I/O性能论文

I/O性能论文（精选9篇）

I/O性能论文 第1篇

本文所研究的服务器采用了IOCP(I/O Completion Port)技术,该技术可以在不丧失系统整体性能的前提下,有效解决成百上千个客户端连接的问题。IOCP技术对于“一个客户端一个线程”的技术瓶颈问题提出了一个有效地解决方案:只需要用到少量的处理线程和异步I/O处理函数。与此同时,基于IOCP技术的服务器会随着cpu数量的增加而线性的提升系统的整体性能。本文主要阐述了IOCP技术的原理,并进一步探讨IOCP的特性、开发技术、难点和为性能的提高而提出若干解决芳案,从而有效地利用系统资源、为高性能服务器的开发提供全面的支持,并已在某系统的服务器的通信的实际应用项目中实现了海量客户服务需求。

1 IOCP技术原理

IOCP(I/O Completion Port)又称为I/O完成端口,是Microsoft提供的用于Windows上高效处理各种设备I/O的一种机制,设备可以是文件、命名管道、套接字、串口、并口等。I/O完成端口是基于这样一个理论基础:并行运行的线程数目必须有一个上限,这是因为一旦运行的线程数目超过cpu的数目,系统就必须花费时间来进行线程上下文的切换,这样会浪费cpu周期[1]。如果应用程序在初始化时创建了一个线程池,而且这些线程在应用程序执行期间是空闲的,应用程序的性能就能进一步提高。而完成端口本身就是使用了线程池技术。完成端口模型的原理图如图1所示。

完成端口要求创建一个win32完成端口对象来对重叠I/O请求进行管理,并通过创建一定量的工作线程来为已经完成的重叠I/O请求提供服务。我们可以把完成端口看成系统维护的一个队列,由于是“操作完成”的事件通知,故取名为“完成端口”[2]。

1.1 套接字I/O模型

共有五种类型的套接字I/O模型,可以让Winsock应用程序对I/O进行管理,包括:Select(选择)模型、WSAAsync Select(异步选择)模型、WSAEvent Select(事件选择)模型、Overlapped(重叠)模型以及Completion Port(完成端口)模型。这里主要介绍Completion Port模型,其它模型本文不再赘述。

Completion Port模型是迄今为止最为复杂的一种I/O模型。从本质上说,完成端口模型要求我们创建一个Win32完成端口对象,通过指定数量的线程,对重叠I/O请求进行管理,以便为已经完成的重叠I/O请求提供服务。当你需要处理海量套接字连接,并且希望系统的系能随着cpu数量的增加而线性提升时,完成端口模型是你的最佳选择。

1.2 重叠I/O

完成端口的设计原理是让应用程序使用重叠的数据结构,一次投递一个或多个I/O请求,当这些请求完成后,应用程序可以为他们提供服务。这就要求我们在使用完成端口时必须要使用重叠I/O。重叠I/O,即当I/O功能调用时,不论I/O是否完成,函数马上返回,由操作系统底层处理I/O的实际工作,而应用程序(进程)可以继续做其它事情。因而,完成端口是处理完成重叠I/O的一种高效的机制。

1.3 完成端口

1.3.1 I/O完成通知

完成端口维护一个完成通知队列。重叠I/O操作完成后系统会把已完成的重叠I/O请求通知放入该队列队尾。

1.3.2 工作线程

成功创建一个完成端口后,便可以开始将套接字句柄与完成端口对象关联到一起。但在关联套接字之前,首先必须创建一个或多个工作线程,以便在I/O请求投递给完成端口对象后,为完成端口提供服务[3]。工作线程的个数取决于应用程序的总体设计情况。创建的工作线程由完成端口管理。当有I/O完成通知到来,则由完成端口唤醒一个工作线程接收I/O完成通知,并对其进行处理。完成端口自动对工作线程进行调度,唤醒哪个工作线程则由完成端口决定。若无I/O完成通知,则所有的工作线程都在等待。

需要注意的是,完成端口对工作线程的管理具有一定的原则:首先在创建完成端口时要指定最大并发线程数,一般情况是一个处理器对应一个线程,而工作线程的数量大于或等于最大并发线程数。考虑到线程会进入挂起的状态,为了让应有程序有足够的工作线程为I/O请求服务,一般创建工作线程的个数为cpu个数的两倍。

2 IOCP服务器难点及其实现

由于IOCP是以Windows NT为基础的操作系统推出的内核高级处理机制,并利用该机制对Winsock的通信进行管理,所以IOCP机制的实现与Microsoft系列的技术联系甚为紧密。笔者将在接下来的篇幅中剖析IOCP机制基于C#语言的实现方法,以及针对在实现IOCP服务器过程中可能会遇到的一些难点进行分析。

2.1 服务器实现

IOCP服务器的流程如图2所示。

I/O完成端口的主线程处理流程和代码大致如下:

1)利用Create Io Completion Port函数创建一个完成端口。其中Create Io Completion Port函数的第四个参数设为0。

2)判断系统内安装的处理器个数。

3)创建工作线程,根据步骤2)得到的处理器信息,在完成端口上为已完成的I/O请求提供服务。

4)准备好一个监听套接字,并在制定端口上监听进入的连接请求。

5)主线程循环调用accept函数等待客户端的连接请求。

6)创建一个数据结构,用于容纳“单句柄数据”,同时在结构中存入接受的套接字句柄。

7)调用Create Io Completion Port函数,将自accept函数返回的新套接字句柄同完成端口关联到一起。通过Create Io Completion Por函数的完成键(Completion Key)参数,将单句柄数据结构传递给Create Io Completion Port函数。

8)开始在已接受的连接上进行I/O操作。在此,我们希望通过重叠I/O机制,在新建的套接字上投递一个或多个异步WSARecv或WSASend请求。这些I/O请求完成后,一个工作线程会为I/O请求提供服务,同时继续处理未来的I/O请求。

重复步骤5)8),直至服务器停止或中止。

2.2 IOCP服务器设计的技术难点

进行IOCP服务器设计的时经常会遇到一些问题,而其中的一些问题却不是那么直观的。这些难点主要包括WSAENOBUGS错误问题、数据包重排序问题以及对内存资源的释放问题这几个方面。

2.2.1 WSAENOBUGS错误问题

每次进行重叠发送或接收操作时,被提交的数据缓冲区都是要被锁住的。当内存锁住时,这个缓冲区就不能被换页到物理内存外。而一个操作系统限制了可以被锁住的内存大小,当超出了限制范围,重叠操作就会因为WSAENOBUGS错误而失败[4]。

如果一个服务器在每个连接上进行了许多重叠的receive操作,那么限制会随着连接数的增长而变化。如果一个服务器能够预先估计可能产生的最大并发连接数,服务器可以投递一个使用零缓冲区的receive操作到每一个连接上。因为当提交的操作没有缓冲区时,那么也就不会存在内存被锁定的问题。在使用这种办法后,当你的receive操作事件完成并返回时,该socket底层缓冲区的数据会原封不动的留在其中,而不会被读取到receive操作的缓冲区中。此时,服务器可以简单的调用非阻塞式接收将socket缓冲区中的数据全部读出来,直到返回WSAEWOULDBLOCK为止。这种设计非常适合那些可以牺牲数据吞吐量而换取巨大并发连接数的服务器。当然,也需要意识到如何让客户端的行为尽量避免对服务器造成影响。因此,提出以下两种解决方法:

1)投递使用空缓冲区的receive操作,当操作返回后,使用非阻塞式recv函数进行真实数据的读取。因此在完成端口的每一个连接中需要使用一个循环的操作来不断提交空缓冲区的receive操作。

2)在投递一个普通含有缓冲区的receive操作后,紧接着开始循环投递一个空缓冲区的receive操作。这样保证他们按照投递顺序依次返回,这样我们就总能对被锁定的内存进行解锁。

2.2.2 数据包重排序问题

虽然I/O完成端口的提交操作总是按照它们被提交的顺序完成,但线程调度安排可能使绑定到完成端口的实际工作不按指定的顺序来处理[5]。例如,假设有两个IO工作线程,应该要接收到的数据应该是“字块1,字块2,字块3”,但可能接收到的数据顺序是“字块2,字块1,字块3”。这就意味着通过I/O完成端口进行数据发送时,数据可能会被以另外的顺序进行发送。

一个实际的解决方法是添加一个顺序号给buffer类,如果缓冲区顺序号正确,则处理缓冲区中的数据。而顺序号不正确的缓冲区必须保存下来以便以后用到,因为性能的原因,我们将这些缓冲区保存到一个hash map对象中。

2.2.3 内存资源的释放问题

在进行IOCP服务器开发时,经常会遇到的一个难题就是与socket相关的缓冲区释放不当带来的错误,这种错误通常是由于多次对同一个指针执行了删除操作引起的。例如在执行异步接收或者异步发送函数后返回了非IOPENDING的错误时,就需要对这种错误进行处理。通常情况下,我们会执行下面这两步操作:1)释放此次操作所使用的缓冲区;2)关闭当前操作所使用的socket资源。然而,我们完全有可能在工作线程中的Get Queued Completion Status函数返回false时也进行了上述两部相同的操作。此时,系统就会对同一缓冲区进行重复释放,这就是错误产生的原因。针对前述情况,可以通过在clientsock的对象设计机制上使释放操作归一化。比如在进行异步发送或者异步接收操作时发生了非IOPENDING错误,此时并不释放资源,而是通过Post Queued Completion Status函数向完成端口抛出一条特殊标志的信息,这个特殊标志的信息可以通过Get Queued Completion Status函数的第二个参数:即传送字节来表示,我们可以选择任何一个不可能出现的值,比如说一个跟它的初始值不相等的负数。经过这样的机制处理后,便可以将各种需要释放内存资源的情况统一到Get Queued Completion Status函数上来处理。因此,需要执行释放的逻辑有:

1)Get Queued Completion Status函数返回值为FALSE;

2)传送的字节数为0;

3)Get Queued Completion Status函数接收到Post Queued Completion Status函数投递的特殊标志信息。

3 服务器性能的提升

前面有提到完成端口的最大优点在于它管理海量连接时的处理效率,这里需要注意的是完成端口使用在需要管理的连接量巨大,并且每个连接上收发的数据包比较小的情况下最为合适。因此,我们对完成端口的优化首先应该放在海量连接的相关管理上。为此,我们引入“池”的概念。

在完成端口的设计中。“池”几乎是必须采用的原则[6]。“池”包含了多个方面,主要有线程池,内存池,连接池等等。我们知道,在大型在线系统中,数据空间的频繁创建和释放时相当占用系统资源的。为此,我们在数据空间的管理上引入内存池。根据完成端口的原理,在每次异步发送或者异步接收操作时,我们都要投递单IO操作数据。而单IO操作数据空间的创建和释放,可以有以下几种方式:

1)每次执行异步发送和异步接收操作时都声明一个新的单IO操作数据空间,在完成端口处理完后在工作线程中销毁;

2)只有在每出现一个新连接时,我们才随新连接建立一个新的单IO操作数据空间,将它与新的客户端socket绑定在一起,只有当客户端socket关闭时菜将它与客户端对象一起销毁;

3)建立一定量的单IO操作数据空间,并将其统一放入一个空闲队列,不管何时需要单IO操作数据空间,都首先从空闲队列中取;如果此时空闲队列中元素为空,则新建立一个单IO操作数据空间。用完后再将其放回空闲队列。

从执行效率以及系统整体系能来考虑,采用方法3)来管理这些空闲单IO操作数据空间最为合适。

我们在使用传统的accept函数接收客户端的一个连接后,这个函数会返回一个创建成功的客户端socket。这就是说,每次连接请求到来后,系统才会去创建新的客户端socket。可以想象当有大量客户端连接到来时,服务器就必须逐一的为他们创建客户端socket,这样势必会占用比较多的系统资源。幸运的是,Windows给我们提供了一个accept Ex函数,它允许我们在接受连接之前就先创建好客户端socket,并在接受连接的时候把它和客户端关联在一起。我们就可以事先创建适量的socket,并作为链表来管理。当有客户端连接请求时,首先从链表中取个空闲的socket使之与客户端相关联,当客户端关闭的时候再把socket插入到链表末尾。这样一来,便可以对客户端连接进行高效的管理了。

4 结束语

在为安徽某公司设计的造气炉控制系统服务器的通信模块中,采用了I/O完成端口技术,经过压力测试,实现了6500人同时在线的项目需求。

此外,IOCP架构也有以下特点[7]:

1)模型的普遍性。该模型还支持串行和无线的终端设备。此外,它也可以用于设计相似设备的平台软件。

2)技术的通用性。基于IOCP机制的windows平台可以被基于Linux平台的EPOLL机制取代,ADO和ODBC技术同样可以被JDO和JDBC技术取代。

3)平台的独立性。无论是EPOLL机制,JDO或者JDBC技术还是Web服务技术,都是独立于平台的技术,因此这种模型也是独立于平台的。

与其它套接字I/O模型相比,完成端口在管理海量并发用户连接请求方面具有巨大优势,这种优势随着系统CPU数量的增加而愈发明显。因此,对于开发大量客户端连接的网络应用服务器来说,基于完成端口技术的服务器设计是一个很好的解决方案。

摘要：该文介绍了I/O完成端口机制,并提出了基于I/O完成端口机制的高性能服务器设计的一种方法。改文所设计的高性能服务器能够处理海量套接字连接请求,保证了数据通信的高效性,很好的解决了像网络游戏服务器、web服务器以及代理服务器这些爆发式客户端连接的问题。经过压力测试,该IOCP服务器达到了6500客户端同时在线的负载标准。

关键词：套接字,I/O完成端口,套接字I/O模型,重叠I/O,服务器

参考文献

[1]盛利,刘旭.用完成端口管理Windows Socket应用技术[J].现代计算机,2001(7):39-43.

[2]史美林,向勇,杨光信.计算机支持的协同工作理论与应用[M].北京:电子工业出版社,2000:213.

[3]Jim Ohlund,Anthony Jones,and James Ohlund,Network Programming for Microsoft Windows[M].Microsoft Press,Feb13,2002:172.

[4]Gyu-baek Kim,An Effective Processing Server for Various Database Operations of Large-scale On-line Games[C].IaSTED Interna-tional Conference on Information and Knowledge Sharing,Arizona,U.S.A,2003,1:188-192

[5]Leland W E.On the self-similar nature of Ethernet traffic[C].IEEE/ACM Transactions on Networking,1994,2:1-15.

[6]吴永明,何迪.基于完成端口的服务器底层通信模块设计[J].信息技术,2007(3):115-118.

Python 文件I/O 第2篇

Python提供了必要的函数和方法进行默认情况下的文件基本操作。你可以用file对象做大部分的文件操作。

open函数

你必须先用Python内置的open()函数打开一个文件，创建一个file对象，相关的辅助方法才可以调用它进行读写。

语法：

file bject = open(file_name [, access_mode][, buffering])

各个参数的细节如下：

file_name：file_name变量是一个包含了你要访问的文件名称的字符串值。

access_mode：access_mode决定了打开文件的模式：只读，写入，追加等。所有可取值见如下的完全列表。这个参数是非强制的，默认文件访问模式为只读(r)。

buffering:如果buffering的值被设为0，就不会有寄存。如果buffering的值取1，访问文件时会寄存行。如果将buffering的值设为大于1的整数，表明了这就是的寄存区的缓冲大小。如果取负值，寄存区的缓冲大小则为系统默认。

不同模式打开文件的完全列表：

产品调查:I/O模块 第3篇

需求量最大的I/O模块具有数字化和模拟功能。通过设计方案,I/O可插入基座或机架、使更多的I/O点进行对齐,并能同时将数字化和模拟功能组合使用。AutomationDirect公司的PLC、I/O和电脑控制产品经理Jeff Payne认为,在外壳内使用、诊断功能、光隔离功能和易于扩展等功能也颇受欢迎。在预算内将用于特定用途的离散、模拟和高速I/O功能相结合是一个关键的挑战。Payne说,供应商应提供为32个和64个点的高密度I/O,通过更严格的设计为用户节省成本。

例如,Ingersoll控制工程经理Gary Munger称,Ingersoll CM系统公司的新一代深圆角滚压机的成本比以前的I/O模块减少了60%。节省成本的同时,还减少了部件和使用了更经济BallufflO-Link集线器。Munger认为通过减少部件也能降低发生故障的可能性。

被调查者表示,可编程逻辑控制器可用于大多数I/O连接器。其用量比处于第二位的分布式控制系统(DCS)或流程自动化系统(PAS)多出2倍。供应商的应对措施是扩展连接器的功能。Omega工程公司称,该公司的通用远程I/O模块可与所有PLC相连接,并采用菊链式连接将31个I/O模块连接在每个RS-485上。它们可安装于DIN导轨上,具有光隔离功能,其尺寸为0.69-in.3.94-in.4.72-in.(17.5100120mm),适用于小型面板。

你是否用智能嵌入式微处理器I/O模块(装有内嵌式微处理器)替代其它控制器(例如PLC、PAC和循环控制器)?

你需要将I/O系统用于支持哪些网络?(请查看以下所有功能)

被调查者表示,工业以太网和以太网的连接器用于半数以上的网络协议其次是现场总线、设备级和传感器级别的网络,以及无线网络。据称,无线设计还能解决其他问题。

西门子称,西门子工业公司生产的Simatic ET 200pro IWLAN通过任何I/O站和模块进行无线连接,大大减少了通讯电缆与安装费用。坚固耐用的IP67级设计可加载在机器设备上,且无须采用电器外壳。

近三分之一(30%)的被调查者表示,他们使用有嵌入式智能的I/O模块取代其它控制器。伊顿逻辑控制器(ELC)采用的新型I/O,包含了可采用分散式I/O的智能I/O适配器模块,且只需要有限的本地逻辑控制输出。ELC的分散式I/O可通过以太网/IP和Modbus TCP以太网协议,以及Modbus RS-485和DeviceNet进行通信。

关于开发读写设备的计划

被调查者的读写设备包括供应商、价格、质量、生命周期、网络、电源和接地,以及测试等内容。一位被调查者称,应使所有人尽早参与选用过程,并使该过程简化。另外还要为备用I/O和插槽预留空间。另一位被调查者称,应为接线和标记线制定标准,并观察其转换率,从而确保其符合控制要求。通过寻觅分散功能,使I/O靠近使用点,并尽量减少安装和调试时间。

研究设备的用途、位置、客户要求和未来的扩展计划。为设备定径时,确定如何在图纸中查看已完成的控制项目、识别物理点、区分点类型和使用的信号,与现有物理点进行比较,并增设必要的控制硬件将其余点连接起来。

一位被调查者说,在联网和诊断方面“在I/O和连接的设备之间进行寻址是最大的问题。看来,几乎所有供应商都有自己的寻址方案。所以要仔细使用并要考虑到设备间的兼容性和通信的容易程度。”

远程I/O在简化配置、更新速度(现在可实时更新)和成本效益方面取得了长足的进步。另一位被调查者认为,可利用新协议的优势从事研究,尤其是基于以太网的研究。Wago-I/O-System的产品经理Charlie Norz认为,与I/O模块有关的迫切问题主要是关于协议的兼容性、为多种类型I/O的设备节点的功能,以及I/O模块的尺寸等。有些产品在用于通信时,采用的协议数超过16个,并可节省机内的储存空间。

关于生命周期问题,被调查者表示要为今后预留扩展空间,而且要检查现有机型可用于生产和提供支持的时间。另外,还要确保在为应用工程提供支持和编制文件时采用当地语言。种类多样的I/O具有优先权。用于国际标准化编程的IEC-61131-3的优先权更高。ABB公司称其生产的AC500-eCo I/O模块易于维护,具有多种扩展模块和采用IEC 61131-3标准的控制器。

用线性电源代替开关电源,可避免电源和接地时产生的噪音问题。I/O应能进行热插拔,连接后无需下载文件,通道之间相互隔离,与G3具有兼容性,而且功耗较少。Dataforth公司的全国销售经理Bill McGovern说,“通过隔离可消除接地回路,在电压过高时提供防护措施。而噪音过滤,可消除I/O信号中不必要的频率。”

8086的I／O写周期 第4篇

8086在执行输出指令时进入I／0写周期，在I／O写周期中将指定寄存器的内容输出到指定的I／O端口，图2．1l是I／O写周期的时序图。I／O写周期和存储器写周期基本相同，

区别在于两点，一是M／在I／O写周期内为低电平，表示当前进行的是I／0操作；二是I／0端口的地址只有16位，因此图2．11中T1、T2期间没有出现A19～A16。

I/O性能论文 第5篇

1 虚拟地址映射

对外设进行I/O操作即读写外设的寄存器,WinCE系统启动后,无法直接访问其物理地址,因此,我们要理解WindowsCE下的虚拟地址映射。

在WindowsCE中有两种类型的地址:物理地址和映射的虚拟地址[1]。

物理地址是需要被操作系统访问的实际的RAM或设备存储器,它由来自于CPU的物理地址定义,一旦MMU启动,CPU就不能直接访问。内核只能管理512MB的物理内存。

不同架构的CPU硬件上的区别导致虚拟地址映射也不同。SHx和MIPS处理器,不采用MMU,在CPU和内核里定义1G的物理地址,能对其直接进行操作;而ARM和X 86带有MMU单元,在OEMAddressTable中定义物理地址到虚拟地址间的映射关系或者是操作系统启动后调用函数CreateStaticMapping和NKCreateStaticMapping来实现从虚拟地址到物理地址的静态映射。经过静态映射的地址,可以由操作系统内核用于ISR(InterruptServiceRoutine)访问设备。如果我们要在应用程序中访问外设,必须在物理地址和虚拟地址间建立动态映射关系,我们可以使用VirtualAlloc和VirtualCopy(或者直接调用MmmapIoSpace函数)来实现。

静态映射允许OAL,尤其是中断服务历程ISR访问连接到系统的设备。物理的内存块在被映射到虚拟地址空间时,通常被映射两次,分别映射到两个不同的区域,位于512MB使用缓冲(Cached)的区域和512MB不使用缓冲(Uncached)的区域,如图1所示。OEMAddressTable负责创建第一个基于Cached的映射,而操作系统负责自动创建第二个基于Uncached的映射。

如果是操作通过总线挂接的I/O或者存储器,必须先把总线地址转化成CPU上的系统地址,再做物理地址到虚拟地址的映射。这里需要查CPU的Datasheet,找出所要操作的I/O地址。先调用HAL-TranslateBusAddress()把总线地址转化成CPU上的系统地址,再调用MmmapIoSpace函数实现虚实映射;也可以使用TransBusAddrToVirtual()直接把总线上的地址转化成系统的虚拟地址。

在一般的应用程序中访问I/O是访问它的缓存段虚拟地址,而驱动中必须访问无缓存段虚拟地址。缓存段虚拟地址与无缓存段虚拟地址之间的偏移量为0x20000000,即无缓存段虚拟地址=缓存段虚拟地址+0x20000000。

2 关键函数

在动态虚拟地址的映射过程中,需要用到以下3个函数:VirtualAlloc、VirtualCopy、VirtualFree。

VirtualAlloc用于在当前进程的虚拟地址空间中保留或者提交空间,在保留时以64kB为单位,提交时以4kB为单位。其函数原型为

这里需要注意的是fdwProtect参数。如果是驱动程序访问,需要设置为PAGE NOCACHE,以访问无缓存段虚拟地址。如果映射的物理地址范围在0x1FFFFFFF之上,必须使用PAGE PHYSICAL,此时必须把lpvSrc右移八位,实现地址对齐。(这是由内核中VirtualCopy的实现决定的,在那个函数中会判断如果是PAGE PHYSICAL就将PHYSADDR左移8位移回来,源代码位于private/winceos/coreos/nk/kernel目录下的virtmem.c中的DoVirtual-Copy)

3 实例操作

以S3C 2440为例,GPIO的基地址为0x56000000,映射到虚拟地址空间为0xB 1600000,通过对这段虚拟地址空间的操作,就能够完成对GPIO或者其他片内资源的控制、输入输出工作。

(1)首先在BSP中的s2440.h文件,找到虚拟地址映射以及操作GPIO的寄存器结构体(这个在自己制作一些特殊设备的BSP时,会依据需要而发生更改)。

(2)在EVC中建立一个应用程序工程,由于VirtualCopy函数没有在头文件中定义,但是在coredll.lib里面提供了符号连接,所以我们在工程头文件中直接添加一个函数定义就可以了。

v pIOPRegs->rGPFCON=0x5555;

这3个步骤之后,对v pIOPRegs的操作将直接和GPIO的寄存器关联。例如:设置GPF的控制寄存器为全部Output

v pIOPRegs->rGPFDAT=0xFF;

4 结束语

WindowsCE作为实时嵌入式窗口操作系统,是当今应用最多、增长最快的嵌入式操作系统。研究其I/O操作方法,对进一步深入开发具有一定的指导意义。

摘要：介绍Windows CE系统的虚拟地址映射机制,以I/O操作为基础,通用性较强。对关键函数进行了说明,并以S3C2440为例详细介绍了GPIO的操作步骤。

关键词：Windows CE,地址映射,I/O操作

参考文献

[1]张冬泉,谭南林,王雪梅,等.Windows CE实用开发技术.北京:电子工业出版社,2006

I/O性能论文 第6篇

随着微电子工业和半导体加工技术的不断发展，集成电路的规模不断增大。这使得将复杂系统集成在单个芯片上成为可能，于是便出现了片上系统SOC(System on a Chip)。SOC极大地缩小了系统体积;SOC减少了板级系统SOB(System on Board)中芯片与芯片之间的互连延时，从而提高了系统的性能;SOC采用基于IP(Intellectual Property)核的设计(Core-based Design)，它允许在芯片设计过程中复用(Reuse)已经经过验证的高性能的IP核，从而提高了设计效率[1]。FPGA的飞速发展为SOC的发展开辟了新的方向SOPC(System On a Programmable Chip)。对于比较复杂的系统，仅仅使用基于硬件的FPGA对其进行协调控制还是比较困难的，因此通常把一个微处理器内核嵌入到FPGA芯片中，采用软硬件协同设计的技术，不仅使得对设备的控制更加灵活，调试也更加方便，并缩短了开发周期。

MicroBlaze是由Xilinx公司推出的一款32位RISC微处理器IP核，具有很高的可配置度，可以将外部存储器，液晶显示屏、键盘接口等外部设备连接在一起并协调它们的工作，适合设计针对网络、电信、数据通信等应用背景的复杂嵌入式系统。

本文以嵌入式I/O系统为例，介绍了基于MicroBlaze进行嵌入式系统设计开发的方法，给出了一种输入/输出系统的设计实现方案，分析了其开发流程，并讨论了设计开发过程中相应的软硬件设计问题。

2．嵌入式I/O系统总体设计

2.1 MicroBlaze的体系结构

MicroBlaze采用功能强大的32位流水线结构，包含32个32位通用寄存器和1个可选的32位移位器，时钟频率可达150 MHz[3]。MicroBlaze软核的结构框图如图1所示。它具有以下基本特征：

(1)32个32位通用寄存器和2个专用寄存器(程序计数器和状态标志寄存器)。

(2)32位指令系统，支持3个操作数和2种寻址方式。

(3)分离的32位指令和数据总线，符合IBM的OPB总线规范(与外设相连接的低速总线)。

(4)通过本地存储器总线(LMB，本地高速总线)直接访问片内块存储器(BRAM)。

(5)具有高速的指令和数据缓存(cache)，三级流水线结构(取址、译码、执行)。

(6)具有硬件调试模块(MDM)。

(7)带8个输入和8个输出快速链路接口(FSL)。

2.2 MicroBlaze嵌入式开发工具EDK

Xilinx公司提供了完善的嵌入式开发工具EDK(Embedded Development Kit)。EDK是Xilinx公司于2003年推出的SOPC系统开发套件。该套件集成了丰富的开发工具和大量的IP核资源，其中集成的工具包括硬件平台生成器(Plat Gen)、硬件仿真模型生成器(Sim Gen)、硬件调试工具(XMD)、软件库生成器(Lib Gen)、应用软件编译工具(GNU Compilers)、软件调试工具(GNU Debuggers)等;IP核资源包括LMB和OPB总线接口、外部存储器控制器(EMC)、SDRAM控制器、UART接口、中断控制器、定时器等[2]。

所有这些工具和资源都由EDK中的XPS(Xilinx Platform Studio)集成开发环境统一管理。XPS提供一个友好的图形用户界面(GUI)，使用非常方便。

2.3 系统的设计开发流程

在嵌入式系统的开发中，软硬件协同设计的方法可以降低开发成本，缩短开发时间，并使得设计更加灵活，从而逐步取代了传统的设计流程。其中涉及到的关键问题是系统资源的规划和利用，所以在系统设计前首先要考虑系统功能的软硬件划分，清楚地界定系统内部各项功能的最终实现形式;而在进行软硬件分割时，若想达到系统性能的最佳化，就必须考虑到各功能部件之间数据交换的性能以及不同功能部件之间的同步，确保系统在执行时能满足所需的时间约束(timing constraint)[3]。

EDK工具包括XPS工具和SDK工具，XPS工具完成主要软/硬件设计调试工作，SDK工具用于设计和调试应用软件。ISE工具，用于混合编程和定制IP核。ChipScope Pro工具，用于在线调试硬件系统。第三方工具，如Modelsim工具，用于仿真硬件系统。

在本系统的设计开发过程中就采用了软硬件协同设计的方法，其流程如图2所示。

3．系统的关键硬件模块实现

3.1 44键盘模块的硬件实现

键盘是计算机系统中最常用的人机交互输入设备，然而在应用中都采用通用的键盘扫描器件是不现实的，需要单独设计成专用的小键盘。

(1)44键盘工作原理

44键盘的工作原理如图3所示，其中P0～P3为输出口，P4～P7为输入口。无按键按下时，输入口被上拉为高电平。输出口以一定频率循环输出0111、1011、1101、1110。通过读输入口的状态，便可判断击键情况。键盘扫描电路键盘上的每一个按键其实是一个开关电路，当某键被按下时，该按键的接点会呈现逻辑0状态，反之，未被按下时则呈现逻辑1的状态。当尚未按下键盘时，依据表1所示编码方式逐一扫描键盘按键，键盘输入到按键检测电路的值均为1，使键盘无论扫描哪个键时，都检测到尚未按下键盘;当使用者按下键盘按钮，则键盘输入到按键检测电路的值为0，直到键盘扫描到此键时，检测到已按键。

(2）按键的去抖动问题

按键大多是机械式开关结构，在开关切换的瞬间会在接触点出现抖动的现象。因此，必须加上抖动消除电路。如果要防抖动，就不能用时钟去检测按键的按下状态，而要去检测按键按下或者抬起的边沿。例如按键按下的时候就检测与按键连接的FPGA管脚的下降沿，按键松开的时候就检测与按键连接的FPGA管脚的上升沿。这样就可以不用理会按键按下的时间长度，根据按键按下或者抬起的次数来确定计数。

(3）硬件实现

虽然EDK提供的IP核非常丰富，但不可能满足所有用户的需求，根据实际需求定制IP核是嵌入式设计中常需要的，也是实现“量身定制”系统的前提。EDK工具提供了简单的界面帮助用户完成IP核定制过程，其中非常重要的方式是通过IPIF接口定制IP核。IPIF(IP Interface)是EDK提供的标准IP接口，允许用户在系统内总线上构建自己的IP核，用户只需关注自己想要的功能逻辑，EDK工具会根据用户选择的总线方式实现相应的总线接口逻辑，合成完整的IP核模块[4]。

在接口电路设计中，我们使用IPIF接口定制一个KEY_IP核，用于对键盘进行扫描进而采样键盘输出，最终生成扫描码以及产生中断请求。键盘扫描信号频率只需在几百赫兹左右即可，实现时将50MHZ OPB总线频率分频，上升沿循环扫描，下降沿采样，根据采样结果生成扫描码。

考虑到机械式按键的不稳定性，需要对扫描结果进行防抖处理，故在扫描到有键按下时启动一个计数器，计数若干次同一键被扫描到后，即可认为此键已被人为按下，将其存储于本地寄存器后，产生一个中断请求通知CPU调度键盘中断处理程序。

3.2 LCD液晶显示模块的硬件实现

(1）工作原理

TS1620-1 LCD为162字符型液晶显示器，可显示两行，每行可显示16个字符，通过发送指令，可配置成不同模式。接口部分有1个8位的数据寄存器、1个8位的指令寄存器、一个7位的地址计数(AC)寄存器和1位的忙标志(BF);指令寄存器用于控制LCD内部电路，完成LCD读写、扫描、显示等功能;数据寄存器用于暂存LCD与外部数据的通信数据。基本操作时序如下：

1）读状态：

RW=H,RS=L,E在读状态期间应保持高电平;

2）读数据：

RW=H,RS=H,E在读数据期间应保持高电平;

3）写指令：

RW=L,RS=L,D0-D7指令码，E在指令码稳定后要产生一个下降沿触发LCD执行此指令;

4）写数据：

RW=L,RS=H,D0～D7为待写数据，E在指令码稳定后要产生一个下降沿触发LCD执行此指令;

AC6～AC0的值为CGRAM还是DDRAM地址取决于最近一次向AC写入的是DDRAM还是CGRAM地址。地址只有7位，在进行传的时候，要并上DB7，组成8位一并传，状态同样通过D0～D7读出，格式如表2所示。

(2）硬件实现

在接口电路的设计中，我们使用IPIF接口定制一个LCD_IP核，通过OPB总线对显示设备进行控制和数据传输。LCD_IP与液晶显示模块之间需要连接的主要有数据线和控制信号线，如图4所示，具体为：RS、R/W、EN、DB7-DB0共11位。

Data_I与数据端口连接，负责采集液晶的状态数据。Data_O与数据端口连接，负责将控制指令和显示数据送至液晶。用DataCmdSelect、Execute、Data_T分别控制EN、RS、R/W信号，通过对这些引脚的组合控制，按照一定的时序关系实现对LCD的控制。

LCD_IP核中需要实现以下四种操作：

(1）读状态：

检测忙标志以及AC的值;

(2）读数据：

读出最近一次由DDRAM地址设置指令处DDRAM单元的内容;

(3）写指令：

设置LCD的工作模式、AC值以及显示方式等;

(4）写数据：

向LCD的DDRAM写入要显示的数据，写之前需要设置DDRAM地址;

四种操作中除读状态外都需对忙标志位检测;若BF为高电平，则LCD正在工作中，此时LCD接口部分被锁定，任何指令都将不处理，故需等待知道BF为低时方可进行下一个操作。

在IP核模板的基础上，用周期计数延时获得读、写操作时序，将指令直接传送至LCD，读写操作在IP核中占用几个总线周期，为了防止应用软件在发送指令期间再次发送新指令，IP核提供一个标志位供应用软件读取，以指示是否正在进行读写操作，若是则应用软件需适当延时等待再通知IP核发送下一条指令。

3.3 系统硬件平台的创建

在键盘和LCD液晶的硬件接口设计完成后，我们利用Xilinx公司提供的EDK开发软件XPS中的工具Create and Import Peripheral将其以IP核的方式挂到OPB(On-Chip Peripheral Bus)总线上。创建IP核时，在IPIF提供的服务中选择用户逻辑中断支持以及软件用户逻辑地址寄存器支持，前者使得外围设备可以管理由用户逻辑产生的中断，后者使得外围设备的用户逻辑部分拥有可寻址的寄存器[1]。按照前面所介绍的连接关系进行硬件搭建后，键盘以及LCD液晶显示模块的硬件详细信息都保存在MHS文件中。该文件定义了系统结构、外围设备和嵌入式处理器，也定义了系统的连通性以及系统中每个外围设备的地址分配和对每个外围设备的可配置选项。平台生成工具将MHS文件用于输入，创建了硬件平台。在XPS中选择Generate bit stream，即可以产生硬件配置文件*.bit文件。硬件平台如图5所示。

4．系统的软件设计与实现

4.1 44键盘软件实现

在建立系统时，在OPB总线上添加EDK提供的中断IP核INTC_IP，该IP核INTC可控制多个中断信号。把键盘的用户逻辑产生的中断信号输入到INTC_IP核中，然后INTC_IP核将这个中断信号输入到MicroBlaze的中断端口上，由MicroBlaze进行中断管理。当有中断发生的时候，MicroBlaze会跳转到地址0x10。这是C运行库的一部分，它包括缺省时跳转到中断句柄(interrupt handler)函数，此功能是由Xilinx提供的BSP(Board Support Package)(它是一个最基本的核，为应用程序提供最基本的功能)完成的[7]，由于在MSS文件中已经对中断操作路线进行了设置，因此它会跳转到中断处理函数中进行中断处理。同时在引入IP核后，系统会自动生成相关的驱动程序，可以方便使用软件对寄存器进行读写操作。中断处理程序主要是进行了扫描码和ASCII码的转换，并把ASCII码显示在LCD上。

引入中断IP核后，系统会自动生成相关的中断请求号，以及提供与此中断号相关联的默认中断处理句柄(interrupt handler)，随后即可在系统初始化时调用XIntc_Register Handler函数注册自定义中断处理句柄替换默认处理句柄。MicroBlaze提供的通用中断处理机制通过XIntc，可以管理多个中断控制器，XIntc中CfgPtr为数组类型，数组元素类型为XIntc_Config用于为中断控制器提供中断管理。XIntc_Config中的HandlerTable用于管理中断请求号与中断处理句柄的关系，所以每个中断控制器可以接收多个中断请求。在发生中断时，MicroBlaze会根据产生中断的中断控制器设备，找到与此设备相关联的XIntc_Config结构，再取出中断发生时的中断请求号，在XIntc_Config结构中找到相应的中断处理句柄，并跳入此处理程序处理中断请求。

4.2 LCD液晶显示模块软件实现

系统上电后，首先根据液晶显示器模块的结构通过写寄存器的方式对各项控制指令代码和参数(如液晶的行数、光标的位置光标、光标是否闪烁等)进行设置，从而完成对液晶显示模块的初始化过程。在对系统进行正确的初始化以后，就可以通过MicroBlaze将数据送至LCD进行显示了。在初始化程序中设置系统控制指令及其参数的方法为：根据用户硬件电路的设计，将指令及参数送到LCD_IP核对应的寄存器地址。系统中每个外设都有自己对应的唯一地址，这个地址是XPS在添加了LCD_IP核后选择Generate Addresses自动产生的。

CheckBF()函数用于通知LCD_IP核发送读取忙标志指令，此函数运行后，LCD_IP核会发出读状态操作指令，在数据有效后，将数据(BF和AC)先缓存于IP核的本地寄存器，而后供应用软件读取;Send Cmd(cmd)函数用于向LCD写入控制命令，从而达到配置LCD和显示字符的目的。需传入有正确命令格式的参数，确定将要执行的操作，在发送之前，需要一直等待CheckBF()检测到BF为低电平;为方便写入数据设有WriteChar、WriteString等函数，此类函数直接调用Send Cmd发出写数据操作;若没有设置LCD工作方式为自动递增AC，则在每次写之前都需要先发出设置DDRAM地址指令。

需要注意的是LCD在写数据之前需发送一系列初始化命令，以配置其工作模式、显示方式等，都是间接通过Send Cmd(cmd)实现。

4.3 应用程序的实现

本系统中应用程序设计部分主要功能为读取按键值，通过查找表的方式完成扫描码到ASCII码的转换，并把键码转换后的值显示在LCD液晶显示模块上。由于前面已经创建好键盘的IP核，又通过LCD_IP核对LCD液晶进行了控制，在此仅需编写主函数即可。按键扫描码的获取可以使用查询或者中断的方式。在具体实现中我们采用中断驱动模式来接收键盘扫描码。采用这种方式，既提高了响应速度，又可实现程序的模块化设计，并便于以后系统的扩充。应用程序调试运行成功之后便会产生.elf可执行文件。

5．系统的开发调试经验

我们更多的采用硬件调试的方法，将系统通过JTAG接口连接到目标板上的XMD调试接口，并把软件代码可执行文件(*.elf)和FPGA硬件配置文件(*.bit)通过Data2Mem转换成新的FPGA位流文件(*.bit)下载到系统中后，通过设置断点，读写内存和寄存器的值等手段来进行调试。最后将调试通过的位流文件，下载到目标芯片上，系统即可正常工作。

另外，结合系统调试过程中的经验，我们发现在进行程序编写时，需要特别注意以下两点：

(1)MicroBlaze为big-endian模式，且其内部总线宽度为32位，因此在对寄存器进行读写时需要注意其数据格式及宽度。

(2)在软件设计中要注意，对于FPGA来说LCD是一个低速设备，因此对于指令的响应需要一定的延迟，需要写一个有延迟作用的函数。

6．结论

本文采用软硬件协同设计的思想，设计并实现了一种基于MicroBlaze处理器的I/O系统。在进行完软硬件功能划分并创建好硬件平台后，对于输入设备键盘的控制以及输出设备LCD液晶显示器的功能设置可以通过软件的方式进行更改。本设计已在Xilinx Spatan3开发板上进行了验证，取得了良好的效果。通过本设计的实现可以看出，MicroBlaze是一个功能强大、应用灵活的嵌入式软处理器，特别是其强大的用户自定义逻辑功能，极大地方便了系统设计。可以预见，基于嵌入式软处理器的SOPC开发方法，必将拥有广阔的应用前景。

摘要：随着微电子工业的不断发展和FPGA技术的不断提高,SOPC技术逐渐成为嵌入式系统技术发展的新方向。本文介绍了XILINX公司的SOPC集成开发环境EDK,以及在EDK中开发和利用用户IP的方法;利用ISE及EDK设计工具设计开发了I/O系统中常用的IP模块,并通过了仿真验证。

关键词：SOPC,MicroBlaze,IP核,软硬件协同设计

参考文献

[1]董代洁,郭怀理等.基于FPGA的可编程Soc设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[2]Xilinx,“MicroBlaze Processor Reference Guide”EDK(v8.1)[S].January,2006.

[3]Xilinx,“Embedded System Tools Guide”EDK(v8.1)[S].January,2006.

I/O性能论文 第7篇

研华此次将数据采集、智能处理与数据发布三个核心功能有效融合在单个I/O模块中, 以满足如环境监测、设备故障监测及智慧城市等更广泛的行业应用。

研华WISE-4000系列产品是基于以太网的无线I/O模块, 无需通过网关即可采集和传输信息。由于无限定数量的I/O模块可从传感器采集信息并连接到既有网络, 这意味着该配置将更加简单便捷。

WISE-4000系列内部集成HTML5文档, 无需任何接入点, 即可直接通过web浏览器在移动设备上进行访问和配置。由于WISE-4000采用了时下流行的RESTful API, 系统集成商可通过调整程序以满足其特定需求, 并以更少的工作量获得更多数据, 实现用户效率最大化。

通过WISE-4000系列的数据存储功能, 用户可将标记时间的数据发送到Dropbox或私有云平台, 亦可缓冲在模块中。如此, 当发生网络通信故障时, 即便暂未发送数据至管理员也不会丢失, 有效提高了数据的安全性。

I/O性能论文 第8篇

如果你是一名摄影爱好者或媒体制作人, 那么工作间里放的一定是苹果公司的MacBook Pro或iMac。原因不在于你是苹果的“粉丝”, 而在于其所具备的高速数据传输和高清显示集成技术Thunderbolt (开发代号为“Light Peak”) 。

这项由英特尔中国研究院研发出来的新型高速互联技术, 能够同时串联多达6部外接设备, 包括高性能的存储设备、高分辨率显示器, 以及高比特率的视频采集设备等, 即便面对超大规模的媒体数据流, 拥有10Gbit/s速率的传输接口也能轻松应对。这对媒体制作者来说, 无疑是巨大的诱惑力。

尽管当下PC传输互联领域已是群雄逐鹿, 但Thunderbolt所具备的10Gbit/s速率绝对算是揭开了业界的“高铁时代”仅通过一个单独而精致的端口, 就可支持高分辨率显示屏和高性能数据设备。

同时在速度、灵活性和简约程度上, Thunderbolt技术也都为业界开创了新的技术先河。据实测数据显示, Thunderbolt技术传输一部全高清长电影 (6G～8G) 的时间还不到30秒。

据悉, 英特尔在2011年2月24日正式发布了这项新型高速PC连接技术Thunderbolt, 现已使用于苹果公司的新款Mac Book Pro系列笔记本电脑中。

苹果公司M a c硬件工程高级副总裁B o b Mansfield也评价道:“Thunderbolt具有超高传输速度、支持高分辨率显示并兼容现有I/O技术, 这将是整个行业的突破。相信苹果爱好者都会喜欢上它。”

从趋势到现实

在业界看来, 传输速率的不断提升将是不可逆转的发展趋势, 以创新著称的英特尔公司研发出10Gbit/s速率的Thunderbolt技术也在情理之中, 但对于当时的英特尔中国研究院而言, 如何将一个技术趋势化为商业现实, 则是经历了诸多不为人知的艰辛。

参与过该项目的英特尔中国研究院嵌入式IO系统实验室研究经理吴向斌告诉记者:“刚刚接手工作就遇到了不少难题, 首先是技术协议存在空白, 其次一些模块还处在研发阶段, 尤其在光模块方面, 基本与技术开发处于并行状态。还有些工作交由外部供应商来做, 我们需要将时间风险降到最低。”

“另外, 因为研究院的很多项目都是前瞻性的, 研发过程中势必伴随的风险。我们在实施项目的同时, 还要不断打消那些持怀疑态度的人的想法, 坚定信念走下去, 这对于我们项目组的每个人都是一次关于意志力的考验。”吴向斌补充道。

融合两种通信协议

据介绍, Thunderbolt技术在研发之初, 就设立了明确的目标, 即更快速地传输媒体数据、简化设备之间的连接并推动开发与使用PC的新方式。

如何把高速数据和高清视频连接整合到一条线缆上对于实现这个目标至关重要。

对此, Thunderbolt技术融合了两种通信方法 (协议) 用于数据传输的PCI Express以及用于显示的DisplayPort。PCI Express可以灵活地连接几乎任何类型的设备, DisplayPort用于显示, 能同步传输超过1080p分辨率的显示内容以及最多八声道音频。Thunderbolt技术兼容现有的Display Port显示器和适配器。它是一种所有设备通用的接口, 能够以菊花链的方式通过电缆或光缆方便地连接多种设备。

对于普通的移动PC用户而言, 它意味着超薄笔记本电脑上只需有一个接口, 就能在家或办公室实现高速数据媒体和高清显示功能。

产业规模2年内爆发

不过, 10Gbit/s的传输速率是否过于前沿, 除高端专业用户以外的普通PC用户何时能够真正用上该技术, 业界也存在不小的疑虑。

面对这一问题, 吴向斌倒是格外乐观。“市场对于前沿技术从来都是照单全收, 还记得最早的摄像机接口都是1394, 但没过多久, 就变成了USB。而现在, 很多摄影爱好者都嫌传输太慢, 可见用户需求的增长绝不亚于新技术的研发速度。”

据了解, 目前全球几大创新企业已经推出了基于Thunderbolt技术的产品或正计划推出支持Thunderbolt技术的产品, 包括Aja、Apogee、Avid、Blackmagic、LaCie、Promise、西部数据等。

“新技术的传递速度是很快的, 我们相信, 苹果公司率先采用Thunderbolt技术, 是一个良好的开端, 现在西部数据已经在研制基于Thunderbolt技术的硬盘产品, 而佳能等公司也在考虑使用, 我们相信, 在未来2年内, Thunderbolt技术的产业链将会有一个较大规模的集体爆发。”吴向斌如是说。

Thunderbolt:满足媒体制作者的高速需求

处理高清媒体是PC上要求最为苛刻的工作之一。通过Thunderbolt技术, 英特尔提供了创新的技术, 帮助专业人士和消费者更快捷地处理音乐和高清电影等越来越多的媒体内容。

I/O性能论文 第9篇

网友采取的方法

通过上网查阅,网友给出了两种方案:一种是更换三极管的类型,把NPN类型的8050 更换为PNP类型的8550;另外一种方法是为IO添加下拉电阻。

我对这两个方法都进行了实验:当我把三极管8050 改为8550 时,利用程序设置“OUT”初始状态为高电平,Q1截止,按下“ON”键后,Q1 导通;当需要关断三极管时,让“OUT”输出高电平5V,三极管却没有被关断。仔细分析后可知,本电路采用双电源,VC1 采用12V电源,单片机供电为5V,当输出高电平5V时,仍然满足饱和的外部条件而不能退出饱和。因此,第一种方法只能适用于三极管、单片机使用同一5V电压时的情况。

对于第二种解决方法,网友做了一些实验,实验原理图如图2 所示,其实验过程及结果为:为IO添加一个5k的下拉电阻R65,测试有效,上电瞬间不是高电平了;更换R65 为30k下拉电阻,依然有效,上电瞬间IO的电压被拉到低了;再换为60k电阻,也可以;但后面程序运行时候现象就不同了,如果使用5k电阻,那么I/O(DO2)无法启动9013,而30k、60k可以正常启动或关闭9013. 还有一个现象,就是如果使用万用表电压档对DO2 处进行电压测量,会导致9013 断开,而后再无法通过控制IO电平启动9013,必须电路板重新上电才能再启动。

从图2 电路可知,由于单片机的驱动能力有限,如果加下拉电阻,会降低其驱动能力,会对电路造成影响。

对单片机瞬间高电平的测试

为解决这一问题,我用示波器对这一高电平测试并进行录像,逐帧观察。在电路中,P3.7 的初始状态设置为低电平,当按下“ON”时,转为高电平使Q1 饱和导通。

在通电瞬间,用示波器测出的波形如图3 所示。经计算可以得出这一高电平的时间大约为40ms,在这一时间内Q1 饱和导通会使继电器闭合。

利用电容吸收瞬时高电平

如何降低瞬时高电平呢?我想到了利用电容的暂稳态把这一高电平吸收,使输出的高电平降低,不足以使三极管导通。测试电路如图4 所示,在图中P3.7 端口并联了一个电解电容C7。

工作过程:当单片机得电后未运行程序的瞬间,P3.7

输出高电平,但由于电容C7 两端的电压不能突变,所以C7 正极的电压将缓慢增大,在单片机输出高电平的时间内,升高的电压如果达不到三极管的导通电压,则Q1 不会产生误动作。当P3.7 通过软件变为低电平时,C7 上的电压回流到单片机,对电路不会造成影响。

电容器参数的选择实验

由原理可以得出,在51 单片机的I/O外部并接一个电解电容可以把瞬间高电平吸收掉,但是电容器的参数对这一吸收影响较大,我选用了10μF、47μF和100μF的三个电容器。

■ 1、外部并接10μF的电解电容

当在外部并接10μF的电容器时,输出电压的峰值接近3.5V,这一电平能使三极管导通;另外充完后的电压回流时间较短,电容器上的电压基本上是瞬时消失。

■ 2、外部并接47μF的电解电容

当在外部并接47μF的电容器时,输出电压的峰值接近2.3V,这一电平还能使三极管导通;另外充完后的电压回流时间变长,但电容器上的电压会迅速降低到0.3V以下。

■ 3、外部并接100μF的电解电容

当在外部并接100μF的电容器时,输出电压的峰值接近0.5V,这一电平已经不能使三极管导通;另外充完后的电压回流时间变得更长,但不会超过5ms。

实验结果

通过实验,在单片机I/O口并接电解电容后,可以消除其输出的瞬时高电平,符合我设计的电路要求,不过这种方法也存在一定的弊端:通电瞬间,后级电路不会因为单片机的瞬时高电平而得电,但在电路接通时会有一定的延时通电,单片机控制断电时不会即时断电,也会有一定的延时。