计算机外设接口技术

计算机外设接口技术 计 算 机 外 设 接 口 技 术 计算机外控技术的发展趋势 计 算 机 总 线 是 计 算 机 与 外 部 设 备 进 行 数 据 交 换 的 通 道。 根 据 数 据 交 换 和 传 输 时 数 据 的 组 织 形 式～ 可 将 总 线 分 为 串 行 总 线 和 并 行 总 线。 USB,Universal Serial Bus,、、都 是 串 行 总 线～ 常 见 的 并 行 总 线 有STD 总 线、ISA 总 线、PCI 总 线 等。STD 总 线 数 据 线 宽 度 为8 位～ 称 为8 位 总 线～ISA 总 线 为16 位 总 线～PCI 总 线 为32 位 总 线。 1( ISA总线外设控制接口技术 ISA总线在PC系列微机中已有20多年的历史～其总线组成、时序关系早已为广大计算机工作者所掌握。由于ISA总线地址/数据/控制信号都是分开独立的物理信号～且工作频率较慢～利用常规门电路即可搭建出相应的译码逻辑电路～数据寄存、锁存缓冲电路也有成熟的方法。因而～ISA总线外设控制接口技术广泛应用于工业控制、数据存储、各种外设和常用外设～像图像处理卡、电源维护卡、加密卡、防毒卡、调制解调卡等都有ISA总线形式的产品。据估计～ISA总线接口卡有几千种之多～要想使ISA总线产品彻底淘汰～仍需要时间。 2( PCI总线外设控制接口技术 PCI 总 线 是32 位 总 线～ 可 以 升 级 到64 位 宽 度～ 地 址 长 度 可 变～ 可 重 复 猝 发 读 写～ 其 访 问 延 迟 时 间 短。 总 线 的 工 作 频 率 为33MHz～ 传 输 率 为132Mbps～ 其2.1 版 规 范 升 级 到 了66MHz 的 频 率 及264Mbps 的 传 输 率～64 位 总 线 可 达528Mbps。 PCI 总 线 采 用 多 路 复 用 技 术～ 简 化 了 总 线 结 构～ 节 省 了 成 本。 它 能 够 自 动 配 置 参 数～ 为 此 而 专 门 设 计 有 配 置 空 间～ 记 录PCI 总 线 的 设 备 信 息～ 使 之 支 持 即 插 即 用 功 能。 PCI 总 线 与 处 理 器 无 关～ 它 的 占 用 权、 仲 裁 权 不 是 由CPU 管 理～ 而 是 由 专 门 的PCI 芯 片 组 完 成。 同 时～PCI 总 线 具 有 存 储 器 管 理 功 能～ 任 何CPU 要 访 问 共 享 存 储 器 都 必 须 经 过PCI 总 线 的 允 许。 另 外～PCI 总 线 支 持 多 处 理 器 功 能～ 利 用 它 构 建 多 处 理 器 系 统 十 分 方 便。 PCI 总 线 支 持5V 和3.3V 工 作 电 压～ 将 来 可 达 到2.7V。 鉴 于PCI 总 线 具 有 以 上 这 些 优 点～ 我 们 对PCI 总 线 协 议 规 范 和 接 口 技 术 进 行 了 深 入 的 研 究～ 并 将PCI 协 议 及 接 口 技 术 汇 编 成 册,《PCI 总 线 与 多 媒 体 计 算 机》～ 电 子 工 业 出 版 社 出 版,～ 同 时～ 我 们 已 开 发 成 功 具 有 自 主 知 识 产 权 的PCI 总 线 接 口 芯 片。 目 前～ 我 们 对PCI 总 线 接 口 技 术 的 研 究 存 在 着 三 大 难 点: (1) PCI 总 线 规 范 所 支 持 的 配 置 空 间 组 织、 设 备 类 码 要 向 国 际PCI 小 组 申 请～ 并 由 其 批 准。 (2) PCI 总 线 接 口 元 件 和 常 规 门 电 路 目 前 国 内 还 不 能 解 决。 自 己 搭 建 电 路 解 决 不 了 问 题～ 而 采 用ASIC 芯 片～ 必 须 掌 握EDA 工 具 和ASIC 大 规 模 集 成 电 路 设 计 方 法～ 其 中～ 我 们 已 掌 握 了 大 规 模 集 成 电 路 设 计 方 法。 (3) Windows 95/98/NT 系 统 代 码 不 透 明～ 要 编 写 设 备 驱 动 程 序 存 在 困 难。 因 此～PCI 总 线 原 理、EDA 工 具、 操 作 系 统 中 设 备 驱 动 程 序 是 目 前 我 们 开 发PCI 接 口 技 术 的 三 个 关 键 部 分。 另 有 一 点 必 须 说 明～ 国 外 有S5933、PLX9050、9080 专 门 的PCI 总 线 接 口 芯 片～ 虽 然 采 用 这 些 芯 片 可 免 除 读PCI 总 线 协 议 之 苦～ 但 存 在 的 问 题 是～ 如 果 我 们 依 赖 它～ 就 可 能 永 远 与PCI 总 线 接 不 上 口。 另 外～ 如 果 将 用 户 功 能 和 接 口 功 能 分 成 两 片～ 则 成 本 降 不 下 来～ 而 仅 作 为 外 设 产 品 来 开 发～ 也 进 入 不 了 市 场。 目 前～ 我 国 在PCI 总 线 研 究 中 存 在 的 问 题 是: (1) PCI 总 线 协 议 的 基 础 研 究 还 比 较 薄 弱。 政 府 有 关 部 门 和 标 准 制 订 管 理 部 门 没 有 组 织 力 量 研 究 这 个 课 题～ 而 仅 有 一 些 青 年 者～ 凭 着 热 情～ 在 孤 立 无 援 地 做 工 作。 如 果 没 有 条 件 保 证～ 很 难 学 深 入 持 久 地 做 好 工 作。 (2) PCI 总 线 微 机 组 成 原 理, 包 括 单CPU 机 和 多CPU 机, 方 面 的 研 究 较 薄 弱～ 目 前 基 本 上 是 空 白。 我 国 在PCI 总 线 外 设 控 制 接 口 技 术 的 落 后 局 面 必 须 得 到 扭 转～ 我 们 要 看 到PCI 总 线 的 重 要 性～ 其 相 关 的 工 作 要 组 织 人 去 做。 外设产品发展趋势 目 前～ 外 设 产 品 主 要 向 以 下 几 个 方 向 发 展: 智 能 化 指 不 完 全 依 靠 主 机 指 令～ 自 身 具 有 一 定 自 主 控 制 功 能 的 外 设 产 品。 外 设 产 品 的 智 能 控 制 方 法 是 指 具 有CPU 能 力～ 具 有 自 备ROM、RAM～ 能 自 动 识 别、 自 动 注 册 的 外 设 控 制 方 法。 多 功 能 化 一 套 外 设 具 有 多 种 功 能 是 未 来 外 设 的 发 展 方 向。 例 如～ 集 扫 描 仪、 打 印 机、 传 真 机、 复 印 机 等 多 种 功 能 为 一 体 的 外 设～ 不 仅 使 用 户 减 少 了 设 备 投 资～ 在 军 事 装 备 上 也 十 分 有 意 义。 微 型 化 外 设 产 品 越 来 越 小 型 化、 微 型 化～ 适 用 于 野 外 作 业、 外 出 旅 行 和 军 事 应 用。 国 内 有 专 门 从 事 外 设 产 品 微 型 化 开 发 设 计 的 公 司。 目 前～ 微 型 外 设 比 较 少 见～ 市 场 占 有 量 也 较 少～ 但 是～ 微 型 外 设 产 品 将 来 一 定 能 在 外 设 系 列 产 品 中 占 有 一 席 之 地。 遥 控 化 对 键 盘、 鼠 标、 打 印 机 目 前 都 有 关 于 红 外 遥 控 产 品 的 报 道。 外 设 与 主 机 之 间 实 现“ 无 线” 连 接～ 利 用 红 外 光 而 不 是 利 用 电 磁 波。 红 外 遥 控 技 术 的 日 趋 成 熟 及 它 在 外 设 产 品 领 域 中 的 应 用～ 使 外 设 遥 控 产 品 成 为 外 设 产 品 系 列 中 的 一 朵 奇 葩。 外 设 遥 控 产 品 目 前 不 是 主 流 产 品～ 将 来 也 可 能 不 是～ 但 是 在 某 些 专 用 领 域～ 如 不 可 靠 近 的 场 合 和 恶 劣 环 境 中～ 却 非 无 线 遥 控 外 设 产 品 莫 属。 与 主 机 的 一 体 化 由 于 计 算 机 技 术 市 场 竞 争 激 烈～ 外 设 产 品～ 特 别 是 外 设 控 制 产 品, 泛 指 外 设 控 制 板 卡, 受 到 主 机 产 品 制 造 厂 家 的 蚕 食。 如 许 多 接 口 板 卡 已 集 成 到 主 机 板 上～ 有 的 计 算 机 主 板 集 成 了 显 卡、 多 功 能 卡、 调 制 解 调 卡 等～ 一 块All 计 算 机 主 板 基 本 上 把 一 些 计 算 机 通 用 外 设 的 控 制 电 路 都 设 计 到 里 面 去 了。 更 有 甚 者～CPU 生 产 厂 家 也 将 部 分 外 设 功 能 集 成 到CPU 之 中～ 如 含 有 图 像 处 理 能 力 的CPU 芯 片、 含 有 多 媒 体 功 能 的CPU 芯 片～ 等 等。 这 种 高 度 集 成 的 方 案 与 外 设 中 含 有CPU 芯 片、 外 设 脱 离 主 机 自 动 工 作 相 对 应。 这 两 个 相 反 的 发 展 方 向 都 说 明 同 样 一 个 问 题～ 外 设 智 能 控 制 与 外 设 主 机 控 制 之 间 正 逐 步 走 到 一 起～ 界 限 越 来 越 模 糊～ 区 分 越 来 越 困 难。 外 设 产 品 设 计 开 发 方 法 的 进 展 由 于 外 设 接 口 已 从ISA 总 线、 主 机 控 制 方 式 向PCI 总 线、USB 总 线、IEEE 1394 总 线 等 智 能 控 制 方 式 发 展～ 相 应 的 外 设 产 品 的 设 计 开 发 方 法 也 发 生 了 巨 大 的 变 化。 1 ( EDA 工 程 和EDA 工 具 电 子 设 计 自 动 化,EDA, 已 从 理 论 研 究 阶 段 发 展 到 工 程 实 践 阶 段。 由 于 计 算 机 技 术 的 发 展 和 高 档PC 性 能 的 提 升～ 许 多 大 型EDA 工 具 既 可 以 运 行 于 工 作 站～ 也 可 以 运 行 于 高 档PC～ 这 为 普 及 我 国 的EDA 工 程 打 开 了 缺 口。 对EDA 工 程 了 解 和 使 用 的 工 程 人 员 越 多～ 技 术 进 步 就 会 越 快。 EDA 工 程 涉 及 硬 件 描 述 语 言,HDL,、 可 编 程 器 件 原 理 结 构 及 应 用、EDA 工 具 的 使 用 三 个 主 要 方 面。 EDA 工 具 是EDA 工 程 的 基 础～ 国 内 外 有 不 少 单 位 都 推 出 了 相 当 不 错 的EDA 工 具～ 每 个 公 司 的EDA 工 具 都 有 不 同 的 特 色～ 利 用 集 成 的 设 计 环 境 将 功 能 设 计、 行 为 描 述、 时 序 分 析、 功 能 仿 真、 测 试 验 证 等 一 整 套 设 计 过 程 全 部 完 成～ 使 产 品 设 计 过 程 大 大 缩 短。 2 ( ASIC 专 用 集 成 电 路 设 计 国 内 从 事 集 成 电 路 设 计 的 单 位 有 数 十 家。 对 于 任 何 一 个 智 能 外 设～ 随 着 智 能 化 程 度 的 提 高～ 其 控 制 芯 片 的 接 口 功 能 越 来 越 复 杂。 以PCI 总 线 为 例～ 这 种 接 口 要 求 延 迟 时 间 小 于7ns～ 协 议 规 范 比 较 复 杂～ 配 置 空 间 需 要 许 多 寄 存 器～ 因 此 需 要 万 门 以 上 的 大 规 模 集 成 电 路。 如PCI 总 线 接 口 专 用IC、 图 像 处 理 专 用IC、ATM 接 口 专 用IC 都 是 万 门 以 上 大 规 模 专 用IC。 因 而～ 智 能 外 设 专 用IC 的 设 计 是 未 来 智 能 外 设 控 制 的 研 发 方 向～ 利 用 常 规 门 电 路 搭 建 实 验 电 路 的 方 法 已 经 不 能 满 足 现 代 设 计 的 要 求 了。 3 ( DSP 数 字 信 号 处 理 的 应 用 对 于 任 何 外 设 信 号 的 处 理～ 无 论 是 模 拟 量 还 是 数 字 量～ 采 用DSP 是 非 主 机 控 制 方 式 的 主 要 手 段。 因 为DSP 中 含 有CPU 结 构～ 丰 富 的 指 令 集 为 它 的 运 算 能 力 增 色 不 少。 对DSP 器 件 的 应 用、 开 发 设 计 的 研 究～ 应 是 外 设 产 品 的 研 究 重 点 之 一。 面 临 的 挑 战 与 对 策 外 设 接 口 的 变 化 和 新 总 线 协 议 的 实 施 给 国 内 科 技 界、 企 业 界 的 外 设 科 技 开 发 人 员 提 出 了 新 的 挑 战。 关 于 新 的 总 线 协 议 和 接 口 规 范 的 资 料 比 较 缺 乏～ 基 于 商 业 原 因～ 许 多 接 口 技 术 没 有 公 布。 由 于Wintel 阵 营 的 技 术 高 度 垄 断～ 许 多 接 口 技 术 细 节 由 他 们 掌 握～ 有 些 则 是 人 为 的 技 术 壁 垒。 例 如:PCI 总 线 设 备 号 和 版 本 号 要 向PCI 总 线 组 织 申 请～ 而IEEE 1394 总 线 则 是 有 专 利 权 的～ 使 用 该 总 线 必 须 付 费。 所 有 这 些 在 客 观 上 都 成 为 新 型 外 设 接 口 控 制 技 术 发 展 的 障 碍。 PCI 总 线 协 议、USB 协 议、IEEE 1394 协 议 缺 乏 联 合 攻 关～ 协 议 与 主 机、 协 议 与 外 设 的 接 口 协 调 关 系 不 明 确。 这 些 新 总 线 和 接 口 规 范 都 有 一 个 关 键 的 设 计 理 念～ 这 是 一 个 协 议 的 精 髓。 由 于 计 算 机 软、 硬 件 的 高 度 智 能 化 和 使 用 的 简 易 化～ 使 开 发 人 员 无 所 适 从～ 特 别 是 软、 硬 件 人 员 在 专 业 上 截 然 分 开～ 使 软 件 人 员 不 了 解 硬 件～ 硬 件 人 员 不 会 编 软 件。 这 种 缺 乏 软、 硬 件 兼 备 人 才 的 现 象～ 对 今 后 的 智 能 外 设 产 品 开 发 十 分 不 利。 我 国 外 设 控 制 技 术 面 临 的 挑 战 是 严 峻 的～ 为 了 克 服 不 利 局 面～ 笔 者 建 议: (1) 相 关 部 门 要 组 织 力 量 对PCI 总 线、USB 总 线、IEEE 1394 总 线 的 原 理、 规 范、 接 口 方 法 进 行 研 究～ 加 强 协 作 攻 关。 (2) 普 及、 推 广EDA 工 程～ 改 善 设 计 方 法～ 掌 握 现 代 电 子 设 计 技 术～ 学 习 硬 件 描 述 语 言～ 掌 握 专 用 集 成 电 路 的 设 计。 (3) 建 立 计 算 机 外 设 学 会 网 站～ 进 行 网 上 的 学 术 交 流～ 外 设 学 会 要 在 外 设 产 品 评 测、 行 业 标 准 制 订、 协 议 规 范 颁 布 等 方 面 做 好 工 作。