计算机硬件第6章外部设备的接口

□

口

郅

e$

s寸

曲6口一

口口

C0

V里翔

去山爵

山s氐

山o

s

a

一Q

辕・

•

京•・

鹅

□

n

<朝

B

舞仁g

s

丘n

・•

6.1接口的基本知识

#6.1.1PC机接口概述

算接口：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。

机

去

砒

第2页

PC机的模块构成

4硬盘接口*

调制解

调器

＞软驱接口，扫描仪

软盘驱动器

存储器，＞串行接口鼠标器

*通信接口：:并行接口

USB打印机

A键盘

＞专用

CPU扬声器

接口

型

微

+12/-12+5/-5*显示器

主

机

板

机总线插槽

型

微电源声卡，

主

机

箱

机）网卡*局域网

220VAC

6.1接口的基本知识

In/Out指令、I/O总线、接口电路的关系

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)

CPU

/输入/输出指令产生的总线'II

/i/6总线/

信号送到各个I/O接口电路

V')n

I/O接口

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I/O设备

读(In):接口中的数据一CPU

写(Out):CPU数据一I/O接口

第4页

6.1接口的基本知识

In/Out指令、I/O总线、接口电路的关系

产生特定的

CPU指令使指定的接口

I/O总线信号电路响应

INAL,07

接口电路

OUT08,AL

接口电路＞外设

接口电路

不同的接口电路占用不同的接口电路

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。

第5页

6.1接口的基本知识

——最简单的接口电路

一个简单的接口电路(输出)框图

CPU端（I/O总线）外设端

具有缓

数羽总线Do〜D7

冲寄存

器的输

地出接口

地址总线址

写控制(WR)：将电路读控制(RD)：读

译»数据写入输出寄一—取缓冲寄存器数

码存器，1-RSRS据，O—RS

控制总线

石状态(RS)：通知CPU状态(RS)：通知外设

O缓冲寄存器是否空，缓冲寄存器是否满

w可接CPU中断系统

第6页

6.1接口的基本知识

——典型的简单接口电路构成

双

发送数据线路

向

缓冲存储驱动

缓

信号

冲

接收数据变换

接口信号线

缓冲存储

地址总线地

址

读写控制.译

码

中断

第7页

6.1接口的基本知识

----接口的4大功能

接口的功能

/J接口一般具有数据传送、数据缓冲、信号变

热/换、中断等功能。

小

f＞数据传送：CPU执行输入/输出指令与外部设备交换

y、

v数据。

/

>J＞数据缓冲：用于输入输出过程中的暂存，对方不能

乂

n

"小及时接收数据时，修数据暂存在接口电路中。根据

I，接口的需要可以是一个或几个字节，也可也是数据

<

V存储区。

\J

/—

A碾

4＞信号变换：完成计算机数字信号与I/O设备信号（如

/

小

基模拟信号、开关信号、计数脉冲等）的相互转换。

t

3

0碗＞中断：大多数接口电路有中断功能，以提高接口程

y，序的效率。

第8页

JX

6.1接口的基本知识

接口的控制方式—查询

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。

接口状态：指不接

口电路中是否有未

态

读的数据。使用端接

口读命令查询。

门口

电端口连接器

路

地

地址总线

址

译

读选通命令：控制

码

接口电路将数据送

数据总线。

第9页

6.1接口的基本知识

例如：串行端口1(C0M1:),使用地址为3F8~3FE的I/O端口

地址方向用途说明

3F8IN/OUT数据接收/发送寄存器，数据输入和输出

3F9OUT中断允许寄存器，设定是否允许产生中断

3FAIN中断标志寄存器，指冰中断类型

3FBOUT线路控制寄存器，用于完成对接口电路的控制

3FCOUTMODEM控制寄存器

3FDIN线路状态寄存器，指不接口电路的状态

3FEINMODEM状态寄存器

例如其中：线路状态寄存器(3FD)：

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

接收

接收

接收

接收

接收

发送

发送

间断

格式

朝偶

超越

数

据

位

持

保

留

泰

盘

错误

错误

留误

错误

就

律

绪

控

查询控制方式的特点：简单、程序开销大(效率低)。

第10页

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。

算接口状态：CPU被中断后，

调用中断处理程序，读接口

接

机状态后便可知道需要作什么

口

处理。端口连接器

<电

路

接口中断（送CPU中断处理电

件路）：指示接口电路有需要处

理的事徉，如收到数据、发

枝送完毕、数据错误等。

木

<

特点：接口需要中断支持（占用中断资源），编程复杂,

«效率高。

第11页

6.1接口的基本知识

接口的控制方式—中断

中断控制方式的程序分为两部分：主程序和中断处

理程序。

J开始

小

t

将中断处理程序

4r・

调入内存接收数据

，

”

卜

设置中断向量数

指向中断处理程序据

f

区

4.r

r主处理程序

—

&

•

J，

第12页

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：

①

②外设向DMAC发出请求信号；

③DMAC向CPU发出请求；

④CPU响应后向DMAC发出允许信号，同时让出总线控制权;

⑤DMAC接管总线，发出总线信号，完成数据传送；

⑥DMAC向CPU发出结束请求；

CPU响应结束请求，接管总线。

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。

第13页

6.2串行接口—SerialPort

——基本概念

6.2.1串行接口标准

N串行接口：数据以串行（逐位）的方式传送的接口叫串行

t一

*接口。发送时先将并行的字节转换成串行的位并逐位发

送，接收时再修逐位收到的数据位拼装成字节。

一特点：是接口线数少、传送距离长、速度慢、电路复杂

工

一

，（必须有“串一并”和“并一串”变换和位同步控制电

小

路）。

串行信号：由起始位、数据位、停止位构成。传送单位

一

H为字节。串行信号波形：

.

*

11010110

一

一起始位5〜8个数据位停止位

第14页

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）

1

41

主机>0接口

>01

系统总线41T连接器

JTo

41I10011011

>oT

串行时钟

第15页

6.2串行接口

-RS-232-C串行接口标准

622RS-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。

第16页

6.2串行接口

RS-232C串行接口连接线

DB9连接器:

CD:载波检测1.

RxD:接收数据2,

外

发送数据

.TxD:3

主

部数据终端就绪

.DTR:4

设

GND:地线5机

备DSR:数据设备就绪6A

RTS:请求发送7DTE

DCE.

CTS:清除发送8

RI:振铃指示9-

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:DataTerminalEquipment

DCE:DataCommunicationEquipment

第17页

.建鹿口

6.2.3RS-232-C串行接口电气特性

1.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

±12VO

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。

+5V_—____——

TTL电平

0V~~~——

11010110发送接收

RS-232+12V

电平

-12V

第18页

6.2串行接口

——关于接口参数

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)o

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。

第19页

经甄加1

3.接口信号说明(一:DTE到DCE,—:DCE到DTE)

TxD(TransmittedData―):数据发送。

,RxD(ReceiveData—):数据接收。

■

^

八RTS(RequestToSend―):请求发送，表示要求发送数

V据到DCE。

、

uCTS(ClearToSend―):清除发送(允许发送)，表示

f

J可以接收数据，对的应答。

JDCERTS

y

八DTR(DataTerminalReady―):数据终端就绪，表示

yDTE准备就绪。

、

，

I

f

fDSR(DataSetReady—):数据设备就绪，表示DEC准

备就绪。

卜RI(RingIndicator—):振铃检测指示，MODEM使用。

y

\CD(CarrierDetect—):载波检测指示，MODEM使用。

I

f

/

第20T

X

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

初始状态————————一——

MODEM检测到振铃——一+一一——

PC收到振铃，启动软件+——+——一——

MODEM摘机，发出载波++一—————

MODEM收到对方的载波++——+———

开始传送（发送，接收）数据十+——+数据数据

数据传送完毕，PC拆线一+——+———

MODEM挂机——一———————

6.3并行接口一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。

第22页

6.3并行接口

6.3.1并行接口引线定义

L口

J

有

信

效

d号

/PC机DB25信号线

极

方

性

a向

并行口引脚定义

J1选通(Strobe)———>

~2~9数据(D0~D7)+―►

一<―

w10应答信号(Acknowledge)

/11忙信号(Busy)+<―

a

<―

<12无纸信号(PeperEnd)+

4w^<―

«r13联机信”(Select)+

———►

工14自动走纸(AutoLeed)

~——<―

d15错误信号(Error)

入%

p/16初始化(IMtializePrinter)一―>

t9/

n\17选择输入(SelectInput)———►

q工

y

:g地/返回数据

-18〜25(GND/D0R~D7R)0/—-/*-

-

/第23页

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。

第24页

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：

1.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/so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/So需要DMA支持。适合单向高速传送。

目前的PC机者F支持EPP和ECP模式。一般可通过BIOS

设置为EPP+ECP模式。

第25页

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。

+，

t

X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。

b

+，

，

•心

，

公

第26页

A

6.4USB接口

6.4.2USB简介

>USB是一种全新的，高、

,灵活、通用、方便、可靠।

A

i口。

i

V

/1.物理接口

*

X

A

\

pt^

i引脚信号名

^

V

\1VCC+5V电源

/

A

2-Data信号负

3+Data信号正

n

i4GND地线

^USB插头

V

\

/

A

I

・第27页

6.4USB接口

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。

第28页

6.4USB接口

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。

第29页

6.4USB接口

5.使用方便

■自带+5VDC电源，可输出500mA。

W■具有热插拔能力。

金6.节省资源

：［节省系统硬件资源，尤其是中断线和DMA通道。

7.四种传输模式，以适合不同应用：

.个，・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、

；■吸鼠标等。

5)I

<■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。

第30页

\••JX丁I［J»*

6.5IEEE-394接口一FireWire（火线）

6.5.1IEEE-1394简介

由（

JIEEETheInstituteofElectricalandElectronic

Engineers电气和电子工程师协会）于1995年发布。

4

使用六芯传输——差分数据对、差分时钟对及电源

4

七和地线，可通过电源线提供1.5A电流。

J传输速率为100、200和400Mb/s,最多支持63个外部

4设备。

4ir

—6.5.2IEEE-1394与USB比较

A1394:速度快、成本高。主要用于数字视频传输。

普及、成本低。可应用于各种中、低速外设。

^IrUSB:

f

目前在笔记本计算机和数字音视频设备上都有

IEEE1394接口。

第31页

6.6IDE接口—IntegratedDriveElectronics

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。

第32页

6.6IDE接口

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。

MASTERSLAVE光驱(master)

第33页

6.6IDE接口

6.6.1IDE版本

标准名称发表特点最高传连接

年代改进输速率器

ATA-11988CHS寻址方式4.2MB/S40线

ATA-2EIDE或1996增加2种PIO和2种13.3MB/S40线

FAST-ATADMA方式，增加电源管理

ATA-31997增力「SMART和LBA方16.7MB/S40线

式

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

或UDMA/33入CRC技术40针

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

或UDMA/6640针

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

或UDMA/10040针

XATA-133Ultra-ATA/133增力133MB/S线

VIIUDMA/13380

，或UDMA/13340针

，

一

第

34页

6.6IDE接口

——IDE的主要技术

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。

，J

，

乂

，支持最大容量504MB的硬盘。

l，

i小PIO:（ProgrammedI/O编程的输入/输出）一种IDE接口传

v

f

[■送模式，和之后的DMA模式相比占用CPU时间资

v，

*源多。有种子模式（）

*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页

6.6IDE接口

——IDE的主要技术

SMART:（Self-Monitoring,AnalysisandReporting

Technology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*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)

0480ATA-14.2

1150ATA-213.3

2120ATA-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）

第36页

6.6IDE接口

——RAID

RAID:(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。

RAID在读写时同时地对2硬盘作交叉存储的并行

0操作。速度提高一倍，可靠性减半。

RAID2硬盘互为镜像。可靠性提高，容量利用率

1减半。

RAIDRAID0和RAID1的结合。可靠性和速度均

0+1提高，容量利用率减半。至少需4个盘。

第37页

6.6IDE接口

——IDE的接口信号

信号名引脚引脚信号名

6.6.2IDE接口信号号