微型计算机控制技术 教学课件 ppt 作者 赖寿宏 华中理工大学 主编 微型计算机控制技术2

第一节 概述,第三节 I/O接口设计,第二节 I/O控制方式,第四节 I/O通,第五节 D/A转换器,第六节 A/D转换器,第七节 I/O通道的抗干扰措施,第二章 输入输出接口技术和输入输出通道,第一节 概述,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。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,I/O接口电路为完成时序配合和通信联络功能，通常都没有数据锁存器、 缓冲器、状态寄存器以及中断控制电路等。,3.解决CUP的负载能力和外围设备端口选这问题,2.解决CUP和外围设备之间的数据格式装换和匹配问题,（二）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。,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，由它将从被控制对象采集的参量变换成计算机所要求的数 字量的形式，送入计算机。,I/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。,二、I/O信号的种类,在微机控制系统或微机系统中，主机和外围设备交换的信息通常分为 数据信息、状态信息和控制信息三类。,（二）状态信息,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。它作为两者交换信息的联络信号。,（三）控制信息 控制信息是CPU通过接口传送给外围设备的。,三、计算机和外部通信方式,计算机和外部交换信息又称为通信。按数据传送方式分为并行通信和串 行通信两种基本方式。,（一）并行通信,（一）数据信息 数据信息又可分为数字量、模拟量、开关量和脉冲量。,并行通信就是把传送数据的n位数用n条传输线同时传送。,1.全双工方式,CUP通过串行接口和外围设备相接。串行接口和外围设备间除公共地线 外，有二根数据传输线，串行接口可以同时输入和输出数据，计算机可同时 发送和接收数据，这种串行传送方式就成为全双工方式，信息传输效率较高。,2.半双工方式,CUP也通过串行接口和外围设备相接。但是串行接口和外围设备间除公 共地线外，只有一根数据传输线，某一时刻数据只能一个方向传送，这称半 双工方式，信息传输效率低些。,串行通信是数据按位进行传送的。,（二）串行通信,其优点是传送 速度快、信息率高。,3.同步通信,采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，通常称为信息帧。,4.异步通信,标准的异步通信格式如图,第二节 I/O控制方式,一、程序控制方式,程序控制I/O方式。是指CPU和外围设备之间的信息传送，是在程序控制 下进行的。,（一）无条件I/O方式,所谓为条件I/O方式是指不必查询外围设备的状态即可进行信息传送的 I/O方式。即在此种方式下，外围设备总是处于就绪状态。,无条件传送方式的工作原理如图,（二）查询式I/O方式,查询式I/O方式，也称为条件传送方式。按查询式传送，CUP和外围设 备的I/O接口除需设置数据端口外，还要有状态端口。查询式I/O接口电路 原理,（三）查询式I/O方式应用举例,（四）查询式I/O方式的优缺点及使用条件,从理论上看，查询式比无条件传送方式可靠，接口电路简单，不占用中 断输入线，同时查询程序也简单，易于设计调试。特别适用于多个按一定规律顺序工作的生产机械或生产过程的控制。,I/O方式的选择必须符合实时监控的要求。对于查询I/O式，满足实时 控制要求的使用条件是:”所有外围设备的服务时间的总和必须小于查询式,I/O方式的选择必须符合实时控制的要求。对于查询式I/O方式，满足 实时控制要求的使用条件是：“所有外围设备的服务时间的总和必须小于或 等于任一外围设备的最短响应时间”。,二、中断控制I/O方式,在8086系统中，有两类中断，即外部中断和内部中断，对I/O处理一般 都采用外部中断。所谓外部中断，就是通过I/O接口硬件向CPU发出中断求 救信号，从而引起一个中断处理过程。,中断处理特别是多重中断处理必须要解决四个问题。,第一，保存现场和恢复现场。,第二，正确判断中断源。,第三，实时响应,第四，按优先权顺序处理,（二）中断优先级问题的解决,通常在微型计算机系统及微型计算机控制系统中对于中断优先级采用 三种办法来解决。,（一）中断控制I/O时应解决的问题,使用软件查询方式时要借助于简单的硬件接口电路。如下图,2.雏菊链法,雏菊链法是得到中断优先级的一个简单硬件方法。其作法是在每个外围 设备对应的接口上连接一个逻辑电路，这些逻辑电路，电路构成一个链， 称为雏菊链，由雏菊链来控制中断回答信号的通路。,1.软件查询方式,下图是雏菊链的线路图,3.专用硬件方式,在微机系统或微机控制系统中更多的是采用专用硬件芯片中断控制 器来进行中断优先级管理的。,（三）实时响应的条件,三、直接储存器存取方式DMA方式,DMA I/O方式是不经CPU，而在外设和储存器之间直接高速交换数据。 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。,为了实现数据的高速传送，DMAC要同时占据数据总线、地址总线和控 制总线。,通常数据传送的过程：当外围设备准备就绪，要进行DMA操作时，向 DMAC发出DMA请求，DMAC收到请求后，再向CPU发总线信号，若CPU 接受DMAC的总线请求，则发出DMA响应信号，同时将总线释放，交由DM AC控制下，在内存和外围设备之间自动完成数据传送，DMA过程结束，DM A向CPU发出结束信号，将总线控制权交给CPU。,在8086系统中，通常采用的是Intel系列高性能可编程DMA控制器823 7A。它允许DMA传输速度高达1.6M字节/s。,在8086系统中，CPU通过HOLD引脚接听DMAC的总线请求，而在 HLDA引脚上向DMAC发出对总线请求的允许信号，HOLD和HLDA都是高 电平有效。,第三节 I/O接口设计,I/O接口设计的任务是根据生产过程和生产机械控制或管理的要求及外围 设备的特性，选定各被控设备的I/O控制方式，设计出合适的I/O接口硬件电 路和相应的接口控制程序，使CPU和被控制设备之间能适时、可靠的交换信 息。,一、I/O接口的编址方式,I/O接口的编址方式，通常有两种编址方式，一种是I/O接口与储存器统 一编址，另一种是I/O接口独立编址。,(一）I/O接口独立编址方式,这种编址方式是将存储器地址空间和II/O接口地址空间分开设置，互不 影响。设有专门的输入指令(IN)和输出指令(OUT)来完成I/O操作。,8086微处理器的I/O接口也是属于独立编址方式的。,8086输入输出指令可以分为两大类：一类是直接的输入输出指令，(如 IN AL，55H；OUT 70H，AX)，另一类是间接的输入输出指令(如IN AX， DX；OUT DX，AL),(二)I/O接口与存储器统一编址方式。,I/O接口的编址方式是由所选定的微处理器决定了的，接口设计时应按 所选定的处理器所规定的编址方式来设计I/O接口地址译码器。,二、I/O接口与系统的连接,I/O接口是CPU和外围设备之间的连接界面。典型的IO接口和外部的 连接如下图,三、I/O接口,(一)地址译码器的扩展,扩展I/O接口必然要解决I/O接口的端口(寄存器)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，而且还能对芯片 内的I/O端口(寄存器)寻址。,(二)负载能力的扩展,系统总线的负载能力较强。但是其负载能力还是有限的，不能无限制的 增加，特别是当设计者自己设计微机控制系统时，更有必要考虑CPU各总线 的负载能力。,四、I/O接口设计的方法、步骤及设计举例,接口设计的任务包括确定各外围设备的控制方式，接口硬件电路设计和 接口控制软件设计，如果一个微机控制系统比较小，I/O接口少，I/O接口设计可能比较简单。如果系统较大，所带常规外围设备和被控设备较多时， I/O接口的设计就可能比较复杂谬于这类系统可按下述步骤进行设计。,首先，了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， 如要求什乎联络信号、I/O数据格式、I/O线数量、最短响应时间和服务时间 估算、确定I/O控制方式。,其次，考虑硬件和软件的功能分配，综合考虑速度、成本、特性、设计 难易程度等因素，合理印分配硬件和软件完成功能,第三，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。,第四，I/O接口硬件电路的扩展设计，包括扩展方案选择、地址译码器 扩展和负载能力扩展等。,第五，I/O接口控制软件设计。最后，进行接口硬件和软件联调，如发现 问题，再返回前面各步重新调整、修改，直到所设计的接口硬件和软件能满 足快速、可靠、方便的实现CPU和备外围设备之间的信息交换要求为止。,(二)I/O接口设计举例一,(三)I/O接口设计举例二,五、GAL在接口电路中的应用,通用阵列逻辑器件(Generic Array Logic，缩写GAL)是可编程逻辑器件 (ProgrammableLogic Device缩写PLD)之一种，除GAL外，PLD器件还包括 PROM、FPLA(现场可编程逻辑阵列)、PAL(可编程阵列逻辑电路)、EPLD (能擦写编程逻辑器件)。,（一)GAL的主要性能和优点。,1)采用电擦除工艺、门阵列可重编程，改写GAL方便、快速，使用GAL 器件进行逻辑电路设计，使系统设计灵活、方便，按逻辑代数式设计电路和 修改电路都方便，可使电路结构做到更加合理、紧凑、可靠性高。,2)采用高性能的E。CMOS工艺，具有高速(1240ns)和低功耗(和CMOS 电路相当)性能，可减轻电源负荷，降低温升，提高可靠性。,3)具有加密单元，可防止他人未经许可而抄袭电路设计，从而提高整个 系统的保密性。,4)系统体积缩小，可靠性提高。据统计，一个GAL器件在功能上可替代 412个中小规模集成器件，从而可使系统体积缩小，简化印刷电路板设计， 提高系统可靠性。,5)可写入电子标签，便于文档管理和复制电路。,6)大量使用GAL可降低系统制造和维护管理成本。,(二)GAL16V8的基本结构和简单工作原理,三态多路开关控制输出缓冲器的三态信号。,极性控制多路开关是控制来自与门的开关，用于控制第一乘积项的作用。,由SYN 、AC0、AC1和XOR的状态，可组合成下表所示的五种工作模式。,专用输入模式：输出三态门控制端接地，三态门封锁，无输出。,专用组合输出模式：输出三态门控制端接Vcc，三态门打开，输出异或 门的组合逻辑信号，CK和OE只为普通输入端，反馈信号为地点评。,组合输出模式：输出三态门受来自与阵结果的控制，输出异或门的组合 逻辑信号，输出信号反馈到与阵作为输入，CK和OE端只作为普通输入端， 也称为具有三态控制的专用组合逻辑输出模式。,时序组合混合输出模式：电路状态与组合输出模式相同，但因SYN=0， AC0=1,其他OLMC的AC1可为0，如为0则其他OLMC为时序逻辑输出模式， 故这是一种组合与时序逻辑混合输出模式。,(三)GAL开发工具和开发软件,下面简要介绍使用FM开发软件和ALL-03编辑器设计、开发GAL的方法、 步骤。,（四）GAL应用举例。,使用GAL构成地址译码器至少有三个优点：一是可简化译码电路，使用 一片GAL往往可以取代多片74系列芯片(如74LSl38等)；二是可以保密，通 过加密位编程，可以防止他人未经允许解密，复制地址译码电路；三是必要 时通过改写GAL可随时更改内部地址空间分配，而无须更改软件。,第四节I/O通,在计算机控制系统中，I/O通道是连接计算机和工业对象(生产过程或生产