第09章IO接口new.docx
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第09章IO接口new
第9章I/O接口
9.1概述
本章覆盖了当前PC系统中主要的外围设备输入输出端口。
其中包括了对串口和并口的论述，并介绍了更流行的通用串行总线（USB）和IEEE-1394接口（IEEE代表InstituteofElectricalandElectronicEngineers，电子电气工业协会）。
虽然IDE也是I/O接口，但是由于它主要与驱动器相关，所以在本教材的第7章中对其作了专门的介绍。
从传统的角度讲，串口和并口是所有PC系统中最基本的通信端口。
这些端口现在仍然很重要，但USB端口正慢慢取代它们成为PC系统中的最重要的I/O接口，越来越多的外部设备选择使用USB接口与系统连接。
9.2串口
9.2.1串口概述
串口，也就是串行端口，又被称之为通信端口或COM端口，用于需要与系统进行双向通信的设备。
串口的数据传输是串行的，串行是指发送一个字节字符的八位二进制位时是按顺序一位一位的发送了，而接收也是一位一位地接收，而不是八位同时传送。
更形象地说，串行是数据通过一条单独的导线传送，并且当发送数据位时，每个数据位都按顺序被串接起来。
串行传输的典型例子是我们日常生活中所用的电话系统，它在每个方向都提供了一条传送数据的导线。
计算机系统一般都有一个或两个串行端口，通常位于系统的后部。
这些内置的串口一般通过主板上的超级I/O芯片控制。
如果系统提供的串口数目不能满足需要，用户可以购买单口或多串口卡。
目前PC系统中的串口是RS-232C接口。
RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA（ElectronicIndustryAssociation）代表美国电子工业协会，RS（ecommededstandard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前，有RS232B、RS232A。
。
它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。
常用物理标准还有RS-422A、RS-423A、RS-485等。
早期PC系统的串口曾经使用过25针连接器，图9-1展示了目前普遍使用的是9针连接器，表9-1给出的是9针串行连接器引脚引出线的说明。
图9-19针串口连接器
表9-19针串口连接器引脚引出线的说明
引脚
信号
说明
I/O
1
CD
载波检测
输入
2
RD
接收数据
输入
3
TD
发送数据
输出
4
DTR
数据终端就绪
输出
5
SG
信号地
-
6
DSR
数据准备好
输入
7
RTS
发送请求
输出
8
CTS
消除发送
输入
9
RI
振铃指示
输入
串口可以连接多种设备，例如调制解调器、鼠标、其他计算机、手机、数码照相机和设备控制电路等。
官方规范所建议的最大线缆长度为15米（50英尺）。
其限制因素是线缆及接口输入电路的总负荷电容。
最大电容值被指定为2500pF。
有些特殊的低电容线缆实际上可以极大地增加线缆的最大长度，使之达到150米或更多。
此外，线路驱动器（放大器/中继器）还可以将线缆的长度扩展到更长。
9.2.2通用异步收发器（UART）
所有串口的核心是通用异步收发器（UART）芯片。
该芯片完全控制了将PC中的原始并行数据转换成串行格式，然后将串行数据转换回并行格式的过程。
在市场上已经出现了几种类型的UART芯片。
最初的PC和XT使用的是8250UART，该芯片已经在廉价的串口板上使用了许多年。
从第一个16位系统开始，16450UART成为常用的芯片。
这些芯片的惟一区别是它们在高速通信中的适用性。
16450比8250更适合于高速通信。
但是对大多数软件来说，这两种芯片显得是相同的。
16550UART是用于IBMPS/2线路中的第一种串口芯片，其他的386和更高的系统也很快采用了该芯片。
该芯片的功能与早期的16450和8250相同，但是它包括了一个用于辅助更高速通信的16字节缓冲器。
该缓冲器有时被称为FIFO（先入先出）缓冲器。
几乎所有的Pentium级和更新的系统在其串口中都具有类似于16550的UART功能，但是这些系统中的多数并没有这种插座式16550UART芯片，16550的功能已经被集成到了超级I/O芯片中。
因为16550比早期的芯片速度更快、更可靠，所以最好要确保串口上安装的是该芯片或同等芯片。
如果想知道系统中UART的类型，那么可以通过使用Microsoft的MSD程序（在MSDOS6.X和Windows9x/Me中附有该程序）来判断UART的类型。
要注意的是，MSD通常将16450UART报告为8250。
在Windows系列操作系统环境下，还有一种判断系统中UART芯片类型的方法：
首先点击“开始”菜单，然后选择“设置”下的“控制面板”。
接着双击调制解调器图标，并点击“诊断”标签。
那么即使COM端口上没有连接调制解调器，诊断属性页上也将显示出系统中所有的COM端口。
选择想在列表中校验的端口并点击“详细信息”按钮，Windows操作系统将与端口通话以判断UART的类型，这些信息将被显示在“详细信息”对话框中的“端口信息”部分。
如果端口上连接有调制解调器，那么将显示额外的关于调制解调器的信息。
9.2.3高速串口卡
如果用户使用的是运行速率在115Kbps（16550系列UART的最大速率）以上的外部RS-232设备，要使其达到最大的性能，必须使用更强功能的高速串口卡代替现有的串口。
大多数高速串口卡支持的初始速率设置为230Kbps或460Kbps以上，当将PC与挂接在串口上的高速外部元件（如ISDN终端适配器）相连接时，该高速性能就显得特别重要。
除非串口的传输速率为230Kbps以上，否则并不能利用外部ISDN终端适配器的最高速度。
9.2.4串口的配置
当在系统中安装串口时，可以在BIOSSETUP中为这些串口设置其所使用的具体I/O地址（称为端口）和中断（对于中断请求来说被称为中断请求线）。
例如，在AwardBIOS的IntergratedPeripheralsSetup选项中就可以对COM1和COM2进行相关设置（参见第四章BIOS）。
关于设置这些设备的最好方法是采用默认设置，表9-2中列出了默认的地址和中断号。
表9-2标准串行端口的I/O地址和中断
COMx
I/O端口
IRQ
COM1
3F8-3FFh
IRQ4
COM2
2F8-2FFh
IRQ3
COM3
3E8-3EFh
IRQ4①
COM4
2E8-2EFh
IRQ3①
①注意，虽然许多串口可以被设置为与COM1和COM2共享IRQ3和IRQ4，但是并不推荐这种方法。
如果可能的话，最好的方法是将COM3设置为IRQ10，将COM4设置为IRQ11。
如果需要使用COM3以上的串口，那么最好购买一块专用的串口卡，最好是支持IRQ共享而不发生冲突的PCI卡。
注意BIOS生产商从来没有将支持COM3和COM4的信息写入BIOS。
因此，由于DOS是从BIOS中读取I/O信息，所以DOS不能对COM2以上的串口进行操作。
在POST（加电自检）期间，BIOS将找出系统中所安装的元件及其所在位置。
POST将仅仅检验所安装的前两个端口。
由于Windows中可以支持多达128个串口，所以在Windows系统中可以方便地使用多串口卡。
多串口卡可以使得系统仅仅通过使用一个插槽和一个中断就能够从多个设备采集数据，或者与多个设备共享数据。
9.3并口
9.3.1并口概述
并口一般用于将打印机连接到PC上，所以并口又往往被称为打印机端口。
但是随着这些年将其作为多用途的、相对高速的设备间接口（与串口相比），并口的用途变得越来越广泛。
最初并口都是单向的，现在的并口已经能发送和接收数据。
并口之所以被称为并行端口，是因为它有8条数据线，可以通过这8条数据线同时发送包含了数据的一个字节的所有数据位。
因为并口一次可以传送多个数据位，所以在这方面，并口的性能要优于一次只能传送1位的串口。
9.3.2IEEE1284标准
IEEE1284标准定义了并口的物理特性，包括数据传送模式和物理及电气规范。
这个标准被称为“个人计算机双向并行外围接口的标准信号发送方法，最终版本于1994年3月被批准。
IEEE1284规范被用于标准化PC和附加设备间的行为，尤其是附加的打印机，然而，其他外围设备的提供商对该规范颇感兴趣。
IEEE1284支持在计算机与打印机之间或两台计算机之间以更高的吞吐量进行连接。
其结果是所使用的打印机线缆不再是标准的打印机线缆。
IEEE1284规范中的打印机线缆使用了双绞线技术，这样使得连接更加可靠而且无差错。
IEEE1284标准还定义了并口连接器，其中包括两种现有的类型（称为A型和B型）和一种被称为C型的高密度连接器。
A型指的是标准的DB25连接器，它被用于大多数PC系统并口的连接中，而B型指的是大多数打印机中标准36针Centronics模式的连接器。
C型是一种新的高密度36针的连接器，市场上新出现的一些打印机使用的就是该类型的连接器，例如惠普公司的产品。
这三种连接器如图9-2所示。
其中第一排是A型连接器，第二排是B型连接器，第三排是C型的打印线缆以及C型和A型的对比。
图9-2IEEE1284规范中三种不同类型的并口连接器
表9-3说明了PC系统并口采用的标准DB25连接器的引脚定义。
表9-3PC系统并口采用的标准DB25连接器的引脚定义
引脚
说明
引脚
说明
1
选通
14
自动换行
2
数据位0
15
出错
3
数据位1
16
初始化
4
数据位1
17
选择输入
5
数据位3
18
数据位0回送（GND）
6
数据位4
19
数据位1回送（GND）
7
数据位5
20
数据位2回送（GND）
8
数据位6
21
数据位3回送（GND）
9
数据位7
22
数据位4回送（GND）
10
确认
23
数据位5回送（GND）
11
忙
24
数据位6回送（GND）
12
纸完
25
数据位7回送（GND）
13
选择
IEEE1284并口标准定义了五种不同的端口操作模式，其中着重强调了具有更高传输率的EPP和ECP模式。
有些模式仅仅用于输入，而其他模式仅仅用于输出。
将这5种模式进行组合，总共可以得到4种不同的并口类型，这些并口类型如表9-4所示。
IEEE1284定义的并口模式如表9-5所示，表中还列出了近似的传输率。
表9-4IEEE-1284并口类型
并口类型
输入模式
输出模式
注释
SPP（标准并口）
半字节
兼容
4位输入，8位输出
PS/2双向并口
字节
兼容
8位I/O
EPP（增强型并口）
EPP
EPP
8位I/O
ECP（扩充性能并口）
ECP
ECP
8位I/O，使用DMA
表9-5IEEE-1284并口模式
并口模式
方向
传输率
半字节（4位）
只输入
50KB/s
字节（8位）
只输入
150KB/s
兼容
只输出
150KB/s
EPP（增强型并口）
输入/输出
500KB-2MB/s
ECP（扩充性能并口）
输入/输出
500KB-2MB/s
目前的PC系统并口一般支持SPP、ECP和EPP这三种类型，用户可以在BIOSSETUP中选择使用其中一个，通常SPP的兼容性最好。
另外，在PC系统中，并口常用的I/O端口和中断分别是378和IRQ7。
例如，在AwardBIOS的IntergratedPeripheralsSetup选项中就可以对并口进行相关设置（参见第四章BIOS）。
高速并口（例如，EPP和ECP类型的并口）曾经被用来支持诸如ZIP驱动器、CD-ROM驱动器、扫描仪、磁带机，甚至硬盘等外设。
这些设备中的大多数都带有使用了直通式（pass-through）连接的并口。
这就意味着本地打印机仍然可以与这些设备一起通过端口进行工作。
这些设备都有其自身的驱动程序，这些驱动程序可以作为设备与打印机之间所传递信息的媒介。
通过使用EPP或ECP模式可以获得高达2MB/s的通信速率。
这样就可以支持相对高速的设备，就如同该设备被连接到系统内部的总线上一样。
9.4红外接口
红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。
红外通讯一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75um至25um之间。
红外数据协会（InfraredDataAssociation,简称IrDA）成立后，为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通讯效果，红外通讯协议将红外数据通讯所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm之内。
目前无线电波和微波已被广泛地应用在长距离的无线通讯之中，但由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合应用在需要短距离无线通讯的场合，进行点对点的直线数据传输。
红外通讯有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。
这些设备包括笔记本电脑、掌上电脑、机顶盒、游戏机、移动电话、计算器、寻呼机、仪器仪表、MP3播放机、数码相机以及打印机之类的计算机外围设备等等。
要使各种设备能够通过红外口随意连接，一个统一的软硬件规范是必不可少的。
但在红外通讯发展早期，恰恰就存在着这样的规范不统一问题：
许多公司都有着自己的一套红外通讯标准，同一个公司生产的设备自然可以彼此进行红外通讯，但却不能与其它公司有红外功能的设备进行红外通讯。
当时比较流行的红外通讯系统有惠普的HPSIR，夏普的ASKIR和GeneralMagic的MagicBeam等，虽然它们的通讯原理比较相似，但却不能互相感知。
混乱的标准给用户带来了很大的不便，并给人们造成了一种红外通讯不太实用的错觉。
为了建立一个统一的红外数据通讯的标准，1993年，由HP、COMPAQ、INTEL等二十多家公司发起成立了红外数据协会，1993年6月28日，来自50多家企业的120多位代表出席了红外数据协会的首次会议，并就建立统一的红外通讯标准问题达成了一致。
一年以后，第一个IRDA的红外数据通讯标准发布，即IrDA1.0。
IrDA1.0简称为SIR（SerialInfraRed），它是基于HP-SIR开发出来的一种异步的、半双工的红外通讯方式。
SIR以系统的异步通讯收发器（UART）为依托，通过对串行数据脉冲的波形压缩和对所接收的光信号电脉冲的波形扩展这一编码解码过程（3/16EnDec）实现红外数据传输。
由于受到UART通讯速率的限制，SIR的最高通讯速率只有115.2Kbps，也就是大家熟知的电脑串行端口的最高速率。
1996年，IrDA发布了IRDA1.1标准，即FastInfraRed，简称为FIR。
与SIR相比，由于FIR不再依托UART，其最高通讯速率有了质的飞跃，可达到4Mbps的水平。
FIR采用了全新的4PPM调制解调（PulsePositionModulation），即通过分析脉冲的相位来辨别所传输的数据信息，其通讯原理与SIR是截然不同的，但由于FIR在115.2Kbps以下的速率依旧采用SIR的那种编码解码过程，所以它仍可以与支持SIR的低速设备进行通讯，只有在通讯对方也支持FIR时，才将通讯速率提升到更高水平。
就象USB和IEEE1394技术一样，红外数据通讯的速率也在不断地攀升之中。
继FIR之后，IrDA又发布了通讯速率高达16Mbps的VFIR技术（VeryFastInfraRed），并将它作为补充纳入IrDA1.1标准之中。
更高的通讯速率使红外通讯在那些需要进行大数据量传输的设备上也可以占有一席之地，而不再仅仅是连接线的替代。
随着移动计算和移动通讯设备的日益普及，红外数据通讯已经进入了一个发展的黄金时期。
自1993年IrDA成立至今，红外数据协会的会员已经发展到150多个，当今在IT业和通讯业叱咤风云的大公司几乎都在其中，由此可见IrDA标准已经获得了业界的广泛认同和支持。
目前已经开发生产出来的具备红外通讯能力的设备已有一百种之多，红外模块的年装机量已经达到了一亿五千万套，并且每年还有着40％的高速增长。
尽管现在有了同样是近距离无线通讯的蓝牙技术，但以红外通讯技术低廉的成本和广泛的兼容性的优势，红外数据通讯势必会在将来很长的一段时间内在短距离的无线数据通讯领域扮演重要的角色。
目前，台式PC系统虽然大多并没有配备红外模块从而提供红外接口，但基本都支持将COM口设置为红外模块的接口，例如，在AwardBIOS的IntergratedPeripheralsSetup选项中就可以进行相关设置（参见第四章BIOS）。
另外，也可以通过安装USB接口的红外模块来给PC系统提供红外接口。
如果PC系统中安装有红外接口，那么，在Windows系列操作系统中，可以通过控制面板中的相关项进行控制和操作。
例如，WindowsXP中的“无线链接”或Windows98中的“红外线”。
如何停用红外接口呢？
在Windows98中可以在控制面板中找到“红外线”，双击打开红外线监视器的窗口，在“选项”选项卡中把“启动红外线通讯”前面的钩取消然后确定即可。
在Windows2000/XP中，要停用红外接口有两种方法，一种是在设备管理器中禁用红外线设备，方法是双击要停用的设备，在其属性对话框中的“常规”选项卡中选择“不要使用这个设备（停用）”即可生效，当需要使用这些设备时再从设备管理器中启用它们；另一种是通过“控制面板”－“管理工具”－“服务”中把InfraredMonitor服务改为手动，这样下次系统启动就不会启动红外接口了，当临时需要使用红外接口的时候，只要手动启动这个服务即可，用完再手动后关掉。
9.5USB、IEEE-1394与串行连接
近几年推出的用于台式和便携式PC的高速串行总线结构是通用串行总线（USB）和IEEE-1394。
这些结构都是远胜于标准串口和并口性能的高速通信端口。
除了其突出的性能外，这些新的端口还支持I/O设备的合并，这就意味着所有类型的外设都可以连接到这些端口上。
最新的高性能外部总线设计趋势是使用串行结构，这样可以通过1根导线一次发送1位数据。
而并行结构则同时使用8根、16根或更多的导线来发送数据位。
在相同的时钟速度下，并行总线要快得多。
但是，提高串行连接的时钟速度却要比提高并行连接的时钟速度要容易得多。
并行连接将面临多个问题，其中最大的问题是信号的不同步和振动。
不同步和振动是将高速并行总线线缆长度相对较短的原因。
出现不同步和振动的原因是：
虽然8位或16位数据被发送器同时发送，但是当它们到达接收器时，传输延迟已经使得一些数据位先于其他数据位到达。
线缆越长的话，在线缆的另一端第一个和最后一个数据位到达的时间间隔将越长。
信号的不同步，使得不能以高速的传输率或更长的线缆（或者两者兼而有之）来进行通信。
振动指的是信号达到其目标电压并在目标电压上下浮动一小段时间的趋势。
使用串行总线可以一次发送1比特数据。
由于无需担心每一位数据的到达时间，因而可以疯狂地提高时钟频率。
例如，EPP/ECP并口的最大传输速率为2MB/s，而IEEE-1394端口（使用高速串行技术）支持的传输速率高达400Mbps（约50MB/s），这比并口速率快25倍。
USB2.0支持的传输速率可以高达480Mbps（约60MB/s）。
在高时钟频率下，并行信号将相互干扰。
因为只有1根或2根信号线，所以串行传输又具有一个优势，那就是可以忽略线缆导线之间的串扰和干扰。
一般说来，并行线缆比串行线缆要贵得多。
在并行线缆中，除了需要许多额外的导线来传送多个数据位外，所用的线缆也需要特制，以防止相邻数据线之间的串扰和干扰。
另一方面，串行线缆相对而言要廉价得多。
首先，它只有少得多的导线。
其次，即使在高速下，它的屏蔽要求也要简单得多。
正因为如此，在更长的距离之间也可以比较容易地保证串行数据的可靠性，这就是建议的并口线缆长度要比串口的短的原因。
基于上述那些原因以及为了满足新的即插即用外围设备接口和减少便携式计算机上拥挤的物理端口的需要，出现了上述高性能串行总线。
9.6USB
9.6.1USB概述
USB是一种外部设备总线标准，它的设计为PC的外部连接设备带来了即插即用功能。
USB的出现不再需要专用的端口，也减少了专用I/O卡的使用（从而也减少了因添加新卡而重新配置系统的需要），大大节省了像IRQ这样重要的系统资源，所有连接到USB端口上的设备只需要1个IRQ即可。
带有USB的PC可以支持对外设的自动识别与设置，只需将外设在物理上连接到PC即可，而不需要重新启动或运行安装程序。
值得注意的是，卸载某些USB设备时需要首先在操作系统中首先停用这个设备，待系统提示设备可以安全卸载时再拔下。
如果直接拔下USB设备可能会导致USB设备中数据的丢失和操作系统的不稳定。
注意最初的Windows95不支持USB，Windows95OSR2.0版可以支持，但是并没有将USB的驱动程序自动地包括在内，这些驱动程序是单独提供的。
Windows95OSR2.1及之后的版本Windows系列操作系统包含了对USB1.1的完整支持。
WindowsXP在安装了SP1补丁包后完整支持USB2.0。
USB的线缆、连接器、集线器以及外围设备能够用图9-3表示。
图9-3这个标志用来表示USB的线缆、连接器、集线器和外部设备
在PC系统中通过一个或多个USB控制器提供对USB的支持，这些USB控制器可能是单个独立的芯片，但更常见的是被集成到了主板芯片组中。
在BIOSSETUP中可以把这些控制器关闭掉。
例如，在AwardBIOS的IntergratedPeripheralsSetup选项中就可以关闭USB控制器（参见第四章BIOS）。
在Windows系列操作系统的“设备管理器”中也可以关闭这些USB控制器。
Intel是USB最早的支持者，从PIIX3南桥芯片组开始（于1996年2月发布），Intel公司所有的PC主板芯片组就已经将USB作为标准包含在内。
其他主板芯片组生产厂商也纷纷将USB看作与串并口一样的台式机和笔记本电脑的标准特性。
通过插入一块PCI卡（参见图9-4）或PCMCIA卡（参见图9-5），就可以在没有内置USB支持的老式计算机上使用USB。
图9-4图9-5
其他6家最初与Intel合作开发USB的公司是：
Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC和NorthernTelecom。
这些公司一起创建了USB实现者论坛（USBImplementersForum，USB-IF）来开发、支持和推进USB体系结构的发展。
USB接口通过使用不同类型的转接连接器可以很方便的和其他接口的设备互连。
例如，USB转串口的连接器可在串口（RS-232）和USB接口之间非常容易地建立可靠的连接。
通过利用USB接口具有的即插即用和热插拔的能力可能给串口（RS-232）外围设备提供非常容易使用的环境。
USB转红外连接器可以在USB接口上提供一个红外连接器，这样可以方便的连接其他的红外设备。
当然了，以上的这些应用需要配合相应的驱动程序来实现。
9.6.2USB1.1和USB2.0
USB-IF于1996年1月发布了USB1.0版本，于1998年9月发布了USB1.1版本。
其中1.1版本主要是对关于集线器和该规范其他领域中一些问题的说明
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