计算机硬件(第6章接口)1.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,正文,计算机硬件技术基础,第,*,页,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,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,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,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，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,D,0,D,7,外部数据,D,0,D,7,写控制,(WR),：,将数据写入输出寄存器，,1RS,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,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,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,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,No,Yes,No,Yes,Yes,No,Yes,No,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；,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：,1 1 0 1 0 1 1 0,58,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）,1,1,0,0,1,1,0,1,1,0,1,0,1,0,1,1,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,6.2.2 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。,串行接口,1,(COM1),串行接口,2,(COM2),集成声卡,SPK,OUT,IN,USB,(,两个,),鼠标,(PS/2),键盘,并行,接口,集成声卡,游戏杆,/MIDI,6.2,串行接口,RS-232-C,串行接口标准,计算机硬件技术基础,1,6,5,9,CD:,载波检测,1,RxD,:,接收数据,2,TxD,:,发送数据,3,DTR:,数据终端就绪,4,GND:,地线,5,DSR:,数据设备就绪,6,RTS:,请求发送,7,CTS:,清除,发送,8,RI:,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: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,TTL,电平,RS-232,电平,+5V,0V,+12V,-12V,1 1 0 1 0 1 1 0,发送 接收,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,、,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,(Request 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,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,DTR DSR RI CD,RxD,TxD,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,PC,MODEM,电话网,RS-,232,电话,线路,电话,线路,RS-,232,MODEM,PC,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/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。,Microsoft,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,引脚,信号名,1,VCC +5V,电源,2,-Data,信号负,3,+Data,信号正,4,GND,地线,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,复合外设,主机,7,端口,集线器,外设,外设,USB1,2,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480,Mb/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,+5V,DC,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。,6.4 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400,Mb/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。,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,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,主机板,IDE1,IDE2,MASTER,SLAVE,MASTER,SLAVE,主机板,IDE1,IDE2,硬盘(,master),光驱(master),计算机硬件技术基础,6.6.1 IDE,版本,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:,(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,，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,、,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,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。,PC,机,主板,总,线,SCSI,电缆,SCSI,终端器,SCSI,控制,卡,IN OUT,外设,IN OUT,外设,IN OUT,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,6.7 SCSI,接口,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,SCSI1,SCSI2,Wide,SCSI2,Fast,SCSI2,Fast,Wide,Ultra,SCSI,Ultra,Wide,SCSI,Ultra2,SCSI,Ultra2,Wide,SCSI,Ultra,160M,SCSI,数据宽度,时钟速率,(MHz),可接外设数目,传输速率,(MB/S),8,5,7,5,8,10,7,10,16,5,15,10,16,10,15,20,8,20,7,20,16,20,15,40,8,40,7,40,16,40,15,80,16,40,15,160,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,，,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？,计算机硬件技术基础,