第2章 输入输出接口技术和输入输出通道

第2章输入/输出接口和过程通道2.1输入/输出接口输入输出接口技术——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”2.2.1接口技术1、接口、通道及其功能1)I／O接口电路I／O接口电路：是主机和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。2.1.2I／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。2.1.3输人／输出的控制方式1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3DMA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。2.1.4I/O接口设计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3I／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,AL(3)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、FFFEH2.2过程通道的一般结构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：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。模拟量输入通道的任务：完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机。f(t)Kf*(t)T2.3信号的采样与量化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：iffq2minmax组成：数据放大器、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。★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。★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。2.4模拟量输入通道的信号调理电路2.5.1多路模拟开关作用：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。2.4模拟开关及采样保持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：2.5.2采样保持器采样保持电路：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。2.6A／D转换器及接口技术常用的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转换器功能——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。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UiUO，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vq0625.0161214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。2.6.2如何选择A／D转换器件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A／D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℃，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A／D转换器，满量程为10V。►绝对精度为1/2×10/210=±4.88mV，►相对精度为l／210×100％≈0.1％。2.6.3常用A／D转换器1.8位A／D转换器ADC809主要特点：分辨率8位；转换时间100s；温度范围-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。OE2)工作原理OE3)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A／D的输入模拟电压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。ADC0804ADC0808/0809单端、单极性输入：VREF(+)=5v,VREF(-)=0v双极性输入：VREF(+)和VREF(-)接+、-极性参考电源►数据输出的方式A／D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PA7┇PA0/STBAPB0PC68255DB7┇AINACDCDB0/DRAD570B//C8086CPUD7│D0►程序查询方式开始置A口为输入方式B口为输出方式送启动脉冲读入PB0线使A/D复位读入数据暂停转换结束吗？YNADC：MOVDX，0383HMOVAL，0B2HOUTDX，ALMOVAL，40H