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文檔簡介
1、單片機原理及應用 (C語言版)第8章 單片機系統(tǒng)擴展,主 編:周國運本章制作:趙天翔中國水利水電出版社,第8章 單片機系統(tǒng)擴展,目 錄 8.1 擴展并行三總線 8.2 擴展簡單并行輸入/輸出口 8.3 擴展并行數(shù)據(jù)存儲器 8.4 串行擴展總線接口技術,,第8章 單片機系統(tǒng)擴展,本章主要介紹了MCS-51單片機系
2、統(tǒng)擴展的方法。通過擴展并行三總線來進行并行總線接口擴展;通過UART或I/O口模擬幾種串行通信的特點來進行串行總線接口擴展。,8.1 擴展并行三總線,主要內容 8.1.1 片外三總線結構 8.1.2 MCS-51系統(tǒng)擴展的實現(xiàn) 8.1.3 總線驅動,8.1.1 片外三總線結構,通常,微機的CPU外部都有單獨的并行地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線。M
3、CS-51單片機由于引腳的限制,數(shù)據(jù)總線和地址總線是復用的。 地址需要鎖存:為了能把復用的數(shù)據(jù)總線和地址總線分離出來以便同外部的芯片正確的連接,需要在單片機的外部增加地址鎖存器,從而構成與一般CPU相類似的三總線結構,如圖8-1所示。,,,,,,,P2,ALE,89C52,P0,PSEN,WR,RD,地址鎖存器,地址總線,數(shù)據(jù)總線,控制總線,A8~A15,A0~A7,D0~D7,8.1.1 片外三總線結構,圖8-1
4、89C52擴展的三總線,,,,圖8-2 地址總線擴展電路,8.1.1 片外三總線結構,地址鎖存器74HC573與單片機P0口連接,擴展地址總線,如圖8-2所示。,,,,,,74HC573簡介74HC573是有輸出三態(tài)門的電平允許8位鎖存器。引腳信號如下: OE:輸出允許端,為0時芯片有效。LE:鎖存控制端,高電平時,鎖存器的數(shù)據(jù)輸出端Q的狀態(tài),與數(shù)據(jù)輸入端D相同,即鎖存器是透明的;當LE端從高電平返回到低電
5、平時(下降沿后),輸入端的數(shù)據(jù)就被鎖存在鎖存器中,數(shù)據(jù)輸入端D的變化不再影響Q端。,8.1.1 片外三總線結構,,一、地址總線 地址總線(Address Bus,AB)用于傳送單片機送出的地址信號,以便進行存儲器單元和I/O端口的選擇。 地址總線是單向的,只能由單片機向外發(fā)送信息。 地址總線的數(shù)目決定了可直接訪問的存儲單元的數(shù)目。,8.1.1 片外三總線結構,二、數(shù)據(jù)總線 數(shù)據(jù)
6、總線(Data Bus,DB)用于單片機與存儲器或I/O端口之間的數(shù)據(jù)傳送。 一般數(shù)據(jù)總線的位數(shù)與CPU的字長一致,MCS-51單片機的數(shù)據(jù)總線是8位的。 數(shù)據(jù)總線是雙向的,可以進行兩個方向的數(shù)據(jù)傳送。三、控制總線 控制總線(Control Bus,CB)是單片機發(fā)出的以控制片外ROM、RAM和I/O口讀/寫操作的一組控制線。,8.1.1 片外三總線結構,8.1.2 MCS-51系統(tǒng)擴展
7、的實現(xiàn),一、以P0口作低8位地址及8位數(shù)據(jù)的復用總線 復用,即一段時間內作兩種或兩種以上用途。 在這里指P0口在每個CPU周期的前半個周期輸出低8位地址,由地址鎖存器鎖存,然后由地址鎖存器代替P0口輸出低8位地址。后半個周期進行8位數(shù)據(jù)的輸入輸出。,二、以P2口作為高8位的地址總線 P0口的低8位地址加上P2的高8位地址就可以形成16位的地址總線,達到64KB的尋址能力。 實際應用中,
8、往往不需要擴展那么多地址,擴展多少用多少口線,剩余的口線仍可作一般I/O口來使用。,8.1.2 MCS-51系統(tǒng)擴展的實現(xiàn),三、控制信號線ALE:地址鎖存信號,用以實現(xiàn)對低8位地址的鎖存。PSEN:片外程序存儲器讀選通信號。EA:程序存儲器選擇信號。為低電平時,訪問外部程序存儲器;為高電平時,訪問內部程序存儲器。WR:片外數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號。RD:片外數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號。,,,,,,,,,8.1.2
9、 MCS-51系統(tǒng)擴展的實現(xiàn),8.1.3 總線驅動,總線驅動的原因:在單片機應用系統(tǒng)中,擴展的三總線上掛接很多負載,如存儲器、并行接口、A/D接口、顯示接口等,但總線接口的負載能力有限,因此常常需要通過連接總線驅動器進行總線驅動。,總線驅動器的作用:對于單片機的I/O口只相當于增加了一個TTL負載,因此驅動器除了對后級電路驅動外,還能對負載的波動變化起隔離作用。 在對TTL負載驅動時,只需考慮驅動電流的大小。
10、 在對MOS負載驅動時,MOS負載的輸入電流很小,更多地要考慮對分布電容的電流驅動。,8.1.3 總線驅動,總線驅動器的選擇: 系統(tǒng)總線中地址總線是單向的,因此驅動器可以選用單向的,如74LS244,還帶有三態(tài)控制,能實現(xiàn)總線緩沖和隔離。 數(shù)據(jù)總線是雙向的,其驅動器也要選用雙向的,如74LS245。74LS245也是三態(tài)的,有一個方向控制端DIR。DIR=1時輸出(An→Bn),DIR=0時輸入(An←
11、Bn)。,8.1.3 總線驅動,8.2 擴展簡單并行輸入/輸出口,89C52有P0~P3四組I/O口,但是在某些特定的場合,可能會出現(xiàn)I/O口不夠用的情況。這時就需要通過擴展來增加I/O口的數(shù)量以滿足使用的需要。 在很多應用系統(tǒng)中,采用74系列TTL電路或4000系列MOS電路芯片,擴展并行數(shù)據(jù)輸入輸出。,例1 在圖8-4中,當P2.0=0,WR=1,RD=0時,通過74HC244(擴展輸入)讀入按鍵狀態(tài),當P2.0=
12、0,WR=0,RD=1時,通過74HC573(擴展輸出)根據(jù)按鍵狀態(tài)驅動發(fā)光二極管發(fā)光。 74HC244、74HC573的操作地址設為0xfeff。,,,,,8.2 擴展簡單并行輸入/輸出口,P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.789C52 WRP2.0RD,D0 Q0D1 Q1D2 Q2D3
13、Q3D4 Q4D5 Q5D6 Q6D7 Q7LE VCC,Q0 D0Q1 D1Q2 D2Q3 D3Q4 D4Q5 D5Q6 D6Q7 D7G,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
14、,,,,,,,,,+,+,,,,,,,,,,,,,74HC573,74HC244,+5V,圖8-4 簡單I/O接口擴展,,,8.2 擴展簡單并行輸入/輸出口,C語言程序清單:#include voidmain(){unsigned char data tmp1, tmp2=0;unsigned char xdata *pt1;pt1=0xfeff; //給指針賦地址值0xfeffwhile(
15、1) //循環(huán) {tmp1=*pt1;//從74HC244輸入數(shù)據(jù) if (tmp1!=tmp2)//判斷輸入改變時,{ *pt1 =tmp1;//從74HC573輸出數(shù)據(jù) tmp2=tmp1;}} },匯編語言程序清單:MOV30H,#00H ;設一初值MOVDPTR,#0FEFFH;設端口地址LOOP:MOVXA,
16、@DPTR;從244讀鍵盤新值CJNEA, 30H, NEXT;與上次值比較SJMP LOOP;相等再讀鍵盤值NEXT:MOV 30H,A;保存新鍵盤值MOVX@DPTR,A;從573輸出鍵盤值SJMP LOOP;繼續(xù)讀取鍵盤值,8.2 擴展簡單并行輸入/輸出口,8.3 擴展并行數(shù)據(jù)存儲器,主要內容 8.3.1 擴展存儲器概述
17、 8.3.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展,8.3 擴展并行數(shù)據(jù)存儲器,數(shù)據(jù)存儲器即隨機存取存儲器(Random Access Memory,RAM),用于存放可隨時修改的數(shù)據(jù)信息。 單片機使用的主要是靜態(tài)RAM。 MCS-51系列單片機片外數(shù)據(jù)存儲器的空間可達64KB,而片內數(shù)據(jù)存儲器的空間只有128B或256B。如果片內的數(shù)據(jù)存儲器不夠用時,則需進行數(shù)據(jù)存儲器的擴展。,8.3.1 擴展存
18、儲器概述,存儲器擴展的核心問題是存儲器的編址問題。所謂編址就是給存儲單元分配地址。 由于存儲器通常由多個芯片組成,為此存儲器的編址分為兩個層次: 即存儲器芯片的選擇和存儲器芯片內部存儲單元的選擇。,一、地址線的譯碼 存儲器芯片的選擇有兩種方法:線選法和譯碼法。 1、線選法。所謂線選法,就是直接以系統(tǒng)的地址線作為存儲器芯片的片選信號,為此只需把用到的地址線與存儲器芯片的片選端直接相連即可。
19、 2、譯碼法。所謂譯碼法,就是使用地址譯碼器對系統(tǒng)的片外地址進行譯碼,以其譯碼輸出作為存儲器芯片的片選信號。譯碼法又分為完全譯碼和部分譯碼兩種。,8.3.1 擴展存儲器概述,(1)完全譯碼。地址譯碼器使用了全部地址線,地址與存儲單元一一對應,也就是1個存儲單元只占用1個唯一的地址。(2)部分譯碼。地址譯碼器僅使用了部分地址線,地址與存儲單元不是一一對應,而是1個存儲單元占用了幾個地址。,8.3.1 擴展存儲器概述,,,,,,
20、,圖8-5 地址譯碼關系圖,8.3.1 擴展存儲器概述,芯片譯碼地址:在設計地址譯碼器電路時,常采用地址譯碼關系圖。所謂地址譯碼關系圖,就是一種用簡單的符號來表示全部地址譯碼關系的示意圖,如圖8-5所示。,二、擴展存儲器所需芯片數(shù)目的確定 若所選存儲器芯片字長與單片機字長一致,則只需擴展容量。所需芯片數(shù)目按下式確定: 芯片數(shù)目=,系統(tǒng)擴展容量存儲器芯片容量,,8.3.1 擴展存儲器概述,若所
21、選存儲器芯片字長與單片機字長不一致,則不僅需擴展容量,還需字擴展。所需芯片數(shù)目按下式確定: 芯片數(shù)目= ×,系統(tǒng)字長存儲器芯片字長,系統(tǒng)擴展容量存儲器芯片容量,,,三、3—8譯碼器74LS138 3—8譯碼器74LS138為一種常用的地址譯碼器芯片。其中,G1、G2A、G2B為控制端。只有當G1為“1”,且G2A、G2B均為“0”時,譯碼器才能進行譯碼輸
22、出。否則譯碼器的8個輸出端全為高阻狀態(tài)。譯碼輸入端與輸出端之間的譯碼關系如表8-1所示。,,,,,8.3.1 擴展存儲器概述,,,,,,,,,表8-1 74LS138的譯碼關系,8.3.1 擴展存儲器概述,8.3.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展,一、常用靜態(tài)RAM芯片 常見的靜態(tài)RAM芯片有6264(8K×8位)、62256(32K×8位)、628128(128K×8位)等。二
23、、擴展數(shù)據(jù)存儲器舉例 例8-2 采用6264芯片在89C52片外擴展24KB數(shù)據(jù)存儲器,如圖8-8所示。,圖8-8 6264擴展24KB數(shù)據(jù)存儲器,P2.0~P2.4P0ALEP2.5P2.6P2.7WERD,74HC573D QLE,,,,74LS138A Y0B Y1C Y2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
24、,,,,,,,,,,A8~A12,D0~D7,A0~A7,,,8.3.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展,8.4 串行擴展總線接口技術,主要內容 8.4.1 常用的串行總線接口簡介 8.4.2 I2C總線 8.4.3 SPI串行外設接口總線,8.4 串行擴展總線接口技術,串行擴展總線技術是新一代單片機技術發(fā)展的一個顯著特點。 相對于并行總線接口,串行總線接口有著占
25、用I/O口線少(一般3~4根),編程相對簡單,易于實現(xiàn)用戶系統(tǒng)軟硬件的模塊化、標準化等優(yōu)點。 隨著串行總線接口技術(SPI、I2C等)和各種串行接口芯片的發(fā)展,串行總線接口技術越來越受到人們的推崇。,8.4.1 常用的串行總線接口簡介,一、I2C(Inter Integrated Circuit) I2C總線是Philips公司推出的芯片間串行傳輸總線。 I2C總線是二線制,采用器件地址的硬件
26、設置方法,通過軟件尋址完全避免了器件的片選線尋址方法,從而使硬件系統(tǒng)具有簡單靈活的擴展方法。,二、SPI SPI總線是Motorola公司提出的一種同步串行外設接口。 SPI總線是三線制,可直接與多種標準外圍器件直接接口。 三、Microware Microware總線是NS公司提出的串行同步雙工通信接口。 Microware總線是三線制,由一根數(shù)據(jù)輸出(SO)線、一
27、根數(shù)據(jù)輸入(SI)線和一根時鐘(SK)線組成。,8.4.1 常用的串行總線接口簡介,四、單總線(1-wire) 單總線及應用: 1-wire總線是Dallas公司研制開發(fā)的一種協(xié)議,主要用于便攜式儀表和現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)。 單總線結構:是利用一根線實現(xiàn)雙向通信,由一個總線主節(jié)點、一個或多個從節(jié)點組成系統(tǒng),通過一根信號線對從芯片進行數(shù)據(jù)的讀取。,8.4.1 常用的串行總線接口簡介,五、USB(Universal
28、Serial Bus) USB總線及應用:USB總線是Compaq、Intel、Microsoft、NEC等公司聯(lián)合制定的一種計算機串行通信協(xié)議。 USB總線的主要優(yōu)點:比較于其他傳統(tǒng)接口的一個優(yōu)勢是即插即用的實現(xiàn),即插即用(Plug-and-Play)也稱為熱插拔(Hot Plugging),8.4.1 常用的串行總線接口簡介,六、CAN(Controller Area Network)
29、CAN總線及應用: CAN總線是德國Bosch公司最先提出的多主機局域網總線,是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。 CAN總線的主要優(yōu)點:在由CAN總線構成的單一網絡中,理論上可以掛接無數(shù)個節(jié)點。,8.4.1 常用的串行總線接口簡介,8.4.2 I2C總線,一、I2C總線的特點 I2C總線最主要的優(yōu)點是其簡單性和有效性。 I2C總線的特點:其接口直接集成在組件之上,因此I2C總線占用的空間非常小,減
30、少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量,降低了互聯(lián)成本。 I2C總線的其它優(yōu)點:它支持多主控(Multimastering),其中任何能夠進行發(fā)送和接收的設備(節(jié)點)都可以成為主控器。,圖8-9 典型I2C總線系統(tǒng)示意圖,8.4.2 I2C總線,I2C總線的主控器:一個主控器能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。當然,在任何時間點上只能有一個主控器。如圖8-9所示。,I2C總線支持多主和主從兩種工作模式多主方式:通過硬件和軟
31、件的仲裁,主控器取得總線控制權。 主從方式:從器件地址包括器件編號地址和引腳地址兩部分,器件編號地址由I2C總線委員會分配,引腳地址由外界電平的高低決定。 器件內部子地址:當器件內部有連續(xù)的子地址空間時,對這些空間進行連續(xù)讀寫,子地址會自動加1。,8.4.2 I2C總線,CPU發(fā)出的控制信號:分為地址碼和控制量兩部分。 地址碼:用來選址,即接通需要控制的電路,確定控制的種類。 控制量
32、:決定該調整的類別(如對比度、亮度等)及需要調整的量。這樣,各控制電路雖然掛在同一條總線上,卻彼此獨立,互不相關。,8.4.2 I2C總線,二、I2C總線的時序 I2C總線的信號:I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號,分別是:開始信號、結束信號和應答信號。 I2C總線 開始信號:SCL為高電平時,SDA由高電平向低電平跳變,開始傳送數(shù)據(jù)。 結束信號:SCL為低電平時,SDA由低電平向高電
33、平跳變,結束傳送數(shù)據(jù)。 應答信號:接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后,向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖,表示已收到數(shù)據(jù)。,8.4.2 I2C總線,SDASCL,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,開始信號允許數(shù)據(jù)變化 允許數(shù)據(jù)變化 允許數(shù)據(jù)變化 結束信號,,圖8-10 I2C總線的時序,8.4.2 I2C總線,如圖8-10所示,為I2
34、C總線的一般時序。即起始信號、結束信號、允許數(shù)據(jù)線改變的條件等。,三、I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸過程 數(shù)據(jù)傳輸時,主機先發(fā)送啟動信號和時鐘信號,隨后發(fā)送尋址字節(jié)來尋址被控器件,并規(guī)定數(shù)據(jù)傳送方向。 尋址字節(jié)由7位從機地址(D7~D1)和1位方向位(D0,讀0/寫1)組成。 從機地址包括器件編號地址和引腳地址兩部分。,8.4.2 I2C總線,,,R/,,,I2C總線器件的7位從器件(機)地址:,8.4.2
35、 I2C總線,從機對地址的響應:當主機發(fā)送尋址字節(jié)時,總線上所有器件都將其中的高7位地址與自己的比較,若相同,則該器件根據(jù)讀/寫位確定是從發(fā)送器還是從接收器。 對從接收器:在尋址字節(jié)之后,主控發(fā)送器通過SDA線向從接收器發(fā)送數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后發(fā)送終止信號,以結束傳送過程。 對從發(fā)送器:在尋址字節(jié)之后,主控接收器通過SDA線接收被控發(fā)送器的發(fā)送數(shù)據(jù)。,8.4.2 I2C總線,每傳輸一位數(shù)據(jù),都有一個時鐘脈沖
36、相對應。時鐘脈沖不必是周期性的,它的時鐘間隔可以不同。 I2C總線的備用狀態(tài)(“非忙”狀態(tài)):SDA和SCL都為“1”;只有當總線處于“非忙”狀態(tài)時,數(shù)據(jù)傳輸才能被初始化。I2C總線的關閉狀態(tài):SCL箝位在低電平。 I2C總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和地址字節(jié)均為8位,且高位在前,低位在后。,8.4.2 I2C總線,數(shù)據(jù)線SDA上的一般情況:I2C總線以開始信號為啟動信號;接著傳輸?shù)氖堑刂泛蛿?shù)據(jù)字節(jié),數(shù)據(jù)字節(jié)是
37、沒有限制的;每個字節(jié)后必須跟隨一個應答位(0);全部數(shù)據(jù)傳輸完畢后,以結束信號結尾。 SCL的“線與”特性:任一器件的SCL為低電平時,便時時鐘線SCL變低,SDA上數(shù)據(jù)就被停止傳送。,8.4.2 I2C總線,接收器的應答:正常應答位為0;當接收器接收到一個字節(jié)后無法立即接收下一個字節(jié)時,便向SCL線輸出低電平而箝住SCL(SCL=0),迫使SDA線處于等待狀態(tài)。被控器箝住SCL線為低電平,使主控發(fā)送器處于等待狀態(tài)
38、的情況:如圖8-11中的A處,當接收器在A點接收完主控器發(fā)來的一個字節(jié)時,需要處理接收中斷而無法繼續(xù)接收,則被控器便可箝住SCL線為低電平,使主控發(fā)送器處于等待狀態(tài),直到被控器處理完接收中斷后,再釋放SCL線。,8.4.2 I2C總線,圖8-11 I2C總線的數(shù)據(jù)傳送字節(jié)格式,,開始信號,從地址,來自接收器響應信號,發(fā)送器等待,數(shù)據(jù),來自接收器響應信號,方向位,停止信號,重復開始信號,若傳送多個字節(jié)則重復,SCL,S,SDA,M
39、SB,ACK,ACK,R/W,P/S,A,,8.4.2 I2C總線,關于應答信號:(1)應答信號的發(fā)送時刻:數(shù)據(jù)傳輸時,發(fā)送器每發(fā)完一個字節(jié),都要求接收方發(fā)回一個應答信號(0)。 (2)應答信號的過程:發(fā)送時鐘仍由主控器在SCL上產生。主控發(fā)送器必須在被控接收器發(fā)送應答信號前,預先釋放對SDA線的控制(SDA=1),以便主控器對SDA線上應答信號的檢測。,8.4.2 I2C總線,正常應答:主控器發(fā)送時,被控器接收
40、完每個字節(jié)需發(fā)回應答信號“0”,主控器據(jù)此進行下一字節(jié)的發(fā)送。 異常應答:如果被控器由于某種原因無法繼續(xù)接收SDA上數(shù)據(jù)時,可向SDA輸出一個非應答信號(1),主控器據(jù)此便產生一個Stop來終止SDA線上的數(shù)據(jù)傳輸。 主控器接收時也應給被控器發(fā)應答信號。主控器接收時的結束應答:當主控器要結束傳輸時,必須給被控器發(fā)一個非應答信號“1”,令被控器釋放SDA線,以便主控器發(fā)送Stop信號來結束數(shù)據(jù)的傳輸,如圖
41、8-12所示。,8.4.2 I2C總線,圖8-12 I2C總線的應答信號,8.4.2 I2C總線,四、I2C的數(shù)據(jù)格式 1、主控器寫數(shù)據(jù) 主機寫數(shù)據(jù)過程:整個過程均為主機發(fā)送,從機接收,數(shù)據(jù)的方向位R/W=0。應答位ACK由從機發(fā)送,當主機產生結束信號后,數(shù)據(jù)傳輸停止。格式如下:,8.4.2 I2C總線,A/,SLA,S為開始信號,P為結束信號,A為應答信號, 為非應答信號,,SLA,為尋址字節(jié)(寫
42、),Data 1~Data n為被傳送的n個數(shù)據(jù)。,,為主控器發(fā)送,被控器接收。,,為被控器發(fā)送,主控器接收。,8.4.2 I2C總線,2、主控器讀數(shù)據(jù) 主機讀數(shù)據(jù)過程:尋址字節(jié)為主機發(fā)送、從機接收,方向位R/W=1,n個數(shù)據(jù)字節(jié)均為從機發(fā)送、主機接收。主機接收完全部數(shù)據(jù)后發(fā)非應答位(1),表明讀操作結束。格式如下:,,SLA R為尋址字節(jié)讀。,8.4.2 I2C總線,3、主控器讀/寫數(shù)據(jù) 改變傳送方向的數(shù)據(jù)傳輸過
43、程:由于讀/寫方向有變化,開始信號和尋址字節(jié)都會重復一次,但讀/寫方向(R/W)相反。格式如下:,Sr為重復開始信號,Data 1~Data n為主控器的讀數(shù)據(jù),DATA 1~DATA n為主控器的寫數(shù)據(jù)。,SLA,A/,8.4.2 I2C總線,三、I2C總線的應用 帶有I2C接口的單片機:Cygnal的 C8051 F0XX系列,Philips的P87LPC7XX系列,Microchip的PIC16C6XX系列等。很多
44、外圍器件如存儲器、監(jiān)控芯片等也提供I2C接口。 圖8-13為I2C總線外圍擴展示意圖。,8.4.2 I2C總線,圖8-13 I2C總線外圍擴展示意圖,MCU SDA SCL,,,LED顯示器LED驅動控制器SDA SCL,,,,LCD顯示器LCD驅動控制器SDA SCL,,,,鍵盤I/OSDA SCL,,,,打印機I/OSDA SCL,,,,,,
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