外部设备的接口课件

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IrDA6.1接口的基本知识6.1.1PC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计算机硬件技术基础PC机的模块构成存储器CPU硬盘接口软驱接口硬盘软盘驱动器通信接口光盘驱动器串行接口并行接口电源220VAC+12/-12+5/-5专用接口键盘扬声器显示卡声卡显示器音箱总线插槽打印机调制解调器扫描仪网卡局域网鼠标器USB总线微型机主机板微型机主机箱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，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INAL,07OUT08,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个简单的接口电路(输出)框图具有缓冲寄存器的输出接口电路RS数据总线D0~D7外部数据D0~D7写控制(WR)：将数据写入输出寄存器，1→RS状态(RS)：通知CPU缓冲寄存器是否空，可接CPU中断系统读控制(RD)：读取缓冲寄存器数据，0→RS状态(RS)：通知外设缓冲寄存器是否满CPU端(I/O总线)地址译码地址总线控制总线外设端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(p148)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，见图6-2。6.1接口的基本知识

接口的控制方式——查询接口电路数据地址译码地址总线控制总线端口连接器读选通命令：控制接口电路将数据送数据总线。接口状态：指示接口电路中是否有未读的数据。使用端口读命令查询。三态门数据总线计算机硬件技术基础例如：串行端口1(COM1:)，使用地址为3F8~3FE的I/O端口6.1接口的基本知识地址 方向用途说明3F8 IN/OUT 数据接收/发送寄存器，数据输入和输出3F9 OUT 中断允许寄存器，设定是否允许产生中断3FA IN 中断标志寄存器，指示中断类型3FB OUT 线路控制寄存器，用于完成对接口电路的控制3FC OUT MODEM控制寄存器3FD IN 线路状态寄存器，指示接口电路的状态3FE IN MODEM状态寄存器例如其中：线路状态寄存器(3FD)：保留D7发送移位寄存器D6发送保持寄存器D5接收间断错误D4接收格式错误D3接收奇偶错误D2接收超越错误D1接收数据就绪D0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来处理接口事件。接口电路端口连接器接口中断(送CPU中断处理电路)：指示接口电路有需要处理的事件，如收到数据、发送完毕、数据错误等。接口数据接口状态接口状态：CPU被中断后，调用中断处理程序，读接口状态后便可知道需要作什么处理。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——中断将中断处理程序调入内存设置中断向量指向中断处理程序主处理程序清除中断处理程序退出开始结束中断进入接收?发送?发送数据接收数据错误?错误处理….返回……数据区NoYesNoYesYesNoYesNo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。①外设向DMAC发出请求信号；②

DMAC向CPU发出请求；③

CPU响应后向DMAC发出允许信号，同时让出总线控制权；④

DMAC接管总线，发出总线信号，完成数据传送；⑤DMAC向CPU发出结束请求；⑥

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－SerialPort

——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：110101105~8个数据位停止位起始位6.2.1

串行接口标准计算机硬件技术基础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。接口电路（双缓冲）1100110110101011主机系统总线接口连接器10011011串行时钟计算机硬件技术基础6.2.2RS-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。串行接口1(COM1)串行接口2(COM2)集成声卡SPK,OUT,INUSB(两个)鼠标(PS/2)键盘并行接口集成声卡游戏杆/MIDI6.2串行接口

——RS-232-C串行接口标准计算机硬件技术基础1659CD:载波检测

1RxD:接收数据

2TxD:发送数据

3DTR:数据终端就绪

4GND:地线

5DSR:数据设备就绪

6RTS:请求发送

7CTS:清除发送

8RI:振铃指示

9外部设备DCE主机DTE

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接口连接的两端分别为DTE和DCE端。DTE:DataTerminalEquipmentDCE:DataCommunicationEquipment计算机硬件技术基础6.2.3RS-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(0~3/5V)与接口信号电平(-12~+12V)的转换。6.2串行接口

——关于电平TTL电平RS-232电平+5V0V+12V-12V11010110发送接收计算机硬件技术基础

6.2.4RS-232C接口信号2.接口参数①可设定的通信速率：150、300、600、1200、2400、3600、4800、7200、9600、14400、19200、28800、33600、38400、57600、115200BPS(Burd:BitPerSecond)。②可设定5~8个数据位。③可设定1、1.5、2个停止位。④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 (TransmittedData→):数据发送。RxD (ReceiveData←):数据接收。RTS (RequestToSend→):请求发送，表示要求发送数据到DCE。CTS (ClearToSend←):清除发送(允许发送)，表示DCE可以接收数据，对RTS的应答。DTR (DataTerminalReady→):数据终端就绪，表示DTE准备就绪。DSR (DataSetReady←):数据设备就绪，表示DEC准备就绪。RI (RingIndicator←):振铃检测指示，MODEM使用。CD (CarrierDetect←):载波检测指示，MODEM使用。6.2串行接口

——关于接口参数计算机硬件技术基础4.接口信号说明举例DCE为MODEM，DTE为PC机。通信方式为全双工(可不使用RTS和CTS)事件DTRDSRRICDRxDTxD

MODEM检测到振铃 －－＋－－－

初始状态 －－－－－－

PC收到振铃，启动软件 ＋－＋－－－MODEM摘机，发出载波 ＋＋－－－－MODEM收到对方的载波 ＋＋－＋－－开始传送(发送,接收)数据

＋＋－＋数据数据数据传送完毕，PC拆线

－＋－＋－－

MODEM挂机

－－－－－－PCMODEM电话网RS-232电话线路电话线路RS-232MODEMPC

6.3并行接口－ParallelPort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。AUTOLF:

低电平有效，打印完后自动走纸换行。INIT:

低电平有效，使打印机的控制器初始化信号，并同时清除打印缓冲区。SLCTIN:

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/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

6.4USB(UniversalSerialBus)接口6.4.1USB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。Microsoft从Windows98SE开始全面支持USB。计算机硬件技术基础6.4.2USB简介

USB是一种全新的，高速、灵活、通用、方便、可靠的接口。1.物理接口引脚信号名1VCC+5V电源2-Data信号负3+Data信号正4GND地线6.4USB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。6.4USB接口复合外设主机7端口集线器外设外设USB12端口集线器USB2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。6.4USB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。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。6.4USB接口计算机硬件技术基础

6.5IEEE-1394接口－FireWire(火线)6.5.1IEEE-1394简介

由IEEE(TheInstituteofElectricalandElectronicEngineers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。6.5.2IEEE-1394与USB比较1394： 速度快、成本高。主要用于数字视频传输。USB： 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IEEE1394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。6.6IDE接口－IntegratedDriveElectronics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。6.6IDE接口主机板IDE1IDE2MASTERSLAVEMASTERSLAVE主机板IDE1IDE2硬盘(master)光驱(master)计算机硬件技术基础6.6.1IDE版本6.6IDE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:

(ProgrammedI/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(MODE1~4)：

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 16.76.6IDE接口

——IDE的主要技术计算机硬件技术基础SMART:

(Self-Monitoring,AnalysisandReportingTechnology自监视、分析和报告技术)提高硬盘系统的安全性。LBA:

(LogicalBlockMode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:

(DirectMemoryAccess直接存储器访问)比PIO更高效的传送模式，有3种子模式(MODE0~2)：

DMA处理周期支持传输速率

MODE (ns) 标准(MB/S)

0 480ATA-14.2 1150 ATA-213.3 2120 ATA-216.7

更高速的DMA方式是UDMA，在时钟的上沿和下沿分别传送数据，速度加倍。CRC:

(CyclicRedundancyCheck循环冗余校验)6.6IDE接口

——IDE的主要技术计算机硬件技术基础6.6IDE接口

——RAIDRAID:(RedundantArrayofIndependentDisks)，

——“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RAID0和RAID1则多见于PC。RAID3、4、5采用复杂的CRC纠错，通常只用于服务器/工作站领域。RAID0在读写时同时地对2硬盘作交叉存储的并行操作。速度提高一倍，可靠性减半。RAID12硬盘互为镜像。可靠性提高，容量利用率减半。RAID0+1RAID0和RAID1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

6.6IDE接口

——IDE的接口信号6.6.2IDE接口信号IDE使用40线接口，大部分信号来自ISA总线：数据位0~15：数据总线；地址位0~2：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SATA2001年，Intel联合APT、Dell、IBM、Seagate以及Maxtor，正式推出了SerialATA1.0规范。目前SerialATA接口的硬盘和具有SerialATA接口的主机板已开始普及应用。

SerialATA接口为7线平衡传输。计算机硬件技术基础SerialATA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-ATA2.0和S-ATA3.0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：SerialATA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6.7SCSI接口

SmallComputerStandardInterface6.7.1SCSI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。PC机主板总线SCSI电缆SCSI终端器SCSI控制卡

INOUT外设

INOUT外设

INOUT外设SCSI电缆SCSI电缆最多可串联7/15台外部设备计算机硬件技术基础6.7SCSI接口6.7.2SCSI电缆和连接器引脚定义

目前SCSI分两类：即标准SCSI(8位)和WideSCSI(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。6.7.3SCSI版本SCSI1SCSI2WideSCSI2FastSCSI2FastWideUltraSCSIUltraWideSCSIUltra2S