第6章（接口）.ppt

第6章接口目录,6.1接口的基本知识接口概述接口的操作6.2串行接口RS-232C6.3并行接口IEEE12846.4USB6.5IEEE-1394接口6.6IDE接口6.7SATA接口6.8SCSI接口6.9IrDA红外线接口6.10无线接口,6.1接口的基本知识定义和指标,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。,接口的指标速度；资源占用。包括CPU时间、中断、DMA等；连接距离；差错控制、即插即用、供电等。,6.1接口的基本知识接口概述,接口软件、I/O总线、接口电路和连接的外部设备的关系,计算机主机系统（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,特定的接口动作,6.1接口的基本知识接口概述,Intel865芯片组构成的计算机系统,存储器,intelPentium4CPU,键盘,显示器,音箱/MIC,打印机,鼠标器,系统总线,微型机主机板,Intel80865MCH,AGP显示接口,IHA,ICH,ATA-100,S-ATA,LAN,6ch音频,8XUSB2.0,PCI,PCI总线,串行接口并行接口键盘接口鼠标接口,局域网,BIOS、时钟、.,6.1接口的基本知识接口概述,接口电路的构成,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。,6.1接口的基本知识接口概述,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1个或2个字节，或是FIFO存储器，也可以是数据存储区。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。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、数据包、流量控制等。即插即用、电源管理、动态配置等。,6.1接口的基本知识接口的操作,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。查询控制方式：在程序的主动控制下，通过读取状态寄存器了解接口的情况，完成相应的程序操作。为了及时了解接口的状态，需要时间密集的查询操作。CPU效率低。中断控制方式：当接口出现需要程序干预的事件，通过中断通知CPU，CPU再读取状态寄存器，确定事件的种类，以便执行不同的代码处理。CPU效率高而且及时。DMA控制方式：CPU与接口的数据传送采用DMA传送，即传送的具体过程由硬件（DMA控制器）完成，传送速度比通过CPU快，尤其是在批量传送时效率很高。,6.2串行接口RS-232C,串行传送：数据信息以串行方式逐位传送。如RS-232C、USB接口、SATA接口、键盘接口和鼠标器接口等。特点：节省接口线数目、传送距离远，接口电路复杂。同步串行和异步串行：串行接口可分为同步串行和异步串行两类，同步串行接口在连接线中有时钟线，而异步串行接口没有时钟信号线。同步串行传送：,6.2串行接口RS-232C基本特性,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。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。通信速率：固定可选的速率110、300、600、1200、2400、3600、4800、7200、9600、14400、19200、28800、33600、38400、57600、115200bps(BitPerSecond)。,6.2串行接口RS-232C基本特性,RS-232C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。一般采用5V或12V。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。RS-232C的内部波形和接口信号波形：,6.2串行接口RS-232C的接口信号,RS-232-C接口连接器：连接的两端分别为DTE（DataTerminalEquipment）和DCE（DataCommunicationEquipment）端。,6.2串行接口RS-232C的接口信号,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RS-232C的一个应用例子,操作实例：DCE为MODEM，DTE为PC机。通信方式为采用DTR/DSR联络的全双工(不使用RTS和CTS)。(被叫方RS-232),6.2串行接口PC中RS-232C的实现,在早期的PC机中，串行接口是由一块独立的IC芯片实现的，如Intel8250，实现串行通信的功能部件被称为UART（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter）。,在近代PC机中，将UART和其他的标准接口电路集成在一起，被称为SuperI/O芯片。SuperI/O芯片被集成到了南桥芯片（或ICH）中。一般的芯片组集成有2个串行接口，可以通过插卡方式或USB扩展方式增加串行接口。系统默认的端口地址个中断配置如表。,6.2串行接口PC中RS-232C的实现,PC机为UART分配8个寄存器端口地址，大多数UART使用了其中的7个。,6.3并行接口IEEE1284,用途：早期的并行端口用于连接打印机。后来发展成为标准的多功能接口，用于连接外接光盘驱动器、外接硬盘等。标准：IEEE1284标准是于1994确定的并行接口标准。该标准定义了并口的物理特性、电气规范和数据传送模式。特点：并行接口中定义了8条数据线，每次传送一个字节。速度比串行口快的多，为150KB2MB/s。连接器：PC机一端采用DB25连接器。,6.3并行接口IEEE1284的接口信号,DB25并行口连接器中的信号：定义了8条数据线、4条输出控制线和5条状态线。全部信号线为5VTTL电平。,6.3并行接口IEEE1284的工作模式,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。之后并行口增加模式：标准并行口(SPP:StandardParallelPort)：增加4位输入能力，输出速率150KB/s，输入速率50KB/s。双向并行口(PS/2)：8位输入，双向传输速率150KB/s。增强并行口(EPP:EnhancedParallelPort)：高速双向，传输速率500KB2MB/s。适合双向高速传送。增强性能并行口(ECP:EnhancedCapabilityPort)：高速双向，传输速率500KB2MB/s。支持DMA。适合批量数据单向高速传送。,6.4USB（UniversalSerialBus）,USB接口由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。,新型的串行技术由于集成电路技术的发展，高度复杂的接口电路的集成芯片成本降低。点对点的串行传输可以使得传输速度大幅度提高。现代计算机对接口的传输速度要求提高。,USB图标,6.4USB简介,物理接口USB采用4线传输，其中两条信号线，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。传输模式和速度USB采用平衡半双工方式。USB1.1具有两个物理传输模式，全速模式为12Mb/s，低速模式为1.5Mb/s。USB2.0的高速模式的物理速率为480Mb/s，同时兼容USB1.1。,6.4USB同步方案,NRZI（NonReturntoZeroInvert，不归零反向码）编码USB的线上传输采用NRZI编码，相当于插入时钟，数据没有变化表示1，数据有变化则表示0。并要在连续6个1之后插入一个0，接收端再按照这样的规律将插入的0删除。,6.4USB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。,6.4USB特点,高可靠性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。使用方便自带+5VDC电源，可输出500mA。接口具备电源管理能力。具有热插拔能力，在操作系统的协同下实现即插即用。节省资源多个设备使用同一组中断和DMA通道。关于USB速度半双工传输方式；串行传输信息中包含状态、控制和差错校验信息；多设备共享一个根USB传输带宽被连接多个设备共享；NRZI编码NRZI编码后数据量会增大。,6.4USB传输模式,USB的四种基本的数据传输模式控制传输（Controltransfer）支持外设与主机之间的控制、状态、配置等信息的传输，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。,6.5IEEE-1394接口,1394a于1995年发布。后续的版本是1394b1394a：标准定义了多种传输速率，12.5、25、50、100、200、400Mb/sec的传输速率。1394b：为下一代PC所制定的标准，增加了800和1600Mb/sec，如果使用光纤的话，最高传输速率提高到了3200Mb/sec。接口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。,6.5IEEE-1394接口和USB比较,IEEE-1394和USB1.1、USB2.0的比较,6.6IDE接口概述,IDE（IntegratedDeviceElectronics）属于内部接口，又叫ATA接口。用途：是PC机用于连接硬盘、光盘驱动器的通用接口，一般PC机主板上有两个IDE接口。连接：一般通过软电缆连接主机的IDE接口和硬盘及光驱。,6.6IDE接口连接,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接口版本发展,IDE连接电缆IDE连接器为40双排连接器，UDMA标准的连接电缆中增加40根地线（80线），连接器不变。,6.6IDE接口传输模式,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5种子模式(MODE04)：PIO模式01234传输速度3.25.28.311.116.7DMA：(DirectMemoryAccess直接存储器访问)比PIO更高效的传送模式，有3种子模式(MODE02)：DMA模式012标准ATA-1ATA-2ATA-2传输速率4.213.316.7UDMA：(Ultra-DMA)比普通DMA更高速的方式，采用了更高速的时钟，而且在时钟的上沿和下沿分别传送数据，速度加倍。传输速率可以达到33、66和100MB/s。,6.6IDE接口高级特性,SMART:(Self-Monitoring,AnalysisandReportingTechnology自监视、分析和报告技术)提高硬盘系统的安全性。CRC:(CyclicRedundancyCheck循环冗余校验)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。,6.7SATA接口,Intel联合多家厂商于2001年推出了SerialATA1.0规范。基本SATA的传输速率为150MB/sec。SATA采用高速串行平衡传输技术，并采用屏蔽线线传输，提高了抗干扰特性，使得传输速度提高。,6.7SATA接口SATA接口硬盘,ATA（IDE）接口和SATA接口硬盘,6.7SATA接口连接器和电缆,连接：SATA接口连接器为7线连接，传输线4线屏蔽线，信号传输采用平衡传输方式，传输电压为+0.25V和-0.25V。,6.7SATA接口,SATA版本：目前SATA有3个版本，传输速度分别为150、300和600MB/sec。,外接：由于SATA电缆很细，而且支持热拔插，SATA接口可以作为高速的外部接口。,6.8SCSI接口概述,SCSI（SmallComputerStandardInterface）：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。SCSI在PC的应用：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。SCSI连接：菊花链模式。,6.8SCSI接口电缆和连接器,电缆和连接器目前SCSI分两类：即标准SCSI(8位)和WideSCSI(16位)。分别使用50芯A型电缆(见表6.17)和68芯P型电缆及连接器。50线SCSI电缆主机端50线SCSI电缆外设端,6.8SCSI接口版本,6.8SCSI接口从SCSI到SAS,SAS（SerialAttachedSCSI）：采用SCSI的协议和类似SATA的串行传输技术的新一代SCSI接口标准。今后将形成SATA和SAS并存的形式,6.9IrDA红外接口,IrDA（InfraredDataAssociation）：红外数据协会的简称，IrDA制订了一系列红外数据通讯标准。目前IrDA成为红外线标准的简称。IrDA的特点：点对点传输；传输距离01米；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；和无线传输相比，安全性好；IrDA应用目前主要应用于笔记本和移动数码产品。,6.9IrDA标准,IrDA标准：IrDA1.0:简称为SIR(SerialInfraRed)，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FastInfraRed，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(VeryFastInfraRed)技术，