1、第六章 外部设备的接口,接口的概念串行接口并行接口USB接口,IEEE-1394接口IDE接口SCSI接口红外接口IrDA,计算机硬件技术基础,计算机硬件技术基础,6.1 接口的基本知识,6.1.1 PC机接口概述接口：用于完成计算机主机系统与外部设备之间的信息交换。一般接口由接口电路、连接器(连接电缆)和接口软件(程序)组成。,主机 系统 (CPU 系统),总 线,接口 电路,连接电缆,外部 设备,PC机的模块构成,计算机硬件技术基础,6.1 接口的基本知识 In/Out指令、I/O总线、接口电路的关系,I/O接口,I/O总线,I/O设备,CPU,在程序中执行输入/输出(In/Out) 指令
2、，产生读/写和地址信号， 地址指向特定的接口电路,输入/输出指令产生的总线 信号送到各个I/O接口电路,不同的接口电路识别特定的地 址组合(地址译码)，被选通的接 口打开数据传送通道 读(In)：接口中的数据CPU 写(Out):CPU数据I/O接口,计算机硬件技术基础,CPU指令IN AL,07 OUT 08,AL ,产生特定的 I/O总线信号,使指定的接口 电路响应,接口电路,接口电路,接口电路,接口电路,不同的接口电路占用不同的端口地址。 不同的接口电路有不同的操作方法，体现在接口编程中。,外设,6.1 接口的基本知识 In/Out指令、I/O总线、接口电路的关系,计算机硬件技术基础,一
3、个简单的接口电路(输出)框图,6.1 接口的基本知识 最简单的接口电路,计算机硬件技术基础,双 向 缓 冲,数据总线,发送数据 缓冲存储,接收数据 缓冲存储,接口 控制 电路,控制 寄存器,线路 驱动 信号 变换,地 址 译 码,地址总线,状态 寄存器,中断,读写控制,接口信号线,6.1 接口的基本知识 典型的简单接口电路构成,计算机硬件技术基础,接口的功能接口一般具有数据传送、数据缓冲、信号变换、中断等功能。 数据传送：CPU执行输入/输出指令与外部设备交换数据。 数据缓冲：用于输入输出过程中的暂存，对方不能及时接收数据时，将数据暂存在接口电路中。根据接口的需要可以是一个或几个字节，也可也是
4、数据存储区。 信号变换：完成计算机数字信号与I/O设备信号(如模拟信号、开关信号、计数脉冲等)的相互转换。 中断：大多数接口电路有中断功能，以提高接口程序的效率。,6.1 接口的基本知识 接口的4大功能,计算机硬件技术基础,6.1.2 接口的操作 接口的操作：程序对接口的访问（读/写）方式。不同的接口电路支持不同的操作方式。 1. 查询控制方式：通过程序监测接口的状态。,6.1 接口的基本知识 接口的控制方式查询,查询控制方式的特点：简单、程序开销大(效率低)。,计算机硬件技术基础,6.1 接口的基本知识 接口的控制方式中断,2. 中断控制方式：接口状态改变时产生中断，通过中断信号调用中断处理
5、来处理接口事件。,特点：接口需要中断支持(占用中断资源)，编程复杂，效率高。,计算机硬件技术基础,中断控制方式的程序分为两部分：主程序和中断处理程序。,6.1 接口的基本知识 接口的控制方式中断,计算机硬件技术基础,6.1 接口的基本知识 接口的控制方式,3. DMA方式：通过DMA控制器(DMAC)完成内存与端口之间的数据传送，适合大批量数据的集中传送，且传送速度快。如硬盘、声卡、视频卡、网卡等。DMA方式的工作过程：,4. I/O处理机(通信处理机)方式：由一台专用的计算机完成输入/输出处理。一般的大型计算机系统都有通信处理机。, 外设向DMAC发出请求信号； DMAC向CPU发出请求；
6、CPU响应后向DMAC发出允许信号，同时让出总线控制权； DMAC接管总线，发出总线信号，完成数据传送； DMAC向CPU发出结束请求； CPU响应结束请求，接管总线。,计算机硬件技术基础,6.2 串行接口Serial Port 基本概念,串行接口：数据以串行(逐位)的方式传送的接口叫串行接口。发送时先将并行的字节转换成串行的位并逐位发送，接收时再将逐位收到的数据位拼装成字节。 特点：是接口线数少、传送距离长、速度慢、电路复杂(必须有“串并”和“并串”变换和位同步控制电路)。 串行信号：由起始位、数据位、停止位构成。传送单位为字节。串行信号波形：,6.2.1 串行接口标准,计算机硬件技术基础,
7、6.2 串行接口 并串变换电路,在发送数据时要完成并行到串行的变换，接收是完成串行到并行的转换。,计算机硬件技术基础,6.2.2 RS-232-C串行接口机械特性 1. 连接器：采用DB25和DB9(D型)连接器，DB25多为早期设备使用，DB9多为现在使用。 2. 电缆长度：RS-232C电缆的最大长度和线缆类型、通信速率等有关，一般情况下限制在15米。,6.2 串行接口 RS-232-C串行接口标准,计算机硬件技术基础,DB9连接器：,6.2 串行接口 RS-232-C串行接口连接线,其中：RxD/TxD为数据接收/发送线，GND为公共地线，其他信号线为控制/状态线。RS-232-C接口连
8、接的两端分别为DTE和DCE端。 DTE : Data Terminal Equipment DCE : Data Communication Equipment,计算机硬件技术基础,6.2.3 RS-232-C串行接口电气特性信号电平：采用双极非平衡方式，负电平(-3 -15V)代表逻辑1，正电平(+3 +15V)代表逻辑0。一般使用12V。RS-232-C的电平转换：在接口电路完成内部逻辑电平(03/5V)与接口信号电平(-12 +12V)的转换。,6.2 串行接口 关于电平,计算机硬件技术基础,6.2.4 RS-232C接口信号 2. 接口参数 可设定的通信速率：150、300、600、
9、1200、2400、3600、4800、7200、9600、14400、19200、28800、33600、38400、57600、115200BPS(Burd: Bit Per Second)。 可设定58个数据位。 可设定1、1.5、2个停止位。 可设定字节校验为奇校验、偶校验或无校验等。通信双方（DTE和DCE）必须约定好使用的通信速率和其他参数。,6.2 串行接口 关于接口参数,计算机硬件技术基础,3. 接口信号说明(:DTE到DCE，:DCE到DTE) TxD (Transmitted Data ): 数据发送。 RxD (Receive Data ): 数据接收。 RTS (Req
10、uest To Send ): 请求发送，表示要求发送数据到DCE。 CTS (Clear To Send ): 清除发送(允许发送)，表示DCE可以接收数据，对RTS的应答。 DTR (Data Terminal Ready ): 数据终端就绪，表示DTE准备就绪。 DSR (Data Set Ready ): 数据设备就绪，表示DEC准备就绪。 RI (Ring Indicator ): 振铃检测指示，MODEM使用。 CD (Carrier Detect ): 载波检测指示，MODEM使用。,6.2 串行接口 关于接口参数,4. 接口信号说明举例 DCE为MODEM，DTE 为PC机。通
11、信方式为全双工(可不使用RTS和CTS),计算机硬件技术基础,6.3 并行接口Parallel Port,并行接口：数据以并行方式传送，每次传送一个字节(8位)或字(16位) 。特点：速度比串行口快的多(150K 2MB/s)；接口线多。 用途：PC机并行接口一般用于接打印机，早期也可用于接外置硬盘、光驱等。,接PC机,接打印机,打印机 电缆插座,计算机硬件技术基础,6.3 并行接口,6.3.1 并行接口引线定义,计算机硬件技术基础,6.3 并行接口,STB: 低电平有效，用于主机对打印机的数据选通。 AUTO LF: 低电平有效，打印完后自动走纸换行。 INIT: 低电平有效，使打印机的控制
12、器初始化信号，并同时清除打印缓冲区。 SLCT IN: 低电平有效，使打印机处于联机状态。 ACK: 低电平有效，表示打印机准备好，可以接收数据。 BUSY: 高电平有效，表示打印机处于忙状态。 PE: 高电平有效，表示打印机缺纸。 SLCT: 高电平有效，表示打印机为联机状态。 ERROR: 低电平有效，表示打印机出错，包括无纸、脱机以及错误状态。,计算机硬件技术基础,6.3 并行接口 并行接口标准,6.3.3 并行接口新标准最早(PC机初期)的并行口只有输出没有输入功能，只适合接打印机。之后并行口的改进模式： 标准并行口(4位)：增加4位输入能力，输出速率150KB/s，输入速率50KB/
13、s。 2.双向并行口(SPP) ：8位输入，双向传输速率150KB/s。 3.增强并行口(EPP)：高速双向，传输速率500KB 2MB/s。适合双向高速传送。 4.增强性能并行口(ECP)：高速双向，传输速率500KB 2.5MB/s。需要DMA支持。适合单向高速传送。目前的PC机都支持EPP和ECP模式。一般可通过BIOS设置为EPP+ECP模式。,计算机硬件技术基础,6.4 USB(Universal Serial Bus)接口,6.4.1 USB接口的发展由Compaq、Intel、Microsoft、NEC等公司于96年共同研制发布。目前使用的有USB1.1和USB2.0两个版本。M
14、icrosoft从Windows 98 SE开始全面支持USB。,计算机硬件技术基础,6.4.2 USB简介USB是一种全新的，高速、灵活、通用、方便、可靠的接口。 1. 物理接口,6.4 USB 接口,计算机硬件技术基础,2. 连接方式PC机的USB接口可以连接外设、复合设备和集线器。最多可以连接5级集线器，最多可连接127台外设和集线器。,6.4 USB 接口,计算机硬件技术基础,3. 速度 USB1.1的高速模式为12Mb/s，低速模式为1.5Mb/s。 USB采用半双工传输方式。 但当一个USB连接多个设备时，各个设备共享12Mb/s的传输带宽。 在传输的信息中还携带有状态、控制和差错
15、校验信息，实际的信息传输速率要低一些，只连接一台设备时，最高有效传输速率约为9.6Mb/s。 USB2.0的最高传输速率为480Mb/s。 4. 可靠性 USB采用平衡传输方式，抗干扰性好。 USB带纠错能力，可完成对软件透明的检错和重发。,6.4 USB 接口,计算机硬件技术基础,5. 使用方便 自带+5VDC电源，可输出500mA。 具有热插拔能力。 6. 节省资源 节省系统硬件资源，尤其是中断线和DMA通道。四种传输模式，以适合不同应用： 控制传输：适合高可靠、复杂的传输。 中断传输：适合少量数据、需及时处理的传输，如键盘、鼠标等。 批量传输：适合大量突发性传输，如外存储器、打印机等。
16、实时传输：适合可靠性要求不高、实时性要求高的传输，如音视频。,6.4 USB 接口,计算机硬件技术基础,6.5 IEEE-1394接口FireWire(火线),6.5.1 IEEE-1394简介由IEEE(The Institute of Electrical and Electronic Engineers 电气和电子工程师协会)于1995年发布。使用六芯传输差分数据对、差分时钟对及电源和地线，可通过电源线提供1.5A电流。 传输速率为100、200和400Mb/s，最多支持63个外部设备。 6.5.2 IEEE-1394与USB比较 1394： 速度快、成本高。主要用于数字视频传输。 US
17、B： 普及、成本低。可应用于各种中、低速外设。目前在笔记本计算机和数字音视频设备上都有IEEE 1394接口。,计算机硬件技术基础,IDE的正式名称为ATA (AT附属)，IDE的初始版本由早期16位ISA总线(又叫AT总线)演变而来。用途：IDE接口目前主要用于连接硬盘的光盘驱动器。一般通过软电缆连接主机的IDE接口和硬盘及光驱。,6.6 IDE接口Integrated Drive Electronics,计算机硬件技术基础,IDE连接方式PC机一般有2个IDE接口，每个IDE接口可以连接2个IDE外设，最多可以连接4个设备。,6.6 IDE接口,计算机硬件技术基础,6.6.1 IDE版本,
18、6.6 IDE接口,计算机硬件技术基础,CHS: (Cylinder-Head-Sector 簇-磁头-扇区)通过给出磁盘的簇号、磁头号和扇区号对磁盘指定区域访问。支持最大容量504MB的硬盘。 PIO: (Programmed I/O 编程的输入/输出)一种IDE接口传送模式，和之后的DMA模式相比占用CPU时间资源多。PIO有4种子模式(MODE 14)：PIO 存取周期 存取周期MODE (ns) (MB/s) 0 600 3.2 1 383 5.2 2 240 8.3 3 180 11.1 4 120 16.7,6.6 IDE接口 IDE的主要技术,计算机硬件技术基础,SMART: (
19、Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology 自监视、分析和报告技术)提高硬盘系统的安全性。 LBA: (Logical Block Mode 逻辑块模式)将CHS参数变换成逻辑块，支持最大容量8.4GB的硬盘。 DMA: (Direct Memory Access 直接存储器访问)比PIO更高效的传送模式，有3种子模式(MODE 02)：DMA 处理周期 支持 传输速率MODE (ns) 标准 (MB/S) 0 480 ATA-1 4.2 1 150 ATA-2 13.3 2 120 ATA-2 16.7 更高速的DMA方式是UDMA，
20、在时钟的上沿和下沿分别传送数据，速度加倍。 CRC: (Cyclic Redundancy Check 循环冗余校验),6.6 IDE接口 IDE的主要技术,计算机硬件技术基础,6.6 IDE接口 RAID,RAID: (Redundant Array of Independent Disks)，“容错式独立磁盘阵列”。目的在于通过多个磁盘驱动器的协同来实现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RAID 0和RAID 1则多见于PC。RAID 3、4、5采用复杂的CRC纠错，通常只用于服务器/工作站领域。,RAID 0,在读写时同时地对2硬盘作交叉存储的并行
21、操作。速度提高一倍，可靠性减半。,RAID 1,2硬盘互为镜像。可靠性提高，容量利用率减半。,RAID 0 + 1,RAID 0 和RAID 1 的结合。可靠性和速度均提高，容量利用率减半。至少需4个盘。,计算机硬件技术基础,6.6 IDE接口 IDE的接口信号,6.6.2 IDE接口信号 IDE使用40线接口，大部分信号来自ISA总线： 数据位015：数据总线； 地址位02：地址总线低3位； IOR、IOW：端口读、写； DRQ3、DACK3：DMA通道3请求、应答信号； IRQ14：中断请求。,计算机硬件技术基础,Serial-ATA 接口 关于SATA,2001年，Intel联合APT、
22、Dell、IBM、Seagate以及Maxtor，正式推出了Serial ATA 1.0规范。目前Serial ATA接口的硬盘和具有Serial ATA接口的主机板已开始普及应用。Serial ATA接口为7线平衡传输。,计算机硬件技术基础,Serial ATA硬盘的技术优势： 高数据传输率：第一代S-ATA的数据传输率为150MB/s，超过了ATA/133的133MB/s传输率。而在已经发布的S-ATA 2.0和S-ATA 3.0规范中所将达到最高300MB/s及600MB/s的传输率。 简单的设备设置：点对点连接方式，不存在IDE的主/从模式设置问题。 接口简单：接口为7线，信号连接线为
23、2对平衡传输线，最长1米(IDE连接线最长0.4米)。 支持热拔插：Serial ATA标准中加入了对热拔插的支持，是一种性能更高、存储容量更大的移动存储方案。,Serial-ATA 接口 技术特点,计算机硬件技术基础,6.7 SCSI接口 Small Computer Standard Interface,6.7.1 SCSI概述SCSI原为小型计算机的标准外设接口，用于连接磁盘机、磁带机等高速外部设备。目前SCSI在PC中也有应用，主要用于高档服务器系统连接硬盘、光盘驱动器、磁带机等。和IDE接口相比，SCSI接口速度快，可连接的设备多，但造价高。,计算机硬件技术基础,6.7 SCSI接口
24、,6.7.2 SCSI电缆和连接器引脚定义目前SCSI分两类：即标准SCSI(8位)和Wide SCSI (16位)。分别使用50芯(见表6.12)和68芯(见表6.13)电缆连接器。最早的SCSI (传统的SCSI)使用25芯电缆。 6.7.3 SCSI版本,计算机硬件技术基础,6.8.1 简介IrDA是红外数据协会的简称，IrDA制订了一系列红外数据通讯标准。红外通讯技术是一种点对点的数据传输协议，是传统的设备之间连接线缆的替代。它的通讯距离一般在0到1米之间，传输速率最快可达16Mbps。 特点：红外线接口无连接线；和其他无线电磁波传输方式相比，红外线传输有方向性，一般不支持移动；安全性
25、好；,6.8 红外接口 IrDA Infrared Data Association,计算机硬件技术基础,IrDA标准： IrDA1.0: 简称为SIR(Serial InfraRed)，异步的、半双工的红外通讯方式。SIR以系统的异步通讯收发器(UART) 为依托，由于受到UART通讯速率的限制，SIR的最高通讯速率只有115.2Kbps。 IrDA1.1: 即Fast InfraRed，简称为FIR。与SIR相比，由于FIR不再依托UART，通讯速率大幅度，可达到4Mbps的水平。 继FIR之后，IRDA又发布了通讯速率高达16Mbps的VFIR(Very Fast InfraRed)技术
26、，并将它作为补充纳入IrDA1.1标准之中。,6.8 红外接口 IrDA标准,计算机硬件技术基础,“蓝牙”是一种近距离无线数据通讯技术标准。它能够在10米(扩展标准为100米)的半径范围内实现多点的无线数据传输，其数据传输带宽为可达1Mbps。通讯频率为2.402GHz2.480GHz。 蓝牙通讯技术的特点：使用跳频频谱扩展技术，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道“跳”到另一个信道(1600/秒，79频道)；一台蓝牙设备可同时与其它七台蓝牙设备建立连接；数据传输速率为1Mb/s；低功耗、通讯安全性好；在有效范围内可越过障碍物进行连接，没有特别的通讯视角和方向要求；支持语音传输，组网简单方便。,6.9 蓝牙Bluetooth,计算机硬件技术基础,作业,1. 比较连接硬盘的三种接口（ATA、S-ATA和SCSI）的特点。 2. 为什么大多数接口电路中需要有缓冲存储机制？,
