計算機接口知識：串行口、并行口、USB接口是如何聯(lián)絡(luò)主機和外設(shè)的？

1、計算機接口知識：串行口、并行口、usb接口是如何聯(lián)絡(luò)主機和外設(shè)的？ 本文主要敘述了計算機接口的基礎(chǔ)學(xué)問。具體描述了串行口、并行口如何通過握手信號舉行通信，并介紹了的硬件和軟件結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。在控制領(lǐng)域,想要對一個相對復(fù)雜的系統(tǒng)舉行有效控制，要在設(shè)備之間建立一個互相聯(lián)絡(luò)和交流的機制，計算機科學(xué)里稱這種聯(lián)絡(luò)機制為“接口(interface)”。譬如,當(dāng)我們需要打印一份文件時，首先主機需要與打印機之間要建立聯(lián)系，然后才干向打印機發(fā)送數(shù)據(jù)。那么，這是怎樣一個過程呢？握手信號，聯(lián)系主機與外設(shè)的紐帶計算機接口的主要功能就是使數(shù)據(jù)通過接口使之能夠在不同模塊或系統(tǒng)間自由流淌，達(dá)到數(shù)據(jù)分享的目的。在過去很

2、長一個時期內(nèi)，主機與打印機之間是通過并行口銜接起來的，現(xiàn)在針式打印機仍然用法并行口，激光打印機和一部分噴墨打印機已經(jīng)采納usb接口了。先來看看并行口是怎樣舉行數(shù)據(jù)交換的。圖1 并行口所謂并行口，是指數(shù)據(jù)在多條信號線上同時舉行傳送。標(biāo)準(zhǔn)的并行口為8位，也就是說惟獨8條數(shù)據(jù)線。那么，標(biāo)準(zhǔn)的并行口為何定義了25個針腳呢？本來，除了8根數(shù)據(jù)線，還有一系列的指令線、狀態(tài)信號線和接地線（圖1）。其中的指令線由主機發(fā)往打印機，而狀態(tài)信號線則由打印機反饋給主機。指令線與狀態(tài)線之間往往是成對浮現(xiàn)的一條指令線對應(yīng)一條狀態(tài)線，彼此接頭的兩個信號則被形象地稱作握手（handshaking）信號。表1 spp模式下并行

3、口信號定義通過握手信號，主控端可獲得被控端的狀態(tài)信息，從而打算下一步做什么了。譬如，當(dāng)用戶需要打印文件時，會向打印機發(fā)出nselect指令，假如打印機電源已經(jīng)打開，則通過select信號線傳回“在線”狀態(tài)信號。接下來，主機向打印機傳輸nstorbe信號，同時將存放數(shù)據(jù)的發(fā)送到數(shù)據(jù)線上，一旦busy信號為低電平，則執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸。此時，打印機輸出nack信號，表示完成了一個字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，告知主機可以開頭傳輸下一個字節(jié)了（圖2）。圖2 并行口數(shù)據(jù)傳輸時序圖假如在打印過程中紙張用盡，打印機發(fā)出缺紙信號，主機收到這個信號后，會在顯示屏上顯示出對應(yīng)的信息，以通知用戶放入紙張。有了這樣一個機制，機器之

4、間便可以自動地舉行各種工作。采納同步通信建立聯(lián)系主機與外設(shè)的紐帶握手信號的另一用途是對被控設(shè)備舉行故障診斷。譬如電腦在啟動過程中會向打印機發(fā)出控制指令nint讓打印機復(fù)位，假如應(yīng)答信號nerror為高電平，則解釋打印機功能正常，否則意味著打印機出錯了。握手信號是聯(lián)系主機與外設(shè)的紐帶，通過握手信號你來我往的過程，主機便可獲得外設(shè)須要信息，從而為數(shù)據(jù)傳輸做好預(yù)備。與并行口一樣，標(biāo)準(zhǔn)串行口rs-232c也提供了握手信號。握手信號是聯(lián)系主機與外設(shè)的紐帶，主機通過握手信號獲得外設(shè)須要信息，為數(shù)據(jù)傳輸做好預(yù)備。那么，握手信號是不是在全部的計算機接口中都是必需的呢？回答是否定的。在鼠標(biāo)和鍵盤用法ps/2接口

5、中，就沒有握手信號。鍵盤和鼠標(biāo)也需要跟主機之間舉行數(shù)據(jù)傳輸，沒有握手信號，這些設(shè)備又是怎樣與主機建立聯(lián)系的呢？我們先考察一下ps/2鼠標(biāo)端口（圖3）。ps/2端口用作鼠標(biāo)接口時，只用6個插針中的4個，pin1用于傳送數(shù)據(jù)，pin3接地，pin4向鼠標(biāo)供電，pin5為鼠標(biāo)提供時鐘信號。與串行口、并行口相比，ps/2接口沒有握手信號，但是有時鐘信號，兩者的差別就在這里。圖3 ps/2鼠標(biāo)接口莫非說，時鐘信號能夠代替握手信號的一些功能嗎？也不行以這么說。合理的說明是，這是兩種徹低不同的通信方式。并行口和串行口用法的通信方式稱作“異步通信”，而ps/2接口則用法“同步通信”。通信接口中是否用法時鐘信號

6、是區(qū)分同步通信還是異步通信的標(biāo)記，同步通信的雙方用法同一個時鐘，而異步通信中無須這么做。盡管如此，無論同步通信還是異步通信，通信雙方都必需互相協(xié)調(diào)，以一定的商定（協(xié)議）保持雙方同步，否則就會造成數(shù)據(jù)的錯誤與混亂。在異步通信方式中，收發(fā)雙方取得同步的方法是采納在字符格式中設(shè)置起始位和停止位。在一個有效字符正式發(fā)送前，先發(fā)送一個起始位，而在字符結(jié)束時再發(fā)送一個停止位。接收器不斷地檢測或監(jiān)視線路上信號的變幻，當(dāng)檢測到有起始位時，便知道緊隨其后的是有效字符位的到來，這才開頭接收字符；當(dāng)檢測到停止位時，便停止接收。用法該方式舉行通信時，發(fā)送器與接收器不需要相同的時鐘，所以稱之為異步通信。而在同步通信方式

7、中，傳輸信息的每一位都必需在收發(fā)兩端嚴(yán)格保持同步，即所謂的“位同步”。因此，在同步通信中，收發(fā)兩端需要同一個時鐘源作為同步信號。舉行同步傳送時，發(fā)送端須先發(fā)送一個同步字符去通知接收端串行數(shù)據(jù)的第一位何時到達(dá)，接著便以延續(xù)的形式發(fā)送信息，傳輸效率較高。而異步通信每傳送一個字符要增強大約20%的附加信息位，傳輸效率較低。同步通信除了具有通信效率高的優(yōu)點之外，接口的結(jié)構(gòu)也比較容易，而且越發(fā)易于管理。正由于如此，同步通信的應(yīng)用也非常廣泛。smbus（system management bus，系統(tǒng)管理）就是一種同步通信接口，它惟獨兩根信號線：一根雙向數(shù)據(jù)線和一根時鐘信號線。windows中顯示的各種設(shè)

8、備的創(chuàng)造商名稱和型號等信息，都是通過smbus總線收集的。圖4 基于smbus的cpu溫度監(jiān)控電路smbus的數(shù)據(jù)傳輸率為100kbps，雖然速度較慢，卻以其結(jié)構(gòu)簡潔造價低廉的特點，成為業(yè)界普遍歡迎的接口標(biāo)準(zhǔn)。主板監(jiān)控系統(tǒng)中傳送各種的測量結(jié)果，以及bios向監(jiān)控芯片發(fā)送指令，都是利用smbus實現(xiàn)的。pci插槽上也給smbus預(yù)留了兩個引腳（a40為smbus 時鐘線，a41為smbus 數(shù)據(jù)線），以便于pci接口卡與主板設(shè)備之間交換信息。usb接口是怎樣舉行通信的呢？usb接口中既沒有握手信號，也沒有時鐘信號，它是怎樣舉行通信的呢？我們已經(jīng)知道，傳統(tǒng)的串行口、并行口通過握手信號舉行通信，這些

9、接口通常通過握手信號來聯(lián)絡(luò)主機和外設(shè)。我們也已經(jīng)知道，通信雙方可以同步或異步兩種方式舉行通信，兩者最大的區(qū)分是，同步通信接口中有時鐘信號線。usb接口應(yīng)用很廣?？墒?，usb接口中既沒有握手信號，也沒有時鐘信號，它是怎樣在主機與外設(shè)之間建立聯(lián)系的呢？又是如何交換數(shù)據(jù)的呢？為了深化理解usb接口的通信過程，先介紹usb的硬件和軟件結(jié)構(gòu)。從物理結(jié)構(gòu)上，usb系統(tǒng)是一個星形結(jié)構(gòu)。usb系統(tǒng)包含三類硬件設(shè)備: usb主機(usb host)、 usb設(shè)備(usb device)和usb集線器(usb hub)。usb總線上的物理銜接是一個分層的星形拓?fù)?，處于每個星形拓?fù)渲行牡氖莌ub集線器，在主機與hu

10、b之間，hub與hub之間，hub與設(shè)備之間都是點對點的銜接。圖5 usb拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)usb host對usb系統(tǒng)舉行管理、每毫秒產(chǎn)生一幀數(shù)據(jù)、發(fā)送配置哀求對usb設(shè)備舉行配置、管理和復(fù)原總線上的錯誤。 usb hub用于設(shè)備擴展銜接，全部usb device都銜接在usb hub的端口上。usb device接收usb總線上的全部數(shù)據(jù)包，通過數(shù)據(jù)包的地址域來推斷是不是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)包：若地址不符，則容易地丟棄該數(shù)據(jù)包；若地址相符，則通過響應(yīng)usb host的數(shù)據(jù)包與usb host舉行數(shù)據(jù)傳輸。從規(guī)律結(jié)構(gòu)上看，每個usb規(guī)律設(shè)備都挺直與usb host舉行數(shù)據(jù)傳輸。與傳統(tǒng)接口以硬件手段實現(xiàn)握手的

11、辦法不同，usb接口用法“軟握手”辦法。usb的軟握手機制是透過三個層次的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)的，在這中間起到關(guān)鍵作用的是設(shè)備驅(qū)動程序，該程序在主機與設(shè)備之間建立起起碼一個管道。管道有兩種類型：流管道和消息管道。其中有一個最重要的消息管道是“缺省控制管道”，這個管道在設(shè)備一加電的時候就存在了，它提供設(shè)備的配置和狀態(tài)等信息。主機與設(shè)備之間的聯(lián)絡(luò)就是通過消息管道實現(xiàn)的。圖6 usb軟件結(jié)構(gòu)協(xié)議棧驅(qū)動程序的主要作用是將設(shè)備與相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序銜接起來。由于usb支持的設(shè)備無數(shù)，而每個詳細(xì)的設(shè)備都有自己對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。對于某一詳細(xì)設(shè)備來說，用法哪個驅(qū)動來管理，就要由協(xié)議棧驅(qū)動程序通過讀取設(shè)備描述符舉行選擇。挑選好驅(qū)動程序之后，協(xié)議棧驅(qū)動程序還要給usb設(shè)備分配地址。管道建立起來之后，數(shù)