第09章IO接口new.docx

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第9章I/O接口

9.1概述

本章覆盖了当前PC系统中主要的外围设备输入输出端口。

其中包括了对串口和并口的论述，并介绍了更流行的通用串行总线（USB）和IEEE-1394接口（IEEE代表InstituteofElectricalandElectronicEngineers，电子电气工业协会）。

虽然IDE也是I/O接口，但是由于它主要与驱动器相关，所以在本教材的第7章中对其作了专门的介绍。

从传统的角度讲，串口和并口是所有PC系统中最基本的通信端口。

这些端口现在仍然很重要，但USB端口正慢慢取代它们成为PC系统中的最重要的I/O接口，越来越多的外部设备选择使用USB接口与系统连接。

9.2串口

9.2.1串口概述

串口，也就是串行端口，又被称之为通信端口或COM端口，用于需要与系统进行双向通信的设备。

串口的数据传输是串行的，串行是指发送一个字节字符的八位二进制位时是按顺序一位一位的发送了，而接收也是一位一位地接收，而不是八位同时传送。

更形象地说，串行是数据通过一条单独的导线传送，并且当发送数据位时，每个数据位都按顺序被串接起来。

串行传输的典型例子是我们日常生活中所用的电话系统，它在每个方向都提供了一条传送数据的导线。

计算机系统一般都有一个或两个串行端口，通常位于系统的后部。

这些内置的串口一般通过主板上的超级I/O芯片控制。

如果系统提供的串口数目不能满足需要，用户可以购买单口或多串口卡。

目前PC系统中的串口是RS-232C接口。

RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA（ElectronicIndustryAssociation）代表美国电子工业协会，RS（ecommededstandard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前，有RS232B、RS232A。

。

它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。

常用物理标准还有RS-422A、RS-423A、RS-485等。

早期PC系统的串口曾经使用过25针连接器，图9-1展示了目前普遍使用的是9针连接器，表9-1给出的是9针串行连接器引脚引出线的说明。

图9-19针串口连接器

表9-19针串口连接器引脚引出线的说明

引脚

信号

说明

I/O

1

CD

载波检测

输入

2

RD

接收数据

输入

3

TD

发送数据

输出

4

DTR

数据终端就绪

输出

5

SG

信号地

-

6

DSR

数据准备好

输入

7

RTS

发送请求

输出

8

CTS

消除发送

输入

9

RI

振铃指示

输入

串口可以连接多种设备，例如调制解调器、鼠标、其他计算机、手机、数码照相机和设备控制电路等。

官方规范所建议的最大线缆长度为15米（50英尺）。

其限制因素是线缆及接口输入电路的总负荷电容。

最大电容值被指定为2500pF。

有些特殊的低电容线缆实际上可以极大地增加线缆的最大长度，使之达到150米或更多。

此外，线路驱动器（放大器/中继器）还可以将线缆的长度扩展到更长。

9.2.2通用异步收发器（UART）

所有串口的核心是通用异步收发器（UART）芯片。

该芯片完全控制了将PC中的原始并行数据转换成串行格式，然后将串行数据转换回并行格式的过程。

在市场上已经出现了几种类型的UART芯片。

最初的PC和XT使用的是8250UART，该芯片已经在廉价的串口板上使用了许多年。

从第一个16位系统开始，16450UART成为常用的芯片。

这些芯片的惟一区别是它们在高速通信中的适用性。

16450比8250更适合于高速通信。

但是对大多数软件来说，这两种芯片显得是相同的。

16550UART是用于IBMPS/2线路中的第一种串口芯片，其他的386和更高的系统也很快采用了该芯片。

该芯片的功能与早期的16450和8250相同，但是它包括了一个用于辅助更高速通信的16字节缓冲器。

该缓冲器有时被称为FIFO（先入先出）缓冲器。

几乎所有的Pentium级和更新的系统在其串口中都具有类似于16550的UART功能，但是这些系统中的多数并没有这种插座式16550UART芯片，16550的功能已经被集成到了超级I/O芯片中。

因为16550比早期的芯片速度更快、更可靠，所以最好要确保串口上安装的是该芯片或同等芯片。

如果想知道系统中UART的类型，那么可以通过使用Microsoft的MSD程序（在MSDOS6.X和Windows9x/Me中附有该程序）来判断UART的类型。

要注意的是，MSD通常将16450UART报告为8250。

在Windows系列操作系统环境下，还有一种判断系统中UART芯片类型的方法：

首先点击“开始”菜单，然后选择“设置”下的“控制面板”。

接着双击调制解调器图标，并点击“诊断”标签。

那么即使COM端口上没有连接调制解调器，诊断属性页上也将显示出系统中所有的COM端口。

选择想在列表中校验的端口并点击“详细信息”按钮，Windows操作系统将与端口通话以判断UART的类型，这些信息将被显示在“详细信息”对话框中的“端口信息”部分。

如果端口上连接有调制解调器，那么将显示额外的关于调制解调器的信息。

9.2.3高速串口卡

如果用户使用的是运行速率在115Kbps（16550系列UART的最大速率）以上的外部RS-232设备，要使其达到最大的性能，必须使用更强功能的高速串口卡代替现有的串口。

大多数高速串口卡支持的初始速率设置为230Kbps或460Kbps以上，当将PC与挂接在串口上的高速外部元件（如ISDN终端适配器）相连接时，该高速性能就显得特别重要。

除非串口的传输速率为230Kbps以上，否则并不能利用外部ISDN终端适配器的最高速度。

9.2.4串口的配置

当在系统中安装串口时，必须为这些串口设置其所使用的具体I/O地址（称为端口）和中断（对于中断请求来说被称为中断请求线）。

关于设置这些设备的最好方法是采用现有的标准。

对于设置串口，可以使用表9-2中列出的地址和中断号。

表9-2标准串行端口的I/O地址和中断

COMx

I/O端口

IRQ

COM1

3F8-3FFh

IRQ4

COM2

2F8-2FFh

IRQ3

COM3

3E8-3EFh

IRQ4①

COM4

2E8-2EFh

IRQ3①

①注意，虽然许多串口可以被设置为与COM1和COM2共享IRQ3和IRQ4，但是并不推荐这种方法。

如果可能的话，最好的方法是将COM3设置为IRQ10，将COM4设置为IRQ11。

如果需要使用COM3以上的串口，那么最好购买一块专用的串口卡，最好是支持IRQ共享而不发生冲突PCI卡。

如果想增加除标准的COM1和COM2之外的串口，那么必须确保这些串口使用了惟一和不冲突的中断。

最新的PCI串口卡具有共享IRQ的特性，允许COM3以上的串口使用单独的IRQ而不会发生冲突。

注意BIOS生产商从来没有将支持COM3和COM4的信息写入BIOS。

因此，由于DOS是从BIOS中读取I/O信息，所以DOS不能对COM2以上的串口进行操作。

在POST（加电自检）期间，BIOS将找出系统中所安装的元件及其所在位置。

POST将仅仅检验所安装的前两个端口。

由于Windows中可以支持多达128个串口，所以在Windows系统中可以方便地使用多串口卡。

多串口卡可以使得系统仅仅通过使用一个插槽和一个中断就能够从多个设备采集数据，或者与多个设备共享数据。

9.3并口

9.3.1并口概述

并口一般用于将打印机连接到PC上，所以并口又往往被称为打印机端口。

但是随着这些年将其作为多用途的、相对高速的设备间接口（与串口相比），并口的用途变得越来越广泛。

最初并口都是单向的，现在的并口已经能发送和接收数据。

在PC系统中，并口常用的I/O端口和中断分别是378和IRQ7。

并口之所以被称为并行端口，是因为它有8条数据线，可以通过这8条数据线同时发送包含了数据的一个字节的所有数据位。

因为并口一次可以传送多个数据位，所以在这方面，并口的性能要优于一次只能传送1位的串口。

9.3.2IEEE1284标准

IEEE1284标准定义了并口的物理特性，包括数据传送模式和物理及电气规范。

这个标准被称为“个人计算机双向并行外围接口的标准信号发送方法，最终版本于1994年3月被批准。

IEEE1284规范被用于标准化PC和附加设备间的行为，尤其是附加的打印机，然而，其他外围设备的提供商对该规范颇感兴趣。

IEEE1284支持在计算机与打印机之间或两台计算机之间以更高的吞吐量进行连接。

其结果是所使用的打印机线缆不再是标准的打印机线缆。

IEEE1284规范中的打印机线缆使用了双绞线技术，这样使得连接更加可靠而且无差错。

IEEE1284标准还定义了并口连接器，其中包括两种现有的类型（称为A型和B型）和一种被称为C型的高密度连接器。

A型指的是标准的DB25连接器，它被用于大多数PC系统并口的连接中，而B型指的是大多数打印机中标准36针Centronics模式的连接器。

C型是一种新的高密度36针的连接器，市场上新出现的一些打印机使用的就是该类型的连接器，例如惠普公司的产品。

这三种连接器如图9-2所示。

其中第一排是A型连接器，第二排是B型连接器，第三排是C型的打印线缆以及C型和A型的对比。

图9-2IEEE1284规范中三种不同类型的并口连接器

表9-3说明了PC系统并口采用的标准DB25连接器的引脚定义。

表9-3PC系统并口采用的标准DB25连接器的引脚定义

引脚

说明

引脚

说明

1

选通

14

自动换行

2

数据位0

15

出错

3

数据位1

16

初始化

4

数据位1

17

选择输入

5

数据位3

18

数据位0回送（GND）

6

数据位4

19

数据位1回送（GND）

7

数据位5

20

数据位2回送（GND）

8

数据位6

21

数据位3回送（GND）

9

数据位7

22

数据位4回送（GND）

10

确认

23

数据位5回送（GND）

11

忙

24

数据位6回送（GND）

12

纸完

25

数据位7回送（GND）

13

选择

IEEE1284并口标准定义了五种不同的端口操作模式，其中着重强调了具有更高传输率的EPP和ECP模式。

有些模式仅仅用于输入，而其他模式仅仅用于输出。

将这5种模式进行组合，总共可以得到4种不同的并口类型，这些并口类型如表9-4所示。

IEEE1284定义的并口模式如表9-5所示，表中还列出了近似的传输率。

表9-4IEEE-1284并口类型

并口类型

输入模式

输出模式

注释

SPP（标准并口）

半字节

兼容

4位输入，8位输出

PS/2双向并口

字节

兼容

8位I/O

EPP（增强型并口）

EPP

EPP

8位I/O

ECP（扩充性能并口）

ECP

ECP

8位I/O，使用DMA

表9-5IEEE-1284并口模式

并口模式

方向

传输率

半字节（4位）

只输入

50KB/s

字节（8位）

只输入

150KB/s

兼容

只输出

150KB/s

EPP（增强型并口）

输入/输出

500KB-2MB/s

ECP（扩充性能并口）

输入/输出

500KB-2MB/s

目前的PC系统并口一般支持SPP、ECP和EPP这三种类型，用户可以在BIOS设置中选择使用其中一个，通常SPP的兼容性最好。

高速并口（例如，EPP和ECP类型的并口）曾经被用来支持诸如ZIP驱动器、CD-ROM驱动器、扫描仪、磁带机，甚至硬盘等外设。

这些设备中的大多数都带有使用了直通式（pass-through）连接的并口。

这就意味着本地打印机仍然可以与这些设备一起通过端口进行工作。

这些设备都有其自身的驱动程序，这些驱动程序可以作为设备与打印机之间所传递信息的媒介。

通过使用EPP或ECP模式可以获得高达2MB/s的通信速率。

这样就可以支持相对高速的设备，就如同该设备被连接到系统内部的总线上一样。

9.4USB、IEEE-1394与串行连接

近几年推出的用于台式和便携式PC的高速串行总线结构是通用串行总线（USB）和IEEE-1394。

这些结构都是远胜于标准串口和并口性能的高速通信端口。

除了其突出的性能外，这些新的端口还支持I/O设备的合并，这就意味着所有类型的外设都可以连接到这些端口上。

最新的高性能外部总线设计趋势是使用串行结构，这样可以通过1根导线一次发送1位数据。

而并行结构则同时使用8根、16根或更多的导线来发送数据位。

在相同的时钟速度下，并行总线要快得多。

但是，提高串行连接的时钟速度却要比提高并行连接的时钟速度要容易得多。

并行连接将面临多个问题，其中最大的问题是信号的不同步和振动。

不同步和振动是将高速并行总线线缆长度相对较短的原因。

出现不同步和振动的原因是：

虽然8位或16位数据被发送器同时发送，但是当它们到达接收器时，传输延迟已经使得一些数据位先于其他数据位到达。

线缆越长的话，在线缆的另一端第一个和最后一个数据位到达的时间间隔将越长。

信号的不同步，使得不能以高速的传输率或更长的线缆（或者两者兼而有之）来进行通信。

振动指的是信号达到其目标电压并在目标电压上下浮动一小段时间的趋势。

使用串行总线可以一次发送1比特数据。

由于无需担心每一位数据的到达时间，因而可以疯狂地提高时钟频率。

例如，EPP/ECP并口的最大传输速率为2MB/s，而IEEE-1394端口（使用高速串行技术）支持的传输速率高达400Mbps（约50MB/s），这比并口速率快25倍。

USB2.0支持的传输速率可以高达480Mbps（约60MB/s）。

在高时钟频率下，并行信号将相互干扰。

因为只有1根或2根信号线，所以串行传输又具有一个优势，那就是可以忽略线缆导线之间的串扰和干扰。

一般说来，并行线缆比串行线缆要贵得多。

在并行线缆中，除了需要许多额外的导线来传送多个数据位外，所用的线缆也需要特制，以防止相邻数据线之间的串扰和干扰。

另一方面，串行线缆相对而言要廉价得多。

首先，它只有少得多的导线。

其次，即使在高速下，它的屏蔽要求也要简单得多。

正因为如此，在更长的距离之间也可以比较容易地保证串行数据的可靠性，这就是建议的并口线缆长度要比串口的短的原因。

基于上述那些原因以及为了满足新的即插即用外围设备接口和减少便携式计算机上拥挤的物理端口的需要，出现了上述高性能串行总线。

9.5USB

9.5.1USB概述

USB是一种外部设备总线标准，它的设计为PC的外部连接设备带来了即插即用功能。

USB的出现不再需要专用的端口，也减少了专用I/O卡的使用（从而也减少了因添加新卡而重新配置系统的需要），大大节省了像IRQ这样重要的系统资源，所有连接到USB端口上的设备只需要1个IRQ即可。

带有USB的PC可以支持对外设的自动识别与设置，只需将外设在物理上连接到PC即可，而不需要重新启动或运行安装程序。

注意最初的Windows95不支持USB，Windows95OSR2.0版可以支持，但是并没有将USB的驱动程序自动地包括在内，这些驱动程序是单独提供的。

Windows95OSR2.1及之后的版本Windows系列操作系统包含了对USB1.1的完整支持。

WindowsXP在安装了SP1补丁包后完整支持USB2.0。

USB的线缆、连接器、集线器以及外围设备能够用图9-3表示。

图9-3这个标志用来表示USB的线缆、连接器、集线器和外部设备

Intel是USB最早的支持者，从PIIX3南桥芯片组开始（于1996年2月发布），Intel公司所有的PC主板芯片组就已经将USB作为标准包含在内。

其他主板芯片组生产厂商也纷纷将USB看作与串并口一样的台式机和笔记本电脑的标准特性。

通过插入一块PCI卡（参见图9-4）或PCMCIA卡（参见图9-5），就可以在没有内置USB支持的老式计算机上使用USB。

图9-4图9-5

其他6家最初与Intel合作开发USB的公司是：

Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC和NorthernTelecom。

这些公司一起创建了USB实现者论坛（USBImplementersForum，USB-IF）来开发、支持和推进USB体系结构的发展。

9.5.2USB1.1和USB2.0

USB-IF于1996年1月发布了USB1.0版本，于1998年9月发布了USB1.1版本。

其中1.1版本主要是对关于集线器和该规范其他领域中一些问题的说明。

USB1.1版本被定义为通过简单的4线连接以最高12Mbps（1.5MB/s）的速率运行，设备间的线缆长度可达5米。

注意，虽然标准允许连接多达127台设备，但是所有的设备只能共享1.5MB/s的带宽，这就意味着每增加一台活动的设备，总线就将慢一些。

在实际的使用中，很少有人会在任何时刻都连上8台以上的设备。

USB也带有一个慢一些的1.5Mbps的子通道。

该子通道的连接机构可以用于慢速接口设备，例如键盘和鼠标。

1999年10月发布的USB2.0版本，其速度比最初的USB快40倍，而仍然具有完全的向后兼容性，

使用的连接器和软件接口都相同。

从终端用户的观点来看，USB2.0的工作状态与1.1版完全一致，只是

运行得快一些，而且可以支持更高性能的设备。

由于USB2.0支持所有的低速连接，因此，所有的USB1.1设备都可以在USB2.0总线上工作。

在2002年12月修订的USB2.0版本中，USB1.1的说法已不复存在，并被统称为USB2.0。

新的USB2.0标准按传输速率的大小分为三种规格，表9-6列出了这三种规格的名称和对应的最高传输速率。

表9-6USB2.0标准的三种规格

名称

传输速率

High-speed

480Mbps

Full-speed

12Mbps

Low-speed

1.5Mbps

图9-6展示了符合USB1.1标准的旧式标签和符合USB2.0High-speed标准的新式标签

图9-6USB-IF符合USB1.1的标签（左）和符合USB2.0的新标签（右）

9.5.3USB连接器

USB规定了四种不同的连接器，称为标准A、标准B、微型A（Mini-A）和微型B（Mini-B）系列。

标准A系列连接器是为那些线缆要永久连接的设备设计的，例如集线器、键盘和鼠标。

大多数主板上的USB端口通常也是标准A系列连接器。

标准B系列连接器是为需要可分离线缆的设备设计的，例如打印机、扫描仪、刻录机等。

标准A和标准B连接器都采用4针接口，其中2针传送数据，2针传导电源，可以提供5伏特的电压。

标准A和标准B系列连接器体积太大，不适合于小型数码产品，于是各数码产品生产厂商纷纷开发小型的USB连接器。

在小型化USB连接器标准统一之前，数码设备出现了很多形状各异的小型USB连接器，大多只能用专用的USB通讯线缆。

直到USB标准化组织制定了微型A和微型B连接器标准，用于小型设备的USB连接器才有逐步统一的趋势。

图9-7展示了上述四种USB连接器插头的外形。

从左到右依次是标准B、Mini-B、Mini-A和标准A。

注意除了Mini-B、Mini-A插头分别有各自对应的插座外，还有一种Mini-AB插座用于两用设备。

Mini-A新增的ID脚（以前的USB插头不含此脚）在连接Mini-AB时接地短路，而Mini-B则使该脚断开，这样两用设备便可识别连接设备的类型以决定设备的默认角色。

Mini-A和Mini-B插头是严格配对适用的，如：

不能将Mini-A插头和Mini-B插座配合使用。

但是，Mini-AB插座适合于以上两种插头。

另外，他们的插头和插座内部的塑料都有颜色：

Mini-A为白色，Mini-B为黑色，Mini-AB为灰色。

图9-7USB连接器

与一般的串口或并口连接器不同，USB连接器比较小，而且该连接器没有用螺丝钉或者翼形螺钉来连接。

由于没有弯曲或折断的引脚，所以装卸USB设备非常容易。

9.5.4USB接口扩展

USB设备被分为集线器和功能设备，或两者的结合。

集线器提供了对USB的额外连接点，支持连接外加的集线器或者功能设备。

功能设备是连接到USB上的单独设备，例如键盘、鼠标、照相机、打印机、刻录机等。

在PC设备系统中的初始端口被称为根（root）集线器，它们是USB的起点。

目前，大多数主板带有2个、3个或4个USB端口，每个端口都能连接功能设备或者附加的集线器。

除了以上的端口，主板一般还会额外提供几组USB接口引脚，可以采用USB扩展连线来扩展USB端口的数量。

有些PC系统在计算机的前端就提供了一两个USB端口，这为偶尔使用的USB设备提供了连接上的方便。

图9-8展示了一款用于机器后部的USB扩展连线。

图9-8USB扩展连线。

在不同型号的主板上，USB接口引脚的排列和定义可能会有所不同，一旦插错，容易出现烧坏USB设备。

所以在使用这几组接口引脚时要特别的注意。

表9-7显示了典型的USB接口引脚定义及线缆的信息。

表9-7典型的USB接口引脚定义及线缆的信息

引脚

信号名称

导线颜色

注释

1

VCC

红

线缆电源

2

-数据

白

数据传送

3

+数据

绿

数据传送

4

地

黑

线缆接地

每一个USB主机（host）控制器下最多可以有5级集线器，包括集线器在内，最多可以连接127个设备，而一台计算机可以同时有多个控制器。

并且还支持将外设（例如，显示器和键盘）作为集线器。

（参见图9-8）。

图9-8典型的使用多个集线器级联

集线器在本质上就是连线的集中器，在星形拓扑结构中，集线器可以连接多台设备。

每个连接点被称为一个端口。

大多数集线器有4到7个端口。

为了保证更大的扩充性，可以将附加的集线器连接到现有集线器的端口上。

图9-9展示了一款典型的4口USB集线器。

图9-9典型的4口USB集线器

除了为连接USB设备提供附加的连接器，集线器还为连接的所有设备提供电源。

集线器可以识别USB设备的动态连接，并且在设备的初始化期间为每个设备提供至少0.5W的电源。

在主机PC驱动程序软件的控制下，集线器可以为外部操作提高更多的设备电源，最多可达2.5W。

注意USB一个有意思的功能是，由USB总线给所有连接的设备提供电源。

USB的PnP特性支持系统询问所连接设备的电源需要，如果超过了系统实际的供电能力，那么将发出一个警告。

要避免连接的USB设备消耗光所有的电源，建议用户使用自带电源的集线器和USB设备。

支持高速USB2.0的设备需要使用USB2.0的集线器。

如果在USB2.0总线上仍能使用老的USB1.1集线器，所有连接到USB1.1集线器下游的设备和附加的集线器都只能以较慢的USB1.1的最高速率1.5MB/s来运行。

如果连接到USB2.0集线器的外设不支持USB2.0，那么它们之间的连接将以较低的USB1.1速率来进行操作。

9.6IEEE-1394

9.6.1IEEE-1394概述

IEEE-1394（简称1394）是由IEEE标准委员会于1995年下半年发布的。

它是音视频多媒体设备的大容量数据移动需要的产物，主要优点是速度快，其数据传输速率高达400Mbps。

因为在IEEE-1394-1995