计算机接口技术报告.docx

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计算机接口技术报告

2015年秋季学期研究生课程考核

（读书报告、研究报告）

考核科目

:

计算机接口技术

学生所在院（系）

:

航天学院

学生所在学科

:

控制科学与工程

学生姓名

:

王磊

学号

:

15S004079

学生类别

:

学术型

考核结果

阅卷人

第1页（共21页）

计算机接口技术研究报告3

一．计算机接口技术概述3

1.什么是接口3

2.接口的功能3

3.CPU与外设之间设置接口3

4.接口技术在微机应用中起的作用4

5.接口电路的硬件组成4

6.接口电路的软件控制程序组成4

7.接口电路的结构形式4

8.CPU与接口之间传送数据方式5

二．总线技术5

1.总线的定义5

2.总线技术的特点5

3.总线的分类标准6

4.发展历史7

三．并行接口7

1.并行接口的概述7

2.接口的通信原理8

3.并行接口的主要特点9

4.串、并口9

5.并行接口的分类9

6.接口电缆10

7.链式连接方式11

8.发展现状及困境11

四．串行通讯接口12

1.定义：

串行接口12

2.串行接口的由来13

3.接口划分标准13

五．模数（A/D）和数模（D/A）转换15

1.模数转换和数模转换概述15

2.ADC0809模/数转换器17

3.DAC0832数/模转换器18

六．DMA接口技术18

1.DMA概述18

2.DMA工作方式 20

3.DMA控制器823720

计算机接口技术研究报告

一．计算机接口技术概述

1.什么是接口

微机接口是指计算机与其以外的设备进行通讯时的连接方式，具体分为硬件接口和软件接口，硬件接口也称为硬设备接口，主要指与外设备连接时的电缆接口、蓝牙接口、红外接口等；软件接口，是通过计算机语言实现两个设备之间的数据通讯连接，实现信息交换。

微机的强大功能是通过其与连接的外围设备以及处理信息的过程表现出来的。

输入输出接口电路是微机的微处理器连接外部设备的部件，在硬件电路和软件实现上都有其特定的要求和方法。

2.接口的功能

（a）执行CPU命令的功能：

CPU将对外设的控制命令发到接口电路中的命令寄存器（命令口）中，在经分析去控制外设

（b）返回外设状态的功能：

通过状态寄存器（状态口）完成，包括正常工作状态和故障状态

（c）数据缓冲的功能：

接口电路中的数据寄存器（数据口）对CPU于外设间传送的数据进行中转

（d）设备寻址的功能：

CPU某个时刻只能和一台外设交换数据，CPU发出的地址信号经过接口电路中的地址译码电路来选中I/O设备

（e）信号转换的功能：

当CPU与外设的信号功能定义、逻辑关系、电平高低及工作时序不兼容时接口电路要完成信号的转换功能

（f）数据宽度与数据格式转换的功能：

由于CPU处理的数据都是并行的，当外设采用串行传送方式时，接口电路就要完成串、并之间的转换，并进行数据格式的转换。

3.CPU与外设之间设置接口

在CPU与外设之间设置接口主要有4个原因：

（a）CPU与外设二者的信号不兼容，包括信号线的功能定义、逻辑定义和时序关系

（b）CPU与外设的速度不匹配，CPU的速度快，外设的速度慢

（c）若不通过接口，而由CPU直接对外设的操作实施控制，会使CPU处于穷于应付与外设打交道之中，大大降低CPU的效率

（d）若外设直接由CPU控制，会使外设的硬件结构依赖于CPU，对外设本身的发展不利。

4.接口技术在微机应用中起的作用

随着计算机技术的高速发展，计算机的应用越来越广泛。

然而，在微机系统中，微处理器的强大功能必须通过外部设备才能实现，而外设与微处理器之间的信息交换和通信又是靠接口来实现的，所以，接口技术成为了一门关键技术，它直接影响微机系统的功能和微机的推广应用。

5.接口电路的硬件组成

接口电路的硬件一般由以下几部分组成：

（a）基本逻辑电路：

包括命令寄存器、状态寄存器和数据缓冲寄存器，是接口电路中的核心

（b）端口地址译码电路：

实现设备的选择功能

（c）供选电路：

根据不同任务和功能要求而添加的功能模块电路。

6.接口电路的软件控制程序组成

接口电路的软件控制程序一般包括以下的程序段，各部分程序是相互渗透、融为一体的：

（a）初始化程序段：

对可编程接口芯片进行初始化编程

（b）传送方式处理程序段：

不同的传送方式（查询、中断、DMA方式）程序段不同

（c）主控程序段：

完成接口任务的程序段

（d）程序终止与退出程序段：

程序退出前对接口电路中硬件进行保护的程序段

（e）辅助程序段：

人－机对话、菜单等

7.接口电路的结构形式

接口电路的结构主要有四种：

（a）固定式结构：

不可编程的接口电路，结构简单、功能单一、固定

（b）半固定式结构：

由PAL或GAL器件构成的接口电路，功能和工作方式可以通过改写内部的逻辑表达式来改变，但逻辑表达式一旦烧入芯片，其功能和工作方式就固定下来了

（c）可编程结构：

其功能和工作方式可由编程指定，使用灵活、适应面广，且种类繁多

（d）智能型结构：

芯片本身就是一个微处理器，外设的全部管理都由智能接口完成，如I/O处理器I0809或通用单片机

8.CPU与接口之间传送数据方式

CPU与接口之间的数据传送方式主要有查询方式、中断方式和DMA方式：

（a）查询方式：

主要用于CPU不太忙且传送速度不高的情况下。

无条件传送方式作为查询方式的一个特例，主要用于对简单I/O设备的控制或CPU明确知道外设所处状态的情况下。

（b）中断方式：

主要用于CPU的任务比较忙的情况下，尤其适合实时控制和紧急事件的处理

（c）DMA方式（直接存储器存取方式）：

主要用于高速外设进行大批量数据传送的场合。

二．总线技术

1.总线的定义

总线，英文叫作“BUS”,即我们中文的“公共车”，这是非常形象的比如，公共车走的路线是一定的，我们任何人都可以坐公共车去该条公共车路线的任意一个站点。

如果把我们人比作是电子信号，这就是为什么英文叫它为“BUS”而不是“CAR”的真正用意。

当然，从专业上来说，总线是一种描述电子信号传输线路的结构形式，是一类信号线的集合，是子系统间传输信息的公共通道。

通过总线能使整个系统内各部件之间的信息进行传输、交换、共享和逻辑控制等功能。

如在计算机系统中，它是CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过主机相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接。

2.总线技术的特点

总线的优点就是能够更加方便地更换各个部件。

如果您想更换一个更好的显卡，您只需从总线上拔掉原来的显卡，然后插上新的就可以了。

如果您要在计算机上安装两个显示器，只需在总线上插入两个显卡。

二、三十年前，处理器的速度要非常慢，以便与总线同步，即总线与处理器的速度相同。

而且当时计算机上只有一条总线。

处理器的运转速度非常快，多数计算机都有两条或更多的总线。

每条总线专用于特定类型的流量。

现今，一台典型的台式个人计算机一般有两条主总线：

一条是我们通常所说的系统总线或局部总线，用于连接微处理器（中央处理器）和系统内存。

它是系统中运行最快的总线。

另一条总线的速度较慢，用于与硬盘和声卡等部件进行通信。

这种类型的总线最常见的是PCI总线。

这些运行较慢的总线通过桥接器连接到系统总线，因为桥接器是计算机芯片组的一部分并能起到流量交换的作用，所以能够将其他总线的数据集成到系统总线。

其实还有其他的总线。

例如，通用串行总线（USB），用于把照相机、扫描仪和打印机等设备连接到计算机。

它利用细线缆连接到设备，并且多个设备可以同时共用一根总线。

FireWire是另一种总线，主要用于摄影机和外置硬盘。

3.总线的分类标准

总线分类的方式有很多，如被分为外部和内部总线、系统总线和非系统总线等等，下面是几种最常用的分类方法。

（a）按功能分

最常见的是从功能上来对数据总线进行划分，可以分为地址总线（addressbus）、数据总线（databus）和控制总线（controlbus）。

在有的系统中，数据总线和地址总线可以在地址锁存器控制下被共享，也即复用。

地址总线是专门用来传送地址的。

在设计过程中，见得最多的应该是从CPU地址总线来选用外部存储器的存储地址。

地址总线的位数往往决定了存储器存储空间的大小，比如地址总线为16位，则其最大可存储空间为216（64KB）。

数据总线是用于传送数据信息，它又有单向传输和双向传输数据总线之分，双向传输数据总线通常采用双向三态形式的总线。

数据总线的位数通常与微处理的字长相一致。

例如Intel8086微处理器字长16位，其数据总线宽度也是16位。

在实际工作中，数据总线上传送的并不一定是完全意义上的数据。

控制总线是用于传送控制信号和时序信号。

如有时微处理器对外部存储器进行操作时要先通过控制总线发出读/写信号、片选信号和读入中断响应信号等。

控制总线一般是双向的，其传送方向由具体控制信号而定，其位数也要根据系统的实际控制需要而定。

（b）按传输方式分

按照数据传输的方式划分，总线可以被分为串行总线和并行总线。

从原理来看，并行传输方式其实优于串行传输方式，但其成本上会有所增加。

通俗地讲，并行传输的通路犹如一条多车道公路，而串行传输则是只允许一辆汽车通过单线公路。

常见的串行总线有SPI、I2C、USB、IEEE1394、RS232、CAN等；而并行总线相对来说种类要少，常见的如IEEE1284、ISA、PCI等。

（e）按时钟信号方式分

按照时钟信号是否独立，可以分为同步总线和异步总线。

同步总线的时钟信号独立于数据，也就是说要用一根单独的线来作为时钟信号线；而异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的，通常利用数据信号的边沿来作为时钟同步信号。

4.发展历史

早期美国国际商用机器公司（IBM）生产的PC（circa1982）使用了最早的PC总线，它的位宽是16位，速度为4.77兆赫。

后来正式称为工业标准结构（ISA）总线。

这种总线传输数据的速度约为9兆字节/秒，速度之快甚至能用在现今的应用软件中。

几年前，许多计算机仍在使用ISA总线。

二十世纪八十年代初，为早期的IBMPC开发了专用这种总线的计算机卡。

甚至在大量可取代它的先进技术出现后，人们仍在使用ISA总线。

这种总线被人们长期使用有两个主要原因：

它长期与多数硬件制造商保持兼容性。

多媒体兴起之前，只有少数的外围硬件设备完全采用新型总线的速度。

随着技术的进步，ISA总线无法跟上时代的步伐，于是开发了其他的总线。

其中主要的是扩展工业标准结构（EISA）线（位宽32位，频率8兆赫）和视频电子标准协会局部总线（VL-Bus）。

VL-Bus（由创建该标准的视频电子标准协会（VESA）命名）的位宽是32位，以局部总线的速度运行，一般与处理器的速度相同。

实质上，VL-Bus能够直接连接到CPU。

人们可以用这种方式连接一个单独的设备，甚至还可以连接两个。

但是将两个以上的设备连接到VL-Bus则可能会影响CPU的性能。

因此，VL-Bus一般只用于连接显卡，它将真正从高速访问CPU的过程中受益。

三．并行接口

并行接口，指采用并行传输方式来传输数据的接口标准。

从最简单的一个并行数据寄存器或专用接口集成电路芯片如8255、6820等，一直至较复杂的SCSI或IDE并行接口，种类有数十种。

一个并行接口的接口特性可以从两个方面加以描述：

1.以并行方式传输的数据通道的宽度，也称接口传输的位数；2.用于协调并行数据传输的额外接口控制线或称交互信号的特性。

数据的宽度可以从1～128位或者更宽，最常用的是8位，可通过接口一次传送8个数据位。

在计算机领域最常用的并行接口是通常所说的LPT接口。

1.并行接口的概述

通常所说的并行接口一般称为Centronics接口，也称IEEE1284，最早由CentronicsDataComputerCorporation公司在20世纪60年代中期制定。

Centronics公司当初是为点阵行式打印机设计的并行接口，1981年被IBM公司采用，后来成为IBMPC计算机的标准配置。

它采用了当时已成为主流的TTL电平，每次单向并行传输1字节（8-bit）数据，速度高于当时的串行接口（每次只能传输1bit），获得广泛应用，成为打印机的接口标准。

1991年，Lexmark、IBM、Texasinstruments等公司为扩大其应用范围而与其他接口竞争，改进了Centronics接口，使它实现更高速的双向通信，以便能连接磁盘机、磁带机、光盘机、网络设备等计算机外部设备（简称外设），最终形成了IEEE1284-1994标准，全称为"StandardSignalingMethodforaBi-directionalParallelPeripheralInterfaceforPersonalComputers"，数据率从10KB/s提高到可达2MB/s（16Mbit/s）。

但事实上这种双向并行通信并没有获得广泛使用，并行接口仍主要用于打印机和绘图仪，其他方面只有的少量设备应用，这种接口一般被称为打印接口或LPT接口。

2.接口的通信原理

并行接口中各位数据都是并行传送的，它通常是以字节（8位）或字节（16位）为单位进行数据传输。

如上图所示，图中的并行接口是一个双通道的接口，能完成数据的输入和输出。

其中，数据的输入/输出是由输入/输出缓冲器来实现的，状态寄存器提供状态信息供CPU查询，控制寄存器接收来自CPU的各种控制命令。

在数据输入过程中：

输入设备将数据送给接口同时使“数据输入准备好”有效。

接口把数据送给输入缓冲寄存器时，使“数据输入回答”信号有效，当外设收到应答信号后，就撤消“数据输入准备好”和数据信号。

同时，状态寄存器中的相应位（“数据输入准备好”）有效，以供CPU查询。

当然，也可采用中断方式，向CPU发出中断请求。

CPU在读取数据后，接口会自动将状态寄存器中的“数据输入准备好”位复位。

然后，CPU进入下一个输入过程。

在数据输出过程中：

当CPU输出的数据送到数据输出缓冲寄存器后，接口会自动清除状态寄存器中的“输出准备好”状态位，并且把数据送给输出设备，输出设备收到数据后，向接口发一个应答信号，告诉接口数据已收到，接口收到信号后，将状态寄存器中的“输出准备好”状态位置“1”。

然后，CPU进入下一个输出过程。

3.并行接口的主要特点

并行接口是指数据的各位同时进行传送，其特点是传输速度快，但当传输距离较远、位数又多时，就导致通信线路复杂且成本提高。

4.串、并口

串口形容一下就是：

一条车道，而并口就是有8个车道同一时刻能传送8位（一个字节）数据。

但是并不是并口快。

由于8位通道之间的互相干扰，传输时速度就受到了限制。

而且当传输出错时，要同时重新传8个位的数据。

而串口没有干扰，传输出错后重发一位就可以了，所以要比并口快。

串口硬盘就是这样被人们重视的。

5.并行接口的分类

在IEEE1284标准中定义了多种并行接口模式，常用的有以下三种：

SPP　（StandardParallelPort）　标准并行接口

EPP　（EnhancedParallelPort）　增强并行接口

ECP　（ExtendedCapabilitiesPort）　扩展功能并行接口

这几种模式因硬件和编程方式的不同，传输速度可以从50KBits/秒到2MB/秒不等。

一般用以从主机传输数据到打印机、绘图仪或其它数字化仪器的接口，是一种叫Centronics的36脚弹簧式接口（通常主机上是25针D型接口，打印机上是36针Centronics接口）。

并行接口，通常主机上是25针D型接口，打印机上是36针弹簧式接口（Centronics接口）。

IEEE1284标准规定了3种连接器，分别称为A、B、C型：

A型

25PINDB-25连接器，只用于主机端。

DB-25孔型插座（也称FEMALE或母头），用于PC机上，外形如下图：

DB-25孔型插座（母头）

这种A型的DB-25针型插头（也称MALE或公头），因为尺寸较小，也有少数小型打印机（如POS机打印机等）使用（非标准使用），但电缆要短。

DB-25针形电缆插头（公头）

B型

36PINCentronics电缆插头

36PIN0.085inch间距的Champ连接器，带卡紧装置，也称Centronics连接器，只用于外设。

36PINCentronics插座

36PINCentronics插座（SOCKET或FEMALE），用于打印机上。

[1] 

C型

Mini-Centronics36PIN插座

新增加的Mini-Centronics36PIN连接器，也称为half-pitchCentronics36connector（HPCN36），也有称MDR36，36PIN0.050inch间距，带夹紧装置，既可用于主机，也可用于外设，应用还不够普遍，因有竞争力的新的接口标准的不断出现，普及应用很难。

新接口还增加了两个信号线PeripheralLogicHigh和HostLogicHigh，用于通过电缆能检测到另一端是否打开电源。

6.接口电缆

（a）性能要求

最早的Centronics并口电缆长度为2米，且只能支持10KB/s的数据率传输，对性能要求不高。

为了把数据率提高到2MB/s以上，对IEEE1284电缆提出许多特殊要求：

1）因为是并行数据，为避免传输时各BIT数据间的串扰，每条数据线都需要配合一条地线，形成双绞线结构；

2）每对信号和返回地线间的不平衡特性阻抗为62欧±6欧（在频带4M-16MHz上）；

3）线间串扰不超过10%；

4）电缆有屏蔽层，并与接头的屏蔽壳连接，使用360度包裹。

[1]

（b）典型电缆

典型的IEEE1284电缆有如下6种，标准长度为10、20、30英尺（约3、7、10米）：

AMAM：

TypeAMaletoTypeAMale（一般用于计算机间互联）

AMAF：

TypeAMaletoTypeAFemale（一般用于延长线或连接A型口并行打印机）

AB：

TypeAMaletoTypeBPlug（一般用于连接计算机和普通B型口打印机）

AC：

TypeAMaletoTypeCPlug

BC：

TypeBPlugtoTypeCPlug

CC：

TypeCPlugtoTypeCPlug

其中前3种为常用的电缆，后3种是与新增加的C型接口相关的电缆。

7.链式连接方式

依照IEEE1284链式连接规格书，一个并口最多可以连接8个设备，而每个链式连接设备拥有2个并口连接器，1个主连接器（hostconnector）和一个直通连接器（passthroughconnector）。

主机连到第一个设备的主连接器，其直通连接器连接下一个设备的主连接器，依次连接。

而不支持链式连接的设备可接在最后1个设备的直通连接器上。

不过常见的都是一对一连接，很少能见到这种设备。

8.发展现状及困境

电脑中的接口是主机与外部设备间传送数据的“大动脉”，随着处理器速度的节节攀升，接口的数据传输速度也需要逐步提高，否则就会成为电脑发展的瓶颈。

并行数据传输技术向来是提高数据传输率的重要手段，但是，进一步发展却遇到了障碍。

首先，由于并行传送方式的前提是用同一时序传播信号，用同一时序接收信号，而过分提升时钟频率将难以让数据传送的时序与时钟合拍，布线长度稍有差异，数据就会以与时钟不同的时序送达，另外，提升时钟频率还容易引起信号线间的相互干扰，导致传输错误。

因此，并行方式难以实现高速化。

从制造成本的角度来说，增加位宽无疑会导致主板和扩充板上的布线数目随之增加，成本随之攀升。

在外部接口方面，IEEE1284并行口的速率可达300kBps，传输图形数据时采用压缩技术可以提高到2MBps，而RS-232C标准串行口的数据传输率通常只有20kbps，并行口的数据传输率无疑要胜出一筹。

因此并行口一直是打印机首选的连接方式。

对于仅传输文本的针式打印机来说，IEEE1284并行口的传输速度可以说是绰绰有余的。

但是，对于一再提速的激光打印机来说，情况发生了变化。

笔者使用爱普生6200L在打印2MB图片时，速度差异不甚明显，但在打印7.5MB大小的图片文件时，从点击“打印”到最终出纸，使用USB接口用了18秒，而使用并行口时，用了33秒。

这一测试结果说明，现行的并行口对于时下流行的激光打印机来说，已经力难胜任了。

不过，“在相同频率下并行通信速度更高”这个基本的道理是永远不会错的，通过增加位宽来提高数据传输率的并行策略仍将发挥重要作用。

技术进步周而复始，以至无穷，没有一项技术能够永远适用。

电脑技术将来跨入THz时代后，对信号传输速度的要求会更高，USB和FireWire等新串行接口所使用的差分传输技术是否还能满足未来要求，是否需要另一种更好的技术来完成频率的另一次突破，这些都需要人们共同关注。

四．串行通讯接口

1.定义：

串行接口

是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信（可以直接利用电话线作为传输线），从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。

一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。

串行通讯的特点是：

数据位的传送，按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；成本低但传送速度慢。

串行通讯的距离可以从几米到几千米；根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。

串行接口

2.串行接口的由来

串口的出现是在1980年前后，数据传输率是115kbps～230kbps。

串口出现的初期是为了实现连接计算机外设的目的，初期串口一般用来连接鼠标和外置Modem以及老式摄像头和写字板等设备。

串口也可以应用于两台计算机（或设备）之间的互联及数据传输。

由于串口（COM）不支持热插拔及传输速率较低，目前部分新主板和大部分便携电脑已开始取消该接口。

目前串口多用于工控和测量设备以及部分通信设备中。

3.接口划分标准

（a）总述

串口通信的两种最基本的方式：

同步串行通信方式和异步串行通信方式。

同步串行是指SPI（SerialPeripheralinterface）的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。

SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息，TRM450是SPI接口。

异步串行是指UART（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter），通用异步接收/发送。

UART是一个并行输入成为串行输出的芯片，通常集成在主板上。

UART包含TTL电平的串口和RS232电平的串口。

TTL电平是3.3V的，而RS232是负逻辑电平，它定义+5~+12V为低电平，而-12~-5V为高电平，MDS2710、MDSSD4、EL805等是RS232接口，EL806有TTL接口。

串行接口按电气标准及协议来分包括RS-232-C、RS-422、RS485等。

RS-232-C、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。

（b）RS-232

也称标准串口，最常用的一种串行通讯接口。

它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。

它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。

传统的RS-232-C接口标准有