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1、第八章第八章 串行总线及接口串行总线及接口第1页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术8.1USB的由来的由来USB（Universal Serial Bus）是由Compaq、HP、Intel、Lucent（朗讯）、Microsoft、NEC和Philips七家公司联合推出的新一代标准接口总线。该总线是一种连接外围设备的机外总线，最多可连接127个设备，为微机系统扩充和配置外部设备提供了方便。USB规范有多种版本，最早的版本是1994年11月推出的USB 0.7版。1996年1月推出了标准版本USB l.0，目标是为中低速的外围设备提供双向、低成本的总线，数据传输率最高为1
2、2Mb/s。第2页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术USB新规范新规范USB2.0随着微机系统及其外设性能和功能的增强，需处理的数据量越来越大，2000年4月又推出了新的USB规范USB 2.0。在新版本中，增加了一种480Mb/s的数据传输率，以满足日益复杂的高级外设与PC机之间的高性能连接需求。USB2.0是USB的自然升级，它在保留原有USB规范的基础上又提供了更高的带宽，并且与现有的外设保持完全兼容。第3页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术PC机的主要外设总线回顾机的主要外设总线回顾串行总线RS232（1969年，EIA颁布）IEEE1394
3、（1995年，IEEE颁布）USB（1994年，七家公司联合推出）并行总线STD（8位，Pro-Log公司1978年推出）ISA（16位，IBM公司1984年推出）EISA（16位，Compaq等公司1989年推出）PCI（32位，1992年Intel倡导下推出1.0版）第4页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术USB基本概念（基本概念（1）近年来USB技术已经成为了计算机领域发展最快的技术之一，并为越来越多的个人计算机界人士所接受。Windows98的问世，使USB的操作系统支持问题得到了解决。从此各种USB设备不断涌现。可以认为在Windows 98操作系统推动下，带来
4、了USB技术的飞速发展和普及。现在，不管买什么样的个人电脑，你都能找到USB端口。USB技术并不仅限于PC行业，现在每一个计算机硬件的生产商都在尝试在他自己的平台上应用USB技术。第5页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术USB基本概念（基本概念（2）我们通常所用的鼠标和调制解调器都是连接在串口上的。但USB并不完全是一个串口，它实际上是一种串行总线。这意味着你的机箱后盖上的USB端口可以连接许多设备，这些设备可以相互连接在一起。而且不同类型的设备组成可以通过一种称为USB集线器的硬件分离开来，这些都是与传统的串口上只能链接一个设备有着本质区别的。USB用来把串口、并口等不
5、同的接口统一起来，使用一个4针插头作为标准插头。通过这个标准插头，采用菊花链形式(星型结构)可以把所有的外设连接起来，并且不会损失带宽。第6页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术USB基本概念（基本概念（3）今后USB将取代当前PC上的串口和并口。当我们提到USB时，与其将它想象成一个串口，还不如将它想象成一个连接有不同设备的网络，就像我们所熟悉的以太网一样。给出了一个典型的USB设备网络配置的示意图。第7页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术典型的典型的USB配置图配置图第8页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术8.1.2USB的基
6、本特点的基本特点与传统的总线接口相比，USB有以下七方面的优点。下面分别介绍。第9页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术USB总线的主要性能特点（总线的主要性能特点（1）每个USB系统中有一个主机，采用“级联”方式USB总线可连接多个外部设备。每个USB设备用一个USB插头连接到上一个USB设备的USB插座上，而其本身又提供一或多个USB插座供下一个或多个USB设备连接使用。这种多重连接是通过集线器Hub来实现的，整个USB网络中最多可连接127个设备，支持多个设备同时操作。第10页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术USB总线的主要性能特点（总线的主要
7、性能特点（2）USB提供机箱外的热即插即用功能，连接外设不必再打开机箱，也不必关闭主机电源，USB可智能地识别USB链上外围设备的动态插入或拆除，具有自动配置和重新配置外设的能力，因此连接设备方便。第11页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术USB总线的主要性能特点（总线的主要性能特点（3）适用于带宽范围在几千位/秒（Kb/s）几百兆位/秒（Mb/s）的设备。USB总线既可连接键盘、鼠标、摄像头、游戏设备、虚拟现实外设这样的低速设备，也可连接电话、声频、麦克风、压缩视频这样的全速设备，还可连接视频、存储器、图像这样的高速设备。此外，USB总线还允许复合设备（即具有多种功能的
8、外设）连接到PC机。第12页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术USB总线的主要性能特点（总线的主要性能特点（4）低成本的电缆和连接器。USB通过一根四芯的电缆传送信号和电源，电缆长度可变，可长达5m。USB统一的4针插头将取代机箱后部众多的串行口、并行口、键盘接口等插头。USB具有错误检测和处理机制，可识别设备的错误。较低的协议开销带来了高的总线性能，且适合于低成本外设的开发。支持主机与设备之间的多数据流和多消息流传输，且支持同步和异步传输类型。第13页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术过去接口方案存在缺点过去接口方案存在缺点今天的微型计算机上所使用
9、的大多数外围设备仍然是基于接口实现的，这些接口最早由IBM公司在20世纪80年代早期设计。这些接口的设计有很多缺陷，它们不仅给设计者带来了许多麻烦，而且也给用户带来诸多不便。下面我们将对这些缺点进行总结和回顾。在这个过程中我们将会注意到：这些缺点中的很多直接导致了人们需要更好的解决方案来实现外围设备与计算机之间的连接。第14页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术PC的的I/O模式的缺点模式的缺点下图表示了传统的I/O模式，在那里外围设备通常被映射为CPU的I/O地址空间，并且被分配一个指定的IRQ(中断请求)，在某种情况下它们也可以是一个DMA通道。这些系统资源被分配给指定
10、的外围设备，这些地址的分配通常是由IBM公司和其他设备制造商指定。而且在事实上，这种地址分配方法已经成为一种标准。软件开发者要利用这些关于中断请求和DMA通道的信息对指定的设备进行访问。第15页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术传统外围设备所用的系统资源传统外围设备所用的系统资源第16页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术中断中断在大多数情况下，许多关键的系统资源问题都涉及到中断请求分配，因为PC上所用到的很多设备都要求使用中断。这一点对于那些通过ISA总线和PC相连的外围设备来说尤其是这样，因为ISA总线不能可靠地支持共享式中断。下表列出了每个IRQ
11、以及使用每个IRQ的典型设备。从这个表中我们可以看到，很多IRQ指定给特定的设备，这种做法完全是出于传统的考虑。但是还有一些IRQ可以被很多种外围设备使用。基于PCI总线的系统也包括ISA或EISA两种总线。第17页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术典型的设备占用中断情况表典型的设备占用中断情况表第18页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术I/O地址和非共享式接口地址和非共享式接口在PC的环境中，IO地址冲突是十分常见的。注意外围设备通常需要大块的IO地址单元，这样他们才能够报告设备的状态信息并且给设备发送命令。尽管x86处理器有能力访问64KB的IO
12、地址单元，但是传统的扩展卡通常只能对16条地址线中的10个进行解码。这就导致了最多只能有1KB的地址空间块可以被ISA的扩展卡所使用。标准PC的外围设备接口支持单个设备的连接。由于在一个给定的时刻只有一个外围设备可以连接，这样，连接的灵活性就被最小化。由于这个限制，所以通常是做一块专用的扩展卡插到扩展总线上，通过它来为新的外围设备建立一个连接点，但是这种做法相对来说成本比较昂贵。第19页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术8.2 USB系统描述系统描述一个USB系统由三部分来描述：USB主机、USB设备和USB互连。USB设备USB设备分为Hub(集线器)和Function
13、(功能)两大类。USB主机在任一USB系统中只有一个主机。到主计算机系统的USB接口被称作主机（主控制器）。USB互连USB互连指的是USB设备与主机的连接和通信方式，它包括总线拓扑结构、内层关系、数据流模型和USB调度表。第20页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术8.2.2 USB物理接口物理接口USB总线的电缆有4根导线一对标准尺寸的双绞信号线和一对标准尺寸的电源线USB总线支持的数据传输率有三种：高速信令位传输率为480Mbs；全速信令位传输率为12Mbs；低速信令位传输率为1.5Mbs。USB20支持在主控制器与Hub之间用高速传输全速和低速数据，而Hub与设备之
14、间以全速或低速传输数据，参看下图。第21页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术USB电缆示意图电缆示意图第22页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术8.2.3 电源电源USB的电源规范包括两个方面：电源分配用来处理USB设备如何使用主机通过USB总线提供的电源。电源管理用来处理USB系统软件和设备如何适应主机上的电源管理系统。第23页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术8.3同类产品同类产品IEEE1394 IEEEl394是Apple公司于1993年首先提出，用以取代SCSI的高速串行总线“FireWire”，后经IEEE协会于19
15、95年12月正式接纳成为一个工业标准。全称为IEEEl394高性能串行总线标准（IEEE l394 High Performance Serial BUS Standard）。在1997年和1998年先后两次由Microsoft、Intel和Compaq几家公司共同制定的PC97和PC98系统设计指南中，规定把USB、IEEEl394作为外设的新接口标准加以推行。IEEEl394总线有如下特征:第24页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术IEEE1394的特点（的特点（1）IEEEl394与USB有许多相似之处，其主要性能特点如下：采用“级联”方式连接各个外设。IEEEl3
16、94不需要集线器(Hub)就可在一个端口上连接63个设备，设备间采用树形或菊花链结构，其电缆的最大长度是4.5m。采用树形结构时可达16层，因此，从主机到最末端外设电缆总长可达72m。电缆不需要终端器（Terminator）。第25页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术IEEE1394的特点（的特点（2）能够向被连接的设备提供电源。IEEEl394使用6芯电缆，其中两条线为电源线，其它4条线被包装成两对双绞线，用来传输信号。具有高速数据传输能力。IEEEl394的数据传输率有三档：100Mbs、200Mbs、400Mbs，特别适合于高速硬盘以及多媒体数据的传输。第26页，共
17、56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术IEEE1394的特点（的特点（3）可以实时地进行数据传输。IEEEl394除了异步传送外，也提供了一种等时同步(Isochronous)传送方式，数据以一系列固定长度的包，等时间间隔地连续发送，端到端既有最大延时限制又有最小延时限制。第27页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术IEEE1394的特点（的特点（4）IEEE1394的总线仲裁除了优先权仲裁方式之外，还有均等仲裁和紧急仲裁两种方式，这保证了多媒体数据的实时传送。采用点对点(Peer to Peer)结构。任何两个支持IEEEl394的设备可直接连接，不需要通过
18、主机控制。设备连接方便。IEEEl394也支持热即插即用，在增加或拆除外设后，IEEEl394会自动调整拓扑结构，重设整个外设的网络状态。第28页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术IEEE1394的特点（的特点（5）USB和IEEE1394的设计出发点不同IEEEl394是一种高速串行总线，它一开始就是面向高速外设的，而USB一开始是面向中低速外设的。两种串行总线都在推广之中。USB20的推出使得USB总线也可以连接高速外设，再加上USB总线的价格优势，USB总线可能会有广阔的发展前景。第29页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术IEEE1394与与U
19、SB的比较的比较第30页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术8.4USB的今后发展的今后发展USB2.0速度快，达到480MB/S，超过IEEE1394。USB和IEEE1394竞争激烈火线标准走向普及发展趋势：USB将胜过IEEE1394P4芯片组将集成USB2.0Windows XP最初不支持USB2.0众多的USB2.0产品问世第31页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术操作系统对操作系统对SUB的支持情况的支持情况DOS无USB支持功能Windows95不支持USBWindows95OSR2（俗称Windows97）支持USBWindows98支
20、持USBWindowsNT4.0不支持USBWindows2000支持USB第32页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术主板的支持主板的支持判断主板是不是支持USB标准，首先可以从计算机采用的芯片类型当中去判断。奔腾II或者以上级别的主板肯定支持USB。奔腾II、III级的ATX主板将USB定义为标准的接口设备而直接安装在主板上。奔腾级的主板，由于没有专用的USB外设接口，从机箱外观上无法判断其是否支持USB。此时往往需要我们自己来安装USB的接口。第33页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术常见的常见的USB外部设备外部设备USB双机互连USB调制解调
21、器USB鼠标USB音箱USB摄像机USB扫描仪USB游戏杆第34页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术常用的常用的USB外部设备外部设备USB集线器USB移动硬盘USB刻录机USB数字照相机第35页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术常用的常用的USB外部设备外部设备USB集线器USB移动硬盘USB刻录机USB数字照相机第36页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术串行通信的基本概念串行通信的基本概念并行传送数据在多条1位宽在传输线上同时由源传送到目的串行传送数据在单条1位宽的传输线上,一位一位地按顺序分时传送第37页，共56页，编辑于
22、2022年，星期三微机原理汇编接口技术串行通信的基本概念串行通信的基本概念数据传送的方向单工两端仅有发送器或接收器、一个通道仅能进行一个方向的传送半双工两端具有发送器和接收器、但只有一个通道同一时刻仅能进行一个方向的传送可交替的进行双向数据传送全双工两端具有发送器和接收器、且具有两个通道同一时刻能进行双向传送第38页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术串行通信的基本概念串行通信的基本概念数据传送的方式异步方式发送和接收只需短时间内同步的数据传送传送单元较小（一般为一个Byte）同步方式发送和接收需长时间内同步的数据传送传送单元较大（传送一个包）第39页，共56页，编辑于20
23、22年，星期三微机原理汇编接口技术串行通信的基本概念串行通信的基本概念异步传送的帧结构起始位（1）数据位（58）奇偶校验位（1，Odd/Even/None）停止位（1，1.5，2）仅要求短时间内的同步（帧内）第40页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术串行通信的基本概念串行通信的基本概念同步传送的帧结构同步字符（1n）数据块校验字节（CRC？ECC？）需要整个传送过程的同步，要求较高第41页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术串行通信的基本概念串行通信的基本概念通用收发器（URT）通用同步/异步收发器（USART）通用异步收发器（UART）p.378,F
24、ig.11-4结构接收器（RxD）发送器（TxD）控制器第42页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术串行通信的基本概念串行通信的基本概念调制解调器解决长距离的数据传送问题借助于电话线（模拟信号音频信号）调制将数字信号转换为音频信号（发送端）解调将音频信号转换为相应的数字信号（接收端）第43页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术可编程串行接口芯片可编程串行接口芯片8251AIntel的USART，与Intel的CPU兼容可编程芯片、全双工速率同步：DC64K异步：DC19.2K独立的收发时钟第44页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术可
25、编程串行接口芯片可编程串行接口芯片8251A8251A的编程方式字确定工作方式（初始化时）命令字操作控制（操作中）状态字了解当前的状态（操作中）第45页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术可编程串行接口芯片可编程串行接口芯片8251A8251A的编程流程8251A的中断请求TxRDY+RxRDYINTR读取状态字TxRDY？RxRDY？第46页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术EIA RS-232C串行口串行口第47页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术EIA RS-232C串行口串行口接口标准信号电平接口电平逻辑高(1)(MARK
26、):-3v -15v逻辑低(0)(SPACE):+3v +15v注意与芯片引脚的区别:反向第48页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术EIA RS-232C串行口串行口接口标准接口器件TTLRS-232反向驱动MC1488(+/-12V)/MC1489(+5V)MAX232/MAX233第49页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术EIA RS-232C串行口串行口第50页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术EIA RS-232C串行口串行口接插件第51页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术EIA RS-232C串行
27、口串行口接插件25pin/9pinDTE针DCE孔第52页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术EIA RS-232C串行口串行口信号定义第53页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术EIA RS-232C串行口串行口接口连接第54页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术EIA RS-232C串行口串行口第55页，共56页，编辑于2022年，星期三微机原理汇编接口技术同步数据通讯协议同步数据通讯协议高速收发频率的同步BISYNCBinary Synchronous Communication Protocol第56页，共56页，编辑于2022年，星期三