IO接口卡设计

摘要

计算机控制是自动控制理论与计算机技术相结合而产生的一门新兴学科，计算机控制技术是随着计算机技术的发展而发展起来的。自动控制技术在许多工业领域获得了广泛的应用，但是由于生产工艺日益复杂，控制品质的要求越来越高，简单的控制理论有时无法解决复杂的控制问题。计算机的应用促进了控制理论的发展，先进的控制理论和计算机技术相合推动计算机控制技术不断前进。自从1971年美国Intel公司生产出世界上第一台微处理器Intel 4004以来，微处理器的性能和集成度几乎每两年就提高一倍，而价格却大幅度下降。在随后30多年的时间里，微型计算机经历了4位机、8位机、16位机、32位机几个大的发展阶段，至今64位机也已经问世。微型计算机的出现，在科学技术上引起了一场深刻的变革。随着半导体集成电路技术的发展，微型计算机的运行速度越来越快，可靠性大大提高，体积越来越小，功能越来越齐全，成本却越来越低，使微型计算机的应用越来越广泛。微型计算机不仅可应用于科学计算、信息处理、办公娱乐、民用产品、家用电器等领域，而且在仪器、仪表及过程控制领域也得到了广泛的应用。仪器、仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理及系统控制等方面有着重要的应用，在许多高精度、高性能、多功能的测量仪器中都采用了微处理器技术。过程控制也是微型计算机应用最多的一个方面，控制对象已从单一的工艺流程扩展到整个企业的生产、管理以及现场各种设备的控制中，采用分布式计算机控制，实现了企业的控制和管理一体化，大大提高了企业的自动化程度。

1 引言

1.1 Protel软件简介

PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD 软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到PROTEL99（网络上可下载到它的测试板），是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率。在国内PROTEL软件较易买到，有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了基础。想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载PROTEL99的试用版。

2005年年底，Protel软件的原厂商Altium公司推出了Protel系列的最新高端版本Altium Designer 6.0。Altium Designer 6.0，它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。Altium Designer 是业界首例将设计流程、集成化PCB 设计、可编程器件（如FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。

1.2 I/O接口介绍

I/O接口是一电子电路(以IC芯片或接口板形式出现 ),其内有若干专用寄存器和相应的控制逻辑电路构成.它是CPU和I/O设备之间交换信息的媒介和桥梁.

1.2.1 I/O接口的基本功能:

•进行端口地址译码设备选择

•向CPU提供I/O设备的状态信息和进行命令译码

•进行定时和相应时序控制。

•对传送数据提供缓冲，以消除计算机与外设在“定时”或数据处理速度上的差异。

•提供计算机与外设间有关信息格式的相容性变换。

•还可以中断方式实现CPU与外设之间信息的交换

主板接口基础知识

CPU与外部设备、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，前者被称为I/O接口，而后者则被称为存储器接口。存储器通常在CPU的同步控制下工作，接口电路比较简单；而I/O设备品种繁多，其相应的接口电路也各不相同，因此，习惯上说到接口只是指I/O接口。

1.2.2 I/0接口的概念

接口的组成：包括硬件电路和软件编程两部分

图2-1I/O接口

硬件电路包括基本逻辑电路，端口译、码电路和供选电路等。

软件编程包括初始化程序段，传送方式处理程序段，主控程序段程序终止与退出程序段及辅助程序段等

接口的分类：I/O接口的功能是负责实现CPU通过系统总线把I/O电路和外围设备联系在一起，按照电路和设备的复杂程度，I/O接口的硬件主要分为两大类：（1）I/O接口芯片这些芯片大都是集成电路，通过CPU输入不同的命令和参数，并控制相关的I/O电路和简单的外设作相应的操作，常见的接口芯片如定时／计数器、中断控制器、DMA控制器、并行接口等。

（2）（2）I/O接口控制卡有若干个集成电路按一定的逻辑组成为一个部件，或者直接与CPU同在主板上，或是一个插件插在系统总线插槽上。按照接口的连接对象来分，又可以将他们分为串行接口、并行接口、键盘接口和磁盘接口等。

接口的功能：由于计算机的外围设备品种繁多，几乎都采用了机电传动设备，因此，CPU在与I/O设备进行数据交换时存在以下问题：

速度不匹配：I/O设备的工作速度要比CPU慢许多，而且由于种类的不同，他们之间的速度差异也很大，例如硬盘的传输速度就要比打印机快出很多。

时序不匹配：各个I/O设备都有自己的定时控制电路，以自己的速度传输数据，无法与CPU的时序取得统一。

信息格式不匹配：不同的I/O设备存储和处理信息的格式不同，例如可以分为串行和并行两种；也可以分为二进制格式、ACSII编码和BCD编码等。

信息类型不匹配：不同I／O设备采用的信号类型不同，有些是数字信号，而有些是模拟信号，因此所采用的处理方式也不同。基于以上原因，CPU与外设之间的数据交换必须通过接口来完成，通常接口有以下一些功能：（1）设置数据的寄存、缓冲逻辑，以适应CPU与外设之间的速度差异，接口通常由一些寄存器或RAM芯片组成，如果芯片足够大还可以实现批量数据的传输；