计算机接口技术解析

　　计算机控制系统的硬件，除主机外，通常还包括两类外围设备，一类是常规外围设备，如键盘、CRT显示器、打印机、磁盘机等；另一类是被控设备和检测仪表、显示装置、操作台等。由于计算机存储器的功能单一（保存信息）、品种有限（ROM、RAM）、存取速度与CPU的工作速度基本匹配，因此，存储器可以直接连接到CPU总线上。而外围设备种类繁多，有机械式、机电式和电子式；有的作为输入设备、有的作为输出设备；工作速度不一，外围设备的工作速度通常比CPU的速度低得多，且不同外围设备的工作速度往往又差别很大；信息类型和传送方式不同，有的使用数字量，有的使用模拟量，有的要求并行传送信息，有的要求串行传送信息。因此，仅靠CPU及其总线是无法承担上述工作的，必须增加I/O接口电路和I/O通道才能完成外围设备与CPU的总线相连。I/O接口是计算机控制系统不可缺少的组成部分。

　　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（电路）。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。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。计算机要实现对生产机械、生产过程的控制，就必须采集现场控制对象的各种参量，这些参量分两类：一类是模拟量，即时间上和数值上都连续变化的物理量，如温度、压力、流量、速度、位移等。另一类是数字量（或开关量），即时间上和数值上都不连续的量。如表示开关闭合或断开二个状态的开关量；按一定编码的数字量和串行脉冲列等。同样，被控对象也要求得到模拟量（如电压、电流）或数字量两类控制量。但是如前所述，计算机只能接收和发送并行的数字量，因此，为使计算机和被控对象之间能够连通起来，除了需要I/O接口电路外，还需要I/O通道，由它将从被控对象采集的参量变换成计算机所要求的数字量（或开关量）的形式，送入计算机。计算机按某一数学公式计算后，又将其结果以数字量形式或转换成模拟量形式输出至被控制对象，这就是I/O通道所要完成的功能。

　　应当指出，I/O接口和I/O通道都是为实现主机和外围设备（包括被控对象）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了。例如，目前大多数大规模集成电路A/D转换器芯片，除了完成A/D转换，起模拟量输入通道的作用外，其转换后的数字量保存在片内具有三态输出的输出锁存器中，同时具有通信联络及I/O控制的有关信号端，可以直接挂到主机的数据总线及控制总线上去，这样A/D转换器也就同时起到了输入接口的作用，有的书中把A/D转换器也统称为接口电路。大多数集成电路D/A转换器也一样，都可以直接挂到系统总线上，同时起到输出接口和D/A转换的作用。但是在概念上应当注意到两者之间的联系和区别。

　　在微机控制系统或微机系统中，主机和外围设备间所交换的信息通常分为数据信息、状态信息和控制信息三类。

　　1、数据信息：数据信息是主机和外围设备交换的基本信息，通常是8位或16位的数据，它可以用并行格式传送，也可以用串行格式传送。数据信息又可以分为数字量、模拟量、开关量和脉冲量。

　　（1）数字量：数字量是指由键盘、磁盘机、拨码开关、编码器等输入的信息，或者是主机送给打印机、磁盘机、显示器、被控对象等的输出信息。它们是二进制码的数据或是以ASCII码表示的数据或字符（通常为8位的）。

　　（2）模拟量：来自现场的温度、压力、流量、速度、位移等物理量也是一类数据信息。一般通过传感器将这些物理量转换成电压或电流，电压和电流仍然是连续变化的模拟量，要经过A/D转换变成数字量，最后送入计算机。反之，从计算机送出的数字量要经过D/A转换，变成模拟量，最后控制执行机构。所以模拟量代表的数据信息都必须经过变换才能实现交换。

　　（3）开关量：开关量表示两个状态，如开关的闭合和断开、电动机的启动和停止、阀门的打开和关闭等。这样的量只要用一位二进制数就可以表示。

　　（4）脉冲量：它是一个一个传送的脉冲列。脉冲的频率和脉冲的个数可以表示某种物理量。如检测装在电机轴上的脉冲信号发生器发出的脉冲，可以获得电机的转速和角位移数据信息。

　　2、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。输入时，CPU读取准备好（READY）状态信息，检查待输入的数据是否准备就绪，若准备就绪则读入数据，未准备就绪就等待。输出时，CPU读取忙（BUSY）信号状态信息，检查输出设备是否已处空闲状态，若为闲状态则可向外围设备发送新的数据，否则等待。

　　3、控制信息

　　控制信息是CPU通过接口传送给外围设备的。控制信息随外围设备的不同而不同，有的控制外围设备的启动、停止；有的控制数据流向，控制输入还是输出；有的作为端口寻址信号等。