【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設備（小鍵盤、LED顯示器）等裝配在一起印刷電路板上，再配上監控程序（固化在ROM中），就構成了一臺單板微型計算機，簡稱單板機。

單板機的I/O設備簡單，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及簡單的測控系統，現在已經很少使用。

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端口只能接收和發送編輯電平數字信號，而IO外設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.數據鎖存能夠

數據輸出都是通過系統的數據總線進行的，但是由于CPU的工作速度快，數據在數據總線上保留的時間十分短暫，無法滿足慢速輸出設備的需要。為此在接口電路中需設置數據鎖存器，以保存輸出數據直至為輸出設備所接收。數據所存就稱為接口電路的一項重要功能。

2.三態緩沖功能

數據輸入時，輸入設備向CPU傳送的數據也要通過數據總線，但數據總線是系統的公用數據通道，上面可能“掛”著許多數據源，工作十分繁忙。為了維護數據總線上數據傳送的“秩序”，因此只允許當前時刻正在進行數據傳送的數據源占用數據總線，其余數據源都必須與數據總線處于隔離狀態，為此要求接口路由能為數據輸入提供三態緩沖功能。

3.速度匹配功能

由于速度上的差異，使得數據的I/O傳送難以異步方式進行，即只能在確認外設已為數據傳送做好準備的前提下才能進行I/O操作。而要知道外設是否準備好，就需要通過接口或產生或傳送外設的狀態信息，以此進行CPU與外設之間的速度協調。

4.數據變換功能

CPU只能輸入和輸出并行的電壓數字信號，但是有些外部設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行數據信號的轉換，主要包括模—數轉換、數—模轉換、串—并轉換和并—串轉換等。

【典型I/O接口結構】

【MCU與外設信息交互方式】

【無條件傳送方式】

在進行I/O操作時，不需要測試外部設備的狀態，可以根據需要隨時進行數據傳送操作。只有那些一直為數據I/O傳送做好準備的外部設備（如二極管、數碼管、機械開關、ADC、DAC），才能使用無條件傳送方式。

【查詢方式】

在I/O操作之前，要先檢測外設的狀態，以了解外設是否已為數據輸出做好了準備，只有在確認外設已“準備好”的情況下，CPU才能執行數據輸入輸出操作。

查詢輸入：

硬件電路簡單，MCU速度高于外設通常處于等待狀態，效率很低。

查詢輸出：

【8路模擬量輸入采集】

【緩存技術】

緩存技術是高速數據采集和處理中的一項關鍵技術。在高速數據采集系統中，通常在存儲設備的前端加一級緩存，可以使低速存儲設備無丟失地記錄高速數據，是CPU性能的一個重要指標。

【乒乓緩沖結構】

這種結構是將輸入數據流通過輸入數據選擇單元等實地將數據流分配到兩個數據緩沖區。

在第1個緩沖周期，將輸入的數據緩存到數據緩沖模塊1上，在第2個緩沖周期，通過輸入數據選擇單元的切換，將輸入的數據流緩存到數據緩沖模塊2，同時將數據緩沖模塊1緩存的第1個周期的數據通過輸出數據選擇單元的選擇，送到運算處理單元進行處理，第3個緩沖周期，再次切換數據的輸入與輸出緩沖模塊，循環進行，如圖。

【中斷技術】

中斷方式與查詢方式的主要區別：如何知道外設是否為數據傳送做好了準備。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。

采用中斷方式進行數據傳送時，當外設為數據傳送做好準備之后，就向CPU發出中斷請求。CPU接收到中斷請求后即做出響應，暫停正在執行的原程序。而轉去為外設的數據輸入輸出服務，待服務完成之后，程序返回，CPU在繼續執行被中斷的原程序。

中斷源的中斷請求被CPU響應之后，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程序的入口地址。一般在此地址單元中存放一條絕對跳轉指令，可以跳至用戶安排的任意地址空間。

【中斷處理流程】

【中斷請求撤銷】

【中斷技術】

程序中斷方式，大大提高了系統的效率。中斷可實現快速CPU與慢速外部設備之間的并工作，實現實時處理和故障處理，不但速度快而且可以實現多道程序方式，所以在計算機中被廣泛采用。

但中斷請求是一種隨機事件，如果每傳送一個字符都要中斷消耗很大。為實現程序中斷，對計算機的硬件和軟件都有較高的要求。此外，由于中斷處理常需現場保護和現場恢復。因此，對CPU來說仍是有較大的無用開銷。

【中斷類型】

1.外部中斷類（INT0、INT1）

有單片機的輸入輸出設備等外部原因引起的，可設置請求信號是電平觸發還是邊緣觸發。

2.計時中斷類（TCON）

由內部計時器技術產生技術溢出時所引起的中斷，內部中斷，計時器可有用戶通過程序設定。

3.串行端口中斷類（SCON）

當串行端口接收或發送完一幀數據時，修改SCON，向CPU申請中斷。

【DMA技術】

假設一外設一秒能傳送100個字節，若用查詢方式，這一秒內CPU全部用于查詢和傳送；采用中斷方式，假定CPU每傳送一個字節的服務程序需要100US，則傳送100字節，CPU只需用10MS，即只占一秒的1/100。

中斷每次要保護斷點，保護現場需用多余指令，每條指令要有取值和執行時間。

DMA使得硬件直接在外設與內存之阿金進行數據交換，而不通過CPU，速度的上限取決于存儲器的工作速度。

DMA＞中斷＞查詢

【DMA工作流程】

編輯：黃飛

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