IO通道基本知识

第2章输入输出过程通道河南机电高等专科学校HenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege第2章输入输出过程通道第2章输入输出过程通道河南机电高等专科学校HenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege本章主要内容1.简介2.过程I/O通道的设计问题3.模拟量输入通道（AI）4.模拟量输出通道（AO）5.数字量输入输出通道（DI、DO）第2章输入输出过程通道河南机电高等专科学校HenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege几个常见概念：1.模拟信号的常用规格：1~5v电压信号：易受干扰，常用于仪表中4~20mA电流信号：抗干扰性好，常用于信号传输2.阻抗匹配：信号源输出最大功率的条件：输出阻抗=输入阻抗，即阻抗匹配高阻抗匹配：电压信号低阻抗匹配：电流信号3.理想的压流源的特点：理想电压源：内阻为0理想电流源：内阻无穷大2.1I/O通道简介第2章输入输出过程通道河南机电高等专科学校HenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege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。它在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带作用。为什么要设置接口电路？其必要性可归纳成如下几点。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3.解决CUP的负载能力和外围设备端口选择问题2.解决CUP和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题第2章输入输出过程通道河南机电高等专科学校HenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege二、过程通道接口设计应考虑的问题接口电路起着连接过程通道与CPU的桥梁作用，它的基本任务有：1．控制信息的传递路径：即根据控制的任务在众多的信息源中进行选择，以确定该信息传送的路径和目的地。2．控制信息传送的顺序：计算机控制的过程就是执行程序的过程，为确保进程正确无误，接口电路应根据控制程序的要求，适时地发出一组有序的门控信号。第2章输入输出过程通道河南机电高等专科学校HenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege1．触发方式：有序的门控信号的主要作用就是严格遵循系统工作时序要求，适时对系统中某个或某些特定部件发出开启或关闭(触发)信号，这必然涉及到同步触发和异步触发的方式。2．时序：控制逻辑的结构有组合控制逻辑与存储控制逻辑两种类型，不管哪种类型都要严格遵守规定的操作步骤，每一个操作步骤又都是在一组有序的控制信号驱动下实现的。3.负载能力：一旦控制逻辑确定后，系统能否可靠运行与器件的选择关系密切，器件的选择除了要考虑电平的摆幅、数值、延时外，还应考虑器件所带负载是否匹配。在过程通道接口电路设计中应解决以下问题：第2章输入输出过程通道河南机电高等专科学校HenanMechanicalandElectricalEngineeringCollegeI/O接口和I/O通道都是为实现主机和外围设备之间信息交换而设的器件，其功能都是保证主机和外围设备之间能方便、可靠、高效率的交换信息。因此，接口和通道紧密相连，在电路上往往结合在一起。在计算机控制系统中，需要及时对被控对象的各种参数进行检测，并将其转换成计算机可以接收的数据形式送入计算机进行处理；处理后的结果还需变换成合适的控制信号输出至被控对象。因此，在计算机和被控对象(或生产过程)之间，必须设置进行信息传递和转换的连接通道，即过程通道。根据过程信息的性质及传递方向它包括模拟量输入通道（AI）、模拟量输出通道（AO）、数字量（开关量）输入通道（DI）、数字量（开关量）输出通道（DO）。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。为使计算机和被控制对象之间能够连同起来，除了需要I/O接口电路外，还需要I/O通道。三、I/O通道第2章输入输出过程通道河南机电高等专科学校HenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege1．主机和外围设备交换的信息通常包括三种：（1）数据信息：反映生产现场的参数及状态的信息，它包括数字量、开关量和模拟量。（2）状态信息：是外围设备通过接口向CPU提供的反映外围设备所处的工作状态的信息。又叫做应答信息、握手信息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号等。（3）控制信息：用来控制过程通道的启动和停止等信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动等。四、过程I/O通道的设计问题第2章输入输出过程通道河南机电高等专科学校HenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege2.过程通道的编址方式由于计算机控制系统一般都有多个过程输入输出通道，因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。过程通道编址方式有两种：（1）过程通道与存储器统一编址方式这种编址方式又称存储器映像方式，它从存贮器空间划出一部分地址空间给过程通道，把过程通道的端口当作存贮单元一样进行访问，对I／O端口进行输入输出操作跟对存储单元进行读写操作方式相同，只是地址不同。（2）过程通道与存储器独立编址方式这种编址方式将过程通道的端口地址单独编址，有自己独立的过程通道地址空间，而不占用存储器地址空间。第2章输入输出过程通道河南机电高等专科学校HenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege编址方式的比较统一编址的最大优点是无需专门的I/O指令，从而简化了指令系统的设计，并能省去相应的I/O操作的对外引线。而且CPU可直接对I/O数据进行算术和逻辑运算，指令丰富。统一编址的不足之处在于I/O端口地址占用了一部分存储器空间；另外访问内存的指令长度一般比专用的I/O指令长，因而取指周期较长，又多占了指令字节。第2章输入输出过程通道河南机电高等专科学校HenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege3.CPU对过程通道的控制方式计算机的外围设备及过程通道种类繁多，它们的传送速率又很不相同。因此输入输出产生复杂的定时问题，也就是CPU采用什么控制方式向过程通道输入和输出数据。常用的控制方式有三种：程序查询方式、中断控制方式和直接存储器存取(DMA)方式。第2章输入输出过程通道河南机电高等专科学校HenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege（1）程序查询方式CPU向过程通道发启动命令过程通道准备就绪？过程通道服务程序继续原来程序的运行是第2章输入输出过程通道河南机电高等专科学校HenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege采用中断控制方式时，CPU与I／O通道处于并行工作方式。当CPU与I／O通道需要传送数据时，过程通道作好准备后，主动向CPU请求中断，CPU响应这一请求，并暂停正在运行的程序。一般用优先级来解决中断响应的先后顺序问题。（2）中断控制方式第2章输入输出过程通道河南机电高等专科学校HenanMechanicalandElectricalEngineeringCollegeDMA方式是一种完全由硬件完成输入输出操作的工作方式。在这种方式下，I／O通道和存储器之间不通过CPU而直接进行数据交换。为了实现这种交换，需增加一种硬件设备DMAC，把通常要执行一段程序来完成的数据传送过程由DMAC自动地以硬件的速度完成之，大大的提高了数据传送速度。（3）直接存储器存取(DMA)方式第2章输入输出过程通道河南机电高等专科学校HenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege所谓“可编程接口”是指其功能可由程序指令（接口芯片功能设定的初始化程序）设定接口芯片的功能。故接口的设计与应用除了合理选择Ｉ/Ｏ接口芯片进行硬件设计外，还应包括对接口芯片的功能初始化程序和接口程序的分析与设计。DMA响应发送存储器地址传递数据地址增1传递完毕?NYDMA请求DMA结束第2章输入输出过程通道河南机电高等专科学校HenanMechanicalandElectricalEngineeringCollegeCPU对过程通道的控制方式比较程序查询方式的主要优点是能保证主机与输入输出通道之间协调工作。主要缺点是重复查询输入输出通道是否“准备就绪”，从而浪费了CPU的时间。DMA方式的主要优点是速度快，数据传送速度只受存储器存取时间的限制，其缺点是需要一个专用的芯片——ＤＭＡ控制器来加以控制、管理，硬件连接也稍微复杂一些。过程通道需要传送数据时就向CPU发出中断请求信号，实时性比程序查询方式好。但由于为了能接受中断请求信号，CPU内部需要有一些线路来控制。另外采用中断控制方式时，每传送一次数据就要中断一次CPU原来的运行，CPU响应中断后，每次都要执行“中断处理程序”，而且在其中都要保护断点、恢复断点，浪费了很多不必要的CPU时间。第2章输入输出过程通道河南机电高等专科学校HenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege信息种类输入信息来源或输出信息的用途模拟量输入数字量输入脉冲计数器模拟量输出数字量输出温度、压力、物位、转速、成分等接点的通断状态、电平高低状态、数字装置的输出数码等流量积算、电功率计算、转速及脉冲形式的输入信号等控制执行装置、显示、记录等对执行器进行控制、报警显示等表1生产过程输入输出信息来源与用途