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计算机外部设备
人们通常是通过外部设备使用计算机，但是由于种种原因，外设往往不能与CPU直接相连，它们之间的信息交换需要一个中间环节（或界面），我们称之为接口电路。
所谓接口是微处理器CPU与外界的连接部件（电路），是CPU与外界进行信息交换的中转站。
接口技术从广义上讲，是研究CPU如何与外界进行最佳结合与匹配，将计算机系统中的各种功能部件连接起来构成一个完整的、实用的计算机系统，并能实现与外界高效、可靠地交换信息的一门硬、软件相结合的技术，是软硬件结合之体现，是微型计算机应用的关键。
例如，中央处理器与系统总线连接所需的总线驱动器、数据收发器、总线控制器及总线裁决器等，称为处理器接口；存储器的组织及与系统总线的连接逻辑、存储管理部件、DMA控制器等，称为存储器接口；各种输入输出设备与主机进行信息交换所需要的硬件逻辑和软件设计，称之为外部设备接口技术或输入输出接口技术。
为什么要使用接口电路呢？
就以输入输出接口为例。
大家都知道，输入输出是计算机与外部世界交换信息所必需的手段。
程序、数据和现场物理量等要通过输入设备进入计算机，另一方面，计算机运行的结果和各种控制信号通过输出设备进行显示、打印或实现实时监控。
外设包括机械式、电子式、机电式等等，其速度与CPU相差太远，如键盘速度为秒级，磁盘为0.26MB/S；输入输出信号的形式有数字量、模拟量；信息传送方式有串行、并行等等。
所以，在CPU与外设之间需要设置一种部件，使CPU和外设协调工作，有效完成CPU与外界之间信息交换。
这种起界面作用的部件，称之为输入/输出接口电路。
计算机系统所配置的外部设备，类型繁多，数量不同。
它们不仅在工作速度上与中央处理机差别极大，而且在数据表示的形式上与计算机内部形式也不一致，每一个外部设备都是一个独立的部件。
因此，要实现外部设备与主机之间的连接（connection）和信息交换，必须经过一个数据转换和传输的设备。
这种设备，我们叫做I/O接口（interface），有的叫I/O适配器（adapter）或适配卡。
例如：
键盘适配卡、打印机适配卡、CRT适配卡、磁盘适配卡等。
接口定义：
用于完成计算机主机系统与外部设备之间的信息交换。
一般接口由接口电路、连接器（连接电缆）和接口软件（程序）组成。
I/O接口，不只是为了实现物理上的连接，它还要完成许多功能。
I/O接口的主要功能如下。
1.地址译码
2.交换数据、控制和状态信息
3.支持主机不同的传送方法
4.支持主机传送的不同的控制方法
5.提供主机和外部设备所需缓冲、暂存和驱动能力
6.数据格式的转换
7.编码与译码
8.信号变换
如上所述，I/O接口一边是面向主机控制的，另一边是面向外部设备的，不同的控制和不同的外部设备则有不同的I/O接口。
它们之间的功能划分是十分不同的，有的功能放在I/O适配器上，有的放在I/O设备上。
一般是联系紧密和关系复杂的功能应尽可能地安排在一起；联系不多，关系简单的功能可以分开。
如果把设备控制器放在I/O适配器上，也就很难区分哪些是属于I/O接口，哪些是属于设备控制器了。
例如打印机适配器，只完成接口功能，常作为通用并行接口，而具体的打印控制（设备控制器），则放在打印机中。
在CRT适配器上，则包括接口和CRT控制器两部分功能，用来把显示数据转换为视频信号，这时外部设备只剩下CRT本身了。
磁盘驱动器适配器中，则包含了磁盘控制器的大部分功能（磁盘控制程序、数据编码和译码，以及错误检验等）。
应当指出的，一个完整的I/O接口，不仅包含一些硬件电路，还包含相应的软件驱动程序。
这些软件放在接口的ROM中，有些放在主机板的ROM中，也有的放在磁盘上，当需要时才装人内存。
在PC机中，这些软件称为基本I/O系统，即BIOS。
应用程序可以通过调用BIOS来操作I/O接口，而避免由应用程序直接访问硬件。
这样I/O接口通过BIOS程序可以提供一个易于标准化的软件接口
CPU是微机的核心部件，它不仅要承担数据的加工和运算，还要控制数据的输入和输出。
在大多数微机中，CPU对I/O的控制是通过I/O接口来完成的，对于配备大量外设的微机系统，还可以设置单独的I/O处理机，本节将简述在微机系统中可能采用的I/O控制方式，包括程序控制方式、中断控制方式、直接存储器存取方式（DMA方式）和输入／输出处理机方式等四种。
1.查询控制方式
通过程序监测接口的状态，例如：
串行端口1（COM1:
），使用地址为3F8~3FE的I/O端口
3F8IN/OUT数据接收/发送寄存器
3F9OUT中断允许寄存器
3FAIN中断标志寄存器
3FBOUT线路控制寄存器
3FCOUTMODEM控制寄存器
3FDIN线路状态寄存器
3FEINMODEM状态寄存器
其中：
线路状态寄存器（3FD）：
2.中断控制方式
接口状态改变时产生中断，通过中断信号调用中断处理来处理接口事件。
特点：
接口需要中断支持（占用中断资源），编程复杂，效率高。
3.直接存储器存取方式（DMA方式）
通过DMA控制器（DMAC）完成内存与端口之间的数据传送，适合大批量数据的集中传送，且传送速度快。
如硬盘、声卡、视频卡、网卡等。
DMA方式的工作过程：
① 外设向DMAC发出请求信号；
② DMAC向CPU发出请求；
③ CPU响应后向DMAC发出允许信号，同时让出总线控制权；
④ DMAC接管总线，发出总线信号，完成数据传送；
⑤ DMAC向CPU发出结束请求；
⑥ CPU响应结束请求，接管总线。
4.输入／输出处理机控制方式
由一台专用的计算机完成输入/输出处理。
一般的大型计算机系统都有通信处理机。
计算机的I/O端口实现系统中的设备和软件间通信，如果想和串行口通信，必须知道串行口是通过哪个I/O端口来接收和发送的。
系统中有丰富的I/O端口。
准确数是65535个端口，从0000h到FFFFh。
这些I/O端口被分配给各种I/O设备，这些设备有些是在主机板上，有些通过总线在插板实现。
主板和基于芯片组的设备端口地址
基于总线的设备端口地址串行接口是PC机中最常用的通用接口，PC机可通过串行接口连接鼠标器、调制解调器（MODEM）、扫描仪等。
所谓串行接口，就是所传送的数据是以串行（逐位）的方式传送的。
发送时先将并行的字节转换成串行的位并逐位发送，接收时再将逐位收到的数据位拼装成字节。
其特点是接口线数少、传送距离长、速度慢、电路复杂（必须有“串→并”和“并→串”变换和位同步控制电路）。
串行信号由起始位、数据位、停止位构成。
传送单位为字节。
串行信号波形：
在进行串行通信的线路连接时，通常要解决两个问题：
一是计算机与外设之间要共同遵守的某种约定，这种约定称为物理接口标准，包括电缆的机械特性、电气特性、信号功能及传送过程的定义，它属于ISO'SOSI七层参考模型中的物理层，它为链路层提供透明的位流传输实体，规定了传送数据位的物理硬件规则，EIARS-232、RS-422、RS-485标准所包含的接口电缆及连接器均属于此类。
二是按接口标准设置计算机与外设之间进行串行通信的接口电路。
RS-232C标准是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustriesAssociation）与BELL等公司一起开发的于1969年公布的通信协议。
它适合于数据传输速率在0~20000b/S范围内的通信。
字母RS表示RecommandedStandard（推荐标准），232是识别代号，C是标准的版本号。
RS-232C标准最初是为远程通信连接数据终端设备DTE（DataTerminalEquipment）与数据通信设备DCE（DatacommunicationEquipment）而制定的。
但目前更广泛地应用于计算机与终端或外设之间的近距离连接。
这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号功能、电气特性和机械特性都作了较明确的规定。
由于通信接口与设备制造厂商都生产与RS-232C兼容的通信设备，因此它己成为微机串行通信接口中广泛采用的一种标准。
1.连接器
由于RS-232C标准只规定了采用一对物理连接器，但对连接器本身的物理特性没有任何定义，因而出现了DB25、DB9等各种类型的连接器，其引脚的定义也各不相同，使用时应特别注意。
在实际应用中DB25和DB9这两种连接器使用较多，下面将这两种连接器作简单介绍。
早期的PC和PC/XT采用的是如下图所示的DB25型连接器：
插头一侧为DTE，插座一侧为DCE。
虽然RS-232C定义了25脚信号标准，但实际进行异步串行通信时，只需9个电压信号，2个数据信号（RXD、TXD），6个控制信号和1个信号地线。
由于PC及PC/XT机除了支持EIA电压接口外还支持20mA电流环接口，另需4个电流信号，故而采取DB25型连接器作为DTE与DCE之间通信电缆的连接器。
RS-232CDB25型连接器
DB9型连接器，其信号引脚如下图所示。
由于AT机串行口取消了电流环接口，故采用DB9型连接器。
如果将配接DB9型连接器的DTE与配接DB25型连接器的DCE相连接，必须使用专门的电缆线或转接头。
RS-232CDB9型连接器
2.电缆长度
传输电缆的长度与传输线的线间电容有关。
EIA标准规定被驱动电路（终端）的电容（包括电缆连接电容）必须小于2500pF。
对于一个多芯电缆来说，每英尺（0.305m）电容为40pF~50pF，所以满足电容特性的电缆长度最长为50英尺（15.24m）。
如果电容特性不满足，则明显的反映是从空号到传号（从0到1），或从传号到空号（从1到0）的跳变时间要超过RS-232C标准规定的4％位码时间的最大允许值。
因为对于传号/空号的跳变过程和空号/传号的跳变过程来说，不同的跳变情况下驱动器和接收器电路的电阻是不同的，所以对电缆电容充电的时间也总是不同的。
超过50英尺所增加的电容和上述充电时间的差异会使接收电路产生传号位码比空号位码宽（传号畸变）或反之（空号畸变），这些畸变会引起字符接收错误。
如果在时钟频率有畸变或信号状态发生跳变时出现噪声，则更易出错。
RS-232C标准允许的连接电缆不超过50英尺（15.24m），但若能保证电缆总电容小于2500pF，则电缆长度可超过限定值。
同时，RS-232C标准所允许的信号传输速率在75～20000b/S的范围之内，而在实际应用中常被限制在19200b/S以内。
1.RS-232C信号电平
RS-232C标准对信号的逻辑电平、最高数据传输速率和各种信号功能都作了规定。
RS-232C选择-15V～-3V和+3V～+15V这个范围而不采用TTL逻辑（0V～5V）的原因，是为了提高抗干扰能力和增加传送距离。
由于传号和空号状态用相反的电压表示，其间有6V的差距，这就极大地提高了数据传输的可靠性。
2.EIARS-232C与TTL的电平转换
EIARS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，而TTL是以高低电平表示逻辑状态，因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIARS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。
3.其他电气参数
1）RS-232C终端一侧的旁路电容不应超过2500pF（包括电缆电容在内）。
2）开路电压不能超过25V。
3）RS-232C的驱动电路必须能承受电缆中任何导线短路，而不会导致有关设备的损坏
EIARS-232C标准规定了在串行通信时，数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间的接口信号。
所谓“发送”和“接收”是从数据终端设备的角度来定义的。
RS-232C接口所使用的DB9和DB25连接器引脚的信号名称、引脚及功能。
RS-232C标准接口有25条线。
其中有4条数据线，11条控制线，3条定时线，7条备用线和未定义线。
下面仅介绍最常用的一些信号线，按照它们的功能可分类如下。
1.地线类
脚1：
保护地，接机器框架，也可不接。
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脚7：
信号地，这是其他各信号电压的参考点。
无论电缆如何连接，这条线是必不可少的。
2.接收、发送数据线
脚2：
发送数据（TXD），由DTE发至DCE的信号。
在数据未发送时，一直保持负电压。
终端设备发送数据的条件是：
数据终端就绪（DTR）为正电压；
数传机就绪（DSR）为正电压；
请求发送（RTS）为正电压；
清除发送（CTS）为正电压。
脚3：
接收数据（RXD），由DCE发至DTE的信号。
3.常用控制信号类
脚4：
请求发送RTS，由DTE发至DCE的信号，表示它要向DCE发送数据。
当数传机就绪（DSR）、数据终端就绪（DTR）为正电平时（表示接通），RTS就应为正电压（表示接通）。
脚5：
清除发送CTS，由DCE发至DTE的信号，表示DCE己准备好接收来自DTE的发送数据。
如果数传机就绪DSR为断开状态（负电压），则CTS也应该是断开状态（负电压），以表明DTE不应发送数据。
CTS接通的条件是数传机就绪DSR、请求发送RTS为正电压。
脚6：
数传机就绪DSR，由DCE发至DTE的信号，表示DCE已与通信信道相连接。
脚20：
数据终端就绪DTR，由DTE发至DCE的信号，表示DTE准备发送数据至DCE。
数据终端就绪DTR必须先接通，然后数传机就绪DSR才能变为接通状态。
4.与调制解调器有关的信号
脚22：
振铃指示RI，由DCE发至DTE的信号，RI为正电压时，指示DCE正在接收振铃信号。
在每次振铃期间RI为接通状态，而在两次振铃之间，则为断开状态。
脚8：
载波信号检测DCD，当DCE接收到满足要求的载波信号时，DCD便是正电压，这个信号可用来驱动载波检测发光二极管。
在上述各信号线中。
发送数据、接收数据、信号地，这三条线是最基本的。
DSR、DTR、DCD和RI是针对电话网络设计的。
在本地互连的微机系统中，最常用到的联络信号是DTR、DSR、RTS、CTS。
对数据终端而言，若要发送数据，其必要条件是DTR、DSR、RTS，CTS应接通（正电压）。
有时RTS不一定是必要条件，但DTR必须接通，并且要求DSR、CTS这两条输入线必须接通。
当DTE与DCE（或DTE）互连时，这两个信号来自互连的设备，也可以用模拟的方法产生，例如通过软件设置或者将DTR、CTS直接连接得到正电压。
每当串口接收了一个字符，通过升起中断请求线（IRQ）引起计算机的注意。
8位ISA总线系统有8条中断线，16位ISA总线则有16条。
通常由8259中断控制器芯片处理这些请求并送CPU。
在标准配置中，COMl使用IRQ4，COM2使用IRQ3。
当一个串口装入系统时，必须配置使用专用的I/O地址（端口）和中断（中断请求IRQ）。
最好的方案是遵循这些设备的现有标准。
注意，尽管许多串口能设置成与COM1和COM2共享IRQ3和IRQ4，但并不推荐这样做。
最佳建议是设置COM3为IRQ10和COM4为IRQ11（如果可用的话）。
如果需要COM3之上的端口，建议购买专用的多口串行卡。
如果在标准COM1和COM2串口之外再添加时，必须保证他们使用惟一的、不冲突的中断。
如果购买了串口适配卡，并准备使用他提供标准COM1和COM2以外的端口，必须保证能够使用除IRQ3和IRQ4之外中断。
注意，BIOS生产商从不把对COM3和COM4的支持置入BIOS中。
所以，DOS不能对COM2之上的串口进行操作，因为DOS是从BIOS中获取I/O信息的。
在POST（加电自检）过程中，BIOS找出系统中装了些什么，装在何处。
加电自检只检查最前面安装的两个端口。
而这在Windows下根本就不是什么问题，因为Windows95/98/2000/NT都有内置的对多达128个端口的支持。
在Windows支持多达128个串口，使在系统里使用多端口板特别容易。
在只使用一个插槽和一个中断时，多端口板给系统以多点采集或与多个设备共享数据的能力。
但在COM端口之间或设备之间共享中断时，有时能正常工作，有时则不能。
建议在多串口之间最好不要共享中断。
并行接口最普遍的用途是用于连接打印机。
通常并行接口一次传送一个字节，所以，传输速率比串行接口快的多。
目前与PC机相匹配的打印机接口几乎都是以Centronics接口为基础的。
Centronics打印机接口是一种用三线信号交互的8位并行接口，但这种接口不支持外围设备选址，因此在输出端只能接一个设备。
Centronics并行接口使用的是36管脚的Amphenol57系列的接头，最大接线距离一般不大于5m，而且数据只能单向传送。
PC机为使并行接口与RS-232C使用同一种接头DB25，把36脚的Centronics接头改成了只有25脚的接头。
因此，PC机与打印机的连接是由一根25芯到36芯转换电缆完成的。
PC机并行接口25脚的定义以及与打印机36脚并行接口的连接关系表
数据信号：
方向由主机到打印机。
D0～D7：
主机发送给打印机的数据信息。
控制信号：
方向由主机到打印机。
表中列出的信号定义如下：
STB：
低电平有效，用于主机对打印机的数据选通。
AUTOLF：
低电平有效，打印完后自动走纸换行，有些打印机通过DIP开关设置。
INIT：
低电平有效，使打印机的控制器初始化信号，并同时清除打印缓冲区。
SLCTIN：
低电平有效，使打印机处于联机状态。
ACK：
低电平有效，表示打印机准备好，可以接收数据。
BUSY：
高电平有效，表示打印机处于忙状态，包括正在输入数据，正在打印，脱机状态，打印机就绪状态。
PE：
高电平有效，表示打印机缺纸。
SLCT：
高电平有效，表示打印机为联机状态。
ERROR：
低电平有效，表示打印机出错，包括无纸、脱机以及错误状态。
典型的操作过程是，当打印机就绪时，BUSY信号是低电平，然后计算机把数据放在数据线上，并把选通脉冲送到STB线上，这时打印机将BUSY忙信号变为高电平，并读出锁存的数据，把数据放到打印队列中，同时输出一个ACK响应脉冲。
在ACK脉冲之后，BUSY信号变为低电平。
如果打印机发现有错误，并处于检查状态，打印机就启动ERROR线。
1.正常信号交互
在正常信号交互时，计算机向打印机指出数据线上存在有效信息。
在选通脉冲变为逻辑负值之前，至少1μs时间数据必须是有效的，并且在选通脉仲变为低电平后，数据必须至少保持1μs是有效的，选通脉冲为低电平的时间大约为1～500μs。
选通脉仲的下降沿使得打印机送出ACK响应信号。
选通脉冲变为低电平到ACK信号之间的延迟时间大约在2～10μs的范围内。
以上时间是对于正常数据传送的。
2.忙状态信号交互
当打印机的打印缓仲器中有打印命令时（回车），或者当垂直进纸、走纸、换行、删除、报警、选择或不选择字符送到打印机时，打印机就处于忙状态。
当打印机收到这些控制某种机械操作的特殊字符时，它需要用几微秒以上的时间进行操作，这时信号交互的时序变成BUSY状态来对此作出反映。
BUSY状态的信号交互机制在以下几方面不同，在选通脉冲变为低电平之后，BUSY信号代替了响应脉冲，BUSY信号表示打印机被某种操作占用，在操作结束之后才能完成信号交互。
打印机可能有2～300μs忙持续时间。
当BUSY为低电平之后，打印机通过在响应线ACK上发负脉冲表示结束，这点与正常信号交互相同。
有些打印机根本不使用BUSY线，因为不论是正常的还是较忙的信号交互，它们的结束都是一样的，这样就可以用两线信号交互代替三线。
另外一些打印机用一个开关来补充BUSY线，不论是两线还是三线都可以使用这种开关。
还有些使用Centronics接口的打印机不采用原先的Centronics延迟时间，例如，它们也许在选通脉冲接通前要求数据有0.5μs的有效时间，并且在选通脉冲断开后保持0.5μs有效。
选通脉冲只有0.5μs时间接通。
这些时间只是原先Centronics规定时间的一半。
1.标准并行口（SPP）
原始PC并口的单向性能与其主要用途是一致的，即将数据发送到一台打印机。
但是，有时候希望有双向端口，例如需要接收来自打印机的反馈信息，而这在PostScript打印机中是常见的。
而这对于原始的单向端口是难以做到的。
虽然从来没有准备用作输入，但是一种聪明的设计方案还是将四条信号线可以作为4位输入连接。
这样，这些端口能进行8位（字节）输出（称作兼容模式）和4位输入（称作半字节模式）。
这在低端桌面系统中仍然非常普遍。
1993年后制作的系统有更高性能的端口，例如，双向、EPP、ECP。
标准并口具有约150KB/s输出和约50KB/s输入的有效传输速率。
2.双向（8位）并口
随着1987的PS/2系列机的推出，IBM引人了双向并口。
这些在当今的PC兼容系统中是最常见的，可以将其指称为“双向”、“PS/2型”或“扩展的”并行端口。
这种端口设计为计算机和外设通过并口进行真正的通信开辟了道路。
这是通过对并行连接器上少数以前没有使用的引脚进行定义，并通过定义的一个状态位，表示通过通道的信息方向。
于是就允许有真正的8位（称作字节模式）输人。
这些端日通过标准的8条数据线进行8位输入和输出，在与外设配合使用时，明显的要比4位端口决。
双向端口在输出和输入时都具有大约150KB/s速率传输数据的能力。
3.增强型并口（EPP）
EPP是一种更新的规范，有时又称作快速模式并口。
EPP是由Intel、Xircom和ZenithDataSystem开发的，并于1991年10月公布。
提供EPP的第一代产品的是ZenithDataSystems的膝上型计算机、ircom的袖珍型LAN适配器和Intel82369SLI/O芯片。
现在，几乎所有系统都含一个多模式并口，通常制作在主板上支持EPP模式的SuperI/O芯片中。
EPP几乎以ISA总线速度工作，使比传统并口的原始吞吐量有成十倍的提高。
EPP是专门为并行端口外围设备设计的，比如LAN适配器、磁盘驱动器和磁带备份等。
EPP已经包括在新的IEEE－1284并口标准中。
采用EPP，传输速率达到2MB/s是可能的。
自1992年推出最早的Intel82360SLI/O芯片以来，其他一些主要的芯片供应商（如NationalSemiconductor、SMC、Digital和VLSI）也生产了能提供某些EPP性能的I/O芯片组。
但是存在一个突出的问题，不同供应商生产的各种芯片在使用EPP的过程上相差甚大，且许多供应商提供的多于一个I/O芯片。
EPP1.7版（1992年3月）确定了硬件规范的第一个流行版本。
经少量修改后，版本被放弃，而且被并入IEEE-1284标准。
有些技术参考资料中错误的标出参考“EPP标准规范1.9版”，引起了关于EPP标准的混淆。
注意“EPP1.9版”技术上并不存在，在最初1.7版后的任何EPP规范，确切他说应该指的是IEEE-1284规范的一个部分。
不幸的是，这导致了两种关于EPP并口的不兼容标准：
最初的EPP标准委员会1.7版标准，和IEEE-1284委员会标准，通常叫做EPP1.9版。
两种标准极为相似，所以新的外设可以设计成支持两种标准，但是老的EPP1.7外设在EPP-1284（EPP1.9）端口上可能就不工作。
正是由于这个原因，许多多模式端口允许任意配置成EPP1
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