常用物理接口

常见的几种通信物理接口 CPU与外部设备 存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现 前者被称为I O 接口 而后者则被称为存储器接口 存储器通常在 CPU 的 同步控制下工作 接口电路比较简单 而 I O 设备品种繁多 其相应的接口 电路也各不相同 因此 习惯上说到接口只是指 I O接口 一 一 I O 接口分类接口分类 I O 接口的功能是负责实现 CPU 通过系统总线把 I O 电路和 外围设备 联系在一起 按照电路和设备的复杂程度 I O 接口的硬件主要分为两大 类 1 I O 接口芯片 这些芯片大都是集成电路 通过 CPU 输入不同的命令和参数 并控制 相关的I O 电路和简单的外设作相应的操作 常见的接口芯片如定时 计数 器 中断控制器 DMA控制器 并行接口等 2 I O 接口控制卡 有若干个集成电路按一定的逻辑组成为一个部件 或者直接与CPU 同 在主板上 或是一个插件插在系统总线插槽上 按照接口的连接对象来分 又可以将他们分为串行接口 并行接口 键 盘接口和磁盘接口等 二 常见接口二 常见接口 1 RS232 个人计算机上的 通讯接口之一 由电子工业协会 Electronic Industries Association EIA 所制定的异步传输标准接口 通常 RS232 接口以 9 个引 脚 DB 9 或是 25 个引脚 DB 25 的型态出现 EIA RS232C 是由美国电子工业协会 EIA Electronic Industry Association 在 1969 年颁布的一种串行物理接口标准 RS Recommended Standard 是英 文 推荐标准 的缩写 232 为标识号 C 表示修改次数 RS232C 总线标 准设有 25 条信号线 包括一个主通道和一个辅助通道 在多数情况下主要使用主通道 对于一般双工通信 仅需几条信号线就 可实现 如一条发送线 一条接收线及一条地线 RS232C 标准规定的数据传输速率为每秒 150 300 600 1200 2400 4800 9600 19200 波特 RS232C 标准规定 驱动器允许有 2500pF 的电容负载 通信距离将受 此电容限制 例如 采用 150pF m 的通信电缆时 最大通信距离为 15m 若每米电缆的电容量减小 通信距离可以增加 传输距离短的另一原因是 RS232 属单端信号传送 存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题 因此一 般用于 20m 以内的通信 串行通信接口标准经过使用和发展 目前已经有几种 但都是在 RS232 标准的基础上经过改进而形成的 它适合于数据传输速率在 0 20000b s 范围内的通信 这个标准对串行 通信接口的有关问题 如信号 线功能 电器特性都作了明确规定 由于通行设备厂商都生产与RS232C 制式兼容的通信设备 因此 它作为一种标准 目前已在微机通信接口中广 泛采用 EIA RS 232C 对电器特性 逻辑电平和各种信号线 的功能都作了规定 在 TXD 和 RXD 上 逻辑 1 MARK 3V 15V 逻辑 0 SPACE 3 15V 在 RTS CTS DSR DTR 和 DCD 等控制线上 信号有效 接通 ON 状态 正电压 3V 15V 信号无效 断开 OFF 状态 负电压 3V 15V 以上规定说明了 RS232C 标准对逻辑电平的定义 对于数据 信息码 逻辑 1 传号 的电平低于 3V 逻辑 0 空号 的电平高于 3V 对于控 制信号 接通状态 ON 即信号有效的电平高于 3V 断开状态 OFF 即信号 无效的电平低于 3V 也就是当传输电平的绝对值大于3V 时 电路可以有 效地检查出来 介于 3 3V 之间的电压无意义 低于 15V 或高于 15V 的 电压也认为无意义 因此 实际工作时 应保证电平在 3 15 V 之间 连接器 由于 RS232C 并未定义连接器的物理特性 因此 出现了DB 25 DB 15 1 和 DB 9 各种类型的连接器 其引脚的定义也各不相同 下面分 别介绍两种连接器 1 DB 25 DB 25 连接器定义了 25 根信号线 分为 4 组 异步通信的 9 个电压信号 含信号地 SG 2 2 3 4 5 6 7 8 20 22 20mA 电流环信号 9 个 12 13 14 15 16 17 19 23 24 空 6 个 9 10 11 18 21 25 保护地 PE 1 个 作为设备接地端 1 脚 2 DB 9 使用 DB 9 连接器 作为提供多功能 I O 卡或主板上 COM1 和 COM2 这 两个串行接口的连接器 它只提供异步通信的9 个信号 DB 25 型连接器 的引脚分配与 DB 9 型引脚信号完全不同 因此 若与配接DB 25 型连接器 的 DCE 3 设备连接 必须使用专门的电缆线 电缆长度 在通信速率低于 20kbps 时 RS232C 所直接连接的最大物 理距离为 15m 50 英尺 最大直接传输距离说明 RS232C 标准规定 若不使用 MODEM 在码 元畸变小于 4 的情况下 DTE 4 和 DCE 之间最大传输距离为 15m 50 英尺 可见这个最大的距离是在码元畸变小于4 的前提下给出的 为了保证码 元畸变小于 4 的要求 接口标准在电气特性中规定 驱动器的负载电容应 小于 2500pF 注 1 SG 即 Signal Ground 信号地 2 DCE 即 Data Communication Equipment 数据通讯设备 3 DTE 即 Data Terminal Equipment 数据终端设备 2 RS485 由于 RS232C 接口标准出现较早 难免有不足之处 主要有以下四点 接口的信号电平值较高 易损坏接口电路的芯片 又因为与TTL 5 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL 电路连接 传输速率较低 在异步传输时 波特率为20Kbps 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式 这种共地传输容易产生共模干扰 所以抗噪声干扰性弱 传输距离有限 最大传输距离标准值为50 英尺 实际上也只能 用 在 15 米左右 针对 RS232C 的不足 于是就不断出现了一些新的接口标准 EIA 于 1983 年制定了 RS485 标准 增加了多点 双向通信能力 即允许多个发送 器连接到同一条总线上 同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性 扩 展了总线共模范围 后命名为 TIA EIA 485 A 标准 它具有以下特点 1 RS485 的电气特性 逻辑 1 以两线间的电压差为 2 6 V 表示 逻辑 0 以两线间的电压差为 2 6 V 表示 接口信号电平比 RS232C 降 低了 就不易损坏接口电路的芯片 且该电平与TTL 电平兼容 可方便与 TTL 电路连接 2 RS485 的数据最高传输速率为 10Mbps 3 RS485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合 抗共模干能力增 强 即抗噪声干扰性好 4 RS485 最大的通信距离约为 1219M 最大传输速率为 10Mb S 传输 速率与传输距离成反比 在 100Kb S 的传输速率下 才可以达到最大的通信 距离 如果需传输更长的距离 需要加485 中继器 RS485 总线一般最大 支持 32 个节点 如果使用特制的 485 芯片 可以达到 128 个或者 256 个 节点 最大的可以支持到 400 个节点 因 RS485 接口具有良好的抗噪声干扰性 长的传输距离和多站能力等上 述优点就使其成为首选的串行接口 因为RS485 接口组成的半双工网络 一般只需二根连线 所以 RS485 接口均采用屏蔽双绞线传输 RS485 接口 连接器采用 DB 9 的 9 芯插头座 与智能终端连接的 RS485 接口采用 DB 9 孔 与键盘连接的键盘接口 RS485 采用 DB 9 针 3 RS422 为改进 RS232 通信距离短 速率低的缺点 RS422 定义了一种平衡通信 接口 将传输速率提高到 10Mb s 传输距离延长到 4000 英尺 速率低于 100kb s 时 约为 1219 米 并允许在一条平衡总线上连接最多10 个接 收器 RS 422 是一种单机发送 多机接收的单向 平衡传输规范 被命名为 TIA EIA 422 A 标准 RS422 总线与 RS485 电路原理基本相同 都是以差动方式发送和接受 不需要数字地线 差动工作是同速率条件下传输距离远的根本原因 这正是二者与 RS232 的根本区别 因为 RS232 是单端输入输出 双工工作时至少需要数字 地线 发送信号线和接受信号线三条线 异步传输 还可以加其它控制 线完成同步等功能 RS422 通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响 而RS485 只能 半双工工作 发收不能同时进行 但它只需要一对双绞线 RS422 和 RS485 在 19kpbs 下能传输 1142 米 RS422 标准全称是 平衡电压数字接口电路的电气特性 它定义了接口 电路的特性 实际上还有一根信号地线 共 5 根线 由于接收器采用高输入阻 抗和发送驱动器比 RS232 拥有更强的驱动能力 因此允许在相同传输线上连接 多个接收节点 最多可接 10 个节点 即一个主设备 Master 其余为从设备 Salve 从设备之间不能通信 所以 RS422 支持点对多点的双向通信 接收 器输入阻抗为 4k 故发送端的最大负载能力是 10 4k 100 终接电阻 RS422 的四线接口由于采用单独的发送和接收通道 因此不必控制数据方向 各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式 XON XOFF 握手 或硬件方 式 一对单独的双绞线 来完成 RS422 的最大传输距离为 4000 英尺 约 1219 米 最大传输速率为 10Mb s 其平衡双绞线的长度与传输速率成反比 在 100kb s 速率以下 才可 能达到最大传输距离 只有在很短的距离下才能获得最高速率传输 一般 100 米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为 1Mb s RS422 需要一个终接电阻 要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗 在短 距离传输时可以不接终接电阻 即一般在 300 米以下不需要终接电阻 终接电 阻接在传输电缆的最远端 4 USB USB 是英文 Universal Serial BUS 通用串行总线 的缩写 而其中文简称为 通串线 是一个外部总线标准 用于规范电脑与外部设备的连接和通讯 是应用在 PC 领域的接口技术 USB 接口支持设备的即插即用和热插拔功能 USB 是在 1994 年底由英特尔 康柏 IBM Microsoft 等多家公司联合提出的 不过直到近期 它才得到广泛地应用 从1994 年 11 月 11 日发表了 USB V0 7 版本以后 USB 版本经历了多年的发展 到现在已经发展为2 0 版本 成为目前电脑中的标准扩展接口 目前主板中主要是采用USB1 1 和 USB2 0 各 USB 版本间能很好的兼容 USB 使用 4 Pin 插头作为标准插头 采用菊花链的形式可以把所有的外设连接起来 最多可以连接127 个外部 设备 并且不会损失带宽 USB 需要主机硬件 操作系统和外设三个方面的 支持才能工作 目前的主板一般都采用支持USB 功能的控制 芯片组 主板 上也安装有USB接口插座 而且除了背板的插座之外 主板上还预留有 USB 插针 可以通过连线接到机箱前面作为前置USB 接口以方便使用 而 且 USB 接口还可以通过专门的 USB 连机线实现双机互连 并可以通过Hub 扩展出更多的接口 USB 具有传输速度快 USB1 1 是 12Mbps USB2 0 是 480Mbps USB3 0是 5 Gbps 使用方便 支持热插拔 连接灵活 独立供电 等优点 可以连接鼠标 键盘 打印机 扫描仪 摄像头 闪存盘 MP3 机 手机 数码相机 移动硬盘 外置光驱 或软驱 USB 网卡 ADSL Modem Cable Modem 等 几乎所有的外部设备 USB 自从 1996 年推出后 已成功替代 串口和并口 并成为当今个人电 脑和大量智能设备的必配的接口之一 USB 是一种统一的传输规范 但是接口有许多种 最常见的就是电脑上 用的那种扁平的 这叫做 A 型口 里面有 4 根连线 分为公母接口 一般 线上带的是公口 机器上带的是母口 接下来就是在数码产品上最常见的接 口了 由于数码产品体积所限 所以通常用的是Mini B 型接口 但是 Mini B 型接口也有许多种类 Mini B 型 5Pin 接口可以说是目前最常见的一种接 口了 这种接口由于防误插性能出众 体积也比较小巧 所以正在赢得越来 越多的厂商青睐 现在这种接口广泛出现在 读卡器 MP3 数码相机以及 移动硬盘上 除了前面我们提到的最常见的Mini B 型 5Pin 的接口以外 Mini B 型也有其他的接口 其中的一些也比较常见 比如 Mini B 型 4Pin Mini B 型 4Pin Flat 接口 Mini B 型 8Pin 接口和 Mini B 型 8Pin Round 接口等 标准 USB 接口 标准 USB 连接器接点序 号 功能 主机 功能 设备 1VBUS 4 75 5 25 V VBUS 4 4 5 25 V 2D D 3D D 4接地接地 USB 信号使用分别标记 D 和 D 的双绞线传输 它们各自使用 半双工 的差分信号 并协同工作 以抵消长导线的电磁干扰 5 IEEE 1394 IEEE 1394 俗称火线接口 FireWire 是由苹果公司领导的开发联盟开 发的一种高速度传送接口 数据传输率一般为800Mbps 主要用于视频的 采集 在 INTEL 高端主板与数码摄像机 DV 上可见 火线 FireWire 是苹果 公司的商标 Sony 的产品称这种接口为 iLink 目前较为典型的新一代总线有 SCSI Fiber Channel SSA 和 USB 将其 作一比较就可以看出 SCSI Fiber Channel SSA 主要是着眼于磁盘等计算 机存储设备的 USB 则以低速的键盘 鼠标等为对象 而IEEE1394 以其包 含了上述所有特性而具有划时代的意义 1394 版版本本 1 IEEE 1394a 2000 FireWire 400 和 IEEE 1394 1995 几乎相同 改良数个地方之后制定的新规格 为了和 后述的 IEEE 1394b 分别 因此称为 FireWire 400 在工业上使用的时候 有时就单纯称呼为 a 1394A 所能支持理论上最长的线长度为 4 5 米 2 IEEE 1394b 2002 FireWire 800 FireWire 800 即为在理论上可达到 800Mbps 的高速规格 兼容于 IEEE 1394a 但是接头的形状从 IEEE 1394a 的 6 Pin 变成 9 Pin 因此需 要经由转接线连接 在工业上使用的时候 有时就单纯称呼为 b 3 IEEE 1394c 2006 FireWire S800T 使用的是 CAT 5e 的缆线 FireWire S800T 公布于 2007 年 6 月 8 日 提供了一个重大的技术改进 新的接头规格和RJ45 相同 并使用 CAT 5 5 类双绞线 和相同的自动协议 可以使用相同的端口来连接任何IEEE 1394 设备或 IEEE 802 3 1000BASE T 以太网双绞线 的设备 4 S1600 和 S3200 IEEE 1394 的推广团体 1394 Trade Association 在 2007 年 12 月宣 布 将可以在 2008 年底使用新的扩张规格 S1600 理论值达到 1 6 Gbps 和 S3200 模式 理论值达 3 2 Gbps 这个扩张规格使用 FireWire800 现在 使用的 9 Pin 接头和缆线 而且将会完全兼容于FireWire 400 和 FireWire 800 的设备 这是为了迎战 USB 3 0 规格所作的准备 IEEE1394 的的特特点点可可以以归归结结如如下下 1 高高速速率率 IEEE1394 1995 中规定速率为 100Mbit s 到 400Mbit s IEEE1394b 中更高的速度是 800Mbit s 到 3 2Gbit s 其实 400Mbps 就几乎可以满足 所有的要求 现在通常可能达到的物理流LSI 速度是 200Mbps 另外 实 际传输的数据一般都要经过压缩处理 并不是直接传输原始视频数据 因此 可以说 200Mbps 已经是能够满足实际需要的速度 但对多路数字视频信 号传输来说 传输速率总是越高越好 永无止境 2 实实时时性性 IEEE1394 的特点是利用等时性传输来保证实时性 在这一点上 SSA Fiber Channel 及 Ultra SCSI 也都与 IEEE1394 具有同样的性能 3 采采用用细细缆缆 便便于于安安装装 4 根信号线与 2 根电源线构成的细缆使安装十分简单 而且价格也比较 便宜 但接点间距只有 4 5 米 似乎略显不足 所以也有人在探讨延伸接点 间距的方法 已发表的实验品 POF 可以将接点间距延长至 70 米 4 总总线线结结构构 IEEE1394 是总线 不是 I O 向各装置传送数据时 不是像网络那样 用 I O 传送数据 而是按 IEEE1212 标准读写列入转换的空间 总之 从上 一层看 IEEE1394 是与 PCI 相同的总线 1394 总线和常见的 USB 总线的不一样之处在于 1394 是一个对等的总 线 对等总线就是说 任何一个总线上的设备都可以主动的发出请求 有点像圆桌会议一样 大家地位平等 而 USB 总线上的设备 则都是 等待主机发送请求 然后做相应的动作 因而 1394 设备更加智能化一些 当然因此也变得更为复杂 成本较高 1394 总线的这个特性决定了 1394 可以是脱离以桌面主机为中心的束缚 对于数字化家电来说 1394 更加有吸引力 1394 总线的拓扑结构和 USB 是一样的 是树形结构 树形结构就是所 有的连接在一起的设备不能形成一个环 圈 否则就可能不能正常工作 不 过 1394b 提出了一个避免环状结构的方法 在即使设备连接形成一个圆圈时 也能保证正常工作 1394 和 USB 这类串行总线和 PCI 这类并行总线不一 样 1394 和 USB 这类总线 两个设备之间如果必须经过第三个设备 那么数据必须也从第三个设备穿过 也就是说第三个设备也要参与传输 而 PCI 这类并行总线 就像一条大马路铺到各家的门口 两个设备如果商 量好传输数据 并申请到了总线 就可以直接在两个设备间传输 不用经 过第三家 当然更本质的区别是 1394 是串行的 而 PCI 是并行的 1394 总线上的设备之间也会选举一些设备作为总线的管理作些额外的工 作 如 根节点 主要是在总线仲裁中做最终的裁判 同步资源管理器 主要是在同步传输中 管理带宽 或者提供总线 的拓扑结构和有限的电源管理 总线管理器 可以设置根节点 提供总线拓扑结构 优化网络的响 应时间 和更高级的电源管理 5 热热插插拔拔 能带电插拔 增删新装置不必关闭电源 操作非常简单 6 即即插插即即用用 增加新装置不必设定 ID 可自动予以分配 SCSI 使用者必须设定 SCSI 地址 而 IEEE1394 的使用者不需要任何相关知识 操作非常简单 接上就可以用 实际上 每当有新的设备接入某个1394 端口时 整个总线将会进行一 个 欢迎仪式 这个是总线自发的 和 PC 主机没有特殊的关系 学名 叫做 总线复位 bus reset 这个过程 所有设备重新给自己起名字 节点标识 NODE ID 新的设备趁机为自己取个名字 1394 的起名字 的机制很简单 从 0 开始往上 最多到 62 一般叶子节点的 id 小 树 根的 id 最大 这个仪式结束后 大家又是各自干各自的事情了 1394 的 bus reset 是很平常的事情 短的只要 1us 长的要 160us 而 USB 下 却隆重而冗长 至少在 USB2 0 下 一个端口复位要 150ms 而 一个 bus reset 就要复位所有连接设备的 port 所以在连接 4 个设备时必 须 600ms 以上的时间 这个并无好坏之分 只是各自的工作方式不一样 而已 IEEE1394 分为两种传输方式 Backplane 模式和 Cable 模式 Backplane 模式最小的速率也比 USB1 1 最高速率高 分别为 12 5 Mbps s 25 Mbps s 50 Mbps s 可以用于多数的高带宽应用 Cable 模式是速度非常快的模式 分为 100 Mbps s 200 Mbps s 和 400 Mbps s 几种 在 200Mbps s 下可以传输不经压缩的高质量数据电影 USB 与与 IEEE1394 的的不不同同之之处处 两者的传输速率不同 USB 的传输速率与 IEEE1394 的速率比起来真 是小巫见大巫了 USB 的传输速率现在只有 480Mbps 只能连接键盘 鼠 标与麦克风等低速设备 而 IEEE1394 可以使用 3 2Gbps 可以用来连接 数码相机 扫描仪和信息家电等需要高速率的设备 两者的结构不同 USB 在连接时必须至少有一台电脑 并且必须需要H UB 来实现互连 整个网络中最多可连接127 台设备 IEEE1394 并不需要 电脑来控制所有设备 也不需要 HUB IEEE1394 可以用网桥连接多个 IE EE1394 网络 也就是说在用 IEEE1394 实现了 63 台 IEEE1394 设备之后 也可以用网桥将其他的 IEEE1394 网络连接起来 达到无限制连接 两者的智能化不同 IEEE1394 网络可以在其设备进行增减时自动重设 网络 USB 是以 HUB 来判断连接设备的增减了 两者的应用程度不同 现在 USB 已经被广泛应用于各个方面 几乎每 台 PC 主板都设置了 USB 接口 USB2 0 也会进一步加大 USB 应用的范围 IEEE1394 现在只被应用于音频 视频等多媒体方面 6 GPIO GPIO 是英文 General Purpose Input Output 的缩写 中文简称为通用 输入 输出总线 它的扩展器利用工业标准I2C SMBus 或 SPI 接口简 化了 I O 口的扩展 当微控制器或芯片组没有足够的I O 端口 或当系统需 要采用远端串行通信或控制时 GPIO 产品能够提供额外的控制和监视功能 每个 GPIO 端口可通过软件分别配置成输入或输出 Maxim 的 GPIO 产品线包括 8 端口至 28 端口的 GPIO 提供推挽式输出或漏极开路输出 提供微型 3mm x 3mm QFN 封装 GPIO 的优点 端口扩展器 低功耗 GPIO 具有更低的功率损耗 大约 1 A 工作电流则为 100 A 集成 I2C 从机接口 GPIO 内置 I2C 从机接口 即使在待机模式下也能 够全速工作 小封装 GPIO 器件提供最小的封装尺寸 3mm x 3mm QFN 快速上市 不需要编写额外的代码 文档 不需要任何维护工作 灵活的灯光控制 内置多路高分辨率的PWM 输出 可预先确定响应时间 缩短或确定外部事件与中断之间的响应时间 更好的灯光效果 匹配的电流输出确保均匀的显示亮度 布线简单 仅需使用 2 条就可以组成 I2C 总线或 3 条组成 SPI 总线 7 IEEE 488 IEEE 488 总线是并行总线接口标准 IEEE 488 总线用来连接系统 如微计算机 数字电压表 数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用 IEEE 488 总线装配起来 它按位并行 字节串行双向异步方式传输信号 连接方式为总线方式 仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元 但总线 上最多可连接 15 台设备 最大传输距离为 20 米 信号传输速度一般为 500KB s 最大传输速度为 1MB s 8 GPIB GPIB 是英文 General Purpose Interface Bus 的缩写 中文为通用接 口总线 大多数打印机就是通过 GPIB 线以及 GPIB 接口与电脑相连 GPIB 简介 1965 年 惠普公司设计 HP IB 1975 年 HP IB 变成 IEEE 488 标准 1987 年 IEEE488 2 被采纳 IEEE 488 1978 变成 IEEE488 1 1987 1990 年 SCPI 规范被引入 IEEE 488 仪器 1992 年 修订 IEEE 488 2 1993 年 NI 公司提出 HS488 1965 年 惠普公司 Hewlett Packard 设计了惠普接口总线 HP IB 用于连接惠普的计算机和可编程仪器 由于其高转换速率 通常可达 1Mbp s 这种接口总线得到普遍认可 并被接收为 IEEE 标准 488 1975 和 AN SI IEEE 标准 488 1 1987 后来 GPIB 比 HP IB 的名称用得更广泛 AN SI IEEE 488 2 1987 加强了原来的标准 精确定义了控制器和仪器的通 讯方式 可编程仪器的标准命令 Standard Commands for Programmabl e Instruments SCPI 采纳了 IEEE488 2 定义的命令结构 创建了一整 套编程命令 GPIB 是一种工程控制用的协议 最初由HP 公司提出 目前成为一种 国际标准 遵守的协议为 IEEE488 一般被用来使用任何编程语言如VB VC C 实现电脑对仪器的控制 当然也有某些仪器制造商自己开发的语 言支持 GPIB 实现这种控制首先要被控仪器支持GPIB 其次 工控机 安装 IEEE488 卡 并通过 GPIB 线连接两个设备 GPIB 比串口控制提高了传输速率和同时支持的设备总数 但是目前已 经被传输速率更快支持设备总数更多的接口替代 9 RJ45 RJ 这个名称代表已注册的插孔 Registered Jack 是