狀態,1#外設請求服務嗎外設請求服務嗎? JZ DVC2 ;不不,跳轉至查詢跳轉至查詢2# CALL CCS1 ;是是,轉轉1#外設外設I/O處理處理 JMP DVEND ;轉至中斷返回轉至中斷返回DVC2: IN AL, STAT2 ;讀入外設狀態讀入外設狀態 TEST AL, 20H ;測試狀態測試狀態,2#外設請求服務嗎外設請求服務嗎? JZ DVEND ;不不,轉至中斷返回轉至中斷返回 CALL CCS2 ;是是,2#外設外設I/O處理處理DVEND : POP

12、 AX ;恢復處理機狀態恢復處理機狀態 IRET ;中斷返回中斷返回 2) 2) 雛菊鏈法雛菊鏈法菊花鏈邏輯電路菊花鏈邏輯電路外設接口收到中斷回答信號后外設接口收到中斷回答信號后,發出中斷類型號發出中斷類型號,CPU找到入口地址找到入口地址3) 專用硬件專用硬件 8259A三、三、DMA控制方式控制方式DMA控制方式：是一種成塊傳送數據的方式。控制方式：是一種成塊傳送數據的方式。8237A的數據傳的數據傳送速率可達送速率可達1.6M字節字節/s；8257A的的數據傳送速率可數據傳送速率可達達125M字節字節/s。2.0.4 I/O接口設計接口設計vI/O接口設計任務接口設計任務：設計出合適的接

13、口硬件設計出合適的接口硬件電路和相應的接口控制程序電路和相應的接口控制程序，使使CPU與外設實與外設實時、可靠的通信。時、可靠的通信。vI/O接口的控制方式選定接口的控制方式選定：因接口的控制方因接口的控制方式決定硬件及軟件。即使在同一種控制方式下，式決定硬件及軟件。即使在同一種控制方式下，可以用軟件來實現，也可以用硬件實現選定可以用軟件來實現，也可以用硬件實現選定控制方式，主要考慮控制方式，主要考慮CPU的工作效率和信息交的工作效率和信息交換的速度多用硬件，速度快，但成本高多換的速度多用硬件，速度快，但成本高多用軟件，則成本低，但效率低具體設計時，用軟件，則成本低，但效率低具體設計時，應比較

14、優缺點，選擇合理的折中方案應比較優缺點，選擇合理的折中方案一、一、 I0接口的編址方式接口的編址方式vCPU通過數據總線讀寫存儲器和通過數據總線讀寫存儲器和I/O接口接口,多個多個I/O接口和存儲器均連接在數據總線接口和存儲器均連接在數據總線上，信息交換時必須進行地址的選擇。上，信息交換時必須進行地址的選擇。v編址方式：編址方式： 、I/O接口與存儲器統一編址接口與存儲器統一編址 2、I/O接口與存儲器獨立編址接口與存儲器獨立編址（一）（一）. I0接口與存儲器獨立編址方式接口與存儲器獨立編址方式v該方式是該方式是I/O接口地址空間與存儲器地址空間分開設置，接口地址空間與存儲器地址空間分開設置

15、，互不影響。有專門的輸入（互不影響。有專門的輸入（IN）和輸出（）和輸出（OUT）指令）指令完成操作。完成操作。v8086的兩類的兩類I/O指令：指令： 直接：直接：IN AL ，XXH ；OUT XXH ， AX 間接：間接：IN AL ，DX ；OUT DX ， AX （間接指令輸出時，先把端口地址放入（間接指令輸出時，先把端口地址放入DX）v8086CPU執行執行I/O指令時，產生指令時，產生RD、WR，同時使得，同時使得 M/IO為低電平（最小模式）。最大模式系統時，由為低電平（最小模式）。最大模式系統時，由8288控制，信號類似。控制，信號類似。獨立編址方式的優點：獨立編址方式的優點

16、： 可尋址可尋址256256個端口，執行個端口，執行I IO O指令時間短，譯碼電路簡單指令時間短，譯碼電路簡單 程序清晰易讀程序清晰易讀 硬件設計簡單硬件設計簡單獨立編址方式的缺點：獨立編址方式的缺點： 專門專門I IO O指令的功能有限，不如訪問內存指令豐富；指令的功能有限，不如訪問內存指令豐富； 增加了微處理器本身控制邏輯的復雜性。增加了微處理器本身控制邏輯的復雜性。（二）、（二）、I0接口與存儲器統一編址方式接口與存儲器統一編址方式 又稱存儲器映像方式又稱存儲器映像方式: : 把所有的把所有的I I0 0端口作為存儲單元，端口作為存儲單元，每個外圍設備的端口都給予相應的一個或幾個每個外

17、圍設備的端口都給予相應的一個或幾個1616位地址號。位地址號。Inel8086+8288AB /MRDC/MWTC/IORC/IOWC譯譯碼碼器器不不用用去存儲器去存儲器 去去 I/O 接口接口統一編址方式的優點：統一編址方式的優點： 數據處理能力強數據處理能力強 輸入輸出部分可以和存儲器部分共用譯碼和控制電路輸入輸出部分可以和存儲器部分共用譯碼和控制電路 CPUCPU不需區分訪內操作及訪問輸入輸出操作的控制信號，不需區分訪內操作及訪問輸入輸出操作的控制信號，可以相應減少引腳可以相應減少引腳 I IO O端口數目不受限制端口數目不受限制 統一編址方式的缺點：統一編址方式的缺點： 每個每個I I

18、O O操作需全字長地址譯碼，整個指令執行時間較長操作需全字長地址譯碼，整個指令執行時間較長 程序中較難區分程序中較難區分I IO O操作操作 I IO O端口占用了存儲空間地址端口占用了存儲空間地址二、二、 I IO O接口與系統的連接接口與系統的連接(a)通過通過I IO O接口芯片與接口芯片與CPUCPU和外圍設備的連接和外圍設備的連接 (b)通過通過I IO O接口芯片與接口芯片與CPUCPU和外圍設備的連接和外圍設備的連接 接口芯片和接口芯片和CPUCPU之間必須連接的信號有下列之間必須連接的信號有下列4 4類：類：數據信號數據信號D0D7讀寫控制信號讀寫控制信號 片選信號和地址線片選

19、信號和地址線時鐘、復位、中斷控制、聯絡信號時鐘、復位、中斷控制、聯絡信號 三、三、 I IO O接口擴展接口擴展1. 1. 地址譯碼器的擴展地址譯碼器的擴展 使用譯碼器的目的使用譯碼器的目的 因微機系統雖然帶因微機系統雖然帶I/O接口，但在多個外設時以不夠用。接口，但在多個外設時以不夠用。 利用地址線與譯碼器相連，生成片選信號選通各外設。利用地址線與譯碼器相連，生成片選信號選通各外設。 v譯碼器譯碼器v常用的譯碼器有：四中選一、八中選一、常用的譯碼器有：四中選一、八中選一、十六中選一。十六中選一。 74LS138 （3：8） 74LS155 （雙（雙2：4） v使用時注意控制端子的電平高低及其邏使用時注意控制端子的電平高低及其邏輯關系輯關系74LSl3874LSl38擴展地址譯碼器擴展地址譯碼器 例：采用例：采用74LSl38作地址譯碼器設計的微機主機板接口子系作地址譯碼器設計的微機主機板接口子系統地址譯碼電路。統地址譯碼電路。 /Y0 /Y1 /Y2 /Y3 /Y4 /Y5 /Y67輸出v