I/O接口概念

I/O接口是一電子電路(以IC芯片或接口板形式出現(xiàn) ),其內(nèi)有若干專(zhuān)用寄存器和相應(yīng)的控制邏輯電路構(gòu)成。它是CPU和I/O設(shè)備之間交換信息的媒介和橋梁。CPU與外部設(shè)備、存儲(chǔ)器的連接和數(shù)據(jù)交換都需要通過(guò)接口設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，前者被稱(chēng)為I/O接口，而后者則被稱(chēng)為存儲(chǔ)器接口。存儲(chǔ)器通常在CPU的同步控制下工作，接口電路比較簡(jiǎn)單；而I/O設(shè)備品種繁多，其相應(yīng)的接口電路也各不相同，因此，習(xí)慣上說(shuō)到接口只是指I/O接口。

I/O接口基本功能

（1）進(jìn)行端口地址譯碼設(shè)備選擇。

（2）向CPU提供I/O設(shè)備的狀態(tài)信息和進(jìn)行命令譯碼。

（3）進(jìn)行定時(shí)和相應(yīng)時(shí)序控制。

（4）對(duì)傳送數(shù)據(jù)提供緩沖，以消除計(jì)算機(jī)與外設(shè)在“定時(shí)”或數(shù)據(jù)處理速度上的差異。

（5）提供計(jì)算機(jī)與外設(shè)間有關(guān)信息格式的相容性變換。提供有關(guān)電氣的適配

（6）還可以中斷方式實(shí)現(xiàn)CPU與外設(shè)之間信息的交換。

控制方式

（1）程序查詢(xún)方式

這種方式下，CPU通過(guò)I/O指令詢(xún)問(wèn)指定外設(shè)當(dāng)前的狀態(tài)，如果外設(shè)準(zhǔn)備就緒，則進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入或輸出，否則CPU等待，循環(huán)查詢(xún)。

這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要少量的硬件電路即可，缺點(diǎn)是由于CPU的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外設(shè)，因此通常處于等待狀態(tài)，工作效率很低

（2）中斷處理方式

在這種方式下，CPU不再被動(dòng)等待，而是可以執(zhí)行其他程序，一旦外設(shè)為數(shù)據(jù)交換準(zhǔn)備就緒，可以向CPU提出服務(wù)請(qǐng)求，CPU如果響應(yīng)該請(qǐng)求，便暫時(shí)停止當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行與該請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的服務(wù)程序，完成后，再繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)被中斷的程序。

中斷處理方式的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，它不但為CPU省去了查詢(xún)外設(shè)狀態(tài)和等待外設(shè)就緒所花費(fèi)的時(shí)間，提高了CPU的工作效率，還滿(mǎn)足了外設(shè)的實(shí)時(shí)要求。但需要為每個(gè)I/O設(shè)備分配一個(gè)中斷請(qǐng)求號(hào)和相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，此外還需要一個(gè)中斷控制器（I/O接口芯片）管理I/O設(shè)備提出的中斷請(qǐng)求，例如設(shè)置中斷屏蔽、中斷請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)等。

此外，中斷處理方式的缺點(diǎn)是每傳送一個(gè)字符都要進(jìn)行中斷，啟動(dòng)中斷控制器，還要保留和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)以便能繼續(xù)原程序的執(zhí)行，花費(fèi)的工作量很大，這樣如果需要大量數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)的性能會(huì)很低。

（3）DMA（直接存儲(chǔ)器存?。﹤魉头绞?/p>

DMA最明顯的一個(gè)特點(diǎn)是它不是用軟件而是采用一個(gè)專(zhuān)門(mén)的控制器來(lái)控制內(nèi)存與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交流，無(wú)須CPU介入，大大提高CPU的工作效率。

在進(jìn)行DMA數(shù)據(jù)傳送之前，DMA控制器會(huì)向CPU申請(qǐng)總線(xiàn)控制 權(quán)，CPU如果允許，則將控制權(quán)交出，因此，在數(shù)據(jù)交換時(shí)，總線(xiàn)控制權(quán)由DMA控制器掌握，在傳輸結(jié)束后，DMA控制器將總線(xiàn)控制權(quán)交還給CPU。

（4）無(wú)條件傳送方式

（5）I/O通道方式

（6）I/O處理機(jī)方式

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)一般為局域網(wǎng)，作用范圍一般在幾km之內(nèi)。將分布在生產(chǎn)裝置周?chē)臏y(cè)控設(shè)備連接為功能各異的自動(dòng)化系統(tǒng)。控制網(wǎng)絡(luò)遍布在工廠(chǎng)的生產(chǎn)車(chē)間、裝配流水線(xiàn)、溫室、糧庫(kù)、堤壩、隧道、各種交通管系統(tǒng)、建筑、軍工、消防、環(huán)境檢測(cè)、樓宇家居等處。

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)大都是具有計(jì)算與通信能力的測(cè)量設(shè)備。它們可能具有嵌入式CPU，但功能比較單一，其計(jì)算能力也許遠(yuǎn)不及普通PC，也沒(méi)有鍵盤(pán)、顯示等人機(jī)交互接口。有的甚至不帶CPU、單片機(jī)，只帶有簡(jiǎn)單的通信接口，例如限位開(kāi)關(guān)、感應(yīng)開(kāi)關(guān)等各類(lèi)開(kāi)關(guān)，光電、溫度、壓力、流量、物位等各種傳感器、變送器，各種數(shù)據(jù)采集裝置等等。

控制網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)與工作環(huán)境

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)要面臨工業(yè)生產(chǎn)的強(qiáng)電磁干擾，面臨各種機(jī)械振動(dòng)，面臨嚴(yán)寒酷暑的野外工作環(huán)境，要去控制網(wǎng)絡(luò)能適應(yīng)這種惡劣的工作環(huán)境。另外，自控設(shè)備千差萬(wàn)別，實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)與互操作往往十分困難。

控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求

控制網(wǎng)絡(luò)必須滿(mǎn)足對(duì)控制的實(shí)時(shí)性要求。實(shí)時(shí)控制對(duì)某些變量的數(shù)據(jù)往往要求準(zhǔn)確定時(shí)刷新，控制作用必須在一定時(shí)限內(nèi)完成，或者相關(guān)的控制動(dòng)作一定要按事項(xiàng)規(guī)定的先后順序完成[1]。

現(xiàn)場(chǎng)接口分類(lèi)

基于控制網(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn)，其中的各種接口必須保證滿(mǎn)足控制網(wǎng)絡(luò)的要求。目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的接口種類(lèi)有以下四類(lèi)[2]：

（1）平臺(tái)相關(guān)性通用協(xié)議：OPC/ DDE

OPC 是為了不同供應(yīng)廠(chǎng)商的設(shè)備和應(yīng)用程序之間的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)化，使其間的數(shù)據(jù)交換更加簡(jiǎn)單化的目的而提出的。作為結(jié)果，從而可以向用戶(hù)提供不依靠于特定開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境的可以自由組合使用的過(guò)程控制軟件組件產(chǎn)品。

（2）平臺(tái)無(wú)關(guān)性通訊協(xié)議：ModBus、ProfiBus

Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。 通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。Profibus，是一種國(guó)際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。 Profibus 傳送速度可在 9．6kbaud～12Mbaud 范圍內(nèi)選擇且當(dāng)總線(xiàn)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)， 所有連接到總線(xiàn)上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。Profibus是一種用于工廠(chǎng)自動(dòng)化車(chē)間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。

（3）平臺(tái)無(wú)關(guān)專(zhuān)有協(xié)議：大部分DCS協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議

（4）特殊協(xié)議：編程口、打印口等特殊方式取得的協(xié)議

工業(yè)傳輸通訊的協(xié)議種類(lèi)較多主要有歷史遺留和人為壟斷兩方面的原因。雖然目前還有大量的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，但沒(méi)有任何一種標(biāo)準(zhǔn)比工業(yè)以太網(wǎng)更具生命力[2]。

各種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)/協(xié)議/接口總結(jié)[3]

比如：

Beckhoff的CX9000通過(guò)總線(xiàn)耦合器可以接出去多種總線(xiàn)：

EtherCAT可以集成很多現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)：

類(lèi)似的擴(kuò)展其他總線(xiàn)的實(shí)物圖是：

可以看到上面擴(kuò)展出來(lái)的幾個(gè)總線(xiàn)是：

Profibus

Profinet

CANopen

DeviceNet

參考文獻(xiàn)：

[1] 陽(yáng)憲惠. 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 清華大學(xué)出版社, 2008.

[2] 張?jiān)? 工業(yè)控制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的接口協(xié)議研究[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2011(09):18-19.

[3] 工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域各種總線(xiàn)+協(xié)議+規(guī)范+接口；（https://www.crifan.com/industrial_automation_field_various_bus_protocol_specification_interface/）.

[4] 百度百科, I/O接口.