331外部设备与主机的连接

3.3接口3.3.1外部设备与主机的连接3.3.2并行通信和并行接口3.3.3串行通信和串行接口任何数字计算机的用途很大程度上取决于它所能连接的外围设备的范围。遗憾的是，由于外围设备种类繁多，速度各异，不可能简单地把外围设备连接在CPU上。因此，必须寻找一种方法，一边将同某种计算机连接起来，使他们一起可以正常工作。通常这项任务用适配器部件来完成。通过适配器可以实现高速CPU和低速外设之间速度上的匹配和同步，并取决称计算机和外设之间的所有数据传送和控制。适配器通常称为接口。3.3.1外部设备与主机的连接1.影响外部设备与主机连接方式的主要因素(1)I/O系统的工作模式·程序控制直接传送模式·程序查询控制模式·程序中断控制模式·直接存储器访问（DMA）模式·通道控制模式·I/O处理机控制模式(2)数据传送方式·并行传送·串行传送(3)数据通信的同步方式·同步通信（发送端与接收端之间有统一的时钟）·异步通信（发送端与接收端之间无统一的时钟，采用应答控制方式。）(4)传送信息的种类·设备地址信息·数据·设备状态信息·控制信息2.外部设备与主机的连接模式在描述系统或部件之间的连接时，使用得最为广泛的一个术语是“接口”（interface）。这里，我们把接口分为如下两种：把插入在两个彼此不能直接连接的机器或系统之间，并使它们相互连接通信的附加装置称为适配器（adapter）；把位于一种设备、器件上与其他设备、器件相连接的部分称为I/O端口。适配器是主机和外部设备之间的桥梁，也可以看作是一种器件，它有1个面向主机的I/O端——系统接口，另1个面向设备的I/O端口——设备接口。此外在外部设备上也需要1个与适配器连接的I/O端口——设备驱动电路，在主机方面需要1个与适配器连接的I/O端口——主机的I/O接口。这3种器件或设备、4个I/O端口形成如下图所示的结构。I/O接口系统接口设备接口设备驱动电路主机适配器设备地址控制、状态数据图3.38外部设备与主机连接的一般模式3.I/O接口的寻址方式CPU通过端口与外部设备进行通信：如发送命令、读取状态和传送数据。为此一个接口中常设置有与这些通信操作相对应的端口：如命令端口、状态端口和数据端口。CPU要访问这些端口，首先要解决寻址问题。这就是I/O接口的寻址问题。I/O接口的寻址有两种方式：端口地址与存储器地址统一编址和分别编址。前者把I/O端口当作存储器的一部分单元进行访问，即I/O端口占用了存储器的一部分单元；CPU不设置专门的I/O指令，用统一的访问存储器的命令访问I/O端口。后者要求用专门的I/O指令访问I/O端口，I/O端口不占用存储器空间，它与存储器分别使用两套独立的地址编码系统。3.3.2并行通信和并行接口1.并行接口概述将一个字或其一部分（一个字节）的各位用多根数据线同时进行传输，称为并行通信。实现并行通信的接口（适配器）是并行接口。一个并行接口可以设计为只作输出接口，或只作输入接口，还可以设计为既作为输入接口又作为输出接口。并行接口可以分为硬线连接接口和可编程接口。硬线连接接口的工作方式及功能不能用编程的方法加以改变，只能用硬线连接设定；可编程接口的工作方式及功能可以用程序加以改变。2.硬线连接并行接口硬线连接并行接口可分为3种。(1)简单并行接口简单并行接口，也称无条件传送接口。它仅用于外设与CPU交换数据之前就准备好了而不需要联络信号的情形。(2)条件传送接口在实际应用中，大多数外部设备与CPU之间交换的是一系列连续的数据，只有前一个数据发送或接收完成以后才能传送下一个数据。因此接口中必须带有自己的应答信号，以表明设备的状态，如设备已“准备好”等。CPU在执行I/O操作时，要先检测外部设备是否已具备数据传送的条件，若不具备，则等待，直至设备作好准备。这种并行接口称为条件传送接口，或叫程序查询方式接口。它们的特点是带有应答信号。图3.21介绍的程序查询控制接口就是这种接口。(3)中断传送I/O接口采用中断方式与CPU交换数据，让CPU实时地实现对外设的读写操作，这种并行接口叫做中断传送方式I/O接口。这时I/O设备的状态既可以作为程序查询的标志，又可以作为中断请求信号。这种接口在3.2.2节中已经作了介绍。3.可编程并行接口(8255A)可编程实际上是具有可选择性，如用户可以在程序中选择哪一个或哪几个数据端口与外设连接；输入和输出分别占用端口中的哪一位或哪几位以及选择端口与CPU之间的数据传送模式等。它除了具有硬线连接接口的性能外，最主要的是可编程。编程由用户用指令向端口送入方式字或控制字进行。这种接口在微型计算机中称为PIO。下面简要介绍一种适合于IBM\|PC系列机的PIO芯片8255A。(1)8255A内部结构图3.39为8255A的内部结构框图。它由A，B，C3个数据端口、A/B组控制、读/写控制逻辑电路和数据总线缓冲器组成。3个数据端口的组成及在PC/XT系统中的地址如表3.2所示。A组控制数据总线缓冲器读/写控制逻辑B组控制A组A口(8位)A组C口高位(4位)B组C口低位(4位)B组B口(8位)PA7~PA0PC7~PC4PC3~PC0PB7~PB0D7~D0RDWRA1A0CSRESET图3.398255A内部结构端口端口A端口C端口B数据输入数据输出PC/XT中的地址1X8位锁存器1X8位锁存/缓冲器60H2X4位缓冲器2X4位锁存/缓冲器62H1X8位锁存器1X8位锁存/缓冲器61H表3.28255A的3个数据端口在使用中，端口A和端口B常常作为独立的输入端口或输出端口；端口C常常分为上下两部分，形成两个4位端口，分别作为端口A和端口B的输出控制信号和输入状态信号。(2)8255A的工作方式8255A有3种工作方式：①方式0方式0也称基本I/O方式。在这种方式下，端口A和端口B以及两个4位的端口C，形成4个端口；任一端口都可以作输入口，也可以作输出口，各端口之间没有规定必然的联系；各端口可以有16种不同的组合，可以适用于多种使用。②方式1方式1也称选择I/O方式。当A，B端口按方式1工作时，C的两个4位端口要分别作为A，B的输出控制信号和输入状态信号。③方式2方式2也称双向传输方式，只适用于端口A。这时端口C要为端口A自动提供相应的控制信号。(3)8255A控制字8255A通过指令往端口设置控制字决定工作方式。控制字分为两类：工作方式控制字和端口C置1/置0控制字。①工作方式控制字工作方式控制字，用以把3个端口分为A组（包括端口C的高位）和B组(包括端口C的低位）来设置工作方式。它的格式及每位定义如下图所示。例如，要把A口指定为方式1输入，C口上半部为输出，B口为方式0输出，C口下半部为输入，工作方式字应为10110001B或B1H。初始化程序为：MOVDX，63H；8255A控制口地址MOVAL，B1H；置工作方式控制字OUTDX，AL；送控制字到控制口1D6D5D4D3D2D1D0特征位A组方式00：方式001：方式11X：方式2A口0：输出1：输入C4~70：输出1：输入B组方式0：方式01：方式1B口0：输出1：输入C0~30：输出1：输入②端口C置1/置0控制字这个控制字可以使端口C中的任一位置0/置1，设置相应的控制位。它的格式及每位的定义如下图所示。例如，要对端口C的PC7位置1，则控制字应为00001111B，即0FH；而端口C的PC3要置0，则控制字应为00000110B，即06H。则相应程序段为MOVAL，OF；送对PC7置1控制字MOVDX，63H；控制口地址送DXOUTDX，AL；对PC7，置1MOVAL，06H；送控制字06H到ALOUTDX,AL；对PC3置04.微型计算机标准并行口1D6D5D4D3D2D1D0特征位不用位选择000：C口0位001：C口1位::111：C口7位1：置位0：复位标准接口即通用接口。目前的标准并行接口主要作为打印机端口，接口使用25针DB-25连接器。常用的并行接口有如下几种：·标准并行接口:有4位、8位和半8位。大多数的PC机配有4位或8位并口。·EPP口(增强并行口):8位双向传送,可以用于连接扫描仪、CD-ROM驱动器等非打印设备。·ECP口(扩展并行口):支持多个逻辑设备寻址,在多任务环境下可以使用DMA方式。目前很多高档微机的主板都集成了并行口插座，标注为LPT1,LPT2或Paralle1和Paralle2。5.磁盘接口磁盘是一般计算机的驻在设备，因此磁盘与主机的接口显得尤为重要，常见的磁盘接口有如下两种：（1）IDE接口IDE接口也称ATA端口,通常用于微机上做磁盘接口。IDE接口最多可接两个容量不超过528M的磁盘驱动器,不支持DMA方式,但其成本低,在微机中很流行,几乎所有的586主板上都集成了两个IDE接口插座,标注为IDE1和IDE2。（2）EIDE接口EIDE接口是对IDE的改进，它可连接4个外设，而且外设不仅可以是磁盘，还可以是CD-ROM和其他磁盘备份设备。对于硬盘的容量，可以控制的范围提高到了8G，其数据传输率要比IDE高。3.3.3串行通信和串行接口串行通信是在一根传输线上一位一位地传输信息。由于所用的传输线根数少，特别适合于远距离的信息传送。1.串行通信的同步方式和异步方式并行通信时，一组信息按位分别同时传送，联络信号通过专用的控制线传送，数据信息通过数据线传送，由于所用的线不同，各位的作用很清楚。串行通信时情况就不同了。一组信息要一位一位地传送，联络信号、数据信号都在一根线上依次传送，为区分它们，就要给出串行通信的信息格式约定，并把串行通信分为异步和同步两种信息格式，形成异步通信和同步通信两种方式。异步通信(又称起止式通信)是把每个字符作为独立的整体进行传输。为实现通信双方的同步，每位字符传送组织的方式如下图所示：编码第1位前加1位起始位，表示一个字符传送的开始，编码的最后1位后加1位或多位停止位，表示一个字符传送完毕。信息编码与停止位之间可插入校验位。这种通信方式中，从一个字符的结束到下一个字符的开始没有固定的时间间隔，因此称之为异步通信。0/10/1100/10/10/10/10/10/10/10/1100/10/10/10/1奇偶校验停止位起始位低位高位7位数据奇偶校验停止位起始位7位数据第n个字符第(n+1)个字符第(n-1)个字符下降边指出下一个字符的开始数据流向同步通信是把数据块(字符顺序组织)作为传输单位，格式如下图所示，只在数据块的首部加同步字符，表示数据传送的开始，数据块的数据间没有空隙，严格按规定的速率发送和接收，在数据块尾部可带校验码，最后以同步字符结束，表示数据块传送结束。数据块连同附加的同步字符和校验码信息称为一帧。SYNC字符1字符2…字符nCRC1CRC2SYNC1帧同步字符（开始）同步字符（结束）检验字符1检验字符2同步字符起联络作用。不同的通信系统对同步字符的约定不同，有的约定用01111110作为同步字符，有的约定用00010110作为同步字符。传送开始后，接收设备首先搜索同步字符。在同步字符后，传送的是一个数据块，为了正确地接收字符，要求接收设备和发送设备保持完全的同步。而为了使两个系统的时钟同步，需要有专门的设备（近距离传输时，增加一根时钟信号线）或采用锁相技术（远距离通信时）等提取同步信号。2.串行接口串行通信接口的基本任务有如下几条：(1)实现串行数据格式化在异步通信方式下，自动生成（发送时）或去掉（接收时）启/停位。在同步通信方式下发送时，在数据块前自动加上同步字符。(2)进行串\|并变换把外部的串行输入码转换成计算机所需的并行码，把计算机内部的并行码转换为在外部传送的串行码。(3)可靠性检验发送时接口电路自动生成奇偶校验位等校验码；接收时，接口电路对字符加以自动校验。(4)实施连接和控制目前，广泛使用的一种通用串行数据接口叫USART（异步接收发送器）。随着大规模集成电路技术的发展，通用可编程同步和异步接口芯片USART的种类越来越多，Intel8251就是其中一个代表。下图为Intel8251的结构框图。