【導讀】本文主要講解了串行口、并行口、USB接口如何通過信號進行通信，并且詳述了USB硬件和軟件結構與數據傳輸的方式。本文針對計算機接口知識進行了匯總。希望大家能夠更加了解計算機的各種外設接口的通信。
在控制領域,想要對一個相對復雜的系統進行有效控制，要在設備之間建立一個相互聯絡和溝通的機制，計算機科學里稱這種聯絡機制為“接口(Interface)”。譬如,當我們需要打印一份文件時，首先主機需要與打印機之間要建立聯系，然后才能向打印機發送數據。那么，這是怎樣一個過程呢？
握手信號，聯系主機與外設的紐帶
計算機接口的主要功能就是使數據通過接口使之能夠在不同模塊或系統間自由流動，達到數據共享的目的。在過去很長一個時期內，主機與打印機之間是通過并行口連接起來的，現在針式打印機仍然使用并行口，激光打印機和一部分噴墨打印機已經采用USB接口了。先來看看并行口是怎樣進行數據交換的。
圖1 并行口連接器
所謂并行口，是指數據在多條信號線上同時進行傳送。標準的并行口為8位，也就是說只有8條數據線。那么，標準的并行口為何定義了25個針腳呢？原來，除了8根數據線，還有一系列的命令線、狀態信號線和接地線（圖1）。其中的命令線由主機發往打印機，而狀態信號線則由打印機反饋給主機。命令線與狀態線之間往往是成對出現的——一條命令線對應一條狀態線，彼此接頭的兩個信號則被形象地稱作握手（Handshaking）信號。
表1 SPP模式下并行口信號定義
通過握手信號，主控端可獲得被控端的狀態信息，從而決定下一步做什么了。譬如，當用戶需要打印文件時，會向打印機發出nSELECT命令，如果打印機電源已經打開，則通過SELECT信號線傳回“在線”狀態信號。接下來，主機向打印機傳輸nSTORBE信號，同時將存放數據的發送到數據線上，一旦BUSY信號為低電平，則執行數據傳輸。此時，打印機輸出nACK信號，表示完成了一個字節的數據傳輸任務，告訴主機可以開始傳輸下一個字節了（圖2）。
圖2 并行口數據傳輸時序圖
如果在打印過程中紙張用完，打印機發出缺紙信號，主機收到這個信號后，會在顯示屏上顯示出對應的信息，以通知用戶放入紙張。有了這樣一個機制，機器之間便可以自動地進行各種工作。 [page]
采用同步通信建立聯系主機與外設的紐帶
握手信號的另一用途是對被控設備進行故障診斷。譬如電腦在啟動過程中會向打印機發出控制命令nINT讓打印機復位，如果應答信號nERROR為高電平，則說明打印機功能正常，否則意味著打印機出錯了。
握手信號是聯系主機與外設的紐帶，通過握手信號你來我往的過程，主機便可獲得外設必要信息，從而為數據傳輸做好準備。與并行口一樣，標準串行口RS-232C也提供了握手信號。
握手信號是聯系主機與外設的紐帶，主機通過握手信號獲得外設必要信息，為數據傳輸做好準備。那么，握手信號是不是在所有的計算機接口中都是必須的呢？回答是否定的。在鼠標和鍵盤使用PS/2接口中，就沒有握手信號。鍵盤和鼠標也需要跟主機之間進行數據傳輸，沒有握手信號，這些設備又是怎樣與主機建立聯系的呢？
我們先考察一下PS/2鼠標端口（圖3）。PS/2端口用作鼠標接口時，只用6個插針中的4個，Pin1用于傳送數據，Pin3接地，Pin4向鼠標供電，Pin5為鼠標提供時鐘信號。與串行口、并行口相比，PS/2接口沒有握手信號，但是有時鐘信號，兩者的差別就在這里。
圖3 PS/2鼠標接口
難道說，時鐘信號能夠代替握手信號的一些功能嗎？也不可以這么說。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鐘信號是區別同步通信還是異步通信的標志，同步通信的雙方使用同一個時鐘，而異步通信中無須這么做。盡管如此，無論同步通信還是異步通信，通信雙方都必須相互協調，以一定的約定（協議）保持雙方同步，否則就會造成數據的錯誤與混亂。
在異步通信方式中，收發雙方取得同步的辦法是采用在字符格式中設置起始位和停止位。在一個有效字符正式發送前，先發送一個起始位，而在字符結束時再發送一個停止位。接收器不斷地檢測或監視線路上信號的變化，當檢測到有起始位時，便知道緊隨其后的是有效字符位的到來，這才開始接收字符；當檢測到停止位時，便停止接收。使用該方式進行通信時，發送器與接收器不需要相同的時鐘，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兩端嚴格保持同步，即所謂的“位同步”。因此，在同步通信中，收發兩端需要同一個時鐘源作為同步信號。
進行同步傳送時，發送端須先發送一個同步字符去通知接收端串行數據的第一位何時到達，接著便以連續的形式發送信息，傳輸效率較高。而異步通信每傳送一個字符要增加大約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點之外，接口電路的結構也比較簡單，而且更加易于管理。正因為如此，同步通信的應用也十分廣泛。SMBus（System Management Bus，系統管理總線）就是一種同步通信接口，它只有兩根信號線：一根雙向數據線和一根時鐘信號線。Windows中顯示的各種設備的制造商名稱和型號等信息，都是通過SMBus總線收集的。
圖4 基于SMBus的CPU溫度監控電路
SMBus的數據傳輸率為100kbps，雖然速度較慢，卻以其結構簡潔造價低廉的特點，成為業界普遍歡迎的接口標準。主板監控系統中傳送各種傳感器的測量結果，以及BIOS向監控芯片發送命令，都是利用SMBus實現的。PCI插槽上也給SMBus預留了兩個引腳（A40為SMBus 時鐘線，A41為SMBus 數據線），以便于PCI接口卡與主板設備之間交換信息。
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USB接口是怎樣進行通信的呢？
USB接口中既沒有握手信號，也沒有時鐘信號，它是怎樣進行通信的呢？
我們已經知道，傳統的串行口、并行口通過握手信號進行通信，這些接口通常通過握手信號來聯絡主機和外設。我們也已經知道，通信雙方可以同步或異步兩種方式進行通信，兩者最大的區別是，同步通信接口中有時鐘信號線。
USB接口應用很廣。可是，USB接口中既沒有握手信號，也沒有時鐘信號，它是怎樣在主機與外設之間建立聯系的呢？又是如何交換數據的呢？為了深入理解USB接口的通信過程，先介紹USB的硬件和軟件結構。
從物理結構上，USB系統是一個星形結構。USB系統包含三類硬件設備: USB主機(USB HOST)、 USB設備(USB DEVICE)和USB集線器(USB HUB)。USB總線上的物理連接是一個分層的星形拓撲，處于每個星形拓撲中央的是HUB集線器，在主機與HUB之間，HUB與HUB之間，HUB與設備之間都是點對點的連接。
圖5 USB拓撲結構
USB HOST對USB系統進行管理、每毫秒產生一幀數據、發送配置請求對USB設備進行配置、管理和恢復總線上的錯誤。 USB HUB用于設備擴展連接，所有USB DEVICE都連接在USB HUB的端口上。USB DEVICE接收USB總線上的所有數據包，通過數據包的地址域來判斷是不是發給自己的數據包：若地址不符，則簡單地丟棄該數據包；若地址相符，則通過響應USB HOST的數據包與USB HOST進行數據傳輸。從邏輯結構上看，每個USB邏輯設備都直接與USB HOST進行數據傳輸。與傳統接口以硬件手段實現握手的方法不同，USB接口使用“軟握手”方法。
USB的軟握手機制是透過三個層次的驅動程序實現的，在這中間起到關鍵作用的是設備驅動程序，該程序在主機與設備之間建立起至少一個管道。管道有兩種類型：流管道和消息管道。其中有一個最重要的消息管道是“缺省控制管道”，這個管道在設備一加電的時候就存在了，它提供設備的配置和狀態等信息。主機與設備之間的聯絡就是通過消息管道實現的。
圖6 USB軟件結構
協議棧驅動程序的主要作用是將設備與相應的設備驅動程序連接起來。因為USB支持的設備很多，而每個具體的設備都有自己對應的設備驅動程序。對于某一具體設備來說，使用哪個驅動來管理，就要由協議棧驅動程序通過讀取設備描述符進行挑選。選擇好驅動程序之后，協議棧驅動程序還要給USB設備分配地址。管道建立起來之后，數據的傳輸控制則由USB接口驅動程序負責完成了。在這里，主機占有絕對主導權，設備只能是“聽命令行事”。設備發生事件時通過消息管道報告給主機，主機伺機向設備發送命令，開通流管道，發送或接收數據包。主機與設備之間以數據數據包的形式進行傳送，顯然這與網絡上數據傳輸的方式相同，是一種異步數據傳輸模式。
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