第2章总线接口与过程通道.doc

《第2章总线接口与过程通道.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章总线接口与过程通道.doc（8页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第2章 总线接口与过程通道习题与思考题2-1 总线有哪些基本操作？总线有哪些性能指标？2-2 总线标准与接口标准有什么不同？ 2-3 为什么计算机应用系统一定要配置I/O接口？2-4 接口的基本结构是什么？I/O接口有那几种控制方式？2-5 计算机控制系统的开关量输出信号有何用处？举出几种产生开关信号的传感器。2-6 查阅文献，了解计算机控制系统中过程通道常用的测控电路（A/D转换器、D/A转换器、多路转换开关、采样保持器、程控增益放大器等）的结构和工作原理。参考答案（部分）2-1 总线有哪些基本操作？总线有哪些性能指标？答：总线的基本操作：广义上说，总线就是传输信息的公共通路，挂在总线上的所

2、有设备都可以发出信息传输命令，进行信息传送，此时这个设备称为总线主设备，而其他则被称为总线从设备。挂在总线上的每个设备都可以成为总线主设备，都可以发出信息传输命令，这就有可能发生信息传输时的冲突。显然，为了保证信息传输的正确性，某一时刻只允许一个主设备发布命令，这就需要一个仲裁机构解决某时刻总线的占有权问题。当仲裁机构决定某设备作为总线主设备占有总线时，其他挂在总线上的设备此刻为从设备。主设备将其地址信息放在总线上，以选择与其通信的从设备。从设备应具备识别地址的功能，当主设备地址被某一从设备认可，该从设备即可与主设备进行信息交换，被读或被写。任何设备都不能长期占用总线，当进行一次或几次信息交换

3、之后，必须放弃总线占有权。为了解决总线的占有权，就需要有一套总线规约以管理总线。多数总线操作都采用定时信号进行同步，定时信号用以指明总线上的数据和地址什么时候是有效的。几乎所有的总线都有中断处理机构，以处理总线上某一设备向另一设备发出的请求信号，要求后者注意并进行某种服务。还需要提及的是，为了减少总线信号的数目，有些总线系统采用复用技术，如地址线与数据线分阶段在同样的数据地址线上传输。显然，复用技术降低了总线的传输速度及性能，但也同样降低了总线的造价。以下就上述总线的基本操作加以说明。（1）总线仲裁一般挂在总线上的每一个主设备都设有专用的总线请求及总线允许线作为应答信号，用以决策总线占有权。总

4、线仲裁有三种方案：集中仲裁、链路方式及分布式仲裁方式。集中仲裁方式利用优先级方案进行仲裁，优先级方案则有多种选择，如有一种方案允许优先级高的设备长期占用总线；另一种方案则可按时间仲裁，不允许某设备长期“霸占”总线，这种方案的总线仲裁及数据传送操作并行工作，互不影响，但挂在总线上的设备越多，那么，总线请求，允许线数目也越多，结构越复杂。链路方式中总线请求，允许线是公用的，主设备占用总线的优先级按其在链路中的位置决定。某一设备占用总线，总线允许信号就不下传，从而避免了总线冲突，但最大的问题是无法满足中断请求优先处理问题，离开仲裁电路越远的设备，总线占有率越低。分布式仲裁方案的特点是仲裁过程在每一个

5、主设备中完成，当某一主设备在总线上置起它的优先级代码时，即开始了一个仲裁周期。仲裁周期结束，只有最高优先级仍放置在总线上，当某一主设备检测到总线上的优先级与自己的级别一致，即认为自己为下一个总线主设备。（2）总线定时主设备获得总线控制权以后，即进入总线操作周期，进行主设备间的信息交换（包括地址信息和数据信息的交换)。定时信号即用于指明这些信息何时有效。定时信号有异步与同步两种。在异步总线系统中，命令者与响应者之间有一对选通应答定时信号进行握手，以表示信息的有效和接收。在大多数的同步总线系统中，定时时钟是由系统统一提供的，总线状态的改变只出现在固定的时刻。总线周期的持续时间通常根据挂在总线上最慢

6、的设备速率决定。为了保证总线的通信速率，在总线标准中规定了插入等待周期，以为慢速设备信息传送提供方便。（3）寻址寻址是主设备与从设备建立联系的一种总线操作，通常有以下方式。1）物理寻址。该寻址方式通常是用于选择挂在总线某一特定位置的从设备。大多数从设备都包含若干个寄存器，这种寻址方式常伴有辅助寻址，最终选择的是某从设备的特定寄存器或某一功能。2）逻辑寻址。该寻址方式用于选择指定存储单元的某一通用区，而不考虑这些存储单元的物理位置，即逻辑寻址是选择与位置无关的设备。3）广播寻址。该寻址方式用于选择多个从设备作为响应者。为了确保所选从设备都能响应，系统应设这种操作的定时机构。（4）数据传输通过寻址

7、，一个主设备可以和一个或多个从设备通过总线沟通，然后进行数据的读写操作。这个过程根据总线的形式不同，传输方法也各异，通常有并行和串行两种传送方式。并行传送速度较快，方法简单；串行传送还应配置一定的应答信号，所传信息除有效信息外，还应有起始和结束的标志位、校验位等用以保证信息传送的正确性。 （5）出错检测在总线上进行信息传送时常常会因噪声及串扰而出错。并行传送由于距离短、出错率低，不少总线没设置检错纠错机构。但在串行传送时，一般距离都较远，发生错误的机会较多，在高性能的总线中都配有奇偶校验码产生及校验电路，以监督传送是否有错，一般采用重发方式纠错，但在要求较高的场合，除总线监督外，还应采用其他抗

8、干扰措施，以保证数据的可靠传输。（6）中断当挂在总线上的某设备需要进行信息传送或完成某种操作时，即向总线发出中断请求。总线采用中断请求的方法是多样的，最简单的方法是采用菊花链方式。请求中断的设备置起此信号，准备响应的某设备则监测此信号，当相符时即发出中断回答信号并禁止此信号下传，而把自己的识别码放在总线上以使中断处理机构加以识别。这种方法连线简单，但灵活性和可靠性均较差，不宜用于系统具有多个能进行中断处理的设备。另一种方法是把请求中断的设备变成总线命令者，然后把中断信息发给想知道的设备。这种处理过程是分布式的，把设备指派为中断处理的设备是动态进行的。这种方法的缺点是所有申请中断的设备都应具有主

9、设备的能力，在高性能的总线标准中采用这种方法。（7）容错技术当挂在总线上的设备之间进行信息传输时，不可避免地会有差错，因此如何减少故障对系统的影响，提高系统的重新配置能力，提高总线的容错技术是必须考虑的，如动态重配逻辑地址、隔离故障或更换故障单元等软件措施应受到总线支持。有些总线标准还规定了串行总线出故障时如何用备用路径宋代替的条文。这种备用总线在主串行总线工作时，可以传送中断信息、监视主串行总线工作，随时准备替代出故障的主串行总线。（8）控制信号总线上的控制信号一般有三种类型：第一类是设备的初始化操作，如清零、启动、停止等，第二类用于改变总线的操作方式，如改变数据流向、数据字段的宽度和字节的

10、选择等；第三类用来指明地址和数据的含义，如地址可指定某一地址空间等。总线的性能指标：由于用户往往存在选择总线标准的问题，不同的总线之间如何进行比较有着现实的意义。以下几个参数可以作为衡量总线的指标：（1）总线时钟频率总线的工作是在时钟脉冲的作用下进行的，一个任务的完成一般需要一个到几个时钟脉冲的周期。因此，总线时钟频率可以作为衡量总线工作速度的个指标。总线时钟频率用MHz来表示。（2）总线宽度总线宽度用总线中数据总线的位数来表示。总线的宽度有8位、16位、32位和64位等。显然，在同样的总线时钟频率下，总线宽度越大，数据传输的速度就越快。（3）总线（最大）传输速率总线（最大）传输速率用总线上每

11、秒钟所能传输的最大字节数来表示，单位为MB/s。若总线的时钟频率为8MHz，总线的宽度为8位，则其总线传输速率为8MB/s。若总线的时钟频率为33.3MHz，总线的宽度为32位，则其总线传输速率为133MB/s。（4）同步方式总线上的主模块与从模块之间进行传输有同步和异步两种方式。在同步方式下，总线上的主模块与从模块之间进行一次传输所需要的时间（即传输周期或总线周期）是固定的，并严格按照系统的时钟定时操作主、从模块之间的传输。只要总线上的模块或设备都是高速的，总线的传输速率就会很高，当然，前提是总线上的模块或设备要以比较高的速度运行。在异步方式下，主模块与从模块之间采用应答方式来传输数据，允许

12、从模块根据自己的工作速度来调整响应时间。显然，在异步方式下，对从模块的要求不是很高，但总线的传输速率也会下降。（5）其他性能指标负载能力：负载能力反映了一个总线允许挂接（插入）扩展模板的数目。负载能力越大，允许挂接的模板的数目就越多。信号线数目：总线的信号线数目反映了总线的技术复杂程度。信号线数目越大，总线就越复杂。总线控制方式：总线控制方式包括：传输方式、并发方式、中断分配与仲裁方式等。电源电压等级：般来说，电源电压越低，总线的负载能力也就越高。使用的普及程度：种总线标准使用得越普及，在市场上支持该总线的模板也就越多，用户的选择面就越大。2-2 总线标准与接口标准有什么不同？答：所谓总线就是

13、在模块和模块之间或设备与设备之间的一组进行互连和传输信息的信号线，信息包括指令、数据和地址。计算机的总线都是具有一定的含义的。例如，“局部总线”、“系统总线”和“通信总线”等，它们都各自具有明确的定义与内容。对于连接到总线上的多个设备而言，任何一个设备发出的信号可以被连接到总线上的所有其他设备接收。如果两个以上的设备同时在总线上发出自己的信号，则会发生信号混乱。因此，在同一时间段内，连接到总线上的多个设备中只能有一个设备主动进行信号的传输，其他设备只能处于被动接收的状态。所谓总线标准是指芯片之间、扩展卡之间以及系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应该遵守的一些协议与规范。这些协议和规范一般

14、包括硬件和软件两个方面，比如总线工作的时钟频率、总线中信号线的定义、总线系统的结构、总线仲裁机构以及配置机构、机械规范和实施总线协议的驱动与管理程序。所谓接口就是微处理器与外部连接的部件，是CPU与外部设备进行消息交换的中转站。所谓接口标准是外设接口的规范，涉及接口信号线定义、信号传输速率、传输方向和拓扑结构，以及电气特性和机械特性等多个方面。不同的外设有不同的接口和接口标准，只有符合接口标准的外设，才能使用这种接口。过去，各种外设使用的接口种类繁多，给应用带来诸多麻烦，现代微机系统出现了一些诸如USB这样的新型接口标准，它具有公用性，允许同时连接多种不同的外设，我们也常称他们为“外设总线”。

15、虽然总线标准和接口标准非常相似，但他们之间还是有一些差别的。1）总线标准具有公用性，可以挂接多种不同类型的功能模块；而接口标准大多是专用的，一般只接一类或一种设备。2）总线往往以主板上的总线扩展槽形式提供使用，而接口一般是以接口插座(头)形式提供使用。3）总线一般是并行传输，也就是所有信息的所有比特位同时传输：而接口有并行传输，也有串行传输。所谓串行传输是指每次只在接口传输一个比特位。4）总线定义的信号线多，而且齐全，有分离的控制线、数据线和地址线；接口的信号线少，而且不齐全，一般是控制线、数据线和地址线共用。2-3 为什么计算机应用系统一定要配置I/O接口？答：IO设备一般不和微机内部直接相

16、连，而是必须通过IO接口与微机内部进行信息交换。首先，微机和I/O设备两者的信息类型和格式可能不一样。外设种类繁多，信号类型十分复杂，它既可以是机械式的、电动式的或电子式的，也可以是其他形式的；所使用的信号可以是数字量或模拟量，也可以是开关量：即使是数字量，也可能与微机在信号线的功能定义、逻辑定义上上都不一致；必须通过I/O接口实现微机与外部设备的隔离和信号转换。其次，微机和IO设备信号传输处理的速度往往不匹配，信号时序有很大差别，必须通过IO接口来进行缓冲和协调。再次，随着计算机技术的发展，IO设备的种类日益丰富，一台多媒体微机可能要配置数十个IO设备，若不通过接口，而由CPU直接对IO设备

17、的操作实施控制，就会使CPU一直忙于与外设打交道，大大降低CPU的效率。最后，若IO设备直接由CPU控制，也会使外设的硬件结构依赖于CPU，对外设本身的发展不利。IO接口的引入，使得CPU对I/O设备的操作转化为对IO接口的操作。可见，IO接口是微机与外部设备之间进行信息交换的中转站，是任何微机应用系统必不可少的重要组成部分。2-4 接口的基本结构是什么？I/O接口有那几种控制方式？答：接口的基本结构：图1 接口电路的基本结构接口是设备部件与计算机总线的联系媒介。因此，接口必然与计算机的内部总线密切联系，即与总线的三部分数据总线、地址总线和控制总线发生联系。接口必须具备与数据总线相关的输入/输

18、出锁存缓冲器，与地址总线联系的地址译码器和与控制总线有关控制逻辑的三大部分，接口电路的基本结构如图1所示。其中，输入/输出锁存缓冲部分对外部设备输入的数据进行锁存缓冲，最后输入到计算机的内部数据总线，或将内部总线上的输出数据锁存缓冲，最后输出到外部设备。接口的输入/输出过程由控制逻辑进行控制。因挂在总线上的设备有许多，何时对某具体设备进行I/O操作必须用地址加以区分，地址译码器就起这种鉴别作用。由于大规模集成电路（LSI）技术的飞速发展，目前各种各样的接口基本上都有相应的接口芯片，它的出现极大地简化了接口电路的设计，在接口设计时应优先使用。 （1）数据输入/输出缓冲寄存器数据输入/输出缓冲寄存

19、器的作用是将外设送来的数据暂时存放以供CPU取用，或者是存放CPU送往外设的数据。它可以在高速工作的CPU和不同速度工作的外设之间起协调缓冲作用，以保证两者之间的速度匹配。（2）控制寄存器控制寄存器用来存放CPU发出的控制命令（即控制字）和其他信息。用这些控制命令可对接口电路的工作方式和功能进行控制，这是因为接口芯片功能较强，有若干种工作方式，且可由CPU通过控制字进行控制（可程控），以满足不同接口功能需要。（3）状态寄存器状态寄存器是用来保存外设各种状态信息的寄存器。内容由CPU读取后即可知设备的工作状态如“忙”、“闲”等。以上三种寄存器是接口电路中最主要的部分，但为了保证接口正确地传送数据

20、，接口电路还必须包括下面几种控制逻辑电路：1）数据总线和地址总线缓冲器。它们是用来实现接口芯片内部总线和CPU的总线之间的连接的。2）地址译码器。通常的接口芯片中有许多寄存器，为了进行区别，每一个寄存器必须分配一个端口地址。地址译码器的用途就是对输入地址进行译码，以指出是对芯片内某个具体寄存器的操作。3）内部控制电路及中断控制电路。它们用来产生一些接口芯片内部的控制信号、中断请求信号以及系统的控制和应答信号等。接口是输入输出过程通道中的一个主要组成部件，对于一些简单的输入输出过程通道，接口就是输入输出过程通道；而对于一些复杂的输入输出过程通道，除了有接口之外，还需要有一些其他的电路部件，例如：

21、信号处理装置、多路转换开关、放大器、采样保持器、大功率输出接口电路等。I/O接口的控制方式：一个计算机控制系统往往有许多的外围设备，它包括显示器、磁盘驱动器、键盘、鼠标以及各类过程（I/O）通道。整个系统的运行过程基本上就是计算机（主要指CPU或内存RAM）与各种外围设备交换数据的过程，而计算机的工作速度与上述外围设备的工作速度又千差万别。为了能使各种外围设备在CPU的统一管理和调度下有条不紊地工作，共同完成对生产过程的监控任务，CPU采用分时工作方式与外设交换信息。每个外围设备都在规定的时间段内得到CPU的服务。因此，必须确定一个CPU与外围设备交换数据的方式，这就是I/O控制。 通常采用的

22、I/O控制方式有三种：程序控制方式、中断控制方式和直接存储器存取方式（DMA方式）。在进行计算机控制系统设计和开发时，可以根据外围设备的种类、产生事件的重要性、对数据处理速度的要求以及控制系统的需要，选择适当的控制方式。（1）程序控制方式 程序控制I/O方式是指CPU与外围设备之间的数据交换是在程序控制之下进行的。这种方式又可以分为两种：无条件I/O方式和查询式I/O方式。 无条件I/O方式是指CPU无须查询外围设备的状态即可进行数据传送的I/O方式。在这种工作方式下，可以断定外围设备总是处于准备就绪状态，这种方式可以用于一些简单的外围设备，如电动机的启/停控制、继电器的吸合/释放控制以及指示

23、灯的亮/熄控制等。查询式I/O方式是指CPU在传送数据（读入或写出）之前，先主动地去查询外围设备是否准备就绪。如果没有准备好，则先不进行此项数据传送工作，转而去做其他工作或者继续进行查询。采用这种工作方式时，外围设备除了要有数据口外，还要有状态口。可以采用两种方式来查询外围设备的状态：一种是采用定时查询的方式。即每隔一定的时间间隔查询一次所有外围设备的状态信息，如发现某一个外围设备准备就绪，CPU就为它服务。采用这种工作方式，CPU具有较高的效率，并且CPU与外围设备在一定程度上并行工作，但可靠性不高。如果某一外围设备出现紧急情况需要及时处理而查询时间间隔未到，CPU不能及时发现和处理，实时性

24、不是很好，就有可能引起事故。另一种是采用巡回检测的方式。采用巡回检测方式的基本工作原理如下：每个外围设备提供一个或多个状态信息，程序中使用测试指令和条件转移指令。CPU逐个读入并测试外围设备的状态信息，如果该外围设备请求服务且准备就绪，则与之交换数据。否则，就跳过此项工作去查询下一个外围设备。各个外围设备查询完一遍后，再返回继续循环查询直至系统停止工作。由于采用这种工作方式，CPU要花费大量的时间用于查询，因此，工作效率比较低，而且一旦外部发生紧急情况，如果CPU尚未查询到就不能立即响应，实时性因而不是很好。但是，这种工作方式比较简单，对于CPU不是很繁忙且系统对数据传送速度要求也不很高时可以

25、采用。另外，采用查询方式的一个优势就是具有天然的抗干扰能力。当CPU尚未检测到某个外围设备（主要是输入接口）时，作用于该接口的干扰信号是无法进入输入通道的。因此，这种工作方式对于一些突发的干扰具有抵御能力。总之，程序控制方式一般应用在对数据传送速度要求不是很高且对实时性要求不太高的场合，即使发生了实时性超时，对整个生产过程的影响也不大。（2）中断控制方式 计算机控制系统所用的微机与科学计算用的或办公室中所用的微机相比，有一个最大的不同点就是，计算机控制系统所用的微机的操作要有实时性。所谓实时，是指要求计算机在规定的时间范围内完成规定的操作（例如：实时数据采集、实时运算、实时控制、实时报警等），

26、否则就失去计算机控制系统的意义。如果不能及时完成，采集到的数据可能已失效，或计算机处理运算的结果已没有任何实际意义；或由于得不到实时控制、实时报警，从而发生生产事故或产生了废品。为了提高CPU的效率，并使系统具有良好的实时性能，应当采用中断控制I/O方式。这样，CPU就无须反复测试外围设备的状态。在外围设备没有做好数据交换准备时，CPU可以运行与数据交换无关的其他任务，一旦外围设备做好了数据交换的准备后，主动向CPU发止中断请求，只要条件合适，CPU就会中断（暂停）正在进行的工作，转入进行数据交换的中断服务子程序，完成了数据交换的中断服务子程序后，CPU又自动返回原来运行的程序。中断处理方式的

27、优点是显而易见的，它不但为CPU省去了查询外设状态和等待外设就绪所花费的时间，提高了CPU的工作效率，可以比较好地解决外围设备运行速度较慢而CPU运行速度较快的矛盾，同时，可以使系统具有良好的实时性。但需要为每个I/O设备分配一个中断请求号和编写相应的中断服务程序，此外还需要一个中断控制器（I/O接口芯片）管理I/O设备提出的中断请求，例如设置中断屏蔽、中断请求优先级等。此外，中断处理方式的缺点是每传送一个字符都要进行一次中断，在中断处理程序中还需保留和恢复现场以便能继续原程序的执行，工作量较大。如果需要大量数据交换，系统的性能会很低。（3）直接存储器存取方式（DMA方式）直接存储器存取方式实

28、际上是计算机的内存RAM与高速外围设备之间直接进行数据交换的方式。在这种方式下，数据不再经过CPU，而是在DMA控制器的控制下，在内存与高速外围设备之间进行大量且快速的数据交换，无需CPU介入，大大提高了CPU的工作效率。在进行DMA数据传送之前，DMA控制器会向CPU申请总线控制权，如果CPU允许则将总线控制权交出。因此，在数据交换时，总线控制权由DMA控制器掌握。传输结束后，DMA控制器将总线控制权交还给CPU。一般在计算机数据采集系统中会采用这种方式，在计算机与I/O接口之间进行数据交换，而在计算机控制系统中不采用这种方式。2-5 计算机控制系统的开关量输出信号有何用处？举出几种产生开关

29、信号的传感器。答：计算机控制系统的开关量输出信号具有下列用处：1）越限报警。将被测参数的数值与人为设定的参数值进行比较，比较的结果（大于或小于）以开关量的形式输出，就可以驱动声光报警装置实现越限报警，或者输出给控制设备采取措施。例如，锅炉水位测量值低于设定的低限值时，必须立即报警或启动给水泵。2）开关量控制。某些被控对象采用位式执行机构或开关式器件进行自动控制，它们的动作是由开关信号控制的，例如电磁阀、电磁离合器、继电器或接触器、双向晶闸管等，它们只有“开”和“关”两种工作状态，可以表示为二进制的“1”和“0”。因此，利用一位二进制数输出就可以控制这些开关式器件的运行状态。例如继电器或接触器的

30、吸合和释放，马达的启动和停止，阀门的打开和关闭等。3）反映计算机控制系统本身的工作状态。计算机控制系统的工作状态，例如“工作”或“后备”状态，“自动”或“手动”状态，“正常”或“故障”状态等，都可以用开关量输出信号来表征，使上位计算机或操作人员及时了解。以下略举若干提供开关信号传感器的实例，说明其应用：1）行程开关：要想控制机械运动的行程，也就是控制物体的位移，可以用“行程开关”取得通断信号，其原理和按钮相似，靠物体接触时的压力引起电路通断。这种器件已在机床上广为应用。另有一种叫做“微动开关”的也是这类器件，比较灵敏但结构强度稍差。非接触式行程开关也叫接近开关，有光电式、高频电感式和超声式等。

31、 2）压力开关：无人管理的压气机常用压力开关自动控制启动和停机，以维持储气罐里的压力，这在自行车电打气装置上用得十分普遍。大多数压力开关是利用波纹管、弹簧管、膜盒等弹性元件在压力作用下产生变形，带动电接点发出通断信号的。也有靠压力引起微小变形后再经过电阻、电容等中间变量最后得到开关信号的。 3）液位开关：最简单的液位开关是靠导电液体与固定在某一高度的电极接触，发出开关信号。对于非导电液体，可用浮子带动微动开关，或用磁性浮子与舌簧管配合，产生开关信号；或者用装在容器壁上适当高度的压力开关，借助压力与液位高度成正比的关系产生开关信号。此外，用电容、弹性变形、光导纤维、超声、射线、雷达等技术也都能构

32、成液位开关。 4）磁敏开关：舌簧管附近有磁场时，其内部簧片将改变通断状态，所以舌簧管本身就是一个磁敏开关。如果利用磁敏二极管或磁敏三极管，甚至用霍尔元件，还能构成无触点的磁敏开关。用这种原理也可以制作非接触式行程开关。 5）光敏开关：光敏开关不一定是指对普通可见光有敏感作用的器件，可以是激光或红外光。由光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等和适当的电路配合，就能构成光敏开关。无人管理的路灯、航标灯，常用这种开关控制。 6）定时开关：家用洗衣机和电风扇的定时开关，早已人所共知，它可以靠钟表发条带动，也可以靠微型电动机驱动，或是靠电容充放电原理工作。最精确的是用石英晶体振荡器和脉冲计数器构成的定时装置，它已应用在电子闹钟和录像机的定时通断上。工业生产中的热处理、发酵等有固定程序和有规定时间的工艺，都必须用定时开关才能实现自动控制。