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CH18. 介面設計

CH18. 介面設計. 介面 (Interface) 是什麼？. 介面指的是由軟體、硬體或是兩者共同組成的系統，讓兩個或多個不同的元件，可以互相傳遞資料。舉例來說，電腦與印表機之間的連結，印表機製造商及軟體商都是要根據印表機標準協定的輸入訊號規格，來製作一個適當的硬體，讓印表機能夠連接電腦，軟體商必須提供適當的軟體與驅動程式，將使用者的指令轉換成為印表機硬體設備能夠瞭解的電氣訊號。. 電腦周邊產品，我們會碰到介面的問題，如： USB 、 SATA 、 SCSI 、 RS-232 、 PS/2 、 Ethernet 、 Centronics … 等 。

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CH18. 介面設計

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  1. CH18. 介面設計

  2. 介面 (Interface) 是什麼？ • 介面指的是由軟體、硬體或是兩者共同組成的系統，讓兩個或多個不同的元件，可以互相傳遞資料。舉例來說，電腦與印表機之間的連結，印表機製造商及軟體商都是要根據印表機標準協定的輸入訊號規格，來製作一個適當的硬體，讓印表機能夠連接電腦，軟體商必須提供適當的軟體與驅動程式，將使用者的指令轉換成為印表機硬體設備能夠瞭解的電氣訊號。

  3. 電腦周邊產品，我們會碰到介面的問題，如：USB、SATA、SCSI、RS-232、PS/2、Ethernet、Centronics…等 。 • 電子儀器設備方面的介面也很複雜，如：GPIB、IEEE-488、RS-232、RS-422、RS-485...等。

  4. 串列傳輸（簡稱UART） • 串列傳輸為CPU與周邊裝置或CPU與CPU間的資料傳輸方法之一，最簡單的串列傳輸只需兩條傳輸線，使用時的方式每次傳輸一個位元的資料，所以具有傳輸線少的優點，並且容易防止雜訊干擾，適合較遠距離的資料傳輸。

  5. 串列傳輸（簡稱UART） • 串列傳輸在傳送一個位元組時，必須以位元的方式來傳遞，至少需要傳送8次以上，而UART的串列傳輸方式是在傳送8個位元資料之前加上1個起始位元，並在傳送8個位元資料之後加上1個停止位元，停止位元最多可設定到2個位元，於是原先傳送1個位元組要傳送8次就增為10次。以下是UART串列傳輸的示意圖，傳輸時間順序由左至右：

  6. RS-232以線路上的電壓水平作為判別訊號的依據，當電壓於 -3 ~ -25v時代表為 “1”， +3 ~ +25v 代表為 “0”，而兩端連線時則保持 “1”的狀態（閒置），此種方式稱為雙極電氣信號準位(bipolar electrical signal levels)

  7. USB (Universal Serial Bus) • 有以下的優點： • 1. 統一各種電腦周邊裝置的連接頭。 • 2. 即插即用(Plug-and-Play)，並能自動偵測與配置系統的資源。 • 3. 具有「熱插拔」(Hot Attach & Detach)的特性。 • 4. USB規格1.1中，傳送速度可達到12Mbps，2.0中最快可達到480Mbps。 • 5. 因為USB界面使用7-bit的定址欄位，所以最多可以連接127個周邊裝置。

  8. 訊號傳遞時，USB 資料首先經過NRZI(Non-Return to Zero ,Invert)編碼，然後以差分資料傳訊法(differential signaling)經由USB 纜線傳送。

  9. USB採用NRZI(Non Return to Zero Invert，不歸零就反向)的編碼方式，就不需要同步的時脈訊號也能產生同步的資料存取。其編碼規則是：當資料位元為 1 時不轉換，為 0 時再做轉換。

  10. 巨量型(bulk)傳輸 • 巨量型傳輸是用來傳輸大量的資料之用。由於大量的資料必須準確的傳送，但卻無傳輸速度上的限制，是因為傳送資料時，必須先等待等時型、中斷等傳輸傳完後再傳送，要是整個匯流排是閒置的話，巨量傳輸就會非常的快速。 • 若因某些錯誤而發生傳送失敗的話，就再傳送一次。而應用這類型的裝置有：印表機、掃瞄器等；而目前市面上使用的USB隨身碟、硬碟等，也都屬於應用此傳輸。

  11. 等時型(isochronous)傳輸 • 此傳輸類型可以是單向或是雙向的傳輸；由於要維持一定的傳輸速度，因此要犧牲些可容許的錯誤發生。一開始與PC主機協定好固定頻寬，以確保發送端與接收端的速度能符合。就算發生了錯誤，也不需再重新傳送；此類的裝置具有時間-臨界的特性，適用在音頻或影像，如：USB麥克風、USB CCD等，也因為此種傳輸可以確保撥放的頻率不會被影響。

  12. 中斷型(interrupt) 傳輸 • 最早的等時型傳輸是用於人工裝置群組，且僅能從裝置輸入到PC主機，做輸入的傳送模式(在USB 1.1版規格書中，已改為雙向傳輸，增加輸出模式)。由於USB不支援硬體中斷，所以必須靠PC主機以週期性加以輪詢，以便知道是否有裝置需傳送資料給PC。因此中斷型傳輸只是一種＂輪詢＂的過程，因為在因為錯誤而發生傳送失敗的話，可以在下一次輪詢的期間再重新傳送一次。而這類的傳輸裝置有：滑鼠、鍵盤、搖桿等，而此類低速的裝置統稱為人工界面裝置(HID)。

  13. 控制型(control) 傳輸 • USB傳輸中最重要的傳輸，用來提供介於主機與裝置之間的配置、命令或狀態的通訊協定，因此為雙向傳輸。其傳送型態有三種： • (1). 設定狀態(Setup stage):傳送信號至裝置,對裝置提出要求,包含了8-bytes的設定封包。 • (2). 資料階段(Data stage):主機傳送資料或是回應主機的要求，回送資料。 • (3). 狀態階段(Status stage):對資料作確認的動作，由此得知資料正確的交易。

  14. 人工界面裝置(HID) • HID主要特性與限制： • 一個全速的HID裝置最快能到達64KB/s，低速的裝置到達800B/s。 • 如果裝置要送出資料，HID能夠要求主機以週期的方式輪詢裝置，以求出相關的資料。 • 存在於HID所定義的資料結構描述元中，用來交換的資料，稱之為＂報告(Report)＂。一個單一的報告能包含高達65535 bits的資料，此格式能讓我們來修改以處理任何型態的資料。 • 每一次的資料交易可以攜帶小量至中量的資料。對於低速裝置，每一次資料交易最大是8個位元組。對於全速裝置，每一次資料交易最大是64個位元組。對於高速裝置，每一次資料交易最大是1024個位元組。而一個長的報告描述元，能夠使用多個資料交易。

  15. 同步串列通信(簡稱I2C) • I²C 為二線式，一為時脈線SCL，另一為資料線SDA，這二線都是雙向性。I²C 允許多主多僕系統，所以電氣上，SCL 和SDA 二線要透過高接電阻接於正電源。

  16. I²C 傳輸之訊號時序圖

  17. 參考資料 • 許永和,“微處理機－USB週邊裝置設計與應用＂，長高科技圖書，page 6.1-6.4,2002 • "PL2303 USB-to-RS232 Bridge", datasheet Rev. 1.1, Prolific • I²C 的詳細規範文件為The I²C-Bus Specification, V. 2.1，www.nxp.com/acrobat_download/literature/9398/39340011.pdf

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