電腦介面

介面——用於完成計算機主機系統與外部設備之間的信息交換。一般介面由介面電路、連接器(連接電纜)和介面軟體(程序)組成。

介面的指標速度；資源佔用。包括CPU時間、中斷、DMA等；連接距離；差錯控制、即插即用、供電等。

介面軟體、I/O匯流排、介面電路和連接的外部設備的關係

Intel865晶元組構成的計算機系統

介面電路的構成

介面的基本功能

數據傳送：CPU執行輸入/輸出指令與外部設備交換數據。

數據緩衝：用於輸入輸出過程中的暫存，對方不能及時接收數據時，將數據暫存在介面電路中。根據介面的需要可以是1個或2個位元組，或是FIFO存儲器，也可以是數據存儲區。

信號變換：完成計算機數字信號與I/O設備信號(如模擬信號、開關信號、計數脈衝等)的相互轉換。

中斷：大多數介面電路有中斷功能，以提高介面程序的效率。

介面的高級功能

差錯控制：實現檢錯或糾錯。

高層通信協議：實現呼叫、數據包、流量控制等。

即插即用、電源管理、動態配置等。

介面的操作：程序對介面的訪問（讀/寫）方式。不同的介面電路支持不同的操作方式。

查詢控制方式：在程序的主動控制下，通過讀取狀態寄存器了解介面的情況，完成相應的程序操作。為了及時了解介面的狀態，需要時間密集的查詢操作。CPU效率低。

中斷控制方式：當介面出現需要程序干預的事件，通過中斷通知CPU，CPU再讀取狀態寄存器，確定事件的種類，以便執行不同的代碼處理。CPU效率高而且及時。

DMA控制方式：CPU與介面的數據傳送採用DMA傳送，即傳送的具體過程由硬體（DMA控制器）完成，傳送速度比通過CPU快，尤其是在批量傳送時效率很高。

串列傳送：數據信息以串列方式逐位傳送。如RS-232C、USB介面、SATA介面、鍵盤介面和滑鼠器介面等。

特點：節省介麵線數目、傳送距離遠，介面電路複雜。

同步串列和非同步串列：串列介面可分為同步串列和非同步串列兩類，同步串列介面在連接線中有時鐘線，而非同步串列介面沒有時鐘信號線。

同步串列傳送：

非同步串列傳送：

RS-232C基本特性

·連接器：採用DB25和DB9(D型)連接器，DB25多為早期設備使用，DB9多為現在使用。

·電纜長度：RS-232C電纜的最大長度和線纜類型、通信速率等有關，一般情況下限制在15米。

·通信速率：固定可選的速率110、300、600、1200、2400、3600、4800、7200、9600、14400、19200、28800、33600、38400、57600、115200bps(BitPerSecond)。

·RS-232C信號電平：採用雙極非平衡方式，負電平(-3~-15V)代表邏輯1，正電平(+3~+15V)代表邏輯0。一般採用±5V或±12V。介面電路完成內部邏輯電平(0~3/5V)與介面信號電平(-12~+12V)的轉換。

·RS-232C的內部波形和介面信號波形：

RS-232C的介面信號

·RS-232-C介面連接器：連接的兩端分別為DTE（DataTerminalEquipment）和DCE（DataCommunicationEquipment）端。

·介面信號說明(→:DTE到DCE，←:DCE到DTE)

–TxD(TransmittedData→):數據發送。

–RxD(ReceiveData←):數據接收

–RTS(RequestToSend→):請求發送，表示要求發送數據到DCE。

–CTS(ClearToSend←):清除發送(允許發送)，表示DCE可以接收數據，對RTS的應答。

–DTR(DataTerminalReady→):數據終端就緒，表示DTE準備就緒。

–DSR(DataSetReady←):數據設備就緒，表示DEC準備就緒。

–RI(RingIndicator←):振鈴檢測指示，MODEM使用。

–CD(CarrierDetect←):載波檢測指示，MODEM使用。

RS-232C的一個應用例子

操作實例：DCE為MODEM，DTE為PC機。通信方式為採用DTR/DSR聯絡的全雙工(不使用RTS和CTS)。(被叫方RS-232)

PC中RS-232C的實現

·在早期的PC機中，串列介面是由一塊獨立的IC晶元實現的，如Intel8250，實現串列通信的功能部件被稱為UART（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter）。

·在近代PC機中，將UART和其他的標準介面電路集成在一起，被稱為SuperI/O晶元。SuperI/O晶元被集成到了南橋晶元（或ICH）中。

一般的晶元組集成有2個串列介面，可以通過插卡方式或USB擴展方式增加串列介面。系統默認的埠地址個中斷配置如表。

PC機為UART分配8個寄存器埠地址，大多數UART使用了其中的7個。

用途：早期的并行埠用於連接印表機。後來發展成為標準的多功能介面，用於連接外接光碟驅動器、外接硬碟等。

標準：IEEE1284標準是於1994確定的并行介面標準。該標準定義了並口的物理特性、電氣規範和數據傳送模式。

特點：并行介面中定義了8條數據線，每次傳送一個位元組。速度比串列口快的多，為150KB～2MB/s。

連接器：PC機一端採用DB25連接器。

IEEE1284的介面信號

DB25并行口連接器中的信號：定義了8條數據線、4條輸出控制線和5條狀態線。全部信號線為5VTTL電平。

IEEE1284的工作模式

最早(PC機初期)的并行口只有輸出沒有輸入功能，只適合接印表機。

之後并行口增加模式：

·標準并行口(SPP:StandardParallelPort)：增加4位輸入能力，輸出速率150KB/s，輸入速率50KB/s。

·雙向并行口(PS/2)：8位輸入，雙向傳輸速率150KB/s。

·增強并行口(EPP:EnhancedParallelPort)：高速雙向，傳輸速率500KB~2MB/s。適合雙向高速傳送。

·增強性能并行口(ECP:EnhancedCapabilityPort)：高速雙向，傳輸速率500KB~2MB/s。支持DMA。適合批量數據單向高速傳送。

USB

USB介面

·由Compaq、Intel、Microsoft、NEC等公司於96年共同研製發布。

·目前使用的有USB1.1和USB2.0兩個版本。

·Microsoft從Windows98SE開始全面支持USB。新型的串列技術

·由於集成電路技術的發展，高度複雜的介面電路的集成晶元成本降低。

·點對點的串列傳輸可以使得傳輸速度大幅度提高。

·現代計算機對介面的傳輸速度要求提高。

USB——簡介

·物理介面

USB採用4線傳輸，其中兩條信號線，兩條電源線。標準USB連接器分為A和B兩種，A連接器用於主機，B連接器用於外設。

·傳輸模式和速度

USB採用平衡半雙工方式。

USB1.1具有兩個物理傳輸模式，全速模式為12Mb/s，低速模式為1.5Mb/s。

USB2.0的高速模式的物理速率為480Mb/s，同時兼容USB1.1。

USB——同步方案

·NRZI（NonReturntoZeroInvert，不歸零反向碼）編碼USB的線上傳輸採用NRZI編碼，相當於插入時鐘，數據沒有變化表示1，數據有變化則表示0。並要在連續6個1之後插入一個0，接收端再按照這樣的規律將插入的0刪除。

USB——連接方式

·連接方式

PC機的USB介面可以連接外設、複合設備和集線器。最多可以連接5級集線器，最多可連接127台外設和集線器。

USB——特點

·高可靠性

USB採用平衡傳輸方式，抗干擾性好。

USB帶糾錯能力，可完成對軟體透明的檢錯和重發。

· 使用方便

自帶+5VDC電源，可輸出500mA。介面具備電源管理能力。

具有熱插拔能力，在操作系統的協同下實現即插即用。

·節省資源

多個設備使用同一組中斷和DMA通道。

·關於USB速度

半雙工傳輸方式；

串列傳輸——信息中包含狀態、控制和差錯校驗信息；

多設備共享——一個根USB傳輸帶寬被連接多個設備共享；

NRZI編碼——NRZI編碼后數據量會增大。

USB——傳輸模式

·USB的四種基本的數據傳輸模式

控制傳輸（Controltransfer）

支持外設與主機之間的控制、狀態、配置等信息的傳輸，為外設與主機之間提供一個控制通道。

等時傳輸（Isochronoustransfer）

適合數據連續不間斷、實時的、帶寬要求恆定的傳輸。該類型無差錯校驗。適合音、視頻設備。

中斷傳輸（Interrupttransfer）

適合數據量小，無周期性，但對響應時間敏感的傳輸。

數據塊傳輸（Bulktransfer）

適合傳輸的數據量大，但沒有實時要求的傳輸，USB在滿足帶寬的情況下才進行該類型的數據傳輸。適合外存儲設備。

IEEE-1394介面

·1394a於1995年發布。後續的版本是1394b

·1394a：標準定義了多種傳輸速率，12.5、25、50、100、200、400Mb/sec的傳輸速率。

·1394b：為下一代PC所制定的標準，增加了800和1600Mb/sec，如果使用光纖的話，最高傳輸速率提高到了3200Mb/sec。

·介面

使用六芯傳輸——差分數據對、差分時鐘對及電源和地線，可通過電源線提供1.5A電流。

IEEE-1394介面——和USB比較

·IDE（IntegratedDeviceElectronics）屬於內部介面，又叫ATA介面。

·用途：是PC機用於連接硬碟、光碟驅動器的通用介面，一般PC機主板上有兩個IDE介面。

·連接：一般通過軟電纜連接主機的IDE介面和硬碟及光碟機。

IDE介面——連接

·IDE連接方式

PC機一般有2個IDE介面，每個IDE介面可以連接2個IDE外設，最多可以連接4個設備。

IDE介面——版本發展

·IDE連接電纜

IDE連接器為40雙排連接器，UDMA標準的連接電纜中增加40根地線（80線），連接器不變。

IDE介面——傳輸模式

·PIO：(ProgrammedI/O編程的輸入/輸出)一種IDE介面傳送模式，和之後的DMA模式相比佔用CPU時間資源多。PIO有5種子模式(MODE0~4)：PIO模式 0 1 2 3 4 傳輸速度 3.2 5.2 8.3 11.1 16.7

·DMA：(DirectMemoryAccess直接存儲器訪問)比PIO更高效的傳送模式，有3種子模式(MODE0~2)：

DMA模式 0 1 2標準：ATA-1 ATA-2ATA-2傳輸速率：4.2 13.3 16.7

·UDMA：(Ultra-DMA)比普通DMA更高速的方式，採用了更高速的時鐘，而且在時鐘的上沿和下沿分別傳送數據，速度加倍。傳輸速率可以達到33、66和100MB/s。

IDE介面——高級特性

·SMART:(Self-Monitoring,AnalysisandReportingTechnology自監視、分析和報告技術)提高硬碟系統的安全性。

·CRC:(CyclicRedundancyCheck循環冗餘校驗)

·RAID(RedundantArrayofIndependentDisks容錯式獨立磁碟陣列）：目的在於通過多個磁碟驅動器的協同來實現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則多見於PC。RAID3、4、5採用複雜的CRC糾錯，通常只用於伺服器/工作站領域。

SATA介面

Intel聯合多家廠商於2001年推出了SerialATA1.0規範。基本SATA的傳輸速率為150MB/sec。

SATA採用高速串列平衡傳輸技術，並採用屏蔽線線傳輸，提高了抗干擾特性，使得傳輸速度提高。

SATA介面硬碟

ATA（IDE）介面和SATA介面硬碟

SATA介面——連接器和電纜

連接：SATA介面連接器為7線連接，傳輸線4線屏蔽線，信號傳輸採用平衡傳輸方式，傳輸電壓為+0.25V和-0.25V。

SATA介面

SATA版本：目前SATA有3個版本，傳輸速度分別為150、300和600MB/sec。

外接：由於SATA電纜很細，而且支持熱拔插，SATA介面可以作為高速的外部介面。

·SCSI（SmallComputerStandardInterface）：原為小型計算機的標準外設介面，用於連接磁碟機、磁帶機等高速外部設備。

·SCSI在PC的應用：主要用於高檔伺服器系統連接硬碟、光碟驅動器、磁帶機等。和IDE介面相比，SCSI介面速度快，可連接的設備多，但造價高。

·SCSI連接：菊花鏈模式。

SCSI介面——電纜和連接器

·電纜和連接器

目前SCSI分兩類：即標準SCSI(8位)和WideSCSI(16位)。分別使用50芯A型電纜(見表6.17)和68芯P型電纜及連接器。

50線SCSI電纜主機端50線SCSI電纜外設端

SCSI介面——版本

SCSI介面——從SCSI到SAS

·SAS（SerialAttachedSCSI）：採用SCSI的協議和類似SATA的串列傳輸技術的新一代SCSI介面標準。

·今後將形成SATA和SAS並存的形式

IrDA—標準

·IrDA標準：

IrDA1.0:簡稱為SIR(SerialInfraRed)，非同步的、半雙工的紅外通訊方式。SIR以系統的非同步通訊收發器(UART)為依託，由於受到UART通訊速率的限制，SIR的最高通訊速率只有115.2Kbps。

IrDA1.1:即FastInfraRed，簡稱為FIR。與SIR相比，由於FIR不再依託UART，通訊速率大幅度，可達到4Mbps的水平。

繼FIR之後，IrDA又發布了通訊速率高達16Mbps的VFIR(VeryFastInfraRed)技術，並將它作為補充納入IrDA1.1標準之中。

從整體的角度上，硬碟介面分為IDE、SATA、SCSI和光纖通道四種，IDE介面硬碟多用於家用產品中，也部分應用於伺服器，SCSI介面的硬碟則主要應用於伺服器市場，而光纖通道只在高端伺服器上，價格昂貴。SATA是種新生的硬碟介面類型，還正出於市場普及階段，在家用市場中有著廣泛的前景。在IDE和SCSI的大類別下，又可以分出多種具體的介面類型，又各自擁有不同的技術規範，具備不同的傳輸速度，比如ATA100和SATA；Ultra160 SCSI和Ultra320SCSI都代表著一種具體的硬碟介面，各自的速度差異也較大。

無線電介面

·藍牙（Bluetooth）：是一種近距離無線數據通訊技術標準。

·藍牙通訊技術的特點：

–使用跳頻頻譜擴展技術，保密性好；

–一台藍牙設備可同時與其它七台藍牙設備建立連接；

–低功耗、通訊安全性好；

–在有效範圍內可越過障礙物進行連接，沒有特別的通訊視角和方向要求

(WirelessFidelity,無線高保真）

是一種無線通信協議，正式名稱是IEEE802.11b，屬於短距離無線通信技術。

·基本性能：Wi-Fi速率最高可達11Mb/sec，電波的覆蓋範圍可達100米左右，在家庭、辦公室，小一點的整棟大樓也可使用。

·應用：Wi-Fi是乙太網的一種無線擴展，支持多點接入，如果有多個用戶同時通過一個點接入，帶寬被多個用戶分享。