什么是I/O接口，單片機(jī)常用接口芯片介紹

【單板機(jī)與單片機(jī)】

單板機(jī)：將CPU芯片、存儲(chǔ)器芯片、I/O接口芯片和簡(jiǎn)單的I/O設(shè)備（小鍵盤、LED顯示器）等裝配在一起印刷電路板上，再配上監(jiān)控程序（固化在ROM中），就構(gòu)成了一臺(tái)單板微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單板機(jī)。

單板機(jī)的I/O設(shè)備簡(jiǎn)單，軟件資源少，使用不方便。早期主要用于微型計(jì)算機(jī)原理的教學(xué)及簡(jiǎn)單的測(cè)控系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。

單片機(jī)：在一片集成電路芯片上集成微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路，從而構(gòu)成了單芯片微型計(jì)算機(jī)，即單片機(jī)。

【什么是I/O接口】

連接CPU與外設(shè)之間的邏輯電路稱I/O接口電路，簡(jiǎn)稱接口。

單片機(jī)IO端口只能接收和發(fā)送編輯電平數(shù)字信號(hào)，而IO外設(shè)輸入輸出的信號(hào)種類、信號(hào)電平各異。

【接口電路的主要功能】

1.數(shù)據(jù)鎖存能夠

數(shù)據(jù)輸出都是通過(guò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線進(jìn)行的，但是由于CPU的工作速度快，數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)總線上保留的時(shí)間十分短暫，無(wú)法滿足慢速輸出設(shè)備的需要。為此在接口電路中需設(shè)置數(shù)據(jù)鎖存器，以保存輸出數(shù)據(jù)直至為輸出設(shè)備所接收。數(shù)據(jù)所存就稱為接口電路的一項(xiàng)重要功能。

2.三態(tài)緩沖功能

數(shù)據(jù)輸入時(shí)，輸入設(shè)備向CPU傳送的數(shù)據(jù)也要通過(guò)數(shù)據(jù)總線，但數(shù)據(jù)總線是系統(tǒng)的公用數(shù)據(jù)通道，上面可能“掛”著許多數(shù)據(jù)源，工作十分繁忙。為了維護(hù)數(shù)據(jù)總線上數(shù)據(jù)傳送的“秩序”，因此只允許當(dāng)前時(shí)刻正在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的數(shù)據(jù)源占用數(shù)據(jù)總線，其余數(shù)據(jù)源都必須與數(shù)據(jù)總線處于隔離狀態(tài)，為此要求接口路由能為數(shù)據(jù)輸入提供三態(tài)緩沖功能。

3.速度匹配功能

由于速度上的差異，使得數(shù)據(jù)的I/O傳送難以異步方式進(jìn)行，即只能在確認(rèn)外設(shè)已為數(shù)據(jù)傳送做好準(zhǔn)備的前提下才能進(jìn)行I/O操作。而要知道外設(shè)是否準(zhǔn)備好，就需要通過(guò)接口或產(chǎn)生或傳送外設(shè)的狀態(tài)信息，以此進(jìn)行CPU與外設(shè)之間的速度協(xié)調(diào)。

4.數(shù)據(jù)變換功能

CPU只能輸入和輸出并行的電壓數(shù)字信號(hào)，但是有些外部設(shè)備所提供或所需要的并不是這種信號(hào)形式。為此需要使用接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，主要包括模—數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)—模轉(zhuǎn)換、串—并轉(zhuǎn)換和并—串轉(zhuǎn)換等。

【典型I/O接口結(jié)構(gòu)】

【MCU與外設(shè)信息交互方式】

【無(wú)條件傳送方式】

在進(jìn)行I/O操作時(shí)，不需要測(cè)試外部設(shè)備的狀態(tài)，可以根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送操作。只有那些一直為數(shù)據(jù)I/O傳送做好準(zhǔn)備的外部設(shè)備（如二極管、數(shù)碼管、機(jī)械開(kāi)關(guān)、ADC、DAC），才能使用無(wú)條件傳送方式。

【查詢方式】

在I/O操作之前，要先檢測(cè)外設(shè)的狀態(tài)，以了解外設(shè)是否已為數(shù)據(jù)輸出做好了準(zhǔn)備，只有在確認(rèn)外設(shè)已“準(zhǔn)備好”的情況下，CPU才能執(zhí)行數(shù)據(jù)輸入輸出操作。

查詢輸入：

硬件電路簡(jiǎn)單，MCU速度高于外設(shè)通常處于等待狀態(tài)，效率很低。

查詢輸出：

【8路模擬量輸入采集】

【緩存技術(shù)】

緩存技術(shù)是高速數(shù)據(jù)采集和處理中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常在存儲(chǔ)設(shè)備的前端加一級(jí)緩存，可以使低速存儲(chǔ)設(shè)備無(wú)丟失地記錄高速數(shù)據(jù)，是CPU性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

【乒乓緩沖結(jié)構(gòu)】

這種結(jié)構(gòu)是將輸入數(shù)據(jù)流通過(guò)輸入數(shù)據(jù)選擇單元等實(shí)地將數(shù)據(jù)流分配到兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

在第1個(gè)緩沖周期，將輸入的數(shù)據(jù)緩存到數(shù)據(jù)緩沖模塊1上，在第2個(gè)緩沖周期，通過(guò)輸入數(shù)據(jù)選擇單元的切換，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到數(shù)據(jù)緩沖模塊2，同時(shí)將數(shù)據(jù)緩沖模塊1緩存的第1個(gè)周期的數(shù)據(jù)通過(guò)輸出數(shù)據(jù)選擇單元的選擇，送到運(yùn)算處理單元進(jìn)行處理，第3個(gè)緩沖周期，再次切換數(shù)據(jù)的輸入與輸出緩沖模塊，循環(huán)進(jìn)行，如圖。

【中斷技術(shù)】

中斷方式與查詢方式的主要區(qū)別：如何知道外設(shè)是否為數(shù)據(jù)傳送做好了準(zhǔn)備。查詢方式是CPU的主動(dòng)形式，中斷方式CPU等待中斷請(qǐng)求的被動(dòng)形式。

采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，當(dāng)外設(shè)為數(shù)據(jù)傳送做好準(zhǔn)備之后，就向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。CPU接收到中斷請(qǐng)求后即做出響應(yīng)，暫停正在執(zhí)行的原程序。而轉(zhuǎn)去為外設(shè)的數(shù)據(jù)輸入輸出服務(wù)，待服務(wù)完成之后，程序返回，CPU在繼續(xù)執(zhí)行被中斷的原程序。

中斷源的中斷請(qǐng)求被CPU響應(yīng)之后，CPU自動(dòng)把中斷源的中斷入口地址（中斷矢量地址，固定）裝入PC，從中斷矢量地址處獲得中斷服務(wù)程序的入口地址。一般在此地址單元中存放一條絕對(duì)跳轉(zhuǎn)指令，可以跳至用戶安排的任意地址空間。

【中斷處理流程】

【中斷請(qǐng)求撤銷】

【中斷技術(shù)】

程序中斷方式，大大提高了系統(tǒng)的效率。中斷可實(shí)現(xiàn)快速CPU與慢速外部設(shè)備之間的并工作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理和故障處理，不但速度快而且可以實(shí)現(xiàn)多道程序方式，所以在計(jì)算機(jī)中被廣泛采用。

但中斷請(qǐng)求是一種隨機(jī)事件，如果每傳送一個(gè)字符都要中斷消耗很大。為實(shí)現(xiàn)程序中斷，對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件和軟件都有較高的要求。此外，由于中斷處理常需現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)。因此，對(duì)CPU來(lái)說(shuō)仍是有較大的無(wú)用開(kāi)銷。

【中斷類型】

1.外部中斷類（INT0、INT1）

有單片機(jī)的輸入輸出設(shè)備等外部原因引起的，可設(shè)置請(qǐng)求信號(hào)是電平觸發(fā)還是邊緣觸發(fā)。

2.計(jì)時(shí)中斷類（TCON）

由內(nèi)部計(jì)時(shí)器技術(shù)產(chǎn)生技術(shù)溢出時(shí)所引起的中斷，內(nèi)部中斷，計(jì)時(shí)器可有用戶通過(guò)程序設(shè)定。

3.串行端口中斷類（SCON）

當(dāng)串行端口接收或發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)時(shí)，修改SCON，向CPU申請(qǐng)中斷。

【DMA技術(shù)】

假設(shè)一外設(shè)一秒能傳送100個(gè)字節(jié)，若用查詢方式，這一秒內(nèi)CPU全部用于查詢和傳送；采用中斷方式，假定CPU每傳送一個(gè)字節(jié)的服務(wù)程序需要100US，則傳送100字節(jié)，CPU只需用10MS，即只占一秒的1/100。

中斷每次要保護(hù)斷點(diǎn)，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)需用多余指令，每條指令要有取值和執(zhí)行時(shí)間。

DMA使得硬件直接在外設(shè)與內(nèi)存之阿金進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而不通過(guò)CPU，速度的上限取決于存儲(chǔ)器的工作速度。

DMA＞中斷＞查詢

【DMA工作流程】

編輯：黃飛

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