【Computer Organization笔记26】接口电路和外部设备

串行接口，可用于同步或异步传送
同步传送
- 5~8位/字
- 支持内同步或外同步
- 自动插入同步字符
异步传送
- 5~8位/字
- 时钟：1、16或64倍波特率
- 停止位：1、1.5或2位
- （因为有停止位）可检测假启动
- 全双工
- 双缓冲发送器和接受器
- 可检测奇偶错、数据丢失错和帧错

串行通信

同步传送
- 采用同步信号
  - 内同步：同步字符
  - 外同步：硬件同步信号
异步传送
- 起始位、停止位
- 波特率（如何告知CPU起始呢？使用波特率规定）
全双工
- 通信双方有各自的接收和发送部件，两条数据线

8251结构框图

需要把长距离传输，需要调制解调器把数字信号变成模拟信号，然后接电话线。但是现在已经有网络了，很少用这个了。

串行传送中的有关概念

方式命令字的格式

如何编程呢？在指令中，其格式如上。

工作命令字的格式

接口状态寄存器的内容格式

Intel 8251串行接口芯片

TEC-2000 机串行口初始化的程序

此外，老师在课上举了一个 TEC-2000 机串行口初始化的程序的例子，在 2019 年的 ppt 里已经没有了。

问题是，不少接口地址可能重复，对用户来讲很麻烦（还要开机箱，用错了，把机器都烧掉）。因此，在上世纪90年代，七大巨头公司设计了一个规范，这就是 USB 接口。

USB 接口

用户不必再设置卡上、设备上的开关或跳线
不必打开机箱来安装新的输入输出设备
应该只需要一根电缆线就可以将所有设备连接起来
输入/输出设备应可以从电缆上得到电源
单台计算机最多可以连接127个设备系统应能支持实时设备（声卡、电话）
可在计算机运行时安装设备
不必重新启动计算机成本低

USB 线缆

由4根线组成，电源、地和双数据线。
同步传输方式

USB 结构

USB接口工作原理

USB结构
- 根HUB、层次结构
设备检测
- 根HUB定时查询接口状态，若检测到有设备接入到接口上，则为该设备赋地址（7位）。设备初始地址为0，每个设备上应有ROM，保存设备参数。
识别设备类型后，由设备驱动程序管理和使用设备。
- 操作系统支持
只有1个主设备，不需要仲裁，采用轮循方式，适合低速设备使用。
设备带宽为1.5MB/s。可适合一般的语音设备。
- V2.0 60MB/s
- V3.0 500MB/s

用帧来传输。

USB 帧

控制帧
- 配置设备，对设备发出命令，查询设备状态
同步帧
- 实时设备同步
块传送帧
- 非实时设备的大量数据传送
中断帧
- 发出中断帧，收集设备数据

USB 协议

如上，以帧为单位，发送数据。

这是半双工，因为不能同时刻进行双向传输。

每1ms，定时发出一个SOF包，进行时间同步（所有设备）。
协议包
- 令牌包（SOF、IN、OUT、SETUP）
- 数据包(Data)
- 握手包(ACK、NAK、STALL)
- 特别包
第1帧：根发出读命令（IN），包含有地址；设备返回数据包DATA(最多64位)，其中，SYN同步字段（8位）、PID为包类型（8位）、载荷(Playload)，和16位校验码；ACK为根接收到数据后返回给设备的确认包。
第3帧：往设备写数据。

接口总结

连接外部设备
- 设备识别
- 数据缓冲
- 协议实现
- 屏蔽差异
通过总线与主机进行通信

外部设备

输入/输出设备
外存储器
脱机输入/输出设备
主要完成人机交互
是电子、机械、光学、化学等多学科的交叉
Anyway, Anywhere, Anytime, Anyone
智能化

这部分国内计算机原理教材一般没有，国内会提及。

外部设备功能

完成数据的输入和/或输出
- 信号转换
- 数据采样
与接口进行连接
- 接口信号，电平标准等
与主机进行通信
- 通过总线进行
- 速度
- 控制方式

键盘

功能要求
- 能完成字符的输入
设计要求
- 完成功能
- 稳定可靠

键盘运行原理

计算机的键盘，用于向主机内敲入字符、功能键、汉字等符号，通过逐次敲击键盘上不同的键来完成。被敲击的键将以一个特定的编码被表示并被存入计算机主机。故键盘的运行原理，是把敲击的键在键盘上的位置对应为一个编码。

把每个键在键盘上的位置对应为一个编码。

具体实现：是用行列扫描的方法，即把每个键分配在一个m 列* n 行矩阵的一个交叉点上，通过并行接口向n 行依次送出仅有一行为零、其余各行均为一的值，再用并行接口读入m 列上的取值。

当该值不为FFH （全1 码）时，表明有键按下，若该值仅含一位零，表明取值为0 的行、列的交叉点的键被按下，用一个对照表即可得到相应键的编码。

尚需解决如下的一些问题：键的抖动、多键同时按下、由哪个部件完成这些操作过程。

并行接口送来 1 0 … 1 的 n 位数值到二极管的负极，并行接口接收键盘线路 m 列送出的 m 位数据。当A键按下去后，5V电源送出经电阻、A键、二极管到 0 信号处的电流，从而在第 2列产生 0 电平（红线所示），其他各列都给出高电平（黑线所示），故并行接口接收到的是 1 1 0 … 1 这样的 m 位数据。

键盘接口

采用串行口或者并行口
中断方式
总线
- USB
- 慢速总线

鼠标

鼠标的产生
- 图形界面的出现，需要鼠标来进行拖动等操作
鼠标的功能
- 根据鼠标的移动，在屏幕上移动位置
- 选中某个对象，进而执行某些操作
鼠标的种类
- 机械式鼠标
- 光电式鼠标
鼠标的接口
- 串口、PS2接口、USB接口

鼠标的发明

道格拉斯·恩格尔巴特（Dr. Douglas C. Engelbart，1925年1月30日－2013年7月2日）
早在20世纪60年代初，他就发表了一篇名为“放大人类智力”(Augmenting the Human Intellect)的论文，提出了计算机是人类智力的“放大器”的观点。为此，他认为必须改善人机交互方式，发展交互式计算技术。1997年Turing奖获得者。

机械式鼠标

鼠标内部有一个橡胶球，橡胶球紧贴着两个互相垂直的轴（X、Y轴），每个轴上有一个光栅轮，光栅轮两边对应着有发光二极管和光敏三极管。

鼠标在移动的时候，橡胶球便带动两个轴旋转，同时光栅轮也就开始旋转，光敏三极管在接收发光二极管发出的光时被光栅轮间断地阻挡，从而产生脉冲信号，通过鼠标内部的芯片处理之后被CPU接受。

脉冲信号的频率和数量，经过CPU计算后则表示为屏幕上的距离和速度。

智能输入设备

语音识别
手写体识别
印刷体识别

输出设备概述

点阵式输出设备（视觉）
- 以点阵的组合来表示不同的形状
- 提供每个点的存储输出属性
- 点阵输出设备将点按属性规定的颜色和灰度输出
听觉
- 音乐、语音合成
触觉
- 可穿戴计算机

点阵输出设备

显示器
- CRT
- LCD
- PDP
打印机
- 针式打印机
- 激光打印机
- 喷墨打印机

阴极射线管(CRT)显示器

成像原理
- 通过电子束撞击荧光板上的荧光粉，发光产生亮点
组成
- 电子枪、显示屏和偏转控制装置

CRT的几个概念

光栅扫描和随机扫描
- 电子束从左到右，从上到下扫描整个屏幕
- 只扫描需要显示的点
刷新和帧存储器
- 为了得到稳定的图象，需要重复扫描整个屏幕
为了重复扫描，需要存储图象信息。
分辨率和灰度级
- 像素个数
- 亮暗差别
图形和图像
- 线条的有无表示
- 自然景物、照片等

CRT图形显示器

容量大的VRAM
存储点阵属性
分辨率：1024*768，真彩色 1024 * 768 * 3 Byte = 2.3 MB
高速总线
50场/秒，带宽为2.3*50MB/s=112.5MB/s
需要连接PCI总线
专用接口
分辨率更高的图形设备将采用专用接口

液晶显示器

显示原理
- 利用液晶的光学特性
- 平板后面设置光源
- 通过液晶改变透射光的偏振性（从水平到垂直）
- 电场控制
特点
- 平板显示，不需要高压电，移动方便
- 无辐射
- 价格较高

等离子显示器

成像原理
- 利用惰性气体在一定电压作用下产生气体放电的特性
- 产生紫外线，紫外线激发荧光粉发光
- 在玻璃板之间隔开成象素，每个象素点内有惰性气体和三色荧光粉，用电极控制
特点
- 易于实现大画面显示
- 全色显示，色纯度与CRT相当
- 视角达160度
- 寿命长
- 功耗大、成本高、对比度差

激光打印机

输出原理
- 利用激光束照射硒鼓，使之放电，不再吸附墨粉来产生打印的形状
输出过程
- 硒鼓带电后吸附墨粉
- 激光束使硒鼓表面被照射的部分放电，释放墨粉
- 将墨粉压到纸上，并用高温烘烤，使之固化在打印纸上
- 将硒鼓放电，清扫剩余墨粉