什么是I/O接口，单片机常用接口芯片介绍

【单板机与单片机】

单板机：将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备（小键盘、LED显示器）等装配在一起印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机，简称单板机。

单板机的I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统，现在已经很少使用。

单片机：在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。

【什么是I/O接口】

连接CPU与外设之间的逻辑电路称I/O接口电路，简称接口。

单片机IO端口只能接收和发送编辑电平数字信号，而IO外设输入输出的信号种类、信号电平各异。

【接口电路的主要功能】

1.数据锁存能够

数据输出都是通过系统的数据总线进行的，但是由于CPU的工作速度快，数据在数据总线上保留的时间十分短暂，无法满足慢速输出设备的需要。为此在接口电路中需设置数据锁存器，以保存输出数据直至为输出设备所接收。数据所存就称为接口电路的一项重要功能。

2.三态缓冲功能

数据输入时，输入设备向CPU传送的数据也要通过数据总线，但数据总线是系统的公用数据通道，上面可能“挂”着许多数据源，工作十分繁忙。为了维护数据总线上数据传送的“秩序”，因此只允许当前时刻正在进行数据传送的数据源占用数据总线，其余数据源都必须与数据总线处于隔离状态，为此要求接口路由能为数据输入提供三态缓冲功能。

3.速度匹配功能

由于速度上的差异，使得数据的I/O传送难以异步方式进行，即只能在确认外设已为数据传送做好准备的前提下才能进行I/O操作。而要知道外设是否准备好，就需要通过接口或产生或传送外设的状态信息，以此进行CPU与外设之间的速度协调。

4.数据变换功能

CPU只能输入和输出并行的电压数字信号，但是有些外部设备所提供或所需要的并不是这种信号形式。为此需要使用接口电路进行数据信号的转换，主要包括模—数转换、数—模转换、串—并转换和并—串转换等。

【典型I/O接口结构】

【MCU与外设信息交互方式】

【无条件传送方式】

在进行I/O操作时，不需要测试外部设备的状态，可以根据需要随时进行数据传送操作。只有那些一直为数据I/O传送做好准备的外部设备（如二极管、数码管、机械开关、ADC、DAC），才能使用无条件传送方式。

【查询方式】

在I/O操作之前，要先检测外设的状态，以了解外设是否已为数据输出做好了准备，只有在确认外设已“准备好”的情况下，CPU才能执行数据输入输出操作。

查询输入：

硬件电路简单，MCU速度高于外设通常处于等待状态，效率很低。

查询输出：

【8路模拟量输入采集】

【缓存技术】

缓存技术是高速数据采集和处理中的一项关键技术。在高速数据采集系统中，通常在存储设备的前端加一级缓存，可以使低速存储设备无丢失地记录高速数据，是CPU性能的一个重要指标。

【乒乓缓冲结构】

这种结构是将输入数据流通过输入数据选择单元等实地将数据流分配到两个数据缓冲区。

在第1个缓冲周期，将输入的数据缓存到数据缓冲模块1上，在第2个缓冲周期，通过输入数据选择单元的切换，将输入的数据流缓存到数据缓冲模块2，同时将数据缓冲模块1缓存的第1个周期的数据通过输出数据选择单元的选择，送到运算处理单元进行处理，第3个缓冲周期，再次切换数据的输入与输出缓冲模块，循环进行，如图。

【中断技术】

中断方式与查询方式的主要区别：如何知道外设是否为数据传送做好了准备。查询方式是CPU的主动形式，中断方式CPU等待中断请求的被动形式。

采用中断方式进行数据传送时，当外设为数据传送做好准备之后，就向CPU发出中断请求。CPU接收到中断请求后即做出响应，暂停正在执行的原程序。而转去为外设的数据输入输出服务，待服务完成之后，程序返回，CPU在继续执行被中断的原程序。

中断源的中断请求被CPU响应之后，CPU自动把中断源的中断入口地址（中断矢量地址，固定）装入PC，从中断矢量地址处获得中断服务程序的入口地址。一般在此地址单元中存放一条绝对跳转指令，可以跳至用户安排的任意地址空间。

【中断处理流程】

【中断请求撤销】

【中断技术】

程序中断方式，大大提高了系统的效率。中断可实现快速CPU与慢速外部设备之间的并工作，实现实时处理和故障处理，不但速度快而且可以实现多道程序方式，所以在计算机中被广泛采用。

但中断请求是一种随机事件，如果每传送一个字符都要中断消耗很大。为实现程序中断，对计算机的硬件和软件都有较高的要求。此外，由于中断处理常需现场保护和现场恢复。因此，对CPU来说仍是有较大的无用开销。

【中断类型】

1.外部中断类（INT0、INT1）

有单片机的输入输出设备等外部原因引起的，可设置请求信号是电平触发还是边缘触发。

2.计时中断类（TCON）

由内部计时器技术产生技术溢出时所引起的中断，内部中断，计时器可有用户通过程序设定。

3.串行端口中断类（SCON）

当串行端口接收或发送完一帧数据时，修改SCON，向CPU申请中断。

【DMA技术】

假设一外设一秒能传送100个字节，若用查询方式，这一秒内CPU全部用于查询和传送；采用中断方式，假定CPU每传送一个字节的服务程序需要100US，则传送100字节，CPU只需用10MS，即只占一秒的1/100。

中断每次要保护断点，保护现场需用多余指令，每条指令要有取值和执行时间。

DMA使得硬件直接在外设与内存之阿金进行数据交换，而不通过CPU，速度的上限取决于存储器的工作速度。

DMA＞中断＞查询

【DMA工作流程】

编辑：黄飞