计算机组成与系统结构 陈泽宇 副教授

第1章 计算机系统概论 第2章 运算方法和运算器 第3章 存储系统 第4章 指令系统 第5章 中央处理器（CPU） 第6章 总线系统 第7章 输入输出（I/O）系统 第8章 并行计算机系统

7.5 通用I/O接口 7.5.1 RS-232接口 7.5.2 IDE接口 7.5.3 SATA接口 7.5.4 USB接口 7.5.5 SCSI接口 7.5.6 IEEE-1394接口

7.5.1 RS-232接口 RS-232接口是一种常用的串行通信接口 1970年由美国电子工业协会（EIA）制定 全名是“数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准” 用于在计算机与其外设或终端之间建立近距离连接 在计算机系统中成为一种用来实现与打印机、CRT终端、键盘、调制解调器等外围设备进行异步串行数据通信的标准硬件接口

7.5.2 IDE接口 IDE接口是一种用于在PC机中连接硬盘驱动器的接口 英文全称为“Integrated Drive Electronics”，即“电子集成驱动器” 本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器，代表着硬盘的一种类型

1. IDE的系统结构 IDE接口硬盘的控制电路集成在硬盘上，与IDE驱动器通信所需的软件程序则存储在PC机主板的BIOS芯片中 IDE接口用一个40针电缆连接硬盘与主板 电源由另外的电缆提供

2. IDE模式的发展 IDE硬盘接口的数据传输模式经历了三次技术变化 由最初的PIO模式，到DMA模式，直到Ultra DMA模式

1）PIO模式 PIO（Programming Input/Output Model）模式是一种通过CPU执行I/O端口指令来进行数据读写的交换模式 数据传输速率低下，CPU占用率很高 大量传输数据时会因为占用过多的CPU资源而导致系统停顿 受限于传输速率低下和极高的CPU占用率，这种数据传输模式很快就被淘汰了

2）DMA模式 不经过CPU而直接从主存存取数据的数据交换模式 CPU只须向DMA控制器下达指令，让DMA控制器来处理数据的传送，数据传送完毕再把信息反馈给CPU 在很大程度上降低了CPU资源占用率

3）Ultra DMA模式 Ultra DMA（Ultra DMA，简写为UDMA）的含义是高级直接主存访问 在包含DMA模式优点的基础上，增加CRC（循环冗余码校验技术，提高数据传输过程的准确性、安全性 以往的硬盘数据传输模式，一个时钟周期只传输一次数据 UDMA模式应用Double Data Rate（双倍数据传输）技术，时钟的上升期和下降期各进行一次数据传输，使数据传输速度成倍增长

7.5.3 SATA接口 SATA（Serial ATA，串行ATA）是一种连接存储设备（大多为硬盘）的串行接口，用于取代传统的并行ATA接口 SATA接口使用嵌入式时钟信号，具备了更强的纠错能力 最大的改进在于能对传输指令（不仅仅是数据）进行检查，并且在发现错误后可以自动矫正 这在很大程度上提高了数据传输的可靠性 SATA接口还具有结构简单、支持热插拔等优点

1. SATA的物理结构 采用四芯电缆 电压从传统ATA接口的5V大幅减低至250mV（最高500mV） 给SATA硬盘加上热插拔（Hot Swapping）功能 连接形式除了传统的点对点（Point-to-Point）之外，还支持星型连接，为RAID等高级应用提供了设计上的便利 实际使用中，SATA的主机总线适配器（Host Bus Adapter，HBA）可以通道形式与每个硬盘单独通信 每个SATA硬盘都可独占一个传输通道，不存在ATA那样的主/从控制问题

SATA以连续串行的方式传送数据，一次只传送1位数据 这样的架构还能降低系统的复杂性和能耗

2. SATA的特点 在硬件方面，允许使用转换器提供与ATA设备的兼容性 在软件方面，与ATA保持软件兼容性 厂商不必为了使用SATA而重写任何驱动程序和系统代码 SATA接线较传统的ATA接线简单得多，而且容易收放，能够明显改善机箱内的气流及散热 SATA硬盘的扩充性很强，可置于机箱外 外置式机柜不但可以提供更好的散热及插拔功能，也可用多重连接来防止单点故障

由于SATA与光纤通道的设计如出一辙，所以其传输速度可以用独立通道的形式得到保证 这在服务器和网络存储上具有重要的意义 SATA 1.0定义的数据传输率可达150MB/s，而SATA 2.0的数据传输率则达到300MB/s，最终SATA将实现600MB/s的最高数据传输率

7.5.4 USB接口 USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）接口是为简化PC与外设之间的互连而研究开发的标准化接口 支持各种PC与外设之间的连接，可实现数字多媒体集成 主要特点是即插即用，允许热插拔 USB连接器将各种各样的外设I/O端口合而为一，使之可以热插拔，并具有自动配置能力 用户只要简单地将外设插入到USB连接器上，PC机就能自动识别和配置USB设备

USB总线标准由1.1版升级到2.0版，传输率由12Mbps增加到480Mbps，连接距离也由原来的5米增加到近百米 USB设计者尽其所能地在USB接口上体现出未来计算机对接口的需求标准： 易用性、稳定性、兼容性、扩展性、完备性、网络性、低耗性 USB总线结构简单，信号定义仅由2条电源线和2条信号线组成

USB系统采用级联星型拓扑，由三个基本部分组成： ⑴主机（Host） 包含主控制器和根集线器，控制数据和控制信息的流动 每个USB系统只能有一个根集线器，连接在主控制器上 ⑵集线器（Hub） 提供端口，以便将设备连接到USB接口上 检测连接在总线上的设备，为这些设备提供电源管理 负责总线的故障检测和恢复 ⑶功能设备 通过端口与总线连接

USB为计算机外设输入输出提供了新的接口标准 使设备具有热插拔、即插即用、自动配置的能力，使设备连接标准化 级联星型拓扑结构大大扩充了外设数量，使增加、使用外设更加便捷、快速

7.5.5 SCSI接口 小型计算机系统接口（Small Computer System Interface）的简称，是一种并行I/O标准接口 设计思想来源于IBM大型机系统的I/O通道结构，目的是使CPU摆脱对各种设备的繁杂控制 是一个高速智能接口，可以混接各种磁盘、磁带机设备 由SCSI控制器（又称为主机适配器）进行数据操作 具有应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低、热插拔等优点，主要用于中、高端服务器和高档工作站中

SCSI是一种不断前进的技术 为了提高数据传输率、改善接口的兼容性，20世纪90年代又陆续推出了SCSI-2和SCSI-3标准 串行SCSI也由并行SCSI接口演化而来，数据传输率最高可达到600MB/s

7.5.6 IEEE-1394接口 IEEE制定的一项具有视频数据传输速度的串行接口标准 支持外接设备热插拔 可为外设提供电源，省去了外设自带的电源 支持同步数据传输 IEEE-1394接口的速度很快，相对于SCSI小巧许多

IEEE-1394串行接口具有三个显著特点： ⑴数据传送的高速性 定义了三种传输速率：100Mbps、200Mbps和400Mbps 完全可以用来传输未经压缩的动态画面信号 ⑵数据传送的实时性 保证多媒体数据的实时传送，避免图像和声音时断时续 ⑶体积小易安装，连接方便 使用6针电缆，插座体积小 具有“热插拔”能力，全速工作时也可插入或拆除设备

IEEE-1394是一种高速串行I/O标准接口 各被连接装置的关系是平等的 不用PC介入也能自成系统

本讲到此结束，谢谢！