计算机接口技术报告

（c）可编程结构：其功能和工作方式可由编程指定，使用灵活、适应面广，且种类繁多

（d）智能型结构：芯片本身就是一个微处理器，外设的全部管理都由智能接口完成，如I/O处理器I0809或通用单片机

8.CPU与接口之间传送数据方式

CPU与接口之间的数据传送方式主要有查询方式、中断方式和DMA方式： （a）查询方式：主要用于CPU不太忙且传送速度不高的情况下。无条件传送方式作为查询方式的一个特例，主要用于对简单I/O设备的控制或CPU明确知道外设所处状态的情况下。

（b）中断方式：主要用于CPU的任务比较忙的情况下，尤其适合实时控制和紧急事件的处理

（c）DMA方式（直接存储器存取方式）：主要用于高速外设进行大批量数据传送的场合。

二．总线技术

1.总线的定义

总线，英文叫作“BUS”,即我们中文的“公共车”，这是非常形象的比如，公共车走的路线是一定的，我们任何人都可以坐公共车去该条公共车路线的任意一个站点。如果把我们人比作是电子信号，这就是为什么英文叫它为“BUS”而不是“CAR”的真正用意。当然，从专业上来说，总线是一种描述电子信号传输线路的结构形式，是一类信号线的集合，是子系统间传输信息的公共通道。通过总线能使整个系统内各部件之间的信息进行传输、交换、共享和逻辑控制等功能。如在计算机系统中，它是CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过主机相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接。

2.总线技术的特点

总线的优点就是能够更加方便地更换各个部件。如果您想更换一个更好的显卡，您只需从总线上拔掉原来的显卡，然后插上新的就可以了。如果您要在计算机上安装两个显示器，只需在总线上插入两个显卡。二、三十年前，处理器的速度要非常慢，以便与总线同步，即总线与处理器的速度相同。而且当时计算机上只有一条总线。处理器的运转速度非常快，多数计算机都有两条或更多的总线。每条总线专用于特定类型的流量。现今，一台典型的台式个人计算机一般有两条

5

主总线：一条是我们通常所说的系统总线或局部总线，用于连接微处理器（中央处理器）和系统内存。它是系统中运行最快的总线。 另一条总线的速度较慢，用于与硬盘和声卡等部件进行通信。这种类型的总线最常见的是PCI总线。这些运行较慢的总线通过桥接器连接到系统总线，因为桥接器是计算机芯片组的一部分并能起到流量交换的作用，所以能够将其他总线的数据集成到系统总线。 其实还有其他的总线。例如，通用串行总线（USB），用于把照相机、扫描仪和打印机等设备连接到计算机。它利用细线缆连接到设备，并且多个设备可以同时共用一根总线。FireWire是另一种总线，主要用于摄影机和外置硬盘。

3.总线的分类标准

总线分类的方式有很多，如被分为外部和内部总线、系统总线和非系统总线等等，下面是几种最常用的分类方法。

（a）按功能分

最常见的是从功能上来对数据总线进行划分，可以分为地址总线（address bus）、数据总线（data bus）和控制总线（control bus）。在有的系统中，数据总线和地址总线可以在地址锁存器控制下被共享，也即复用。

地址总线是专门用来传送地址的。在设计过程中，见得最多的应该是从CPU地址总线来选用外部存储器的存储地址。地址总线的位数往往决定了存储器存储空间的大小，比如地址总线为16位，则其最大可存储空间为216（64KB）。

数据总线是用于传送数据信息，它又有单向传输和双向传输数据总线之分，双向传输数据总线通常采用双向三态形式的总线。数据总线的位数通常与微处理的字长相一致。例如Intel 8086微处理器字长16位，其数据总线宽度也是16位。在实际工作中，数据总线上传送的并不一定是完全意义上的数据。

控制总线是用于传送控制信号和时序信号。如有时微处理器对外部存储器进行操作时要先通过控制总线发出读/写信号、片选信号和读入中断响应信号等。控制总线一般是双向的，其传送方向由具体控制信号而定，其位数也要根据系统的实际控制需要而定。

(b)按传输方式分

按照数据传输的方式划分，总线可以被分为串行总线和并行总线。从原理来看，并行传输方式其实优于串行传输方式，但其成本上会有所增加。通俗地讲，并行传输的通路犹如一条多车道公路，而串行传输则是只允许一辆汽车通过单线公路。常见的串行总线有SPI、I2C、USB、IEEE1394、RS232、CAN等；而并行总线相对来说种类要少，常见的如IEEE1284、ISA、PCI等。

(e)按时钟信号方式分

按照时钟信号是否独立，可以分为同步总线和异步总线。同步总线的时钟信号独立于数据，也就是说要用一根单独的线来作为时钟信号线；而异步总线的时

6

钟信号是从数据中提取出来的，通常利用数据信号的边沿来作为时钟同步信号。

4.发展历史

早期美国国际商用机器公司（IBM）生产的PC（circa 1982）使用了最早的PC总线，它的位宽是16位，速度为4.77兆赫。后来正式称为工业标准结构（ISA）总线。这种总线传输数据的速度约为9兆字节/秒，速度之快甚至能用在现今的应用软件中。

几年前，许多计算机仍在使用ISA总线。二十世纪八十年代初，为早期的IBM PC开发了专用这种总线的计算机卡。甚至在大量可取代它的先进技术出现后，人们仍在使用ISA总线。

这种总线被人们长期使用有两个主要原因：

它长期与多数硬件制造商保持兼容性。多媒体兴起之前，只有少数的外围硬件设备完全采用新型总线的速度。 随着技术的进步，ISA总线无法跟上时代的步伐，于是开发了其他的总线。其中主要的是扩展工业标准结构（EISA）线（位宽32位，频率8兆赫）和视频电子标准协会局部总线（VL-Bus）。VL-Bus（由创建该标准的视频电子标准协会（VESA）命名）的位宽是32位，以局部总线的速度运行，一般与处理器的速度相同。实质上，VL-Bus能够直接连接到CPU。人们可以用这种方式连接一个单独的设备，甚至还可以连接两个。但是将两个以上的设备连接到VL-Bus则可能会影响CPU的性能。因此，VL-Bus一般只用于连接显卡，它将真正从高速访问CPU的过程中受益。

三．并行接口

并行接口，指采用并行传输方式来传输数据的接口标准。从最简单的一个并行数据寄存器或专用接口集成电路芯片如8255、6820等，一直至较复杂的SCSI或IDE并行接口，种类有数十种。一个并行接口的接口特性可以从两个方面加以描述：1. 以并行方式传输的数据通道的宽度，也称接口传输的位数；2. 用于协调并行数据传输的额外接口控制线或称交互信号的特性。 数据的宽度可以从1～128位或者更宽，最常用的是8位，可通过接口一次传送8个数据位。在计算机领域最常用的并行接口是通常所说的LPT接口。

1.并行接口的概述

通常所说的并行接口一般称为Centronics接口，也称IEEE1284，最早由Centronics Data Computer Corporation公司在20世纪60年代中期制定。Centronics公司当初是为点阵行式打印机设计的并行接口，1981年被IBM公司采用，后来成为IBM PC计算机的标准配置。它采用了当时已成为主流的TTL电

7

平，每次单向并行传输1字节（8-bit）数据，速度高于当时的串行接口（每次只能传输1bit），获得广泛应用，成为打印机的接口标准。1991年，Lexmark、 IBM、Texas instruments等公司为扩大其应用范围而与其他接口竞争，改进了Centronics接口，使它实现更高速的双向通信，以便能连接磁盘机、磁带机、光盘机、网络设备等计算机外部设备（简称外设），最终形成了IEEE1284-1994标准，全称为\Peripheral Interface for Personal Computers\，数据率从10KB/s提高到可达2MB/s（16Mbit/s）。但事实上这种双向并行通信并没有获得广泛使用，并行接口仍主要用于打印机和绘图仪，其他方面只有的少量设备应用，这种接口一般被称为打印接口或LPT接口 。

2.接口的通信原理

并行接口中各位数据都是并行传送的，它通常是以字节（8位）或字节（16位）为单位进行数据传输。

如上图所示，图中的并行接口是一个双通道的接口，能完成数据的输入和输出。其中，数据的输入/输出是由输入/输出缓冲器来实现的，状态寄存器提供状态信息供CPU查询，控制寄存器接收来自CPU的各种控制命令。

在数据输入过程中：输入设备将数据送给接口同时使“数据输入准备好”有效。接口把数据送给输入缓冲寄存器时，使“数据输入回答”信号有效，当外设收到应答信号后，就撤消“数据输入准备好”和数据信号。同时，状态寄存器中的相应位（“数据输入准备好”）有效，以供CPU查询。当然，也可采用中断方式，向CPU发出中断请求。CPU在读取数据后，接口会自动将状态寄存器中的“数据输入准备好”位复位。然后，CPU进入下一个输入过程。

在数据输出过程中：当CPU输出的数据送到数据输出缓冲寄存器后，接口会自动清除状态寄存器中的“输出准备好”状态位，并且把数据送给输出设备，输出设备收到数据后，向接口发一个应答信号，告诉接口数据已收到，接口收到信号后，将状态寄存器中的“输出准备好”状态位置“1”。然后，CPU进入下一个输出过程。

8