Текст книги "Аппаратные средства персональных компьютеров"

Параллельный интерфейс

Один из наиболее древних интерфейсов в персональном компьютере – это параллельный интерфейс, или интерфейс принтера. Хотя за многие десятилетия он подвергался неоднократным доработкам, подключить принтер, который использовался с компьютером IBM PC XT, к современному компьютеру вполне возможно, правда, поймет ли этот принтер самая последняя версия Windows, еще неизвестно.

Термин "параллельный интерфейс" означает, что данные от компьютера к принтеру передаются не побитно, а в виде машинных слов – байтов (8 битов). Для каждого разряда байта в кабеле интерфейса предназначен отдельный провод. Кроме того, параллельно данным передается различная служебная информация, например, о готовности принтера к работе или о том, что закончилась бумага.

Для параллельного интерфейса на корпусе компьютера установлен 25-контактный разъем DB-25S (рис. 8.1). Для подключения интерфейсного кабеля к принтеру используется 36-контактный разъем Centronics (рис. 8.2) с плоскими контактами. Длина простого принтерного кабеля не должна превосходить 5 м, а экранированного – 12 м. Максимальная скорость передачи данных по параллельному интерфейсу лежит в диапазоне от 120 до 200 Кбайт/с.

Рис. 8.1. Разъем параллельного интерфейса DB-25 на корпусе компьютера

Рис. 8.2. Разъем параллельного интерфейса Centronics на кабеле принтера

Первоначально стандарт на параллельный интерфейс предусматривал только передачу данных из компьютера в принтер, а также подключение только одного внешнего устройства. А поскольку пользователи часто устанавливают несколько принтеров, например струйный и игольчатый, то в этом случае для переключения интерфейса между принтерами используется обычный галетный переключатель на 25 групп, который монтируется в стальной коробке. Пример подключения двух принтеров к компьютеру показан на рис. 8.3.

Рис. 8.3. Подключение двух принтеров к компьютеру

Сложность установки дополнительных разъемов на корпус персонального компьютера заставила разработчиков взяться за совершенствование параллельного интерфейса. В 1994 г. был принят стандарт IEEE 1284, который определил расширенные возможности параллельного порта. В современном компьютере параллельный порт теперь может работать в нескольких режимах – AT или SPP (Standart Parallel Port)  – стандартный параллельный порт, EPP (Enhanced Parallel Port)  – усовершенствованный параллельный порт и ЕСР (Extended Capability Port)  – параллельный порт с расширенными возможностями.

Спецификация ЕРР была разработана фирмами Zenith и Xircom, чтобы использовать параллельный порт для двунаправленной передачи данных. Подключаемые устройства должны соответствовать стандарту ЕРР, а системная плата – обеспечивать двунаправленную передачу. Максимальная скорость передачи данных по этому стандарту достигает 2 Мбайт/с.

Кроме двунаправленной передачи данных между внешним устройством и процессором, стандарт ЕРР предусматривает возможность передавать блоки данных непосредственно между оперативной памятью и интерфейсом, не занимая ресурсов процессора. В таком режиме используется канал прямого доступа к памяти, который реализуется чипсетом системной платы.

Порт ЕРР полностью совместим со стандартным параллельным интерфейсом. Дополнительно он обладает возможностью подключать без использования каких-либо механических переключателей до 64 периферийных устройств, соединенных в цепочку.

Дальнейшим развитием параллельного интерфейса стала спецификация ЕСР, предложенная корпорациями Microsoft и HP, которая позволила организовать скоростную двунаправленную передачу данных, сжатых по методу RLE (Run Length Encoding). Для повышения производительности используется промежуточный FIFO-буфер емкостью 16 Кбайт. Количество подключаемых периферийных устройств увеличено до 128.

Несмотря на различия между стандартами параллельного порта, для подключения используются одни и те же разъемы. Режим работы переключается в настройках BIOS, где нужно выбрать между вариантами SPP, ЕРР и ЕСР. В настоящее время параллельный порт применяют для подключения различных видов принтеров, сканеров и внешних накопителей, например, приводов ZIP и внешних винчестеров. Также он применяется для соединения двух компьютеров друг с другом, для чего в операционной системе Windows есть стандартная программа связи Прямое кабельное соединение.

В качестве сервисной функции усовершенствованный параллельный порт поддерживает режим Plug and Play, что позволяет операционной системе получить регистрационную информацию от подключенного к нему устройства. Но при подключении старых игольчатых принтеров, которые не поддерживают этот режим, пользователю самому надо указать тип и модель принтера.

У параллельного интерфейса, часто называемого Centronics, наиболее простой алгоритм передачи информации. На рис. 8.4 показана временная диаграмма протокола Centronics.

Рис. 8.4. Временная диаграмма передачи данных протокола Centronics

После подготовки процессором страницы для печати и обмена управляющими командами между принтером и процессором на линии DO —D7 (Данные) интерфейса Centronics выводится первый байт данных. После этого процессор переводит линию STROBE (Данные верны) в состояние логического 0, сообщая принтеру, что данные готовы для дальнейшей обработки принтером. Принтер, получив сигнал о достоверности данных, принимает их и после этого переводит линию ACKNLG (Данные приняты) в состояние логического 0. После получения данных принтером сигналы на линиях STROBE и ACKNLG возвращаются к первоначальному состоянию.

Кроме показанных на рис. 8.4 сигналов, интерфейс Centronics предусматривает еще несколько дополнительных линий, предназначенных для управления принтером:

• BUSY (Принтер не готов)  – этот сигнал появляется, когда принтер не готов к приему данных, например, принтер обрабатывает ранее полученные команды;

• PAPER OUT (Конец бумаги)  – когда в принтере кончается бумага, то принтер выставляет этот сигнал, информируя процессор о своей неготовности принимать данные;

• SELECT (Выбор)  – на эту линию выводится сигнал состояния принтера On-line или Off-ine (управляется кнопкой на панели управления принтером), что позволяет процессору узнать, в каком состоянии принтер;

• AUTO FEED (Автоподача)  – появление этого сигнала требует от принтера после получения сигнал на перевод каретки (CR) автоматически перевести и строку (LF). Данная функция нужна для совместимости принтера с различными операционными системами;

• ERROR (Ошибка)  – сигнал на этой линии появляется при неисправности принтера;

• RESET (Сброс)  – этим сигналом процессор заставляет принтер прекратить обработку любых данных и провести начальную инициализацию, например, очистку головок, перевод каретки в крайнее положение и т. д.;

• SELECT IN (Выбор режима)  – подача процессором команды принтеру о переходе в режим On-line.

Назначение контактов в разъеме DB-25 приведено в табл. 8.1. В столбце "Направление передачи" комментируется назначение соответствующей линии для режима AT. Наличие напряжения +5 В на контактах 18 и 35 разъема Centronics, установленного на принтере, необязательно.

Таблица 8.1. Сигналы параллельного интерфейса

* К – компьютер, ПУ – периферийное устройство.

Так как параллельный интерфейс в основном применяется для управления принтером, то его обозначают как LPT или PRN.

Операционные системы могут поддерживать до 4 принтеров (параллельных портов), но, в большинстве случаев, поддерживают не больше двух. Первый принтер (порт) всегда носит название LPT1, а второй – LPT2. Для этих двух принтеров в персональном компьютере зарезервированы номера аппаратных прерываний и базовые адреса ввода/вывода в соответствии с табл. 8.2. Во многих случаях операционные системы не используют аппаратные прерывания LPT-портов, что позволяет передать эти линии прерывания другим устройствам.

Таблица 8.2. Программные ресурсы параллельного интерфейса

Последовательный интерфейс RS-232

Последовательный интерфейс RS-232 появился в эпоху первых вычислительных машин, где применялся для связи между процессорным блоком и терминалами. В персональных компьютерах IBM PC этот интерфейс, а точнее упрощенная версия асинхронного последовательного интерфейса RS-232C, разработанная EIA (Electronic Industries Association), появился с самсго начала и использовался для подключения самых разнообразных устройств – мышей, принтеров, плоттеров, а также для соединения компьютеров друг с другом. Так как интерфейс RS-232, используемый в персональных компьютерах, практически не менялся за прошедшие десятилетия, то в настоящее время он применяется почти исключительно для подключения мыши и модема. Кроме того, наметился процесс полного отказа от этого интерфейса в пользу других, более совершенных, например USB и FireWare.

Среди пользователей IBM PC совместимых компьютеров очень популярен термин "COM-порт", который используется для обозначения интерфейса RS-232. Также употребляется термин "Serial".

Для подключения устройств с интерфейсом RS-232 используют два типа разъемов – DB25 (рис. 8.5) и DB9 (рис. 8.6). Причем вариант с громоздким разъемом DB25, где большинство контактов не используется, практически на современных системных блоках не устанавливается. Назначение контактов в разъемах интерфейса RS-232 приведено в табл. 8.3.

Рис. 8.5. Разъем DB25 последовательного интерфейса RS-232

Рис. 8.6. Разъем DB9 последовательного интерфейса RS-232

Таблица 8.3. Сигналы последовательного интерфейса RS-232

Применение нескольких вариантов кабелей для интерфейса RS-232 часто приводит к тому, что возникают сложности с подключением, когда разъемы кабеля не подходят для комплекта «компьютер —модем». Такая проблема может решиться покупкой переходника с 25 контактов на 9 (рис. 8.7). Но можно сделать переходник самостоятельно, его схема показана на рис. 8.8.

Рис. 8.7. Переходник для разъемов DB25 и DB9

Рис. 8.8. Принципиальная электрическая схема переходника для разъемов DB25 и DB9

По последовательному интерфейсу данные передаются по одному проводу, что означает передачу байта в виде последовательности отдельных битов (рис. 8.9). Для синхронизации битов в байте (группы битов) используются синхронизирующие биты – вначале идет стартовый бит, потом группа битов данных, которых может быть от 5 до 8, а заканчивает серию один или два стоповых бита.

Рис. 8.9. Передача информации по последовательному интерфейсу RS-232

Между данными и стоповыми битами может вставляться бит проверки четности, чтобы выявлять ошибки передачи. Правда, в мире IBM PC совместимых компьютеров контроль четности чаще всего не используется, т. к. этот метод позволяет обнаруживать только одиночные ошибки. Для контроля за достоверностью информации используются контрольные суммы, относящиеся к целой группе байтов – кадру или блоку, что выполняется программно или с использованием аппаратных средств того или иного устройства.

В названии интерфейса RS-232 есть слово "асинхронный", означающее, что байты могут передавать по линии в любое время. То есть приемное устройство постоянно слушает линию, проверяя – появился ли стартовый бит. Если стартовый бит есть, то начинается прием посылки, которая должна заканчиваться стоповыми битами. Отсутствие стоповых битов означает, что приемником был принят сигнал помехи.

Примечание

В первых персональных компьютерах для организации интерфейса RS-232 использовалась микросхема Intel 8250, на которой был реализован универсальный приемопередатчик UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). Увы, при разработке этой микросхемы были допущены ошибки в алгоритме обработки сигналов, поэтому в дальнейшем появились более совершенные микросхемы 16450, 116550 и 16550а. Но т. к. разработчиками персональных компьютеров используется принцип совместимости новых компьютеров со старыми, то особенности первой микросхемы, а также исправленных вариантов, учитываются как чипсетом современных системных плат, на которых нет отдельной микросхемы UART, так и программным обеспечением. На рис. 8.10 показано окно Дополнительная настройка порта, где есть ссылка на совместимость со старыми аппаратными устройствами.

Рис. 8.10. Окно дополнительной настройки последовательного порта

Так как интерфейс RS-232 – двунаправленный, то для дуплексного обмена информацией между устройствами используются две линии: входная – RD (Принимаемые данные) и выходная – TD (Передаваемые данные). Согласно спецификации интерфейса RS-232, компьютер является терминальным устройством DTE (Data Terminal Equipment), а, например, модем – устройством связи DCE (Data Communication Equipment). В кабеле, который соединяет компьютер и модем, одноименные контакты соединены друг с другом, как показано на рис. 8.11.

Рис. 8.11. Кабель для соединения компьютера (DTE) и модема (DCE)

Если нужно соединить вместе два компьютера (два устройства DTE), то линии должны быть перекрещены, т. к. устройства DTE используют линию TD для передачи и линию RD для приема, а устройства DCE применяют обратный порядок.

Спецификация интерфейса RS-232 позволяет использовать для соединения двух устройств кабель с двумя линиями, но, к сожалению, в этом случае скорость обмена информацией будет невелика. Для повышения производительности, кроме линий TD и RD, интерфейс RS-232 предусматривает дополнительные служебные сигналы для синхронизации передаваемых данных (см. табл. 8.3).

Использование линий синхронизации данных для устройств DTE и DCE, как и для линий TD и RD, не одинаково, т. е. сигналы DSR, DTR, DCD, CTS и RTS асимметричны. Поэтому при соединении двух компьютеров применяют специальный кабель, называемый нуль-модем. На рис. 8.12 и 8.13 показаны два варианта распайки нуль-модемов.

Рис. 8.12. Упрощенный вариант нуль-модема

Рис. 8.13. Нуль-модем

Предупреждение

Соединяя вместе два компьютера, их сетевые кабели обязательно надо включать в один и тот же удлинитель или сетевой фильтр. Если вы вынуждены включать компьютеры в разные розетки, то убедитесь, что провод зануления надежно соединяет обе розетки. Подключение компьютеров к бытовым однофазным розеткам приводит к появлению разных электрических потенциалов на корпусах компьютеров. При неудачном стечении обстоятельств такой способ подключения обычно приводит к выгоранию COM-портов компьютера.

Для передачи данных по интерфейсу RS-232 применяют два типа соединения – полудуплексное, когда в каждый момент времени данные передаются только в одну сторону, и дуплексное. Кроме того, для управления потоком битов используется аппаратный и программный способы управления передачей данных. В первом случае задействованы все линии в интерфейсе, а во втором – только линии TD и RD. При программном способе управления используются байт-символы Xoff (13h), и Xon (llh), которые управляют передачей. Способ соединения определяется программно и зависит от типа подключенных устройств.

При полудуплексном соединении компьютер, когда хочет передать данные, должен подать сигнал RTS (Запрос для передачи). Модем, приняв запрос на передачу, при готовности принимать данные, должен ответить сигналом CTS (Готовность к приему). Только после обмена такими сообщениями компьютер начинает передавать данные до тех пор, пока модем не снимет сигнал CTS. При дуплексном соединении сигналы RTS и CTS имеют значение, противоположное тому, которое они имели в полудуплексном режиме.

Для иллюстрации процесса передачи данных через интерфейс RS-232 на рис. 8.14 приведен диалог между компьютером и модемом.

Рис. 8.14. Диалог между компьютером и модемом

В тех случаях, когда аппаратный способ управления потоком данных не используется, модем, готовый принимать информацию, посылает в линию символ Хоп. Компьютер в ответ на него начинает передачу данных. Если модем по каким-либо причинам больше не может принимать данные, то он должен передать символ Xoff, останавливающий передачу данных компьютером. Программный способ управления передачей данных снижает производительность интерфейса RS-232.

Для настройки последовательных портов в операционной системе Windows на вкладке Настройка порта (рис. 8.15) окна Свойства: Последовательный порт (COMn) можно установить желаемый способ работы интерфейса RS-232. Доступ к этому окну возможен как из окна Панель управления, так и из программ, использующих последовательный порт. Правда, не рекомендуется изменять установленные по умолчанию свойства последовательного порта, за исключением изменения его скорости, т. к. все программное обеспечение использует вариант, когда данные передаются по 8 бит, задействован всего один стоповый бит и нет контроля четности. Для управления потоком почти всегда применяется аппаратный способ, а не Xon/Xoff.

Рис. 8.15. Управление параметрами последовательного порта

Операционная система Windows поддерживает четыре последовательных порта от COM1 до COM4. Но на системной плате всегда аппаратно реализованы только два COM-порта (в современных чипсетах COM-порты программно эмулируются). Если пользователь не изменил положения джамперов или настройки BIOS, то стандартное название портов – COM1 и COM2.

В табл. 8.4 приведены значения зарезервированных номеров аппаратных прерываний и базовых адресов ввода/вывода.

Таблица 8.4. Программные ресурсы последовательного интерфейса RS232

На рис. 8.16 показана вкладка Ресурсы окна Свойства: Последовательный порт (COMn), где можно изменить номер прерывания и диапазон адресов ввода/вывода порта. Заметим, что при возникновении конфликтов лучше изменять эти параметры в BIOS, где больше возможностей по изменению конфигурации COM-портов.

Рис. 8.16. Ресурсы последовательного порта

Почти все современные периферийные устройства, подключаемые к последовательному порту, поддерживают режим Plug and Play, что позволяет операционной системе обнаружить подключенное устройство и получить от него регистрационную информацию. При подключении, например, старых модемов операционная система не всегда может правильно определить тип подключенного устройства.

Совет

Проверить работоспособность COM-порта можно двумя способами. Самый простой – это подключить мышь к тому COM-порту, который вы хотите использовать для подключения модема, и убедиться, что мышь правильно работает в Windows. Но удобнее всего сделать заглушку (рис. 8.17) для COM-порта и протестировать его, например, с помощью программы Checklt.

Рис. 8.17. Заглушки для COM-порта

При применении последовательного интерфейса RS-232 для измерения скорости передачи информации используют величину биты в секунду (bits per second, bps). В качестве стандартных скоростей обмена данными при асинхронном режиме работы последовательного порта принят следующий ряд: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400, 57 600 и 115 200 бит/с. Заметим, что эти величины относятся к эффективной скорости передачи, т. е. скорость определяется без учета служебных битов – стартовых, стоповых и четности.

Длительное время скорость последовательного порта выше 115 200 бит/с не поддерживалась ни операционными системами, ни аппаратными средствами. Но более совершенная технология изготовления современных чипсетов системных плат позволяет получить скорость обмена данными свыше 1 Мбит/с. Так как операционная система Windows "не знает", что COM-порт может работать на скорости выше 115 200 бит/с, то при использовании, например, модемов с протоколами V.90 и V.92 желательно установить дополнительный драйвер для поддержки скоростей 230 400 и 460 800 бит/с.

Скорость передачи информации по интерфейсу RS-232 во многом зависит от длины соединительного кабеля и того, как он проложен относительно проводов электропитания. От этих двух факторов зависит количество ошибок, которые появляются из-за наводки электромагнитными полями. По стандарту RS-232 длина соединительного кабеля не должна превышать 15,24 м. Для справки в табл. 8.5 приведено соотношение между длиной соединительного кабеля и возможной скоростью передачи по интерфейсу.

Таблица 8.5. Соотношение между скоростью передачи данных по RS-232 и длиной кабеля

В отличие от всех остальных сигнальных линий в компьютерах, где используются напряжения от +5 В до 0, в интерфейсе RS-232 уровни напряжения сигнала могут лежать в диапазоне от -15 В до +15 В. Логическая единица определена как напряжение от +3 до +15 В, а логический ноль – от -3 до -15 В. Неопределенное значение относится к промежутку между -3 и +3 В. Отметим, что напряжения +12 В и, в особенности,  -12 В для блока питания определились из необходимости использования интерфейса RS-232.

Последовательный порт в IBM PC мог выдерживать ток короткого замыкания на землю до 20 мА, т. к. был ограничен буферной микросхемой TTL-логики. У ряда системных плат этот ток несколько меньше, что приводит к снижению напряжения логических уровней и неработоспособности ряда подключаемых устройств.

Электрические особенности последовательного порта IBM PC совместимых компьютеров позволили питать двуполярным напряжением маломощные внешние устройства непосредственно от линий интерфейса. В частности, манипуляторы "мышь" получают питание от линии TD.

Последовательный интерфейс в IBM PC совместимых компьютерах не имеет гальванической развязки, поэтому для подключения внешних устройств с мощными блоками питания требуется изолировать линии интерфейса с помощью оптронов. В качестве источника тока для оптронов можно использовать линии интерфейса. В частности, такой способ применяется для согласования COM-порта с интерфейсом "токовая петля", являющимся распространенным вариантом интерфейса RS-232.