第2章 基本输入输出接口技术

如何设计和实现电子电路的输入输出接口一、引言在现代电子技术的应用中，电路的输入输出接口设计和实现是至关重要的一环。

它们承担着将外部信号与内部电路进行有效交互的任务，直接影响着整个系统的性能和功能。

本文将针对如何设计和实现电子电路的输入输出接口进行详细探讨。

二、输入输出接口的基本概念输入输出接口是电子电路与外部世界进行信息交换的桥梁。

在设计过程中，我们需要考虑以下几个基本概念：1.输入接口：负责将外部信号转换为电路能够理解的形式，并将其传递到内部电路中。

常见的输入接口包括传感器、键盘、麦克风等。

2.输出接口：负责将内部电路处理后的信号转换为外部设备可以接收的形式，并将其输出到外部世界。

常见的输出接口包括显示屏、喇叭、电机等。

3.信号转换：输入输出接口中最重要的一环就是信号的转换。

通常，我们需要将不同形态的信号转换为合适的电压、电流或频率，并使其能够完整、准确地传递。

这一过程需要借助于模拟电路和数字电路等技术手段。

三、设计输入输出接口的基本步骤设计和实现电子电路的输入输出接口可以分为以下几个基本步骤：1.需求分析：明确系统对输入输出接口的需求，包括接口类型、精度要求、传输速率等。

根据实际应用场景，选择合适的输入输出接口方案。

2.信号转换：根据所选方案，进行信号转换电路的设计。

对于模拟信号，可以采用放大器、滤波器等电路实现；对于数字信号，可以采用模数转换器、数模转换器等器件来实现。

3.电气特性匹配：确保输入输出接口的电气特性与外部设备的要求相匹配。

这包括电压、电流、阻抗等参数的校准，以确保信号能够正常传递并不会损坏外部设备。

4.保护措施：考虑到外部环境可能存在的干扰和突发情况，需要在输入输出接口中添加适当的保护措施，如过压保护、过流保护、抗干扰设计等，以保证系统的稳定性和可靠性。

5.测试验证：在完成设计和制作后，需要进行充分的测试验证工作，确保输入输出接口的性能满足设计要求，并能够在实际应用中稳定可靠地工作。

单片机中的输入输出接口技术讲解单片机（Microcontroller Unit，简称MCU）作为一种集成了微处理器核心、内存、输入输出接口和外部设备接口的集成电路，广泛应用于各种嵌入式系统中。

其中，输入输出接口技术是单片机的核心组成部分之一，它能够实现单片机与外部设备的高效通信和数据交换。

本文将就单片机中的输入输出接口技术进行详细讲解。

一、基本概念输入输出接口（Input/Output Interface，简称I/O Interface）是单片机与外设之间传输数据、信号的桥梁。

它负责转换单片机内部的电信号与外部设备的电信号之间的逻辑和电平转换。

在单片机应用中，常见的外部设备包括按键、LED灯、LCD显示屏、步进电机等。

二、数字输入输出接口1. 数字输入接口数字输入接口主要通过端口的工作方式与外设通信，常见的数字输入接口有通用并行接口（General Purpose Parallel Interface，简称GPIO）和外部中断（External Interrupt）。

GPIO是单片机中最常见的通用输入输出接口，它具有多种工作模式，可以通过软件控制单片机与外设之间的数据传输。

GPIO的主要功能是将单片机的高低电平与外部设备的高低电平进行转换。

通过控制GPIO的输入输出状态，可以实现与外设之间的数据交换和通信。

外部中断是一种特殊的输入接口，它能够实现对外部事件的高效响应。

当外部事件触发时，单片机会立即跳转到相应的中断服务程序进行处理。

外部中断常用于读取按键输入、检测传感器状态等场合。

2. 数字输出接口数字输出接口是单片机将数据传输出给外部设备的接口。

常见的数字输出接口有通用并行接口（GPIO）、定时器（Timer）和比较器（Comparator）。

GPIO作为通用输入输出接口，在数字输出方面同样起到重要作用。

通过控制GPIO的输出状态，单片机可以向外设发送数据、控制外设的开关状态等。

定时器是一种重要的数字输出接口。

输入输出设备及接口技术1. 概述输入输出设备和接口技术是计算机系统中必不可少的组成部分，它们负责将用户输入的指令和数据传递给计算机系统，并将计算机系统处理的结果输出给用户。

本文将介绍常见的输入输出设备以及它们所使用的接口技术。

2. 输入设备2.1 键盘键盘是计算机最常见的输入设备之一，它通过按键输入字符和控制命令。

键盘通常使用PS/2或USB接口与计算机主机相连。

PS/2接口在过去常用于连接键盘，而现在USB接口已经成为主流。

2.2 鼠标鼠标是计算机常用的指针输入设备，通过移动鼠标来控制屏幕上的光标位置。

鼠标通常使用PS/2或USB接口与计算机主机相连。

现在许多计算机还配备了触摸板或触摸屏，用于替代鼠标进行输入操作。

2.3 扫描仪扫描仪是一种将纸质文档转换成数字化图像的设备。

它通常使用USB接口与计算机主机连接，可以直接将扫描的图像文件保存到计算机或传输到其他设备。

2.4 麦克风麦克风是计算机中常用的音频输入设备，它可以将声音转换为电信号，并输入到计算机中进行处理。

麦克风通常使用3.5mm音频接口或USB接口与计算机主机相连。

3. 输出设备3.1 显示器显示器是计算机中最常见的输出设备之一，它用于显示计算机处理的图像和文本信息。

显示器通常使用VGA、HDMI、DisplayPort等接口与计算机主机相连。

3.2 打印机打印机是一种将电子文档转换为纸质文档的输出设备。

常见的打印机有喷墨打印机、激光打印机等，它们通常使用USB接口或网络接口与计算机主机相连。

3.3 音箱/耳机音箱和耳机是用于输出计算机产生的音频信号的设备。

它们通常使用3.5mm音频接口或USB接口与计算机主机相连。

3.4 显卡显卡是计算机系统中负责控制显示器输出的重要组成部分。

显卡通常使用PCIe接口与计算机主机连接，并通过显卡接口将信号传递给显示器。

4. 接口技术4.1 USB接口USB（Universal Serial Bus）是现代计算机系统中最常用的接口之一。

输入和输出设备及接口技术概论输入和输出设备是计算机系统的重要组成部分，它们负责与用户进行交互，并将数据传输到计算机系统中。

输入设备用于向计算机系统输入数据，而输出设备则用于向用户显示计算机系统输出的数据。

接口技术则是连接这些设备与计算机系统的技术，使它们能够相互通信并完成数据传输的过程。

常见的输入设备包括键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪等。

键盘通过键入字符和命令向计算机系统输入数据，鼠标则通过指示器和按钮控制光标，触摸屏则通过手指触摸和手势输入数据，扫描仪则通过扫描图像和文档将其转换为电子数据。

而常见的输出设备包括显示器、打印机、音响等。

显示器通过屏幕显示图像和文字输出，打印机则通过打印纸张输出文档和图片，音响则通过播放声音输出音频。

接口技术则是连接这些设备与计算机系统的桥梁，它使得这些设备能够与计算机系统进行数据交换。

常见的接口技术包括USB、HDMI、VGA、RJ45等。

USB接口是一种通用的串行总线接口，它可支持多种设备的连接和数据传输；HDMI接口则是一种高清晰数字音视频接口，可传输高清晰度音视频信号；VGA接口则是一种模拟音视频接口，用于连接显示器和计算机系统；RJ45接口则是一种网络接口，可连接计算机系统和局域网。

总之，输入和输出设备及接口技术是计算机系统中至关重要的组成部分，它们负责实现计算机和用户之间的交互和数据传输，进而满足用户对计算机系统的操作需求。

输入和输出设备及接口技术是计算机系统中不可或缺的部分，它们对于保证用户与计算机系统之间的有效交流至关重要。

现在让我们深入了解一下这些设备和技术的工作原理以及其在计算机系统中的作用。

首先，让我们来看看输入设备。

键盘是最常见的输入设备之一，它通过按键输入字符和命令。

键盘上的每个按键都对应着一个特定的字符或命令，并且当用户按下某个按键时，键盘会将相应的信号传输到计算机系统中，通过操作系统进行解析并执行相应的操作。

鼠标是另一个常见的输入设备，它通过移动鼠标和点击按钮来控制计算机系统上的光标，实现对屏幕上图标、菜单和其他元素的选择和操作。

微机控制技术第⼆章第⼆章: 过程输⼊通道与接⼝输⼊输出接⼝技术——研究微处理器和外部设备之间信息交换的技术。

外界的各种数据和信息通过输⼊设备送到微处理器，⽽微处理器将计算结果或控制信号输出外部设备，以便显⽰、打印或实现各种控制。

外部设备品种很多，有机械式的、机电式的或电⼦式的等，其原理也多种多样，各不相同。

它们在与微机系统交换信息时，往往存在着速度不匹配、数据类型不⼀样等问题，为了解决这些问题，必须设计⼀套介于主机和外部设备之间的控制逻辑部件，这就是所谓输⼊输出接⼝或简称接⼝。

I／O通道（过程通道）：是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。

⼀、接⼝、通道及其功能(⼀)I／O接⼝电路I／O接⼝电路也简称接⼝电路。

它是主机和外围设备之间交换信息的连接部件(电路)。

或是主机和外围设备之间的信息交换的桥梁。

(⼆)I／O通道I／O通道(过程通道):是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。

给计算机提供被控对象的各种物理参数的通道称为信号的输⼊通路。

传输计算机控制命令作⽤于被控对象的通道称为信号的输出通路。

反映(或作⽤于)⽣产过程⼯况的信号既有模拟量，也有数字量(或开关量),可是计算机识别数字信号。

所以输⼊和输出通路的主要功能就是实现模拟量与数字量之间的信号变换。

本章学习⽬的:解决微型计算机和外部的连接问题，使计算机和外部构成⼀个整体，能正确、可靠、⾼效率的交换信息，这是设计⼀个微机控制系统必须解决的基本问题。

⼆、I／O信号的种类外部设备与CPU之间交换信息，如图2—1所⽰，通常有三类信息。

(1)数据信息图2—1在微型机中，数据通常为8位或16位，它可以分为以下三种：1)数字量: 由键盘、光电输⼊机、卡⽚机等读⼊的信息⼀般是以⼆进制形式表⽰的数或以ASCII码表⽰的数或字符。

2)模拟量: 当微处理器⽤于实时控制时，⼤量的现场信息经过传感器把⾮电量转换成的电量以及执⾏机构所能接受的控制量。

3)开关量: 这些变量只有开和关两个状态，通常⽤⼀位⼆进制数来表⽰。

输入输出接口技术第一节接口技术的基本概念一、接口的概念和功能二、接口电路的典型结构三、接口功能第二节I/O端口的编址和译码一、I/O端口的编址方式二、输入/输出指令三、I/O端口的译码第三节CPU与外设间的数据传送方式一、无条件传送方式二、条件传送方式三、中断传送方式四、DMA传送方式一、接口的概念和功能1 接口：指CPU与存储器和外设之间通过总线进行连接的电路部分，是CPU与外界进行信息交换的中转站。

为什么要在CPU与外设之间设置接口电路？其一，CPU与外设两者的信号线不兼容，在信号线功能定义、逻辑定义和时序关系上都不一致；其二，两者的工作速度不兼容，CPU速度高，外设速度低； 其三，若不通过接口，而由CPU直接对外设的操作实施控制，就会使CPU处于穷于应付与外设打交道之中，大大降低CPU的效率；其四，若外部设备直接由CPU控制，也会使外设的硬件结构依赖于CPU，对外设本身的发展不利。

因此，有必要设置接口电路，以便协调CPU与外设两者的工作，提高CPU的效率，并有利于外设按自身的规律发展。

2 接口技术：是研究CPU如何与外部世界进行最佳耦合与匹配，实现双方高效、可靠地交换信息的一门技术，是软件、硬件结合的体现，是微机应用的关键。

微机接口技术综合性很强，所涉及的知识面很宽，包括微机原理、汇编语言（或高级语言）程序设计、电子技术、自控原理以及通信技术等多门课程的基础理论和专业知识。

3.接口技术在微机应用中的作用微机应用系统的研究和微机化产品的开发，从硬件角度来讲，就是接口电路的研究和开发，接口技术已成为直接影响微机系统的功能和微机推广应用的关键。

微机的应用是随着外部设备的不断更新和接口技术的发展而深入到各个领域的。

1从编程角度看，接口内部主要包括一个或多个CPU可以进行读/写操作的寄存器，又称为I/O端口。

2各I/O端口由端口地址区分。

3按存放信息的不同，I/O端口可分为三种类型数据端口：用于存放CPU与外设间传送的数据信息状态端口：用于暂存外设的状态信息控制端口：用于存放CPU对外设或接口的控制信息，控制外设或接口的工作方式。

第二章输入输出接口与过程通道在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的被控参数及运行状态，按要求的方式送人计算机处理，再将结果以数字量的形式输出，并将数字量变换为适合生产过程控制的量，因此在计算机接口和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换装置，这个装置就称之为过程输入输出通道，也叫I／O通道。

2.1 过程输入输出通道概述2.1.1 过程输入输出通道的类型及功能根据过程信息的性质及传递方向，过程输入输出通道可分为模拟量输人通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道、数字量(开关量)输出通道等几种类型。

生产过程的被调参数(如温度、压力、流量、速度、位移等)，一般是随时间连续变化的模拟量，通过检测元件和变送器转换为对应的模拟电压和电流。

由于计算机只识别数字量，故模拟电信号必须通过模拟量输入通道转化为数字量后，才能送人计算机。

对于生产现场的状态量(如开关、电平高低、脉冲量等)也不能为计算机直接接受，因此数字量(开关量)输入通道将状态信号转变为数字量送入计算机。

计算机控制生产现场的控制通道也有两种，即模拟量输出通道和数字量输出通道。

计算机输出的控制信号以数字形式给出，若执行元件要求提供模拟电压或电流，则采用模拟量输出通道将数字量转换为模拟电压或电流，若执行元件要求数字量(开关量)，则应采用数字量输出通道，将计算机输出的数字量经处理和放大后输出。

由此可见，过程输人输出通道是计算机和工业生产过程相互交换信息的桥梁。

2.1.2 过程输入输出通道与CPU交换的信息类型过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种：(1)数据信息反映生产现场的参数及状态的信息，它包括数字量、开关量和模拟量。

(2)状态信息又叫应答信息、握手信息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号等。

(3)控制信号用来控制过程通道的启动和停止等信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动等。

接口电路含这三类信息交换的端口。

2.1.3 过程通道的编址方式由于计算机控制系统一般都有多个过程输人输出通道，因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。