【導(dǎo)讀】本文主要講解了串行口、并行口、USB接口如何通過(guò)信號(hào)進(jìn)行通信，并且詳述了USB硬件和軟件結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。本文針?duì)計(jì)算機(jī)接口知識(shí)進(jìn)行了匯總。希望大家能夠更加了解計(jì)算機(jī)的各種外設(shè)接口的通信。
在控制領(lǐng)域,想要對(duì)一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，要在設(shè)備之間建立一個(gè)相互聯(lián)絡(luò)和溝通的機(jī)制，計(jì)算機(jī)科學(xué)里稱這種聯(lián)絡(luò)機(jī)制為“接口(Interface)”。譬如,當(dāng)我們需要打印一份文件時(shí)，首先主機(jī)需要與打印機(jī)之間要建立聯(lián)系，然后才能向打印機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。那么，這是怎樣一個(gè)過(guò)程呢？
握手信號(hào)，聯(lián)系主機(jī)與外設(shè)的紐帶
計(jì)算機(jī)接口的主要功能就是使數(shù)據(jù)通過(guò)接口使之能夠在不同模塊或系統(tǒng)間自由流動(dòng)，達(dá)到數(shù)據(jù)共享的目的。在過(guò)去很長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期內(nèi)，主機(jī)與打印機(jī)之間是通過(guò)并行口連接起來(lái)的，現(xiàn)在針式打印機(jī)仍然使用并行口，激光打印機(jī)和一部分噴墨打印機(jī)已經(jīng)采用USB接口了。先來(lái)看看并行口是怎樣進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。
圖1 并行口連接器
所謂并行口，是指數(shù)據(jù)在多條信號(hào)線上同時(shí)進(jìn)行傳送。標(biāo)準(zhǔn)的并行口為8位，也就是說(shuō)只有8條數(shù)據(jù)線。那么，標(biāo)準(zhǔn)的并行口為何定義了25個(gè)針腳呢？原來(lái)，除了8根數(shù)據(jù)線，還有一系列的命令線、狀態(tài)信號(hào)線和接地線（圖1）。其中的命令線由主機(jī)發(fā)往打印機(jī)，而狀態(tài)信號(hào)線則由打印機(jī)反饋給主機(jī)。命令線與狀態(tài)線之間往往是成對(duì)出現(xiàn)的——一條命令線對(duì)應(yīng)一條狀態(tài)線，彼此接頭的兩個(gè)信號(hào)則被形象地稱作握手（Handshaking）信號(hào)。
表1 SPP模式下并行口信號(hào)定義
通過(guò)握手信號(hào)，主控端可獲得被控端的狀態(tài)信息，從而決定下一步做什么了。譬如，當(dāng)用戶需要打印文件時(shí)，會(huì)向打印機(jī)發(fā)出nSELECT命令，如果打印機(jī)電源已經(jīng)打開，則通過(guò)SELECT信號(hào)線傳回“在線”狀態(tài)信號(hào)。接下來(lái)，主機(jī)向打印機(jī)傳輸nSTORBE信號(hào)，同時(shí)將存放數(shù)據(jù)的發(fā)送到數(shù)據(jù)線上，一旦BUSY信號(hào)為低電平，則執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸。此時(shí)，打印機(jī)輸出nACK信號(hào)，表示完成了一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，告訴主機(jī)可以開始傳輸下一個(gè)字節(jié)了（圖2）。
圖2 并行口數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖
如果在打印過(guò)程中紙張用完，打印機(jī)發(fā)出缺紙信號(hào)，主機(jī)收到這個(gè)信號(hào)后，會(huì)在顯示屏上顯示出對(duì)應(yīng)的信息，以通知用戶放入紙張。有了這樣一個(gè)機(jī)制，機(jī)器之間便可以自動(dòng)地進(jìn)行各種工作。 [page]
采用同步通信建立聯(lián)系主機(jī)與外設(shè)的紐帶
握手信號(hào)的另一用途是對(duì)被控設(shè)備進(jìn)行故障診斷。譬如電腦在啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)向打印機(jī)發(fā)出控制命令nINT讓打印機(jī)復(fù)位，如果應(yīng)答信號(hào)nERROR為高電平，則說(shuō)明打印機(jī)功能正常，否則意味著打印機(jī)出錯(cuò)了。
握手信號(hào)是聯(lián)系主機(jī)與外設(shè)的紐帶，通過(guò)握手信號(hào)你來(lái)我往的過(guò)程，主機(jī)便可獲得外設(shè)必要信息，從而為數(shù)據(jù)傳輸做好準(zhǔn)備。與并行口一樣，標(biāo)準(zhǔn)串行口RS-232C也提供了握手信號(hào)。
握手信號(hào)是聯(lián)系主機(jī)與外設(shè)的紐帶，主機(jī)通過(guò)握手信號(hào)獲得外設(shè)必要信息，為數(shù)據(jù)傳輸做好準(zhǔn)備。那么，握手信號(hào)是不是在所有的計(jì)算機(jī)接口中都是必須的呢？回答是否定的。在鼠標(biāo)和鍵盤使用PS/2接口中，就沒(méi)有握手信號(hào)。鍵盤和鼠標(biāo)也需要跟主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，沒(méi)有握手信號(hào)，這些設(shè)備又是怎樣與主機(jī)建立聯(lián)系的呢？
我們先考察一下PS/2鼠標(biāo)端口（圖3）。PS/2端口用作鼠標(biāo)接口時(shí)，只用6個(gè)插針中的4個(gè)，Pin1用于傳送數(shù)據(jù)，Pin3接地，Pin4向鼠標(biāo)供電，Pin5為鼠標(biāo)提供時(shí)鐘信號(hào)。與串行口、并行口相比，PS/2接口沒(méi)有握手信號(hào)，但是有時(shí)鐘信號(hào)，兩者的差別就在這里。
圖3 PS/2鼠標(biāo)接口
難道說(shuō)，時(shí)鐘信號(hào)能夠代替握手信號(hào)的一些功能嗎？也不可以這么說(shuō)。合理的解釋是，這是兩種完全不同的通信方式。并行口和串行口使用的通信方式稱作“異步通信”，而PS/2接口則使用“同步通信”。通信接口中是否使用時(shí)鐘信號(hào)是區(qū)別同步通信還是異步通信的標(biāo)志，同步通信的雙方使用同一個(gè)時(shí)鐘，而異步通信中無(wú)須這么做。盡管如此，無(wú)論同步通信還是異步通信，通信雙方都必須相互協(xié)調(diào)，以一定的約定（協(xié)議）保持雙方同步，否則就會(huì)造成數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤與混亂。
在異步通信方式中，收發(fā)雙方取得同步的辦法是采用在字符格式中設(shè)置起始位和停止位。在一個(gè)有效字符正式發(fā)送前，先發(fā)送一個(gè)起始位，而在字符結(jié)束時(shí)再發(fā)送一個(gè)停止位。接收器不斷地檢測(cè)或監(jiān)視線路上信號(hào)的變化，當(dāng)檢測(cè)到有起始位時(shí)，便知道緊隨其后的是有效字符位的到來(lái)，這才開始接收字符；當(dāng)檢測(cè)到停止位時(shí)，便停止接收。使用該方式進(jìn)行通信時(shí)，發(fā)送器與接收器不需要相同的時(shí)鐘，所以稱之為異步通信。
而在同步通信方式中，傳輸信息的每一位都必須在收發(fā)兩端嚴(yán)格保持同步，即所謂的“位同步”。因此，在同步通信中，收發(fā)兩端需要同一個(gè)時(shí)鐘源作為同步信號(hào)。
進(jìn)行同步傳送時(shí)，發(fā)送端須先發(fā)送一個(gè)同步字符去通知接收端串行數(shù)據(jù)的第一位何時(shí)到達(dá)，接著便以連續(xù)的形式發(fā)送信息，傳輸效率較高。而異步通信每傳送一個(gè)字符要增加大約20%的附加信息位，傳輸效率較低。
同步通信除了具有通信效率高的優(yōu)點(diǎn)之外，接口電路的結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，而且更加易于管理。正因?yàn)槿绱耍酵ㄐ诺膽?yīng)用也十分廣泛。SMBus（System Management Bus，系統(tǒng)管理總線）就是一種同步通信接口，它只有兩根信號(hào)線：一根雙向數(shù)據(jù)線和一根時(shí)鐘信號(hào)線。Windows中顯示的各種設(shè)備的制造商名稱和型號(hào)等信息，都是通過(guò)SMBus總線收集的。
圖4 基于SMBus的CPU溫度監(jiān)控電路
SMBus的數(shù)據(jù)傳輸率為100kbps，雖然速度較慢，卻以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔造價(jià)低廉的特點(diǎn)，成為業(yè)界普遍歡迎的接口標(biāo)準(zhǔn)。主板監(jiān)控系統(tǒng)中傳送各種傳感器的測(cè)量結(jié)果，以及BIOS向監(jiān)控芯片發(fā)送命令，都是利用SMBus實(shí)現(xiàn)的。PCI插槽上也給SMBus預(yù)留了兩個(gè)引腳（A40為SMBus 時(shí)鐘線，A41為SMBus 數(shù)據(jù)線），以便于PCI接口卡與主板設(shè)備之間交換信息。
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USB接口是怎樣進(jìn)行通信的呢？
USB接口中既沒(méi)有握手信號(hào)，也沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)，它是怎樣進(jìn)行通信的呢？
我們已經(jīng)知道，傳統(tǒng)的串行口、并行口通過(guò)握手信號(hào)進(jìn)行通信，這些接口通常通過(guò)握手信號(hào)來(lái)聯(lián)絡(luò)主機(jī)和外設(shè)。我們也已經(jīng)知道，通信雙方可以同步或異步兩種方式進(jìn)行通信，兩者最大的區(qū)別是，同步通信接口中有時(shí)鐘信號(hào)線。
USB接口應(yīng)用很廣。可是，USB接口中既沒(méi)有握手信號(hào)，也沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)，它是怎樣在主機(jī)與外設(shè)之間建立聯(lián)系的呢？又是如何交換數(shù)據(jù)的呢？為了深入理解USB接口的通信過(guò)程，先介紹USB的硬件和軟件結(jié)構(gòu)。
從物理結(jié)構(gòu)上，USB系統(tǒng)是一個(gè)星形結(jié)構(gòu)。USB系統(tǒng)包含三類硬件設(shè)備: USB主機(jī)(USB HOST)、 USB設(shè)備(USB DEVICE)和USB集線器(USB HUB)。USB總線上的物理連接是一個(gè)分層的星形拓?fù)?，處于每個(gè)星形拓?fù)渲醒氲氖荋UB集線器，在主機(jī)與HUB之間，HUB與HUB之間，HUB與設(shè)備之間都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接。
圖5 USB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
USB HOST對(duì)USB系統(tǒng)進(jìn)行管理、每毫秒產(chǎn)生一幀數(shù)據(jù)、發(fā)送配置請(qǐng)求對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行配置、管理和恢復(fù)總線上的錯(cuò)誤。 USB HUB用于設(shè)備擴(kuò)展連接，所有USB DEVICE都連接在USB HUB的端口上。USB DEVICE接收USB總線上的所有數(shù)據(jù)包，通過(guò)數(shù)據(jù)包的地址域來(lái)判斷是不是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)包：若地址不符，則簡(jiǎn)單地丟棄該數(shù)據(jù)包；若地址相符，則通過(guò)響應(yīng)USB HOST的數(shù)據(jù)包與USB HOST進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。從邏輯結(jié)構(gòu)上看，每個(gè)USB邏輯設(shè)備都直接與USB HOST進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。與傳統(tǒng)接口以硬件手段實(shí)現(xiàn)握手的方法不同，USB接口使用“軟握手”方法。
USB的軟握手機(jī)制是透過(guò)三個(gè)層次的驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)的，在這中間起到關(guān)鍵作用的是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，該程序在主機(jī)與設(shè)備之間建立起至少一個(gè)管道。管道有兩種類型：流管道和消息管道。其中有一個(gè)最重要的消息管道是“缺省控制管道”，這個(gè)管道在設(shè)備一加電的時(shí)候就存在了，它提供設(shè)備的配置和狀態(tài)等信息。主機(jī)與設(shè)備之間的聯(lián)絡(luò)就是通過(guò)消息管道實(shí)現(xiàn)的。
圖6 USB軟件結(jié)構(gòu)
協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)程序的主要作用是將設(shè)備與相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序連接起來(lái)。因?yàn)閁SB支持的設(shè)備很多，而每個(gè)具體的設(shè)備都有自己對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。對(duì)于某一具體設(shè)備來(lái)說(shuō)，使用哪個(gè)驅(qū)動(dòng)來(lái)管理，就要由協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)讀取設(shè)備描述符進(jìn)行挑選。選擇好驅(qū)動(dòng)程序之后，協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)程序還要給USB設(shè)備分配地址。管道建立起來(lái)之后，數(shù)據(jù)的傳輸控制則由USB接口驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)完成了。在這里，主機(jī)占有絕對(duì)主導(dǎo)權(quán)，設(shè)備只能是“聽命令行事”。設(shè)備發(fā)生事件時(shí)通過(guò)消息管道報(bào)告給主機(jī)，主機(jī)伺機(jī)向設(shè)備發(fā)送命令，開通流管道，發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包。主機(jī)與設(shè)備之間以數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行傳送，顯然這與網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞较嗤且环N異步數(shù)據(jù)傳輸模式。
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