第6章-输入输出1
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第6章状态变量分析法
间变化而描述的路径，称为状态轨迹。
6
通信与信息基础教学部
状态与状态空间(3) 状态变量分析法的一般步骤
用状态变量来描述和分析系统的方法称为状态变量分 析法。当已知系统的模型及激励，用状态变量分析法时， 一般分两步进行：
一是选定状态变量，并列写出用状态变量描述系统特 性的方程，一般是一阶微分（或差分）方程组，它建立了 状态变量与激励之间的关系；同时，还要建立有关响应与 激励、状态变量关系的输出方程，一般是一组代数方程；
M
M
M
M
M
yr (t) cr1x1 (t) cr2 x2 (t) L crn xn (t) dr1 f1 (t) dr2 f2 (t) L drm fm (t)
11
Байду номын сангаас
通信与信息基础教学部
连续系统状态方程的一般形式(4)
状态方程、输出方程（P323）
x1
x
Mxx2n
a11
16
通信与信息基础教学部
由电路图建立状态方程(1) 由电路直接建立状态方程的步骤
(1) 选择独立的电容电压和电感电流作为状态变量；
(2)
对于电容C应用KCL写出该电容的电流
iC
C
dvC dt
与其它状态
变量和输入变量的关系式；
(3)
对于电感L应用KVL写出该电感的电压
vL
L
diL dt
与其它状态
变量和输入变量的关系式；
(4) 消除非状态变量（称为中间变量）； (5) 整理成状态方程和输出方程的标准形式。
17
通信与信息基础教学部
由电路图建立状态方程(2)
M
M
M
M
第6章常用IO接口电路
二是用专门的译码器进行译码。
6.2.2 常用并行I/O接口电路
1. 并行I/O接口的基本概念 2. 常用简单接口芯片 (1) 缓冲器接口芯片 ①单向缓冲器74LS244 ②双向缓冲器74LS245 （2）锁存器接口芯片 ①锁存器74LS273
②锁存器74LS374
图6-15 74LS374作为输入/输出接口
③量程：量程是指ADC所能够转换的模拟量输入电压范围。 ④绝对精度：是指在ADC输出端获得给定的数字输出时，
所需要的实际模拟量输入值与理论模拟量输入值之差值。 ⑤相对精度：是指ADC进行满刻度校准以后，任意数字输
出所对应的实际模拟输入值（中间值）与理论模拟输入值 （中间值）之差。
（3）ADC0809）ADC0809简介及应用 ①ADC0809的内部结构与引脚功能
6.2.3 常用数/模和模/数转换电路
1.数/模（D/A）转换器 （1）D/A转换原理 ( 2 )D/A转换器的性能参数 ①分辨率 ②转换精度 影响精度的原因有失调误差、增益误差、线性误
差和微分线性误差等。 ③建立时间 ④温度系数
（3）DAC0832简介及应用 ①DAC0832的内部结构与引脚功能
1．无条件传送方式 （1）无条件输入
2．查询传送方式
3．中断传送方式
4．直接存储器存取（DMA）方式
直接存储器存取（DMA，Direct Memory Access）方式， 即外设在专用的接口电路DMA控制器的控制下直接和存储 器进行数据传送的方式。采用DMA方式所传送的数据，无 须CPU干涉，而是在存储器和高速外设之间直接进行交换。
计数器式A/D转换器，双积分式A/D转换器，逐次逼近式 A/D转换器，并行A/D转换器。 （3）A/D转换器的性能参数 ①分辨率（位数）：分辨率是指A/D转换器可转换成数字 量的最小模拟电压值，它标志着A/D转换器对输入电压微 小变化的响应能力。
6.2.2 常用并行I/O接口电路
1. 并行I/O接口的基本概念 2. 常用简单接口芯片 (1) 缓冲器接口芯片 ①单向缓冲器74LS244 ②双向缓冲器74LS245 （2）锁存器接口芯片 ①锁存器74LS273
②锁存器74LS374
图6-15 74LS374作为输入/输出接口
③量程：量程是指ADC所能够转换的模拟量输入电压范围。 ④绝对精度：是指在ADC输出端获得给定的数字输出时，
所需要的实际模拟量输入值与理论模拟量输入值之差值。 ⑤相对精度：是指ADC进行满刻度校准以后，任意数字输
出所对应的实际模拟输入值（中间值）与理论模拟输入值 （中间值）之差。
（3）ADC0809）ADC0809简介及应用 ①ADC0809的内部结构与引脚功能
6.2.3 常用数/模和模/数转换电路
1.数/模（D/A）转换器 （1）D/A转换原理 ( 2 )D/A转换器的性能参数 ①分辨率 ②转换精度 影响精度的原因有失调误差、增益误差、线性误
差和微分线性误差等。 ③建立时间 ④温度系数
（3）DAC0832简介及应用 ①DAC0832的内部结构与引脚功能
1．无条件传送方式 （1）无条件输入
2．查询传送方式
3．中断传送方式
4．直接存储器存取（DMA）方式
直接存储器存取（DMA，Direct Memory Access）方式， 即外设在专用的接口电路DMA控制器的控制下直接和存储 器进行数据传送的方式。采用DMA方式所传送的数据，无 须CPU干涉，而是在存储器和高速外设之间直接进行交换。
计数器式A/D转换器，双积分式A/D转换器，逐次逼近式 A/D转换器，并行A/D转换器。 （3）A/D转换器的性能参数 ①分辨率（位数）：分辨率是指A/D转换器可转换成数字 量的最小模拟电压值，它标志着A/D转换器对输入电压微 小变化的响应能力。
第6章 级联放大电路
ri1 AU R S ri1
二、多级放大电路的动态分析（了解）
(2)开路电压法: 将后一级与前一级开路，计算前一级的开路 电压增益和输出电阻，并将其作为信号源内阻加以考虑，共 同作用到后一级的输入端。(即将前一级输出电阻看成后一级 的信号源内阻)
+Vcc RB1 RC1 RB2 RC2 RB2 RC2 +Vcc
三、多级放大电路中频特性分析举例
多级放大电路的中频特性指标：与单级相同，有电压增益、输 入电阻、输出电阻。
例题：两级放大电路参数如 图所示。 已知三极管的参数为: hfe1= hfe2 =hfe=100;
UBE1=UBE2=0.7V。 要求：分别用输入电阻法 和开路电压法计算总电压 增益。
解：方法一：用输入电阻法求电压增益
VT1 RS + us + ui -
+ uo1 ro1
VT2 RE2
+ uo -
ro1
VT2
+ uo -
+ uo1 （b)开路电压法
（a) 多级放大电路图
+Vcc RB1 RC1 RB2 RC2 RB2 RC2
+Vcc
VT1 RS + us + ui -
+ uo1 ro1
VT2 RE2
+ uo -
3. 直接耦合
级间耦合方式
概念：各级电路之间直接连接或采用对直流呈导通特性的电 阻、二极管等元件相接。
•直接耦合的特点
优点：具有良好的低频特性， 可放大变化缓慢的信号，无 耦合大电容，便于集成。
直接耦合放大电路
级间耦合方式
4. 光电耦合
概念：两级间利用光电耦合器来传送信号的耦合方式称光电耦合。
计算机原理 第六章输入输出系统
1
2
3
为保证总线所传输的信息的有效性，总线 信息应具有单一性：在同一时刻至多只能有一 个部件向总线发送信息，但可以有多个部件同 时接收总线信息。
1. 总线电路： 输出挂在总线上的部件需通过“总线电路” 向总线发送信息。
总线电路由三态输出器件（TSL器件）承担。 input TSL control output
1. ISA总线：用于IBM PC/XT 微机系统，(8086)，一共６２根信号线， 其中２０根地址线，８根数据线，４个读写信号，６个中断请求线，３ 路ＤＭＡ请求，还包括时钟、电源线和地等，总线带宽 8.33 MB/s。
２．EISA总线 （80386）， 数据线扩展到了３２位，带宽达到了33.3MB/s。 3. PCI总线：（Peripheral component interconnection）（外围部 件互连） 总线频率为33 MHZ→66MHZ→133MHZ, 可以直接连接高速外部 设备。 同步时序总线，对地址信号和数据信号分时复用， 64根线，采用集中式的总线仲裁方式。 ４．AGP总线（加速图形接口总线） AGP总线把主存和显存连接起来，不再走PCI总线。 ５．USB总线（通用串行总线）主要用于连接低速输入输出设备。 带宽为1.5MB/s。
3. 控制总线CB（Control Bus） 控制总线用来传送各类控制/状态信号。
包括I/O读写命令，MEMR/W存储器读写命令，应答信号，总线请求与 总线使用信号，复位信号，时钟信号等。
4. 电源线
许多总线标准中都包含了电源线的定义，主要有+5V逻辑电源；GND逻 辑电源地；-5V辅助电源；±12V辅助电源。
２．计数器查询方式
在计数器查询方式中，总线上的任一设备申请使用总线时，通过 BR线发出总线请求。
第六章输入输出接口基础(CPU与外设之间的数据传输)
§6.1 接口的基本概念
3、什么是微机接口技术？
处理微机系统与外设间联系的技术 注意其软硬结合的特点 根据应用系统的需要，使用和构造相应的接 口电路，编制配套的接口程序，支持和连接 有关的设备
§6.1 接口的基本概念
4、接口的功能
⑴对I/O端口进行寻址，对送来的片选信号进行 识别；
(2)根据读/写信号决定当前进行的是输入操作还 是输出操作，对输入输出数据进行缓冲和锁存 输出接口有锁存环节；输入接口有缓冲环节 实际的电路常见： 输出锁存缓冲环节、输入锁存缓冲环节
对接口内部寄存器的寻址。
P279
§6.2 CPU与外设之间数据的传送方式
CPU与外设之间传输数据的控制方式通常有 三种： 程序方式:
• 无条件传送方式和有条件传送方式
中断方式 DMA方式
§6.2 CPU与外设之间数据的传送方式
一、程序方式 指用输入/输出指令，来控制信息传输
的方式，是一种软件控制方式，根据程序控 制的方法不同，又可以分为无条件传送方式 和条件传送方式。
输入数据寄存器：保存外设给CPU的数据 输出数据寄存器：保存CPU给外设的数据
⑵ 状态寄存器
保存外设或接口电路的状态
⑶ 控制寄存器
保存CPU给外设或接口电路的命令
§6.1 接口的基本概念
接口电路的外部特性 主要体现在引脚上，分成两侧信号 面向CPU一侧的信号：
用于与CPU连接 主要是数据、地址和控制信号
程序不易阅读（不易分 清访存和访问外设）
00000
I/O 部分
§6.1 接口的基本概念
独立编址方式
FFFFF
优点：
I/O端口的地址空间独立
内存 空间
控制和地址译码电路相对简单 FFFF I/O
第六章 IO接口和总线
1、缓冲器 74LS244
单路基本组成：
真值表 A
B
G#
0
A
1
B
1
0 G
1
0
高阻
0
状态
1A1 1A2
/1G 1A1 2Y4 1A2 2Y3 1A3 2Y2 1A4 2Y1 GND
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1Y1 1Y2 1Y3 1Y4 2Y1 2Y2 2Y3 2Y4
244
20 19 18 17 16 15 14 13 12 11
需要输入设备送入信息，输出设备送出结果，这些输 入输出设备被称为外设。
通信：计算机（CPU）与外设间的数据、状态和控制
命令的交换过程统称为通信。
2、CPU与外设直接通信存在的问题 速度不匹配（CPU快，外设慢） 信号电平不匹配 （CPU使用TTL电平，外设多为机电设备） 信号格式不匹配 （CPU总线上为并行数字量，而外设有串行模拟量等） 时序不匹配 解决方案： 用I/O接口：把外设连接到CPU总线上的一组逻辑电 路的总称。用于协调外设与主机之间的信息交换。
2、译码的常用方法
线选法
利用一根地址线，产生指定的端口地址的选择信号。
A7
PORT1
当A7=1,选中PORT1，地址可为80H 当A6=1,选中PORT2，地址可为40H 当A5=1,选中PORT3，地址可为20H
A6
PORT2
对于PORT1，地址为81H，82H，83H
等仍可选中。
A5
PORT3
无条件输出电路例子 例：假设该端口号为
0# D0
80H，要想让0、2、4、
6号灯亮，如何编写
D1
1D 2D
微型计算机原理与接口技术(何宏)章 (6)
第6章 输入/输出接口技术
2．端口编址方式 既然端口可被微处理器访问，如同存储单元，那么每个端口 也存在着编址的方式问题。在当今流行的各类微机中，对I/O接口 的端口编址有两种办法，即端口统一编址和端口独立编址。用 Motorola公司的微处理器，如6800、68000系列构成的微型机采用 前一种方法；而用Zilog和Intel 公司的微处理器，如Z-80、Z800、8086/8088、80286、80386、80486、Pentium等系列构成的 微型机都采用后一种方法。
期(WR为低电平时)呈现在数据总线上，这样短的时间用于向低速 外围设备传送是不可能的，因此，要在接口电路中设置数据锁存 器，将CPU输出的信息先放在锁存器中锁存，再由外设进行处理， 以解决双方的速度匹配问题。
第6章 输入/输出接口技术
2．缓冲隔离功能 CPU与外设的信息交换是通过CPU的数据总线完成的，系统不 允许外设长期占用数据总线，而仅允许被选中的设备在读周期(或 写周期)占用数据总线。通过接口电路，就可以实现外围设备信息 在CPU允许期内传递到CPU数据总线上，其他时间对CPU总线呈高阻 状态，这样，设备之间可互不干扰。一般在接口电路中设置输入 三态缓冲器满足上述要求。 3．转换功能 通过接口电路，可以实现模拟量与数字量之间的转换。若外 设电平幅度不符合CPU要求，则通过接口电路进行电平匹配，也可 以实现串行数据与并行数据的转换。
息、状态信息和控制信息3种类型。 1．数据信息 CPU和外围设备交换的基本信息就是数据，数据通常为8位或
16位。数据信息大致分为以下3种类型。 (1) 数字量。数字量是指由键盘、磁盘、扫描仪等输入设备
读入的信息，或者主机发送给打印机、磁盘、显示器、绘图仪等 输出设备的信息，它们是二进制形式的数据或是以ASCII码表示的 数据及字符，通常为8位。
计算机基础知识什么是输入输出(IO)操作
计算机基础知识什么是输入输出（IO）操作计算机基础知识：什么是输入输出（IO）操作计算机是一种用于处理数据的工具，而输入输出（IO）操作是计算机与外部世界进行数据交流的方式。
通过输入，我们可以将外部的数据传递给计算机进行处理，而输出则是将计算机处理后的数据传递给外部环境。
在本文中，我们将探讨输入输出操作的基础知识。
一、输入输出（IO）的概念输入输出是计算机与外部环境进行数据交流的方式。
输入是指将外部数据传递给计算机，供计算机进行处理和分析；输出则是将计算机处理后的数据传递给外部环境，供人们观察和使用。
在计算机系统中，输入输出设备起到了极为重要的作用。
例如，键盘、鼠标和触摸屏等输入设备用于接收用户的命令和数据，显示器、打印机等输出设备则用于向用户展示计算机处理的结果。
二、输入输出的分类1. 人机交互输入输出：这种输入输出方式主要是通过外部设备与人进行交互。
例如，使用键盘输入文字、鼠标点击图标进行操作、触摸屏选择菜单等。
同时，显示器将结果输出给人们观察。
2. 设备驱动程序输入输出：这种输入输出方式是通过设备驱动程序进行的。
计算机通过设备驱动程序与各类外部设备进行通信。
例如，打印机通过打印机驱动程序与计算机通信，将计算机处理的文档输出。
3. 文件输入输出：文件是计算机中存储数据的一种形式，也是计算机与外部世界交流的一种方式。
我们可以将数据存储在文件中，进行读取和写入操作。
三、输入输出的基本操作在计算机基础中，我们了解到输入输出操作的基本函数包括读取和写入。
读取是指从外部获取数据并传递给计算机进行处理；写入则是将计算机处理的结果传递给外部。
读取函数的基本形式如下：input(data)：从外部读取数据，存储在变量data中。
写入函数的基本形式如下：output(data)：将变量data中的数据写入外部设备，供外部环境使用。
四、输入输出的应用输入输出操作在计算机中得到了广泛的应用。
以下是一些常见的输入输出操作应用场景：1. 数据采集：许多科学实验、气象观测等需要收集大量外部数据，通过输入输出操作，这些数据可以传递给计算机进行进一步的分析和处理。
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DB
AB I/O端口
CPU
存储器与 I/O接口 MEMR MEMW CB 控制逻辑 存储单元 1M
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2013-7-25
微型计算机原理与接口技术
6.1.6 CPU和外设数据传送的方式 外设与计算机间的信息交换可以用不同的 输入输出方法完成。基本的传送方式包括：
查询传送方式 中断传送方式 DMA传送方式
2013-7-25 9
微型计算机原理与接口技术
6.1.6.2 查询传送方式
⑴ 查询环节 寻址状态口 读取状态寄存器的标志位 若不就绪就继续查询，直至就绪 ⑵ 传送环节 寻址数据口 通过输入指令从数据端口读入数据 通过输出指令向数据端口输出数据
2013-7-25
流程
10
微型计算机原理与接口技术
直接存储器存取DMA（Direct Memory Access）方式是用硬件实现存储器与存储器之 间或存储器与I/O设备之间直接进行高速数据 传送，不需要CPU的干预。 这种方式通常用 来传送数据块。
2013-7-25
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DMA传送过程
微型计算机原理与接口技术
流程
2013-7-25 18
微型计算机原理与接口技术
AB DB 20 CPU 存储器 MEMR CB
2013-7-25
16
16 I/O接口
16 22 0＝1M
MEMW IOR 控制逻辑 存储单元 I/O单元 7 IOW
2. 存储器映像编址
微型计算机原理与接口技术
•存储器和I/O端口共用一个地址空间； • I/O端口读、 写命令通过 MEMR MEMW 和 来实现; •所有访问存储器的指令都可用于I/O端口。
3
信息类型、
格式多样
2013-7-25
种类繁多
微型计算机原理与接口技术
6.1.1 I/O接口及其功能
I/O接口
负责将外设连 接到总线上的 一组逻辑电路 的总称。
I/O接口的功能 数据的缓冲与锁存
信号的转换 进行译码寻址 与CPU和I/O设备联络
实现外设与主机间信息交换。
2013-7-25 4
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OUT [4],A;启动A/D
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微型计算机原理与接口技术
6.1.6.3 中断传送方式
外设向CPU发出中断申请，CPU暂停原来执行的程序，转 入输入输出操作，等操作结束后返回，CPU继续执行原来的程 序。
INTR
2013-7-25
流程
16
微型计算机原理与接口技术
6.1.6.4 DMA传送方式
微型计算机原理与接口技术
6.1.2 CPU和I/O设备之间的接口信息
CPU通过接口与外设交换信息，包括 数据信息、状态信息和控制信息。
I/O接口
数字量、 模拟量和开关 量
DB
CPU
数据口 状态口 控制口
数据
状态信息
CPU与外设间交 换数据时的联络 信息
AB CB
控制
外 设
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设置I/O工作模式、 命令字
查询输入程序: POLL: IN AL,STATUS_PORT TEST AL,80H JE /JZ POLL ;READY为0,查询 IN AL,DATA_PORT 查询输出程序: POLL: IN AL,STATUS_PORT TEST AL,80H JNE /JZ POLL ;BUSY为1,查询 MOV AL,STORE OUT DATA_PORT,AL
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微型计算机原理与接口技术
1.查询输入方式
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查询式输入的接口电路
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2.查询输出方式
微型计算机原理与接口技术
2013-7-25
查询式输出的接口电路
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实例：采用查询方式的数 据采集系统
微型计算机原理与接口技术
一个有8个模拟量输入的数据采集系统，用查询方 式与CPU传送信息。
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微型计算机原理与接口技术
传送方式的比较
查询传送：简单实用，效率较低. 中断传送：外设主动，可与CPU并行工 作，但每次传送需要大量额外时间开销 . DMA传送：DMAC控制，外设直接和存 储器进行数据传送，适合大量、快速数 据传送.
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微型计算机原理与接口技术
第6章 输入输出技术
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微型计算机原理与接口技术
本章重点
输入输出接口的功能
I/O端口的编址方式
CPU和外设之间的三种数据传送方式
DMA控制器的功能
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2
微型计算机原理与接口技术
6.1 输入输出概述
输入和输出是计算机系统的重要组成部分。 输 程序 原始数据 入 设 信息 备 输 计 信息 出 算 控制信号 设 机 备 工作速度差异
微型计算机原理与接口技术
6.1.3 I/O端口的编址方式
CPU对外设的访问实质上是对I/O接
口电路中相应端口的访问。
I/O端口的编址方式有两种:
独立编址
存储器映像编址
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微型计算机原理与接口技术
1.独立编址
•存储器和I/O端口在两个独立的地址空间中 •I/O端口的读、写命令由 IOR IOW来控制， 和 •访问I/O端口用专用的IN指令和OUT指令。
2013技术
START:MOV DL,0F8H
LEA DI,DSTOR AGAIN:MOV AL,DL AND OUT AL,0EFH [4],A;停A/D
CALL DELAY
MOV AL,DL
POLL:IN AL,[2] SHR AL,1 JNC POLL IN AL,[3] STOSB INC DL JNE AGAIN
DMA传送方式
(1) 单字节方式 每次DMA传送只传送一个字节的数据，传送后释 放总线， CPU至少控制一个完整的总线周期，然后 测试DMA请求信号，若有效，再进入DMA周期。 (2) 成组方式
一个DMA请求可以连续传送一个数据块。在 DMAC初始化时， 由编程决定这一数据块的字节数， 在该组数据传送期间， DMAC一直不放弃总线控制权， 直到整个数据块传送完。