设备管理_接口与通信设备培训课程

第七章 接口与通信设备 7 1计算机接口原理7 2串行接口7 3并行接口7 4USB接口7 5IEEE1394接口7 6红外线接口7 7蓝牙接口7 8远程通信设备7 9网络通信设备 第7章接口与通信设备 7 1计算机接口原理 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 接口由接口硬件 接口电路 连接器 连接电缆等 和接口软件 程序 组成 接口的指标传输速度 传输距离 传输媒介类型 可靠性 差错控制 安全性 保密 资源占用 包括CPU时间 中断 DMA等 使用方便性和高层协议功能 接口软件 运行在主机系统 7 1计算机接口原理 接口的功能 接口的基本功能数据传送 CPU执行输入 输出指令与外部设备交换数据 数据缓冲 用于实现输入输出过程中的暂存 接口电路中存储机制可以是寄存器 1 2个字节 FIFO存储器 数十到数百字节 或是普通数据存储器 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 接口电路一般有中断功能 以提高接口程序的效率 接口的高级功能差错控制 实现检错或纠错 高层通信协议 实现呼叫 数据加密 流量控制等 即插即用 电源管理 动态配置等 接口软件与硬件 接口软件 I O总线 接口电路和连接的外部设备的关系 ICH 外部设备1 接口电路1 I O总线 接口电路2 外部设备2 I O接口连接器 特定的总线地址信号对特定的接口电路有效 计算机主机系统 接口的基本构成 接口电路的构成 例 完成CPU对特定的地址的I O读写的识别 实现对接口的内部时序控制 实现中断 管理缓存 写状态寄存器等 记录接口的状态 错误 外设的情况等 CPU通过读状态寄存器了解接口的情况 软件将对接口的控制信息写入控制寄存器 完成对接口的控制 完成接口的电平变换 数据格式变换 实现数据I O缓冲 实现异步的CPU传送和接口传送 减少CPU的开销 受控于接口控制电路 完成双向传送 控制和状态寄存器 接口电路的构成 控制和状态寄存器由地址译码器确定控制和状态寄存器地址 不同的接口电路占用不同的I O端口地址 在Windows下 通过设备管理器可以看到一些接口的I O地址 如串行接口COM1的I O地址 控制和状态寄存器 接口电路的构成 控制和状态寄存器 续 例如 串行接口COM1的I O地址范围3F8 3FF共8个地址 部分定义如下 缓冲存储机制 接口电路的构成 数据缓冲存储接口电路在发送和接收过程中 都有缓冲存储机制 多数缓存机制为FIFO方式 例如 某接口电路具有16字节的发送和接收FIFO 数据变换 数据变换可以是电平变换 如RS 232串行接口 脉冲变换 如红外接口 差分变换 如USB 也可以是数模变换 如音频 等 例如 三种基本输出变换 7 1 3接口软件 接口软件是实现接口功能的软件部分 接口软件连接应用程序与接口电路 接口软件需要及时掌握接口电路的状态 以便及时处理接口电路中出现的各种事件 接口软件的程序控制方式主要有三种 即查询控制方式 中断控制方式和DMA DirectMemoryAccess 直接存储器访问 控制方式 7 1 3接口软件 查询控制方式 查询式传送控制方式也称为异步传送 它是指当CPU需要与外设备交换数据时 首先查询设备的状态 只有在设备准备就绪时才进行数据传输 查询式输入和输出程序控制流程如图所示 7 1 3接口软件 中断控制方式 程序查询法是CPU等待工作 而中断控制方式是外部设备等待方式 只有当外部设备数据已经准备好以后 才向CPU发出请求中断信号 在CPU允许中断的情况下 CPU暂时中断现行的工作 转而执行外部设备数据输入 输出任务的中断程序 一旦中断子程序处理结束 CPU立即返回主程序 继续执行因中断暂时放下的工作 7 1 3接口软件 中断控制方式实例以打印控制为例 说明中断控制的基本过程 每台打印机都设有自己的缓冲寄存器 CPU用访问指令启动打印机 并将要打印的数据传送到打印机的数据缓冲寄存器 然后 CPU可继续执行原来的程序 打印机开始打印这批数据 这批数据打印完成后 打印机向CPU发出中断请求 CPU接到中断请求后对打印机进行中断服务 如再送出一批打印数据等 然后又继续执行原来的程序 主程序执行 中断服务子程序 响应中断 中断返回 响应中断 中断返回 空闲 准备 打印 打印 交换数据交换数据 启动打印机 数据传送 数据传送 CPU工作状况 打印机工作状况 DMA传送方式的提出 中断的缺点 采用程序中断控制 能使多台外设依次启动后同时进行数据交换的准备工作 若在某时刻有几台外设发中断请求信号 CPU可根据预先规定好的优先顺序 按轻重缓急处理几台外设的数据传送 实现外部设备间的并行工作 提高了计算机系统的工作效率 但中断系统的保存与恢复现场需一定的时间 且主机与外设之间的数据交换要由CPU直接控制 这对一些工作频率高 要成批交换数据且单位数据之间的时间间隔较短的外设 如磁盘 磁带等来说 将引起CPU频繁干预 同时还可能引起数据丢失 DMA 直接存储器存取 directmemoryaccess 控制 是在内存与设备之间开辟一条直接数据传送通路 并把传送过程交DMA控制器进行管理 形成以存储器为中心的体系结构 DMA可看作是和CPU共享存储器的处理器 CPU与DMA各自能独立地工作 挖掘了系统部件级的并行性 7 1 3接口软件 DMA方式下 外设利用专门的接口电路直接和存贮器进行高速数据传送 而不经过CPU 数据的传输速度基本上决定于外设和存储器的速度 使用直接存储器传送方式 DMA 实现数据块操作 7 1 3接口软件 DMA控制器具有以下功能 向CPU发出HOLD信号 当CPU发出HLDA信号后 接管对总线的控制 进入DMA方式 发出地址信息 能对存储器寻址 能修改地址指针 能发出读或写等控制信号 能决定传送的字节数 判断DMA传送是否结束 发出DMA结束信号 使CPU恢复正常工作状态 7 1 3接口软件 DMA方式数据传输的步骤 DMA启动DMA请求DMA响应DMA操作DMA撤消 7 1 3接口软件 DMA启动 向DMA控制器的地址寄存器中送入设备号并启动设备 将主存中数据区首地址送入DMA控制器的地址寄存器中 将辅存数据缓冲区首地址送入DMA控制器的设备地址寄存器中 将要传送的数据字节数或字数送入数据计数器中 DMA请求DMA控制器收到上述控制命令后 向外设接口提出传送数据请求 外设接口准备好了接收或发送数据时 就会给出DMA请求信号 DAM控制器向CPU提出总线请求信号 7 1 3接口软件 DMA响应CPU完成一个机器周期的操作后 就响应DMA总线请求 首先让出总线控制权 即将CPU内部的总线缓冲器及输入输出控制信号线置成高阻状态 以便将总线使用权让给DMA控制器 并向DMA控制器发出总线响应信号 7 1 3接口软件 DMA操作DMA控制器收到总线响应信号后 向外设发出DMA应答信号 并成为总线上的主设备 控制外设与主存之间的数据块传送操作 每传送一个字节或一个字 DMA控制器中的主存地址计数器内容加1 而数据计数器内容减1 直到该计数器其值为0为止 DMA撤消总线请求撤消后 CPU恢复了对总线的控制权 以便进行数据传送后的处理 7 1 3接口软件 DMA操作过程 对DMA初始化 让出总线控制权 收回总线控制权 外设准备好 启动 CPU DMA DMA请求 7 1 3接口软件 7 2串行接口 串行接口即通过逐位传送的方式实现字节的传输的一类接口 串行接口中通常只有一条 可实现双向传输 或两条 双方向各一条 数据线 由于习惯上的称谓 串行接口有时是特指计算机上的RS 232C接口 该接口是Pentium时代以前PC机上最常用的通用接口 PC机可通过串行接口连接鼠标器 调制解调器 MODEM 扫描仪等 串行数据传送方式 全双工方式当数据的发送和接收分流 分别由两根不同的传输线传送时 通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作 这样的传送方式就是全双工 FullDuplex 制 半双工 若使用同一根传输线既作接收又作发送 虽然数据可以在两个方向上传送 但通信双方不能同时收发数据 这样的传送方式就是半双工 HalfDuplex 制 串行数据传送方式 并行通信中 传输速度以每秒传输的字节 B s 表示 在串行通信中 传输速率用波特率来表示 所谓波特率 是指单位时间内传送二进制数据的位数 单位为位 秒 b s 每秒钟所传输的字符数 字符速率 和波特率是两种概念 波特率 7 2串行接口 RS 232C接口 传输速率 75 115 200 128 000 b s 传输距离 最长电缆15米 低速率时 电缆 连接器 采用9线或25线信号传输 当前多用9线 采用D型连接器 协议简单 无高层协议 在Pentium4时代作为PC的标准配置 目前在PC上的应用逐渐减少 RS 232C串行接口插座 7 2串行接口 RS 232C信号 异步串行传输 异步串行传输中以字节为传输单位 传输一个字节包括起始位 数据位和终止位 RS 232C信号电平 采用双极方式 负电平 3 15V 代表逻辑1 正电平 3 15V 代表逻辑0 一般采用 5V或 12V 7 2串行接口 RS 232C传输参数 RS 232C接口应用参数 在使用RS 232C通信之前必须设置接口参数 包括速率 数据位数 校验 停止位数和流控方式等 Windows下从 我的电脑 设备 端口 可以查看串行接口参数 7 2串行接口 RS 232C的接口信号 RS 232C接口信号线 连接的两端分别为DTE DataTerminalEquipment 和DCE DataCommunicationEquipment 端 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 7 2串行接口 USB扩展RS 232C 通过USB扩展RS 232C 现代计算机大多已经没有RS 232 C接口 但可以通过USB接口扩展 实现与RS 232C接口的设备连接 安装驱动程序后 在操作系统呈现 虚拟串行口 7 4USB 基本特征 USB 采用先进技术的新型通用接口新型 高度复杂的接口电路的集成芯片实现高速差分传输技术 使得传输速度大幅度提高 复杂 规定了复杂的高层协议 使用简单但编程复杂 通用 适合计算机中大多数中 低速传输需求 操作系统和芯片组全面支持USB 版本发展 USB1 1 USB2 0 USBOn The Go USB2 0On The Go WirelessUSB USB3 0 7 4USB 物理连接 USB物理接口 USB1 1 2 0 USB采用4线传输 其中两条信号线 差分传输 两条电源线 标准USB连接器分为A和B两种 A连接器用于主机 B连接器用于外设 miniUSB连接器 用于微型设备 7 4USB 速度 传输模式和速度USB1 1 采用平衡半双工方式 具有两个物理传输模式 低速模式 LowSpeed 1 5Mb s全速模式 FullSpeed 12Mb sUSB2 0 增加兼容USB1 1的高速模式 高速模式 HighSpeed 480Mb sUSB3 0 增加全双工方式的极速模式 与USB2 0连接器兼容极速模式 SuperSpeed 5Gb s USB1 1 USB2 0 USB3 0 7 4USB 同步方案 USB同步机制NRZI NonReturntoZeroInvert 不归零反向码 编码 输入为0时输出反向 输入为1时输出不变 位填充 如果在数据流中出现连续传输6个1的情况 则强制在NRZI编码的数据流中加入一个0 NRZI编码 NRZI译码 7 4USB 连接方式 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 7 4USB 传输模式 USB的四种传输模式 USB2 0 控制传输 Controltransfer 支持外设与主机之间的控制 状态等信息的传输 为外设与主机之间提供一个控制通道 等时传输 Isochronoustransfer 适合数据连续不间断 实时的 带宽要求恒定的传输 该类型无差错校验 适合音 视频设备 中断传输 Interrupttransfer 适合数据量小 无周期性 但对响应时间敏感的传输 数据块传输 Bulktransfer 适合传输的数据量大 但没有实时要求的传输 USB在满足带宽的情况下才进行该类型的数据传输 适合外存储设备 7 4USB 理论性能 USB2 0 USB的传输延 理论最大值 低速 全速模式 1ms高速模式 125 s USB的数据传输速率 KB s 理论最大值 7 4USB USB3 0 USB3 0在USB2 0的基础上 增加一个更高的速度模式 SuperSpeed 该模式的位速率为5Gbps 全双工模式 与USB1 1 2 0并存 USB1 1 2 0设备在USB3 0主机正常工作 USB3 0设备在USB2 0主机上可能不能工作 7 4USB USB3 0 USB3 0链接器USB链接器兼容USB2 0 增加的SuperSpeed信号线 7 5IEEE 1394接口 基本特点 IEEE 1394 是一苹果公司开发的高速串行方式接口 又名FireWire 火线 i Link Sony名称 Lynx 德州仪器名称 IEEE 1394连接 包括两个双向的数据差分线对 TPA和TPB 和电源线对 1394的电源为8 40VDC 1 5A供电能力 数据传输有两种模式 传统模式 半双工 选通同步TPA 发送选通和数据接收TPB 接收选通和数据发送高速模式 全双工 8b 10b编码同步TPA 接收TPB 发送 或 7 5IEEE 1394接口 1394a 1394a 在1394的基础上于2000年正式发布标准定义了多种传输速率 12 5 25 50 100 200 400Mb sec的传输速率 电缆和连接器可采用带供电的6线制和不带供电的4线制两种 7 5IEEE 1394接口 1394b 1394b 于2002年发布增加了800Mb sec速率 电缆和连接器采用9线 链接器与1394a不同 但其中的差分对信号与1394a兼容 7 5IEEE 1394接口 1394连接器有标准6线和不带电源的4线 微型 两种 IEEE 1394vsUSB USB IEEE 1394 利益集团 Intel Microsoft HP Apple Sony TI USB1 1 1 5 12MbpsUSB2 0 480MbpsUSB3 0 5Gbps 1394a 12 5 25 4001394b 800S1600 S3200 1 6 3 2G SuperSpeed为全双工 高速模式全双工 传输速度 传输方式 电缆长度 USB2 0 5米USB3 0 2米 1394a b 电缆4 5米光纤 100米 供电能力 USB2 0 500mA 5VUSB3 0 1A 5V 1394a 1 5A 5V1394b 5A 8 40V 其他优势 成本低 通用性强 CPU占用轻 实际带宽开销小 应用场合 各种设备 数字视频设备 7 7蓝牙 基本特性 蓝牙 Bluetooth 是一种近距离 共享无线信道方式的无线数据通讯技术标准 由Ericsson IBM Intel NOKIA和Toshiba等5家公司组成了蓝牙特别兴趣小组 SpecialInterestGroup SIG 负责制定蓝牙标准 蓝牙速率 BT1 主要是1 2 位速率1Mb sBT2 主要是2 0 EDR 2 1 EDR 最高位速率3Mb sBT3 0 HS 位速率24Mb s传输距离 可选择的发送功率class1 100mW发射功率 100米class2 2 5mW发射功率 10米class3 1mW发射功率 5米 7 7蓝牙 实现技术 蓝牙技术采用2 402GHz 2 480GHz频段 划分成79个间隔1MHz的频道 使用跳频频谱扩展技术 跳频速率1600次 秒 相对传统无线传输 抗干扰 保密性好 多个不相关的蓝牙通信可在同一个区域共存 相互的干扰只是造成实际通信速率下降 一台蓝牙设备可同时与其它七台蓝牙设备建立连接 构成微微网 7 7蓝牙 应用 蓝牙应用发现蓝牙设备 蓝牙设备启动搜索 发现周围处于 可被发现 状态的蓝牙设备 获取服务 蓝牙服务包括蓝牙协议定义的各种应用 包括蓝牙局域网 拨号网络 文件传输 对象交换 单声道音频 高保真音频 打印 串行通信等 配对 通过密码实现配对 连接 针对特定服务的连接 BlueSoleil 一个学习和应用蓝牙的图形化操作软件 可以在IVT官方网站 7 7蓝牙 设备 蓝牙设备 耳机 声耳机耳机 鼠标器 USB蓝牙适配器 7 8远程通信设备 电话网Modem 远程通信需要经过远程通信设备 即Modem MOdulator DEModulator 调制解调器 大多远程通信通过公用有线或无线通道实现 电话网Modem普通电话网Modem利用公共电话网的拨号和音频传输能力实现计算机远程通信 电话网音频特性 我国电话网音频带宽300 3400Hz 该频段可以包含90 的人声音频频谱能量 不影响可懂度 人声音频能量分布 7 8远程通信设备 电话网Modem 调制 将数字变换成符合特定传输通道特性的信号 解调 将调制信号恢复成原数字信号 三种基本调制方式 A Sin 2 f t ASK Amplitude ShiftKeying 幅度键控FSK Frequency ShiftKeying 频率键控PSK Phase ShiftKeying 相位键控 7 8远程通信设备 电话网Modem 电话公网Modem速率 目前电话网Modem的最高数据速率约56Kb s 计算机可能集成了Modem 对外提供电话接口 RJ11连接器 也可以通过扩展卡 Modem卡 外接Modem USB扩展Modem等方式扩展电话网Modem 7 8远程通信设备 公网无线Modem 公网无线Modem无线公网是指移动电话使用的公共无线网 我国目前有三家无线运营商 分别是中国移动 中国联通和中国电信 三家运营商分别有独立的公共无线网 同时提供数据传输业务 目前无线公网数据传输分为2G和3G数据业务 7 8远程通信设备 公网无线Modem 手机关键参数 操作系统 主要包括Android 安卓 Google系统 三星 HTC等应用 Symbian 塞班 Nokia专用 iOS 苹果设备专用 WindowPhone 微软 Nokia HTC等应用 网络制式 GSM GlobalSystemofMobile 移动和联通2G CDMA CodeDivisionMultipleAccess 电信2G TD SCDMA TimeDivision SynchronousCDMA 移动3G WCDMA WidebandCDMA 联通3G CDMA2000 电信3G 7 8远程通信设备 公网无线Modem 手机号码段 截止到2011年底 7 8远程通信设备 公网无线Modem 笔记本计算机 平板电脑可能集成无线公网Modem 即支持3G 也可以外部扩展无线公网Modem 大多数扩展模块接口是笔记本专用接口 如CardBus ExpressCard等接口 或USB接口 7 8远程通信设备 宽带Modem 宽带Modem 指通信带宽超过音频带宽的数据传输Modem 用于普通上网的方案主要有通过电话线实现的ADSLModem和通过电视电缆实现的CableModem ADSL AsymmetricDigitalSubscriberLine 非对称数字用户专线 设备仅实现用户到电话局的传输 通过在普通电话线上采用高频段复用方式实现数据传输 ADSL标准 由ITU InternationalTelecommunicationUnion 国际电信联盟 制定 目前的最高版本是ITUG 992 5 上行速率3 3Mb s 下行速率24Mb s 7 8远程通信设备 宽带Modem ADSLModem一般通过局域网接口与计算机直接连接 也可以通过集成路由器的ADSLModem组成局域网 7 8远程通信设备 宽带Modem CableModem 通过有线电视电缆实现家庭宽带连接的设备 传统的有线电视网只有下行传输 经过双向改造的有线电视网才能实现宽带数字传输 一路电视信号带宽为8MHz 可以实现30Mb s的下行数据传输和2 048Mb s的上行数据传输 CableModem可以是机顶盒设备 也可以是独立设备或计算机总线扩展卡 CableModem 7 9局域网通信设备 以太网 以太网 目前的局域网 LocalAreaNetwork LAN 采用以太网 Ethernet 组网方式 物理层符合IEEE802 3标准 局域网连接 其物理层连接采用双绞线 双绞线为8芯四对双绞线 连接器为RJ45标准 以太网速率 以太网速率标准的发展过程经历了10Mb s 100Mb s和1000Mb s等不同速率标准 10Mb s以太网采用10BASE T 10Mbps BASE代表基带传输 T代表双绞线 标准的3类双绞线 在之后的100Mb s局域网中 电缆标准为100BASE TX的5类双绞线 千兆以太网采用1000BASE T TX的超5类或6类双绞线 7 9局域网通信设备 以太网 RJ45线序 在局域网连接中使用两种线序不同的电缆 即直通线和交叉线 10Mb s和100Mb s连接仅使用其中两对双绞线 1000Mb s连接使用全部4对双绞线 直通线 两端的连接器线序相同 用于连接不同级别设备 交叉线 一端的连接器线序符合T568A 另一端的连接器线序符合T568B 用于相同级别的设备连接 7 9局域网通信设备 LAN适配器 局域网适配器 LANadapter 计算机网络接口的硬件部分 实现网络协议的物理层和数据链路层 更高协议在软件中实现 MAC MediaAccessControl 地址 用于实现计算机的唯一访问标识 是一个48位的二进制数 是全球唯一的地址 在DOS会话界面 输入ipconfig all后回车 显示信息中的PhysicalAddress即6个字节MAC地址的十六进制表示 7