«САРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Факультет информационных технологий и электроники Кафедра вычислительной и информационной техники В.А. Павлов Периферийные устройства ЭВМ. Часть 1. Состав и ...»

Конвейеризацию обращений к памяти иллюстрирует рис. 2.32, где сравниваются обращения к памяти PCI и AGP. При не конвейеризированных обращениях PCI во время реакции памяти на запрос шина простаивает. Конвейерный доступ AGP позволяет в это время передавать следующие запросы, а потом получить плотный поток ответов (самих передаваемых данных).

Рис. 2.32. Циклы обращения к памяти PCI и AGP Спецификация AGP предусматривает возможность постановки в очередь до 256 запросов, но при конфигурировании РnР уточняются реальные возможности конкретной системы (у памяти все-таки возможности ограничены). AGP поддерживает две пары очередей для операций записи и чтения памяти с высоким и низким приоритетом. В процесс передачи данных любого запроса может вмешаться следующий запрос, в том числе и запрос в режиме PCI.

Сдвоенные передачи данных обеспечивают при частоте тактирования шины в 66 МГц пропускную способность до 532 Мбайт/с, что для 32-битной шины (4 байта) несколько неожиданно:

66,6x4=266. В AGP кроме «классического» режима, называемого теперь «х1», в котором за один такт синхронизации передается один 4-байтный блок данных, имеется возможность работы в режиме «х2»

когда блоки данных передаются как по фронту, так и по спаду сигнала синхронизации (как и в шине АТА Ultra DMA-33). Управление передачей в таком режиме названо SideBand Control (сокращенно — приставка SB к имени сигнала). Заказать режим х2 может только графическая карта, если, конечно, она его поддерживает. В перспективе ожидается переход на тактовую частоту 100 МГц и, следовательно, повышение пропускной способности до 800 Мбайт/с.

Демультиплексирование (разделение) шины адреса и данных сделано несколько необычным образом. В идеале демультиплексирование подразумевает наличие двух полноразрядных шин — адреса и данных. Однако реализация такого варианта была бы слишком дорогой. Поэтому шину адреса в демультиплексированном режиме представляют 8 линий SBA (SideBand Address), по которым за три такта синхронизации передаются четыре байта адреса, длина запроса (1 байт) и команда ( байт). За каждый такт передаются по два байта — один по фронту, другой по спаду тактового сигнала.

Поддержка демультиплексированной адресации не является обязательной для карты с портом AGP, но хост-конроллер, естественно, должен ее поддерживать. Альтернативой такому способу подачи адреса является обычный - по мультиплексированной шине AD.

Таким образом, AGP может реализовать всю пропускную способность 64-битной основной памяти компьютера на процессоре Pentium и старше. При этом возможны конкурирующие обращения к памяти со стороны процессора и со стороны мостов шин PCI.

Порт AGP может работать как в своем «естественном» режиме с конвейеризацией и сдвоенными передачами, так и в режиме шины PCI. В конвейеризированном режиме, в котором начало цикла отмечается сигналом PIPE#, возможны только обращения к памяти. В режиме PCI циклы начинаются с сигнала FRAME# и обращения возможны как к пространству памяти, так и пространству ввода/вывода и конфигурационному пространству. Слот AGP является достаточным для подключения дисплейного адаптера (это не расширение, как, например, VLB). Кроме собственно AGP, в него заложены и сигналы шины USB, которую предполагается заводить в монитор. Внешне карты с портом AGP похожи на PCI, но у них используется разъем повышенной плотности с «двухэтажным» (как у EISA) расположением ламелей, и сам разъем располагается несколько дальше от задней кромки платы, чем разъем PCI.

Фирма Intel ввела поддержку AGP в чипсеты для процессоров Pentium Pro и Pentium II, поскольку его конвейерный режим близок по духу режиму системной шины этих процессоров. Однако нет противопоказаний и против применения AGP для процессоров класса Pentium.

AGP строился исключительно исходя из нужд графического акселератора. Порт позволяет работать в двух режимах — режиме DMA и режиме исполнения (Executive Mode). В режиме DMA акселератор при вычислениях рассматривает свой локальный буфер как первичную память, а когда ее объема недостаточно, подкачивает данные из основной памяти, используя быстрый канал AGP. При этом для трафика порта характерны длительные последовательные (блочные) передачи. В режиме исполнения локальный буфер и основная память для акселератора равнозначны и располагаются в едином адресном пространстве. Такой режим работы акселератора с памятью называется DIME (Direct Memory Execute). Для этого режима трафик порта будет насыщен короткими произвольными запросами.

Надо заметить, что многие преимущества AGP носят потенциальный характер и могут быть реализованы лишь при встречной поддержке как со стороны аппаратных средств графического адаптера, так и со стороны программного обеспечения. Пиковая пропускная способность AGP на самом деле не вершина — в графических адаптерах с WRAM или RDRAM внутренняя скорость обмена данными акселератора с видеопамятью достигает 1,6 Гбайт/с, так что DIME привлекает только объёмом доступной памяти.

2.6.6. Шины PCMCIA (PC Card) Организация PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association — международная ассоциация производителей карт памяти для персональных компьютеров) ввела ряд стандартов на шины расширения блокнотных компьютеров. Первый из них и назывался PCIMCIA, а впоследствии был переименован в стандарт PC Card. Шина PC Card позволяет подключать расширители памяти, модемы, контроллеры дисков и стриммеров, SCSI-адаптеры, сетевые адаптеры и др. Недостаточно строгое следование производителей этому стандарту приводит к некоторым проблемам совместимости. Назначение контактов разъема шины приведено в табл. 2.8. Шина адресует 64 Мбайт памяти, разрядность данных 16 бит, частота до 33 МГц, DMA и Bus-Mastering не поддерживаются. Теоретически допускается до 4080 слотов PC Card в PC. Шина ориентирована на программное конфигурирование адаптеров (переключатели на таких маленьких картах не помещаются). Большинство адаптеров выпускается с поддержкой РnР и предусматривает возможность горячего подключения-отключения — интерфейсные карты могут вставляться и выниматься без выключения PC. Для обеспечения горячего подключения контакты шин питания имеют большую длину, чем сигнальные, чем обеспечивается их упреждающее подключение и запаздывающее отключение. Два контакта обнаружения карты (Card Detect) короче остальных. Все устройства имеют свою BIOS-поддержку. Несмотря на возможность динамического конфигурирования, в некоторых случаях при изменении конфигурации требуется перезагрузка системы.

Таблица 2.8. Разъем шины PC Card (PCMCIA) Различают 3 типа PC Card. Электрически идентичные, они различаются по габаритам и совместимы снизу вверх (меньшие адаптеры встают в большие гнезда). Адаптер типа 1 имеет размеры 5485 мм и толщину не более 3,3 мм, типа 2 — размеры 4875 мм и толщину 5 мм, типа 3 толщину 10,5 мм (однако HDD типа 3 имеет толщину 13 мм!).

Все устройства PC Card имеют минимальное энергопотребление. Существуют предпосылки для введения этой шины как дополнительной и в настольные PC.

Шина CardBus с тем же 68-контактным разъемом обеспечивает расширение разрядности данных до 32 бит за счет мультиплексирования шины адреса и данных, обеспечивая обратную совместимость с PC Card.

Для карт памяти (динамической, статической, постоянной и флэш-памяти) существует стандарт Miniature Card, представляющий подмножество шины PC Card. Миниатюрная карта размером 33х38х3,5 мм с 60-контактным разъемом через переходный адаптер может устанавливаться и в слот PC Card типа 2.

Контрольные вопросы 1. Дайте определение аппаратного интерфейса. Каковы его функции? Чем объясняется наличие интерфейсов различных рангов?

2. В чем особенности передачи информации в параллельном интерфейсе?

3. Сравните скорость передачи при синхронной и асинхронной организации интерфейсов.

4. Перечислите основные топологические схемы соединения устройств. Как в них организуется логическая связь между конкретными устройствами?

5. Что следует понимать под средой интерфейса? Дайте сравнительную характеристику различным средам и укажите области их использования.

6. Какие схемы усилителей-приемников и усилителей-передатчиков могут быть использованы для одно- и двунаправленных линий?

7. Каково назначение арбитража? Как он реализуется в И-41, МПИ?

8. Перечислите шины расширения персональных компьютеров типа IBM PC.

9. Основные отличия ISA, EISA и PC-104.

10. Отличия шин PCI и AGP.

11. Особенности шины PCMCIA.

2.7. Малые интерфейсы периферийных устройств Группа малых интерфейсов (ранга И4) обеспечивает подключение ПУ к контроллерам;

требования, предъявляемые к малым интерфейсам, могут существенно различаться в зависимости от особенностей ПУ. Интерфейсы ПУ со специализированными контроллерами; конструктивно объединенными с самим ПУ не унифицируют, при этом устройство подключается непосредственно к системному интерфейсу. Если же контроллер предназначен для управления несколькими ПУ, то малый интерфейс унифицируют, что позволяет уменьшить номенклатуру контроллеров (посредством контроллеров одного типа можно подключать к ЭВМ различные типы ПУ) и использовать одни и те же ПУ в различных типах вычислительных систем.

Функции управления ПУ разбиваются на два уровня — непосредственного управления механизмами и аппаратурой ПУ, осуществляемого схемами местного управления, и преобразования алгоритмов обмена системного и малого интерфейсов, реализуемого контроллером (выполняющим функции адаптера). Наиболее характерными примерами малых интерфейсов могут служить интерфейсы накопителей на магнитных дисках (НМД) для подключения к групповым контроллерам, интерфейсы параллельный ИРПР и последовательный ИРПС для подключения дисплеев, печатающих устройств, а также интерфейсы для подключения терминалов (стыки). Для унификации контроллеров малых ЭВМ часто использовали «системный интерфейс малых ЭВМ» (SCSI), предназначенный для подключения основных типов ПУ. Малые интерфейсы во многих случаях должны обеспечивать удаление ПУ на значительные расстояния.

2.7.1. Малые интерфейсы мини - и микроЭВМ.

Ниже рассмотрены наиболее распространенные в мини- и микроЭВМ малые интерфейсы, обладающие наибольшей степенью унификации — ИРПР, ИРПС и С2.

ИРПР — параллельный, радиальный, асинхронный симплексный интерфейс (зарубежный аналог – BS 4421) — служит для подключения сравнительно медленных ПУ. Интерфейс унифицирован физически и имеет несколько модификаций логической организации. Линии интерфейса являются однонаправленными и связывают один приемник (П) и один передатчик—источник (И). Функции приемника и источника могут выполняться как контроллером, так и ПУ. Интерфейс обеспечивает возможность параллельной передачи не более 16 бит.

Состав и назначение линий. В обозначениях линий присутствует индекс И или П, означающий, что источником сигнала на данной линии является передатчик (И) или приемник (П); если индекс отсутствует, то источником сигнала является передатчик. Часть линий необязательна. Сигнал Г-И (готовность источника) свидетельствует о готовности источника к работе. Сигнал Г-П (готовность приемника) передается источнику и информирует его о готовности приемника к приему информации.

Сигнал строба СТР формируется источником и служит для стробирования информации на линиях передачи данных D(0-15). Сигнал 3-П (запрос приемника) свидетельствует о готовности принять очередной квант информации от источника. Кроме перечисленных могут использоваться линии КР (0для сопровождения младшего и старшего передаваемых байт контролем по четности; С-П (1-8) для передачи источнику информации о состоянии приемника по окончании операции; С-И (1—8) для передачи управляющей информации приемнику (например, способа контроля, числа передаваемых бит по линиям Д и т.д.). Предусмотрены также линии экрана и 0В (нуль) для создания замкнутой цепи передачи сигналов.

Обмен данными осуществляется в жестко обусловленном режиме «запрос - ответ». Все сигналы определяются на стороне устройства – задатчика. Устройство – исполнитель компенсирует время выполнения операции задержкой ответных сигналов. Взаимосвязь сигналов при выполнении обмена данными, инициируемого источником по сигналу Г-И, показана на рис. 2.33.

Среда интерфейса. В интерфейсе принята инверсная логика. В источнике используются усилители с открытым коллектором с уровнями логической единицы 0-0,4 В и логического нуля 2.4-5.25 В.

Усилители в приемнике воспринимают уровни сигнала 0-0,8 В в качестве логической единицы, а 2,5в качестве логического нуля. Длина кабеля не должна превышать 15 м.

Существует несколько модификаций логической организации интерфейса для подключения устройств ввода с перфолент (ИРПР-ПЛ), видеотерминалов (ИРПР-ВТ), устройств печати (ИРПР-ПЧ) и т.д., которые отличаются наличием или отсутствием контроля передаваемой информации, длиной передаваемого слова и назначением отдельных сигналов С-И (1-8) и С-П(1-8 ).

Рис. 2.33. Взаимосвязь сигналов при обмене ИРПС — последовательный радиальный асинхронный дуплексный интерфейс (зарубежный аналог - Current loop (CL)) служит для подключения к контроллерам асинхронных ПУ. Для ИРПС установлены наборы сигналов, алгоритмы обмена, временные соотношения и требования к физической реализации. В ИРПС организована передача сигналов по принципу токовой петли 20 мА (или 40 мА) по двухпроводной линии связи; допускается использование отдельной линии взаимосвязи, указывающей на состояние ПУ. Передача информации осуществляется асинхронным способом в соответствии с форматом, приведенном на рис. 2.3,6. Стартовый бит соответствует отсутствию тока;

число информационных бит составляет 5, 7 или 8; допускается бит контроля по четности, число стоповых бит - 1; 1,5 или 2. В интервале между передачей знаков или слов цепи должны находиться в состоянии единицы (наличие тока 20 мА в цепи). Если ПУ предназначено для приема, то цепь передачи остается разомкнутой. Ток в цепи взаимосвязи означает готовность приемника, а его отсутствие - что приемник не готов к приему нового кванта информации.

Интерфейс ИРПС обеспечивает возможность передачи информации со скоростью 9600 бит/с на расстояние до 500 м. Двухпроводная линия цепи передачи тока выполняется в виде витой пары.

Стык С2. В сетях ЭВМ и системах телеобработки при подключении ЭВМ и терминалов к аппаратуре передачи данных (АПД) используются унифицированные интерфейсы-стыки (С).

Наиболее распространенным является стык С2, цепи которого регламентируются ГОСТ 18145-81 и рекомендациями V.24 МККТТ; стык С2 является аналогом интерфейса RS-232C. Стандартом определены скорости передачи данных, типы и число контактов разъема, электрические параметры приемников и передатчиков, виды соединений и процедурные условия.

Стык С2 применяется при синхронной и асинхронной передачах данных по некоммутируемым и коммутируемым каналам связи. Он содержит две группы линий — цепи общего назначения (серия 100) и цепи автоматического установления соединения (серия 200).

Цепи серии 100, общее число которых составляет 36, по назначению могут быть разбиты на четыре категории: заземления, данных, управления и синхронизации. Действия сигналов в этих цепях зависят от основных состояний оконечного оборудования данных (ООД) и аппаратуры передачи данных (АПД) — ВКЛЮЧЕНО и ВЫКЛЮЧЕНО. Несмотря на большое число цепей стыка, данные через него передаются последовательно: для передачи данных в АПД предусмотрена цепь 103, для приема данных — цепь 104. Кроме того, предусмотрены цепи 118 и 119 для организации передачи по обратному каналу с целью проверки принятого сообщения. Для управления передачей служат следующие цепи: ЗАПРОС ПЕРЕДАЧИ (цепь 105), формируемый в ООД и запрашивающий ГОТОВНОСТЬ АПД к следующему циклу; ГОТОВ К ПЕРЕДАЧЕ (цепь 106), подтверждающий готовность АПД к следующему циклу передачи; АПД ГОТОВА (цепь 107), сигнализирующий о готовности АПД к работе; ТЕРМИНАЛ ГОТОВ (цепь 108), подтверждающий готовность ООД к работе; ИНДИКАТОР ВЫЗОВА (цепь 125), указывающий на получение в АПД вызова от удаленного абонента. Кроме того, в С2 предусмотрены цепи управления обратным каналом. Синхронизация передаваемых данных осуществляется сигналами по цепям 113 и 114 (синхронизация элементов принимаемого сигнала). Остальные цепи служат для задания скорости передачи данных, синхронизации, передачи информации о качестве принимаемых сигналов по каналу связи и т.п.

Цепи серии 200 используются при автоматическом вызове удаленных абонентов и обеспечивают заземление, передачу цифровых данных и знаков управления набором, а также управление АПД при выполнении автоматического набора.

В зависимости от конкретного типа ООД и АПД могут быть использованы не все цепи стыка, поэтому указание на стык С2 еще не означает возможности подключения любых АПД. Стандарт определяет электрические параметры сигналов. Так, состояние «0» в передатчике определяется уровнем от +5 до +15 В, а в приемнике выше +ЗВ; состояние «1» в передатчике соответствует уровню от -5 до - 15В, а в приемнике ниже — 3В. Существует вариант стыка С2-ИС, в котором логической «1» соответствует уровень сигнала ниже — 0,3В, а логическому «0»-выше +0,3 В.

Посредством стыка С2 можно подключить ПУ к контроллеру ЭВМ и без использования АПД и каналов связи. Следует при этом иметь в виду, что поскольку АПД выполняет функцию коммутации приема и передачи сообщения, то при непосредственном подключении ПУ к контроллеру через стык С2 необходимо цепь 103 стыка на стороне ПУ соединить с цепью 104 стыка на стороне контроллера, а цепь 103 стыка со стороны ПУ — с цепью 104 на стороне контроллера.

2.7.2. Внешние интерфейсы персональных компьютеров.

Данный раздел посвящен внешним интерфейсам, позволяющим расширять функциональные возможности компьютера, подключая к нему разнообразное периферийное оборудование, и обеспечивать коммуникации с другими компьютерами. Здесь описаны традиционные интерфейсы (LPT-, СОМ-, GAME- и MIDI-портов), интерфейсы дисковых накопителей, клавиатуры, видеомониторов, шины SCSI, USB и FireWire а также вспомогательные интерфейсы l2C и JTAG.

2.7.2.1. Параллельный интерфейс: LPT-порт Порт параллельного интерфейса был введен в PC для подключения принтера — отсюда и пошло его название LPT-порт (Line PrinTer — построчный принтер). Хотя через этот же порт подключается и большинство лазерных принтеров, которые по принципу действия не построчные, а постраничные, название «LPT» закрепилось основательно. Связь LPT-порта с принтером осуществляется по интерфейсу Centronics.

2.7.2.1.1. Интерфейс Centronics Понятие Centronics относится как к набору сигналов и протоколу взаимодействия, так и к 36контактному разъему, устанавливаемому на принтерах. Назначение сигналов приведено в табл.2.9, а временные диаграммы обмена с принтером - на рис.2.34.

Таблица 2.9.. Сигналы интерфейса Centronics Сигнал I/O* Контакт Назначение Strobe# I 1 Строб данных. Данные фиксируются по низкому уровню сигнала Data [0:7] I 2-9 Линии данных. Data 0 (контакт 2) — младший бит Ack# O 10 Acknowledge — импульс подтверждения приема байта (запрос на прием Busy O 11 Занято. Прием данных возможен только при низком уровне сигнала PaperEnd O 12 Высокий уровень сигнализирует о конце бумаги Select O 13 Сигнализирует о включении принтера (обычно в принтере соединяется Auto LF# I 14 Автоматический перевод строки. При низком уровне принтер, получив Error# O 32 Ошибка: конец бумаги, состояние OFF-Line или внутренняя ошибка Init# I 31 Инициализация (сброс в режим параметров умолчания, возврат к началу Sict In# I 36 Выбор принтера (низким уровнем). При высоком уровне принтер не GND - 19-30 33 Общий провод интерфейса * I/O задает направление (вход/выход) применительно к принтеру.

Рис. 2.34. Передача данных по протоколу Centronics Интерфейс Centronics поддерживается большинством принтеров с параллельным интерфейсом, его отечественным аналогом является интерфейс ИРПР-М. Относительно близким родственником интерфейса Centronics является и интерфейс ИРПР, имеющий следующие отличия:

· Линии данных инвертированы.

· Протокол квитирования несколько иной.

· Ко всем входным линиям (на принтере) подключены пары согласующих резисторов: 220 Ом к питанию +5 В и 330 Ом к общему проводу. Это позволяет использовать длинные кабели, но перегружает большинство интерфейсных адаптеров PC.

· Сигнал ошибки (и конца бумаги) отсутствует.

Интерфейс ИРПР может быть программно реализован через обычный LPT-порт, но для устранения перегрузки выходных линий согласующие резисторы из принтера желательно удалить.

Порт, перегруженный по выходу, может преподносить самые неожиданные сюрпризы (естественно, только неприятные и трудно диагностируемые).

2.7.2.1.2. Традиционный LPT-порт Традиционный (стандартный) порт SPP (Standard Parallel Port) является однонаправленным портом, на базе которого программно реализуется протокол обмена Centronics. Порт обеспечивает возможность вырабатывания запроса аппаратного прерывания по импульсу на входе АСК#. Сигналы порта выводятся на разъем DB-25S (розетка), установленный непосредственно на плате адаптера (или системной плате) или соединяемый с ней плоским шлейфом. Название и назначение сигналов разъема порта (табл. 2.10) соответствуют интерфейсу Centronics.

Таблица 2.10. Разъем стандартного LPT-порта 18-25 10,12,14, 16 18,20, 22, 24,26 - I/O задает направление передачи (вход/выход) сигнала порта. O/I обозначает выходные линии, состояние которых считывается при чтении из соответствующих портов вывода; O(I) — выходные линии, состояние которых может быть считано только при некоторых особых условиях (см. ниже).

** Показаны биты регистров управления (CR), состояния (SR) и данных (DR). Символом «\» отмечены инвертированные сигналы (1 в регистре соответствует низкому уровню линии).

*** Вход Ack# соединен резистором (10 кОм) с питанием +5 В.

Стандартный порт имеет три 8-битных регистра, расположенных по соседним адресам в пространстве ввода/вывода, начиная с базового адреса порта (BASE).

Запрос аппаратного прерывания (обычно IRQ7 или IRQ5) вырабатывается по отрицательному перепаду сигнала на выводе 10 разъема интерфейса (АСК#) при установке CR.4=1. Во избежании ложных прерываний контакт 10 соединен резистором с шиной +5 В. Прерывание вырабатывается, когда принтер подтверждает прием предыдущего байта.

Процедура вывода байта по интерфейсу Centronics через стандартный порт включает следующие шаги (в скобках приведено требуемое количество шинных операций процессора):

· Вывод байта в регистр данных (1 цикл IOWR#).

· Ввод из регистра состояния и проверка готовности устройства (бит SR.7 - сигнал BUSY). Этот шаг зацикливается до получения готовности или до срабатывания программного тайм-аута (минимум 1 цикл IORD#).

· По получении готовности выводом в регистр управления устанавливается строб данных, а следующим выводом строб снимается (2 цикла IOWR#). Обычно для того, чтобы переключить только один бит (строб), регистр управления предварительно считывается, что добавляет еще один цикл IORD#.

Из описания этой процедуры видно, что для вывода одного байта требуется по меньшей мере 4- операций ввода/вывода с регистрами порта (это в лучшем случае, когда готовность обнаружена по первому чтению регистра состояния). Отсюда и главный недостаток при выводе через стандартный порт — невысокая скорость обмена при значительной загрузке процессора. Стандартный порт удается разогнать лишь до скоростей порядка 100-150 Кбайт/с при полной загрузке процессора, что сегодня уже явно недостаточно для печати на лазерный принтер. Другой недостаток — функциональный — сложность использования в качестве порта ввода.

Стандартный порт сильно асимметричен — при наличии 12 линий (и бит), нормально работающих на вывод, на ввод работает только 5 линий состояния. Если необходима симметричная двунаправленная связь, на всех стандартных портах работоспособен режим полубайтного обмена — Nibble Mode. В этом режиме, называемым также и Hewlett Packard Bi-tronics, одновременно передаются 4 бита данных, пятая линия используется для квитирования. Таким образом, каждый байт передается за два цикла, а каждый цикл требует по крайней мере тех же пяти операций ввода/вывода, что нужны для вывода по протоколу Centronics.

2.7.2.1.3. Расширения параллельного порта Недостатки стандартного порта частично устраняли новые типы портов, появившихся в компьютерах семейства PS/2.

Двунаправленный порт 1 (Type l parallel port) — интерфейс, введенный с PS/2. Такой порт кроме стандартного режима может работать в режиме ввода или двунаправленном. Протокол обмена формируется программно, а для указания направления передачи в регистр управления порта введен специальный бит: при CR.5=0 буфер данных работает на вывод, при CR.5=1 — на ввод. Иногда этот порт, называемый также enhanced bi-directional, путают с ЕРР, но это совершенно различные спецификации. Данный тип порта прижился и в обычных (не PS/2) компьютерах.

Порт с прямым доступом к памяти (Type 3 DMA parallel port) применялся в PS/2 моделей 57, 90, 95. Этот тип был введен для повышения пропускной способности и разгрузки процессора при выводе на принтер. Программе, работающей с данным портом, требовалось только задать блок данных в памяти, подлежащих выводу, и вывод по протоколу Centronics производился без участия процессора.

Несколько позже появились и другие адаптеры LPT-портов, реализующие протокол обмена Centronics аппаратно — Fast Centronics, некоторые из них использовали FIFO-буфер данных — Parallel Port FIFO Mode. He будучи стандартизованными, такие порты разных производителей требовали использования собственных специальных драйверов. Многие программы, использующие прямое управление регистрами портов, «не догадывались» о возможностях их более эффективного использования. Такие порты часто входили в состав мультикарт с шиной VLB, существуют их варианты и с шиной ISA, а также установленные непосредственно на системной плате.

2.7.2.1.4. Стандарт IEEE 1284- Стандарт на параллельный интерфейс IEEE 1284, принятый в 1994 году, определяет термины SPP, ЕРР и ЕСР. Стандарт определяет 5 режимов обмена данными, метод согласования режима, физический и электрический интерфейсы. Согласно IEEE 1284, возможны следующие режимы обмена данными через параллельный порт:

· Compatibility Mode — однонаправленный (вывод) по протоколу Centronics. Этот режим соответствует стандартному (традиционному) порту SPP.

· Nibble Mode — ввод байта в два цикла (по 4 бита), используя для приема линии состояния. Этот режим обмена может использоваться на любых адаптерах.

· Byte Mode — ввод байта целиком, используя для приема линии данных. Этот режим работает только на портах, допускающих чтение выходных данных (Bi- Directional или PS/2 Type 1).

· ЕРР (Enhanced Parallel Port) Mode — двунаправленный обмен данными, при котором управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно во время цикла обращения к порту (чтения или записи в порт). Эффективен при работе с устройствами внешней памяти, адаптерами локальных сетей.

· ЕСР (Extended Capability Port) Mode — двунаправленный обмен данными с возможностью аппаратного сжатия данных по методу RLE (Run Length Encoding) и использования FIFO-буферов и DMA. Управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно. Эффективен для принтеров и сканеров.

В современных АТ-машинах с LPT-портом на системной плате режим порта — SPP, ЕРР, ЕСР или их комбинация задается в BIOS Setup. Режим Compatibility Mode, как это и следует из его названия, полностью соответствует вышеописанному стандартному порту SPP. Остальные режимы более подробно будут рассмотрены ниже.

Физический и электрический интерфейс.

Стандарт IEEE 1284 определяет физические характеристики приемников и передатчиков сигналов. Спецификации стандартного порта не задавали типов выходных схем, предельных значений величин нагрузочных резисторов и емкостей, вносимых цепями и проводниками. На относительно невысоких скоростях обмена различие этих параметров, как правило, не вызывало проблем совместимости. Однако расширенные режимы (функционально и по скорости передачи) требуют более четких спецификаций. IEEE 1284 определяет два уровня интерфейсной совместимости. Первый уровень (Level 1) определен для устройств, не претендующих на высокоскоростные режимы обмена, но использующих возможности смены направления передачи данных. Второй уровень (Level II) определен для устройств, работающих в расширенных режимах, с высокими скоростями и длинными кабелями. К передатчикам предъявляются следующие требования:

· Уровни сигналов без нагрузки не должны выходить за пределы -0,5... +5,5 В.

· Уровни сигналов при токе нагрузки 14 мА должны быть не ниже +2,4 В для высокого уровня (VOH) и не выше +0,4 В для низкого уровня (VOL) на постоянном токе.

· Выходной импеданс RO, измеренный на разъеме, должен составлять 50(±)5 Ом на уровне VOHVOL. Для обеспечения заданного импеданса в некоторых случаях используют последовательные резисторы в выходных цепях передатчика. Согласование импеданса передатчика и кабеля снижает уровень импульсных помех.

· Скорость нарастания (спада) импульса должна находиться в пределах 0,05-0,4 В/нс.

Требования к приемникам:

· Допустимые пиковые значения сигналов -2,0...+7,0 В (выдерживаемые без разрушений и ошибок в работе).

· Пороги срабатывания должны быть не выше 2,0 В (VIH) для высокого уровня и не ниже 0,8 В (VIL) для низкого.

· Приемник должен иметь гистерезис в пределах 0,2-1,2 В (гистерезисом обладают специальные микросхемы — триггеры Шмидта, у обычных логических микросхем его нет).

· Входной ток микросхемы (втекающий и вытекающий) не должен превышать 20 мкА, входные линии соединяются с шиной питания +5 В резистором 1,2 кОм.

· Входная емкость не должна превышать 50 пФ.

Когда появилась спецификация ЕСР, фирма Microsoft (!) рекомендовала применение динамических терминаторов на каждую линию интерфейса. Однако в настоящее время лучше следовать спецификации IEEE 1284, в которой динамические терминаторы не применяются.

Рекомендованные схемы входных, выходных и двунаправленных цепей приведены на рис. 2.35.

Стандарт IEEE 1284 определяет и три типа используемых разъемов. Типы A (DB-25) и В (Centronics-36) используются в традиционных кабелях подключения принтера, тип С — новый малогабаритный 36-контактный разъем.

Интерфейсные кабели, традиционно используемые для подключения принтеров, обычно имеют от 18 до 25 проводников, в зависимости от числа проводников цепи GND. Эти проводники могут быть как перевитыми, так и нет. К экранированию кабеля жестких требований не предъявлялось. Такие кабели вряд ли будут надежно работать на скорости передачи 2 Мбайт/с и при длине более 2 метра.

Стандарт IEEE 1284 регламентирует и свойства кабелей:

· Все сигнальные линии должны быть перевитыми с отдельными обратными (общими) проводами.

· Каждая пара должна иметь импеданс 62(±)6 Ом в частотном диапазоне 4-16 МГц.

· Уровень перекрестных помех между парами не должен превышать 10%.

· Кабель должен иметь экран (фольгу), покрывающий не менее 85% внешней поверхности. На концах кабеля экран должен быть окольцован и соединен с контактом разъема.

Рис. 2.35. Оконечные цепи линий интерфейса IEEE 1284:

а — однонаправленные линии, б — двунаправленные Кабели, удовлетворяющие этим требованиям, маркируются надписью «IEEE Std 1284- Compliant». Они могут иметь длину до 10 метров, обозначения типов приведены в табл. 2.11.

Таблица 2.11. Типы кабелей IEEE 1284- AC Type A Male —Type С Plug-- новый кабель к А (вилка) С Режимы передачи данных Стандарт IEEE 1284 определяет пять режимов обмена, один из которых полностью соответствует традиционному стандартному программно-управляемому выводу по протоколу Centronics. Остальные режимы используются для расширения функциональных возможностей и повышения производительности интерфейса. Стандарт определяет способ согласования режима, по которому программное обеспечение может определить режим, доступный и хосту (в нашем случае это PC), и периферийному устройству (или присоединенному второму компьютеру).

Режимы нестандартных портов, реализующих протокол обмена Centronics аппаратно («Fast Centronics», «Parallel Port FIFO Mode»), могут и не являться режимами IEE1284, несмотря на наличие в них черт ЕРР и ЕСР.

При описании режимов обмена фигурируют следующие понятия:

· Хост — компьютер, обладающий параллельным портом.

· ПУ — периферийное устройство, подключаемое к этому порту (им может оказаться и другой компьютер). В обозначениях сигналов Ptr обозначает передающее периферийное устройство.

· Прямой канал — канал вывода данных от хоста в ПУ.

· Обратный канал — канал ввода данных в хост из ПУ.

Полубайтный режим ввода — Nibble Mode Режим полубайтного обмена является наиболее общим решением задачи двунаправленного обмена данными, поскольку может работать на всех стандартных (традиционных) портах. Все эти порты имеют 5 линий ввода состояния, используя которые периферийное устройство может посылать в PC байт тетрадами (nibble — полубайт, 4 бита) за два приема. К сожалению, сигнал АСК#, вызывающий прерывание, которое может использоваться в данном режиме, соответствует биту 6 регистра состояния, что усложняет программные манипуляции с битами при сборке байта. Назначение сигналов порта приведено в табл. 2.12, временные диаграммы — на рис. 2.36.

Таблица 2.12. Сигналы LPT-порта в полубайтном режиме ввода Контакт Сигнал SPP I/O Использование сигнала при приеме данных в Nibble Mode 14 AUTOFEED# O HostBusy — сигнал квитирования. Низкий уровень означает готовность к приему тетрады, высокий подтверждает прием тетрады 17 SELECTING O Высокий уровень указывает на обмен в режиме IEEE 1284 (в 10 АСК# I PtrClk. Низкий уровень означает действительность тетрады, Рис. 2.36. Прием данных в Nibble Mode Прием байта данных в полубайтном режиме состоит из следующих фаз:

1. Хост сигнализирует о готовности приема данных установкой низкого уровня на линии HostBusy.

2. ПУ в ответ помещает тетраду на входные линии состояния.

3. ПУ сигнализирует о действительности тетрады установкой низкого уровня на линии PtrCLk.

4. Хост устанавливает высокий уровень на линии HostBusy, указывая на занятость приемом и обработкой тетрады.

5. ПУ отвечает установкой высокого уровня на линии PtrClk.

6. Шаги 1-5 повторяются для второй тетрады.

Полубайтный режим является способом приема данных с самой большой загрузкой процессора, и поднять скорость обмена выше 50 Кбайт/с практически не удается. Безусловное его преимущество в том, что он работает на всех портах. Его применяют в тех случаях, когда прием данных от устройства производится в небольших объемах (например, для связи с принтерами). Однако использование Nibble Mode для связи с адаптерами локальных сетей, внешними дисковыми накопителями и CD-ROM требует от пользователя определенной выдержки пользователя.

Двунаправленный байтный режим Byte Mode Данный режим обеспечивает прием данных с использованием двунаправленного порта, у которого выходной буфер данных может отключаться установкой бита CR.5=1. Как и в стандартном и в полубайтном режиме, данный режим является программно-управляемым — все сигналы квитирования анализируются и устанавливаются программным драйвером. Назначение сигналов порта приведено в табл. 2.13, временные диаграммы — на рис. 2.37.

Таблица 2.13. Сигналы LPT-порта в байтном режиме ввода/вывода Конт Сигнал SPP Имя в Byte I/O Описание 1 STROBE» HostClk O Импульс (низкого уровня) подтверждает прием байта в 14 AUTOFEED# HostBusy O Сигнал квитирования. Низкий уровень означает 17 SELECTING 1284Active O Высокий уровень указывает на обмен в режиме IEEE 12 PE AckDataReq* I Устанавливается ПУ для указания на наличие обратного 15 ERRORS DataAvai'Uf* I Устанавливается ПУ для указания на наличие обратного 2-9 DATA[7:0] DATA[7:0] I/O Двунаправленный (прямой и обратный) канал данных *Сигналы действуют в последовательности согласования (см. ниже).

Рис. 2.37. Прием данных в Byte Mode Прием байта данных в байтном режиме состоит из следующих фаз:

1. Хост сигнализирует о готовности приема данных установкой низкого уровня на линии HostBusy.

2. ПУ в ответ помещает байт данных на линии DATA[7:0].

3. ПУ сигнализирует о действительности байта установкой низкого уровня на линии PtrCLk.

4. Хост устанавливает высокий уровень на линии HostBusy, указывая на занятость приемом и обработкой байта.

5. ПУ отвечает установкой высокого уровня на линии PtrCLk.

6. Хост подтверждает прием байта импульсом HostClk.

7. Шаги 1-6 повторяются для каждого следующего байта.

Побайтный режим позволяет поднять скорость обратного канала до скорости прямого канала в стандартном режиме. Однако работать он может только на двунаправленных портах, которые применяются в основном лишь на малораспространенных машинах PS/2.

Протокол ЕРР (Enhanced Parallel Port — улучшенный параллельный порт) был разработан задолго до принятия IEEE 1284 компаниями Intel, Xircom и Zenith Data Systems. Он предназначен для повышения производительности обмена по параллельному порту. ЕРР был реализован в чипсете Intel 386SL (микросхема 82360) и впоследствии принят множеством компаний как дополнительный протокол параллельного порта. Версии протокола, реализованные до принятия IEEE 1284, немного отличались от нынешнего стандарта.

Протокол ЕРР обеспечивает четыре типа циклов обмена:

· Цикл записи данных.

· Цикл чтения данных. 4Цикл записи адреса. · Цикл чтения адреса.

Назначение циклов записи и чтения данных ясно из их названия. Адресные циклы могут быть использованы для передачи адресной, канальной и управляющей информации. Циклы обмена данными явно отличаются от адресных циклов применяемыми стробирующими сигналами.

Назначение сигналов порта ЕРР и их связь с сигналами SPP приведены в табл. 2.14.

Таблица 2.14. Сигналы LPT-порта в режиме ввода/вывода ЕРР Конт Сигнал SPP Имя в ЕРР I/O Описание акт 14 AUTOFEED# DATASTB# O Строб данных. Низкий уровень устанавливается в циклах 17 SELECTIN# ADDRSTB# O Строб адреса. Низкий уровень устанавливается в 11 BUSY WAIT# I Сигнал квитирования. Низкий уровень разрешает начало 2-9 D[8:0] AD[8:0] I/O Двунаправленная шина адреса/данных 12 РЕ AckDataReq* I Используется по усмотрению разработчика периферии 13 SELECT Xflag* I Используется по усмотрению разработчика периферии 15 ERROR# DataAvail* I Используется по усмотрению разработчика периферии * Сигналы действуют в последовательности согласования (см. ниже).

ЕРР-порт имеет расширенный набор регистров (табл. 2.15), который занимает в пространстве ввода/вывода 5-8 смежных байт.

Таблица 2.15. Регистры ЕРР- порта Имя регистра Смеще Режим R/W Описание SPP Data Port +0 SPP/EPP W Регистр данных стандартного порта SPP Status Port +1 SPP/EPP R Регистр состояния стандартного порта SPP Control Port +2 SPP/EPP W Регистр управления стандартного порта EPP Address Port +3 EPP R/W Регистр адреса ЕРР. Чтение или запись в него генерирует EPP Data Port +4 EPP R/W Регистр данных ЕРР. Чтение (запись) генерирует связанный цикл чтения (записи) данных ЕРР Not Defined +5...+7 EPP N/A В некоторых контроллерах могут использоваться для 16битных операций ввода/вывода В отличие от программно-управляемых режимов, описанных выше, внешние сигналы ЕРР-порта (как информационные, так и сигналы квитирования) для каждого цикла обмена формируются аппаратно по одной операции записи или чтения в регистр порта. На рис. 2.38 приведена диаграмма цикла записи данных, иллюстрирующая внешний цикл обмена, вложенный в цикл записи системной шины процессора (иногда эти циклы называют связанными). Адресный цикл записи отличается от цикла данных только используемым стробом внешнего интерфейса.

Цикл записи данных состоит из следующих фаз:

1. Программа выполняет цикл записи (lOWR#) в порт 4 (ЕРР Data Port).

2. Адаптер устанавливает сигнал Write# (низкий уровень), и данные помещаются на выходную шину LPT-порта.

3. При низком уровне WAIT# устанавливается строб данных.

4. Порт ждет подтверждения от ПУ (перевода WAIT# в высокий уровень).

5. Снимается строб данных - внешний ЕРР-цикл завершается.

6. Завершается процессорный цикл ввода/вывода.

7. ПУ устанавливает низкий уровень WAIT#, указывая на возможность начала следующего цикла.

Рис. 2.38. Никл записи данных ЕРР Пример адресного цикла чтения приведен на рис. 2.39, цикл чтения данных отличается только применением другого стробирующего сигнала. После объяснения цикла записи эти типы циклов особых пояснений не требуют.

Рис. 2.39. Адресный цикл чтения ЕРР Главной отличительной чертой ЕРР является выполнение внешней передачи во время одного процессорного цикла ввода/вывода. Это позволяет достигать высоких скоростей обмена (0,5- Мбайт/с).. Периферийное устройство может регулировать длительность всех фаз обмена с помощью всего лишь одного сигнала WAIT#.

Протокол ЕСР (Extended Capability Port — порт с расширенными возможностями) был предложен фирмами Hewlett Packard и Microsoft как прогрессивный режим связи с периферией типа принтеров и сканеров. Как и ЕРР, данный протокол обеспечивает высокопроизводительный двунаправленный обмен данными хоста с периферийными устройствами.

Протокол ЕСР в обоих направлениях обеспечивает два типа циклов:

· Циклы записи и чтения данных.

· Командные циклы записи и чтения.

Командные циклы подразделяются на два типа: передача канальных адресов и счетчика RLC (Run-Length Count).

В отличие от ЕРР вместе с протоколом ЕСР сразу появился и стандарт на программную (регистровую) модель реализации его адаптера, изложенный в документе «The IEEE 1284 Extended Capabilities Port Protocol and ISA Interface Standard» компании Microsoft. Этот документ определяет специфические свойства реализации протокола, не заданные стандартом IEEE 1284:

· компрессия данных хост-адаптером по методу RLE;

· буферизация FIFO для прямого и обратного каналов;

· применение DMA и программного ввода/вывода.

Компрессия в реальном времени по методу RLE (Run-Length Encoding) позволяет достичь коэффициента сжатия до 64:1 при передаче растровых изображений, которые обычно имеют длинные строки повторяющихся байт. Естественно, компрессию можно использовать, только если ее поддерживает и хост, и периферийное устройство.

Канальная адресация ЕСР применяется для адресации множества логических устройств, входящих в одно физическое. Например, в комбинированном устройстве факс/принтер/модем, подключаемом только к одному параллельному порту, возможен одновременный прием факса и печать на принтере. В режиме SPP, если принтер установит сигнал занятости, канал будет занят ожидающими данными, пока принтер их не примет. В режиме ЕСР программный драйвер просто адресуется к другому логическому каналу того же порта.

Как и в других режимах 1284, протокол ЕСР переопределяет сигналы SPP (табл. 2.16).

Таблица 2.16. Сигналы LPT-порта в режиме ввода/вывода ЕСР Контакт Сигнал SPP Имя в ЕСР I/O Описание 14 AUTOFEED# HostAck O Индицирует тип команда/данные при передаче в 17 SELECTIN# 1284Active O Высокий уровень указывает на обмен в режиме 16 INIT# ReverseRequest# O Низкий уровень переключает канал на передачу в 12 PE AckReverse# I Переводится в низкий уровень как подтверждение 15 ERROR# PeriphRequest#* I Устанавливается ПУ для указания на доступность 2-9 Data[0:7] Data[0:7] I/O Двунаправленный канал данных * Сигналы действуют в последовательности согласования (см. ниже).

Адаптер ЕСР тоже генерирует внешние протокольные сигналы квитирования аппаратно, но его работа существенно отличается от режима ЕРР.

На рис. 2.40, а приведена диаграмма двух циклов прямой передачи: за циклом данных следует командный цикл. Тип цикла задается уровнем на линии HostAck: в цикле данных — высокий, в командном цикле — низкий. В командном цикле байт может содержать канальный адрес или счетчик RLE. Отличительным признаком является бит 8 (старший): если он нулевой, то биты 1-7 содержат счетчик RLE (0-127), если единичный — то канальный адрес. На рис. 2.40, б приведена пара циклов обратной передачи.

Прямая передача данных на внешнем интерфейсе состоит из следующих шагов:

1. Хост помещает данные на шину канала и устанавливает признак цикла данных (высокий уровень) или команды (низкий уровень) на линии HostAck.

2. Хост устанавливает низкий уровень на линии HostClk, указывая на действительность данных.

3. ПУ отвечает установкой высокого уровня на линии PeriphAck.

4. Хост устанавливает высокий уровень линии HostClk, и этот перепад может использоваться для фиксации данных в ПУ.

5. ПУ устанавливает низкий уровень на линии PeriphAck для указания на готовность к приему следующего байта.

Рис. 2.40. Передача в режиме ЕСР: а — прямая, б — обратная Поскольку передачи в ЕСР разделены FIFO-буферами, которые могут присутствовать на обеих сторонах интерфейса, важно понимать, на каком этапе данные можно будет считать переданными.

Данные считается переданными на шаге 4, когда линия HostClk переходит в высокий уровень. В этот момент модифицируются счетчики переданных и принятых байт. В протоколе ЕСР есть условия, вызывающие прекращение обмена между шагами 3 и 4, и тогда эти данные не должны рассматриваться как переданные.

Из рис. 2.40 видно и другое отличие ЕСР от ЕРР. Протокол ЕРР позволяет драйверу чередовать циклы прямой и обратной передачи, не запрашивая подтверждения на смену направления. В ЕСР смена направления должна быть согласована: хост запрашивает реверс установкой ReverseRequest#, после чего он должен дождаться его подтверждения сигналом AckReverse#. Только после этого возможна передача данных в другом направлении. Поскольку предыдущий цикл мог выполняться по прямому доступу, драйвер должен дождаться завершения прямого доступа или прервать его, выгрузить обратно буфер FIFO, определив точное значение счетчика переданных байт, и только после этого запрашивать реверс.

Обратная передача данных состоит из следующих шагов:

1. Хост запрашивает изменение направления канала, устанавливая низкий уровень на линии ReverseRequest#.

2. ПУ разрешает смену направления установкой низкого уровня на линии Ack-Reverse#.

3. ПУ помещает данные на шину канала и устанавливает признак цикла данных (высокий уровень) или команды (низкий уровень) на линии PeriphAck.

4. ПУ устанавливает низкий уровень на линии PeriphClk, указывая на действительность данных.

5. Хост отвечает установкой высокого уровня на линии HostAck.

6. ПУ устанавливает высокий уровень линии PeriphClk, и этот перепад может использоваться для фиксации данных хостом.

7. Хост устанавливает низкий уровень на линии HostAck для указания на готовность к приему следующего байта.

Режимы и регистры ЕСР-порта Программный интерфейс и регистры ЕСР для адаптеров IEEE 1284 определяет спецификация Microsoft. Согласно этой спецификации определены режимы (табл. 2.17), в которых может функционировать адаптер. Эти режимы задаются полем Mode регистра ECR (биты [7:5]).

Регистровая модель адаптера ЕСР (табл. 2.18) использует свойства архитектуры стандартной шины и адаптеров ISA, согласно которой для дешифрации адреса портов ввода/вывода использовались только 10 младших линий шины адреса. Старшие линии игнорируются, поэтому обращения по адресам, например, Port, Port+400h, Port+800h... будут восприниматься как обращения к адресу Port, лежащему в диапазоне 0-3FFh. Современные PC и адаптеры декодируют большее количество адресных бит, поэтому обращения по адресам, например, 0x378h и 0x778h будет адресованы двум различным регистрам. Помещение дополнительных регистров ЕСР «за спину»

регистров стандартного порта (смещение 400-402h) преследует две цели: во-первых, эти адреса никогда не использовались традиционными адаптерами и их драйверами, и их использование для ЕСР не приведет к стеснению доступного адресного пространства ввода/вывода. Во-вторых, этим обеспечивается совместимость со старыми адаптерами на уровне режимов 000-001 и возможность определения присутствия ЕСР-адаптера попыткой обращения к его расширенным регистрам.

Таблица 2.17. Режимы ЕСР-порта 001 Bi-directional mode (Byte Двунаправленный порт (типа 1 для PS/2) 010 Fast Centronics Однонаправленный с использованием FIFO и 100 EPP Parallel Port mode* Перевод в режим EPP 111 Configuration mode Доступ к конфигурационным регистрам * Этот режим не входит в спецификацию Microsoft, но трактуется как EPP контроллером SMC FDC37C665/666 и многими другими контроллерами 1284.

Каждому режиму ЕСР соответствуют (и доступны) свои функциональные регистры.

Переключение режимов осуществляется записью в регистр ECR. «Дежурными» режимами, включаемыми по умолчанию, являются режимы 000 или 001. В любом из них работает полубайтный режим ввода (Nibble Mode). Из этих режимов всегда можно переключиться в любой другой, но из старших режимов (010-111) переключение возможно только в 000 или 001. Для корректной работы интерфейса перед выходом из старших режимов необходимо дождаться завершения обмена по прямому доступу и опустошения FIFO-буфера.

Таблица 2.18. Регистры ЕСР * Регистры доступны только в указанных режимах (режим задается битами 7-5 регистра ECR).

Когда порт находится в стандартном или двунаправленном режимах (режимы 000 и 001), первые три регистра полностью совпадают с регистрами стандартного порта. Таким образом обеспечивается совместимость драйвера со старыми адаптерами и старых драйверов с новыми адаптерами.

По интерфейсу с программой ЕСР-порт напоминает ЕРР: после установки режима (записью кода в регистр ECR) обмен данными с устройством сводится к операциям чтения или записи в соответствующие регистры. За состоянием (заполнением) FIFO-буфера наблюдают либо по опросу (чтением регистра ECR), либо по обслуживанию сервисных прерываний от порта. Весь протокол квитирования генерируется адаптером аппаратно. Обмен данными с ЕСР-портом кроме явного программного возможен и по прямому доступу к памяти (каналу DMA), что эффективно при передаче больших блоков данных.

Развитие стандарта IEEE Кроме основного стандарта IEEE 1284, который по состоянию на 1997 год уже был принят, в стадии проработки находились новые стандарты, не отменяющие его, а определяющие дополнительные возможности. К ним относятся:

IEEE P1284.1 «Standard for Information Technology for Transport Independent Printer/Scanner Interface (TIP/SI)». Этот стандарт разрабатывался для управления и обслуживания сканеров и принтеров на основе протокола NPAP (Network Printing Alliance Protocol).

IEEE P1284.2 «Standard for Test, Measurement and Conformance to IEEE Std. 1284» — стандарт для тестирования портов, кабелей и устройств на совместимость с IEEE 1284.

IEEE P1284.3 «Standard for Interface and Protocol Extensions to IEEE Std. 1284 Compliant Peripheral and Host Adapter Ports» — стандарт на драйверы и использование устройств прикладным программным обеспечением. Были приняты спецификации BIOS для использования ЕРР драйверами DOS. Прорабатывался стандарт на разделяемое использование одного порта цепочкой устройств или группой устройств, подключаемых через мультиплексор.

IEEE P1284.4 «Standard for Data Delivery and Logical Channels for IEEE Std. 1284 Interfaces». Этот стандарт направлен на реализацию пакетного протокола достоверной передачи данных через параллельный порт. Исходной точкой был принят протокол MLC (Multiple Logical Channels) фирмы Hewlett-Packard, однако совместимость с ним в окончательной версии стандарта не гарантировалась.

2.7.2.2. Последовательные интерфейсы.

2.7.2.2.1. Последовательный порт (СОМ-порт) Последовательный интерфейс для передачи данных в одну сторону использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. Такой способ передачи и определяет название интерфейса и порта, его реализующего. Эти названия соответствуют английским терминам Serial Interface и Serial Port. Последовательная передача данных может осуществляться как в асинхронном, так и синхронном режимах.

При асинхронной передаче каждому байту предшествует старт-бит, сигнализирующий приемнику о начале очередной посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит паритета (контроля четности). Завершает посылку стоп-бит, гарантирующий определенную выдержку между соседними посылками (рис. 2.41). Старт-бит следующего посланного байта может посылаться в любой момент после окончания стоп-бита, то есть между передачами возможны паузы произвольной длительности. Старт-бит, имеющий всегда строго определенное значение (лог. 0), обеспечивает простой механизм синхронизации приемника по сигналу от передатчика.

Рис. 2.41. Формат асинхронной передачи Подразумевается, что приемник и передатчик работают на одной скорости обмена, измеряемой в количестве передаваемых бит в секунду. Внутренний генератор синхронизации приемника использует счетчик-делитель опорной частоты, обнуляемый в момент приема начала старт-бита. Этот счетчик генерирует внутренние стробы, по которым приемник фиксирует последующие принимаемые биты. В идеале эти стробы располагаются в середине битовых интервалов, что обеспечивает возможность приема данных и при некотором рассогласовании скоростей приемника и передатчика. Нетрудно заметить, что при передаче 8 бит данных, одного контрольного и одного стоп-бита предельно допустимое рассогласование скоростей, при котором данные будут распознаны верно, не может превышать 5%. С учетом фазовых искажений (затянутых фронтов сигнала) и дискретности работы внутреннего счетчика синхронизации реально допустимо меньшее отклонение частот. Чем меньше коэффициент деления опорной частоты внутреннего генератора (читай: чем выше частота передачи), тем больше погрешность привязки стробов к середине битового интервала, и, следовательно, требования к согласованности частот более строгие. Также, чем выше частота передачи, тем больше влияние искажений фронтов на фазу принимаемого сигнала. Такое «дружное» действие этих двух факторов приводит к повышению требований согласованности частот приемника и передатчика с ростом частоты обмена.

Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 и 115200 бит/с. Иногда вместо единицы измерения «бит/с»

используют «бод» (baud) (в честь изобретателя телеграфного аппарата Боде), но в данном случае, при рассмотрении двоичных передаваемых сигналов, это некорректно. В бодах принято измерять частоту изменения состояния линии, а при недвоичном способе кодирования (широко применяемом в современных модемах) в одном и том же канале связи скорости передачи бит (бит/с) и изменения сигнала (бод) могут отличаться в несколько раз.

Количество бит данных может составлять 5, 6, 7 или 8 (5- и 6-битные форматы малораспространены). Количество стоп-бит может быть 1, 1,5 и 2 («полтора бита» подразумевает, естественно, только длительность стопового интервала).

Асинхронный обмен в PC реализуется с помощью СОМ-порта с использованием протокола RSC.

Синхронный режим передачи предполагает постоянную активность канала связи. Посылка начинается с синхробайта, за которым вплотную следует поток информационных байт. Если у передатчика нет данных для передачи, он заполняет паузу непрерывной посылкой байтов синхронизации. Очевидно, что при передаче больших массивов данных накладные расходы на синхронизацию в данном режиме обмена будут ниже, чем в асинхронном. Однако в синхронном режиме необходима внешняя синхронизация приемника с передатчиком, поскольку даже малое отклонение частот приведет к быстро накапливающейся ошибке и искажению принимаемых данных.

Внешняя синхронизация возможна либо с помощью отдельной линии для передачи сигнала синхронизации, либо с использованием самосинхронизирующего кодирования данных (например, манчестерский код или NRZ совместно с логическим групповым кодированием), при котором на приемной стороне из принятого сигнала могут быть выделены и импульсы синхронизации. В любом случае синхронный режим требует либо дорогих линий связи, либо дорогого оконечного оборудования (а может, и того и другого). Для PC существуют специальные платы — адаптеры SDLC (довольно дорогие), поддерживающие синхронный режим обмена. Они используются в основном для связи с большими машинами (mainframes) IBM и в настоящее время мало распространены (их вытеснили менее дорогие и более эффективные средства коммуникаций – сетевые адаптеры). Из синхронных адаптеров в настоящее время чаще применяются адаптеры интерфейса V.35.

Последовательный интерфейс на физическом уровне может иметь различные реализации, различающиеся способами передачи электрических сигналов. Существует ряд родственных международных стандартов: RS-232C, RS-423A, RS-422A и RS-485. На рис. 2.42 приведены схемы соединения приемников и передатчиков и показаны их ограничения на длину линии (L) и максимальную скорость передачи данных (V).

Рис. 2.42. Стандарты последовательного интерфейса Несимметричные линии интерфейсов RS-232C и RS-423A имеют самую низкую защищенность от синфазной помехи, хотя дифференциальный вход приемника RS-423A несколько смягчает ситуацию. Лучшие параметры имеет двухточечный интерфейс RS-422A и его магистральный (шинный) родственник RS-485, работающие на симметричных линиях связи. В них для передачи используются дифференциальные сигналы, распространяющиеся по отдельной (витой) паре проводов.

Наибольшее распространение в PC получил простейший из этих - стандарт RS-232C. В промышленной автоматике широко применяется RS-485, а также RS-422A, встречающийся и в некоторых принтерах. Существуют относительно несложные преобразователи сигналов для согласования всех этих родственных интерфейсов.

2.7.2.2.1.1. Интерфейс RS-232C Интерфейс RS-232C предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные (ООД — оконечное оборудование данных или АПД — аппаратура передачи данных), к оконечной аппаратуре каналов данных (АКД). В роли АПД может выступать компьютер, принтер, плоттер и другое периферийное оборудование. Этой аппаратуре соответствует аббревиатура DTE — Data Terminal Equipment. В роли АКД обычно выступает модем, этой аппаратуре соответствует аббревиатура DCE — Data Communication Equipment. Конечной целью подключения является соединение двух устройств DTE, полная схема соединения приведена на рис. 2.43. Интерфейс позволяет исключить канал удаленной связи вместе с парой устройств DTE (модемов), соединив устройства непосредственно с помощью нуль-модемного кабеля (рис. 2.44).

Стандарт описывает управляющие сигналы интерфейса, пересылку данных, электрический интерфейс и типы разъемов. Стандарт описывает асинхронный и синхронный режимы обмена, но СОМ-порты поддерживают только асинхронный режим. Функционально RS-232C эквивалентен стандарту МККТТ V.24/ V.28 и стыку С2, но они имеют различные названия одних и тех же используемых сигналов.

Рис. 2.43. Полная схема соединения по RS-232C Рис. 2.44. Соединение по RS-232C нуль-модемным кабелем Электрический интерфейс Стандарт RS-232C использует несимметричные передатчики и приемники — сигнал передается относительно общего провода — схемной земли (симметричные дифференциальные сигналы используются в других интерфейсах — например, RS-422). Интерфейс НЕ ОБЕСПЕЧИВАЕТ ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКИ устройств. Логической единице соответствует уровень напряжения на входе приемника в диапазоне -12...-3 В. Для линий управляющих сигналов это состояние называется ON («включено»), для линий последовательных данных называется MARK. Логическому нулю соответствует напряжение в диапазоне +3...+12 В. Для линий управляющих сигналов это состояние называется OFF («выключено»), для линий последовательных данных называется SPACE.

Между уровнями -3...+3 В имеется зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника:

состояние линии будет считаться измененным только после пересечения соответствующего порога (рис. 2.45). Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах -12...-5 В и +5...+ В для представления единицы и нуля соответственно. Разность потенциалов между схемными землями (SG) соединяемых устройств должна быть менее 2 В, при более высокой разности потенциалов возможно неверное восприятие сигналов.

Интерфейс предполагает наличие ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ для соединяемых устройств, если они оба питаются от сети переменного тока и имеют сетевые фильтры Подключение и отключение интерфейсных кабелей устройств с автономным питанием то есть, не питающихся от интерфейса, как, например, принтер, должно производиться при отключении питания.

В противном случае разность не выровненных потенциалов устройств в момент коммутации (присоединения или отсоединения разъема) может оказаться приложенной к выходным или входным (что опаснее) цепям интерфейса и вывести из строя микросхемы (в незаземленных устройствах с сетевыми фильтрами напряжение на корпусе может достигать половины величины напряжения сетевого питания). Устройства, питающиеся от линий интерфейса, например манипулятор "мышь", можно отсоединять от разъемов без выключения питания компьютера.

Рис. 2.45. Прием сигналов RS-232C Для интерфейса RS-232C специально выпускаются буферные микросхемы приемников (с гистерезисом) и передатчиков двуполярного сигнала. При несоблюдении правил заземления и коммутации включенных устройств они обычно являются первыми (хорошо, если единственными) жертвами «пиротехнических» эффектов. Иногда их устанавливают в «кроватках», что сильно облегчает замену. Цоколевка популярных микросхем формирователей сигналов RS-232C приведена на рис. 2.46. (среди отечественных микросхем подобные функции выполняют: приемник - К170УП2;

передатчик – К170АП2). Часто буферные схемы входят прямо в состав интерфейсных БИС. Это удешевляет изделие, экономит место на плате, но в случае аварии обычно оборачивается крупными финансовыми потерями. Вывести из строя интерфейсные микросхемы замыканием сигнальных цепей маловероятно, поскольку ток короткого замыкания передатчиков обычно ограничен на уровне 20 мА.

Рис. 2.46. Формирование сигналов RS-232C: а — приемник 1489 (А — вход RS-232, С — управление гистерезисом (ТТЛ), Y — выход ТТЛ); б — передатчик 1488 (А, В — входы ТТЛ, Y — выход RS-232, VDD = +12 В, VEE = -12 В); а — таблица состояния выходов передатчика (*1 В=лог. 1) Стандарт RS-232C регламентирует типы применяемых разъемов, что обеспечивает высокий уровень совместимости аппаратуры различных производителей.

На аппаратуре DTE (в том числе, и на СОМ-портах PC) принято устанавливать вилки (male папа») DB25P или более компактный вариант - DB9P. Девятиштырьковые разъемы не имеют контактов для дополнительных сигналов, необходимых для синхронного режима (в большинстве 25штырьковых разъемов эти контакты также не используются).

На аппаратуре DCE (модемах) устанавливают розетки (female — «мама») DB25S или DB9S.

Это правило предполагает, что разъемы DCE могут подключаться к разъемам DTE непосредственно (если позволяет геометрия конструктива) или через переходные «прямые» кабели с розеткой и вилкой, у которых контакты соединены «один в один». Переходные кабели могут являться и переходниками с 9 на 25-штырьковые разъемы (рис. 2.47).

Рис. 2.47. Кабели подключения модемов Если аппаратура DTE соединяется без модемов, то разъемы устройств (вилки) соединяются между собой нуль-модемным кабелем (Zero-modem или Z-modem), имеющим на обоих концах розетки, контакты которых соединяются перекрестно по одной из схем, приведенных на рис. 2.48.

Рис. 2.48. Нуль-модемный кабель: а —минимальный, б—полный кабель Если на каком-либо устройстве DTE (принтер, плоттер, дигитайзер) установлена розетка - это почти стопроцентный признак того, что к другому устройству (компьютеру) оно должно подключаться прямым кабелем, аналогичным кабелю подключения модема. Розетка устанавливается обычно на тех устройствах, у которых удаленное подключение через модем не предусмотрено (или бессмысленно, как, например, у дигитайзера).

В табл. 2.19 приведено назначение контактов разъемов СОМ-портов (и любой другой аппаратуры DTE).

Таблица 2.19. Разъемы и сигналы интерфейса RS-232C 1* — шлейф 8-битных мультикарт. 2* — шлейф 16-битных мультикарт и портов на системных платах.

3* — вариант шлейфа портов на системных платах. 4* — широкий шлейф к 25-контактному разъему.

Назначение контактов разъема DB25S определено стандартом EIA/TIA - 232-Е, разъем DB9S определен стандартом EIA/ TIA-574. У модемов (DCE) название цепей и назначение контактов, естественно, совпадает, но роли сигналов (вход-выход) меняются на противоположные.

Подмножество сигналов RS-232C, относящихся к асинхронному режиму, рассмотрим с точки зрения СОМ-порта PC, являющегося по терминологии RS-232C терминалом данных (DTE). Следует помнить, что активному состоянию сигнала («включено») и логической единице передаваемых данных соответствует отрицательный потенциал (ниже -3 В) сигнала интерфейса, а состоянию «выключено»

и логическому нулю — положительный (выше +3 В). Назначение сигналов интерфейса приведено в табл. 2.20.

Таблица 2.20. Назначение сигналов интерфейса RS-232C Сигнал Назначение PG Защитная земля, соединяется с корпусом устройства и экраном кабеля SG Сигнальная (схемная) земля, относительно которой действуют уровни сигналов TD Последовательные данные — выход передатчика RD Последовательные данные — вход приемника RTS Выход запроса передачи данных: состояние «включено» уведомляет модем о наличии у терминала данных для передачи. В полудуплексном режиме используется для управления направлением — состояние «включено» является сигналом модему на переключение в режим передачи CTS Вход разрешения терминалу передавать данные. Состояние «выключено» аппаратно запрещает передачу данных. Сигнал используется для аппаратного управления потоками DTR Выход сигнала готовности терминала к обмену данными. Состояние «включено»

поддерживает коммутируемый канал в состоянии соединения DSR Вход сигнала готовности от аппаратуры передачи данных (модем в рабочем режиме подключен к каналу и закончил действия по согласованию с аппаратурой на противоположном конце канала) DCD Вход сигнала обнаружения несущей удаленного модема RI Вход индикатора вызова (звонка). В коммутируемом канале этим сигналом модем сигнализирует о принятии вызова Примечание: более подробное описание назначения этих сигналов и сигналов, используемых дополнительно в 25-контактном разъеме, приведено в разделе 9.3.1.6. второй части пособия.

2.7.2.2.2. Интерфейс «токовая петля»

Довольно распространенным вариантом последовательного интерфейса является «токовая петля»

(Мы уже останавливались на нем в разделе 2.7.1). В этом интерфейсе электрическим сигналом является не уровень напряжения относительно общего провода, а ток в двухпроводной линии, соединяющей приемник и передатчик. Обычно логической единице (и состоянию «включено») соответствует протекание тока 20 мА, а логическому нулю — отсутствие тока. Такое представление сигналов для вышеописанного формата асинхронной посылки позволяет обнаруживать состояние обрыва линии — в этом случае приемник обнаружит отсутствие стоп-бита (обрыв линии действует как постоянно присутствующий логический нуль).

Токовая петля обычно предполагает гальваническую развязку входных цепей приемника (оптрона) от схемы устройства. При этом источником тока в петле является передатчик (этот вариант называют активным передатчиком). Возможно и питание от приемника (активный приемник), при этом выходной ключ (оптронный) передатчика может быть также гальванически развязан с остальной схемой передатчика. И, наконец, существуют упрощенные варианты без гальванической развязки, но это уже вырожденный случай интерфейса.

Токовая петля с гальванической развязкой позволяет передавать сигналы на расстояния до единиц километров. Допустимое расстояние определяется сопротивлением пары проводов и уровнем помех. Поскольку этот интерфейс требует пары проводов для каждого сигнала, обычно используют только два сигнала интерфейса. В случае двунаправленного обмена используются только сигналы передаваемых и принимаемых данных, а для управления потоком используется программный метод XON/XOFF. Если двунаправленный обмен не требуется, используют только одну линию данных, а для управления потоком обратная линия используется для сигнала CTS (аппаратный протокол) или встречной линии данных (для программного протокола).

Преобразовать сигналы RS-232C в токовую петлю можно с помощью несложной схемы, приведенной на рис. 2.49. В качестве примера выбрано подключение принтера с токовой петлей к СОМ-порту с аппаратным управлением потоком. Здесь для получения двуполярного сигнала, требуемого для входных сигналов СОМ-порта, применяется питание от интерфейса.

При некоторой «изворотливости» программного обеспечения одной токовой петлей можно обеспечить и двунаправленную полудуплексную связь двух устройств (компьютеров). Спецификой такого соединения является то, что каждый приемник «слышит» как сигналы передатчика на противоположной стороне канала, так и сигналы своего передатчика. Эта ситуация расценивается коммуникационными пакетами (например, классический KERMIT) просто как эхо-сигнал.

Естественно, для безошибочного приема передатчики должны работать только поочередно.

Рис. 2.49. Подключение принтера с интерфейсом «токовая петля» к СОМ –порту 2.7.2.2.3. Инфракрасный интерфейс Применение излучателей и приемников инфракрасного диапазона позволяет осуществлять беспроводные коммуникации между парой устройств, удаленных на расстояние, достигающее одного метра, а иногда даже нескольких метров. Различают инфракрасные системы связи низкой скорости (до 115,2 Кбит/с) средней и высокой, работающие со скоростями 1,152 и 4 Мбит/с соответственно.

Низкоскоростные системы пригодны для обмена короткими сообщениями, высокоскоростные — для обмена файлами между компьютерами, подключения к локальной (или глобальной) сети, вывода информации на принтеры, проекционные аппараты и т. п. В перспективе ожидаются и более высокие скорости обмена, которые позволят передавать даже «живое видео». В 1993 году была создана ассоциация разработчиков систем инфракрасной передачи данных IrDA (Infrared Data Association), призванная обеспечить совместимость оборудования от различных производителей. В настоящее время действует стандарт IrDA 1.1, кроме которого имеются собственные системы фирм Hewlett Packard HP-SIR (Hewlett Packard Slow Infra Red) и ASK (Amplitude Shifted Keyed IR) фирмы Sharp.

Основные (скоростные) характеристики интерфейсов следующие:

· IrDA SIR (Slow Infra Red), HP-SIR - 9,6-115,2 Кбит/с;

· IrDA MIR (Middle Infra Red) - 1,2 Мбит/с;

· IrDA FIR (Fast Infra Red) - 4 Мбит/с;

· Sharp ASK - 9,6-57,6 Кбит/с.

На скоростях до 115,2 Кбит/с для инфракрасной связи используются UART, совместимые с 16450/16550. В современных системных платах на использование инфракрасной связи часто может конфигурироваться порт COM2. В этом случае на переднюю панель компьютера устанавливается внешний приемопередатчик — «инфракрасный глаз», который подключается к разъему IR-Connector системной платы.

На средних и высоких скоростях обмена применяются специализированные микросхемы, ориентированные на интенсивный программно-управляемый обмен или DMA, с возможностью использования прямого управления шиной (Bus Master).

В отличие от других беспроводных систем связи (радиочастотных), инфракрасные излучатели не создают помех в радиочастотном диапазоне и обеспечивают достаточный уровень конфиденциальности связи. ИК-лучи не проходят через стены, и расстояние приема ограничивается небольшим, легко контролируемым пространством. Весьма привлекательно применение инфракрасной технологии для связи портативных компьютеров со стационарными компьютерами или док -станциями (PC Docking), расширяющими их до полноценной настольной конфигурации.

Инфракрасный интерфейс имеют и некоторые модели принтеров.

2.7.2.2.4. Интерфейс MIDI Цифровой интерфейс музыкальных инструментов MIDI (Musical Instrument Digital Interface) является двунаправленным последовательным асинхронным интерфейсом с частотой передачи 31, Кбит/с. Этот интерфейс, разработанный в 1983 году, стал фактическим стандартом для сопряжения компьютеров, синтезаторов, записывающих и воспроизводящих устройств, микшеров, устройств специальных эффектов и другой электромузыкальной техники. В настоящее время интерфейс MIDI имеют и дорогие синтезаторы, и дешевые музыкальные клавиатуры, которые могут использоваться в качестве устройств ввода компьютера.

В интерфейсе применяется токовая петля 10 мА (возможно и 5 мА) с гальванической (оптронной) развязкой входной цепи (напряжение изоляции 100 В). Эта развязка исключает связь «схемных земель» соединяемых устройств через интерфейсный кабель, что устраняет помехи (фон), крайне нежелательные для звуковой техники. Снижению интерференционных помех служит и выбор частоты передачи, которая совпадает с одним из значений частот квантования, принятых в цифровой звукозаписи.

Формат асинхронной посылки содержит старт-бит, 8 бит информации и 1 стоп-бит, контроль четности отсутствует. Старший бит посылки является признаком «команда -данные». Его нулевое значение указывает на наличие семи бит данных в младших разрядах. При единичном значении признака биты [6:4] содержат код команды, а биты [3:0] — адрес приемника. Команды могут быть как адресованными конкретному устройству, так и широковещательными (безадресными). К последней группе относятся команды старта, стопа и отметки времени, обеспечивающие синхронизацию устройств (система синхронизации МТС - MIDI Time Code).

Интерфейс определяет три типа портов: MIDI-IN, MIDI-OUT и MIDI-THRU.

Входной порт MIDI-IN представляет собой вход интерфейса «токовая петля 10 мА», гальванически развязанного от приемника оптроном с быстродействием не хуже 2 мкс. Устройство отслеживает информационный поток на этом входе и реагирует на адресованные ему команды и данные.

Выходной порт MIDI-OUT представляет собой выход источника тока 10 мА, гальванически связанного со схемой устройства. Ограничительные резисторы предохраняют выходные цепи от повреждения при замыкании на землю или источник 5 В. На выход подается информационный поток от данного устройства. В этом потоке может содержаться и транслированный входной поток, но это далеко не всегда так.

Транзитный порт MIDI-THRU служит только для ретрансляции входного сигнала. Его наличие не является обязательным для всех устройств.

В качестве разъемов применяются 5-контактные разъемы DIN, распространенные в бытовой звуковой аппаратуре. На всех устройствах устанавливаются розетки, на кабелях — вилки. Все соединительные кабели MIDI унифицированы (см. схему на рис. 2.50). Согласно правилам подключения, контакт 2 — экран кабеля — соединяется с общим проводом только на стороне передатчика (на разъемах MIDI-OUT и MIDI-THRU). На разъеме MIDI-IN этот контакт свободен.

Рис. 2.50. Соединительные кабели MIDI В маркировке входов и выходов, указанной около разъемов, бывают разночтения. Одни производители считают, что надо писать In или Out в соответствии с функцией разъема данного устройства, и это, пожалуй, правильно: любой кабель будет соединять In и Out. Другие считают, что подпись должна обозначать функцию подключаемого устройства, и тогда кабель будет соединять разъемы с обозначениями In — In и Out — Out. Такая маркировка встречается реже, но и ее следует иметь в виду.

Интерфейс позволяет объединить группу до 16 устройств в локальную сеть. Возможные варианты топологии должны подчиняться главному правилу: вход MIDI-IN одного устройства должен подключаться к выходу MIDI-OUT или MIDI-THRU другого устройства. При планировании MIDIсети необходимо руководствоваться знаниями информационных потоков и связей устройств.

Управляющие устройства — клавиатуры, секвенсоры (в режиме воспроизведения), источники синхронизации — должны находиться, естественно, перед управляемыми. Если устройства нуждаются в двунаправленном обмене, они должны соединяться в кольцо. Возможно применение и специальных устройств-мультиплексоров, позволяющих логически коммутировать множество входных потоков в один выходной. Вырожденным случаем кольца является двунаправленное соединение двух устройств. Несколько вариантов соединения приведены на рис.2.51.

В PC MIDI-порт имеется на большинстве плат звуковых адаптеров, и его сигналы выведены на неиспользуемые контакты (12 и 15) разъема игрового адаптера. При этом для подключения стандартных устройств MIDI требуется переходной адаптер, реализующий интерфейс «токовая петля». Переходной адаптер обычно встраивается в специальный кабель, примерная схема которого приведена на рис. 2.52. Некоторые модели PC имеют встроенные адаптеры и стандартные 5штырьковые разъемы MIDI.

Рис. 2.51. Варианты топологии сети MIDI: а — цепь, б — кольцо с мультиплексором Рис. 2.52. Вариант схемы кабеля-адаптера MIDI В PC для MIDI-порта обычно применяются микросхемы UART, совместимые с MPU401. Эти микросхемы отличаются от обычных UART 8250 или 8251 в основном тем, что имеют регистр адреса устройства. При приеме команды с адресом устройства, совпадающим с заданным в этом регистре (или с широковещательным адресом), вырабатывается запрос аппаратного прерывания. Это позволяет интерфейсу игнорировать команды, не адресованные данному устройству, без привлечения к фильтрации ресурсов процессора. В пространстве ввода/вывода MPU401 занимает два смежных адреса MPU и MPU+1:

По адресу MPU+0 (обычно 330h) расположен регистр данных (R/W);

По адресу MPU+1 — регистр адреса и управления (W) и регистр состояния (R).

На некоторых системных платах применяются БИС контроллеров интерфейсов, в которых UART, используемый для СОМ -порта, конфигурированием через BIOS SETUP может быть переведен в режим MIDI-порта.

2.7.2.3. Игровой адаптер - GAME-порт Интерфейс игрового адаптера занимает особое место в классификации. Он позволяет вводить значения дискретных (4 бита) и аналоговых сигналов (величины сопротивления 4 резисторов).

Изначально порт был предназначен для подключения джойстиков и других игровых устройств ввода (Paddle), но он с успехом может применяться и для подключения более «серьезных» датчиков. Метод измерения сопротивления основан на программном определении длительности импульса, пропорциональной величине сопротивления. Преобразование начинается по выводу любого байта в регистр адаптера (201h), при этом биты 0-3 устанавливаются в единичные значения. Время измеряется до возврата в нулевое состояние бит 0-3, соответствующих четырем аналоговым каналам. Если аналоговый вход закорочен на шину GND или цепь измеряемого сопротивления разорвана, соответствующий бит не обнулится никогда (до аппаратного сброса компьютера). Поэтому во избежание зависания в программе преобразования должен быть предусмотрен механизм тайм-аута.

Для измеряемых сопротивлений в диапазоне 0-100 кОм время определяется по формуле Т(мкс)=24,2+11R(кОм).

Конечно, точность и линейность преобразования невысока, преобразование выполняется не быстро (до 1,12 мс) и сильно загружает процессор. Однако, в отличие от «настоящих» аналогоцифровых преобразователей, этот преобразователь достается даром — игровой адаптер входит в состав практически всех комбинированных плат последовательных и параллельных портов (мультикарт) и звуковых карт.

Порт имеет разъем-розетку DB-15S, назначение выводов и соответствие сигналов битам регистра приведено в табл. 2.21. Резисторы подключаются к шине питания +5 В, кнопки — к шине GND (рис. 2.53). Замыканию кнопок соответствуют нули в битах 5-7. При необходимости аналоговые каналы можно использовать и для дискретного ввода, если их входы подключить к кнопкам, замыкающим их на шину GND, и к резисторам, «подтягивающим» их к уровню + 5 В. Два джойстика (А и В) подключаются через Y-образный переходник-разветвитель. На звуковых картах через разъем «Game» вместе с джойстиками могут подключаться и внешние MIDI-устройства через специальный кабель-адаптер, обеспечивающий гальваническую развязку входного сигнала и ограничение выходного тока (см. рис. 2.52). Для интерфейса MIDI используются контакты 12 и 15, ранее предназначавшиеся для шин GND и +5V. Такое назна чение делает безопасным подключение адаптера MIDI к «чистому» игровому порту и обычного джойстика к игровому порту с сигналами MIDI.

Рис. 2.53. Подключение датчиков к игровому адаптеру Таблица 2.21. Интерфейс игрового адаптера и MIDI 2.7.2.4. Интерфейс клавиатуры Для подключения клавиатуры предназначен последовательный интерфейс, состоящий из двух обязательных сигналов “Данные” (KB-Data) и “Синхронизация” (KB-Clock). Необязательный сигнал “Сброс” (KB-Reset) сбрасывает клавиатуру низким уровнем сигнала. Интерфейс на системной плате XT реализован аппаратной логикой — регистром сдвига, параллельный выход которого подключается ко входам порта А системного интерфейса 8255. По приему байта от клавиатуры логика вырабатывает запрос аппаратного прерывания IRQ1, обработчик которого может прочитать принятый байт из порта 60h. С помощью бит 7 и 6 порта 61h возможна программная блокировка и сброс клавиатуры соответственно. Сброс клавиатуры XT осуществляется принудительным обнулением линии KB-Clock.

Интерфейс клавиатуры AT построен на микроконтроллере i8042, обеспечивающем в отличие от XT двунаправленный интерфейс с клавиатурой. Передача информации к клавиатуре используется для управления индикаторами ее состояния и программирования параметров (автоповтор, набор сканкодов).

Хотя электрический интерфейс клавиатур XT и AT совпадает (за исключением возможности двунаправленного обмена в AT), логические форматы посылок существенно отличаются. Начальный тест (POST) способен производить диагностику клавиатуры, причем подключение клавиатуры неподходящего типа или не подключенную клавиатуру он воспримет как ошибку. Если проверка клавиатуры разрешена в BIOS Setup, то по этой ошибке POST будет сколь угодно долго дожидаться получения кода нажатия клавиши F1.

Контроллер 8042 и клавиатура связаны четырехпроводным экранированным кабелем, включающим линию питания (+5 В), линию заземления, линии сигнала данных и сигнала синхронизации. К системному блоку РС кабель подключается посредством разъема. Вид разъемов клавиатур (со стороны задней панели системного блока) приведены на рис. 2.54, а назначение контактов – в Таблице 2.22.

Рис. 2.54. Разъемы подключения клавиатур XT, AT, PS/2 (вид со стороны контактов) Таблица 2.22 Назначение выводов разъемов клавиатуры.

Конструктивно возможны два варианта разъема — обычная 5-контактная розетка DIN (аналогичная применяемой в бытовой радиоаппаратуре) или малогабаритная розетка mini-DIN, пришедшая от компьютеров семейства PS/2. На этот же разъем через плавкий предохранитель поступает и напряжение питания клавиатуры +5 В. Электрически и логически интерфейс клавиатуры PS/2 повторяет интерфейс клавиатуры AT, поэтому для согласования типа разъема применяют специальные переходники.

Контроллер 8042 и клавиатура взаимодействуют с помощью механизма квитирования, используя линии данных и синхронизации для синхронного последовательного двунаправленного (полудуплексного) интерфейса. Клавиатура обеспечивает синхронизирующий сигнал для передачи данных в каждом из направлений. Упрощенные схемы цепей данных и синхронизации приведены на рис. 2.55.

Клавиатура PC AT передает и принимает данные в 11-разрядном формате. Контроллер автоматически определяет тип клавиатуры по формату данных. Первый разряд - стартовый, за ним следуют восемь информационных разрядов, разряд паритета и стоповый разряд. Посылка данных синхронизируется клавиатурой. В конце передачи контроллер клавиатуры блокирует интерфейс до тех пор, пока система не примет полученный байт. Если байт данных получен с ошибкой паритета, в клавиатуру автоматически отсылается команда RESEND.

Рис. 2.55. Упрощенные схемы цепей данных и синхронизации На рис. 2.56 показаны 11-разрядный формат и пример передачи данных.

Рис. 2.56. 11-разрядные форматы На рис. 2.56 показаны 11-разрядный формат и пример передачи данных.

Примечание: клавиатура сбрасывает стоповый разряд линии данных в конце их посылки для подтверждения передачи.

Временные параметры передачи 11-разрядных данных приведены в таблице 2.23.

Табл. 2.23. Временные параметры передачи данных Синхроимпульсы (минимум) от заднего фронта до заднего фронта 60 мкс Синхроимпульсы (минимум) от заднего фронта до переднего фронта 5 мкс Время передачи (максимум) от переднего фронта до заднего 2 мс Время действительности данных перед задним фронтом синхроимпульса Время действительности данных после заднего фронта синхроимпульса 5 мкс 2.7.2.5. Интерфейс с монитором В традиционной технике цветного телевизионного вещания (PAL, SECAM или NTSC) видеосигнал непосредственно несет информацию о мгновенном значении яркости, а цветовая информация передается в модулированном виде на дополнительных частотах. Таким образом обеспечивается совместимость черно-белого приемника, игнорирующего цветовую информацию, с цветным передающим каналом. Однако для вывода графической информации с высоким разрешением ни одна из вещательных систем не подходит, поскольку они имеют существенно ограниченную полосу пропускания цветовых каналов (т.е. минимальные 35 МГц, недостижимы).

Для графики низкого разрешения, при которой частоты синхронизации были близки к стандартным телевизионным, возможно было использование интерфейса Composite Video. Здесь по одному коаксиальному кабелю (75 Ом) передавался полный стандартный видеосигнал с размахом около 1,5 В. В видеотехнике этот сигнал называют низкочастотным, имея в виду то, что по нему подается прямой, а не модулированный сигнал. Соответствующий ему вход имеется не у каждого телевизора. При наличии дополнительного радиочастотного модулятора RFM (Radio Frequency Modulator) можно было подключаться к антенному входу стандартного телевизионного приемника, но при этом в еще большей степени снижалось реальное разрешение графики. Для композитного интерфейса используют коаксиальные разъемы RCA («колокольчик»), широко применяемые в видеои аудиотехнике.

Для мониторов компьютера при высоком разрешении можно использовать только прямую подачу сигнала на входы видеоусилителей базисных цветов - RGB-вход (Red Green Blue - красный, зеленый и синий).

Первые мониторы, используемые в PC, имели цифровой интерфейс с уровнями ТТЛ (табл. 2.24) — RGB TTL. Для монохромного монитора использовали лишь два сигнала — видео и повышенной яркости. Таким образом, монитор мог отобразить три градации яркости: хотя 22=4, темный пиксел (0, 0) и «темный с повышенной яркостью» неразличимы. В цветных мониторах класса CD (Color Display) имелось по одному сигналу для включения каждого луча и общий сигнал повышенной яркости. Таким образом, можно было задавать уже 16 цветов. Следующий класс — улучшенный цветной дисплей ECD (Enhanced Color Display) имел цифровой интерфейс уже с двумя сигналами на каждый базисный цвет. Эти сигналы двухбитным кодом позволяли задавать одну из 4 градаций интенсивности луча каждого цвета, и общее количество кодируемых цветов достигло 26=64. Сигналы RED, GREEN, BLUE и Red, Green, Blue обозначают соответственно старшие и младшие биты базисных цветов.

Строчная и кадровая синхронизация монитора осуществляется сигналами H.Sync и V.Sync.

Монохромные адаптеры MDA и HGC, работающие с высоким разрешением (720350 пикселов), используют соответственно и высокую частоту развертки. Адаптер CGA работает с низкими частотами (параметры синхронизации близки к телевизионному стандарту). Адаптеры и мониторы EGA могут работать с любыми из этих частот. Для облегчения переключения режимов генератора развертки монитора используют сигнал V.Sync: полярность импульсов определяет диапазон частот развертки текущего видеорежима. Для всех разновидностей интерфейса RGB TTL используется разъем DB-9S.

Таблица 2.24. Цифровой интерфейс монитора (RGB TTL) Контакт Монитор Когда стало ясно, что стремительный прогресс возможностей цветопередачи цифровым интерфейсом не удовлетворить, перешли на аналоговый интерфейс с монитором, перенеся цифроаналоговые преобразователи уровней сигналов базисных цветов из монитора на плату графического адаптера. Такой интерфейс с 8-разрядными ЦАП каждого цвета в настоящее время позволяет выводить 16,7 миллиона цветов (True Color). Этот интерфейс называется RGB Analog, в нем базисные цвета передаются аналоговыми сигналами с отдельными обратными линиями по витым парам.

Черному цвету соответствует нулевой потенциал на линиях всех цветов, полной яркости каждого цвета соответствует уровень +0,7 В. Сигналы управления, состояния и синхронизации передаются сигналами ТТЛ. Впервые аналоговый интерфейс был применен на адаптере PGA фирмы IBM, где для него использовался 9-контактный разъем DB-9S (табл. 2.25). В дальнейшем, начиная с адаптеров VGA, стали применять малогабаритный 15-контактный разъем с таким же внешним размером (табл.

2.26).

Таблица 2.25. Аналоговый интерфейс монитора PGA (разъем DB-9S) Таблица 2.26. Аналоговый интерфейс монитора (RGB Analog) Контакт Видеоадаптер Монитор Сигналы DDC Return, SDA и SCL используются только при поддержке цифрового управления (DDC). При этом контакт 9 может использоваться для питания логики монитора.

Сигнал (H+V)Sync используется при совмещенной синхронизации (Composite Sync).

Таблица 2.27. Переходник 9-15 аналогового интерфейса монитора По назначению сигналов эти интерфейсы в основном совпадают, и существуют даже переходные кабели с 15- на 9-контактные разъемы (табл. 2.27). В адаптере PGA используется совмещенная синхронизация (Composite Sync) сигналом (H+V)Sync., этот режим поддерживают и многие современные мониторы.

Кроме собственно передачи изображения (сигналы цветов и синхронизации), по интерфейсу передают и иную информацию, необходимую для автоматизации согласования параметров и режимов монитора и компьютера. Интересы компьютера в целом представляет плата дисплейного адаптера, к которой и подключается монитор. С ее помощью обеспечивается возможность идентификации монитора, которая необходима для работы системы РnР, и управление энергопотреблением монитора.

Для простейшей идентификации в интерфейс ввели три логических сигнала ID0-ID2, по которым адаптер мог определить тип подключенного монитора (в пределах номенклатуры изделий IBM, см.

табл. 2.28). Со стороны монитора эти линии либо подключались к шине GND, либо оставлялись неподключенными (все та же идея параллельной идентификации, известная и по модулям памяти).

Однако из этой системы идентификации впоследствии использовали лишь сигнал ID1, по которому определяли подключение монохромного монитора. Монохромный монитор может быть опознан адаптером и иначе — по отсутствию нагрузки на линиях Red и Blue. Правда, некоторые многофункциональные цветные мониторы позволяют отключать нагрузочные резисторы, при этом изображение становится ярким и нечетким, появляются горизонтальные эхо-выбросы, а монитор идентифицируется как монохромный, что сопровождается «писком» POST.

Таблица 2.28. Параллельная идентификация мониторов IBM Параллельная идентификация мониторов изжила себя, и ее заменила последовательная по каналу цифрового интерфейса VESA DDC (Display Data Channel). Этот канал (как и канал идентификации новых модулей памяти DIMM) построен на интерфейсе I2C (DDC2B) или ACCESS Bus (DDC2AB), которые используют всего два ТТЛ-сигнала SCL и SDA. Интерфейс DDC1 является однонаправленным — монитор посылает адаптеру блок своих параметров по линии SDA (контакт 12), которые синхронизируются сигналом V.Sync (контакт 14). На время приема блока параметров адаптер может повысить частоту V.Sync до 25 кГц (генератор кадровой развертки по такой высокой частоте синхронизироваться не будет). Интерфейс DDC2 уже является двунаправленным, и для синхронизации используется выделенный сигнал SCL (контакт 15). Интерфейс DDC2AB отличается тем, что подразумевает возможность подключения периферии, не требующей высокой скорости обмена, к компьютеру по последовательной шине ACCESS Bus. При этом внешний разъем шины выносится на монитор (табл. 2.29).

Блок параметров расширенной идентификации дисплея EDID (Extended Display Identification) имеет одну и ту же структуру для любой реализации DDC (табл. 2.30).

Таблица 2.29. Разъем ACCESS Bus (VESA) Таблица 2.30. Блок расширенной идентификации EDID Смещение, байт Длина, байт Назначение Для управления энергопотреблением монитора в соответствии со стандартом VESA DPMS (Display Power Management Signaling) используются сигналы кадровой и строчной синхронизации V.Sync и H.Sync (табл. 2.31).

Таблица 2.31. Управление энергопотреблением монитора (VESA DPMS,) Разъемы, применяемые в современных адаптерах и мониторах SVGA, не предназначены для передачи высокочастотных сигналов. Разумным пределом для них является полоса примерно до МГц, однако для высокого разрешения и высокой частоты регенерации этого может уже оказаться и недостаточно. По этой причине на больших профессиональных мониторах, подразумевающих использование высокого разрешения и высоких частот синхронизации, и соответствующих адаптерах имеются BNC-разъемы для соединения с помощью коаксиальных кабелей.