第8章输入、输出系统
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计算机组成原理(第六版 立体化教材)
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《计算机组成原理（第六版·立体化教材）》的配套教材是《计算机组成原理试题解析（第六版）》。
《计算机组成原理（第六版·立体化教材）》配有动画演示、教学课件、习题答案、自测试题、课程设计等 资源。
教材特色
1、该教材配套开发了较多的在线动画演示视频。 2、该教材安排了在线延伸阅读材料。 3、该教材可扫描书中的二维码查阅相关内容。 4、该教材形成“理论、实验、设计”三个过程相统一的体系。
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计算机组成原理（第六版 立体化教 材）
2019年科学出版社出版的图书
01 成书过程
03 教材目录
目录
02 内容简介 04 教学资源
05 教材特色
07 图书目录
目录
06 作者简介
《计算机组成原理（第六版·立体化教材）》是由白中英、戴志涛主编，2019年8月科学出版社出版的新形 态教材、“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材。该教材可作为计算机及相关专业的教材，也可作为成人 自学考试、全国计算机等级考试NCRE（四级）用书。
作者简介
白中英，男，北京邮电大学计算机学院二级教授，博士生、硕士生导师。 戴志涛，男，北京邮电大学计算机学院教授。
图书目录
第1章计算机系统概论 第2章运算方法和运算器 第3章存储系统 第4章指令系统 第5章中央处理器 第6章总线系统 第7章外围设备 第8章输入／输出系统 第9章并行组织与结构 第10章课程教学实验设计 第11章课程综合设计
2019年8月，《计算机组成原理（第六版·立体化教材）》由科学出版社出版。
内容简介
该教材讲授计算机单处理器系统的组成和工作原理，在该基础上扩展讲授并行体系结构。该教材共11章，主 要内容包括计算机系统概论、运算方法和运算器、存储系统、指令系统、中央处理器、总线系统、外围设备、输 入/输出系统、并行组织与结构、课程教学实验设计和课程综合设计。
《信号与系统》第8章
) RC
(is
(t
)
iL
(t
))
经整理：
x1
(t
)
x2
(t
)
0
1 L
x1 (t )
1 C
RC L
x2 (t) RL x2 (t)
1 C
RC L
f1 (t )
f1(t)
1 L
f2 (t)
（3）建立输出方程
iuC((tt))uC
(t) iS
(t
RCiL (t) ) iL (t)
RC
iS
RC
iS
(t)
RC
iL (t)......... ...(3)
状态变量与系统输入变量的关系（状态方程）：
duC (t
dt diL (t)
)
1
dt L
uC
(t)
1 L
1 C (RL
RCiL (t) )iL 源自t)1C RC L
iS (t)(4) iS (t).........(5)
1H
x1
1F
+ -
x2
1F
i2
+
+-x3
2
u(t)
-
把该式代入上式，得：
x2
f
x1 x2 x3 (t) x2 x2
x3
x1
x3
x1
1 2
x3
x2
x3
x1 0 x2 x3 0
x2
1 3
x1
2 3
x2
1 6
x3
2 3
f (t)
x3
1 3
x1
1 3
x2
1 3
微机原理第八章 串行通信及串行接口
1. 可编程串行接口典型结构
✓状态寄存器
✓控制寄存器
✓数据输入寄存器--串行输入/并行 输出移位寄存器
✓数据输出寄存器--并行输入/串行 输出移位寄存器
2. 串行通信基本概念
在串行通信时，数据和联络信号使用同一条信号线 来传送，所以收发双方必须考虑解决如下问题： ❖ 波特率---双方约定以何种速率进行数据的发送和接收 ❖ 帧格式---双方约定采用何种数据格式 ❖ 帧同步---接收方如何得知一批数据的开始和结束 ❖ 位同步--- -接收方如何从位流中正确地采样到位数据 ❖ 数据校验--- -接收方如何判断收到数据的正确性 ❖差错处理---收发出错时如何处理 收发双方必须遵守一些共同的通信协议才能解决上述问题。
串行通信适于长距离、中低速通信
并行通信
将数据的各位同时在多根并行传输线上进行传输。
D0 0
D1 1
D2 0
源
D3 1
D4 D5
0 1
D6 1
D7 0
D0 D1 D2 D3 目 D4 的 D5 D6 D7
数据的各位同时由源到达目的地 → 快 多根数据线 → 短距离（远程费用高）
并行通信适于短距离、高速通信
工作方式下。
（8）错误检测 • 传输错误 • 覆盖错误
二、 接口与系统的连接
从结构上，可把接口分为两个部分，其中和 外设相连的接口结构与具体外设的传输要求及数 据格式相关，因此，各接口的该部分互不相同； 而与系统总线相连的部分，各接口结构类似，一 般都包括：
1． 总线收发器和相应的逻辑电路
2． 联络信号逻辑电路
接收端需要一个时钟来测定每一位的
时间长度。
波特率/位传输率---每秒传输的离散信号 的数目/每秒传输的位数。 波特率因子---
第八章-输入输出系统(共64张PPT)全文编辑修改
3、中断类型：
– 按中断产生的位置： • 外部中断：CPU以外的部件引起的中断。 外中断又可分为不可屏蔽中断和可屏蔽中断 两种。不可屏蔽中断优先级较高，常用于 应急处理，如掉电、内存读写校验错等。 可屏蔽中断级别较低，常用于一般I/O设 备的数据传送。
• 内部中断：由CPU内部硬件或软件引起的中 断，如单步中断、溢出中断。
路之前，还要受到屏蔽触发器的控制。
当MASK=1，表示对应中断源的请求被屏蔽。 当MASK=0，才允许对应中断源的请求参与排队判优
中断屏蔽寄存器的作用
INT
≥1
由程序 控制
中断屏蔽 0 1 0 1 0 1 0 1 寄存器 ＆
向 量 地 址
……
编 码 器
排 队 逻 辑
＆
＆
＆ 0 1 0 1 0 1 0 1 中断请求 寄存器
程序查询方式——程序流程图
设置计数值
修改计数器
设置内存缓冲区首址
比如指令系统中的软中断指令INT n。 中断处理次序和中断响应次序是两个不同的概念：
否
中断事件在提出中断请求的同时，通过硬件向主机提供中断服务程序的入口地址，即向量地址。 传送完？
CPU等候输入设备的数据成为有效
（2）数据通道中断源，也称直接启存动储外器设存放（DMA）操作。
3级
4级
则 只 需 使 中 断 屏 蔽 码 改 （1）一般的输入、输出外围设备。
一般是故障引起的中断最优先；
为： 第1级 1 1 1 1 （4）DMA传送速度快，CPU和外设并行工作，提高了系统的效率；
先由主机通过启动指令启动外设工作，启动后主机用测试指令不断查询外设工作状态，当输入设备处于准备好状态或输出设备处于空闲状态时，
计算机组成原理 教学大纲
“计算机组成原理”教学大纲1.课程概要2.课程教学内容及建议学时第1章计算机系统概论本章的主要知识点包括冯诺伊曼计算机的组成与工作原理；计算机软/硬件互动关系;计算机不同层次的抽象与表示；CPU性能公式及性能评价方法。
本章课堂教学学时3学时，建议学生课后学习3学时。
第2章数据表示本章的主要知识点包括计算机内部数据的机器级表示及其不同数据表示的特点；浮点数据表示(包括表示形式、规格化、数据表示范围和IEEE754标准)及其应用；常见的数据校验方式(奇偶校验、海明校验和CRC校验)及其特点。
本章课堂教学学时5学时，建议学生课后学习5学时。
第3章运算器方法与运算器本章的主要知识点包括整数和浮点数的运算方法；算术/逻辑运算单元ALU的设计；溢出检测及其实现。
本章课堂教学学时8学时，建议学生课后学习5学时。
第4章存储器层次结构本章的主要知识点包括存储技术(SRAM、DRAM、ROM)及存储系统层次结构；存储期组织及其与CPU的链接；高速缓冲存储器及其在程序性能优化中的应用；虚拟存储器(重点掌握页式虚拟存储器和TLB的工作原理)；辅助存储器(RAID)。
本章课堂教学学时12学时，建议学生课后学习20学时。
第5章指令系统本章的主要知识点包括指令格式及其设计；寻址方式；指令系统实例(以MIPS机为例) 本章课堂教学学时4学时，建议学生课后学习8学时。
第6章中央处理器本章的主要知识点包括CPU的组成与功能；数据通路的概念；数据通路设计(单周期和多周期)；微程序控制器设计；硬布线控制器设计；流水线技术。
本章课堂教学学时10学时，建议学生课后学习20学时。
第7章系统总线本章的主要知识点包括总线特性；总线事务的概念；总线结构；总线仲裁；总线操作；总线举例(PCI,USB);总线标准等。
本章课堂教学学时4学时，建议学生课后学习4学时。
第8章输入/输出系统本章的主要知识点包括接口功能；常见I/O数据传送方式(程序查询、程序中断和DMA 方式)工作原理及其特点。
热电43i 8-9系统说明
第8章系统说明本章对系统部件的功能和位置进行了说明，并提供了软件结构的概要，还包括系统电子设备和I/O连接和功能的说明。
●第8-1页上的“硬件”部分对分析仪的部件进行了说明。
●第8-5页上的“软件”概述了软件系统以及软件任务的详细信息。
●第8-7页上的“电子元件”描述了系统控制板、组件和接头。
●第8-11页上的“I/O零部件”描述了输入输出通信的功能和零部件。
硬件43i型分析仪的硬件零部件（图8-1）包括：●碳氢化合物清选器●光电设备●闪光灯●聚光透镜●镜组件●挡光板●跳线盒●反应室●带通滤波器●光电倍增管●光电检测器系统说明硬件● 流量传感器● 压力传感器● 样品毛细管●真空泵 闪光密度总成 PMT 总成 反应室进气总成 镜罩总成闪光灯罩 闪光跳线总成 催化剂总成 风扇 泵电磁阀（选装） I/O 扩展板（选装） 数字输出板 电源 输入板总成 测量接口板 反应室总成流量变换器渗透炉总成（OPT ）压力变换器 正面板正面板图 8-1. 硬件零部件碳氢化合物清选器 碳氢化合物清选器可去除气流中的碳氢化合物，而SO 2浓度不受影响。
它依据选择性渗透原理，采用差分压力，迫使碳氢化合物分子进入管壁。
差分压力在管内生成，试样气体通过毛细状管，可减少压力。
试样气体进入碳氢化合物清选器的壳侧。
光电设备 光电设备提供荧光反应的光源，利用系统透镜和镜像优化反应。
它包括闪光灯、聚光透镜、镜组件和挡光板。
系统说明硬件闪光灯闪光灯提供紫外光源，引起SO2分子内的荧光反应。
聚光透镜聚光透镜负责将闪光灯发出的光聚拢到镜组件。
镜组件共有4个镜子，选择反射那些波长可激活SO2分子的光波。
反射滤光过程中，到达检测室的辐射光线更为密集、稳定。
挡光板圆形板，使散射的光源纳入检测量。
闪光灯跳线组件闪光灯触发组件发出脉冲，使UV闪光灯以每秒10次的速度闪光，以改进信噪比和长期稳定性。
反应室反应室是将闪光灯光源转换成脉冲信号，激活SO2分子处。
计算机组成原理习题 第八章输入输出系统
第八章输入输出系统一、填空题；1.直接内存访问（DMA）方式中，DMA控制器从CPU完全接管对的控制，数据交换不经过CPU,而直接在内存和之间进行。
2.通道是一个特殊功能的，它有自己的专门负责数据输入输出的传输控制。
3.并行I/O接口和串行I/O接口是目前两个最具有权威性的标准接口技术。
4.在计算机系统中，CPU对外围设备的管理，除了程序查询方式、程序中断方式外，还有方式、方式和方式。
5.程序中断方式控制输入输出的主要特点是，可以使A 和B 并行工作。
6.DMA控制器按其A 结构，分为B 型和C 型两种。
7.通道是一个特殊功能的A ，它有自己的B 专门负责数据输入输出的传输控制，CPU只负责C 功能。
8.通道有三种类型：A 通道、B 通道、C 通道。
9.二、选择题：1.下面有关“中断”的叙述，______是不正确的。
A.一旦有中断请求出现，CPU立即停止当前指令的执行，转而去受理中断请求B.CPU响应中断时暂停运行当前程序，自动转移到中断服务程序C.中断方式一般适用于随机出现的服务D.为了保证中断服务程序执行完毕以后，能正确返回到被中断的断点继续执行程序，必须进行现场保存操作2.中断向量地址是______。
A. 子程序入口地址B. 中断服务例行程序入口地址C. 中断服务例行程序入口地址的地址D. 主程序返回地址3.在数据传送过程中，数据由串行变并行或由并行变串行，其转换是通过______。
A. 移位寄存器B. 数据寄存器C. 锁存器D. 指令寄存器4.下述I/O控制方式中，主要由程序实现的是______。
A. PPU(外围处理机)方式B. 中断方式C. DMA方式D. 通道方式5.采用DMA方式传送数据时，每传送一个数据要占用______的时间。
A. 一个指令周期B. 一个机器周期C. 一个时钟周期D. 一个存储周期6.发生中断请求的条件是______。
A. 一条指令执行结束B. 一次I/O操作开始C. 机器内部发生故障D. 一次DMA操作开始7.中断向量地址是______。
微机接口作业及答案
《微型计算机原理与接口技术》部分作业及补充题参考答案第7章存储器系统P2176.某SRAM存储芯片，其字位结构为512K×8bit，试问其地址、数据引脚各是多少个？答：∵219＝512K，所以地址引脚需19根；数据引脚需8根（8bit）。
8.现有1024×1bit的存储芯片，若用它组成容量为16K×8bit的存储器。
试求：（1）实现该存储器所需的芯片数量答：(16K×8bit)/(1K×1bit)=128片（2）该存储器所需地址的地址码总位数是多少？其中几位选片？几位用作片内地址？答：∵214 ＝16K，所以地址码总位数为14位。
而1024×1bit存储芯片需要地址10位，因此选片地址为4位，片内地址为10位。
第8章输入/输出系统P2442．接口电路的作用是什么？I/O接口应具备哪些功能？参见教材P2193．什么是端口？端口有几类？参见教材P220 8.1.2 输入输出端口4．I/O端口有哪两种编址方式？PC系列机采用哪种编址方式？答：I/O端口和存储单元统一编址及I/O端口独立编址两种。
PC机采用I/O端口独立编址。
7. 定时/计数器的3个通道在PC系列机中是如何应用的？答：0＃计数器用于系统时钟中断；1＃计数器用于动态存储器刷新定时；2＃计数器用于发声系统音调控制。
10．系统机定时/计数器的通道0定时周期最长是多少？要实现长时间定时,应采取什么措施？如果采用外扩8254定时/计数器实现长时间定时，应采取哪些措施？答：系统机定时/计数器通道0定时周期最长是55ms。
要实现长时间定时，只能使用 INT 1CH 中断的方法，通过对预先设定的中断次数进行计数，达到n倍55ms的定时目的。
采用外扩8254，可以使用三个通道硬件级联的方法实现长时间定时。
补充题：设PC 系统机外扩了一片8254 及相应的实验电路。
(1) 根据由门电路构成的译码电路，分析出该片8254 的四个端口地址。
第8章 Inmarsat-C系统
电文处理
EGC信 息处理
0类（标准EGC）
1类（无EGC）
2类
3类
（2）2类C站的二种工作模式:
合用模式（Inm-C） 收CES电文时，不能收EGC，空闲时 收。 EGC接收模式
届时只能收EGC信息 （Egc Only）
Egc
Only
已经脱网，但是仍然可以发遇险 信息，可以收EGC信息
8.2.3 Inmarsat-C SES的常规检查和维护
011011大西洋西区地面站大西洋西区地面站111111大西洋东区地面站大西洋东区地面站203203太平洋区域地面站太平洋区域地面站303303印度洋区域地面站印度洋区域地面站常用地面站常用地面站lesles表aoreaorwporior101美国001美国211北京311北京102英国002英国203日本303日本131丹麦011法国210新加坡308韩国111法国202澳大利亚304挪威inmarsatc移动站分为船用终端ses和陆用终端mes两大类船站具有遇险报警功能而陆上终端则不允许发送遇险报警3移动站mes4网络运行中心通过全球通信网络不四个ncs相连接进行信息交换noc负责对整个网络的通信业务进行监视协调和控制812inmarsatc基本通信业务inmarsatc基本通信业务主要通过les来实现1优先等级的遇险报警遇险报文通信船舶进行遇险报警时可能会有下面两种情况遇险报警时船站没有选择任何岸站使用船站遥控或面板按钮发送遇险报警时船站已经退出了卫星洋区登记所有具有egc接收功能的mes都可以免费接收msia1a2海区具有egc接收功能的mes也可以收到msi四种
8.1.3 Inmarsat-C系统的信道
四种：
TDM信道 、信令信道、信息信道和站际信令信道。
微机原理第8章-2
中断服务程序： … IN AL ,DX ; 送输出允许OE信号，送数字 量到AL中 … IRET
2
数/模（D/A）转换
主程序：
…
MOV CX,8 ;一次循环采样，共8个通道 MOV DX,380H ；选择A/D通道0 MOV AL,0 ; 为第一次监测置初值 AGAIN：OUT DX,AL ;送START启动信号，锁定模拟输入地址 HLT ; 暂停，等待中断即EOC变高 CMP AL, 0F0H ;模拟值与0F0H比较 JA OVER ; 超限，转移到OVER INC DX ; 选择A/D通道1 LOOP AGAIN ; 中断结束后开始采样通道1 … OVER: …
启动转 换脉冲 时钟 脉冲
转换结 束信号
输出允 许信号
⑷控制逻辑与时序— 控制芯片的工作并提供转换所需的时序。
2、ADC0809引脚功能
⑴IN0～IN7— 8路模拟电压输入; ⑵ ALE — 地址锁存信号； ⑶ ADDA/B/C— 8路地址线; ⑷ D0～D7— 8位数字信号输出; ⑸CLK— 时钟信号(10K～1.2M); ⑹ VREF—基准电压，VREF(+) 接VCC，VREF (-)接地；
A/D转换器ADC完成模拟量→数字量的转换， D/A转换器DAC完成数字量→模拟量的转换。
模拟输入输出系统
1) 传感器
传感器是用于将工业生产现场的某些非电物理量转 换为电量(电流、电压)的器件。例如，热电偶能够 将温度这个物理量转换成几毫伏或几十毫伏的电压 信号，所以可用它作为温度传感器；而压力传感器 可以把物理量压力的变化转换为电信号，等等。 一般来讲，传感器输出的电信号都比较微弱，有些 传感器的输出甚至是电阻值、电容值等非电量。为 了易于与信号处理环节衔接，就需要将这些微弱电 信号及电阻值等非电量转换成一种统一的电信号， 变送器就是实现这一功能的器件。它将传感器的输 出信号转换成0～10 mA或4～20 mA的统一电流信号 或者0～5 V的电压信号
《操作系统原理》 第8章 设备管理
1、缓冲技术的实现原理
当某个进程进行数据输出操作时，先将数据 送入缓冲区，当缓冲区满时再将缓冲区的内容送 到输出设备上；反之，当一个进程完成输入操作 时，先将输入设备上的数据送入缓冲区，当缓冲 区满时，再由CPU将数据取走。在缓冲管理中必 须建立缓冲区，缓冲区的设定有两种方式：可以 采用专门的硬件方法来实现缓冲，但会增加硬件 成本，除了在关键的地方采用少量必要的硬件缓 冲器外，在许多操作系统中都采用另一种称为软 件缓冲的方式，即从主存空间中划定出一个特殊 的内存区域作为缓冲区。
8.1.2
设备管理子系统的主要功能
设备管理属于操作系统中最烦琐、 最具复杂性的部分。为了有效的提高系统 中设备的效率，在设备管理中不仅涉及了 I/O中断、缓冲及通道技术,而且还包括了 各种类型设备的分配、启动以及虚拟设备 等多方面的管理。为了对物理特性各异的 设备,在调用时具有统一的格式和界面，以 方便用户,在设备管理中应追求如下的目标：
3.从资源分配角度进行划分 1)独占设备（Independence Device）：一 次只允许分给一个用户作业使用的设备。 设备一旦被分出去后，在作业的整个执行 期间都被单独占用，别的作业不能与之共 用，必须等占用释放后才可再用。而且， 这类设备如果分配不当，可能会造成死锁。 多数是一些慢速设备，如磁卡机、打印机、 A/D、D/A转换器等。
3．多缓冲及缓冲池管理
双缓冲技术提高了I/O设备的并行度，但由于 在计算机系统中，CPU的速度总是比外设快得多， 真正要实现CPU与外设的并行操作，双缓冲技术还 不能达到要求，为此，在计算机中都采用多缓冲或 缓冲池结构。多缓冲是把主存中的多个缓冲区组织 成两部分，一部分用于做输入缓冲区，另一部分作 为输出缓冲区。缓冲池则是将多个缓冲区连接成一 个完整的区域，其中每个区既可以作为输入又可以 作为输出用。多缓冲及缓冲池是系统中的共享资源， 可供各进程使用，由系统统一分配和管理。它的使 用必须互斥地进行。
第8章 系统的状态变量分析
+ annλn (t) + bn1x1(t) + bn2 x2 (t) +
+ b1m xm (t) + b2m xm (t)
+ bnm xm (t)
（8-4）
和
⎧ y1(t) = c11λ1(t) + c12λ2 (t) +
⎪⎪ ⎨
y2
(t
)
=
c21λ1
(t
)
+
c22λ2
(t
)
+
⎪
⎪⎩ yr (t) = cr1λ1(t) + cr2λ2 (t) +
的一阶导数与状态变量和激励的关系。式(8-3)形式的代数方程称为输出方程(output equation)，
它描述了系统输出与状态变量和激励之间的关系。
状态变量分析法对于离散时间系统也是同样适用的，即上面给出的概念对离散时间系统同
样有效。只不过对于离散时间系统，其状态方程是一阶联立差分方程组，状态变量λ[n]是离散
输出方程可写为
λ(t)n×1 = An×n λ(t)n×1 + Bn×m x(t)m×1
（8-6）
y(t)r×1 = Cr×n λ(t)n×1 + Dr×m x(t)m×1
（8-7）
其中
λ(t) = ⎡⎣λ1(t), λ2 (t), , λn (t)⎤⎦T ， λ (t ) = [λ1(t)，λ 2 (t)，… , λ n ( t )]T,
(constant matrix)；如果系数矩阵中有的是时间 t 的函数，则此系统是线性时变系统。
2. 离散时间系统状态方程和输出方程的一般形式
对于一个动态的离散时间系统，它的时域数学模型是一个高阶差分方程。作为其状态方程
+ b1m xm (t) + b2m xm (t)
+ bnm xm (t)
（8-4）
和
⎧ y1(t) = c11λ1(t) + c12λ2 (t) +
⎪⎪ ⎨
y2
(t
)
=
c21λ1
(t
)
+
c22λ2
(t
)
+
⎪
⎪⎩ yr (t) = cr1λ1(t) + cr2λ2 (t) +
的一阶导数与状态变量和激励的关系。式(8-3)形式的代数方程称为输出方程(output equation)，
它描述了系统输出与状态变量和激励之间的关系。
状态变量分析法对于离散时间系统也是同样适用的，即上面给出的概念对离散时间系统同
样有效。只不过对于离散时间系统，其状态方程是一阶联立差分方程组，状态变量λ[n]是离散
输出方程可写为
λ(t)n×1 = An×n λ(t)n×1 + Bn×m x(t)m×1
（8-6）
y(t)r×1 = Cr×n λ(t)n×1 + Dr×m x(t)m×1
（8-7）
其中
λ(t) = ⎡⎣λ1(t), λ2 (t), , λn (t)⎤⎦T ， λ (t ) = [λ1(t)，λ 2 (t)，… , λ n ( t )]T,
(constant matrix)；如果系数矩阵中有的是时间 t 的函数，则此系统是线性时变系统。
2. 离散时间系统状态方程和输出方程的一般形式
对于一个动态的离散时间系统，它的时域数学模型是一个高阶差分方程。作为其状态方程
系统的状态变量分析
形式与连续时间系统的形式相同。
用状态变量分析法研究系统具有如下优点。
(1) 便于研究系统内部的一些物理量在信号转换过程中的变化。这些物理量可以用状态矢
量的一个分量表现出来，从而便于研究其变化规律。
361
(2) 系统的状态变量分析法与系统的复杂程度无关，它和简单系统的数学模型相似，都表 现为一些状态变量的线性组合，因而这种分析法更适用于多输入多输出系统。
(3) 状态变量分析法还适用于非线性和时变系统，因为一阶微分方程或差分方程是研究非 线性和时变系统的有效方法。
(4) 状态变量分析法可以用来定性地研究系统的稳定性及如何控制各个参数使系统的性能 达到最佳等。
(5) 由于状态方程都是一阶联立微分方程组或一阶联立差分方程组，因而便于采用数值解 法，从而为使用计算机进行分析系统提供有效的途径。
时间信号。
上述关于状态变量和状态方程的基本概念，可用于讨论系统状态方程和输出方程的一般形
式。
1. 连续时间系统状态方程和输出方程的一般形式
一个动态连续时间系统的时域数学模型都是用输入、输出信号的各阶导数来描述的。作为
连续时间系统的状态方程表现为状态变量的一阶联立微分方程组，对于线性时不变系统，状态
方程和输出方程简化为状态变量和输入信号的线性组合，即线性时不变系统的状态方程和输出
的一阶导数与状态变量和激励的关系。式(8-3)形式的代数方程称为输出方程(output equation)，
它描述了系统输出与状态变量和激励之间的关系。
状态变量分析法对于离散时间系统也是同样适用的，即上面给出的概念对离散时间系统同
样有效。只不过对于离散时间系统，其状态方程是一阶联立差分方程组，状态变量λ[n]是离散
（8-8）
现代控制工程-第8章系统辨识
航空航天领域
总结词
系统辨识在航空航天领域中具有重要应用价值，主要用于飞行器控制、导航和监测系统 的设计和改进。
详细描述
通过对飞行器动力学特性进行系统辨识，可以精确建模飞行器的动态行为，为飞行控制 系统提供准确的数学模型。同时，系统辨识技术还可以用于导航和监测系统的误差分析
和修正，提高航空航天器的安全性和精度。
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THANKS
环境监测系统
总结词
系统辨识在环境监测系统中应用广泛，主要用于建立环 境参数的数学模型，实现环境质量的实时监测和预警。
详细描述
通过系统辨识技术对环境监测数据进行处理和分析，可 以精确获取环境参数的变化趋势和规律，为环境治理和 保护提供科学依据。同时，系统辨识技术还可以用于建 立环境质量预警系统，及时发现环境异常情况并采取应 对措施，保障生态安全和人类健康。
模糊逻辑系统辨识
模糊逻辑系统辨识是基于模糊逻辑理论的系统 辨识方法。它通过建立模糊逻辑模型来描述系 统的动态行为，能够处理不确定性和模糊性。
模糊逻辑系统辨识的优势在于能够处理语言变 量和不确定信息，同时具有较强的推理能力和 鲁棒性。
然而，模糊逻辑系统辨识也存在一些挑战，例 如隶属度函数的选择和模糊规则的制定等。
提高控制性能
准确的数学模型有助于设计出性能更优的控制策略。
预测与优化
通过系统辨识，可以对未来系统行为进行预测，并优 化系统性能。
故障诊断
系统辨识可用于诊断系统故障，提高系统的可靠性和 安全性。
系统辨识的基本步骤
01
数据采集
采集系统的输入和输出数据，确保 数据的准确性和完整性。
模型建立
根据处理后的数据，选择合适的数 学模型进行建模。
自控第8章 非线性系统
6. 非线性系统中，当输入量是正弦信号时，输出稳态分 量包含大量的谐波成分，频率响应复杂，输出波形会 很容易畸变。
11
三、非线性系统的分析方法
1、相平面法
时域分析法中的一种图解分析法。不适用于高阶系统。 2、描述函数法 结合频域分析法和非线性的谐波线性化的一综合图解分
析法。分析非线性系统稳定性和自激振荡比较有效。
二、继电特性
1、特性曲线
M y
来源：继电器是继电
特性的典型元件。
0
-M
x
继电特性 具有图示性质的继电特性称理想继电器。
15
2、数学表达式
y
M y M
x0
M
x 0
0
-M
x
造成的影响:
继电特性
（1）改善系统性能，简化系统结构。
（2）可能会产生自激振荡，使系统不稳定。
16
旋线，这种奇点称为稳定
焦点。 系统欠阻尼运动时的相轨迹
51
4、稳定节点
1
x(t ) A1e
q1t
这时方程的解为
A2e
q2t
其中
A1
x0 x0 2
1 2
A2
x0 x0 1
1 2
(t ) A1q1e q1t A2q2e q2t x
相轨迹: 描绘相平面上的点随时间变化的曲线叫相轨迹。
相轨迹方程：x2和 x1的关系方程。
35
例1 弹簧—质量块运动系统如图。
m 是物体质量；
k 是弹性系数； x 是偏离平衡点的位移。
为方便计算令 m=k=1 ；
已知初始条件
x(0) x0 x(0) x0
第8章可编程序控制器系统设计与应用ppt课件
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
8.2.1 PLC的选型
当确定由PLC来完成控制后，设计者接下来要解 决两个主要问题：
➢ PLC容量的选择：首先要对控制任务进行详细的 分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和 模拟量I/O以及这些I/O点的性质。
8.2.2 I/O地址分配
输入／输出信号在PLC接线端子上的地址分配是 进行PLC控制系统设计的基础。对软件设计来说， I/O地址分配以后才可进行编程；对控制柜及 PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后， 才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员 根据线路图和安装图安装控制柜。
在进行I/O地址分配时最好把I/O点的名称、代码 和地址以表格的形式列写出来。
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
8.3 PLC控制系统软件设计
8.3.1 经验设计法
在一些典型的控制环节和电路的基础上，根据被 控制对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选 择、组合。有时为了得到一个满意的设计结果， 需要进行多次反复地调试和修改，增加一些辅助 触点和中间编程元件。
2．具有点动功能电动机启动、停止控制程序
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
(2)触点合并式输入方法
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
微机原理-第8章 IO接口技术
IOW
图8.4 片选信号的产生
8.2 I/O控制方式
主机与外围设备之间的数据传送控制方式(即I/O控制 方式)主要有三种：
程序控制方式、中断控制方式和直接存储器存取 (DMA)方式。
8.2.1 程序控制方式
程序控制方式是指在程序控制下进行的数据传送方式。 它又分为无条件传送和程序查询传送两种。
8.2.3 DMA方式
1. DMA的基本概念
采用程序控制方式以及中断方式进行数据传送时，都 是靠CPU执行程序指令来实现数据的输入/输出的。
采用程序控制方式及中断方式时，数据的传输率不会 很高。
对于高速外设，如高速磁盘装置或高速数据采集系统 等，采用这样的传送方式，往往满足不了其数据传输 率的要求。
第二，由于采用了专用的I/O操作时序及I/O控制信号 线，因而增加了微处理器本身控制逻辑的复杂性。
微处理器Z80系列、Intel 80x86系列采用了这种编址方 式。
8.1.4 I/O接口的地址译码及片选信号的产生
在一个微机系统中通常具有多台外设，当CPU与外设进
行通信时，需要对各个设备所对应的接口芯片进行逻辑 选择，从而实现与相应的设备进行数据交换。
例如，对于磁盘装置，其数据传输率通常在20万字节/ 秒以上，即传输一个字节的时间要小于5μs。
第8章 I/O 接口技术
本章主要内容
(1) I/O接口的基本概念 (2) I/O控制方式 (3) DMA接口技术 (4) 中断系统
8.1 I/O接口概述
8.1.1 I/O接口的基本功能
(1) 数据缓冲 (2) 提供联络信息 (3) 信号与信息格式的转换 (4) 设备选择 (5) 中断管理 (6) 可编程功能
《信号与系统》课件第8章
即
将
代入上式，并求解得状态方程:
8.9 写出题图 8.7 所示网络的状态方程(以iL和uC为状态 变量)。
题图 8.7
解 在题解图8.9中，列写接有电容C的节点电流方程和含 有电感L的回路电压方程。
题解图 8.9
列出受控源控制变量方程: 联立求解式①、②、③，得到网络状态方程:
8.10 写出题图 8.8 所示网络的状态空间方程。 (1) 对题图8.8(a)网络，以uC、iL1和iL2为状态变量，u2为 输出； (2) 对题图8.8(b)网络，以uC1、uC2和iL为状态变量，i2和 u3为输出。
题图 8.8
解 (1) 在题解图8.10(a)中，对接有电容元件的节点和含有 电感元件的网孔，分别列写相应的KCL和KVL方程。
代入元件值，整理得状态方程: 观察网络，直接写出输出方程:
题解图 8.10
8.11 列出题图 8.9 网络的状态空间方程(以uC、iL为状态变 量；i0、u0为输出)。
8.12 描述系统的微分方程如下，试建立各系统的状态空 间方程。
解 由微分方程建立状态空间方程的一般步骤是: 微分方 程→H(p)→信号流图→选择状态变量→列写状态方程和输出 方程。
(1) 由已知微分方程写出传输算子:
画出直接形式Ⅰ的模拟信号流图，如题解图8.12(a)所示。
根据状态模型，选各积分器输出信号作为状态变量x1和x2。 在积分器的输入节点写出状态方程:
题解图 8.24
题图 8.12
题解图 8.26
题解图 8.27
题解图 8.28
或写成矩阵形式，有
8.29 设二阶离散时间系统的模拟框图如题图 8.13 所示， 试编写其状态空间方程。
题图 8.13
将
代入上式，并求解得状态方程:
8.9 写出题图 8.7 所示网络的状态方程(以iL和uC为状态 变量)。
题图 8.7
解 在题解图8.9中，列写接有电容C的节点电流方程和含 有电感L的回路电压方程。
题解图 8.9
列出受控源控制变量方程: 联立求解式①、②、③，得到网络状态方程:
8.10 写出题图 8.8 所示网络的状态空间方程。 (1) 对题图8.8(a)网络，以uC、iL1和iL2为状态变量，u2为 输出； (2) 对题图8.8(b)网络，以uC1、uC2和iL为状态变量，i2和 u3为输出。
题图 8.8
解 (1) 在题解图8.10(a)中，对接有电容元件的节点和含有 电感元件的网孔，分别列写相应的KCL和KVL方程。
代入元件值，整理得状态方程: 观察网络，直接写出输出方程:
题解图 8.10
8.11 列出题图 8.9 网络的状态空间方程(以uC、iL为状态变 量；i0、u0为输出)。
8.12 描述系统的微分方程如下，试建立各系统的状态空 间方程。
解 由微分方程建立状态空间方程的一般步骤是: 微分方 程→H(p)→信号流图→选择状态变量→列写状态方程和输出 方程。
(1) 由已知微分方程写出传输算子:
画出直接形式Ⅰ的模拟信号流图，如题解图8.12(a)所示。
根据状态模型，选各积分器输出信号作为状态变量x1和x2。 在积分器的输入节点写出状态方程:
题解图 8.24
题图 8.12
题解图 8.26
题解图 8.27
题解图 8.28
或写成矩阵形式，有
8.29 设二阶离散时间系统的模拟框图如题图 8.13 所示， 试编写其状态空间方程。
题图 8.13
计算机组成原理第八章单元测试(含答案)
第八章、输入输出系统输入输出系统测试1、8086 CPU对I/O接口的编址采用了（）。
A、I/O端口和存储器统一编址B、I/O端口和寄存器统一编址C、I/O端口独立编址D、输入/输出端口分别编址2、采用DMA方式传送数据时，每传送一个数据就要用一个（）时间。
A、指令周期B、机器周期C、存储周期D、总线周期3、某中断系统中，每抽取一个输入数据就要中断CPU一次，中断处理程序接收取样的数据，并将其保存到主存缓冲区内。
该中断处理需要X秒。
另一方面，缓冲区内每存储N个数据，主程序就将其取出进行处理，这种处理需要Y秒，因此该系统可以跟踪到每秒（）次中断请求。
A、N /（NX + Y）B、N /（X + Y）NC、min[1 / X ,1 / Y]D、max[1 / X ,1 / Y]4、中断向量地址是（）。
A、子程序入口地址B、中断服务例行程序入口地址C、中断服务例行程序入口地址的指示器D、中断返回地址5、为了便于实现多级中断，保存现场信息最有效的办法是采用（）。
A、通用寄存器B、堆栈C、存储器D、外存6、在单级中断系统中，CPU一旦响应中断，则立即关闭（）标志，以防本次中断服务结束前同级的其他中断源产生另一次中断进行干扰。
A、中断允许B、中断请求C、中断屏蔽D、中断保护7、周期挪用方式常用于（）方式的输入/输出中。
A、DMAB、中断C、程序传送D、通道8、一台计算机对n个数据源进行分时采集，送入主存，然后分时处理。
采集数据时，最好的方案是使用（）。
A、堆栈缓冲区B、一个指针的缓冲区C、两个指针的单缓冲区D、n个指针的n个缓冲区9、通道对CPU的请求形式是（）。
A、自陷B、中断C、通道命令D、跳转指令10、描述PCI总线中基本概念正确的句子是（）。
A、HOST 总线不仅连接主存，还可以连接多个CPUB、PCI 总线体系中有三种桥，它们都是PCI 设备C、以桥连接实现的PCI总线结构不允许许多条总线并行工作D、桥的作用可使所有的存取都按CPU 的需要出现在总线上11、如果机器采用中断方式进行输入和输出，发生中断请求条件的是（）。
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3．具有通道结构的阶段
在小型和微型计算机中，采用DMA方式可实 现高速外设与主机成组数据的交换，但在大、中型 计算机中，外设配置繁多，数据传送频繁，若仍采 用DMA方式会出现一系列问题。如果每台外设都配 置专用的DMA接口，不仅增加了硬件成本，而且为 了解决众多DMA同时访问主存的冲突问题，使控制 变得十分复杂。CPU需要对众多的DMA进行管理， 同样会占用CPU的工作时间，而且因频繁地进入周 期挪用阶段，也会直接影响CPU的整体工作效率。
因此在大、中型计算机系统中，采用了I/O通道 的方式来进行数据交换。
图8-3表示了具有通道结构的计算机系统。
CPU
内存
通 I/O 道
图8-3 I/O通过通道与主机交换信息
通道是用来负责管理I/O设备以及实现主存与 I/O设备之间交换信息的部件，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
8.1.2 I/O系统组成
CPU 主存
I/O 接 口
设备控制器
I/O设备
图8-4 I/O系统的组成
外部设备能够利用光、电、磁及机械传动等 手段，把信息转换为二进制代码的形式。几种常用 的基本外部设备将在8.3节中介绍，如显示器，键盘 等。
设备控制器能将设备生成的各种形式的二进 制代码转换成电信号，并根据输入信号的要求对设 备进行控制。设备控制器是设备与计算机连接的部 件，是外部设备的一个组成部分。
8.1.1 I/O系统概述
输入输出系统的发展大致可分为四个阶段。 1．早期阶段 早期的I/O设备种类较少，I/O设备与主机交换 信息都必须通过CPU。工作模式如图8- 1所示。
内存
CPU
I/O
图8-1 I/O通过CPU与主机交换信息
这种交换方式延续了相当长的时间。当时的 I/O系统具有以下几个特点：每个I/O设备都必须配 有一套独立的逻辑电路与CPU相连，用来实现I/O设 备与主机交换信息，因此线路十分零散、庞杂；输 入输出过程是穿插在CPU执行程序期间进行的，当 I/O设备与主机交换信息时，CPU不得不停止各种运 算，因此，I/O设备与CPU是按串行方式工作的，极 大的浪费了CPU的时间；每个I/O设备的逻辑控制电 路与CPU的控制器紧密构成一个不可分割的整体， 它们彼此依赖，相互牵连，因此，想要增加、删除 或者更换I/O设备就非常困难。
地执行用通道指令所编写的输入输出程序，但它不 是一个完全独立的处理器，它受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。依赖通道管理的I/O设备在与主机交换信息 时，CPU不直接参与管理，故CPU的资源利用率更 高。
4．具有I/O处理机的阶段
输入输出系统发展到第四阶段是具有I/O处理 机的阶段。I/O处理机又叫做外围处理机 (Peripheral Processor Unit,PPU)，它基本独立于 主机工作，不仅可完成I/O通道要完成的I/O控制， 还可完成码制变换、格式处理、数据块检错、纠错 等操作。具有I/O处理机的输入输出系统与CPU工作 的并行性更高。这说明I/O系统对主机来说，具有更 大的独立性。
虽然这个阶段实现了CPU和I/O设备并行工作， 但是在主机与I/O设备交换信息时，CPU要中断现行 程序，即CPU与I/O设备还不能做到绝对的并行工作。
为了进一步提高CPU的工作效率,又出现了 DMA(Direct Memory Access)技术，其特点是I/O 设备与主存之间有一条直接数据通路，I/O设备可以 与主存直接交换信息，而不需要打断CPU的工作， 故其资源利用率得到了进一步的提高。
本章要点：
I/O系统的任务和功能 计算机的I/O方式 计算机的I/O设备及其工作原理
8.1 I/O系统
计算机的输入输出系统（I/O系统）由I/O接口、 I/O管理部件以及有关的I/O软件组成，其主要作用 是实现计算机系统的输入输出功能。I/O系统具体要 解决的问题是：怎样在主机和外部设备之间建立一 个高效、可靠的信息传输“通路”；如何对外设进 行编址，使CPU方便地寻找到要访问的外设；I/O接 口、管理部件如何协调完成主机和外部设备之间的 数据交换等等。
在这个阶段中，计算机系统硬件价格十分昂 贵，机器速度不高，配置的I/O设备不多，主机与 I/O设备交换的信息量也不大，计算机应用的普及程 度还比较低。
2．接口模块和DMA阶段
在这个阶段，I/O设备通过接口模块与主机连 接，计算机系统采用了总线结构，工作模式如图8-2 所示。
主
I/O总线
机
I/O接口
第8章 输入/输出系统
计算机的基本功能之一是能够与其他的外部设 备交换信息。但是由于这些设备具有各自不同的组 成结构和工作原理，因此，与中央处理机的连接方 式也各不相同。输入输出系统又简称为I/O系统，其 功能是完成计算机与外部设备的联系。它和整机的 速度、处理能力、实用性、兼容性等各种系统性能 都有非常密切的关系。随着计算机应用范围的不断 扩大，I/O系统的地位显得越来越重要。用户主要是 通过外部设备和主机交互信息的，因此，了解常用 的外部设备的工作原理十分必要。
I/O接口负责交换主机和I/O设备的状态信息， 使主机与I/O设备的速度相匹配，实现主机与I/O设 备之间的数据交换，并且实现数据格式的变换。
I/O接口可以分为两类：串行接口和并行接口。 串行接口与I/O设备之间，按顺序逐位传送信息;接 口与主机之间，按字或字节并行传送数据，数据格 式的变换在接口内部完成。并行接口与I/O设备之间， 或者与主机之间都是按字或字节并行传送数据。显 然，并行接口传输效率高。目前计算机的I/O接口正 向标准化、通用化和系列化方向发展。
I/O接口 … I/O接口
外部设备 1
外部设备 … 外部设备
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
n
图8-2 外部设备通过I/O接口和主机交换信息
通常在接口中都设有数据通路和控制通路。
数据经过接口既起到缓冲作用，又可完成串 — 并变换或并 — 串变换。控制通路用以传送CPU 向I/O设备发出的各种控制命令，或者使CPU接受 来自I/O设备的反馈信号。许多接口还能满足中断 请求处理的要求，使得I/O设备与CPU可按并行方 式工作，大大地提高了CPU的工作效率。采用接 口技术还可以使多台I/O设备分时占用总线，使得 多台I/O设备互相之间也可实现并行工作方式，有 利于整机工作效率的提高。