第6章输入输出技术
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6.1.1 需要接口电路的原因 (1) 速度匹配问题。CPU 的速度很高，而外设的速度有高有低， 而且不同的外设速度差异很大。这就要求接口电路能对I/O过程 起到缓冲和联络作用。 (2) 信号电平和驱动能力问题。CPU 的信号都是TTL 电平(一般 在0～5V 之间)，而且提供的功率很小，而外设需要的电平要比 这个范围宽得多，需要的驱动功率也较大。需要接口进行驱动放 大。
接口在收到系统的复位信号后，应将接口电路及其所连 接的外设置成初始状态。
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6.1.2 CPU与I/O 接口间的信息类型 CPU与I/O接口交换的信息分为3类：
数据信息、状态信息、控制信息。 1. 数据信息
在微机系统中，数据信息通常包括数字量、模拟量和开关量3 种类型。数字量指由键盘、扫描仪等输入设备读入的信息，或者 由打印机、显示器等输出设备输出的信息，是以二进制形式表示 的数，或是以ASCII码表示的数或字符，其位数有8位、16位和 32位等。模拟量是指在计算机控制系统中，某些现场信息，如压 力、位移、流量等信号经传感器转换为电信号，再通过放大得到 模拟电压或电流。这些信号需要先经过A/D转换变成数字量，
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才能输入计算机；同样，计算机对外设的控制必须先将数字信 号经D/A转换转变成模拟量，才能对现场设备技术控制。开关量 是指只含两种状态的量，如开关的断开与闭合，电路的通与断 等，故只需用一位二进制数即可描述一个开关量，对一个字长 为16 位的机器一次输出就可以控制16 个这样的开关量。
面向CPU 进行联络，又要面向外设进行联络。接口电路必须 提供完成这一功能所需的控制逻辑与状态信号。这些信号具体 包括状态信号、控制信号和请求信号等。同时，由于计算机直 接处理的信号与外设所使用的信号可能不相同，因此也可能是 一定范围内的数字量、开关量和脉冲量。所以，在输入输出时， 必须将这些信号转变成适合的形式才能传输。
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3) 设备选择功能 对任何一个微机系统，通常含有多个I/O 设备。而CPU
在同一时间内只能与一台I/O设备交换信息，这就需要接口中 的地址译码电路进行地址译码以选定外设，只有被选定的I/O 设备才能与CPU 进行数据交换或通信。
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4) 信息的I/O 功能 I/O 接口处在微机与外设之间，在进行数据交换时，既要
第6章 输入/输出技术
6.1 微机和外设间的输入/输出接口 输入/输出(I/O)接口是计算机系统的一个重要组成部分，能 够实现计算机与外界之间的信息交换。而I/O接口技术就是实现 CPU 与外部设备(简称外设)进行数据交换的一门技术，在微机系 统设计和应用中都占有重要的地位。I/O 接口电路位于主机与外 设之间，是用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路，是 CPU 与外界进行数据交换的中转站。外设通过I/O 接口电路把信 息传送给微处理器进行处理，微处理器将处理完的信息通过I/O 接口电路传送给外设，可见，如果没有I/O接口电路，计算机就无 法实现各种输入/输出功能。
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I/O 接口技术采用的是软件和硬件相结合的方式，其中，接 口电路属于微机的硬件系统，而软件是控制这些电路按要求工作 的驱动程序。任何接口电路的应用，都离不开软件的驱动与配合。 因此，接口技术的学习必须注意其软硬结合的特点。
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在不同的微机系统中，为实现外设与微机系统的连接，人 们使用了大量的I/O 设备，如键盘、鼠标、显示器、磁盘存储 器、光驱、扫描仪；在某些控制场合，还用到了模/数(A/D)转 换器、数/模(D/A)转换器等。由于以上这些设备和装置的工作 原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度等各不相同，其数 据处理速度也各不相同，但都比CPU的处理速度要慢。所以， 这些外设不能与CPU 直接相连，而必须经过中间电路再与系统 连接，这部分中间电路被称作I/O 接口电路，简称I/O 接口。 所以，I/O 接口就是用来解决CPU和I/O设备间的信息交换问 题，使CPU和I/O 设备协调一致的工作。
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2) 信号转换功能 由于外设所需的控制信号和所能提供的状态信号往往同微
机的总线信号不兼容，因而常需要接口电路来完成信号的电平 转换。因此，信号转换，其中包括CPU 信号与外设信号逻辑关 系上、时序配合上以及电平匹配上的转换，就成为接口设计中 的一个重要任务。此外，系统总线上传送的数据和外设使用的 数据，在数据格式、位数等方面也存在很大差异。例如，总线 上传输的是并行数据，而外设需要的是串行数据，这就需要串 行和并行格式的转换；如果外设传送的是模拟信号，则要进行 A/D转换和D/A 转换。
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(3) 信号匹配问题。CPU 只能处理数字信号，而外设的信号形 式多种多样，有数字量、开关量、模拟量(电流、电压、频率、 相位)，以及非电量，如压力、流量、温度、速度等，需要通过 接口电路进行转换。 (4) 时序匹配问题。CPU 的各种操作都是在统一的时钟信号作 用下完成的，各种操作都有自己的总线周期，而各种外设也有自 己的定时逻辑与控制逻辑，大都与CPU 时序不一致。因此各种 各样的外设不能直接与CPU 的系统总线相连，必须经过接口电 路。
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5) 中断控制功能 为实现CPU 与外设的并行工作、故障自动处理等功能，要
求在接口电路中设置中断控制器，使CPU 与外设采用中断传送 方式，以提高CPULeabharlann Baidu的效率。 6) 可编程功能
现在的接口芯片基本上都是可编程的，在不改变硬件的情 况下，只需修改程序就可改变接口的工作方式，大大增加了接 口的灵活性和可扩充性。 7) 复位功能
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■ 接口的功能 1) 数据缓冲功能
由于CPU 和总线十分繁忙，而外设的处理速度相对较慢，所 以有必要把数据放在输入接口和输出接口中缓存起来。在输入接 口中，通常要设置三态门等缓冲隔离器件，仅当CPU选通该输入 接口时，才允许选定的输入设备将数据送到系统总线，此时其他 输入设备与数据总线隔离。在输出接口中，一般需要安排锁存器 等锁存器件，将输出数据锁存起来。这时外设有足够的时间处理 高速系统传送过来的数据，同时又不妨碍CPU 和总线去处理其他 事务。
6.1.1 需要接口电路的原因 (1) 速度匹配问题。CPU 的速度很高，而外设的速度有高有低， 而且不同的外设速度差异很大。这就要求接口电路能对I/O过程 起到缓冲和联络作用。 (2) 信号电平和驱动能力问题。CPU 的信号都是TTL 电平(一般 在0～5V 之间)，而且提供的功率很小，而外设需要的电平要比 这个范围宽得多，需要的驱动功率也较大。需要接口进行驱动放 大。
接口在收到系统的复位信号后，应将接口电路及其所连 接的外设置成初始状态。
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6.1.2 CPU与I/O 接口间的信息类型 CPU与I/O接口交换的信息分为3类：
数据信息、状态信息、控制信息。 1. 数据信息
在微机系统中，数据信息通常包括数字量、模拟量和开关量3 种类型。数字量指由键盘、扫描仪等输入设备读入的信息，或者 由打印机、显示器等输出设备输出的信息，是以二进制形式表示 的数，或是以ASCII码表示的数或字符，其位数有8位、16位和 32位等。模拟量是指在计算机控制系统中，某些现场信息，如压 力、位移、流量等信号经传感器转换为电信号，再通过放大得到 模拟电压或电流。这些信号需要先经过A/D转换变成数字量，
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才能输入计算机；同样，计算机对外设的控制必须先将数字信 号经D/A转换转变成模拟量，才能对现场设备技术控制。开关量 是指只含两种状态的量，如开关的断开与闭合，电路的通与断 等，故只需用一位二进制数即可描述一个开关量，对一个字长 为16 位的机器一次输出就可以控制16 个这样的开关量。
面向CPU 进行联络，又要面向外设进行联络。接口电路必须 提供完成这一功能所需的控制逻辑与状态信号。这些信号具体 包括状态信号、控制信号和请求信号等。同时，由于计算机直 接处理的信号与外设所使用的信号可能不相同，因此也可能是 一定范围内的数字量、开关量和脉冲量。所以，在输入输出时， 必须将这些信号转变成适合的形式才能传输。
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3) 设备选择功能 对任何一个微机系统，通常含有多个I/O 设备。而CPU
在同一时间内只能与一台I/O设备交换信息，这就需要接口中 的地址译码电路进行地址译码以选定外设，只有被选定的I/O 设备才能与CPU 进行数据交换或通信。
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4) 信息的I/O 功能 I/O 接口处在微机与外设之间，在进行数据交换时，既要
第6章 输入/输出技术
6.1 微机和外设间的输入/输出接口 输入/输出(I/O)接口是计算机系统的一个重要组成部分，能 够实现计算机与外界之间的信息交换。而I/O接口技术就是实现 CPU 与外部设备(简称外设)进行数据交换的一门技术，在微机系 统设计和应用中都占有重要的地位。I/O 接口电路位于主机与外 设之间，是用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路，是 CPU 与外界进行数据交换的中转站。外设通过I/O 接口电路把信 息传送给微处理器进行处理，微处理器将处理完的信息通过I/O 接口电路传送给外设，可见，如果没有I/O接口电路，计算机就无 法实现各种输入/输出功能。
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I/O 接口技术采用的是软件和硬件相结合的方式，其中，接 口电路属于微机的硬件系统，而软件是控制这些电路按要求工作 的驱动程序。任何接口电路的应用，都离不开软件的驱动与配合。 因此，接口技术的学习必须注意其软硬结合的特点。
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在不同的微机系统中，为实现外设与微机系统的连接，人 们使用了大量的I/O 设备，如键盘、鼠标、显示器、磁盘存储 器、光驱、扫描仪；在某些控制场合，还用到了模/数(A/D)转 换器、数/模(D/A)转换器等。由于以上这些设备和装置的工作 原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度等各不相同，其数 据处理速度也各不相同，但都比CPU的处理速度要慢。所以， 这些外设不能与CPU 直接相连，而必须经过中间电路再与系统 连接，这部分中间电路被称作I/O 接口电路，简称I/O 接口。 所以，I/O 接口就是用来解决CPU和I/O设备间的信息交换问 题，使CPU和I/O 设备协调一致的工作。
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2) 信号转换功能 由于外设所需的控制信号和所能提供的状态信号往往同微
机的总线信号不兼容，因而常需要接口电路来完成信号的电平 转换。因此，信号转换，其中包括CPU 信号与外设信号逻辑关 系上、时序配合上以及电平匹配上的转换，就成为接口设计中 的一个重要任务。此外，系统总线上传送的数据和外设使用的 数据，在数据格式、位数等方面也存在很大差异。例如，总线 上传输的是并行数据，而外设需要的是串行数据，这就需要串 行和并行格式的转换；如果外设传送的是模拟信号，则要进行 A/D转换和D/A 转换。
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(3) 信号匹配问题。CPU 只能处理数字信号，而外设的信号形 式多种多样，有数字量、开关量、模拟量(电流、电压、频率、 相位)，以及非电量，如压力、流量、温度、速度等，需要通过 接口电路进行转换。 (4) 时序匹配问题。CPU 的各种操作都是在统一的时钟信号作 用下完成的，各种操作都有自己的总线周期，而各种外设也有自 己的定时逻辑与控制逻辑，大都与CPU 时序不一致。因此各种 各样的外设不能直接与CPU 的系统总线相连，必须经过接口电 路。
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5) 中断控制功能 为实现CPU 与外设的并行工作、故障自动处理等功能，要
求在接口电路中设置中断控制器，使CPU 与外设采用中断传送 方式，以提高CPULeabharlann Baidu的效率。 6) 可编程功能
现在的接口芯片基本上都是可编程的，在不改变硬件的情 况下，只需修改程序就可改变接口的工作方式，大大增加了接 口的灵活性和可扩充性。 7) 复位功能
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■ 接口的功能 1) 数据缓冲功能
由于CPU 和总线十分繁忙，而外设的处理速度相对较慢，所 以有必要把数据放在输入接口和输出接口中缓存起来。在输入接 口中，通常要设置三态门等缓冲隔离器件，仅当CPU选通该输入 接口时，才允许选定的输入设备将数据送到系统总线，此时其他 输入设备与数据总线隔离。在输出接口中，一般需要安排锁存器 等锁存器件，将输出数据锁存起来。这时外设有足够的时间处理 高速系统传送过来的数据，同时又不妨碍CPU 和总线去处理其他 事务。