《第7章 接口与通信设备_讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第7章 接口与通信设备_讲义（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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 7.4 USB接口 7.5 IEEE 1394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
2、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（12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
3、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
4、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3F83FF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
5、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（Direct Memory Access，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C
6、PU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
7、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
8、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direct memory access)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
9、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
10、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
11、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
12、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（Full Duplex）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（Half Duplex）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
13、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：75115,200（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Pentium 4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
14、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（ Data Terminal Equipment ）和DCE（ Data Communication Equipment ）端。
15、,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”。,7.4 USB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。
16、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：,USB 1.1,USB 2.0,USB On-The-Go,USB 2.0 On-The-Go,Wireless USB,USB 3.0,7.4 USB物理连接,USB物理接口（USB 1.1/2.0） 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。 mini USB连接器，用于微型设备。,7.4 USB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（Low
