接口与通信设备培训课程

技
术
基
础
7.2 串行接口
计 算RS-传传23输输2C速距接率离口：：：7最5长~1电1缆5,1250米0（（1低28速,0率0时0））b；/s；
机 电缆/连接器：采用9线或25线信号传输，当前多用9线。采
硬 用D型连接器；
件
协议简单：无高层协议； 在Pentium 4时代作为PC的标准配置，目前在PC上的应用
技 逐渐减少。
术
基
础
RS-232C 串行接口
插座
7.2 串行接口——RS-232C信号
计 算
异步串行传输：异步串行传输中以字节为传输单位， 传输一个字节包括起始位、数据位和终止位。
机
11010110
+12V
硬
-12V
件
技
空闲 起
数据位：5~8位
停
术
始 位
止 位
接口——用于完成计算机主机系统与外部设备之间的信息 交换。接口由接口硬件（接口电路、连接器、连接电缆等) 和接口软件(程序)组成。
硬 件 技接：主口运机软行系件在统
术
主机 系统
(CPU 系统)
总
接口
线
电路
连接电缆
外部 设备
基
础
接口的指标
• 传输速度、传输距离、传输媒介类型； • 可靠性（差错控制） 、安全性（保密）； • 资源占用（包括CPU时间、中断、DMA等）；
机 出现的各种事件。
硬
接口软件的程序控制方式主要有三种，即查询控制方式、中断控制 方式和DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问）控制方式。
件
技
接口电路
术 基 础
总 线 控 制 接 口
发送FIFO 接收FIFO
发送电路
连
计数器
接
器
接收电路
计数器
7.1.3 接口软件
计 算
查询控制方式：查询式传送控制方式也称为异步传送，
硬 实现外部设备间的并行工作, 提高了计算机系统的工作效率。但中断
件 系统的保存与恢复现场需一定的时间, 且主机与外设之间的数据交换
技
要由CPU直接控制。这对一些工作频率高、要成批交换数据且单位 数据之间的时间间隔较短的外设，如磁盘、磁带等来说, 将引起CPU
术 频繁干预, 同时还可能引起数据丢失。
机 的情况下，CPU暂时中断现行的工作，转而执行外部设备
硬 数据输入/输出任务的中断程序。一旦中断子程序处理结束
件 ，CPU立即返回主程序，继续执行因中断暂时放下的工作 技。
术
基
础
7.1.3 接口软件
计 中断控制方式实例
算
以打印控制为例, 说明中断控制的基本过程：每台打印机都设有自己 的缓冲寄存器，CPU用访问指令启动打印机，并将要打印的数据传送到
7.1.3 接口软件
计 算
DMA方式数据传输的步骤：
机
硬
1) DMA启动
件
2) DMA请求
技
3) DMA响应
术
4) DMA操作
基
5) DMA撤消
础
7.1.3 接口软件
计 ❖ DMA启动 算 ⑴ 向DMA控制器的地址寄存器中送入设备号并启动设备;
机 ⑵ 将主存中数据区首地址送入DMA控制器的地址寄存器中;
件 技

信号变换：完成计算机数字信号与I/O设备信号（如模拟信 号、开关信号、计数脉冲等）的相互转换。
术 中断：接口电路一般有中断功能，以提高接口程序的效率。 基 础接口的高级功能
差错控制：实现检错或纠错。
高层通信协议：实现呼叫、数据加密、流量控制等。
即插即用、电源管理、动态配置等。
DMA控制器收到总线响应信号后，向外设发出DMA
机 应答信号，并成为总线上的主设备，控制外设与主存之间
硬 的数据块传送操作。
件
每传送一个字节或一个字，DMA控制器中的主存地址
技 计数器内容加1，而数据计数器内容减1，直到该计数器其
术 基 础
值为0为止。
❖ DMA撤消
总线请求撤消后，CPU恢复了对总线的控制权，以便 进行数据传送后的处理。
件
技
A站
B站
术
发送器
接收器
基
础
接收器
发送器
半双工方式示意图
波特率
计 并行通信中，传输速度以每秒传输的字节（B/s）表示 。 算 在串行通信中，传输速率用波特率来表示。
机
所谓波特率，是指单位时间内传送二进制数据的位数，
硬 单位为位/秒（b/s）。
件 每秒钟所传输的字符数（字符速率）和波特率是两种概念
它是指当CPU需要与外设备交换数据时，首先查询设备的 状态，只有在设备准备就绪时才进行数据传输。查询式输
机 入和输出程序控制流程如图所示。
硬
件
技
术
基
础
7.1.3 接口软件
计 算
中断控制方式：程序查询法是CPU等待工作，而中断控
制方式是外部设备等待方式。只有当外部设备数据已经准 备好以后，才向CPU发出请求中断信号，在CPU允许中断
7.1.3 接口软件
计
算 ❖ DMA响应
机
CPU完成一个机器周期的操作后，就响应DMA总线请
硬 求，首先让出总线控制权，即将CPU内部的总线缓冲器及
件 技
输入输出控制信号线置成高阻状态，以便将总线使用权让 给DMA控制器，并向DMA控制器发出总线响应信号。
术
基
础
7.1.3 接口软件
计 算
❖ DMA操作
基 DMA(直接存储器存取——direct memory access)控制:是在内存与
础
设备之间开辟一条直接数据传送通路, 并把传送过程交DMA控制器 进行管理, 形成以存储器为中心的体系结构。DMA可看作是和CPU
共享存储器的处理器。CPU与DMA各自能独立地工作, 挖掘了系统
部件级的并行性。
7.1.3 接口软件
• 使用方便性和高层协议功能。
7.1 计算机接口原理——接口的功能
计接口的基本功能
算 数据传送：CPU执行输入/输出指令与外部设备交换数据。
机 数据缓冲：用于实现输入输出过程中的暂存。接口电路中存
硬
储机制可以是寄存器（1~2个字节）、FIFO存储器（数十到 数百字节）、或是普通数据存储器。
串行接口即通过逐位传送的方式实现字节的传输的一类 接口。串行接口中通常只有一条（可实现双向传输）或两条 （双方向各一条）数据线。由于习惯上的称谓，串行接口有
机 时是特指计算机上的RS-232C接口，该接口是Pentium时代以
硬 前PC机上最常用的通用接口，PC机可通过串行接口连接鼠标
件 器、调制解调器（MODEM）、扫描仪等。
7.1.3 接口软件
DMA 操作 总线上的主设备
计
DMA操作过程
算
CPU
外设准备好
机
启动
硬
对DMA初始化
件
DMA请求
DMA
技
让出总线控制权
DMA响应
术
基
CPU
础
内 部
操
作
发送内存地址
传送一个字数据
内存地址计数器+1 字计数器-1
DMA撤消
Y 字计数器=0？
N
收回总线控制权
F
7.2 串行接口
计 算
接口与通信设备培训课程
第7章 接口与通信设备
计 7.1 计算机接口原理 算 7.2 串行接口 机 7.3 并行接口 硬 7.4 USB接口 件 7.5 IEEE 1394接口 技 7.6 红外线接口 术 7.7 蓝牙接口 基 7.8 远程通信设备 础 7.9 网络通信设备
7.1 计算机接口原理
计 算 机
算 机
换（如红外接口）、差分变换（如USB），也可以是数模变 换（如音频）等。
硬 例如：三种基本输出变换： 件 技
5V
-5V
电平变换
术
基
01
础
脉冲变换
5V
0V 5V
差分变换 0V
7.1.3 接口软件
计
接口软件是实现接口功能的软件部分，接口软件连接应用程序与接 口电路。
算
接口软件需要及时掌握接口电路的状态，以便及时处理接口电路中
接口软件与硬件
计 接口软件、I/O总线、接口电路和连接的外部设备的关系
算 接口软件
机
硬 IN AL,07 OUT 08,AL
件
…
技
产生特定地址的 I/O总线信号
特定的总线地址信 号对特定的接口电
路有效
术
基
计算机 主机系统
ICH
础
接口 电路1
接口 电路2
外部设备1 外部设备2
I/O总线
I/O接口连接器
总线
术定完的成地CP址U的对I特/O 基读写的识别。
础
地址总线
地
址
读写控制 译
状态 寄存器
接口 控制 电路
接口的控制。 记录接口的状态、错误。外设 的情况等。CPU通过读状态
寄存器了解接口的情况。
实现对接口的内部时序控
码 中断
制，实现中断，管理缓存 ，写状态寄存器等。
控制和状态寄存器
计 接口电路的构成——控制和状态寄存器
硬 ⑶ 将辅存数据缓冲区首地址送入DMA控制器的设备地址寄
件 存器中;
技 术 基
⑷ 将要传送的数据字节数或字数送入数据计数器中。
❖ DMA请求
DMA控制器收到上述控制命令后，向外设接口提出传送 数据请求。外设接口准备好了接收或发送数据时，就会给出
础 DMA请求信号，DAM控制器向CPU提出总线请求信号。
技
术
基
础
串行数据传送方式
计 全双工方式
算
当数据的发送和接收分流，分别由两根不同的传输线传
机 硬
送时，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作，这样 的传送方式就是全双工（Full Duplex）制。
件
A站
B站
技
术
发送器
接收器
基
础
接收器
发送器
全双工方式示意图
串行数据传送方式
计半双工
算 若使用同一根传输线既作接收又作发送，虽然数据可以 机在两个方向上传送，但通信双方不能同时收发数据，这样的 硬传送方式就是半双工（Half Duplex）制。
计 使用直接存储器传送方式(DMA)，实现数据
算 块操作。
机
硬
DMA方式下，外设利
件 用专门的接口电路直接和
技 术
存贮器进行高速数据传送 ，而不经过CPU。数据的 传输速度基本上决定于外
基 设和存储器的速度。
础
主存
I/O设备
CPU
改进
总线
主存
I/O设备
7.1.3 接口软件
计 DMA控制器具有以下功能： 算
基
中断服务子程序
础
启动打印机 数据传送 数据传送
打印机工作状况
准备
打印
打印
空闲
交换数据 交换数据
7.1.3 接口软件
计 DMA传送方式的提出
算 中断的缺点:采用程序中断控制, 能使多台外设依次启动后同时进行数
机
据交换的准备工作; 若在某时刻有几台外设发中断请求信号，CPU可 根据预先规定好的优先顺序, 按轻重缓急处理几台外设的数据传送,
3FB
实现数据位数、校验等设 置
线路状态寄存器 状态
3FD
指示接收、发送和错误状 态
…
…
……
线路状态寄存器位定义
位
含义
0
接收到数据
1
接收超时错误
2
接收奇偶错误
3
接收帧错误
4
接收间隔错误
5 发送寄存器缓存空
6
发送缓存空
7
发送FIFO错误
缓冲存储机制
计 接口电路的构成——数据缓冲存储接口电路在发送
算 机
硬 件
寄存器名
寄存器 I/O 类型 地址
接收保持寄存器 数据 3F8
技 发送保持寄存器 数据 3F8
寄存器功能
接收数据缓存 发送数据缓存
术 中断允许寄存器 控制 3F9 设置哪些中断可以发生
基 中断状态寄存器 状态 FIFO控制寄存器 控制
础 线路控制寄存器 控制
3FA 产生中断的具体中断源
3FA 实现FIFO和DMA控制
机 打印机的数据缓冲寄存器；然后, CPU可继续执行原来的程序，打印机
硬 件
开始打印这批数据。这批数据打印完成后，打印机向CPU发出中断请求 , CPU接到中断请求后对打印机进行中断服务，如再送出一批打印数据 等, 然后又继续执行原来的程序。
技 术
CPU工作状况
主程序执行
中断返回 响应中断 中断返回 响应中断
接口的基本构成 实现数据I/O缓冲，实现异
计
接口电路的构成（例）
步的CPU传送和接口传送 ，减少CPU的开销。
完成接口的电
算 机
双 数据总线 向
发送数据 缓冲存储
平变换、数据 信 格式变换。
号
硬受控于接口控
缓 冲
件制电路，完成
技 双向传送。
接收数据 缓冲存储
控制 寄存器
变 换 接口信号线
软件将对接口的控制信息 写入控制寄存器，完成对
算 机
由地址译码器确定控制和状态寄存器地址，不同的接口电路 占用不同的I/O端口地址。
硬 在Windows 件 下，通过设
技 备管理器可
术 以看到一些
基 接口的I/O地
础
址。如串行 接口COM1
的I/O地址：
控制和状态寄存器
计 接口电路的构成——控制和状态寄存器（续） 算 例如：串行接口COM1的I/O地址范围3F8～3FF共8个地址。 机 部分定义如下：
和接收过程中，都有缓冲存储机制。多数缓存机制 为FIFO方式。
硬
件 例如：某ห้องสมุดไป่ตู้口电路具有16字节的发送和接收FIFO
技：
术
基
接口软件写入
础
16字节发送FIFO
已写入未发出数据 16字节接收FIFO
接口电路发送
接口软件读取 已收到未读取数据
接口电路接收
数据变换
计 数据变换可以是电平变换（如RS-232串行接口）、脉冲变
机 硬
1) 向CPU发出HOLD信号。 2) 当CPU发出HLDA信号后,接管对总线的控制，进入
件
DMA方式。
技
3) 发出地址信息，能对存储器寻址,能修改地址指针。
术
4) 能发出读或写等控制信号。
基
5) 能决定传送的字节数,判断DMA传送是否结束。
础
6) 发出DMA结束信号,使CPU恢复正常工作状态。