《計算機結構與邏輯設計》課件

《計算機結構與邏輯設計》第六章終端、總線與接口2目錄計算機的輸入輸出數(shù)模與模數(shù)轉換終端與存儲器之間的通信計算機接口計算機數(shù)據(jù)的遠地傳送3計算機處理的主要外部信息控制信息多媒體信息文字圖像語音視頻4計算機主要輸入輸出設備5計算機的終端計算機與終端對話的主要問題實際信息到二進制碼的轉換原本數(shù)字信號的計算機信號化處理終端與計算機處理速度的協(xié)調6鍵盤輸入信號的轉換編碼器真值表鍵盤編碼器電路圖7掃描輸入信號的轉換一位二進制碼代表一個單色無灰度點一組二進制碼代表一個單色有灰度點三組二進制碼代表一個彩色有灰度點8打印輸出信號的處理9視頻輸出信號的處理視頻顯示器件CRTLCDLED視頻顯示方式掃描型矩陣型7段數(shù)字編碼示意圖10數(shù)模與模數(shù)轉換D/A---DAC（Digital-AnalogConverter）A/D---ADC（Analog-DigitalConverter）A/D、D/A轉換器在數(shù)字系統(tǒng)中的應用11數(shù)模轉換基本原理D1vOA#/∩1234567-1-2-3-4-5-6-7000100110101011100100100011011111101101110011110110010100D1vOA/V數(shù)模轉換特性數(shù)模轉換的目的：12常用的D/A轉換方案開關樹譯碼方案權電流方案雙極性DAC方案權電容譯碼方案13開關樹譯碼方案111VREFRRRRRRRRB0B1B2vOA將2n個輸入數(shù)據(jù)轉化為與其數(shù)值成正比的2n個模擬電壓產生2n個標準電壓，然后根據(jù)輸入二進制數(shù)據(jù)，將相應的電壓切換到輸出端開關樹譯碼方案：14開關樹譯碼方案1118VRRRRRRRR1103V15權電流方案IiIiVEEREiVBI02I04I08I0B0B1B2B3-+AvOARfΣIi16倒T形D/A轉換電路I/2B0B1B2B3-+AvOARfRVREFRRR2R2R2R2R2RI/4I/8I/16II/2I/4I/8I/1617雙極性DAC方案具有雙極性輸出的D/A轉換器1、求和放大器的輸入端接入偏移電流2、原碼—偏移碼具體實現(xiàn)：只要在求和放大器的輸入端接一個偏移電流，使輸入最高位為1而其他各位為0時輸出為0，同時將輸入的符號位反相后接到一般的單極性D/A轉換器的輸入端（在輸入為二進制補碼時）18權電容方案優(yōu)點輸出電壓與電容的絕對值無關輸出電壓的精度只與基準電壓有關芯片面積小、集成度高、轉換速度快S0S1S2S3vOVREFC3C2C1C0C0’19D/A轉換的主要技術指標(1)分辨率分辨率用D/A轉換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示20D/A轉換的主要技術指標(2)轉換誤差D/A轉換器的轉換誤差指實際輸出值與理論值之差

平移誤差：運算放大器的零點漂移

斜率誤差：參考電壓VREF偏離標準值或放大器增益不準確引起的誤差非線性誤差：模擬開關存在壓降、電阻偏差、電源、放大器漂移等綜合因素21D/A轉換的主要技術指標D1vOOD1vOOD1vOO平移誤差斜率誤差非線性誤差22D/A轉換的主要技術指標(3)轉換速度D/A轉換器的轉換速度用建立時間來衡量

建立時間指從送入數(shù)字信號起，到輸出電流或電壓達到穩(wěn)定值所需要的時間。一般為數(shù)字輸入從全0變?yōu)槿?開始，到輸出電壓穩(wěn)定在范圍內為止。23模數(shù)轉換的過程取樣保持量化編碼24模數(shù)轉換的過程--取樣保持

◆所謂取樣，就是將一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉化為時間上離散變化的模擬量。

◆取樣結果存儲起來，直到下次采樣，這個過程稱作保持。一般，取樣器和保持電路一起總稱為取樣保持電路。fS>2fimaxfS

：取樣頻率

fimax

：

ui

的最高頻分量的頻率25取樣保持電路26模數(shù)轉換的過程--量化編碼

取樣保持電路的輸出信號雖已成為階梯狀，但其階梯幅值仍是連續(xù)可變的，有無限多個數(shù)值，無法與n位有限的2n個數(shù)字量輸出相對應。在進行A/D轉化時，必須將取樣電壓表示為最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，這個轉化過程稱為“量化”。將量化后的有限個整量值用n位一組的某種數(shù)字代碼(如二進制碼、BCD碼或Gray碼等)對應描述以形成數(shù)字量，這種用數(shù)字代碼表示量化幅值的過程稱作“編碼”。27

量化方式和量化誤差(1)只舍不入法(2)四舍五入法28模數(shù)轉換特性及技術指標分辨率精度零點誤差增益誤差非線性誤差轉換速度1234567-1-2-3-4-5-6-7000100110101011100100100011011111101101110011110110010100DovIA/V29常用的A/D轉換方案并行比較型逐次逼近型雙積分型跟蹤比較型30并行比較型VREFRRRRRRRRC7C11DC6C11DC5C11DC4C11DC3C11DC2C11DC1C11DB2B1B0編碼器7S6S5S4S3S2S1SCPvIA只舍不入：S=VREF/2n對于n位輸出二進制碼，并行ADC就需要2n-1個比較器。并行ADC適用于速度要求很高，而輸出位數(shù)較少的場合。31輸入模擬信號比較器輸出C7C6C5C4C3C2C1數(shù)字輸出D2D1D00≤vI<s0000000000s≤

vI<2s00000010012s≤

vI<3s00000110103s≤

vI<4s00001110114s≤

vI<5s00011111005s≤

vI<6s00111111016s≤vI<7s01111111107s≤

vI<8s1111111111三位并行比較型ADC轉換真值表（只舍不入量化）S=VREF/832輸入模擬信號比較器輸出C7C6C5C4C3C2C1數(shù)字輸出D2D1D00≤

vI<s/20000000000s/2≤

vI<3s/200000010013s/2≤

vI<5s/200000110105s/2≤

vI<7s/200001110117s/2≤

vI<9s/200011111009s/2≤

vI<11s/2001111110111s/2≤vI<13s/2011111111013s/2≤

vI<7s1111111111三位并行比較型ADC轉換真值表（四舍五入量化）S=VREF/7四舍五入：S=VREF/(2n-1)33逐次逼近型11111010110001101000100011×10×01×00×1×

××

×

×1001011101110110×

×010001000tvIAVm轉換范圍的分區(qū)輸入電壓變化范圍為Vm逐步縮小搜索范圍34逐次逼近型D0vIA#/∩數(shù)據(jù)寄存器控制電路vA轉換開始前先將所有寄存器清零。開始轉換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為100…0。這個數(shù)碼被D/A轉換器轉換成相應的模擬電壓vA，送到比較器中與vIA進行比較。若vA

＞vIA，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清除；若vA

<vIA

，說明數(shù)字還不夠大，應將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個1是否應該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出?；驹?5逐次逼近型

四位逐次比較型ADC轉換時序波形vIA比較器輸出36雙積分型

◆模數(shù)轉換電路分為：直接比較型和間接比較型◆直接比較型：就是將輸入模擬信號直接與標準的參考電壓比較，從而得到數(shù)字量。屬于這種類型常見的有并行ADC和逐次比較型ADC。◆間接比較型：輸入模擬量不是直接與參考電壓比較，而是將二者變?yōu)橹虚g的某種物理量再進行比較，然后將比較所得的結果進行數(shù)字編碼。雙積分型屬于此種類型37雙積分型VREFRCvO運放積分電路38雙積分型RCvB-VREFvIAvC計數(shù)器CO控制電路數(shù)據(jù)輸出vDS2標準頻率S1基本原理：對輸入模擬電壓和基準電壓進行兩次積分，先對輸入模擬電壓進行積分，接著對基準電壓進行同樣的處理。39取樣期RCvB-VREFvIAvC計數(shù)器CO控制電路數(shù)據(jù)輸出vDS2標準頻率S1001vA40tvIAOV1tvAOV1tvBOvBtvCOtvDOTN取樣期各輸出端輸出波形41轉換期RCvB-VREFvIAvC計數(shù)器CO控制電路數(shù)據(jù)輸出vDS2標準頻率S1010vA42tvIAOV1tvAOtvBOvBtvCOtvDO-VREFTtNn轉換期各輸出端輸出波形43雙積分型tvIAOV1V2tvAOV1V2tvBOvB2vB1tvCOtvDO-VREFTt1t2Nn1n244跟蹤比較型基本原理：取一個數(shù)字量加到D/A轉換器上，得到一個輸出模擬電壓，將這個模擬電壓和輸入模擬電壓比較，根據(jù)比較結果，調整所取的數(shù)字量優(yōu)點：電路簡單，適用于輸入信號相對平穩(wěn)，較少突變的情況缺點：轉換時間太長45數(shù)模模數(shù)轉換例題例1：具有6位分辨率，輸出電壓范圍為0-10V的D/A轉換器，其最低有效位和最高有效位的權重分別是多少。當輸入為010101的輸出應是多少。46例2：畫出3位逐次逼近型A/D轉換系統(tǒng)中DAC的輸出波形。其輸入電壓為3.33V，ADC的電壓范圍是0-10V47例3:對雙積分型ADC,

1)積分時間常數(shù)增大，第一次積分的時間T1、第二次積分的時間T2有無變化？如變化，它們將會怎樣變化？

2)輸入信號ViA變化會影響積分特性曲線的斜率嗎？

3)輸入信號ViA增大，A/D轉化器的輸出——計數(shù)器的狀態(tài)將會如何變化？

4)若被測電壓最大值為2V。要求能分辨的最小電壓為0.1mV,則二進制計數(shù)器的容量應大于多少？需要多少位二進制計數(shù)器？

5)若時鐘頻率fCP=200kHz，則采樣時間T=？

6)若輸入電壓為2V,欲使積分器輸出電壓的最大值為-5V，積分時間常數(shù)應為多少？48例：一個8位D/A轉換器的最大輸出電壓為5.1V，它的單位量化電壓為多少伏？當輸入代碼分別為10000000，10001000時，輸出電壓為多少伏？例：如果要對輸入二進制數(shù)碼進行D/A轉換，要求輸出電壓能分辨2.5mV，最大輸出電壓要達到10V。試選擇D/A轉化器的位數(shù)。例：有一4位權電流D/A的電路圖如圖6.11所示，其中Vref=8V，R=1kΩ，Rf=10kΩ，若輸入的二進制碼為1011，問輸出的模擬電壓是多大？49

例：有一個逐次逼近型8位A/D轉換器，輸入vi和D/A轉換器的輸出vO的波形如圖所示，則A/D轉換器的輸出為多少?tvOOvI50vItvOO123452.53.753.1253.43753.28125例：畫出6位逐次逼近型A/D轉換系統(tǒng)中DAC的輸出波形。其輸入電壓為3.33V，ADC的電壓范圍是0-10V。51計算機總線如今計算機終端設備很多，各終端與計算機存儲器、每對終端之間都安排一組獨立導線不現(xiàn)實交換信息通過共用的導線組進行各設備之間傳送信息的共用的通道，稱之為總線（BUS）52三態(tài)門及其在總線上的應用

總線是多個部件的公共連接，系統(tǒng)中不同來源和去向的信息在總線上分時傳送。

輸入輸出設備通過三態(tài)緩沖器掛在總線上，且每個設備有一個地址53總線結構總線包括數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB和控制總線CB54標準總線55標準總線第一類:連接計算機內部各模塊的總線。如，連接CPU、存儲器和I/O接口的總線.*ISA總線

工業(yè)標準化總線，IBM為其PC系列微機制定的。*EISA總線擴充工業(yè)標準化總線，Compaq、HP、AST、Epson、

NEC等9家公司提出的32位總線。

*Multibus

IEEE總線標準，Intel公司提出。

*PCI總線Intel

56標準總線第二類:是系統(tǒng)之間或系統(tǒng)與外部設備之間的連接總線.

IEEE-488總線

并行總線，主要應用于由計算機控制的自動測試設備。RS-232C總線

串行總線，在計算機終端中被廣泛采用。通信對象遠離主機。57數(shù)據(jù)在總線上的傳送方式同步傳送方式異步傳送方式不由CPU時鐘脈沖控制，采用應答方式交換信息。半同步傳送方式通信雙方由統(tǒng)一的時鐘控制數(shù)據(jù)的傳送58計算機的接口能使外部設備與計算機進行有效連接的邏輯控制部件

外設是用來實現(xiàn)人機交互的一些機電設備。外設處理信息的類型、速度、通信方式與CPU不匹配,不能直接掛在總線上，必須通過接口和系統(tǒng)相連59(1)實現(xiàn)主機和外圍設備之間的數(shù)據(jù)傳送控制(設備選擇、時序控制、信息格式和電平高低的轉換）.

(3)接收主機的命令，提供設備接口的狀態(tài)。

2.接口的類型

1.接口的基本功能

(1)并行接口和串行接口（按數(shù)據(jù)傳送的位寬分）

*主機與I/O接口之間的信息交換是以并行方式進行。*I/O接口與外部設備之間可并、可串

.(2)同步與異步接口（按照總線傳輸?shù)姆绞椒郑?/p>

(2)實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖,達到主機與外設之間的速度控制。

(3)程序查詢方式、程序中斷方式、DMA方式等（按CPU控制方法分）60計算機與終端的信息交換方式不同的交換方式對應不同的接口邏輯

61(1)程序查詢

由程序段直接控制外圍設備的工作。依次查詢終端地址，有請求即操作(2)程序中斷

終端發(fā)出中斷請求，CPU執(zhí)行需保護斷點和現(xiàn)場；執(zhí)行完中斷服務要恢復現(xiàn)場。(2)DMA方式

終端與存儲器直接交換數(shù)據(jù)，不經(jīng)過CPU需加一個DMA硬件控制部件（DMAC）DMAC能以類似于CPU的控制方法來控制輸入/輸出操作62接口電路舉例接口——作用于系統(tǒng)元件之間連接的邏輯，可以理解為系統(tǒng)內不同部件之間約定的呼叫/應答機制不同的信息交換方式對應于不同的接口邏輯63接口電路舉例（與鍵盤的接口）6465數(shù)據(jù)串行傳送方式信號傳送與計算機字長無關，適于標準化減