計算機硬件第6章外部設(shè)備的接口

□

口

郅

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a

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鵝

□

n

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B

舞仁g

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丘n

??

6.1接口的基本知識

#6.1.1PC機接口概述

算接口：用于完成計算機主機系統(tǒng)與外部設(shè)備之間的信息

交換。一般接口由接口電路、連接器（連接電纜）

和接口軟件（程序）組成。

機

去

砒

第2頁

PC機的模塊構(gòu)成

4硬盤接口*

調(diào)制解

調(diào)器

＞軟驅(qū)接口，掃描儀

軟盤驅(qū)動器

存儲器，＞串行接口鼠標(biāo)器

*通信接口：:并行接口

USB打印機

A鍵盤

＞專用

CPU揚聲器

接口

型

微

+12/-12+5/-5*顯示器

主

機

板

機總線插槽

型

微電源聲卡，

主

機

箱

機）網(wǎng)卡*局域網(wǎng)

220VAC

6.1接口的基本知識

In/Out指令、I/O總線、接口電路的關(guān)系

在程序中執(zhí)行輸入/輸出(In/Out)

指令，產(chǎn)生讀/寫和地址信號，

、地址指向特定的接口電路)

CPU

/輸入/輸出指令產(chǎn)生的總線'II

/i/6總線/

信號送到各個I/O接口電路

V')n

I/O接口

不同的接口電路識別特定的地

址組合(地址譯碼),被選通的接

口打開數(shù)據(jù)傳送通道I/O設(shè)備

讀(In):接口中的數(shù)據(jù)一CPU

寫(Out):CPU數(shù)據(jù)一I/O接口

第4頁

6.1接口的基本知識

In/Out指令、I/O總線、接口電路的關(guān)系

產(chǎn)生特定的

CPU指令使指定的接口

I/O總線信號電路響應(yīng)

INAL,07

接口電路

OUT08,AL

接口電路＞外設(shè)

接口電路

不同的接口電路占用不同的接口電路

端口地址。

不同的接口電路有不同的操

作方法，體現(xiàn)在接口編程中。

第5頁

6.1接口的基本知識

——最簡單的接口電路

一個簡單的接口電路(輸出)框圖

CPU端（I/O總線）外設(shè)端

具有緩

數(shù)羽總線Do?D7

沖寄存

器的輸

地出接口

地址總線址

寫控制(WR)：將電路讀控制(RD)：讀

譯?數(shù)據(jù)寫入輸出寄一—取緩沖寄存器數(shù)

碼存器，1-RSRS據(jù)，O—RS

控制總線

石狀態(tài)(RS)：通知CPU狀態(tài)(RS)：通知外設(shè)

O緩沖寄存器是否空，緩沖寄存器是否滿

w可接CPU中斷系統(tǒng)

第6頁

6.1接口的基本知識

——典型的簡單接口電路構(gòu)成

雙

發(fā)送數(shù)據(jù)線路

向

緩沖存儲驅(qū)動

緩

信號

沖

接收數(shù)據(jù)變換

接口信號線

緩沖存儲

地址總線地

址

讀寫控制.譯

碼

中斷

第7頁

6.1接口的基本知識

----接口的4大功能

接口的功能

/J接口一般具有數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)緩沖、信號變

熱/換、中斷等功能。

小

f＞數(shù)據(jù)傳送：CPU執(zhí)行輸入/輸出指令與外部設(shè)備交換

y、

v數(shù)據(jù)。

/

>J＞數(shù)據(jù)緩沖：用于輸入輸出過程中的暫存，對方不能

乂

n

"小及時接收數(shù)據(jù)時，修數(shù)據(jù)暫存在接口電路中。根據(jù)

I，接口的需要可以是一個或幾個字節(jié)，也可也是數(shù)據(jù)

<

V存儲區(qū)。

\J

/—

A碾

4＞信號變換：完成計算機數(shù)字信號與I/O設(shè)備信號（如

/

小

基模擬信號、開關(guān)信號、計數(shù)脈沖等）的相互轉(zhuǎn)換。

t

3

0碗＞中斷：大多數(shù)接口電路有中斷功能，以提高接口程

y，序的效率。

第8頁

JX

6.1接口的基本知識

接口的控制方式—查詢

6.1.2接口的操作（p148）

接口的操作：程序?qū)涌诘脑L問（讀/寫）方式。不同的

接口電路支持不同的操作方式。

1.查詢控制方式：通過程序監(jiān)測接口的狀態(tài)，見圖6-2。

接口狀態(tài)：指不接

口電路中是否有未

態(tài)

讀的數(shù)據(jù)。使用端接

口讀命令查詢。

門口

電端口連接器

路

地

地址總線

址

譯

讀選通命令：控制

碼

接口電路將數(shù)據(jù)送

數(shù)據(jù)總線。

第9頁

6.1接口的基本知識

例如：串行端口1(C0M1:),使用地址為3F8~3FE的I/O端口

地址方向用途說明

3F8IN/OUT數(shù)據(jù)接收/發(fā)送寄存器，數(shù)據(jù)輸入和輸出

3F9OUT中斷允許寄存器，設(shè)定是否允許產(chǎn)生中斷

3FAIN中斷標(biāo)志寄存器，指冰中斷類型

3FBOUT線路控制寄存器，用于完成對接口電路的控制

3FCOUTMODEM控制寄存器

3FDIN線路狀態(tài)寄存器，指不接口電路的狀態(tài)

3FEINMODEM狀態(tài)寄存器

例如其中：線路狀態(tài)寄存器(3FD)：

/D7/D6/D5/D4/D3/D2/D1/DO

接收

接收

接收

接收

接收

發(fā)送

發(fā)送

間斷

格式

朝偶

超越

數(shù)

據(jù)

位

持

保

留

泰

盤

錯誤

錯誤

留誤

錯誤

就

律

緒

控

查詢控制方式的特點：簡單、程序開銷大(效率低)。

第10頁

6.1接口的基本知識

接口的控制方式——中斷

2.中斷控制方式：接口狀態(tài)改變時產(chǎn)生中斷，通過中斷

#信號調(diào)用中斷處理來處理接口事件。

算接口狀態(tài)：CPU被中斷后，

調(diào)用中斷處理程序，讀接口

接

機狀態(tài)后便可知道需要作什么

口

處理。端口連接器

<電

路

接口中斷（送CPU中斷處理電

件路）：指示接口電路有需要處

理的事徉，如收到數(shù)據(jù)、發(fā)

枝送完畢、數(shù)據(jù)錯誤等。

木

<

特點：接口需要中斷支持（占用中斷資源），編程復(fù)雜,

?效率高。

第11頁

6.1接口的基本知識

接口的控制方式—中斷

中斷控制方式的程序分為兩部分：主程序和中斷處

理程序。

J開始

小

t

將中斷處理程序

4r?

調(diào)入內(nèi)存接收數(shù)據(jù)

，

”

卜

設(shè)置中斷向量數(shù)

指向中斷處理程序據(jù)

f

區(qū)

4.r

r主處理程序

—

&

?

J，

第12頁

6.1接口的基本知識

接口的控制方式

3.DMA方式：通過DMA控制器(DMAC)完成內(nèi)存與端口

之間的數(shù)據(jù)傳送，適合大批量數(shù)據(jù)的集中傳送，且傳

送速度快。如硬盤、聲卡、視頻卡、網(wǎng)卡等。DMA方

式的工作過程：

①

②外設(shè)向DMAC發(fā)出請求信號；

③DMAC向CPU發(fā)出請求；

④CPU響應(yīng)后向DMAC發(fā)出允許信號，同時讓出總線控制權(quán);

⑤DMAC接管總線，發(fā)出總線信號，完成數(shù)據(jù)傳送；

⑥D(zhuǎn)MAC向CPU發(fā)出結(jié)束請求；

CPU響應(yīng)結(jié)束請求，接管總線。

4.I/O處理機(通信處理機)方式：由一臺專用的計算機完

成輸入/輸出處理。一般的大型計算機系統(tǒng)都有通信

處理機。

第13頁

6.2串行接口—SerialPort

——基本概念

6.2.1串行接口標(biāo)準

N串行接口：數(shù)據(jù)以串行（逐位）的方式傳送的接口叫串行

t一

*接口。發(fā)送時先將并行的字節(jié)轉(zhuǎn)換成串行的位并逐位發(fā)

送，接收時再修逐位收到的數(shù)據(jù)位拼裝成字節(jié)。

一特點：是接口線數(shù)少、傳送距離長、速度慢、電路復(fù)雜

工

一

，（必須有“串一并”和“并一串”變換和位同步控制電

小

路）。

串行信號：由起始位、數(shù)據(jù)位、停止位構(gòu)成。傳送單位

一

H為字節(jié)。串行信號波形：

.

*

11010110

一

一起始位5?8個數(shù)據(jù)位停止位

第14頁

6.2串行接口

并串變換電路

在發(fā)送數(shù)據(jù)時要完成并行到串行的變換，接收是完

成串行到并行的轉(zhuǎn)換。

接口電路

（雙緩沖）

1

41

主機>0接口

>01

系統(tǒng)總線41T連接器

JTo

41I10011011

>oT

串行時鐘

第15頁

6.2串行接口

-RS-232-C串行接口標(biāo)準

622RS-232-C串行接口機械特性

1.連接器：采用DB25和DB9（D型）連接器，DB25多為

早期設(shè)備使用，DB9多為現(xiàn)在使用。

2.電纜長度：RS-232c電纜的最大長度和線纜類型、

通信速率等有關(guān)，一般情況下限制在15米。

第16頁

6.2串行接口

RS-232C串行接口連接線

DB9連接器:

CD:載波檢測1.

RxD:接收數(shù)據(jù)2,

外

發(fā)送數(shù)據(jù)

.TxD:3

主

部數(shù)據(jù)終端就緒

.DTR:4

設(shè)

GND:地線5機

備DSR:數(shù)據(jù)設(shè)備就緒6A

RTS:請求發(fā)送7DTE

DCE.

CTS:清除發(fā)送8

RI:振鈴指示9-

其中：RxD/TxD為數(shù)據(jù)接收/發(fā)送線，GND為公共地

線，其他信號線為控制/狀態(tài)線。

RS-232-C接口連接的兩端分別為DTE和DCE端。

DTE:DataTerminalEquipment

DCE:DataCommunicationEquipment

第17頁

.建鹿口

6.2.3RS-232-C串行接口電氣特性

1.信號電平：采用雙極非平衡方式，負電平(-3~-15V)

代表邏輯1,正電平(+3?+15V)代表邏輯0。一般使用

±12VO

RS-232-C的電平轉(zhuǎn)換：在接口電路完成內(nèi)部邏輯電

平(0?3/5V)與接口信號電平(-12?+12V)的轉(zhuǎn)換。

+5V_—____——

TTL電平

0V~~~——

11010110發(fā)送接收

RS-232+12V

電平

-12V

第18頁

6.2串行接口

——關(guān)于接口參數(shù)

6.2.4RS-232c接口信號

2.接口參數(shù)

①可設(shè)定的通信速率：150、300、600、1200、

2400、3600、4800、7200、9600、14400、19200、

28800、33600、38400、57600、115200BPS(Burd:

BitPerSecond)o

②可設(shè)定5?8個數(shù)據(jù)位。

③可設(shè)定1、1.5、2個停止位。

④可設(shè)定字節(jié)校驗為奇校驗、偶校驗或無校驗等。

通信雙方(DTE和DCE)必須約定好使用的通信速

率和其他參數(shù)。

第19頁

經(jīng)甄加1

3.接口信號說明(一:DTE到DCE,—:DCE到DTE)

TxD(TransmittedData―):數(shù)據(jù)發(fā)送。

,RxD(ReceiveData—):數(shù)據(jù)接收。

■

^

八RTS(RequestToSend―):請求發(fā)送，表示要求發(fā)送數(shù)

V據(jù)到DCE。

、

uCTS(ClearToSend―):清除發(fā)送(允許發(fā)送)，表示

f

J可以接收數(shù)據(jù)，對的應(yīng)答。

JDCERTS

y

八DTR(DataTerminalReady―):數(shù)據(jù)終端就緒，表示

yDTE準備就緒。

、

，

I

f

fDSR(DataSetReady—):數(shù)據(jù)設(shè)備就緒，表示DEC準

備就緒。

卜RI(RingIndicator—):振鈴檢測指示，MODEM使用。

y

\CD(CarrierDetect—):載波檢測指示，MODEM使用。

I

f

/

第20T

X

4.接口信號說明舉例

DCE為MODEM,DTE為PC機。通信方式為全雙工（可不使用RTS和CTS）

事件DTRDSRRICDRxDTxD

初始狀態(tài)————————一——

MODEM檢測到振鈴——一+一一——

PC收到振鈴，啟動軟件+——+——一——

MODEM摘機，發(fā)出載波++一—————

MODEM收到對方的載波++——+———

開始傳送（發(fā)送，接收）數(shù)據(jù)十+——+數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)傳送完畢，PC拆線一+——+———

MODEM掛機——一———————

6.3并行接口一ParallelPort

并行接口：數(shù)據(jù)以

并行方式傳送，每

次傳送一個字節(jié)（8

位）或字（16位）。

特點：速度比串行

口快的多（150K?

2MB/S）;接口線

多。

用途：PC機并行

接口一般用于接打

印機，早期也可用

于接外置硬盤、光

驅(qū)等。

第22頁

6.3并行接口

6.3.1并行接口引線定義

L口

J

有

信

效

d號

/PC機DB25信號線

極

方

性

a向

并行口引腳定義

J1選通(Strobe)———>

~2~9數(shù)據(jù)(D0~D7)+―?

一<―

w10應(yīng)答信號(Acknowledge)

/11忙信號(Busy)+<―

a

<―

<12無紙信號(PeperEnd)+

4w^<―

?r13聯(lián)機信”(Select)+

———?

工14自動走紙(AutoLeed)

~——<―

d15錯誤信號(Error)

入%

p/16初始化(IMtializePrinter)一―>

t9/

n\17選擇輸入(SelectInput)———?

q工

y

:g地/返回數(shù)據(jù)

-18?25(GND/D0R~D7R)0/—-/*-

-

/第23頁

6.3并行接口

STB:低電平有效，用于主機對打印機的數(shù)據(jù)選通。

AUTOLF:低電平有效，打印完后自動走紙換行。

INIT:低電平有效，使打印機的控制器初始化信號，并

同時清除打印緩沖區(qū)。

SLCTIN:低電平有效，使打印機處于聯(lián)機狀態(tài)。

ACK:低電平有效，表示打印機準備好，可以接收數(shù)據(jù)。

BUSY:高電平有效，表示打印機處于忙狀態(tài)。

PE:高電平有效，表示打印機缺紙。

SLCT:高電平有效，表示打印機為聯(lián)機狀態(tài)。

ERROR:低電平有效，表示打印機出錯，包括無紙、

脫機以及錯誤狀態(tài)。

第24頁

6.3并行接口

——并行接口標(biāo)準

6.3.3并行接口新標(biāo)準

最早(PC機初期)的并行口只有輸出沒有輸入功能，只

適合接打印機。之后并行口的改進模式：

1.標(biāo)準并行口(4位)：增加4位輸入能力，輸出速率150KB/S,

輸入速率50KB/S。

2.雙向并行口(SPP)：8位輸入，雙向傳輸速率150KB/S。

3.增強并行口(EPP)：高速雙向，傳輸速率500KB~

2MB/so適合雙向高速傳送。

4.增強性能并行口(ECP)：高速雙向，傳輸速率500KB?

2.5MB/So需要DMA支持。適合單向高速傳送。

目前的PC機者F支持EPP和ECP模式。一般可通過BIOS

設(shè)置為EPP+ECP模式。

第25頁

6.4USB(UniversalSerialBus)接口

6.4.1USB接口的發(fā)展

?由Compaq、Intel、Microsoft.NEC等公司于96年

共同研制發(fā)布。

+，

t

X目前使用的有USB1.1和USB2.0兩個版本。

-

Microsoft從Windows98SE開始全面支持USB。

b

+，

，

?心

，

公

第26頁

A

6.4USB接口

6.4.2USB簡介

>USB是一種全新的，高、

,靈活、通用、方便、可靠?

A

i口。

i

V

/1.物理接口

*

X

A

\

pt^

i引腳信號名

^

V

\1VCC+5V電源

/

A

2-Data信號負

3+Data信號正

n

i4GND地線

^USB插頭

V

\

/

A

I

?第27頁

6.4USB接口

2.連接方式

PC機的USB接口可以連接外設(shè)、復(fù)合設(shè)備和集線

器。最多可以連接5級集線器，最多可連接127臺外設(shè)

和集線器。

第28頁

6.4USB接口

3.速度

■USB1.1的高速模式為12Mb/s,低速模式為1.5Mb/s。

USB采用半雙工傳輸方式。

■但當(dāng)一個USB連接多個設(shè)備時，各個設(shè)備共享12Mb/s的

傳輸帶寬。

■在傳輸?shù)男畔⒅羞€攜帶有狀態(tài)、控制和差錯校驗信息，

實際的信息傳輸速率要低一些，只連接一臺設(shè)備時，最

高有效傳輸速率約為9.6Mb/s。

■USB2.0的最高傳輸速率為480Mb/s。

4.可靠性

■USB采用平衡傳輸方式，抗干擾性好。

■USB帶糾錯能力，可完成對軟件透明的檢錯和重發(fā)。

第29頁

6.4USB接口

5.使用方便

■自帶+5VDC電源，可輸出500mA。

W■具有熱插拔能力。

金6.節(jié)省資源

：［節(jié)省系統(tǒng)硬件資源，尤其是中斷線和DMA通道。

7.四種傳輸模式，以適合不同應(yīng)用：

.個，?控制傳輸：適合高可靠、復(fù)雜的傳輸。

■中斷傳輸：適合少量數(shù)據(jù)、需及時處理的傳輸，如鍵盤、

；■吸鼠標(biāo)等。

5)I

<■批量傳輸：適合大量突發(fā)性傳輸，如外存儲器、打印機

等。

■實時傳輸：適合可靠性要求不高、實時性要求高的傳輸,

如音視頻。

第30頁

\??JX丁I［J?*

6.5IEEE-394接口一FireWire（火線）

6.5.1IEEE-1394簡介

由（

JIEEETheInstituteofElectricalandElectronic

Engineers電氣和電子工程師協(xié)會）于1995年發(fā)布。

4

使用六芯傳輸——差分數(shù)據(jù)對、差分時鐘對及電源

4

七和地線，可通過電源線提供1.5A電流。

J傳輸速率為100、200和400Mb/s,最多支持63個外部

4設(shè)備。

4ir

—6.5.2IEEE-1394與USB比較

A1394:速度快、成本高。主要用于數(shù)字視頻傳輸。

普及、成本低?？蓱?yīng)用于各種中、低速外設(shè)。

^IrUSB:

f

目前在筆記本計算機和數(shù)字音視頻設(shè)備上都有

IEEE1394接口。

第31頁

6.6IDE接口—IntegratedDriveElectronics

IDE的正式名稱

為ATA（AT附屬），

IDE的初始版本由

早期16位ISA總線

（又叫AT總線）演變

而來。

用途：IDE接口目

前主要用于連接硬

盤的光盤驅(qū)動器。

一般通過軟電纜連

接主機的IDE接口

和硬盤及光驅(qū)。

第32頁

6.6IDE接口

IDE連接方式

PC機一般有2個IDE接口，每個IDE接口可以連接2

個IDE外設(shè)，最多可以連接4個設(shè)備。

MASTERSLAVE光驅(qū)(master)

第33頁

6.6IDE接口

6.6.1IDE版本

標(biāo)準名稱發(fā)表特點最高傳連接

年代改進輸速率器

ATA-11988CHS尋址方式4.2MB/S40線

ATA-2EIDE或1996增加2種PIO和2種13.3MB/S40線

FAST-ATADMA方式，增加電源管理

ATA-31997增力「SMART和LBA方16.7MB/S40線

式

ATA-4Ultra-ATA/331998增加UDMA/33方式，引33.3MB/S80線

或UDMA/33入CRC技術(shù)40針

ATA-5Ultra-ATA/661999增加UDMA/6666.7MB/S80線

或UDMA/6640針

ATA-100Ultra-ATA/1002000增加UDMA/100100MB/S80線

或UDMA/10040針

XATA-133Ultra-ATA/133增力133MB/S線

VIIUDMA/13380

，或UDMA/13340針

，

一

第

34頁

6.6IDE接口

——IDE的主要技術(shù)

CHS:（Cylinder-Head-Sector簇-磁頭-扇區(qū)）通過給出磁

盤的簇號、磁頭號和扇區(qū)號對磁盤指定區(qū)域訪問。

，J

，

乂

，支持最大容量504MB的硬盤。

l，

i小PIO:（ProgrammedI/O編程的輸入/輸出）一種IDE接口傳

v

f

[■送模式，和之后的DMA模式相比占用CPU時間資

v，

*源多。有種子模式（）

*PIO4MODE1~4:

，*

I，+

"存取周期存取周期

，PIO

t

;,MODE(ns)(MB/s)

v

/

J

*06003.2

x

x

l13835.2

^

?<22408.3

T

i

t-318011.1

r

C

J412016.7

第35頁

6.6IDE接口

——IDE的主要技術(shù)

SMART:（Self-Monitoring,AnalysisandReporting

Technology自監(jiān)視、分析和報告技術(shù)）提高硬盤系

統(tǒng)的安全性。

LBA:（LogicalBlockMode邏輯塊模式*CHS參數(shù)變換

成邏輯塊，支持最大容量8.4GB的硬盤。

DMA:（DirectMemoryAccess直接存儲器訪問）比PIO更

高效的傳送模式，有3種子模式（MODE0?2）:

DMA處理周期支持傳輸速率

MODE(ns)標(biāo)準(MB/S)

0480ATA-14.2

1150ATA-213.3

2120ATA-216.7

更高速的DMA方式是UDMA,在時鐘的上沿和下

沿分別傳送數(shù)據(jù)，速度加倍。

CRC:（CyclicRedundancyCheck循環(huán)冗余校驗）

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6.6IDE接口

——RAID

RAID:(RedundantArrayofIndependentDisks),

——“容錯式獨立磁盤陣列”。目的在于通過多個磁

盤驅(qū)動器的協(xié)同來實現(xiàn)高性能或高安全性的目的。

RAID通常有0、1、2、3、4、5等模式，其中RAID0

和RAID1則多見于PC。RAID3、4、5采用復(fù)雜的

CRC糾錯，通常只用于服務(wù)器/工作站領(lǐng)域。

RAID在讀寫時同時地對2硬盤作交叉存儲的并行

0操作。速度提高一倍，可靠性減半。

RAID2硬盤互為鏡像。可靠性提高，容量利用率

1減半。

RAIDRAID0和RAID1的結(jié)合?？煽啃院退俣染?/p>

0+1提高，容量利用率減半。至少需4個盤。

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6.6IDE接口

——IDE的接口信號

信號名引腳引腳信號名

6.6.2IDE接口信號號