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)有若干專用寄存器和相應的控制邏輯電路構(gòu)成。它是CPU和I/O設備之間交換信息的媒介和橋梁。CPU與外部設備、存儲器的連接和數(shù)據(jù)交換都需要通過接口設備來實現(xiàn)，前者被稱為I/O接口，而后者則被稱為存儲器接口。存儲器通常在CPU的同步控制下工作，接口電路比較簡單；而I/O設備品種繁多，其相應的接口電路也各不相同，因此，習慣上說到接口只是指I/O接口。

I/O接口基本功能

（1）進行端口地址譯碼設備選擇。

（2）向CPU提供I/O設備的狀態(tài)信息和進行命令譯碼。

（3）進行定時和相應時序控制。

（4）對傳送數(shù)據(jù)提供緩沖，以消除計算機與外設在“定時”或數(shù)據(jù)處理速度上的差異。

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

（6）還可以中斷方式實現(xiàn)CPU與外設之間信息的交換。

控制方式

（1）程序查詢方式

這種方式下，CPU通過I/O指令詢問指定外設當前的狀態(tài)，如果外設準備就緒，則進行數(shù)據(jù)的輸入或輸出，否則CPU等待，循環(huán)查詢。

這種方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，只需要少量的硬件電路即可，缺點是由于CPU的速度遠遠高于外設，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不再被動等待，而是可以執(zhí)行其他程序，一旦外設為數(shù)據(jù)交換準備就緒，可以向CPU提出服務請求，CPU如果響應該請求，便暫時停止當前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行與該請求對應的服務程序，完成后，再繼續(xù)執(zhí)行原來被中斷的程序。

中斷處理方式的優(yōu)點是顯而易見的，它不但為CPU省去了查詢外設狀態(tài)和等待外設就緒所花費的時間，提高了CPU的工作效率，還滿足了外設的實時要求。但需要為每個I/O設備分配一個中斷請求號和相應的中斷服務程序，此外還需要一個中斷控制器（I/O接口芯片）管理I/O設備提出的中斷請求，例如設置中斷屏蔽、中斷請求優(yōu)先級等。

此外，中斷處理方式的缺點是每傳送一個字符都要進行中斷，啟動中斷控制器，還要保留和恢復現(xiàn)場以便能繼續(xù)原程序的執(zhí)行，花費的工作量很大，這樣如果需要大量數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)的性能會很低。

（3）DMA（直接存儲器存取）傳送方式

DMA最明顯的一個特點是它不是用軟件而是采用一個專門的控制器來控制內(nèi)存與外設之間的數(shù)據(jù)交流，無須CPU介入，大大提高CPU的工作效率。

在進行DMA數(shù)據(jù)傳送之前，DMA控制器會向CPU申請總線控制 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，總線控制權(quán)由DMA控制器掌握，在傳輸結(jié)束后，DMA控制器將總線控制權(quán)交還給CPU。

（4）無條件傳送方式

（5）I/O通道方式

（6）I/O處理機方式

工業(yè)控制網(wǎng)絡

工業(yè)控制網(wǎng)絡一般為局域網(wǎng)，作用范圍一般在幾km之內(nèi)。將分布在生產(chǎn)裝置周圍的測控設備連接為功能各異的自動化系統(tǒng)。控制網(wǎng)絡遍布在工廠的生產(chǎn)車間、裝配流水線、溫室、糧庫、堤壩、隧道、各種交通管系統(tǒng)、建筑、軍工、消防、環(huán)境檢測、樓宇家居等處。

工業(yè)控制網(wǎng)絡的節(jié)點

工業(yè)控制網(wǎng)絡的節(jié)點大都是具有計算與通信能力的測量設備。它們可能具有嵌入式CPU，但功能比較單一，其計算能力也許遠不及普通PC，也沒有鍵盤、顯示等人機交互接口。有的甚至不帶CPU、單片機，只帶有簡單的通信接口，例如限位開關(guān)、感應開關(guān)等各類開關(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)絡的任務與工作環(huán)境

工業(yè)控制網(wǎng)絡要面臨工業(yè)生產(chǎn)的強電磁干擾，面臨各種機械振動，面臨嚴寒酷暑的野外工作環(huán)境，要去控制網(wǎng)絡能適應這種惡劣的工作環(huán)境。另外，自控設備千差萬別，實現(xiàn)控制網(wǎng)絡的互聯(lián)與互操作往往十分困難。

控制網(wǎng)絡的實時性要求

控制網(wǎng)絡必須滿足對控制的實時性要求。實時控制對某些變量的數(shù)據(jù)往往要求準確定時刷新，控制作用必須在一定時限內(nèi)完成，或者相關(guān)的控制動作一定要按事項規(guī)定的先后順序完成[1]。

現(xiàn)場接口分類

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

（1）平臺相關(guān)性通用協(xié)議：OPC/ DDE

OPC 是為了不同供應廠商的設備和應用程序之間的軟件接口標準化，使其間的數(shù)據(jù)交換更加簡單化的目的而提出的。作為結(jié)果，從而可以向用戶提供不依靠于特定開發(fā)語言和開發(fā)環(huán)境的可以自由組合使用的過程控制軟件組件產(chǎn)品。

（2）平臺無關(guān)性通訊協(xié)議：ModBus、ProfiBus

Modbus 協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言。 通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡（例如以太網(wǎng)）和其它設備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標準。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行集中監(jiān)控。Profibus，是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。 Profibus 傳送速度可在 9．6kbaud～12Mbaud 范圍內(nèi)選擇且當總線系統(tǒng)啟動時， 所有連接到總線上的裝置應該被設成相同的速度。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動化。Profibus是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)。

（3）平臺無關(guān)專有協(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)場總線標準，但沒有任何一種標準比工業(yè)以太網(wǎng)更具生命力[2]。

各種現(xiàn)場總線/協(xié)議/接口總結(jié)[3]

比如：

Beckhoff的CX9000通過總線耦合器可以接出去多種總線：

EtherCAT可以集成很多現(xiàn)場總線：

類似的擴展其他總線的實物圖是：

可以看到上面擴展出來的幾個總線是：

Profibus

Profinet

CANopen

DeviceNet

參考文獻：

[1] 陽憲惠. 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應用[M]. 清華大學出版社, 2008.

[2] 張云. 工業(yè)控制實時數(shù)據(jù)庫的接口協(xié)議研究[J]. 工業(yè)控制計算機, 2011(09):18-19.

[3] 工業(yè)自動化領(lǐng)域各種總線+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.