計(jì)算機(jī)接口技術(shù)解析

　　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件，除主機(jī)外，通常還包括兩類外圍設(shè)備，一類是常規(guī)外圍設(shè)備，如鍵盤、CRT顯示器、打印機(jī)、磁盤機(jī)等；另一類是被控設(shè)備和檢測儀表、顯示裝置、操作臺(tái)等。由于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的功能單一（保存信息）、品種有限（ROM、RAM）、存取速度與CPU的工作速度基本匹配，因此，存儲(chǔ)器可以直接連接到CPU總線上。而外圍設(shè)備種類繁多，有機(jī)械式、機(jī)電式和電子式；有的作為輸入設(shè)備、有的作為輸出設(shè)備；工作速度不一，外圍設(shè)備的工作速度通常比CPU的速度低得多，且不同外圍設(shè)備的工作速度往往又差別很大；信息類型和傳送方式不同，有的使用數(shù)字量，有的使用模擬量，有的要求并行傳送信息，有的要求串行傳送信息。因此，僅靠CPU及其總線是無法承擔(dān)上述工作的，必須增加I/O接口電路和I/O通道才能完成外圍設(shè)備與CPU的總線相連。I/O接口是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分。

　　I/O接口電路也簡稱接口電路。它是主機(jī)和外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件（電路）。它在主機(jī)和外圍設(shè)備之間的信息交換中起著橋梁和紐帶作用。I/O通道也稱為過程通道。它是計(jì)算機(jī)和控制對象之間信息傳送和變換的連接通道。計(jì)算機(jī)要實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)機(jī)械、生產(chǎn)過程的控制，就必須采集現(xiàn)場控制對象的各種參量，這些參量分兩類：一類是模擬量，即時(shí)間上和數(shù)值上都連續(xù)變化的物理量，如溫度、壓力、流量、速度、位移等。另一類是數(shù)字量（或開關(guān)量），即時(shí)間上和數(shù)值上都不連續(xù)的量。如表示開關(guān)閉合或斷開二個(gè)狀態(tài)的開關(guān)量；按一定編碼的數(shù)字量和串行脈沖列等。同樣，被控對象也要求得到模擬量（如電壓、電流）或數(shù)字量兩類控制量。但是如前所述，計(jì)算機(jī)只能接收和發(fā)送并行的數(shù)字量，因此，為使計(jì)算機(jī)和被控對象之間能夠連通起來，除了需要I/O接口電路外，還需要I/O通道，由它將從被控對象采集的參量變換成計(jì)算機(jī)所要求的數(shù)字量（或開關(guān)量）的形式，送入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)按某一數(shù)學(xué)公式計(jì)算后，又將其結(jié)果以數(shù)字量形式或轉(zhuǎn)換成模擬量形式輸出至被控制對象，這就是I/O通道所要完成的功能。

　　應(yīng)當(dāng)指出，I/O接口和I/O通道都是為實(shí)現(xiàn)主機(jī)和外圍設(shè)備（包括被控對象）之間信息交換而設(shè)的器件，其功能都是保證主機(jī)和外圍設(shè)備之間能方便、可靠、高效率的交換信息。因此，接口和通道緊密相連，在電路上往往結(jié)合在一起了。例如，目前大多數(shù)大規(guī)模集成電路A/D轉(zhuǎn)換器芯片，除了完成A/D轉(zhuǎn)換，起模擬量輸入通道的作用外，其轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量保存在片內(nèi)具有三態(tài)輸出的輸出鎖存器中，同時(shí)具有通信聯(lián)絡(luò)及I/O控制的有關(guān)信號(hào)端，可以直接掛到主機(jī)的數(shù)據(jù)總線及控制總線上去，這樣A/D轉(zhuǎn)換器也就同時(shí)起到了輸入接口的作用，有的書中把A/D轉(zhuǎn)換器也統(tǒng)稱為接口電路。大多數(shù)集成電路D/A轉(zhuǎn)換器也一樣，都可以直接掛到系統(tǒng)總線上，同時(shí)起到輸出接口和D/A轉(zhuǎn)換的作用。但是在概念上應(yīng)當(dāng)注意到兩者之間的聯(lián)系和區(qū)別。

　　在微機(jī)控制系統(tǒng)或微機(jī)系統(tǒng)中，主機(jī)和外圍設(shè)備間所交換的信息通常分為數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息三類。

　　1、數(shù)據(jù)信息：數(shù)據(jù)信息是主機(jī)和外圍設(shè)備交換的基本信息，通常是8位或16位的數(shù)據(jù)，它可以用并行格式傳送，也可以用串行格式傳送。數(shù)據(jù)信息又可以分為數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量和脈沖量。

　?。?）數(shù)字量：數(shù)字量是指由鍵盤、磁盤機(jī)、撥碼開關(guān)、編碼器等輸入的信息，或者是主機(jī)送給打印機(jī)、磁盤機(jī)、顯示器、被控對象等的輸出信息。它們是二進(jìn)制碼的數(shù)據(jù)或是以ASCII碼表示的數(shù)據(jù)或字符（通常為8位的）。

　?。?）模擬量：來自現(xiàn)場的溫度、壓力、流量、速度、位移等物理量也是一類數(shù)據(jù)信息。一般通過傳感器將這些物理量轉(zhuǎn)換成電壓或電流，電壓和電流仍然是連續(xù)變化的模擬量，要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，最后送入計(jì)算機(jī)。反之，從計(jì)算機(jī)送出的數(shù)字量要經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，變成模擬量，最后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。所以模擬量代表的數(shù)據(jù)信息都必須經(jīng)過變換才能實(shí)現(xiàn)交換。

　　（3）開關(guān)量：開關(guān)量表示兩個(gè)狀態(tài)，如開關(guān)的閉合和斷開、電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止、閥門的打開和關(guān)閉等。這樣的量只要用一位二進(jìn)制數(shù)就可以表示。

　　（4）脈沖量：它是一個(gè)一個(gè)傳送的脈沖列。脈沖的頻率和脈沖的個(gè)數(shù)可以表示某種物理量。如檢測裝在電機(jī)軸上的脈沖信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的脈沖，可以獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)速和角位移數(shù)據(jù)信息。

　　2、狀態(tài)信息

　　狀態(tài)信息是外圍設(shè)備通過接口向CPU提供的反映外圍設(shè)備所處的工作狀態(tài)的信息。它作為兩者交換信息的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。輸入時(shí)，CPU讀取準(zhǔn)備好（READY）狀態(tài)信息，檢查待輸入的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備就緒，若準(zhǔn)備就緒則讀入數(shù)據(jù)，未準(zhǔn)備就緒就等待。輸出時(shí)，CPU讀取忙（BUSY）信號(hào)狀態(tài)信息，檢查輸出設(shè)備是否已處空閑狀態(tài)，若為閑狀態(tài)則可向外圍設(shè)備發(fā)送新的數(shù)據(jù)，否則等待。

　　3、控制信息

　　控制信息是CPU通過接口傳送給外圍設(shè)備的?？刂菩畔㈦S外圍設(shè)備的不同而不同，有的控制外圍設(shè)備的啟動(dòng)、停止；有的控制數(shù)據(jù)流向，控制輸入還是輸出；有的作為端口尋址信號(hào)等。