计算机输入输出系统与接口技术
计算机组成原理(华科版)第七章 输入输出系统
第七章 输入输出系统
5. 外围处理机方式(Peripheral Processor Unit—PPU) 外围处理机的结构更接近于一般的处理机，甚至 就是一般小型通用计算机。它可完成I/O通道所要完 成的I/O控制，还可完成码制变换、格式处理、数据 块的检错、纠错等操作。它可具有相应的运算处理 部件、缓冲部件，还可形成I/O程序所必须的程序转 移等操作。它可简化设备控制器，而且可用它作为 维护、诊断、通信控制、系统工作情况显示和人机 联系的工具。 外围处理机基本上独立于主机工作。在多数系 统中，设置多台外围处理机，分别承担I/O控制、通 信、维护诊断等任务。有了外围处理机后，计算机 系统结构有了质的飞跃，由功能集中式发展为功能 分散的分布式系统。
2
计算机组成原理
第七章 输入输出系统
7.1 信息交换的控制方式
信息交换的控制方式一般分为5种类型。
1. 程序查询方式(Programmed Direct Control) 这种方式又称为程序直接控制方式，是指信息交 换的控制完全由主机执行程序来实现。当主机执行到 某条指令时，发出询问信号，读取设备的状态，并根 据设备状态，决定下一步操作，这样要花费很多时间 用于查询和等待，效率大大降低。这种控制方式用于 早期的计算机。现在，除了在微处理器或微型机的特 殊应用场合，为了求得简单而采用外，一般不采用了。
7
计算机组成原理
第七章 输入输出系统
I/O 控制方式
主要由程序实现
主要由附加硬件实现
程序 查询方式
程序 中断方式
DMA方式
通道方式
PPU 方式
图 7.1
外围设备的 I/O 方式
8
计算机组成原理
第七章 输入输出系统
计算机控制系统的接口技术
计算机控制系统的接口技术接口有通用和专用之分，外部信息的不同，所采纳的接口方式也不同，一般可分为如下几种：人机通道及接口技术一般包括：键盘接口技术、显示接口技术、打印接口技术、软磁盘接口技术等。
检测通道及接口技术一般包括：A/D转换接口技术，V/F转换接口技术等。
掌握通道及接口技术一般包括：F/V转换接口技术，D/A转换接口技术，光电隔离接口技术，开关接口技术等。
系统间通道及接口技术一般包括：公用RAM区接口技术，串行口技术等。
一、并行输入/输出接口并行接口传输的是数字量和开关量。
输入/输出(I/O) 接口有二种寻址方式：存储器寻址方式和输入输出口寻址方式。
1．无条件传送2．查询式传送3．中断式传送4．8255A可编程并行接口芯片(1) 8255A内部结构1) 数据总线驱动器图1 8255A内部结构图2) 并行I/O端口3) 读/写掌握规律4) A组和B组掌握（2）8255A工作方式8255A有3种工作方式，端口A可以工作在方式0、方式1和方式2，端口B只能工作在方式0和方式1。
1）方式0：基本输入/输出方式。
2）方式1：选通输入/输出方式。
3）方式2：双向选通输入/输出方式。
（3）8255A编程8255A的编程是通过对掌握端输入掌握字的方式实现的。
二、数/模(D/A) 转换接口D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的电路，它由权电阻网络、参考电压、电子开关等组成。
图2 DAC0832原理图三、模/数(A/D)转换接口A/D转换器是将模拟电压转换成数字量的器件，它的实现方法有多种，常用的有逐次靠近法、双积分法。
图3 ADC0809结构框图应用案例：基于51单片机的车用数字仪表设计与实现此案例是一种以MCS 51单片机为主控器，以ADC0809为核心，以气压、油压、温度、霍尔元件等传感器为主要外围元件的车用数字仪表（VDI）的设计框图。
应用此方案，能使汽车仪表系统具有显示直观、精确，使用便利牢靠等优点，代表了车用仪表的最新进展趋势。
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。
微型计算机原理及应用第9章输入输出和接口技术
CLK & IOW PS
gf e dcba
COM
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3.2 数据输入三态缓冲器
外设输入的数据和状态信号，通过数据输入三态缓冲 器经数据总线传送给微处理器。 74LS244三态总线驱动器
74LS244可以用作无条 件传送的输入接口电路。
36
3.2 数据输入三态缓冲器
8
1.2 接口控制原理
（2）串行数据传送
串行数据传送是将构成字符的每个二进制数据位， 按一定的顺序逐位进行传送的方式。 串行数据传送主要用于远程终端或经过公共电话 网的计算机之间的通信。 远距离数据传送采用串行方式比较经济，但串行 数据传送比并行数据传送控制复杂。
9
1.2 接口控制原理
异步串行通信协议规定字符数据的传送格式：
微型计算机原理及应用
1
输入输出和接口技术
1 2 3
接口的基本概念 I/O指令和I/O地址译码 简单的I/O接口
2
输入输出(I/O)是指微型计算机与外界的信息交换， 即通信(communication)。微型计算机与外界的通信， 是通过输入输出设备进行的，通常一种I/O设备与微 型机连接，就需要一个连接电路，我们称之为I/O接 口。 接口是用于控制微机系统与外设或外设与系统设 备之间的数据交换和通信的硬件电路。接口设计涉及 到两个基本问题，一是中央处理器如何寻址外部设备， 实现多个设备的识别；二是中央处理器如何与外设连 接，进行数据、状态和控制信号的交换。 3
状态设臵和存储电路主要由一组数据寄存器构成， 中央处理器和外设就是根据状态寄存器的内容进行 协调动作的。 数据存储和缓冲电路也是一组寄存器，用于暂存 中央处理器和外设之间传送的数据，以完成速度匹配 工作。 7
《计算机组成原理》教案
《计算机组成原理》教案一、教学目标1. 了解计算机硬件系统的组成及功能2. 掌握数据的表示和运算方法3. 理解存储器的层次结构和工作原理4. 掌握中央处理器（CPU）的工作原理和性能指标5. 了解计算机的输入输出系统及其接口技术二、教学内容1. 计算机硬件系统计算机的组成输入输出设备存储器中央处理器（CPU）2. 数据的表示和运算数制转换计算机中的数据类型算术运算逻辑运算3. 存储器层次结构随机存储器（RAM）只读存储器（ROM）硬盘存储器虚拟存储器4. 中央处理器（CPU）CPU的组成和结构指令集和指令系统指令执行过程CPU性能指标5. 输入输出系统输入输出设备I/O接口技术中断和直接内存访问（DMA）总线和接口三、教学方法1. 采用讲授法，讲解基本概念、原理和方法。
2. 结合实例分析，让学生更好地理解计算机组成原理。
3. 使用实验和实训，培养学生的实际操作能力。
4. 开展课堂讨论和小组合作，提高学生的分析和解决问题的能力。
四、教学资源1. 教材：《计算机组成原理》2. 课件：PowerPoint或其他教学软件3. 实验设备：计算机、内存条、硬盘等4. 网络资源：相关在线教程、视频、论文等五、教学评价1. 平时成绩：课堂表现、作业、实验报告等（30%）2. 期中考试：测试计算机组成原理的基本概念、原理和方法（30%）3. 期末考试：综合测试计算机组成原理的知识点和实际应用（40%）六、教学安排1. 课时：共计48课时，每课时45分钟。
第一章：8课时第二章：6课时第三章：10课时第四章：10课时第五章：4课时第六章：6课时第七章：6课时第八章：4课时第九章：4课时第十章：4课时2. 教学方式：讲授、实验、课堂讨论、小组合作等。
七、教学重点与难点1. 教学重点：计算机硬件系统的组成及功能数据的表示和运算方法存储器的层次结构和工作原理中央处理器（CPU）的工作原理和性能指标输入输出系统及其接口技术2. 教学难点：存储器的工作原理中央处理器（CPU）的指令执行过程输入输出系统的接口技术八、教学进度计划1. 第一周：计算机硬件系统概述2. 第二周：数据的表示和运算3. 第三周：存储器层次结构4. 第四周：中央处理器（CPU）5. 第五周：输入输出系统6. 第六周：综合练习与实验九、教学实践活动1. 实验：实验一：计算机硬件组成认识实验二：数据表示与运算实验三：存储器测试实验四：CPU性能测试实验五：输入输出系统实验2. 课堂讨论：讨论话题：计算机硬件技术的未来发展讨论形式：小组合作、课堂分享1. 课程结束后，对教学效果进行自我评估和反思。
计算机接口技术
与CPU和I/O设备进行联络
• I/O接口位于CPU和外设的中间，在进行数 据传送时，既要面向CPU进行联络，又要 面向外设进行联络。
• 联络的具体内容有状态信息、控制信息和 请求信息等。
5. I/O接口的典型结构 P.6
数据总线DB CPU
地址总线AB
I/O接口电路 数据寄存器 状态寄存器
控制总线CB
备
输
I/O 接 口
出 设 备
数据总线 DB 控制总线 CB
微型计算机的结构示意图
单片机
• 是把微型计算机主要部分都集成在一个芯 片上的单芯片微型计算机。
• 中央处理器CPU,随机存取存储器RAM, 只读存储器ROM,I/O接口电路，定时器 /计数器，中断系统，串行通讯接口等
8051型单片机芯片的照片
Intel4004和采用4004的计算器
微处理器时 代的开端
微型计算机的标志
• 把控制器和运算器即CPU集成在一个或几 个芯片上。
8086CPU 80386
Pentium
3.微型计算机的基本结构
• 运算器 • 控制器 • 存储器 • 输入设备 • 输出设备
CPU
地址总线 AB
存 I/O 输 储 接入 器 口设
对输入输出数据进行缓冲和锁存
由于外设的速度慢，而CPU和总线又十分繁 忙，所以 • 在输出接口中，要求对数据具有锁存能力， 安排锁存环节（常用锁存器）； • 在输入接口中，要求对数据具有控制能力， 安排缓冲环节（常用三态门）。
输出接口的锁存环节
内 部
DQ C
外
部
数 据
DQ
数
C
据
总
引
线
DQ
《计算机组成原理》8-输入输出系统
允许中断３
INTA &
&
&
允许中断４ &
&
&
&
1
1
1
1
INTR1
INTR2
INTR3
（ b） 串 行 优 先 链 中 断 排 队 线 路
INTR4
&
至下一级
≥1
INT
程序中断方式
2、中断的处理过程
✓ 软件排队的基本做法是：当CPU访问到 INT0
中
有中断请求时，则保留好中断断点后立
断 服
即进入软件排队程序的入口。从最高优
✓ 中断排队的实现 可以用硬件排队或软件排队两种方法来实现
➢ 硬件排队方式 硬件排队的基本特点是，优先级别高的中断源提出中 断请求后，就自动封锁优先级别较低的中断源的中断请求
➢ 软件排队方式 软件排队是通过编写查询程序实现的。
程序中断方式
2、中断的处理过程
➢ 硬排队方式 I N T R0
INTR1 1
程序直接控制方式
2、条件传送方式
✓ 通过程序查询接口中的状态来控制数据传送的方式，也被称为程序查询 方式。
✓ 程序查询方式中，在执行一次有效的数据传送操作之前，必须对外部设 备的状态进行查询，如果外部设备准备就绪，才能执行数据传送操作。
程序直接控制方式
2、条件传送方式
检查状态标记
N 准备就绪？ Y 执行数据传送
I/O接口
1、接口的概念
✓ 介于主机与外部设备之间的一种缓冲电路称为I/O接口电路，简称I/O接口
（Interface）
✓ 对于主机，I/O接口提供了外部设备的工作状态及数据；对于外部设备，I/O
(计算机控制技术)第4章计算机过程输入输出通道
03
输出通道技术
模拟量输出通道
模拟量输出通道的作用是将计 算机输出的数字信号转换为模 拟信号，以驱动各种执行机构
。
常见的模拟量输出通道有电压 输出型和电流输出型两种，它 们通过不同的方式将数字信号
转换为模拟信号。
电压输出型模拟量输出通道的 优点是电路简单、成本低，适 用于输出信号较小、对精度要 求不高的场合。
03
输出通道的驱动能力是指其能够驱动执行机构或控制设备的能力，包 括最大输出电压、最大输出电流等参数。
04
选择具有足够驱动能力的输出通道可以保证系统的正常运行和稳定性。
04
输入输出通道的信号处 理与接口技术
信号的预处理技术
信号的放大与衰减
根据信号的幅度调整，确 保信号在传输过程中保持 稳定。
信号的滤波
去除噪声和其他干扰，提 高信号质量。
信号的整形
将不规则或非标准信号转 换为适合传输和处理的信 号。
信号的转换技术
A/D转换将模拟信号转换为数字信号，源自 于计算机处理。D/A转换
将数字信号转换为模拟信号，便于 实际应用。
光电转换
将光信号转换为电信号，或反之。
信号的传输与接口技术
总线技术
实现多个设备之间的数据传输和通信。
数字量输出通道的作用是将计算机输出的数字 信号转换为控制信号，以驱动各种控制设备。
晶体管输出型数字量输出通道的优点是响应速度 快、驱动能力强，适用于需要快速响应的场合。
输出通道的负载特性与驱动能力
01
输出通道的负载特性是指执行机构或控制设备的输入阻抗、输入电压、 输入电流等参数。
02
了解负载特性有助于选择合适的输出通道类型和规格，以确保系统的 稳定性和可靠性。
第二章模拟量输入输出通道的接口技术
tk r tk 是周期性的重复，即tk r tk 常量，r 1
随机采样：
根据需要选择采样时刻
采样前后波形的变化图
通常，连续函数的频带宽度是有限的，为一孤立的连
续频谱，设其包括的最高频率为fmax ，采样频率为fs。
香农定理：若fs≥2fmax，则可以由采样信号完全恢复出原始 信号。 在实际应用中， fs至少取4fmax 。
IN：（9、23）、（8、22）、（7、21）、（6、20）、 （5、19）、（4、18）、（3、16）、（2、15） OUT：（1、17） 反多路转换开关（一到多的转换）： IN： （1、17） OUT：（9、23）、（8、22）、（7、21）、（6、20）、 （5、19）、（4、18）、（3、16）、（2、15）
VREF I out1 I 3 I 2 I1 I 0 2 2 2 2 4 2R
3 2
1
0
由于S3~S0的状态是受b3~b0控制的，并不一定 全是“1”。若它们中有些位为“0”，S3~S0中相应 开关会因和“0”端相连而无电流流过，所以Iout1还 与b3~b0的状态有关。 则 I out1 b3 I3 b2 I 2 b1 I1 b0 I 0
返回
2.1.2 多路转换开关
多 路 转 换 开 关 反 多 路 转 换 开 关
A/D
微机
D/A
完成多到一的转换
完成一到多的转换
2.1.2 多路转换开关
多路开关的分类：
从用途上分 双向：既能实现多到一的转换，也能实现一到多的 转换 单向：只能实现多到一的转换 从输入信号的连接方式上分 单端输入 双端输入（或差动输入）
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。
郑学坚《微型计算机原理及应用》(第4版)配套题库(输入输出和接口技术)【圣才出品】
第9章 输入输出和接口技术一、选择题1．I/O设备与CPU之间交换信息，其状态信息是通过（ ）总线传送给CPU的。
A．地址B．数据C．控制D．三者均可【答案】B【解析】数据总线是CPU用来传送数据信息的信号线（双向、三态）。
数据总线是双向三态总线，即数据既可以从CPU送到其他部件，也可以从其他部件传送给CPU，数据总线的位数和处理器的位数相对应。
2．在I/O接口的各种寄存器中，（ ）必须具有三态输出功能。
A．控制寄存器B．状态寄存器C．数据缓冲寄存器D．地址寄存器【答案】C【解析】I/O端口的功能有：对输入输出数据进行缓冲、隔离和锁存；对信号的形式和数据的格式进行变换；对I/O端口进行寻址；与CPU和I/O设备进行联络。
因此，数据缓冲寄存器必须具有三态输出功能。
3．I/O接口电路通常具有（ ）3个端口。
A．数据输入、数据输出、命令端口B．数据输入、数据输出、状态端口C．数据端口、命令端口、状态端口D．数据端口、控制端口、命令端口【答案】C【解析】考查I/O接口电路的基本概念。
4．在存储器映像I/O编址方式中，I/O端口（ ）。
A．可与存储器同时使用同一地址B．可与存储器分时使用同一地址C．与存储器使用两个独立的地址空间D．与存储器共用统一的地址空间【答案】D【解析】在存储器映像I/O编址方式中，I/O端口与存储器共用统一的地址空间。
5．（多选）有关存储器映像I/O方式错误描述的是（ ）。
A．又称为I/O独立方式B．I/O端口地址空间独立于存储器地址空间C．增加地址译码的复杂性D．I/O指令类型较少【答案】ABC【解析】I/O接口不是独立方式，I/O端口地址空间不独立于存储器地址空间，没有增加地址译码的复杂性。
二、填空题1．典型的接口通常具有如下5种功能：______，______，______，______，______。
【答案】地址译码；数据缓冲；信息转换；提供命令译码和状态信息；定时和控制。
微型计算机原理与接口技术学习简答题汇总
微型计算机原理与接口技术学习简答题汇总输入/输出系统与8254简答与填空一、简答题1.什么是接口？答：接口是CPU与外设之间的连接部件，是外设与CPU之间进行信息交换之间的中转站。
2.为什么要在CPU与外设之间设置接口？答：（1）CPU与外设信号不兼容；（2）CPU与外设速度不匹配；（3）提高CPU的工作效率。
3.微型计算机的接口一般具有哪些功能？答：（1）执行CPU命令；（2）返回外设状态；（3）数据缓冲；（4）设备寻址；（5）信号转换；（6）数据宽度与数据格式转换。
4.什么是端口？端口有几类？答：端口是接口电路中能与CPU进行信息交换的一组寄存器。
端口有三类：数据端口，控制端口，状态端口。
5.I/O端口中有哪两种编址方式？各有什么特点？PC机中采用的是哪种编址方式？答：（1）端口与存储器统一编址，特点：占用内存，但是指令简单（2）端口独立编址，特点：不占用内存，但是需要专门的访问指令。
PC机采用的是独立编址方式。
6.微型计算机系统和外设交换信息的方式有哪几种？各有什么特点？答：（1）无条件传送方式:之间使用IN或OUT指令完成CPU与外设之间的数据传送。
输入时，只需要保证外设把数据准备好，输出时，只需要保证外设空闲，因此，无法保证传送是否成功。
（2）查询方式：CPU输出数据前，要查询输出设备是否空闲，CPU输入数据前，要查询输入数据是否准备好。
只有确认设备具备输入或输出条件，才能用IN或OUT指令完成CPU 与外设之间的数据传送。
（3）中断方式：外设向CPU发出中断请求，CPU响应中断请求，暂停正在运行的程序，转入中断服务程序，完成数据传送；等中断服务程序结束后，将自动返回原来的断点继续执行。
（4）DMA（直接存储器存取方式）：用硬件实现外设与内存之间的数据交换，不通过CPU。
7.8254的各个通道CLK、GATE信号各自有什么作用？答：CLK是计数时钟输入端，GATE是门控信号输入端。
当GATE=1时,每一个CLK信号的下降沿使8254内部减1，计数器减1。
计算机组成原理9章：输入输出系统
三、直接存储器存取方式（DMA） 1、基本概念 DMA是一种完全由硬件实现的I/O信息交换方式。是在I/O设备与主存 之间建立一条直接传送数据的通路，并在有关硬件电路（ＤＭＡＣ）的 控制下进行数据交换，而不需CPU干预。 在正常工作时，所有工作周期都用于执行CPU的程序，当外设将要 传输的数据准备好后，占用总线一个工作周期和知己交换一个单位数据， 这个周期过后，CPU继续控制总线，执行原程序。如此重复，直至整个 数据块传送完毕。 ２、DMA的工作方式（访内冲突的处理） DMA技术的出现，使得外设可以通过DMA控制器直接访问内存，此 时，CPU可以继续执行原程序，CPU继续执行程序时要要访问内存， DMA传送时也要访问内存，这样就会出现访问内存冲突。如何处理？
3、DMA接口的组成及功能 （1）功能：指挥某台I/O设备完成操作；指出被传送信息在主存的首地址；指 出要传送的字节数。 （2）组成 ①IOCR：I/O控制寄存器，来自CPU的命令码，设备码，来自I/O设备的状态字。 ②IOAR：I/O地址寄存器，要交换信息在内存的首地址，自动加1 ③WC：字计数器，存放要成批交换的数据的个数，自动减1 ④IOIR：准备与内存交换的信息 ⑤BC：字节计数器，一次只能传送一个字节时用。 ⑥控制逻辑 以上各部分组成DMAC 4、DMA工作过程 （1）I/O指令→IOCR,命令码启动DMA，设备码选中所需设备 （2）DMA启动后，赋初值：内存首址→IOCR，交换字数→WC (字节→BC)， 有关状态及控制信息→DMA （3）被启动的设备准备就绪，向CPU发DMA请求，CPU响应，便交换数据。 （4）从I/O接口输入一数据（从内存输出一数据）到IOIR，IOARMAR， IOIR→MIR ,完成一个数据的传送，同时修改IOAR和WC（BC） （5）又一数据从I/O接口（从内存）→IOIR，重复（4），直到所有数据传送 完毕。
微型计算机控制系统课件第3章 输入输出接口及输入输出通道
除缓冲器和锁存器外，还有一类既有缓冲功能又有锁存功 能的器件，Intel公司8255A可编程并行I/O扩展接口芯片就是 这样的器件。8255A与工业控制计算机（ISA）总线的连接如 图3-5所示。8255A有三个可编程的8位输入输出端口A、B和 C，内部有一个控制寄存器。通过向控制寄存器写入控制字定 义A、B、C端口的数据传输方向（输入或输出）。图中 ATF16V8作译码器用。
数字量输入接ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ原理图
数字量输出接口原理图
输入输出接口设计
输入接口是输入通道与工业控制机总线之间的桥梁，输出接口是输出通道与工业控制机总线之间 的桥梁。下图是由缓冲器和译码器组成的数字量输入接口示例，以及锁存器和译码器组成的数字量输 出接口示例。
数字量输入接口示例
数字量输出接口示例
输入输出接口设计
S1=/A9+/A8+A7+A6+A5+A4+A3+A2 Y0=AEN+S2
输入输出接口与输入输出通道 数据信息的输入输出控制方式 数字量/模拟量输入输出通道的基本组成
基于板卡的输入输出接口与通道的设计
基于计算机通讯接口的输入输出接口与通道的 设计
计算机接口技术
五、按使用信号的类型可分为数字接口和模拟接口
按使用信号的类型可分为数字接口和模拟接口 以上是从不同的角度对接口进行的简单分类，但现在接口技术已向复合化发展
二、微机与外设的连接方式：总线
CPU
内存接口
内存
智能仪器接口
通讯接口(wangluo
过程控制接口
数字量输入输出接口
数据总线
地址总线
控制总线
数字仪表： 如：数字式波器 数字万用表
终端： 如：传真机 Modem
传感器驱动器： 如：测力仪 电机驱动电源
数字外设： 如：打印机、磁盘 记录仪、显示器等
1-2 I/O接口的基本结构、功能与组成
1－3：二、专用接口和通用接口
微机系统的接口插座
三、按数据通讯的方式可分为串行接口和并行接口
串行：位传送 并行：字或字节
四、按信息传送方式可分为查询式接口、中断式接口和DMA式接口
1、程序查询式：CPU使用程序程序传送方式与I/O设备交换资料，分 B:无条件程序传送接口 A:程序查询方式接口 2、中断方式接口： 当I/O设备需要CPU为其服务时，可以发出中断请求信号INT，CPU在接到信号后，中断正在执行的程序，转为某设备服务，服务完毕后，再返回原来被中断的程序，中断服务由I/O端口发出申请。
一、什么是计算机接口技术：
计算机I/O接口：这种介于计算机主机系统和外设之间的缓冲电路称为计算机接口电路。 计算机接口技术：计算机主机系统和外设之间的缓冲电路的设计与连接技术。 随着现代计算机的发展，接口技术与计算机组成技术存在着交叉。
一、什么是计算机接口技术：
输入-输出接口概述
计算机通过外围设备同外部世界通信或交换数据称为“输入/输 出”。由于输入/输出设备与CPU速度各不相同。如何把工作速度不同 的外围设备与高速的CPU连接起来，就是计算机输入/输出接口所要研 究的问题。
所谓接口就是指两台计算机之间、计算机与外围设备之间、计算 机内各部件之间起连接作用的逻辑电路，是CPU与外界进行信息交换 的中转站，是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务 的逻辑电路，对输入/输出过程起一个缓冲和联络的作用。
2021年1月30日星期六
5.地址译码电路 它由译码器或能实现译码功能的其他芯片构成。它的作用
是进行设备选择，是接口中不可缺少的部分。这部分电路不包 含在集成接口芯片中，要由用户自行设计。
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基于以上原因，CPU与外设之间的数据交换必须通过接口来完 成。
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1.2 接口的基本功能
数据缓冲 和锁存功能
寻址功能
接收和执行 CPU命令的功能
信号转换功能
数据转换
计算机的应用
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中断管理 可编程功能 联络功能
错误检测功能 ……
1.3 接口电路中的信息
输入/输出接口技术是信息传送的控制技术，是一种采用软、硬 件结合的方法，实现CPU与外设之间协调与匹配，实现二者之间高效、 可靠的信息传递的一门技术。
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1.1 设置接口电路的目的
一般的输入/输出设备都是机械的或机电相结合的产物，它 们与CPU进行数据交换时存在以下问题：
（1）端口间接速度不匹配 （2）端口时序不匹配 （3）信息格式不匹配 （4）信息类型不匹配
开关量：只具有两个状态，如开关的断开和闭合，机器的运转与 停止，阀门的打开与关闭等。这些开关量通常要经过相应的电平转换 才能与计算机连接，只用一位二进数即可表示。
计算机原理与接口技术
计算机原理与接口技术
计算机原理与接口技术是一门涵盖了计算机硬件、软件和通信技术等多个方面知识的学科。
它主要研究计算机系统的基本原理以及计算机与外部设备之间的接口技术。
计算机原理包括计算机的基本工作原理、指令集体系结构、计算机组织结构、存储器层次结构、中央处理器、输入输出系统等内容。
接口技术则主要研究计算机与外部设备、网络等之间的通信接口和协议。
计算机原理与接口技术的学习与应用对于理解和掌握计算机系统的运行与设计原理以及与外部设备的连接和通信方式具有重要意义。
它不仅为计算机科学与技术相关专业的学生提供了必备的知识基础，也为计算机应用领域的技术人员提供了必备的专业知识。
在计算机原理方面，学习者需要了解计算机的基本工作原理，即计算机如何接收输入数据，如何进行运算处理，以及如何输出结果。
此外，了解指令集体系结构可以帮助学习者理解不同类型计算机的指令系统是如何设计和实现的，以及如何进行编程开发。
在计算机组织结构方面，学习者需要了解计算机是如何组织和连接各个硬件部件的，包括中央处理器、内存、存储器层次结构、输入输出系统等。
在接口技术方面，学习者需要了解计算机与外部设备的连接和通信方式。
这包括串行接口、并行接口、USB接口、网络接
口等。
了解各种接口的工作原理和通信协议，可以帮助学习者
实现计算机与外部设备之间的数据交换和通信。
总之，计算机原理与接口技术是计算机科学与技术领域中非常重要的一门学科，它涉及到计算机系统的基本原理和与外部设备的接口技术。
通过学习和应用这门学科，我们可以更好地理解和掌握计算机系统的运行和设计原理，以及计算机与外部设备之间的连接和通信方式。
计算机组成与接口 四级
计算机组成与接口四级
计算机组成与接口技术是计算机科学与技术专业的一门核心课程，通常分为四级。
计算机组成部分包括中央处理器（CPU）、内存、输入设备、输出设备和存储设备等。
中央处理器是计算机的核心，负责执行指令和处理数据；内存用于存储程序和数据；输入设备用于将数据和指令输入计算机；输出设备用于将计算机处理的结果输出；存储设备用于长期存储数据和程序。
接口技术是指计算机系统中各个组成部分之间的连接和通信方式。
它包括硬件接口和软件接口。
硬件接口包括各种外部设备与计算机之间的接口，如 USB、以太网、串口等；软件接口包括操作系统、应用程序和设备驱动程序之间的接口。
在计算机组成与接口技术四级中，学生将深入学习计算机的各个组成部分的工作原理、性能评估和设计方法，以及各种接口技术的原理和应用。
他们将学习如何选择和配置适当的硬件组件，以满足特定的应用需求，并了解如何开发和实现高效的接口软件。
通过学习计算机组成与接口技术四级，学生将获得深入了解计算机系统内部工作原理的能力，为他们在计算机科学与技术领域的进一步发展打下坚实的基础。
单片微型计算机原理与接口技术
单片微型计算机原理与接口技术单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer，简称SCM）是一种将中央处理器（CPU）、存储器、输入输出（I/O）接口和定时器等功能模块集成在一块芯片上的计算机系统。
它在体积小、功耗低、成本低的同时，具备强大的计算和控制能力，被广泛应用于各行各业。
本文将介绍单片微型计算机的原理和接口技术。
一、单片微型计算机的原理单片微型计算机由CPU、存储器和I/O接口等主要组成部分构成。
在单片微型计算机的原理中，CPU负责执行指令和数据处理，存储器用于存储程序和数据，I/O接口则实现计算机与外部设备之间的数据交互。
1. CPUCPU是单片微型计算机的核心部分，它包含运算器、控制器和寄存器等组件。
运算器负责进行算术和逻辑运算，控制器则协调和控制各个组件的工作，寄存器用于临时存储数据和指令。
2. 存储器存储器是单片微型计算机用来存储程序和数据的地方，主要包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
RAM具有读写功能，用于存储程序和运行时数据；ROM则用于存储只读数据和程序。
3. I/O接口I/O接口是单片微型计算机与外部设备进行数据交互的通道，常见的接口有串行口、并行口、键盘接口和显示接口等。
通过I/O接口，单片微型计算机能够与各类外设进行数据的输入和输出操作。
二、接口技术单片微型计算机的接口技术是实现计算机与外部设备之间数据交换的重要手段，合理选择和设计接口技术可以提高数据传输效率和系统稳定性。
1. 串行口串行口是一种将数据以比特流的形式进行传输的接口技术。
它适用于数据传输速率较低、线路成本较高、距离较远的场景。
串行口的特点是简单、稳定，适用于与单片微型计算机之间的数据通信。
2. 并行口并行口是一种将数据同时以多位的形式进行传输的接口技术。
它适用于高速数据传输，但在线路布局和噪声干扰等方面有一定的要求。
并行口常用于打印机、显示器等外设与单片微型计算机之间的数据传输。
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总线连接方式的接口电路
数据线：是I/O与主机之间数据代码的传送线， 根数一般等于存储字长的位数或字符的位数
设备选择线：又称为地址线（设备号可以看作是 地址号），可以有一组，也可以有两组，一组用 于主机向设备发送设备码，另一组用于设备向主 机回送设备码。
控制线：包括命令线和状态线
命令线：用以传输CPU向设备发送的各种命令 状态线：I/O设备的状态报告给主机。
C
Y2
0E9H 0EAH
Y3
0EBH
Y4
0ECH
A3
G1
Y5
0EDH
A4
G2A
Y6
0EEH
AAA567
G2B
Y7
0EFH
A0 A1 A2
A…15 A8
A…7 A3
16位I/O端口的译码
A
Y0
B
Y1
C
Y2
Y3
系统控制线
Y4
G1
Y5
G2A
Y6
G2B
Y7
0FFF8H
0FFF9H 0FFFAH 0FFFBH 0FFFCH
I/O总线
I/O接口
………….
I/O接口
设备
：数据线 ：状态线
设备
：地址线 ：命令线
I/O总线和接口部件
接口的功能和组成
识别设备
CPU发送一个设备码，各设备的接口电路将该设备码 和自身的设备码进行比较，如果一致的话，向CPU回 送该设备码，然后系统总线由该设备占用。
一般来讲，一次只能选择一个设备，该设备被选择后， 系统总线由该设备占用
Y2 Y3
Y4 Y5
Y6 Y7
微型计算机的中断技术
中断的概念
计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或 特殊请求时，计算机停止现行程序的运行，转向 对这些异常情况或特殊请求的处理，处理结束后 再返回到现行程序的间断处，这就是中断
把实现中断所需要的软硬件技术称为中断技术
中断接口电路的组成
控制总线：主要用于发出各种控制命令，如存储 器的读/写命令
总线的分类
数据传输线：包括地址线、数据线、控制线 中断信号线：中断请求线、中断认可线 总线仲裁信号线：总线请求线、总线请求允许线 系统线：电源线、地线、复位线 待扩充线：用于一些特殊的功能，系统扩展或保
留给用户使用
总线性能指标
中断
消除了程序查询方式中CPU”踏步”的现象，提高 了CPU的工作效率
CPU相应中断后，必须要停止现在运行的程序， 转入中断服务程序
为了完成I/O与主存之间交换信息，还要占用CPU 内部的一些寄存器，也是对CPU资源的浪费
DMA
CPU工作效率近一步提高
实现了主存和I/O设备之间的直接数据传输。
中断服务
中断服务程序的主体部分，不同的中断请求源的中断 服务操作内容是不同的
恢复现场
退出服务程序前，将原程序中断时的“现场”恢复到 原来的寄存器中
中断返回
返回到原程序的断点处，以便继续执行原程序
取指令 执行指令
中断否？ 否
中断响应
CPU响应中断的条件和时间 CPU中的允许中断触发器EINT为1（该触发器用开 中断指令置位，用关中断指令或硬件使其复位） CPU响应中断的时间一定是在每条指令执行阶段 的结束时刻
中断服务程序流程
保护现场
保存程序的断点（中断隐指令） 保存通用寄存器和状态寄存器的内容（中断服务程序）
有多级缓冲，可以把一批数据块写入缓冲器中。在这 些数据不断写入PCI设备过程中，CPU可执行其它操作
数据线为32位，可扩充到64位，数据传输率达 132MB/s~246MB/s。
USB总线标准
特点 可双向传输数据 支持即插即用 传输速度高：12MB/s 内置的电源供给 提供对电话的双路数据支持 高保真音频
计算机 I/O 系统结构图
设备编码的方法
统一编址
用主存的低地址中256个字节作为设备访问的地址，采 用一般的访存指令LDA，STA就可以实现对设备的访问
特点 占用一部分存储空间，减少了用户使用主存的范围 不需要专用的I/O指令
I/O独立编址
主存的地址和I/O的地址是分开的，需要专门的指令进 行访问，如IN，OUT
保存寄存器的内容
进行初始化的设置：如主机和设备之间交换数据 的数目，设置欲传输数据在主存中的首地址
取设备状态标记，看设备是否准备就绪 CPU执行I/O指令，将数据送入到设备接口中的
数据缓冲区内，同时将设备的输出状态标记复位 修改内存缓冲区地址计数器
判断数据是否传送完毕，未完成，则重新启动设 备继续传输
多总线结构
I/O设备可以和主存之间交换信息而不影响CPU的工作， CPU可以和主存之间交换信息
CPU 主存 I/O接口1 I/O接口2 … I/O接口n …
单总线结构框图
CPU 主存 I/O接口
I/O接口1 … I/O接口n …
双总线结构框图
总线标准中的 “即插即用” 技术
“即插即用” 技术是自动设置总线的技术，当 外部接口卡插到主即接口电路板后立即可用
将用户编制的程序（或数据）输入主机内 将运算结果返回给用户 实现I/O系统与主机之间协调地工作
输入/输出设备
CPU 和 主存
外存设备接口 显示/声音设备接口
工业控制接口 通信设备接口 输入设备控制器 输出设备控制器
硬盘、磁盘、磁带、光盘 显示器、音箱 数/模、模/数转换器 调制解调器、网卡 键盘、鼠标、光笔 激光打印机、针式打印机
将命令通过接口送到设备
CPU发送命令，接口中设有命令缓冲寄存器和命令译 码器。
传送数据的功能
接口处于主机和外部设备之间，通过接口才能实现主 给与外部设备之间的数据传送
接口中设置有数据缓冲寄存器，用以将数据暂存在接 口内
反映设备工作状态的功能
接口内设置一些反映设备工作状态的触发器，将设备 的运行情况及时地反馈到系统
基本概念
中断源：凡能向CPU提出中断请求的各种因素，同称 为中断源
CPU在任何瞬间只能接受一个中断源的请求
接口电路的组成
中断请求触发器和中断屏蔽触发器 完成触发器D：当设备欲提出中断请求时，设备本 身准备就绪，也即完成触发器D必须为“1” 中断请求触发器：发出中断请求信号
中断屏蔽触发器：屏蔽优先级较低设备的中断请 求
服务程序入口1 服务程序入口2
服务程序入口3
………………… 服务程序入口1 服务程序入口2 服务程序入口3
………………… 打印机服务程序 声卡服务程序
………………… 键盘服务程序
…………………
通过向量地址寻找入口地址
中断的处理过程
中断请求
中断源向CPU发出中断的要求
中断判优
将中断源信号经过排队电路，通过优先级选出中断的 优先排序
基本输入输出接口
80X86系列微机中的I/O接口
I/O指令
OUT DX, AX 向I/O设备传送信息的命令 IN AX, DX 从I/O设备读出信息的命令 AX 用来存放于I/O设备传送的信息
DX 用来存放访问的端口地址 指令中的I/O地址，称为端口。8位端口地址是优先使
用的，这样可以减少译码电路的数量。
接口电路的数据传送方式
接口的分类—按传输二进制位数进行分类
并行接口 一次传送一个字节或一个字 例如：打印机
串行接口 一次传送一位二进制代码 主要用于驱动传输距离较远的设备
接口的分类 – 按I/O与主机信息传送的控制方式
程序查询方式
传输方式简单
工作中一直要占用CPU，极大地影响了CPU的工作 效率
独立编址I/O
INTEL系列的PC机中，I/O传送技术采用的是存储器独 立编址
8位端口地址用于驱动主板上的设备，如时钟、键盘 16位端口地址用于驱动串行口、并行口、视频、磁盘
驱动器等等
0000H ~ 03FFH为INTEL微机中的系统保留区 0400H ~ FFFFH之间的端口地址一般由用户使用新的
总线复用：地址总线和数据总线共用一组线路， 某一时刻传输地址信号，另一时刻传送数据。
信号线数：地址总线、数据总线、控制总线的总 和
总线控制方式：包括并发工作方式、仲裁工作方 式
其它：如总线是否能扩展到64位，电源电压是 5V还是3.3V
总线的连接方式
单总线结构
CPU、主存和I/O设备都在一组总线上，所有设备共享 总线，造成计算机系统的数据传输瓶颈
特点 不占用主存空间 但需要专用的I/O指令
I/O接口电路
I/O接口电路的作用
实现设备的辨识和选择 实现主机和设备之间的速度匹配 实现串 -- 并格式的转换 实现电平的转换
计算机对设备的使用是通过接口发送命令实现的， 接口需支持系统的命令
接口监视设备的工作状态，并保存状态信息，供 CPU查询
外部设备
基本输入输出端口
VCC 电阻
GND
片选
A0
Y0
AAAA1234
YYYY1234
AAA567
YYY567
数 据 总 线
1G
2G
VCC
数 据 总 线
GND 片选
D0
Q0
DDDD1234
QQQQ1234
DDD567
QQQ567
OC
CLK
8位I/O端口的译码
A0
A
Y0
0E8H
A1 A2
B
Y1
通道
用来负责管理I/O设备以及实现主存与I/O设备之 间交换信息的部件，它可视为一种具有特殊功能 的处理器
通道有专用的通道指令，它能独立地址行用通道 指令编写的输入输出程序
不是一个完全独立的处理器，受CPU的I/O指令启 动、停止或改变其工作状态，是从属于CPU的一 个专用处理器