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计算机总线与接口技术基础知识
计算机总线技术基础知识
任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接,但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接,那么连线将会错综复杂,甚至难以实现。
为了简化硬件电路设计、简化系统结构,常用一组线路,配置以适当的接口电路,与各部件和外围设备连接,这组共用的连接线路被称为总线。
采用总线结构便于部件和设备的扩充,尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。
微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。
内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线,用于芯片一级的互连;而系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线,用于插件板一级的互连;外部总线则是微机和外部设备之间的总线,微机作为一种设备,通过该总线和其他设备进行信息与数据交换,它用于设备一级的互连。
另外,从广义上说,计算机通信方式可以分为并行通信和串行通信,相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。
并行通信速度快、实时性好,但由于占用的口线多,不适于小型化产品;而串行通信速率虽低,但在数据通信吞吐量不是很大的微处理电路中则显得更加简易、方便、灵活。
串行通信一般可分为异步模式和同步模式。
随着微电子技术和计算机技术的发展,总线技术也在不断地发展和完善,而使计算机总线技术种类繁多,各具特色。
下面仅对微机各类总线中目前比较流行的总线技术分别加以介绍。
一、内部总线
1.I2C总线
I2C(Inter-IC)总线10多年前由Philips公司推出,是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。
它是同步通信的一种特殊形式,具有接口线少,控制方式简化,器件封装形式小,通信速率较高等优点。
在主从通信中,可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上,通过地址来识别通信对象。
2.SPI总线
串行外围设备接口SPI(serialperipheralinterface)总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。
Motorola公司生产的绝大多数MCU(微控制器)都配有SPI硬件接口,如68系列MCU。
SPI总线是一种三线同步总线,因其硬件功能很强,所以,与SPI有关的软件就相当简单,使CPU有更多的时间处理其他事务。
3.SCI总线
串行通信接口SCI(serialcommunicationinterface)也是由Motorola公司推出的。
它是一种通用异步通信接口UART,与MCS-51的异步通信功能基本相同。
二、系统总线
1.ISA总线
ISA(industrialstandardarchitecture)总线标准是IBM公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准,所以也叫AT总线。
它是对XT总线的扩展,以适应8/16位数据总线要求。
它在80286至80486时代应用非常广泛,以至于现在奔腾机中还保留有ISA总线插槽。
ISA总线有98只引脚。
2.EISA总线
EISA总线是1988年由Compaq等9家公司联合推出的总线标准。
它是在ISA总线的基础上使用双层插座,在原来ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线,也就是在两条ISA信号线之间添加一条EISA信号线。
在实用中,EISA总线完全兼容ISA总线信号。
3.VESA总线
VESA(videoelectronicsstandardassociation)总线是1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种局部总线,简称为VL(VESAlocalbus)总线。
它的推出为微机系统总线体系结构的革新奠定了基础。
该总线系统考虑到CPU与主存和Cache的直接相连,通常把这部分总线称为CPU总线或主总线,其他设备通过VL总线与CPU总线相连,所以VL总线被称为局部总线。
它定义了32位数据线,且可通过扩展槽扩展到64位,使用33MHz时钟频率,最大传输率达132MB/s,可与CPU同步工作。
是一种高速、高效的局部总线,可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器。
4.PCI总线
PCI(peripheralcomponentinterconnect)总线是当前最流行的总线之一,它是由Intel公司推出的一种局部总线。
它定义了32位数据总线,且可扩展为64位。
PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小,其功能比VESA、ISA有极大的改善,支持突发读写操作,最大传输速率可达132MB/s,可同时支持多组外围设备。
PCI局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA(microchannelarchitecture)总线,但它不受制于处理器,是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。
5.CompactPCI
以上所列举的几种系统总线一般都用于商用PC机中,在计算机系统总线中,还有另一大类为适应工业现场环境而设计的系统总线,比如STD总线、VME总线、PC/104总线等。
这里仅介绍当前工业计算机的热门总线之一——CompactPCI。
CompactPCI的意思是“坚实的PCI”,是当今第一个采用无源总线底板结构的PCI系统,是PCI总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准,是当今最新的一种工业计算机标准。
CompactPCI是在原来PCI总线基础上改造而来,它利用PCI的优点,提供满足工业环境应用要求的高性能核心系统,同时还考虑充分利用传统的总线产品,如ISA、STD、VME或PC/104来扩充系统的I/O和其他功能。
三、外部总线
1.RS-232-C总线
RS-232-C是美国电子工业协会EIA(ElectronicIndustryAssociation)制定的一种串行物理接口标准。
RS是英文“推荐标准”的缩写,232为标识号,C表示修改次数。
RS-232-C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。
RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。
RS-232-C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RS-232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。
2.RS-485总线
在要求通信距离为几十米到上千米时,广泛采用RS-485串行总线标准。
RS-485采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力。
加上总线收发器具有高灵敏度,能检测低至200mV的电压,故传输信号能在千米以外得到恢复。
RS-485采用半双工工作方式,任何时候只能有一点处于发送状态,因此,发送电路须由使能信号加以控制。
RS-485用于多点互连时非常方便,可以省掉许多信号线。
应用RS-485可以联网构成分布式系统,其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。
3.IEEE-488总线
上述两种外部总线是串行总线,而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。
它按照位并行、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。
4.USB总线
通用串行总线USB(universalserialbus)是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。
它基于通用连接技术,实现外设的简单快速连接,达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。
它可以为外设提供电源,而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。
另外,快速是USB技术的突出特点之一,USB的最高传输率可达12Mbps比串口快100倍,比并口快近10倍,而且USB还能支持多媒体。
常见接口类型介绍
一、并行接口
并行接口又简称为“并口”。
目前,计算机中的并行接口主要作为打印机端口,使用的不再是36针接头而是25针D形接头。
所谓“并行”,是指8位数据同时通过并行线进行传送,这样数据传送速度大大提高,但并行传送的线路长度受到限制 ,因为长度增加,干扰就会增加,数据也就容易出错。
现在有5种常见的并口:
4位、8位、半8位、EPP和ECP,大多数PC机配有4位或8位的并口,支持全部IEEE1284并口规格的计算机基本上都配有ECP并口。
标准并行口指4位、8位和半8位并行口。
4位口一次只能输入4位数据,但可以输出8位数据;8位口可以一次输入和输出8位数据。
EPP口(增强并行口)由Intel等公司开发,允许8位双向数据传送,可以连接各种非打印机设备,如扫描仪、LAN适配器、磁盘驱动器和CD-ROM驱动器等。
ECP口(扩展并行口)由Microsoft、HP公司开发,能支持命令周期、数据周期和多个逻辑设备寻址,在多任务环境下可以使用DMA(直接存储器访问)。
目前几乎所有Pentium级以上的主板都集成了并行口,并标注为Par-allel1或LPT1,这是一个25针的双排针插座。
2.中断处理方式
在这种方式下,CPU不再被动等待,而是一直执行其他程序,一旦外设交换数据准备就绪,就向CPU提出服务请求。
CPU如果响应该请求,便暂时停止当前执行的程序,执行与该请求对应的服务程序,完成后,再继续执行原来被中断的程序。
中断处理方式的优点是显而易见的,它不但为CPU省去了查询外设状态和等待外设就绪的时间 ,提高了CPU的工作效率,还满足了外设的实时要求。
但是需要为每个设备分配一个中断号和相应的中断服务程序,此外还需要一个中断控制器(I/O接口芯片)管理I/O设备提出的中断请求,例如设置中断屏蔽 、中断请求优先级等,这样将会加重系统的负担。
此外中断处理方式的缺点是每传送一个字符都要进行中断,启动中断控制器,还要保留和恢复现场以便能继续原程序的执行,系统的工作量很大,这样如果需要大量数据交换,系统的性能会很低。
3.DMA(直接存储器存取)传送方式
DMA最明显的一个特点是采用一个专门的硬件电路——DMA控制器控制内存与外设之间的数据交流,无须CPU介入 ,从而大大提高了CPU的工作效率。
在进行DMA数据传送之前,DMA控制器会向CPU申请总线控制权。
如果CPU允许,则将控制权交出,因此在数据交换时,总线控制权由DMA控制器掌握,在传输结束后,DMA控制器将总线控制权交还给CPU,所以现在采用DMA方式的设备CPU占用率都比较低。
不过由于计算机的外围设备品种繁多,而且大多采用了机电传动设备,因此现在CPU在与I/O设备进行数据交换时仍存在以下问题:
(1)速度不匹配。
I/O设备的工作速度要比CPU慢许多,而且由于种类的不同,他们之间的速度差异也很大,例如硬盘的传输速度就要比打印机快出很多。
(2)时序不匹配。
各个I/O设备都有自己的定时控制电路,以自己的速度传输数据,无法与CPU的时序取得统一。
(3)信息格式不匹配。
不同的I/O设备存储和处理信息的格式不同,例如可以分为串行和并行两种,也可以分为二进制格式、ACSII编码和BCD编码等。
(4)信息类型不匹配。
以上这些问题都是造成计算机实际使用效率不高的重要原因。
二、串行接口
计算机的标准接口叫做串行接口,简称为“串口”。
现在的PC机一般有两个串行口COM1和COM2。
串行口不同于并行口之处在于它的数据和控制信息是一位接一位地传送出去的。
虽然这样速度会慢一些,但传送距离较并行口更长,因此若要进行较长距离的通信时,应使用串行口。
通常COM1使用的是9针D形连接器,而COM2有的使用的是老式的DB25针连接器。
三、USB接口
USB即“UniversalSerialBus”,中文名称为通用串行总线。
这是近两年逐步在PC领域广为应用的新型接口技术。
理论上讲,USB技术由3部分组成:
具备USB接口的PC系统、能够支持USB系统软件和使用USB接口的设备。
自从微软推出Win9x以后,USB进入实用阶段。
据Dataquest公司统计结果显示,仅1999年全球已有1亿台USB设备售出,而这个数字到2000年已增加到1亿5000万台,预计到2001年这个数字至少还会在这个基础上翻一番。
USB设备有两种不同的连接器,称为A系列和B系列。
A系列连接器主要是为那些要求电缆保留永久连接而设计的,比如集线器、键盘和鼠标。
大多数主板上的USB接口都是A系列连接器。
B系列连接器是为那些需要可以分离电缆的设备二设计的。
如打印机、扫描仪、Modem等。
物理的USB插头是小型的,与典型的串口或并口电缆不同,插头不是通过螺丝和螺母连接。
理论上USB可以串列连接127个设备,但在实际应用测试中,也许串联3~4个设备就已经力不从心了。
而且,作为USB产品本身,只有键盘具备输入、输出双头设计,其他产品一律只有一个输入接口,所以就无法再连接另外一个USB设备。
此时如果需要进行多个USB设备的连接,就需要一个连接的桥梁——USBHUB。
目前的ATX主板一般只有两个内建的USB接口(815E芯片组将此数量提升了一倍),但要连接4个甚至4个以上的USB设备就必须加装USBHUB,通过USBHUB来扩充USB接口数量。
USBHUB可以连接USB设备,同时也可以串接另外一个USBHUB。
但是USBHUB连续串接时不能超过三个,也就是说,不能在第3个被串联的USB接口上再串接USBHUB。
USBHUB的安装步骤如下:
首先应开启主板上的USB接口。
检查CMOSSETUP中的USB选项,如果是选择为Disabled,请将此选项改成Enabled,存储后进入Windows便可找到USB控制器。
一般的HUB有一对二、一对四和一对五3种类型。
所谓一对二,就是通过原来的一个USB接口,扩充出两个USB接口。
说是一对二,但由于会占用原先的一个USB口,因此虽然扩充出两个接口,但实质上只多出一个USB接口。
依此类推,一对四便可多出三个USB接口,而一对五则可多出四个USB接口(接口越多HUB的价格当然也就越高,相应的耗电量也会增加)。
以一对四的USBHUB安装举例,这种USBHUB有1个输入接头和4个输出接头。
输出接头与输入接头的形状不一样,很容易区分。
同时,随HUB一般都会提供一条连接USB装置的导线,导线接头一端用来连接USB装置(或USBHUB)的输入端。
导线的另一端接头则是用来与USBHUB输出端连接的部分,依次对接安装就可以了。
值得注意的是,现在许多USB设备本身已经具备了USBHUB的功能。
比如某些显示器,其机壳背面有4个USB输出接头(当然,还有一个是USB输入接头),所以这台显示器也可承担一个USBHUB的责任。
还有一点就是电源,一对二的USBHUB通常没有外接电源,而一对四的USBHUB则大部分附带电源适配器,不过一对四的USBHUB就算不接电源,也是可以工作的,只是每个接口只能供电约100mA左右,而一旦接上电源适配器,则可提升至500mA左右。
目前最新的USB标准为USB2.0,它与上一版本的最大区别就是速度大幅提升。
USB2.0数据传输率将达到480Mbit/s,整整比USB1.1超出40倍。
同时USB2.0保持了很好的兼容性,数据电缆和接口与以前的接口相同。
换言之,USB2.0设备可以插在USB1.1接口上,而USB1.1设备也能够插在USB2.0接口上使用。
时至今日,USB已经在PC机的多种外设上得到应用。
输出设备方面 ,包括扫描仪、数码相机、数码摄像机、音频系统、显示器等等。
扫描仪、数码相机和数码摄像机是最早使用USB技术的产品,这几种产品主要还是利用USB的高速数据传输能力。
输入设备方面,USB键盘、鼠标器以及游戏杆都表现得极为稳定,很少出现问题。
此外还有DSL的USB“猫”、IOMEGA的USBZIP驱动器以及eTek的USBPC网卡等等。
如今越来越多的笔记本电脑都带有USB接口,这并不是说笔记本电脑可以从USB接口中获得多大的好处,关键在于那些经常在台式机和笔记本电脑之间传输数据的用户,可以使用USB接口提高工作效率。
四、IEEE1394接口
IEEE1394接口具有高速、可热插拔等特点,在视频系统中被广泛应用。
由于电脑的飞速发展,现在已经在PC机上看到1394的身影了,如技嘉推出的GA-6VX7-1394主板就具有3个1394接口。
IEEE1394的主板可广泛利用在各种视频系统中,可通过IEEE1394接口简单地将数码相机(VCR)里的数据直接送到PC机里进行处理,或通过IEEE1394接口传输到1394硬盘里保存。
而且IEEE1394接口还可以用于网络连接,所有的设备均可通过IEEE1394接口高速传输数据。
可以预见,随着USB和IEEE1394接口的发展,以后机箱后面的接口种类有可能会大大减少,也许除了这两种接口以外不会再有其他接口了。
五、磁盘接口
1.IDE接口
IDE接口也叫ATA接口,只可以接两个容量不超过528MB的硬盘驱动器。
IDE接口的成本很低,因此在386、486时期非常流行。
但大多数IDE接口不支持DMA数据传送,只能使用标准的PCI/O端口指令来传送所有的命令、状态和数据。
2.EIDE接口
EIDE接口较IDE接口有了很大改进,是目前最流行的接口。
首先它所支持的外设不再是2个,而是4个。
其支持的设备除了硬盘,还包括CD-ROM驱动器和磁盘备份设备等。
其次,EIDE标准取消了528MB的容量限制,并有更高的数据传送速率和更低的系统资源占用率。
3.SCSI接口
SCSI(SmallComputerSystemInterface)接口又称为小型计算机系统接口,在服务器和图形工作站中被广泛采用。
除了硬盘使用这种接口以外,SCSI接口还可以连接CD-ROM驱动器、扫描仪和打印机等。
SCSI接口具有以下几个特点:
(1)可同时连接7个外设;
(2)总线配置为并行8位、16位或32位;
(3)支持更高的数据传输速率,SCSI通常可以达到5MB/s,FASTSCSI(SCSI-2)能达到10MB/s,最新的SCSI-3甚至能够达到40MB/s;
(4)成本比IDE和EIDE接口高很多,而且SCSI接口硬盘必须和SCSI接口卡配合使用,SCSI接口卡也比IED和EIDE接口贵很多;
(5)SCSI接口是智能化的,可以彼此通信而不增加CPU的负担。
在IDE和EIDE设备之间传输数据时,CPU必须参与,而SCSI设备在数据传输过程中是主动运行的,能在SCSI总线内部执行具体步骤,直至完成再通知CPU。
计算机接口原理图
25针串口Serial(PC25)
1
SHIELD-
地屏蔽
2
TXD
发送数据
3
RXD
接收数据
4
RTS
发送请求
5
CTS
清除发送
6
DSR
设备准备好
7
GND
地
8
CD
载波检测
9-19
N/C
空
20
DTR
数据终端准备好
21
N/C
空
22
RI
铃声指示(RingIndicator)
23-25
N/C
空
这是常见的计算机接口原理图,相信对大家在电脑硬件的利用与维修方面有所帮助(至少像鼠标、键盘的转接口之类的东西可以自己搞定了)
九针串口Serial(PC9)
1
CD
载波检测
2
RXD
接收数据
3
TXD
发送数据
4
DTR
数据终端准备好
5
GND
地
6
DSR
设备准备好
7
RTS
发送请求
8
CTS
清除发送
9
RI
铃声指示
鼠标Mouse(PS/2)
1
DATA
数据
2
N/C
空
3
GND
接地
4
VCC
电源(+5V直流)
5
CLK
时钟
6
N/C
空
UniversalSerialBus(USB)
无图
1
VCC
+5V直流
2
D-
数据负
3
D+
数据正
4
GND
地
串口到PS/2鼠标转接口SerialtoPS/2MouseAdapter
串口
连接
PS/2插头
+5V
4
——
4+7+9
DTR+RTS+RI
数据
1
——
1
载波检测
地
3
——
3+5
TXD+GND
时钟
5
——
6
设备准备好
并口Parallel(PC)
1
/STROBE
门
2
D0
数据0位
3
D1
数据1位
4
D2
数据2位
5
D3
数据3位
6
D4
数据4位
7
D5
数据5位
8
D6
数据6位
9
D7
数据7位
10
/ACK
命令正确应答
11
BUSY
忙
12
PE
纸走完(PAPEREND)
13
SEL
选择
14
/AUTOFD
Autofeed
15
/ERROR
错误
16
/INIT
初始化
17
/SELIN
SELECTIN
18-25
GND
信号地
PS/2到串口鼠标转接口PS/2toSerialMouseAdapter
连接
地
3
——
5
地
RXD
2
——
2
RXD
TXD
6
——
3
TXD
+5V
4
——
7
RTS
游戏杆及MIDI接口PCGameport+MIDI
计算机上接口图
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