《工业计算机硬件技术支持手册》简介

概述

《工业计算机硬件技术支持手册》主要介绍计算机硬件知识，包括计算机功能接口、扩展总线、工业计算机板型规格等等。适合正在从事计算机技术类工作的读者参考学习，也可作为计算机相关专业大学生的实践参考和学习资料。作品于2021年11月完稿，2022年2月完成著作权登记，2024年1月由黑龙江科学技术出版出版发行。

内容简介

本书主要介绍最新计算机硬件技术。包括计算机各种功能接口、扩展总线及其相关的技术细节，书中还介绍了多种工业计算机中的嵌入式主板的板型及其规格等等。
全书共分23章，第一章简要介绍了计算机的组成和内部架构，让读者大致了解计算机由哪些部件组成。起个引导过渡的作用。第二章至第九章主要是介绍计算机中常见的功能接口。为了方便读者理解书中提到的术语、信号名称及其意义，有些章节会简要介绍一些相关的基础知识。第十章至第十四章主要介绍计算机中常用的扩展总线。有些总线（比如USB）有多个版本同时在市场上应用，但电气参数有所不同，为了避免读者混淆，书中会分开介绍。但会尽量避免内容重复，能简则简。第十五章是介绍M.2模块及其接口界面。第十六章至第二十三章主要是介绍各种嵌入式工业计算机主板。书中引用了许多国际标准或行业技术规范等文献中的数据或资料。比如各种计算机接口的引脚定义，各种总线信号的电气特性、连接器或模块的机构尺寸等等，均来自相应的国际标准或行业技术规范等文献。也有一些资料来自芯片的Datasheet（数据手册），比如部分芯片的参考电路图等等。

图书目录

前言 - 1 -
参考文献 - 2 -
目录 - 3 -
第一章 认识计算机 1
1.1 常见计算机种类 1
1.1.1 桌上型计算机 1
1.1.2 笔记型计算机 1
1.1.3 掌上电脑 1
1.1.4 液晶一体电脑 2
1.1.5 工业计算机 2
1.2 计算机的组成原理框图 3
1.2.1 南北桥架构 3
1.2.2 GMCH+ICH架构 3
1.2.3 PCH架构 4
1.2.4 其他架构 4
第二章 早期接口 5
2.1 PS/2 5
2.1.1 PS/2数据帧 5
2.1.2 PS/2连接器和引脚定义 5
2.1.3 共用连接器和“Y”形电缆 6
2.1.4 USB转PS/2 6
2.2 RS232 6
2.2.1 RS232连接器与引脚定义 7
2.2.2 RS232互连 7
2.2.3 RS232数据流控制 8
2.2.4 RS232电路实例 9
2.3 RS422 10
2.3.1 RS422的信号及连接 10
2.3.2 RS422的电气特性要求 11
2.3.3 RS422电路实例 11
2.4 RS485 12
2.4.1 RS485的信号及连接 12
2.4.2 RS485的电气特性要求 12
2.4.3 RS485电路实例 13
2.4.4 RS485自动流控制 13
2.5 串口电路实例 13
2.5.1 串口隔离保护电路 13
2.5.2 RS232、RS422、RS485复合电路 14
2.6 串口测试 15
2.6.1 Windows系统中的串口通讯测试 15
2.6.2 Linux系统中的简单串口测试 16
2.7 GPIO&DIO 16
2.7.1 GPIO保护电路 17
2.7.2 防止DO误动作 18
2.8 Watch Dog Timer 18
第三章 存储器接口 19
3.1 存储器相关知识 19
3.1.1 硬盘的内部结构 19
3.1.2 CHS寻址 19
3.1.3 ZBR和LBA 20
3.1.4 MBR和硬盘分区表 20
3.1.5 GPT 21
3.1.6 S.M.A.R.T. 22
3.2 PATA 22
3.2.1 40Pin PATA连接器引脚定义 23
3.2.2 44Pin PATA连接器引脚定义 23
3.2.3 PATA接口信号说明 24
3.2.4 连接电缆（排线） 24
3.3 SATA 25
3.3.1 标准SATA连接器 25
3.3.2 标准SATA电缆 26
3.3.3 微型SATA连接器 26
3.3.4 超薄SATA连接器 26
3.3.5 内部多路SATA连接器 27
3.3.6 内部多路mini-SATA连接器 28
3.4 eSATA 28
3.4.1 单路eSATA连接器 28
3.4.2 多路eSATA连接器 29
3.5 mSATA 29
3.5.1 mSATA连接器和引脚定义 29
3.5.2 mSATA和mini-PCIe的co-lay设计 30
第四章 显示器接口 31
4.1 显示器相关知识（一） 31
4.1.1 CRT显示器成像原理及相关术语 31
4.1.2 显示器时序和常用分辨率简称 32
4.1.3 EDID 33
4.1.4 Modeline 36
4.1.5 DDC 37
4.2 VGA接口 37
4.2.1 VGA连接器与引脚定义 37
4.2.2 VGA热插拔 38
4.2.3 VGA接口保护电路 38
4.2.4 VGA电缆要求 39
4.3 显示器相关知识（二） 39
4.3.1 电-光控制原理 39
4.3.2 TN液晶显示器 40
4.3.3 TFT液晶显示器 41
4.3.4 逆变器和背光控制 41
4.4 TTL液晶屏接口 43
4.4.1 TTL接口引脚定义 43
4.5 LVDS液晶屏接口 44
4.5.1 LVDS链路 44
4.5.2 LVDS通道 44
4.5.3 LVDS接口引脚定义 44
4.5.4 信号电源控制 45
4.6 DVI接口 45
4.6.1 TMDS 46
4.6.2 模拟视频传输 46
4.6.3 DVI连接器及其引脚定义 46
4.6.4 DVI热插拔 47
4.6.5 DVI接口转VGA接口 47
4.7 HDMI接口 48
4.7.1 TMDS 48
4.7.2 CEC Line 49
4.7.3 Utility Line和HEAC 49
4.7.4 HPD 50
4.7.5 HDMI连接器及其引脚定义 50
4.7.6 HDMI电缆 52
4.7.7 HDMI与DVI的转换 52
4.7.8 电路实例：DDI to HDMI 53
4.8 DisplayPort 54
4.8.1 Main-Link 54
4.8.2 AUX CH及链路配置管理 55
4.8.3 热插拔检测HPD 55
4.8.4 配置信号和DP_PWR 56
4.8.5 DP连接器及引脚定义 56
4.8.6 DP电缆 57
4.8.7 双模设备电缆适配器 60
4.8.8 电路实例一：DDI to DP 62
4.8.9 电路实例二：DP（DDI） to HDMI 64
4.9 eDP 65
4.9.1 eDP主链路 65
4.9.2 自动黑色视频和面板自刷新（PSR） 65
4.9.3 电源时序 65
4.9.4 连接器引脚定义 66
4.9.5 电路实例：eDP to LVDS 68
第五章 网络接口 69
5.1 网络相关知识 69
5.1.1 区域性网络名称 69
5.1.2 网络模型概览 69
5.1.3 MAC地址 70
5.1.4 IPv4的IP地址 70
5.1.5 IPv6的IP地址 71
5.2 RJ45网络接口 72
5.2.1 连接器及引脚定义 72
5.2.2 信号连接 72
5.2.3 传输电缆 73
5.2.4 自动协商 73
5.2.5 Bypass 74
5.2.6 Bypass电路实例 74
5.3 以太网供电 75
5.3.1 PoE 75
5.3.2 PoE plus 78
5.3.3 增强型PoE 82
第六章 音频接口 91
6.1 HD Audio硬件体系结构 91
6.1.1 流和通道 91
6.2 HD Audio Link 92
6.2.1 HD Audio基本系统 92
6.2.2 HD Audio系统带宽扩展 93
6.2.3 1.5V信号电气规格 93
6.2.4 3.3V信号电气规格 94
6.3 典型的编解码器 95
6.3.1 典型编解码器引脚分配 95
6.3.2 音频插孔侦测电路 95
6.4 编解码器软件控制 96
6.5 编解码器实例电路 96
第七章 电源接口 97
7.1 AT电源接口 97
7.2 ATX电源接口 97
7.2.1 连接器及引脚定义 97
7.2.2 ATX电源输出范围 98
7.2.3 ATX上电时序和信号意义 98
7.3 自动开关机测试 99
7.3.1 开机计数软件 99
7.3.2 ATX定时开关机测试 100
7.3.3 AT定时开关机测试 100
7.3.4 复合定时开关机测试 101
第八章 系统内存接口 102
8.1 内存相关知识 102
8.1.1 DRAM基本储存单元（Cell） 102
8.1.2 DRAM储存单元阵列 102
8.1.3 SDRAM芯片及内部结构 103
8.1.4 系统内存模块 104
8.1.5 读写时序和缩略语 105
8.2 内存连接器和引脚定义 106
8.2.1 DDR系统内存及引脚定义 106
8.2.2 DDR2系统内存及引脚定义 107
8.2.3 DDR3系统内存及引脚定义 108
8.2.4 DDR4系统内存及引脚定义 110
8.3 信号说明 112
第九章 CPU接口 113
9.1 DMI 113
9.2 DDI 113
9.3 FDI 115
9.4 SVID 116
第十章 PCI局部总线 117
10.1 PCI总线结构 117
10.2 PCI总线界面 117
10.3 PCI总线信号说明 118
10.4 PCI连接器 119
10.4.1. 5V 32位PCI连接器 119
10.4.2. 3.3V 32位PCI连接器 119
10.4.3. 通用32位PCI连接器 120
10.5 PCI连接器引脚定义 120
10.6 PCI路由 121
10.6.1. PCI中断和设备号 121
10.6.2. PCI路由表 122
10.7 PCI桥实例电路 123
第十一章 PCI EXPRESS 125
11.1 PCI Express物理连接 125
11.1.1. Lane（通路） 125
11.1.2. Link（链路） 125
11.1.3. 链路数据传输 126
11.2 PCI Express总线界面信号 128
11.3 PCI Express连接器 129
11.3.1. PCIe连接器引脚定义 130
11.4 PCI Express总线结构 131
11.4.1. 物理连接拓扑结构 131
11.4.2. 逻辑层次结构 132
11.5 PCI Express链路训练 133
11.5.1. PCIe特殊字符 133
11.5.2. 常用的有序字符集 133
11.5.3. Detect状态 137
11.5.4. Polling状态 137
11.5.5. Configuration状态 138
11.5.6. 其他状态 141
11.6 PCI Express电源管理 141
11.6.1. 链路状态电源管理（L-States） 141
11.6.2. 设备电源管理状态（D-States） 141
11.6.3. 活动状态电源管理（ASPM） 142
11.7 PCIe Mini Card 142
11.8 PCIe应用实例 144
11.8.1. PCIe to Giga LAN 144
第十二章 USB总线 145
12.1. 概览 145
12.2. USB 2.0 145
12.2.1. 星形拓扑结构 145
12.2.2. USB 2.0连接器和引脚定义 146
12.2.3. USB 2.0互连电缆 147
12.2.4. USB 2.0数据速率 148
12.2.5. 总线枚举过程 148
12.2.6. USB 2.0的可视状态 149
12.3. USB 3.x 150
12.3.1. USB 3.x双总线系统结构 150
12.3.2. USB 3.x连接器和引脚定义 150
12.3.3. USB 3.x互连电缆 152
12.4. USB Type-C 155
12.4.1. USB Type-C连接器和引脚定义 155
12.4.2. USB Type-C电缆 155
12.4.3. USB Type-C与旧版USB互连电缆 156
12.4.4. USB Type-C配置通道 158
12.4.5. USB Type-C供电 168
12.5. USB4 169
12.5.1. USB4双总线系统架构 169
12.5.2. USB4拓扑架构 170
12.5.3. 电气层 172
12.5.4. 逻辑层 174
12.5.5. USB3隧道 179
12.5.6. DisplayPort 隧道 180
12.5.7. PCI Express隧道 180
12.5.8. 主机接口 180
12.6. USB应用实例 180
12.6.1. USB 3.0 HUB 180
12.6.2. USB2.0 to UART 181
第十三章 LPC总线 182
13.1. LPC总线结构 182
13.2. LPC总线信号 182
13.3. LPC外围设备常用的IO地址 183
13.4. LPC带宽 183
13.5. LPC应用实例 183
13.5.1. LPC故障诊断卡 183
13.5.2. LPC to UART 184
第十四章 SMBUS 185
14.1. SMBUS信号 185
14.1.1. SMBSUS# 185
14.1.2. SMBALERT# 185
14.2. SMBUS 2.0电气特性 185
14.2.1. 低功率DC电气规格 186
14.2.2. 高功率DC电气规格 186
14.2.3. SMBus分支电路模型 186
14.2.4. 通用AC特性 187
14.3. SMBUS 2.0设备地址分配 188
14.4. SMBUS 3.1电气特性 188
14.4.1. 低功率DC电气规格 188
14.4.2. 高功率DC电气规格 189
14.4.3. AC电气规格 189
14.5. 数据链路层 189
14.5.1. SMBus上的数据传输 190
14.5.2. 时钟产生和仲裁 190
14.6. 网络层 191
14.6.1. 从设备地址 191
14.6.2. 唯一设备标识符 192
14.6.3. 使用设备 192
14.7. SMBUS应用实例 193
14.7.1. SMBUS to GPIO 193
14.7.2. SMBUS温度传感器 193
第十五章 M.2 194
15.1. 模块命名 194
15.2. 模块和插座的搭配 194
15.3. 平台插座 195
15.3.1. Socket1-DP（Key A） 195
15.3.2. Socket1-SD（Key E） 196
15.3.3. Socket2的配置 196
15.3.4. Socket2（Key B） 197
15.3.5. Socket3（Key M） 198
第十六章 ATX系列主板 199
16.1 ATX主机内部布局 199
16.2 ATX主板 199
16.3 microATX板型 200
16.4 Mini-ITX板型 200
16.5 Riser Card 201
16.5.1 Riser Card安装图示 201
16.5.2 2×11连接器 201
第十七章 插卡式系列主板 202
17.1 PCI-ISA（PICMG 1.0） 202
17.1.1 全长卡 202
17.1.2 ISA半长卡和PCI半长卡 203
17.2 SHB Express（PICMG 1.3） 204
17.2.1 PCI Express信号配置 204
17.2.2 PICMG 1.3总线连接器引脚定义 205
第十八章 COMPACTPCI 207
18.1 CompactPCI 207
18.1.1 机械尺寸 207
18.1.2 cPCI连接器和引脚定义 209
18.1.3 背板槽位和寻址 212
18.1.4 总线电源 214
18.2 PXI 215
18.2.1 PXI局部总线 215
18.2.2 星形触发 216
18.2.3 PXI触发总线 216
18.2.4 PCI-PCI桥接扩展 216
18.2.5 PXI连接器引脚定义 216
18.3 cPCI Express 221
18.3.1 cPCI Express连接器 221
18.3.2 cPCI Expess插槽类型 221
18.3.3 系统板 222
18.3.4 Type1外设板 223
18.3.5 Type2外设板 224
18.3.6 混合外设板 225
18.3.7 交换机板 225
18.3.8 键控 228
18.4 PXI Express 229
18.4.1 PXI Express系统模块和插槽 229
18.4.2 PXI Express系统定时模块和插槽 230
18.4.3 PXI Express外设模块和插槽 231
18.4.4 PXI Express混合外设插槽 232
18.4.5 混合插槽兼容PXI-1外设模块 233
18.4.6 PXIe和CPCIe的互操作性 233
第十九章 PC/104 235
19.1 PC/104系列概览 235
19.2 PC/104 235
19.2.1 ISA总线连接器 235
19.2.2 PC/104模块混合堆叠 236
19.3 PC/104-Plus和PCI-104 237
19.3.1 PCI总线连接器 237
19.3.2 PC/104-Plus模块混合堆叠 238
19.3.3 PCI设备路由 238
19.4 PCI/104-Express和PCIe/104 239
19.4.1 PCIe/104连接器 239
19.4.2 PCIe x16链路拆分 240
19.4.3 多种模块混合堆叠 241
19.5 EBX和EBX Express 243
19.6 EPIC和EPIC Express 243
第二十章 ETX&XTX 244
20.1 ETX模块 244
20.1.1 ETX连接器 244
20.1.2 ETX连接器引脚定义 244
20.1.3 新增可选SATA接口 246
20.2 XTX 247
20.2.1 XTX连接器引脚定义 247
第二十一章 COM EXPRESS 248
21.1 COM Express概述 248
21.2 COM Express模块机械规格 248
21.2.1 COMe散热器 248
21.3 系统连接器 249
21.4 R2.1电气规格 250
21.4.1 R2.1功能概览 250
21.4.2 Type10和Type1连接器引脚定义（对比） 250
21.4.3 Type 2 ~ Type 6连接器引脚定义（对比） 252
21.5 R3.0电气规格 258
21.5.1 R3.0功能概览 258
21.5.2 多选功能优先顺序 259
21.5.3 R2.1版和R3.0版的差异 259
21.5.4 R3.0版Type6和Type7的差异 260
21.5.5 R3.0版三种规格引脚定义 261
21.6 PCI Express链路配置 265
21.6.1 COMe连接器上B1链路配置 265
21.6.2 Type6连接器上B3、B4链路配置 265
21.6.3 Type7的链路配置与限制 266
21.7 输入电源 266
21.7.1 输入电源时序 267
第二十二章 QSEVEN 268
22.1 模块机械尺寸 268
22.1.1 QSeven散热器 268
22.1.2 可选功能接口位置 269
22.2 功能概览 269
22.3 Qseven连接器 269
22.4 连接器引脚定义 270
第二十三章 SMARC 272
23.1 SMARC模块机械尺寸 272
23.1.1 SMARC模块高度 272
23.1.2 SMARC模块散热器 272
23.2 连接器 273
23.3 SMARC模块功能概览 273
23.4 连接器引脚定义 274

出版背景

当前已出版的计算机类书籍多数是应用层的图书，比如主讲Windows操作系统、介绍Office操作软件、PhotoShop教程、编程语言教学等等。介绍计算硬件的书籍较少。能找到的介绍计算机硬件的图书，又多数是在讲早已淘汰了很多年的8086/8088和一些非常基础的知识。很难找到那种与时俱进、拿来就能用得到的最新计算机硬件技术类图书。本书正好填补了这一空白。
现如今科技水平高度发达，人工智能无处不在。而人工智能主要是依靠计算机控制。在人工智能即将取代相当一部分人的工作的情况下，也产生了许多新的工作机会。比如智能机器人及相关设备的设计、编程、维修、维护等等。倒逼大量人群急需提升自身专业水平。本书紧贴社会需要，适时为大家提供最实用、最前沿、最适用的专业技术知识。适于广大在职员工自学，也可作为大学生实践参考或作为教辅材料。