终端、总线与接口

1、第1章 数制和码制第第6章章 终端、总线与接口终端、总线与接口6.1 外部信息与外部信息与2进制码的转换进制码的转换6.2 数模与模数转换数模与模数转换6.3 总线总线6.4 计算机的接口计算机的接口6.5 计算机数据的远地传送计算机数据的远地传送 1.部分输入设备的转换原理部分输入设备的转换原理（1）直接二进制码输入）直接二进制码输入（2）键盘输入）键盘输入（3）扫描输入）扫描输入（4）模拟量输入）模拟量输入6.1 外部信息与二进制代码间的转换外部信息与二进制代码间的转换 2.部分输出设备的转换原理部分输出设备的转换原理（1）打印输出）打印输出（2）视频输出）视频输出（3）模拟量输出）模拟量

2、输出1.1.部分输入部分输入设备的转换设备的转换原理原理（1）直接二进制码输入）直接二进制码输入 某些输入媒体本身携带的就是二进制信息，某些输入媒体本身携带的就是二进制信息，如如纸带读入机、磁盘驱动器、光盘驱动器纸带读入机、磁盘驱动器、光盘驱动器将输入的文字、数字和符号进行将输入的文字、数字和符号进行编码编码（2）键盘输入）键盘输入 【键盘编码器举例】某键盘有【键盘编码器举例】某键盘有8个按键，分个按键，分别表示别表示A、B、C、D、6、7、8、9，设计，设计编码器电路将他们转换为编码器电路将他们转换为ASCII码码。按键按键输入输入C7C6C5C4C3C2C1C0A10000011B1000

3、0101C10000110D10001001601101101701101110801110000901110011编码器真值表编码器真值表C7=A+B+C+DC6=6+7+8+9 上述电路存在的问题上述电路存在的问题：（1）按键是机械开关，使编码器输入）按键是机械开关，使编码器输入出现瞬间抖动；（出现瞬间抖动；（2）各个门响应时间有差别，瞬间编码错误）各个门响应时间有差别，瞬间编码错误；（；（3）键盘输入和计算机读入时间不一致。）键盘输入和计算机读入时间不一致。键盘编码器电路键盘编码器电路后续处理电路：后续处理电路：延迟脉冲电路延迟脉冲电路和和锁存器锁存器C0C7K0K7READYRESET

4、来自接口来自接口延迟与脉冲延迟与脉冲形成形成P1P2延迟延迟图形信息和其它依据形状描述的信息的输入方法图形信息和其它依据形状描述的信息的输入方法（3）扫描输入）扫描输入（4）模拟量输入）模拟量输入模拟输入信号：模拟输入信号：声音、图像灰度、工业测量信号等声音、图像灰度、工业测量信号等模模/数转换（数转换（A/D） 打印机的分类打印机的分类【例】【例】字母数字打印机：点阵式、铅字式字母数字打印机：点阵式、铅字式。 P234页图页图6.5 译码电路译码电路 点阵式：点阵式：ASCII点阵码点阵码 铅字式：铅字式：ASCII位置码位置码2.2.部分输出部分输出设备的转换设备的转换原理原理（1）打印输

5、出）打印输出包括：包括：阴极射线管阴极射线管CRT、液晶、液晶LCD显示器和发显示器和发光二级管大屏幕显示等。光二级管大屏幕显示等。扫描显示原理：扫描显示原理：自左至右，自上而下逐行扫描自左至右，自上而下逐行扫描显示一幅图像和文字，扫描频率显示一幅图像和文字，扫描频率60帧。帧。7段数码管显示段数码管显示（2）视频输出）视频输出二二-十进十进制编码制编码显示译显示译码器码器显示显示器件器件七段共阴七段共阴LED显示器件显示器件abcdfga b c d e f g1 1 1 1 1 1 00 1 1 0 0 0 01 1 0 1 1 0 1e abcdfeg？ 思考：思考：七段共阳七段共阳LE

6、D如何显示如何显示0？显示显示译码器译码器A0A1A2A3abcdefgA3A2A1A0 a b c d e f g 字形字形 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 10 0 0 0 0 0 11 0 0 1 1 1 10 0 1 0 0 1 00 0 0 0 1 1 01 0 0 1 1 0 00 1 0 0 1 0 00 0 0 0 1 0 00123459aebcfgd显示译码电路（共阳）显示译码电路（共阳）（3）模拟量输出）模拟量输出模拟输出信号：模拟输出信号：声音、图像、工业控制信号等声音、图像、工业控制信号等数数

7、/模转换（模转换（D/A） 6.2 数模与模数转换数模与模数转换 1.1.数模转换的基本原理数模转换的基本原理 2.2.常用的常用的D/A转换方案转换方案 3.3.D/A转换的主要技术指标转换的主要技术指标 4.4.模数转换的基本原理模数转换的基本原理 5.5.几种常用几种常用A/D的转换方案的转换方案1.1.数模转换数模转换的基本原理的基本原理O() IDvNDIvO#/7654321000 001 010 011 100 101 110 111VO/VDI （1）开关树译码方案）开关树译码方案：产生产生2n个标准电压，根个标准电压，根据输入的据输入的n位码，将对应的电压切换到输出。位码，将

8、对应的电压切换到输出。2.2.常用的常用的D/A转换方转换方案案VREFB0B1B2v0B2B1B0=1 0 1330000(2)2iiOAfifivRBIR IB （2）权电流方案）权电流方案I02I04I08I0B0B1B2B3vOA求和求和放大器放大器Ii运算放大器的理想特性运算放大器的理想特性: 输入电流输入电流为为0；正负端输入电压相等正负端输入电压相等。权电流的一种实现电路权电流的一种实现电路I/2I/4I/8I/16B3B2B1B0vOAI/2I/4I/8I/16RI2RR2RR2RR2RRf2RVREF 方法一方法一：对于对于4位原码输入，最左边是符位原码输入，最左边是符合位，

9、则合位，则11110111对应对应-7V+7V，可采，可采用正负两个基准电源。用正负两个基准电源。 （3）双极性）双极性DAC 方法二方法二：将输入带符号的：将输入带符号的4位原码换成位原码换成偏偏移码移码。数数N二进制原码二进制原码2的补码的补码偏移码偏移码DAC输出输出-8- - - - 1 0 0 00 0 0 08S-71 1 1 1 1 0 0 10 0 0 17S-61 1 1 0 1 0 1 00 0 1 06S-51 1 0 1 1 0 1 10 0 1 15S-41 1 0 01 1 0 00 1 0 04S-31 0 1 1 1 1 0 10 1 0 13S-21 0 1

10、0 1 1 1 00 1 1 02S-11 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1S00 0 0 00 0 0 01 0 0 00S10 0 0 10 0 0 11 0 0 1-1S20 0 1 00 0 1 01 0 1 0-2S30 0 1 10 0 1 11 0 1 1-3S40 1 0 00 1 0 01 1 0 0-4S50 1 0 10 1 0 11 1 0 1-5S60 1 1 00 1 1 01 1 1 0-6S70 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 -7S偏偏移移码码编编码码表表双极性双极性DAC 将将0 -15V加以补偿，在求和放大器的输入端加加以补偿，在

11、求和放大器的输入端加上一个与各权电流方向相反的偏移电流上一个与各权电流方向相反的偏移电流Ioff，使输，使输入码为入码为1000时，输出电压时，输出电压0。vO#/IOFF偏偏移移码码单极性单极性DAC输入为正数的偏移码时，输出为负电压；输输入为正数的偏移码时，输出为负电压；输入为负数的偏移码时，输出为正电压。入为负数的偏移码时，输出为正电压。00321003332211000()()REFOREFREFOREFiiC VCvVCCCCCCB CB CBCB CVvVBCCC （4）权电容译码方案）权电容译码方案B3B2B1B0VREFC3C2C1C0SrC0/vOVREFC3C2C1C0C0

12、/vO权电容方案优点：权电容方案优点：输出电压与电容绝对值无关，只与电输出电压与电容绝对值无关，只与电容比有关；容比有关；输出电压精度与基准电压有关，与开输出电压精度与基准电压有关，与开关导通内阻和电压源内阻无关；关导通内阻和电压源内阻无关；速度适中。速度适中。现代集成现代集成D/A转换多采用该方案转换多采用该方案 （1）分辨力（）分辨力（Resolution）3.3.D/A转换转换的主要技术的主要技术指标指标分辨率：分辨率：分辨力分辨力s与最大输出电压与最大输出电压Vm比值比值 （2）精确度（）精确度（Accuracy）D/A转换的误差：转换的误差：3种种相邻两组二进制代码对应的输出电压之相

13、邻两组二进制代码对应的输出电压之差差s，也即输入二进制码最低有效位对应，也即输入二进制码最低有效位对应的输出电压的输出电压(LSB)。实际输出值与理论值差值的最大值。实际输出值与理论值差值的最大值。max2s平移误差平移误差增益误差增益误差非线性误差非线性误差D/A转换的转换的3种误差种误差 （3）转换速度）转换速度 输出电流输出电流/电压的建立时间：电压的建立时间：从输入数据加到从输入数据加到D/A到输出电流到输出电流/电压到达稳态值所需的时间。电压到达稳态值所需的时间。 （1）模数转换的过程）模数转换的过程4.4.模数转换模数转换的基本原理的基本原理采采样样保保持持量量化化编编码码采样：采

14、样：按照数字信号的节拍，对模拟按照数字信号的节拍，对模拟信号取样，需满足信号取样，需满足采样定理采样定理。S(t)v(t)v*(t) 保持保持运放跟运放跟随器随器运放跟运放跟随器随器CS(t)信号信号vv*vt原始信号原始信号vt采样信号采样信号vt保持信号保持信号量化、量化、编码编码u量化原则量化原则：舍零取整、四舍五入：舍零取整、四舍五入按按量化原则量化原则对采样保持后的阶梯信号进行对采样保持后的阶梯信号进行取整处理；接着对取整后的信号进行编码取整处理；接着对取整后的信号进行编码vt量化信号量化信号编码：编码：010101 模数转换的框图模数转换的框图/#vIADO模数转换的量化误差模数转

15、换的量化误差舍零取整舍零取整 S四舍五入四舍五入 S/2IA() ODNv（2）A/D转换的技术指标转换的技术指标分辨力分辨力输出二进制码最低有效位对应的输入电输出二进制码最低有效位对应的输入电压，等于量化阶梯压，等于量化阶梯S。 精度精度 用转换误差来衡量用转换误差来衡量：包括零点、增益、：包括零点、增益、非线性误差以及非线性误差以及量化误差量化误差。u分辨率分辨率：S/Vm 1/2n转换速度转换速度 用转换时间来表示用转换时间来表示：从输入模拟电压加：从输入模拟电压加到输入端到获得稳定输出所需的时间。到输入端到获得稳定输出所需的时间。 （1）并行比较型）并行比较型 （2）逐次逼近型）逐次逼

16、近型 （3）双积分型）双积分型5.5.几种常见几种常见的的A/D转换转换方案方案-+-+-+-+-+-+-+vIAVRRRRRRRRRB2B1B0AGFECDB编编码码器器 7S 6S 5S 4S 3S 2S 1S比较器比较器（1）并行比）并行比 较型较型A/D比较器输出比较器输出8S vIA7S7S vIA6S6S vIA5S5S vIA4S4S vIA3S3S vIA2S2S vIA1S1S vIA0A B C D E F G B2B0B1编码器输出编码器输出输入电压输入电压vIA1 1 1 1 1 1 11111 1 1 1 1 1 0000111110 0 0 0 0 0 000000

17、00 0 0 0 0 0000 0 00000 0 000 01111111111111111111000并行比较型并行比较型A/D的转换编码的转换编码优缺点：优缺点：速度高，但所需器件多速度高，但所需器件多【例】将【例】将08V之间的电压信号通过逐次之间的电压信号通过逐次逼近转换成逼近转换成3位二进制码。位二进制码。（2）逐次逼近型）逐次逼近型A/DvIAt1111101011000111101000100010010010逐次逼近的特点：逐次逼近的特点：u对一未知电压对一未知电压vIA，逐次逼近就意味着，逐次逼近就意味着逐次缩小逐次缩小搜索范围搜索范围：先确定它在哪个：先确定它在哪个Vm/

18、2内；再确定它在内；再确定它在哪个哪个Vm/4内内u确定输出数码，缩小搜索范围的方法是确定输出数码，缩小搜索范围的方法是比较比较：第一次应与第一次应与100对应的电压对应的电压Vm/2比较，第二次与比较，第二次与010或或110对应的电压比较对应的电压比较u除第一次比较确定是与除第一次比较确定是与Vm/2比较外，以后每次比较外，以后每次需要与什么电压比较，由前一次比较结果决定。需要与什么电压比较，由前一次比较结果决定。逐次逼近逐次逼近ADC框图框图vIADO数数据据寄寄存存器器控制电路控制电路#/vIAVm【例】【例】vIA=4.32V电荷再分配式逐次逼近型电荷再分配式逐次逼近型ADCvIAV

19、REF控控制制电电路路移移位位寄寄存存器器输输出出u电荷再分配式逐次逼近型电荷再分配式逐次逼近型ADC工作原理工作原理 取样期取样期 Sg接地，接地，S1S5通过通过Sr接到接到vIA 保持期保持期 Sg断开，断开，S1S5接地接地 逐次比较期逐次比较期 Step1： S1通过通过Sr接到接到VREF到，确到，确定定B3位；位； Step2： S2通过通过Sr接到接到VREF； S1由由B3决定其接法，确定决定其接法，确定B2位；位； Step3：，确定，确定B1位。位。C1C2C4C5C3VREF至比较器至比较器C1C2C4C5C3VREF至比较器至比较器转换精度高，只与电容比有关；转换精度

20、高，只与电容比有关；成本较低；成本较低； 速度较快。速度较快。集成集成AD采用较多的方案之一。采用较多的方案之一。u电荷再分配式逐次逼近型电荷再分配式逐次逼近型ADC的特点的特点积分运放电路积分运放电路（3）双积分）双积分A/D转换方案转换方案将被转换的电压转换成与其幅度成正比将被转换的电压转换成与其幅度成正比的时间，然后对时间进行测量，将测量的时间，然后对时间进行测量，将测量的数据作为的数据作为A/D的转换结果。的转换结果。 如何建立电压与时间的对应关系？如何建立电压与时间的对应关系？积分运放电路积分运放电路VREFVOVO1VO2t1t211REFREFOVVvidtdttCCRRC 双积

21、分双积分A/D转换电路转换电路 控控制制 电电路路 n位位二二进进制制计计数数器器 & 积积分分器器 比比较较器器 S1 S2 R C CP vC =1(vB0) =0(vB0) vB dn-1 d0 + + t0 vC= 标标准准频频率率 vIA-VREFvA双积分双积分A/D转换原理转换原理u取样期（定时积分）取样期（定时积分）： S1接接vIAu转换期（定速积分）转换期（定速积分）： S1接接-VREF02nIAIABvvvTtRCRC 111102REFBBREFnIAREFVvtRCvtRCVtvntVvIAOtvAO-VREFvBOOtvCONvDtttn2n1v1v2v1v2双积

22、分双积分A/D转换电路的特点转换电路的特点u转换时间长转换时间长;u抗干扰能力强、精度高；抗干扰能力强、精度高； 抗零点漂移和对称性干扰抗零点漂移和对称性干扰 u成本低。成本低。 1.总线（总线（BUS）的提出）的提出 2.外设和总线的连接外设和总线的连接 3.外部设备的地址模式外部设备的地址模式 4.总线结构总线结构 5.数据在总线上的传送方式数据在总线上的传送方式 6.标准总线标准总线6.3 总总 线线1.1.总线总线(BUS)的提出的提出目的：目的：解决计算机内部各部件以及计算机与解决计算机内部各部件以及计算机与各个终端之间的数据交换。各个终端之间的数据交换。总线：总线：将计算机的所有终

23、端或各逻辑部件都将计算机的所有终端或各逻辑部件都通过一定方式挂在总线上，每次只允许一对通过一定方式挂在总线上，每次只允许一对设备使用总线交换数据。设备使用总线交换数据。 BUS微机硬件结构微机硬件结构数据选择器和数据分配器数据选择器和数据分配器三态电路：三态电路： 逻辑门电路的互补输出结构逻辑门电路的互补输出结构2.2.外设与总外设与总线的连接线的连接如何保证总线上任何时候只传送如何保证总线上任何时候只传送一组信息呢？一组信息呢？IAvOVDD常见三态电路的真值表和逻辑符号常见三态电路的真值表和逻辑符号IAFIAFIAFIAFIAFIAFIAFIAF国标国标符号符号MIL符号符号IAF0Z10

24、0111IAF0000111 ZIAF0Z101110IAF0010101 Z利用三态电路将利用三态电路将外设连接到总线上外设连接到总线上将输入外设的每一将输入外设的每一位通过一个三态门位通过一个三态门挂到总线上，外设挂到总线上，外设的地址作为三态门的地址作为三态门使能信号。使能信号。D1地址地址1D2地址地址2D3地址地址3D4地址地址4BUS地址地址5地址地址6地址地址7地址地址8负载负载5负载负载6负载负载7负载负载8输出设备输出设备与总线的与总线的连接类似连接类似独立编址独立编址存储器映射方式存储器映射方式3.3.外部设备外部设备的地址模式的地址模式u总线分类：总线分类： 数据总线、地

25、址总线和控制总线数据总线、地址总线和控制总线4.4.总线结构总线结构总总线线输入输入/输出控制信号输出控制信号输入输入/输出地址总线输出地址总线存储器控制信号存储器控制信号存储器地址总线存储器地址总线数据总线数据总线总总线线输入输入/输出控制信号输出控制信号地址总线地址总线存储器控制信号存储器控制信号数据总线数据总线CPU对存储器或终端的读写对存储器或终端的读写u读读 访问单元的地址加在访问单元的地址加在地址总线地址总线上；上； 在在控制总线控制总线上加读控制命令；上加读控制命令； 访问单元向访问单元向数据总线数据总线发出数据。发出数据。u写写 地址和数据加在地址和数据加在地址地址和和数据总线

26、数据总线上；上； 在在控制总线控制总线上加写命令；上加写命令； 数据总线数据总线上的数据写入被访问单元。上的数据写入被访问单元。5.5.数据在总数据在总线上的传送线上的传送方式方式读读/ /写数据传送方式写数据传送方式u同步同步 其读写时间必须依速度最慢而定。其读写时间必须依速度最慢而定。u异步异步 CPU访问某单元时，必须收到对方的访问某单元时，必须收到对方的回答信息后才能结束。回答信息后才能结束。u半同步半同步 大多数采用同步大多数采用同步 速度慢的采用异步速度慢的采用异步同步传送的波形示意图同步传送的波形示意图地址稳定地址稳定地址稳定地址稳定1周期周期1周期周期地址线地址线数据稳定数据稳

27、定数据稳定数据稳定数据线数据线WRITEREAD数据由外设放数据由外设放在数据线上在数据线上数据由数据由CPU放在数据线上放在数据线上异步传送的波形示意图异步传送的波形示意图地址稳定地址稳定地址稳定地址稳定地址线地址线数据稳定数据稳定数据稳定数据稳定数据线数据线WRITEREADData Valid或或ReceivedIORMEMWA0IOWA15A1A2D08080CPU总线总线D2D1D7MEMRA0A15A168000CPU总线总线D0D1D7D8D9D15ASUDSLDSR/WDTACK6.6.标准总线标准总线 为了不同机器和为了不同机器和不同终端之间的不同终端之间的兼容，兼容，总线需

28、要总线需要标准化标准化。如。如IBM PC总线、总线、ISA、PCI、CPCI、PC104总线等。总线等。 1.接口的含义接口的含义6.4 计算机的接口计算机的接口终端与总线的连接及其访问协议。终端与总线的连接及其访问协议。2.计算机与终端的信息交换方式计算机与终端的信息交换方式 程序查询程序查询：电路简单，但速度慢。电路简单，但速度慢。 程序中断程序中断：速度高，但接口电路复杂。速度高，但接口电路复杂。 DMA：直接存储器存取方式，：直接存储器存取方式，速度高，速度高， 但接口电路复杂。但接口电路复杂。3.接口电路举例接口电路举例1键盘接口键盘接口/查询方式查询方式A7A6A5A4A3A2A

29、1A01IORD0D7K7K0到到CPU数数据总线据总线到键盘状态触发器到键盘状态触发器的的RESET端端来自来自键盘键盘缓冲缓冲器器&来自来自CPU地址总线地址总线来自来自CPU控制线控制线数据接口数据接口联系联系P232页图页图6.3键盘状态字接口键盘状态字接口D0D7到到CPU数数据总线据总线来自来自CPU地址总线地址总线READY(来自键来自键盘状态触发器盘状态触发器)A7A6A5A4A3A2A1A01IOR&D6来自来自CPU控制线控制线联系联系P232页图页图6.3键盘接口工作过程（查询方式）：键盘接口工作过程（查询方式）：uCPU先在地址线上加先在地址线上加地址码地址码（02）h

30、，然，然后发后发读命令读命令，键盘状态字键盘状态字被被CPU读取；若读取；若此字为（此字为（80）h，说明键盘有数据输入，说明键盘有数据输入，再将地址（再将地址（01）h加到地址线上，发读命加到地址线上，发读命令，将令，将键盘数据键盘数据寄存器中数据读进寄存器中数据读进CPU。u在键盘数据通道被选通的同时，接口中的在键盘数据通道被选通的同时，接口中的低电平输出信号将低电平输出信号将键盘状态触发器键盘状态触发器(P232页图页图6.3)复位，表示该数据已被处理，以复位，表示该数据已被处理，以免免CPU重复读取。重复读取。4. 接口电路举例接口电路举例2打印机接口打印机接口/查询查询C0C7D7D

31、0去打去打印机印机去打印机去打印机CHARACTER READYA7A6A5A4A3A2A1A01WR&来自来自CPU地址总线地址总线来自来自CPU控制线控制线来自来自CPU数据总线数据总线打印完成后由打打印完成后由打印机发复位信号印机发复位信号数据接口数据接口A7A6A5A4A3A2A1A01IOR&来自来自CPU地址总线地址总线来自来自CPU控制线控制线D7D0到到CPU数数据总线据总线打印机空闲打印机空闲(来自打印机来自打印机状态触发器状态触发器)D1FLAG打印机状态字接口打印机状态字接口打印机接口工作过程（查询方式）：打印机接口工作过程（查询方式）：uCPU先在地址线上加先在地址线上加地址码地址码（04）h，然后发，然后发读命令读命令，打印机状态字打印机状态字被被CPU读取，若此字为读取，若此字为（01）h，说明打印机能接受打印数据，再将，说明打印机能接受打印数据，再将地址（地址（03）h加到地址线上，并将要加到地址线上，并将要打印的数打印的数据加到数据总线据加到数据总线上，发写命令，总线上的数据上，发写命令，总线上的数据被送到被送到打印机寄存器打印