第二章 输入输出接口技术和输入输出通道(授课)3.ppt

1、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”。,第二章 输入输出接口技术和输入输出通道,一、接口、通道及其功能 （一)IO接口电路 主机和外围设备之间交换信息的连接部件。 主机和外设能够协调工作，有效地完成信息交换。,解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题； CPU是典型的高速处理器件，而一些外设（打印机、温控系统等）是慢速设备。 解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题； CPU是按并行处理设计的高速处理器件，只能读入和输出并行数据。实际发送和接受的数据不仅是并行

2、数据，还有很多情况是串行数据。 解决CPU的负载能力和外围设备端口的选择问题。 一是CPU总线的负载能力，二是外围设备端口的选择。,（一）接口电路的功能,联络功能：接口电路应提供外设的状态 寻址功能：能进行I/O端口地址译码。 数据转换功能： 能进行数据格式的转换，如正负逻辑转 换、串并行间的转换等。,中断管理功能： 如建立中断请求、进行中断排队、提供中断识别码等。 提供有关电器特性的适配。 提供时序控制。 数据缓冲功能： 用于解决高速主机与低速外设处理数据速度差异的矛盾。,（二）IO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。,信号的输入通路。 信号的输出通路。,输入

3、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。,I/O端口的分类（寄存器） 端口可分三类： 数据端口：存放数据信。 状态端口：存放状态信息。 控制端口：存放控制信息。,二、IO信号的种类,通常有三类信息：,数据信息,数字量 模拟量 开关量 脉冲量,状态信息,控制信息,三、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,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。,同步通信：,在一组字符前后

4、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,外部设备与微机之间的信息传送实际上是CPU与接口之间的信息传送。 传送的方式不同，CPU对外设的控制方式也不同，从而使接口电路的结构及功能也不同。 要设计接口电路，就要了解和熟悉CPU与外设之间传送信息的方式。,2.2 输人输出的控制方式,传送方式一般有四种 无条件方式 查询方式 中断方式 DMA方式,2.2 输人输出的控制方式,2.2 1程

5、序控制方式 无条件传送方式 CPU已认定外设做好输入或输出准备； 不必查询外设的状态而直接与外设进行数据传送。 硬件电路和程序设计简单; 常常用在对外设要求不高的系统; 如交通灯管理、路灯管理开关、七段显示器和广告牌显示等系统中。,无条件传送方式 传送特点： CPU无需查询状态，直接用IN和OUT指令完成与接口之间的数据传送。 使用条件： 传送不能太频繁，以保证每次传送时外设处于就绪状态。,主机在传送数据（包括读入和写出）之前，要检查外设是否“准备好” ? 若没有准备好，则继续查询其状态，直至外设准备好为止，才能进行数据传送。 CPU每传送一个数据，需花费很多时间来等待外设进行数据传送的准备，

6、且CPU与外设不能同时工作，各种外设也不能同时工作，信息传送的效率非常低。 这种方式传送数据比无条件传送数据的可靠性高，接口电路较简单，硬件开销小，在CPU不太忙且传送速度要求不高的情况下采用。,2. 查询传送方式（条件传送方式）,查询方式传送信息过程由三个环节组成： CPU从I/O端口读取状态字； CPU检测状态字，判断是否满足“准备就绪”条件，若不满足，则再读状态字； 若满足“就绪”，则传送数据。,2. 查询传送方式（条件传送方式）,查询式输入的接口电路,当数据准备好后，输入设备发送选通信号，作用是： 把输入数据存入输入数据锁存器； 使状态标志触发器置1，使三态缓冲器的READY位置1，

7、CPU读状态口，查询到READY位为1（即准备就绪）， CPU读数据口，取走数据，并使标志触发器复位，为输入下一个数据作准备。,输入过程:,查询式输入的流程图与程序:,SCAN: IN AL , 状态口地址 TEST AL，80H JZ SCAN IN AL , 数据口地址,CPU读取状态字，查询到BUSY为0，CPU执行输出指令，发出选通信号： 把数据送入输出锁存器，D 触发器置1。 同时D 触发器输出： 告知输出设备来提取数据， 使状态触发器置1，即BUSY为1，表示为忙状态，也告之CPU不能输出新的数据。 输出设备取得数据后，发确认信号(ACK)，使状态触发器置0，表示输出设备空闲。 输

8、出设备空闲时，将状态标志触发器置0，即BUSY位为0，表示为空闲状态。,输出过程:,查询式输出接口电路,查询式输出的流程图,查询式输出的程序段：,SCAN: IN AL , 状态口地址 ；读状态信息 TEST AL, 01H ；检测BUSY标志 JNZ SCAN ；忙，继续查状态 MOV AL , 数据 OUT 数据口地址，AL ；空，输出数据,2.2 2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： 通过IO接口硬件向CPU发出中断请求信号; 引起一个中断处理过程。,2.2 2中断控制I/O方式,1. 中断控制I/O时应解决的问题,多重中断处理时必须解决四个问题： 保存现

9、场; 正确判断中断源; 实时响应; 按优先权顺序处理; 恢复现场。,去数据总线 DB,(中断响应信号),A0-A7,中断传输方式的接口电路,传送过程,当输入设备输入一个数据时，发送通信号；并把数据存入锁存器；将D触发器置1，发出中断请求； CPU响应中断后，发回中断响应信号(INTA); 转而执行中断服务程序，输入数据； 中断处理完毕，CPU返回中断服务程序继续执行。,中断控制方式的优缺点,传送的适时性强，CPU效率高； CPU内部必须要增加中断控制线路； CPU的中断响应过程要花时间。 该传送方式适用于传送少量数据的中慢速外设的场合,2. 中断优先级问题的解决,软件查询方式 雏菊链法 专用硬

10、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125M字节/s。,DMA方式： CPU不介入传送控制，而用专门的硬件（DMA控制器）直接控制数据的传送。 DMA方式的优缺点 优点：传送速度快。 缺点：要有专门的硬件电路，且电路复杂。,2.3 I/O 接口设计,2.3.1 IO 接口的编址方式,IO 接口与存储器独立编址方式 IO 接口与存储器统一编址方式,1. I0接口与存储器独立编址方式,独立编址方式的优点： 执行IO指令时间短，译码电

11、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IO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。,2I0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 IO 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。,IO 接口与存储器统一编址方式,统一编址方式的优点： 数据处理能力强； 输入输出部分和存储器部分共用译码和控制电路； CPU不需区分访问内存或输入输出操作信号； 减少相应引脚。 IO 端口数目不受限制。 统一编址方式的缺点： IO 操作需全字长地址译码，指令执行时间长； 程序中较难区分 IO 操作； IO

12、 端口占用存储空间地址。,2.3.2 IO接口与系统的连接,接口芯片和CPU之间必须连接的信号有下列4类：,数据信号D0D7 片选信号和地址线 读写控制信号 时钟、复位、中断控制、联络信号,图213 典型I/O接口和外部电路,图215 通过IO接口芯片与CPU和外围设备的连接,8255A 并行接口芯片,图316 通过IO接口芯片与CPU和外围设备的连接,8251 串行接口芯片,2.3.3 IO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： 2:4（四中选一） 3:8 （八中选一） 4:16 （十六中选一）,74LSl38扩展地址译码器,表22 74LSl38译码器

13、功能图 （P32）,图219 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 8288 总线控制器产生控制信号，不用CPU来单独完成这个功能,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 Intel 8286,2)应用接口芯片 常用： 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（双向总线驱动器）：三态输出八总线收发器 P37,2.4 IO 通道,图234 IO 通道的组成,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,IO 通道分为：,2.4.1

14、模拟量输入通道（过程通道）,主要组成： 信号处理装置、采样单元、采样保持器、数据放大器、AD转换器控制电路。,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 标度变换器 滤波电路 线性化处理 电参量间的转换电路。 标度变换器： 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 滤掉或消除干扰信号，保留或增强有用信号。 线性化处理 若电信号转换后与被测参量呈现非线性，对信号进行线性化处理，使其接近线性化。 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 把各路模拟量分时接到AD转换器进行转换，实现CPU对各路模拟量分时采样。 3、矩阵及

15、逻辑控制电路。 开关矩阵： 模拟开关组合; 逻辑控制电路 ：在软件或通道控制电路控制下，以一定速度和按一定顺序输入被测模拟信号。,模拟开光 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：315V 输入电压：UIN0VDD， 模拟信号峰峰值：15V,图236 CD405l 逻辑电平转换、二进制译码器及8个开关电路,图237 CD405l 引脚图,模拟开光 CD405l,模拟开光 CD405l,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（不变）。,两个工作状态： 采样

16、状态 保持状态,采样保持集成芯片LFl98,主要特性： 供电电源：5V18V； 信号获取时间：10ns； 可以和TTL、PMOS、CMOS逻辑输入兼容； 典型保持电容：1000pF、0.01F。,图240 采样保持集成芯片 LF l98 原理图,图241 采样保持集成芯片LFl98 典型应用,4、数据放大器 传感器的信号从毫伏电平按比例放大到典型的 AD 转换器输入电平。 5、AD转换器 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。,1采样过程,采样过程：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。,图442 采样过程,香农（Shannon）定理： 如果随时间

17、变化的模拟信号的最高频率为max，只要按照采样频率S2max 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。,2量化过程,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。 （两位二进制数说明量化的结果）,量化单位为：,量化过程及结果,2.4.3 模拟量输出通道,1、一个输出通路设置一个DA转换器的结构形式,2、多个输出通路共用一个DA转换器的结构形式,2.4.3 模拟量输出通道,功能： 计算机的运算结果转换成模拟量，输

18、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： DA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。,2.4.3 模拟量输出通道,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。,3、模拟量输入输出通道工作过程分析,图246 具有多个模拟输入、输出通道的结构示意图,主机,2.4.4 数字量输入通道,数字输入信号分三类： 编码数字（二进制数或十进制数） 开关量 脉冲列,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

19、器。,图248 开关量输入电路,a）电平转换及滤波电路,b）继电器隔离及电平转换电路,c）光电隔离及电平转换电路,2.4.5 数字量输出通道, 编码数字 二进制数或十进制数。, 开关量 “1”、“0”的形式。, 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。,图249 开关量输出电路,a）TTL电平输出（PC900 高速光电隔离电路）,b）晶体管开关输出,c）继电器输出,2.5 DA 转换器,并行 D/A 转换器： 电流相加型 电压相加型,并行 D/A 转换器类型： 二进制数 二 十 进制数,作用：把数字量转换成模拟量。 工作方式：并行和串行两种。,图250 T 型电阻网络的DA转换器

20、（电流相加型）,2.5.1 并行DA转换器的工作原理 DA转换器由电阻网络和运算放大器组成。,图250 T 型电阻网络的DA转换器（电流相加型）,D1 = 1，D2 D3 = 0,输入信号为001,输入信号为010,D1 = 0，D21，D3 D4 = 0,反相端作输入电压：,输入信号为001,输入信号为010,2-115,流经负载电阻的电流表达式为：,2.5.2 串行DA转换器的工作原理,采用步进电动机的DA转换器,图253 串行D/A转换器原理框图,2.5.3 DA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DA转换器其分辨率为：,例

21、如：对于满刻度值5.12V，单极性输出， 8位DA转换器的分辨率为：5.12V/2820mV l0位DA转换器的分辨率为：5.12V/210=5.12V/10245mV 12位DA转换器的分辨率为：5.12V/212=5.12V/40961.25mV,2.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。,5工作温度范围 较好的DA转换器工作温度范围为一4085，较差的为070。,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0.010.8。,4线性误差,线性误差,2

22、.5.4 D/A转换器芯片及其接口电路,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： 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分为单端输出和差动输出两种。 D/A 转换器所需参考电压由芯

23、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1s； 基准电压 UREF ； 工作电压范围：1010V； 电流输出与TTL电平兼容； 功耗20mW。,2.6 AD转换器,常用的AD转换器有：,计数器式 双积分式 逐次逼近式,组成：计数器、DA转换器及比较器。,2.6.1 AD转换器原理 1. 计数器式AD转换器,特点：结构简单，价格便宜，但转换速度比较慢。,组成：,逐次逼近寄存器SAR DA转换器 比较器 时序（时钟） 置数选择

24、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AD转换器,设：数码寄存器为4位， 满刻度值 5 V ，Vi = 3.5 V， 用逐次逼近式 A/D 转换器转换成二进制数。,3.4375V (1011),量化单位,满刻度值 5V Vi = 3.5 V,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。,图256 双积分式A/D转换器工作原理,图256 双积分式A/D转换器工作原理,2.6.2 AD转换器的主要技

25、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。,2量程 量程是指所能转换的电压范围。,l分辨率,4转换时间 转换时间是指启动AD到转换结束所需的时间。 5工作温度范围 较好的转换器件工作温度为 -40 85，相差的只有 0 70。,3转换精度 绝对精度常用数字量的位数表示。 相对精度用相对于满量程的百分比表示。 如 10 位AD转换器，满量程为10V。 绝对精度为1/210/210=4.88mV， 相对精度为l2101000.1 。,2.6.3 常用AD转换器,8位AD转换器ADC809 分辨率 8 位； 转换时间100s； 温度范围

26、-40 +85 ； 可使用单一的 +5V电源； 可直接与CPU连接； 输出带锁存器； 逻辑电平与TTL兼容。,1 电路组成及引脚功能 ADC0809有28条引脚。,2) 工作原理,3) A/D转换器接口 A/D转换器的接口设计 输入模拟电压的连接,单端输入 双端差动输入,正向信号：把VIN(-)接地，信号加到VIN(+)端； 负向信号：把VIN(+)接地，信号加到VIN(-)端。,单端输入,差动输入: 模拟信号加在VIN(-)端和VIN(+)端之间。,AD的输入模拟电压（ADC0804）,ADC0808/0809,单端、单极性输入：VREF(+)= 5v, VREF(-)= 0v 双极性输入：

27、 VREF(+) 和 VREF(-) 接+、- 极性参考电源, 数据输出的方式,AD转换器数据输出方式,具有可控的三态输出门 不带三态输出门，或虽有三态输出门，但它不受外部信号控制。, 片选、启动、读写信号的设置 启动转换信号由CPU发出，有电平启动和脉冲启动两种方式。 片选、读写信号一般由3-8译码器的通道号以及微处理器的/IOR、/IOW经过适当的逻辑电路来连接。, 转换结束信号及转换数据的读取,CPU读取转换数据,程序查询方式 中断方式 延迟程序方式, 连接方式 直接连接, 用8255连接, 程序查询方式,ADC： MOVDX，0383H MOV AL，0B2H OUT DX，AL MO

28、VAL，40H MOVDX，0382H OUTDX，AL XOR AL，AL OUT DX，AL ADC1： MOV DX，0381H IN AL，DX TEST AL，01H JNZ ADC1 ADC2： IN AL，DX TEST AL，01H JZ ADC2 MOV DX，0382H MOV AL，40H OUT DX，AL MOV DX，0380H IN AL，DX MOV DATA，AL HLT, 中断方式读取数据,主程序和中断服务程序流程图,START：CLI MOVAX，0 MOVES，AX MOVDI，0BH*4 MOVAX,OFFSET INTR CLDSTOSW MOVAX,CS STOSW MOVAL,34H OUT21H,AL MOVDX,0383H MOVAL,OBOH OUTDX,AL MOVAL,09H OUTDX,AL STI MOVDX,0