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第六章I/O接口和总线本章介绍1.I/O接口I/O接口的功能简单的输入输出接口芯片I/O端口及其寻址方式CPU与外设间的数据传送方式 PC机的I/O地址分配2.总线IBM PC总线AT总线或ISA总线6-1、I/O接口一．I/O接口的功能1.采用I/O接口的必要性计算机和外设之间的信息交换带来一些问题：速度不匹配信号电平不匹配信号格式不匹配时序不匹配因此I/O设备不能直接与CPU的系统总线相连，必须在CPU与外设之间设置专门的接口电路来解决这些问题。
可编程输入输出接口芯片随着大规模集成电路技术的发展，出现了许多通用的可编程接口芯片，可用它们来方便地构成接口电路。
后面几章将介绍常见的可编程I/O接口芯片的原理、编程方法及与CPU的连接方法。
可编程中断控制器8259A可编程计数器/定时器8253可编程外围接口芯片8255A串行通信和可编程接口芯片8253AA/D和D/A转换芯片。
本章介绍最常用的简单I/O接口芯片,主要有缓冲器(Buffer)和锁存器(Latch)。
二、简单的输入输出接口芯片1.缓冲器74LS244和74LS245连接在总线上的缓冲器都具有三态输出能力。
在CPU或I/O接口电路需要输入输出数据时，在它的使能控制端EN（或G）作用一个低电平脉冲，使它的内部的各缓冲单元接通，即处在输出0或1的透明状态。
数据被送上总线。
当使能脉冲撤除后，它处于高阻态。
这时，各缓冲单元像一个断开的开关，等于将它所连接的电路从总线脱开。
74LS244和74LS245就是最常用的数据缓冲器。
除缓冲作用外，它们还能提高总线的驱动能力。
8个三态缓冲单元，分成两组，分别由门控信号为低电平时，数据传送；高电平时，输出高阻态。
单向缓冲器，只能从端。
OE 2.锁存器74LS3731. I/O端口1.数据端口（Data Port）用来存放CPU与外设之间交换的数据，长度一般为1-2个字节，主要起缓冲作用。
2.状态端口（Status Port）用来指示外设的当前状态。
微型计算机原理与接口技术（第4版）___题解及实验指导这份大纲旨在为《微型计算机原理与接口技术（第4版）吴宁题解及实验指导》给出一个概览，请参考以下内容。
概述介绍微型计算机原理与接口技术的基本概念引言微型计算机的发展和应用阐述微型计算机系统的组成和层次结构计算机硬件描述计算机硬件的基本组成包括中央处理器、存储器和输入输出设备讨论硬件的功能和特点计算机软件介绍计算机软件的概念和分类强调操作系统的作用和功能讨论软件的开发和应用微型计算机接口研究计算机与外部设备之间的连接和通信介绍接口的原理和技术分析接口的设计和实现实验指导实验准备介绍进行实验所需的基本准备工作包括实验器材、软件环境和实验原理的研究实验内容提供各章节相关实验的具体内容和步骤引导学生逐步完成实验任务强调实验中的关键点和注意事项实验总结总结每个实验的目的和结果分析实验过程中遇到的问题和解决方法提供实验的评价和改进建议通过这份《微型计算机原理与接口技术（第4版）吴宁题解及实验指导》大纲，学生可以了解该教材的内容和结构，对于研究和实验有一个整体的认识和预期。
本章介绍微型计算机原理与接口技术的基本概念和背景。
首先，讲解了计算机系统的组成和发展历程，帮助读者了解计算机系统的基本结构和演化过程。
其次，介绍了微型计算机的特点和分类。
通过本章的研究，读者能够建立起对微型计算机原理与接口技术的整体认识和理解。
本章将深入探讨微型计算机的结构和各个功能部件的作用。
首先，介绍了微型计算机的总线结构和数据流动方式，帮助读者了解信息在计算机系统中的传输过程。
然后，讨论了微型计算机的存储器层次结构和主要存储器的特点。
随后，讲解了微型计算机的中央处理器（CPU）的功能和内部结构。
最后，介绍了微型计算机的输入输出系统，包括输入设备和输出设备的种类和原理。
通过本章的研究，读者能够全面了解微型计算机的内部结构和各个功能部件的作用。
本章重点介绍微型计算机的编程技术，包括指令系统和汇编语言编程。
微型计算机发展史微处理器(Microprocessor),简称µP或MP，是由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器和控制器的中央处理机部件，即CPU(Certal Processing Unit)。
微处理器本身并不等于微型计算机，它仅仅是微型计算机中央处理器，有时为了区别大、中、小型中央处理器(CPU)与微处理器，把前者称为CPU，后者称为MPU(Microprocessing Unit)。
微型计算机(Microcomputer)，简称µC或MC，是指以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的存储器、输入/输出接口电路及系统总线所组成的计算机(简称微型机，又称微型电脑)。
有的微型计算机把CPU、存储器和输入/输出接口电路都集成在单片芯片上，称之为单片微型计算机，也叫单片机。
微型计算机系统(Microcomputer System)，简称µCS或MCS，是指以微型计算机为中心，以相应的外围设备、电源、辅助电路(统称硬件)以及控制微型计算机工作的系统软件所构成的计算机系统。
20世纪70年代，微处理器和微型计算机的生产和发展，一方面是由于军事工业、空间技术、电子技术和工业自动化技术的迅速发展，日益要求生产体积小、可靠性高和功耗低的计算机，这种社会的直接需要是促进微处理器和微型计算机产生和发展的强大动力；另一方面是由于大规模集成电路技术和计算机技术的飞速发展，1970年已经可以生产1KB的存储器和通用异步收发器(UART)等大规模集成电路产品并且计算机的设计日益完善，总线结构、模块结构、堆栈结构、微处理器结构、有效的中断系统及灵活的寻址方式等功能越来越强，这为研制微处理器和微型计算机打下了坚实的物质基础和技术基础。
因而，自从1971年微处理器和微型计算机问世以来，它就得到了异乎寻常的发展，大约每隔2~4年就更新换代一次。
至今，经历了三代演变，并进入第四代。
微型计算机的换代，通常是按其CPU字长和功能来划分的。
2. 什么是机器码？什么是真值？解：把符号数值化的数码称为机器数或机器码，原来的数值叫做机器数的真值。
3. 8位和16位二进制数的原码 、补码和反码可表示的数的范围分别是多少？ 解：原码（-127~+127）、（-32767~+32767）补码 (-128~+127）、（-32768~+32767） 反码（-127~+127）、（-32767~+32767）4.一般来说，其内部基本结构大都由 算数逻辑单元、控制单元、寄存器阵列、总线和总线缓冲器 四个部分组成。
高性能微处理器内部还有指令预取部件、地址形成部件、指令译码部件和存储器管理部件等。
二 1.总线接口单元BIU （Bus Interface Unit ）包括段寄存器、指令指针寄存器、20位地址加法寄存器和先入先出的指令队列、总线控制逻辑。
负责与存储器、I/O 设备传送数据，即BIU 管理在存储器中获取程序和数据的实际处理过程。
20位地址加法器将16位段地址和16位偏移量相加，产生20位物理地址。
总线控制逻辑产生总线控制信号对存贮器和I/O 端口进行控制。
IP 指针由BIU 自动修改，平时IP 内存储下条要取指令的偏移地址；遇到跳转指令后，8086将IP 压栈，并调整其内容为下条要执行指令地址。
2.执行单元EU （Execution Unit ）包括ALU 、状态标志寄存器、通用寄存器、暂存器、队列控制逻辑与时序控制逻辑等。
负责指令的执行。
将指令译码并利用内部的ALU 和寄存器对其进行所需的处理。
3.EU 和BIU 的动作管理—流水线技术原则控制器运算器 寄存器输入/输出接口存储器 CPU主机外部设备应用软件系统软件微型机软件微型机系统 微型机硬件（1）每当8086的指令队列中有2个空字节且EU 未向BIU 申请读写存储器操作时，BIU 就会自动把指令取到指令队列中。
（2）每当EU 要执行一条指令时，它会先从BIU 的指令队列前部取出指令代码，然后执行指令。
微机原理及接口技术一、前言随着信息时代的到来，计算机技术的不断发展，微机技术已经得到了广泛的应用和发展。
微机原理及接口技术作为微机技术的重要基础，对于了解微机的结构和工作原理，以及实现微机与外部设备的通信具有十分重要的意义。
本文将围绕着微机的结构、工作原理以及微机与外部设备的接口技术进行详细的介绍和分析。
二、微机的结构微机是由中央处理器(CPU)、内存(MEM)、输入/输出(I/O)接口电路、总线(BUS)等部分组成的。
CPU是微机的核心部分，它能对数据进行处理、控制微机的运作；内存是储存数据和指令的地方，CPU可以直接对内存进行读取和写入操作；I/O接口电路是微机与外部设备之间进行数据交换的桥梁；总线则是将CPU、内存和I/O接口电路连接在一起，并传递数据和控制信息。
三、微机的工作原理微机的工作过程主要由指令执行和数据存取两个部分组成。
当CPU需要执行下一条指令时，会从内存中读取这条指令，然后进行解析并执行相应的操作。
当CPU需要访问数据时，会从内存中读取数据，并将数据写入内存中。
而CPU与输入/输出设备之间的通信也是通过I/O接口电路完成的。
CPU可以根据需要对内存进行读写操作，这是因为内存与CPU的速度非常接近，对内存的操作是非常快速的。
而CPU与外设之间通过I/O接口电路进行通信，则是因为I/O接口电路需要实现对不同类型的设备接口进行适配，对设备的操作速度也受到限制。
四、微机的接口技术为了实现微机与外部设备的通信，需要通过不同的接口技术来实现对不同类型设备的连接。
常用的接口技术有串行接口(Serial Interface)、并行接口(Parallel Interface)、通用串行总线(USB)、蓝牙接口(Bluetooth Interface)等。
其中，USB接口已经成为目前最为普遍的接口技术之一。
串行接口技术和并行接口技术是早期应用比较广泛的接口技术，它们的主要区别在于对数据的传输方式不同。
《微机原理与接口技术》(第三版)简介《微机原理与接口技术》是一本介绍微机原理以及接口技术的教材。
本书主要内容包括微机系统、计算机的组成与结构、内部总线结构、存储器系统、微机的中央处理器、系统总线与接口技术等。
本书旨在帮助读者全面了解微机原理和接口技术，为读者提供深入学习和研究微机原理与接口技术的基础知识。
第一章微机系统1.1 微机系统的概念和组成在本章中，我们将介绍微机系统的概念和组成。
微机系统由中央处理器(CPU)、存储器(Memory)和输入输出(I/O)设备组成。
我们将详细介绍每个组件的功能和作用，以及它们之间的关系和通信方式。
1.2 微机系统的发展历程本节将回顾微机系统的发展历程。
我们将从早期的微处理器发展到如今的微机系统，探讨微机系统在不同时期的发展和应用。
1.3 微机系统的分类微机系统可以根据不同的分类标准进行分类。
在本节中，我们将介绍微机系统的几种常见分类方式，并讨论各种分类方式的优缺点。
第二章计算机的组成与结构2.1 计算机的基本组成本章将介绍计算机的基本组成。
计算机由硬件和软件两部分组成，硬件包括中央处理器、存储器和输入输出设备，软件包括操作系统和应用软件。
2.2 计算机的结构计算机的结构是指计算机系统中各个组成部分之间的关系和交互方式。
在本节中，我们将介绍计算机的结构，并详细讨论计算机中各个组成部分之间的关系和通信方式。
第三章内部总线结构3.1 内部总线的概念和作用内部总线是计算机中各个组件之间进行数据传输的通道。
本章将介绍内部总线的概念和作用，并详细探讨内部总线在计算机系统中的重要性和应用。
3.2 内部总线的分类内部总线可以根据不同的分类标准进行分类。
在本节中，我们将介绍内部总线的几种常见分类方式，并讨论各种分类方式的优缺点。
3.3 内部总线的设计本节将介绍内部总线的设计原理和方法。
我们将讨论内部总线的带宽、传输速率、传输方式等设计参数，并详细介绍内部总线的设计流程和方法。
简述微机接口的原理及应用1. 简介微机接口是指将微型计算机与外部设备进行连接和通信的一种技术手段。
通过微机接口，微型计算机可以与各种外部设备进行信息交换和数据传输，实现数据的输入、输出和控制。
微机接口在各个领域的应用非常广泛，涉及到了工业自动化、仪器仪表、通信、医疗等多个领域。
2. 微机接口的原理微机接口的原理主要涉及到了以下几个方面：2.1 接口标准微机接口的使用需要遵循一定的接口标准。
常见的接口标准有串行接口（如RS-232、RS-485）、并行接口（如IEEE 1284）、通用串行总线（USB）、以太网接口（Ethernet）等。
不同的接口标准有着不同的物理连接方式和数据传输协议，根据具体的应用需求选择适合的接口标准。
2.2 接口电路微机接口的实现需要设计相应的接口电路。
接口电路负责将微机的信号转换成外部设备所需的信号，并将外部设备的反馈信号转换成微机可处理的信号。
接口电路一般包括电平转换电路、信号缓冲电路、数据解码电路等。
2.3 接口协议微机接口的数据传输需要遵循一定的接口协议。
接口协议规定了数据传输的格式、时序和命令。
常见的接口协议有UART、SPI、I2C等。
不同的接口协议适用于不同的数据传输场景，根据具体的应用需求选择适合的接口协议。
3. 微机接口的应用微机接口在各个领域都有着广泛的应用，下面分别介绍几个常见的应用场景。
3.1 工业自动化在工业自动化领域，微机接口常用于与各种工业设备进行通信和控制。
比如，PLC（可编程逻辑控制器）常通过微机接口与上位机进行通信，实现对设备状态的监测和控制。
此外，传感器、执行器等设备也常通过微机接口与微型计算机连接，实现数据的采集和控制。
3.2 仪器仪表微机接口在仪器仪表领域有着广泛的应用。
比如，科学实验仪器常通过微机接口与电脑连接，实现数据的采集、处理和控制。
医疗设备中的血压计、心电图仪等设备也常通过微机接口与计算机连接，实现数据的传输和分析。
3.3 通信通信设备中的调制解调器、路由器等设备常通过微机接口与计算机连接，实现数据的传输和网络连接。
微机总线及接口技术的发展C机从诞生以来就采用了总线结构方式和标准接口技术。
先进的总线及接口技术，对于解决系统瓶颈和提高整个微机系统的性能，有着十分重要的影响，因此在PC机二十多年的发展过程中，总线结构及接口技术在不断地发展变化。
总线结构的类型这里所说的总线主要是指系统总线。
PC机的系统总线又可分为ISA、EISA、MCA、VESA、PCI、AGP等多种标准。
一、ISA/EISA/MCA/VESA总线ISA(Industry Standard Architecture)是IBM公司为286/AT电脑制定的总线工业标准,也称为AT标准。
ISA总线的影响力非常大，直到现在仍存在大量ISA设备，最新的主板也还为它保留了一席之地。
MCA (Micro Channel Architecture)是IBM公司专为PS/2系统开发的微通道总线结构。
由于要求使用许可证，违背了PC发展开放的潮流，因此还未有效推广即告失败。
EISA(Extended Industry Standard Architecture)，是EISA集团(由Compaq、HP、AST 等组成)专为32位CPU设计的总线扩展工业标准，向下兼容ISA，当年在高档台式机上得到一定应用。
VESA(Video Electronics Standards Association)，是VESA组织(由IBM、Compaq等发起，有120多家公司参加)按Local Bus(局部总线)标准设计的一种开放性总线，但成本较高，只是适用于486的一种过渡标准，目前已经淘汰。
二、PCI总线90年代后，随着图形处理技术和多媒体技术的广泛应用，在以Windows为代表的图形用户接口(GUI)进入PC机之后，要求PC具有高速的图形及I/O运算处理能力，这对总线的速度提出了挑战。
原有的ISA、EISA总线已远远不能适应要求，成为整个系统的主要瓶颈。
1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI(Peripheral Component Interconnect)的概念，并联合IBM、Compaq、AST、HP、等100多家公司成立了PCI集团。
PCI是一种先进的局部总线，已成为局部总线的新标准，是目前应用最广泛的总线结构。
PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线，从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，需要时具体由一个桥接电路，实现对这一层的智能设备取得总线控制权，以加速数据传输管理。
三、AGP总线虽然现在PC机的图形处理能力越来越强，但要完成细致的大型3D图形描绘，PCI 总线结构的性能仍然有限。
为了让PC的3D应用能力能同图形工作站相比，Intel公司开发了AGP(Accelerated Graphics Port)标准，主要目的就是要大幅提高高档PC机的图形尤其D图形的处理能力。
严格说来，AGP不能称为总线，因为它是点对点连接，即连接控制芯片和AGP显示卡。
AGP在主内存与显示卡之间提供了一条直接的通道，使得3D图形数据越过PCI总线，直接送入显示子系统。
这样就能突破由于PCI总线形成的系统瓶颈，从而达到高性能3D图形的描绘功能。
PCI及AGP插槽外观见图1。
标准接口的类型在微机系统中采用标准接口技术，其目的是为了便于模块结构设计,可以得到更多厂商的广泛支持，便于“生产”与之兼容的外部设备和软件。
不同类型的外设需要不同的接口，不同的接口是不通用的。
以前在8086/286机器上存在过的ST506和ESDI等接口标准都已经淘汰,目前在微机中使用最广泛的接口是：IDE、EIDE、SCSI、USB和IEEE 1394五种。
一、IDE/EIDE接口IDE的原文是Integrated Device Electronics,即集成设备电子部件。
它是由Compaq开发并由Western Digital公司生产的控制器接口。
IDE采用了40线的单组电缆连接。
由于把控制器集成到驱动器之中,适配卡已变得十分简单,现在的微机系统中已不再使用适配卡，而把适配电路集成到系统主板上,并留有专门的IDE连接器插口。
IDE由于具有多种优点,且成本低廉,在个人微机系统中得到了广泛的应用。
增强型IDE (Enhanced IDE)是Western Digital为取代IDE而开发的接口标准。
在采用EIDE接口的微机系统中,EIDE接口已直接集成在主板上,因此不必再购买单独的适配卡。
与IDE相比,EIDE具有支持大容量硬盘、可连接四台EIDE设备、有更高数据传输速率（13.3MB/s以上）等几方面的特点。
为了支持大容量硬盘，EIDE支持三种硬盘工作模式：NORMAL、LBA和LARGE模式。
二、Ultra DMA33和Ultra DMA66接口在ATA－2标准推出之后，SFFC又推出了ATA－3标准。
ATA－3标准的主要特点是提高了ATA－2的安全性和可靠性。
ATA－3本身并没有定义更高的传输模式。
此外，ATA 标准本身只支持硬盘，为此SFFC将推出ATA－4标准，该标准将集成ATA－3和ATAPI 并且支持更高的传输模式。
在A TA－4标准没有正式推出之前，作为一个过渡性的标准,Quantum和Intel推出了Ultra ATA(Ultra DMA)标准。
Ultra ATA的第一个标准是Ultra DMA33(简称UDMA33)，也有人把它称为ATA－3。
符合该标准的主板和硬盘早在1997年便已经投放市场，目前几乎所有的主板及硬盘都支持该标准。
Ultra ATA的第二个标准是Ultra DMA66（或者Ultra ATA－66）是由Quantum和Intel 在1998年2月份提出的最新标准。
Ultra DMA66进一步提高了数据传输率，突发数据传输率理论上可达66.6MB/s。
并且采用了新型的CRC循环冗余校验，进一步提高了数据传输的可靠性，改用80针的排线(保留了与现有的电脑兼容的40针排线，增加了40条地线)，以保证在高速数据传输中降低相邻信号线间的干扰。
目前，有Intel 810、VIA Apollo Pro等芯片组提供了对Ultra DMA66硬盘的支持。
部分主板也提供了支持Ultra DMA66硬盘的接口。
而新出的大部分硬盘都支持Ultra DMA－66接口。
三、SCSI接口SCSI的原文是Small Computer System Interface,即小型计算机系统接口。
SCSI也是系统级接口(外观如图2),可与各种采用SCSI接口标准的外部设备相连,如硬盘驱动器、扫描仪、光驱、打印机和磁带驱动器等。
采用SCSI标准的这些外设本身必须配有相应的外设控制器。
SCSI接口早期只在小型机上使用,近年来也在PC机中广泛采用。
最新的Ultra3 SCSI 的Ultra160/m接口标准，进一步把数据传输率提高到160MB/s。
昆腾也在1998年11月推出了第一个支持Ultra160/m接口标准的硬盘Atlas10K和Atlas四代。
SCSI对PC来说应是一种很好的配置,它不仅是一个接口,更是一条总线。
相信随着技术的进一步发展，SCSI 也会像EIDE一样广泛应用在微机系统和外设中。
四、USB接口USB(Universal Serial Bus)接口(外观如图3)的提出是基于采用通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC机连接外设的范围的目的。
目前PC中似乎每个设备都有它自己的一套连接设备。
外设接口的规格不一、有限的接口数量，已无法满足众多外设连接的迫切需要。
解决这一问题的关键是，提供设备的共享接口来解决个人计算机与周边设备的通用连接。
USB技术应用是计算机外设连接技术的重大变革。
现在USB接口标准属于中低速的界面传输，面向家庭与小型办公领域的中低速设备。
比如键盘、鼠标、游戏杆、显示器、数字音箱、数字相机以及Modem等，目的是在统一的USB接口上实现中低速外设的通用连接。
PC主机上只需要一个USB端口，其他的连接可以通过USB接口和USB集线器在桌面上完成。
USB系统由USB主机（HOST）、集线器（HUB）、连接电缆、USB外设组成。
下一代的USB接口，数据传输率将提高到120Mbps～240Mbps，并支持宽带宽数字摄像设备及新型扫描仪、打印机及存储设备。
五、IEEE 1394接口IEEE 1394是一种串行接口标准，这种接口标准允许把电脑、电脑外部设备、各种家电非常简单地连接在一起。
从IEEE 1394可以连接多种不同外设的功能特点来看，也可以称为总线，即一种连接外部设备的机外总线。
IEEE 1394的原型是运行在Apple Mac电脑上的Fire Wire(火线)，由IEEE采用并且重新进行了规范。
它定义了数据的传输协定及连接系统，可用较低的成本达到较高的性能，以增强电脑与外设如硬盘、打印机、扫描仪，与消费性电子产品如数码相机、DVD播放机、视频电话等的连接能力。
由于要求相应的外部设备也具有IEEE 1394接口功能才能连接到1394总线上，所以，直到1995年第3季度Sony 推出的数码摄像机加上了IEEE 1394接口后，IEEE 1394才真正引起了广泛的注意。
六、Device BayDevice Bay是由Microsoft、Intel和Compaq公司共同开发的标准，这一技术可让所有设备协同运作，包括CD－ROM、DVD－ROM、磁带、硬盘驱动器以及各种符合IEEE 1394的设备。
由于Device Bay技术能够处理类型广泛的设备，所以它可创建一种新PC：主板将仅包括CPU，所有驱动器和设备都在外部与计算机相连，并包括所有数字家电，例如电视和电话。
尽管Device Bay的规范已于1997年制定完毕，但由于这一技术研发经费开销过高，因此很可能会搁浅。
迄今Microsoft还没有准备在未来的操作系统中，支持DeviceBay的具体计划。
