什么是I/O接口，單片機常用接口芯片介紹

【單板機與單片機】

單板機：將CPU芯片、存儲器芯片、I/O接口芯片和簡單的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)成了一臺單板微型計算機，簡稱單板機。

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

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

【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，簡稱接口。

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

【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)總線上保留的時間十分短暫，無法滿足慢速輸出設(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重要功能。

2.三態(tài)緩沖功能

數(shù)據(jù)輸入時，輸入設(shè)備向CPU傳送的數(shù)據(jù)也要通過數(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，但是有些外部設(shè)備所提供或所需要的并不是這種信號形式。為此需要使用接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)信號的轉(zhuǎn)換，主要包括?！獢?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】

【無條件傳送方式】

在進(jìn)行I/O操作時，不需要測試外部設(shè)備的狀態(tài)，可以根據(jù)需要隨時進(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、機械開關(guān)、ADC、DAC），才能使用無條件傳送方式。

【查詢方式】

在I/O操作之前，要先檢測外設(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關(guān)鍵技術(shù)。在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常在存儲設(shè)備的前端加一級緩存，可以使低速存儲設(shè)備無丟失地記錄高速數(shù)據(jù)，是CPU性能的一個重要指標(biāo)。

【乒乓緩沖結(jié)構(gòu)】

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

在第1個緩沖周期，將輸入的數(shù)據(jù)緩存到數(shù)據(jù)緩沖模塊1上，在第2個緩沖周期，通過輸入數(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，同時將數(shù)據(jù)緩沖模塊1緩存的第1個周期的數(shù)據(jù)通過輸出數(shù)據(jù)選擇單元的選擇，送到運算處理單元進(jìn)行處理，第3個緩沖周期，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的主動形式，中斷方式CPU等待中斷請求的被動形式。

采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，當(dāng)外設(shè)為數(shù)據(jù)傳送做好準(zhǔn)備之后，就向CPU發(fā)出中斷請求。CPU接收到中斷請求后即做出響應(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。

中斷源的中斷請求被CPU響應(yīng)之后，CPU自動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】