四種標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出接口的外部接口

輸入/輸出接口與主機(jī)內(nèi)部所有模塊的連接是通過計算機(jī)的系統(tǒng)總線完成的，接口與外部設(shè)備連接的部分則是系統(tǒng)總線通過接口向外的延伸，它是采用標(biāo)準(zhǔn)的接口實現(xiàn)連接的。通常，稱它為外部接口。相對內(nèi)部總線，它又被稱為外總線。

按數(shù)據(jù)傳送方式，外部接口分為串行接口和并行接口，簡稱為串口和并口。隨著計算機(jī)在多媒體技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，外設(shè)與主機(jī)間的高速的并且大數(shù)據(jù)流的傳送需求，推動了接口技術(shù)的發(fā)展，原來由傳統(tǒng)的串、并口完成的功能現(xiàn)在已經(jīng)越來越多地被新的接口類型所替代。

1．串行接口

串行接口又稱之為通信口或COM端口，主要用于需要與系統(tǒng)進(jìn)行雙向通信的設(shè)備。由于系統(tǒng)總線中的數(shù)據(jù)均為并行數(shù)據(jù)，輸出的數(shù)據(jù)必須在串行接口中進(jìn)行并行數(shù)據(jù)到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，反之，輸入的數(shù)據(jù)必須在串行接口中進(jìn)行串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

串行接口只需要一對信號線來傳輸數(shù)據(jù)，主要用于傳輸速度不高，傳輸距離較長的場合。目前幾乎所有計算機(jī)都采用EIA RS-232C作為串行接口標(biāo)準(zhǔn)，它包括了按位串行傳輸?shù)?a href="http://ttokpm.com/v/tag/2364/" target="_blank">電氣和機(jī)械方面的規(guī)定。完整的RS-232C接口有25根線，采用一個25芯插頭座，但大多數(shù)情況下只需使用其中的3至5根即可正常工作，其中最主要的是“發(fā)送數(shù)據(jù)”和“接收數(shù)據(jù)”線，它們用來在兩個系統(tǒng)之間串行傳送信息，傳送速率在50、75至19200bps之間。

對串行接口的使用是通過對其控制寄存器和狀態(tài)寄存器進(jìn)行的。先由主機(jī)對串行接口的控制寄存器中發(fā)出指令，設(shè)置好串行接口的工作方式，如同步還是異步、數(shù)據(jù)傳送速率、奇偶校驗方式以及字符長度等，然后，再發(fā)送命令使之開始工作。數(shù)據(jù)傳送期間，主機(jī)可根據(jù)狀態(tài)寄存器了解串口的工作狀態(tài)，并據(jù)此確定下一步操作。

這里以Intel公司的8251芯片為例來說明串行接口芯片的組成和用法，Intel 8251的結(jié)構(gòu)如下圖所示。從圖中可以看到，它由接收器、發(fā)送器、調(diào)制解調(diào)控制、讀/寫控制邏輯和I/O緩沖器等5部分組成。其中I/O緩沖器又可細(xì)劃為狀態(tài)緩沖器、發(fā)送數(shù)據(jù)/命令緩沖器和接收數(shù)據(jù)緩沖器3部分。從使用角度看，由于Intel 8251是一個可編程的多功能通訊接口電路，在使用前必須用方式指令和命令指令對其初始化操作。

方式指令是把規(guī)定的8位信息（D7～D0）送入控制寄存器，以指定其工作方式。其中D1和D0確定了同步傳送或異步傳送的方式及其波特率，D3和D2確定了每個字符的長度，D5和D4確定了對奇偶校驗位的規(guī)定，D7和D6在異步方式下確定了對停止位的規(guī)定及在同步方式下的具體規(guī)定。

命令指令是把規(guī)定的8位信息（D7～D0）送入控制寄存器，以使其進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，能執(zhí)行發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的操作。其中D0位為TxEN（允許發(fā)送位，為1允許發(fā)送，為0禁止發(fā)送），D1位為DTR（數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好，為1時，將迫使 /DTR輸出為0），D2位為RxE（允許接收位，為1允許接收，為0禁止接收），D3位為SBBK（發(fā)送中止字符，為1迫使TxD為低，為0正常工作），D4位為ER（錯誤標(biāo)志復(fù)位，為1使PE、OE、FE復(fù)位），D5位為RTS（請求發(fā)送，為1迫使/RTS輸出為低），D6位為IR（內(nèi)部復(fù)位，為1使8251返回到方式指令格式），D7位為EH（同步傳送時，使8251進(jìn)入搜索方式，為1允許搜索同步字符）。如何在程序中使用串行接口將到輸入輸出方式一節(jié)說明。

2．并行接口

串行接口按位傳送數(shù)據(jù)，傳送速率較低，且由于主機(jī)是按字或字節(jié)處理數(shù)據(jù)，使用串行接口時需要進(jìn)行并行到串行的轉(zhuǎn)換。對速度較高的設(shè)備，如打印機(jī)等，采用并行數(shù)據(jù)傳送方式比較合適。我們以Intel公司的8255芯片來說明并行接口的組成和用法。

如下圖所示的Intel 8255A是一種典型的并行輸入/輸出芯片。它有24根輸入/輸出信號線，在IBM PC/AT中，曾作為連接鍵盤、開關(guān)、喇叭等的接口。

通過對8255A芯片內(nèi)的狀態(tài)寄存器寫入命令，可使它完成許多功能。但最簡單的使用是如圖中所示的把它作為三個互相獨(dú)立的端口A、B和C，這里的每個端口都對應(yīng)了一個8位的鎖存寄存器。要設(shè)置某個端口的信號，CPU僅僅需要在數(shù)據(jù)線上發(fā)出并保持一個8位的數(shù)據(jù)，直到成功地改寫了該端口對應(yīng)的寄存器。為把某個端口用作輸入端口，CPU只需要讀入對應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)。

8255A的另外一種操作模式可以用來和外部設(shè)備進(jìn)行“握手”。例如，為輸出數(shù)據(jù)到某個無法隨時接收數(shù)據(jù)的設(shè)備，8255A可以把數(shù)據(jù)放到某個輸出端口，然后等待設(shè)備發(fā)過來的脈沖，表示設(shè)備已經(jīng)接收了當(dāng)前數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)備接收下一個數(shù)據(jù)。鎖定這些脈沖信號并將其送往CPU所必需的邏輯電路已經(jīng)包括在8255A的硬件中。

從8255A的功能圖中我們可以看到，除了三個端口的24根信號線之外，它還有8根直接和數(shù)據(jù)總線相連的信號線、片選信號線、讀信號線和寫信號線、兩根地址信號線、以及用來初始化芯片的信號線。兩根信號線用于選定分別對應(yīng)于端口A、B、C和狀態(tài)寄存器的四個內(nèi)部寄存器之一。狀態(tài)寄存器用來指定哪個端口用于輸入，哪個端口用于輸出，或者是其它功能。一般情況下，兩根地址信號和地址總線的低兩位連接。

3．USB

USB中文名稱是通用串行總線，但它不是一種新的總線標(biāo)準(zhǔn)，而是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。它的出現(xiàn)使很多外設(shè)不再需要專用的接口，從而大大節(jié)省了重要的系統(tǒng)資源。

從1994年發(fā)表了USBV0.7版本以后，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為3.0版本，成為目前電腦中的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展接口。目前主板中主要是采用USB2.0和USB3.0，各USB版本間能很好的兼容。USB2.0協(xié)議可以提供速率為480Mbps的全雙工高速傳輸，而USB3.0協(xié)議可以提供高達(dá)5Gbps全雙工高速傳輸。USB用一個4針插頭作為標(biāo)準(zhǔn)插頭，采用菊花鏈形式可以把所有的外設(shè)連接起來，最多可以連接127個外部設(shè)備，并且不會損失帶寬。USB需要主機(jī)硬件、操作系統(tǒng)和外設(shè)三個方面的支持才能工作。目前的主板一般都采用支持USB功能的控制芯片組，主板上也安裝有USB接口插座，而且除了背板的插座之外，主板上還預(yù)留有USB插針，可以通過連線接到機(jī)箱前面作為前置USB接口以方便使用。而且USB接口還可以通過專門的USB連機(jī)線實現(xiàn)雙機(jī)互連，并可以通過Hub擴(kuò)展出更多的接口。USB具有傳輸速度快，使用方便，支持熱插拔，連接靈活，獨(dú)立供電等優(yōu)點，可以連接鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)、掃描儀、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、移動硬盤等幾乎所有的外部設(shè)備。

4．IEEE1394

IEEE1394以前稱之為火線（Fire wire），是1986年由蘋果電腦公司針對高速數(shù)據(jù)傳輸所開發(fā)的一種傳輸介面，并于1995年獲得美國電機(jī)電子工程師協(xié)會（IEEE）認(rèn)可，成為正式標(biāo)準(zhǔn)。IEEE1394可以在一個端口上連接多達(dá)63個設(shè)備，設(shè)備間采用樹形或菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

IEEE1394標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種總線模式，即：Backplane模式和Cable模式。其中Backplane模式支持12.5、25、50Mb/s的傳輸速率；Cable模式支持100、200、400Mb/s的傳輸速率。早期的IEEE1394a標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)達(dá)到了200Mb/s的傳輸速率，目前最新的IEEE1394b標(biāo)準(zhǔn)能達(dá)到800Mb/s的傳輸速率。

IEEE1394是橫跨PC及家電產(chǎn)品平臺的一種通用界面，適用于大多數(shù)需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)漠a(chǎn)品，如高速外置式硬盤、DVD-ROM、掃描儀、打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、攝影機(jī)等。IEEE1394分為有供電功能的6針A型接口和無供電功能的4針B型接口。A型接口可以通過轉(zhuǎn)接線兼容B型，但是B型轉(zhuǎn)換成A型后則沒有供電的能力。6針的A型接口在Apple的電腦和周邊設(shè)備上使用很廣，而在消費(fèi)類電子產(chǎn)品以及PC上多半都是采用的簡化過的4針B型接口，需要配備單獨(dú)的電源適配器。
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