Параллельный и последовательный интерфейсы. Компьютер. Большой самоучитель по ремонту, сборке и модернизации

За многолетнюю историю развития персональных компьютеров параллельный порт (parallel port), который часто называют принтерным портом (printer port) остается самым быстрым и надежным способом подключения к РС принтера и других устройств. Параллельная передача восьми битов данных и автоматическое управление потоком данных с помощью сигналов квитирования (handshaking) делают ненужными внешние схемы для декодирования данных и управляющих сигналов. Широкое применение параллельных портов объясняются их простотой и высокой производительностью. Более того, параллельный порт позволяет вводить до девяти битов и выводить до 12 битов одновременно, требуя минимальных внешних схем для реализации многих простых задач.

Стандартный параллельный порт (SPP)

Стандартный параллельный порт (Standard Parallel Port - SPP ) представлен на задней стенке компьютера 25-контактным разъемом D-типа с отверстиями. Обычно кабель для этого разъема имеет на втором конце 34-контактный разъем, предназначенный для подключения к принтеру. Именно параллельный порт РС часто называется принтерным портом (printer port). На рисунке показаны разъемы и кабель для подключения принтера. Слева находится разъем со штырьками, предназначенный для параллельного порта РС, а справа - разъем для принтера.

В компьютере на разъем выведено четыре линии управления (CONTROL ), пять линий состояния (STATUS ) и восемь линий данных (DATA ). Приведенные группы сигналов доступны через соответствующие регистры, которые часто тоже называются портами . Оставшиеся восемь контактов заземлены.

Более новые параллельные порты определены стандартом IEEE 1284, который был опубликован в 1994 г. Этом стандарт определяет пять режимов работы:

1. Режим совместимости (Compatibility Mode).
2. Режим тетрад (Nibble Mode).
3. Режим байтов (Byte Mode).
4. Режим улучшенного параллельного порта (Enhanced Parallel Port - EPP ).
5. Режим порта с расширенными возможностями (Extended Capabilities Port - ECP ).

Цель стандарта заключалось в том, чтобы разработать новые драйверы и устройства, совместимые друг с другом и обратно совместимые со стандартным параллельным портом (Standard Parallel Port - SPP ). Для режимов совместимости, тетрад и байтов используются стандартные схемы, имеющиеся на оригинальных картах параллельного порта, а для режимов ЕРР и ЕСР требуются дополнительные схемы, которые работают быстрее, но все же обратно совместимы со стандартным параллельным портом.

В режиме совместимости, или режиме Centronics , как его обычно называют, можно передавать данные только в прямом направлении, т.е. выводить данные, с типичной скоростью около 50 КБ/с, но возможна и большая скорость до 150 КБ/с. Для ввода данных необходимо перейти в режим тетрад или байтов. Режим тетрад позволяет вводить тетрады (4 бита) из устройства в РС. Режим байтов использует двунаправленные средства (имеющиеся только на некоторых картах) для ввода байтов (8 битов).

Порты ЕРР и ЕСР используют дополнительные схемы для управления и генерирования квитирования. Для вывода байта в принтер в режиме совместимости программа должна выполнить следующие действия:

1. Записать байт в порт данных.
2. Проверить, не занят ли принтер. Если принтер занят, он не воспринимает никаких данных, поэтому все записываемые в него данные теряются.
3. Выдать сигнал строба Strobe (контакт 1) с низким уровнем. Он показывает принтеру, что на линиях данных (контакты 2-9) имеются достоверные данные.
4. Установить высокий уровень строба, подождав примерно 5 мкс после формирования низкого уровня (на этапе 3).

Программное управление выводом ограничивает скорость стандартного параллельного порта. Более совершенные порты ЕРР и ЕСР решают эту проблему, позволяя схемно проверять занятость принтера и генерировать строб и/или подходящие сигналы квитирования. Благодаря этому необходимо выполнить только одну команду вывода, что повышает скорость работы. Новые порты могут выводить данные со скоростью 1-2 МБ/с. Кроме того, порт ЕСР использует каналы прямого доступа к памяти (Direct Memory Access - DMA ) и буферы FIFO (First In - First Out), поэтому данные можно передавать без применения команд вывода.

Аппаратные средства

В следующей таблице приведена разводка 25-контактного разъема D-типа компьютера и 34-контактного разъема Centronics, который обычно имеется на принтерах. Однако стандарт IEEE 1284 определяет три разных разъема для использования с параллельным портом. Первый разъем 1284 Type A - это обычный 25-контактный разъем D-типа. Второй 36-контактный разъем 1284 Type B является разъемом Centronics. Третий разъем IEEE 1284 Type C представляет собой 36-контактный разъем, похожий на разъем Centronics, но меньше по размерам. Он имеет лучший фиксатор, лучшие электрические параметры и к нему проще подключать кабель. Два дополнительных сигнала можно использовать для проверки включенного состояния устройства. Этот разъем признан перспективным для применения в новых разработках.

Буква n перед названием сигнала означает сигнал с низким уровнем активности, например nError . Если в принтере возникла ошибка, на этой линии будет низкий уровень. Обычно на ней действует высокий уровень, показывая правильное функционирование принтера. Слова "Аппаратно инвертирован" означают, что сигнал инвертируется схемами параллельного порта. Здесь примером служит линия Busy . Если на этой линии действует напряжение +5 В (логическая 1) и производится считывание регистра состояния, то этот уровень возвращается как 0 в бите 7 регистра состояния.

Сигналы параллельного порта представлены обычными ТТЛ-уровнями. Большинство параллельных портов реализовано на основе специализированной микросхемы, которая отводит (Sink) и отдает (Source) ток около 12 мА. Однако в справочных данных могут встретиться и другие значения, например Sink/Source 6 мА, Source 12 мА/Sink 20 мА, Sink 16 мА/Source 4 мА.

Линии данных представляет собой настоящие проводники, по которым информация передается от компьютера в устройство (и от устройства в компьютер в новых портах). Для уменьшения влияния помех каждая линия данных имеет соответствующую земляную линию. Эти земляные линии обеспечивают также общий электрический эталон между компьютером и устройством. Остальные линии параллельно порта отведены для управления и квитирования (handshaking).

Чтобы обеспечить нахождение принтера в известном начальном состоянии, выдаваемый компьютером сигнал nInitialize переводит принтер в такое состояние, в котором он находится после включения питания. Таким образом, инициализация принтера сигналом nInitialize эквивалентна выключению принтера и последующему включению.

Сигнал на линии Select сообщает компьютеру о том, что периферийное устройство находится в онлайновом режиме (online) и готово принимать данные. Компьютер не посылает данные, если на линии Select имеется сигнал с низким уровнем. Обычно состояние этого сигнала соответствует индикатору "on-line" на принтере.

Когда компьютер сформировал на линиях данных сигналы достоверных данных, устройству необходимо сообщить о готовности данных. Именно для этого предназначен импульсный сигнал строба nStrobe, который должен заставить устройство воспринять байт данных и сохранить его в буфере для последующей обработки.

Для достижения высокой скорости передачи данных принтеру необходим конкретный метод координации передач. Компьютер должен ожидать между байтами до тех пор, пока принтер не будет готов к возобновлению приема новых байтов. Принтеры используют сигнал занятости Busy для задержки компьютера до тех пор, пока принтер не будет в состоянии готовности к приему следующего байта. Принтер формирует высокий уровень сигнала Busy в ответ на получение сигнала nStrobe и этот уровень сохраняется до тех пор, пока не подготовится к приему следующего байта. Отметим, что сигнал Busy может задержать компьютер на любой временной интервал, если возникла серьезная ошибка, например замятие бумаги. Когда же принтер обработал байт, он должен запросить у ожидающего компьютера следующий байт. Принтер снимает сигнал Busy и выдает короткий импульс подтверждения nAck. Таким образом с помощью сигналов nStrobe, Busy и nAck осуществляется управление (квитирование) передачей данных в параллельном порту.

В некоторых принтерах управляющий символ возврата каретки (Carriage Return - CR) автоматически транспортирует бумагу на следующую строку, а в других просто возвращает каретку в начало текущей строки без транспорта бумаги. Во многих принтерах любой из этих вариантов можно установить переключателем, но можно управлять этим и с помощью сигнала nAuto-LineFeed. Низкий уровень этого сигнала заставляет принтер автоматически производить транспорт бумаги на одну строку при получении управляющего символа CR.

Линия nSelect-Printer позволяет компьютеру дистанционно переводить периферийное устройство в онлайновый или офлайновый режим. Большинство параллельных портов поддерживают на этой линии низкий уровень, чтобы устройство автоматически воспринимало данные. Сигнал высокого уровня на этой линии запрещает работу устройства. Сигнал nError от периферийного устройства сообщает компьютеру о возникшей проблеме, препятствующей печати, но не конкретизирует ее. Ошибку может вызвать множество причин, детали которых зависят от периферийного устройства. Обычно в сигнал nError "собираются" такие ситуации, как отсутствие бумаги (эту причину конкретизирует сигнал Paper Out), нахождение принтера в офлайновом режиме (offline mode) или внутренние сбои схем принтера.

Интерфейс Centronics

Centronics - это старый стандарт (его часто называют интерфейсом и протоколом) на передачу данных из компьютера (хоста - host) в принтер. Квитирование этого стандарта используется в большинстве принтеров и обычно реализуется программно. На рисунке показана упрощенная диаграмма протокола Centronics.

Сначала на контакты 2-9 параллельного порта выдаются данные. Затем хост проверяет занятость принтера, т.е. на линии Busy должен действовать низкий уровень. После этого программа выдает строб, ожидает минимум 1 мкс и снимает строб. Данные обычно считываются устройством по нарастающему фронту строба. Принтер показывает свою занятость обработкой данных по линии Busy. Когда принтер воспринял данные, он подтверждает байт отрицательным импульсом длительностью около 5 мкс на линии nAck.

Часто для экономии времени хост игнорирует сигнал на линии nAck. При рассмотрении порта с расширенными возможностями ЕСР будет показана реализация быстрого режима Centronics (Fast Centronics Mode), в котором квитирование осуществляется схемно. Программист должен только записать байт данных в порт ввода-вывода. Схемы проверяют занятость принтера и формируют строб. Отметим, что в этом режиме линию nAck не контролируется.

Адреса портов

Параллельный порт имеет три общепринятых базовых адреса, которые приведены в следующей таблице. Базовый адрес 3BCh был вначале введен для параллельных портов на первых видеокартах. После того, как параллельные порты были вынесены с видеокарт, этот адрес исчез. Впоследствии он появился как вариант для параллельных портов, интегрированных в материнские платы, где конфигурацию можно изменять с помощью BIOS. Имени LPT1 обычно присваивается базовый адрес 378h, а LPT2 - адрес 278h. Однако далее показано, что это не всегда соблюдается. Адреса 378h и 278h почти всегда используются для параллельных портов, но могут изменяться в разных РС.

При включении компьютера BIOS определяет число имеющихся портов и присваивает им имена LPT1, LPT2 и LPT3. Вначале BIOS обращается по адресу 3BCh. Если там обнаруживается параллельный порт, ему присваивается имя LPT1, а затем проверяется адрес 378h. Если там обнаруживается параллельный порт, ему присваивается следующее свободное имя. Им будет LPT1, если по адресу 3BCh не найдена карта, или LPT2, если карта была найдена. Аналогично проверяется порт по адресу 278h. В результате можно иметь LPT2 по адресу 378h, а не ожидаемому адресу 278h.

Ситуацию усложняет то, что некоторые производители карт параллельного порта устанавливают перемычки, которые позволяют настроить порт на LPT1, LPT2, LPT3. Какой же теперь адрес у LPT1? В большинстве карт LPT1 находится по адресу 378h, а LPT2 - по адресу 278h, но некоторые используют 3BCh как LPT1, 378h как LPT1 и 278h как LPT2.

Для интерфейса с портом вместо имени часто используется базовый адрес, а не имена LPT1 и др. Таблица адресов портов находится в области данных BIOS. Когда BIOS назначает адреса принтерным устройствам, он сохраняет адреса в конкретных ячейках памяти и их там можно найти. Примечание * : В новых BIOS адрес 0000:040E из области данных BIOS может использоваться как расширенная область данных BIOS (Extended BIOS Data Area).

Программные регистры (порты) стандартного параллельного порта

Порт данных

Примечание * : Если порт является двунаправленным, то допускается выполнение операций Read (ввод) и Write (вывод).

Базовый адрес, обычно называемый портом данных или регистром данных , просто используется для вывода данных на линии данных (контакты 2-9) параллельного порта. Обычно этот регистр допускает только запись (Write). При считывании из порта вводится последний переданный байт. В случае двунаправленного порта (см. далее) по этому адресу находятся принятые данные.

Порт состояния

Порт состояния допускает только считывание, поэтому все записываемые в него данные игнорируются. Порт имеет пять входных линий (контакты 10, 11, 12, 13 и 15), бит запроса прерывания IRQ и два зарезервированных бита. Бит 7 (Busy) является входным сигналом с низким уровнем активности, т.е. если бит 7 содержит 0, то на контакте 11 имеется напряжение +5 В. Так же действует бит 2 (nIRQ) - если бит содержит 1, то прерывания не возникло.

Порт управления

Порт управления (базовый адрес + 2) был предназначен только для записи. При подключении к параллельному порту принтера используются четыре сигнала управления: строб Strobe (бит 0), автоматический перевод строки Auto Linefeed (бит 1), инициализации Reset (бит 2) и выбора принтера Select Printer (бит 3). Все эти сигналы кроме Reset инвертированы.

Принтер не выдает сигнал для инициализации компьютера и не сообщает компьютеру использовать автоматический перевод строки. Однако приведенные ранее четыре выхода можно использовать для ввода. Если компьютер вывел на контакт высокий уровень (+5 В), а устройство хочет сделать его низким, порт закорачивается, вызывая конфликт. Поэтому эти выходы выполнены по схеме "открытый коллектор". Они имеют два состояния: низкий уровень (0 В) и высокоимпедансное состояние (разомкнутая цепь).

Обычно карта принтера имеет внутренние "вытягивающие" (pull-up) резисторы, но они есть не на всех картах. Некоторые карты имеют просто выходы типа открытый коллектор, а другие - обычные пушпульные (totem) выходы. Чтобы устройство правильно работало с максимально большим числом принтерных портов, можно использовать внешний резистор. Если уже есть внутренний резистор, то внешний резистор действует параллельно ему, а в случае пушпульного выхода - как нагрузка.

Величина внешнего резистора обычно составляет 4.7 кОм. Не рекомендуется применять меньший резистор с учетом того, что на карте может быть внутренний резистор. В высокоимпедансном состоянии контакт параллельного порта имеет высокий уровень +5 В. В этом состоянии внешнее устройство может установить низкий уровень и заставить порт управления считать другое значение. Благодаря этому четыре контакта порта управления можно использовать для двунаправленной передачи данных. Однако для считывания данных через порт управления необходимо установить его на xxxx0100, чтобы все контакты имели +5 В и устройство могло установить низкий уровень (землю - логический 0).

Биты 4 и 5 предназначены для внутреннего управления. Бит 4 разрешает запрос прерывания IRQ (см. далее), а бит 5 разрешает двунаправленный порт, т.е. можно вводить 8 битов по линиям DATA 0-7. Этот режим возможет, если только его поддерживает карта. Биты 6 и 7 зарезервированы, любая запись в эти биты игнорируется.

Двунаправленные порты

Следующая схема показывает упрощенное представление регистра данных параллельного порта. Оригинальные платы параллельного порта реализованы на логике семейства 74LS. Сейчас применяются специализированные микросхемы, но принципы работы остались теми же.

Недвунаправленные порты выпускаются с сигналом разрешения выхода nOE микросхемы 74LS374, постоянно подключенным к земле, поэтому порт данных выполняет только вывод. При считывании из регистра данных данные берутся из схемы 74LS374, которая также подключена к контактам данных. Если запретить схему 74LS374, можно получить двунаправленный порт.

В двунаправленных портах бит 5 регистра управления соединяется с входом разрешением выхода nOE схемы 74LS374, так что выходные драйверы можно запретить (выключить). В этом случае можно без конфликтов считывать данные с контактов данных параллельного порта.

Бит 5 регистра управления разрешает или запрещает двунаправленную работу параллельного порта. Он действует только для истинно двунаправленных портов. Когда этот бит становлен в 1, контакты 2-9 переводятся в высокоимпедансное состояние. В этом состоянии можно вводить данные на эти линии и считывать их порта данных (базовый адрес). Записываемые в порт данные сохраняются, но не доступны на контактах данных. Для выключения двунаправленного режима бит 5 порта управления нужно сбросить в 0.

Однако не все порты действуют одинаково. Некоторые порты могут потребовать установки бита 6 порта управления для разрешения двунаправленного режима, а бита 5 - для запрещения его. Различные производители реализуют свои двунаправленные порты по-разному. Если необходимо использовать двунаправленный порт для ввода данных, следует вначале с помощью логического пробника или мультиметра убедиться в том, что порт является двунаправленным.

Использование параллельного порта для ввода восьми бит

Если параллельный порт не поддерживает двунаправленного режима, все же можно осуществить ввод до девяти бит. Для этого можно использовать пять входных линий порта состояния и четыре входные линии (открытый коллектор) порта управления в соответствии со следующей схемой.

Входы параллельного порта выбраны так, чтобы упростить подключения. Сигнал Busy является старшим битом 7 порта состояния, а затем идут сигналы Ack, Paper Out и Select порта состояния, образуя старшую тетраду. Черточки показывают, какие входы аппаратно инвертируются, т.е. +5 В считывается как логический 0, а 0 В - как логическая 1. Порт состояния имеет только один инвертированный вход.

Младшая тетрада считывается из порта управления (Select Printer, Init, Auto Linefeed, Strobe). Здесь использованы инверторы с открытым коллектором. При этом могут потребоваться "вытягивающие" (pull-up) резисторы 4.7 кОм.

Режим тетрад

Режим тетрад (nibble mode) является предпочтительным способом ввода восьми битов данных без перевода порта в инверсный режим и использования линий данных. Этот режим реализуется наиболее просто. Для поочередного считывания тетрад применяется мультиплексор (счетверенный 2:1). Объединение тетрад в байт осуществляется программно. Конечно, этот способ несколько медленнее предыдущих. Здесь для считывания одного байта требуется несколько команд ввода-вывода и необходима внешняя микросхема.

Мультиплексор 74LS157 работает очень просто, как четыре переключателя. Когда вход A/B = 0 (низкий), выбираются входы А, т.е. вход 1А передается на выход 1Y, вход 2A на выход 2Y и т.д. Когда вход A/B = 1 (высокий), выбираются входы В. Выходы Y подключаются к порту состояния параллельного порта так, чтобы они оказались старшей тетрадой регистра состояния. Хотя такое подключение и необязательно, но при этом несколько упрощается программа.

Использование прерывания IRQ параллельного порта

Обычно запросом прерывания параллельного порта служит линия IRQ 5 или IRQ 7, но может быть и другая. Возможно, что прерывания на карте полностью запрещены, если она применяется только для печати. Прерывания параллельного порта можно разрешать и запрещать с помощью бита 4 регистра управления - разрешение IRQ через линию Ack (Enable IRQ Via Ack Line). Разрешенное прерывание возникает при переходе от низкого уровня к высокому (нарастающий фронт) сигнала nAck. Однако некоторые карты запускают прерывание по переходу от высокого уровня к низкому.

Режимы параллельного порта в BIOS

Сейчас большинство параллельных портов является многорежимными портами. Обычно они программно конфигурируются на один из нескольких режимов с помощью процедур BIOS. Типичные режимы:

Режим принтера (Printer Mode), иногда называемый режимом Default или Normal
Стандартный и двунаправленный режим (SPP)
Режим EPP1.7 и SPP
Режим EPP1.9 и SPP
Режим ECP
Режим ECP и EPP1.7
Режим ECP и EPP1.9

Режим принтера является наиболее простым режимом - он соответствует только выводу стандартного параллельного порта. В нем отсутствуют средства двунаправленной работы, поэтому бит 5 порта управления не действует. Стандартный и двунаправленный режим (SPP) является двунаправленным режимом. В этом режиме бит 5 порта управления изменяет направление порта, поэтому можно считать вводимое значение по линиям данных.

Режим EPP1.7 и SPP представляет собой комбинацию режимов EPP 1.7 (Enhanced Parallel Port) и SPP. В этом режиме работы обеспечивается доступ к регистрам SPP (регистры данных, состояния и управления), а также доступ к регистрам EPP. В этом же режиме можно изменять направление порта с помощью бита 5 регистра управления. Первая версия EPP 1.7 может не иметь бита таймаута (Timeout).

Режим EPP1.9 и SPP аналогичен предыдущему, но теперь используется EPP Версия 1.9. Здесь по-прежнему предоставляется доступ к регистрам SPP, включая бит 5 порта управления. Но этом режим отличается от режима EPP1.7 и SPP тем, что можно обращаться к биту таймаута (Timeout) порта EPP.

Режим ECP предоставляет порт с расширенными возможностями (Extended Capabilities Port. Режим этого порта можно затем установить с помощью расширенного регистра управления (Extended Control Register - ECR) порта ECP. Однако в этом режиме из BIOS режим EPP (100) будет недоступен.

Режим ECP и EPP1.7 и режим ECP и EPP1.9 предоставляет порт с расширенными возможностями ECP, как и в предыдущем режиме. Однако режим EPP в регистре ECR порта ECP теперь доступен. В режиме ECP и EPP1.7 в вашем распоряжении порт EPP1.7, а в режиме ECP и EPP1.9 - порт EPP1.9.

Рассмотренные режимы конфигурируются через BIOS. Пользователь может реконфигурировать своей программой, но этого делать не рекомендуется . Программные регистры по адресам 2FAh, 3F0h, 3F1h предназначены для обращения только из BIOS. Для этих регистров конфигурирования нет установленного стандарта, поэтому использующая их прикладная программа становится плохо переносимой (portable).

Гораздо лучше выбрать из BIOS режим ECP и EPP1.7 или режим ECP и EPP1.9 , а затем с помощью расширенного регистра управления порта ECP установить режим параллельного порта. В режиме EPP1.7 было несколько проблем, связанных с формированием стробов данных и адреса для запуска цикла независимо от состояний ожидания, поэтому сейчас этот режим не применяется. Лучше всего установить параллельный порт на режим ECP и EPP1.9.

Режимы параллельного порта и расширенный регистр управления порта ECP

Ранее показано, что рекомендуется установить параллельный порт на режим ECP и EPP1.9 , а затем использовать расширенный регистр управления порта ECP для выбора различных режимов работы. Регистры порта ECP стандартизованы компании Microsoft.

При установке режима ECP доступен новый набор регистров по адресу База + 400h. Подробное рассмотрение из приведено в материале по порту ECP, а здесь необходим нам только расширенный регистр управления по адресу База + 402h. Формат этого регистра приведен в таблице слева. Отметим, что регистры ECP недоступны для порта с базовым адресом 3BCh.

Нас пока интересуют только три старших бита расширенного регистра управления, которые определяющие режим работы. Имеются семь возможных режимов работы, но не все порты поддерживают все режимы. Например, некоторые порты не поддерживает режим EPP . В следующей таблице приведены более подробные сведения о режимах работы.

Если режим ECP установлен в BIOS или карта перемычкой конфигурирована на ECP, то рекомендуется до использования инициализировать порт ECP на предопределенное состояние. При использовании SPP прежде всего нужно установить порт на стандартный режим. Нельзя полагать, что порт будет уже находиться в стандартном (SPP) режиме.

В некоторых режимах регистры SPP могут исчезать или не работать правильно. При использовании SPP необходимо установить регистр ECR на стандартный режим.

Улучшенный параллельный порт (EPP)

Улучшенный параллельный порт (Enhanced Parallel Port - ЕРР ) разработан компаниями Intel, Xircom и Zenith Data Systems. Порты ЕРР были вначале определены в стандарте EPP 1.7, а затем включены в стандарт IEEE 1284 (1994 г.). Порт EPP имеет два стандарта EPP 1.7 и EPP 1.9. Между ними есть отличия, которые могут повлиять на работу устройств (см. далее). Скорость передачи данных составляет от от 500 КБ/с до 2 МБ/с. Она достигается тем, что квитирование, стробирование и другие операции формируются схемами порта, а не программно, как в интерфейсе Centronics.

Любители обычно используют порт ЕРР чаще, чем порт с расширенными возможностями (Extended Capabilities Port - ЕСР). Порт ЕРР отличается от порта ЕСР тем, что порт ЕРР генерирует и управляет всеми передачами в/из периферийного устройства. С другой стороны, порт ЕСР требует, чтобы периферийное устройство подтверждало обратный канал и управляло квитированием. Этого трудно достичь обычными простыми схемами и требуется специализированный контроллер или ECP Peripheral Chip.

Аппаратные средства

В режиме EPP каждой линии назначаются другие функции и обозначения, которые приведены в следующей таблице.

Сигналы Paper Out, Select и Error не определены в квитировании EPP и соответствующие линии пользователь может использовать по своему усмотрению. Состояния этих линий можно определить в любой момент времени, считывая регистр состояния. К сожалению, резервные выходы отсутствуют, что может вызвать определенные трудности.

Квитирование порта EPP

Цикл EPP записи данных

1. Программа записывает в регистр данных EPP (База + 4).
2. Формируется низкий уровень nWrite, показывая операцию записи.
3. Данные помещаются на линии данных 0-7.
4. Выдается строб nData Strobe, если Wait имеет низкий уровень (можно начать цикл).

6. Снимается строб nData Strobe.
7. Цикл записи данных EPP заканчивается.

Цикл EPP записи адреса

1. Программа записывает адрес в регистр адреса EPP (База + 3).
2. Формируется низкий уровень сигнала Write, показывающий операцию записи.
3. Адрес помещается на линии данных 0-7.
4. Выдается строб Address Strobe, если Wait имеет низкий уровень (можно начать цикл).
5. Компьютер ожидает подтверждения - высокого уровня на nWait (можно закончить цикл).
6. Снимается строб nAddress Strobe.
7. Цикл записи адреса EPP заканчивается.

Цикл EPP считывания данных

1. Программа считывает регистр данных EPP (База + 4).
2. Выдается строб nData Strobe, если Wait имеет низкий уровень (можно начать цикл).


5. Снимается строб nData Strobe.
6. Цикл считывания данных EPP заканчивается.

Цикл EPP считывания адреса

1. Программа считывает регистр адреса EPP (База + 3).
2. Выдается строб nAddr Strobe, если Wait имеет низкий уровень (можно начать цикл).
3. Компьютер ожидает подтверждения - высокого уровня на nWait.
4. Данные считываются с контактов параллельного порта.
5. Снимается строб nAddr Strobe.
6. Цикл считывания адреса EPP заканчивается.

Примечание При реализации квитирования EPP 1.7 (до IEEE 1284) стробы данных и адреса можно выдавать для запуска цикла независимо от от состояния Wait. В стандарте EPP 1.9 цикл запускается только при низком уровне Wait. Оба стандарта EPP 1.7 и EPP 1.9 требуют высокого уровня Wait для прекращения цикла.

Программные регистры порта EPP

Порт EPP имеет также новый набор регистров, причем три из них унаследованы т стандартного параллельного порта SPP. В следующей таблице приведены новые и существовавшие регистры.

Как видно, первые три адреса точно такие же, как у регистров порта SPP и функционируют они аналогично. Следовательно, при использовании порта ЕРР можно выводить данные по адресу Базе + 0 точно так же, как в SPP. При подключении принтера и использовании режима совместимости необходимо проверять, занят ли порт, а затем выдавать и снимать строб, используя порты управления и состояния, а затем ожидать подтверждения Ack.

При необходимости взаимодействовать с ЕРР-совместимым устройством нужно просто загрузить передаваемые данные в регистр данных ЕРР по адресу База + 4 и карта сформирует все требуемые сигналы квитирования. Аналогично, при необходимости выдать в устройство адрес следует применять регистр адреса ЕРР по адресу База + 3.

Регистры адреса и данных ЕРР допускают считывание и запись, поэтому для считывания данных из устройства можно использовать эти же регистры. Однако принтерная карта EPP должна инициировать цикл считывания, так как оба строба nData Strobe и nAddress Strobe являются выходами. Устройство может сигнализировать запрос считывания с помощью прерывания и заставить процедуру обслуживания прерывания (Interrupt Service Routine - ISR) выполнить операцию считывания.

Порт состояния имеет одну небольшую модификацию. Бит 0, который зарезервирован в наборе регистров порта SPP, теперь стал битом таймаута (Timeout) порта EPP. Этот бит устанавливается, когда возникает таймаут порта ЕРР. Это происходит, когда сигнал на линии nWait не снимается через примерно 10 мкс (в зависимости от порта) после выдачи сигналов IOW или IOR. Линии сигналов IOW и IOR записи и считывания ввода-вывода имеются в шине ISA.

Режим ЕРР очень сильно зависит от временной диаграммы (timing) шины ISA. Когда выполняется цикл считывания, порт должен предпринять соответствующее квитирование Read/Write и вернуть данные в этом цикле шины ISA. Конечно, этого не происходит в одном цикле ISA, поэтому порт использует сигнал готовности IOCHRDY (I/O Channel Ready) на шине ISA для введения состояний ожидания до завершения цикла. Теперь что произойдет, если запускается Read или Write порта ЕРР, а периферийное устройство не подключено?. Порт никогда не получит подтверждения (nWait) и будет сохранять запросы состояний ожидания, а компьютер блокируется. Поэтому в порту ЕРР поддерживается таймер (watchdog), который настроен примерно на 10 мкс.

Три регистра с адресами База + 5, База + 6 и База + 7 можно использовать для 16- и 32-битовых операций считывания и записи, если порт поддерживает их. Это может сократить число операций ввода-вывода. Параллельный порт может одновременно передавать только восемь битов, поэтому записываемое в параллельный 32- или 16-битовое слово разбивается на байты и передается по восьми линиям данных порта.

Особенности программирования порта EPP

Порт ЕРР имеет только два основных регистра и флажок таймаута. Что же приходится настраивать? До того, как запустить любые циклы порта ЕРР считыванием и записью в порты данных и адреса ЕРР, порт должен быть правильно конфигурирован. В холостом состоянии ЕРР должен иметь свои линии nAddress Strobe, nData Strobe, nWrite и nReset пассивными (высокий уровень). Некоторые порты требуют такой установки перед запуском любого цикла ЕРР. Поэтому первая задача - вручную инициализировать эти линии с помощью регистров порта SPP. Для этого нужно записать в порт управления код XXXX0100.

На некоторых картах, если параллельный порт переведен в инверсный режим, невозможно выполнить цикл записи ЕРР. Поэтому до использования порта ЕРР рекомендуется перевести его в прямой режим. Сброс бита 5 в регистре управления должен привести к правильной работе.

Бит таймаута (Timeout) порта EPP мы уже обсуждали. Когда этот бит установлен, порт может функционировать неправильно. Поэтому рекомендуется всегда считать FFh в цикле адреса или данных. Этот бит должен сбрасываться для надежной работы и должен постоянно контролироваться.

Порт с расширенными возможностями (ECP)

Режим расширенных возможностей разработан фирмами Hewlett-Packard и Microsoft для реализации в качестве Extended Capabilities Port Protocol and ISA Interface Standard . Этот протокол использует дополнительные схемы для генерирования сигналов квитирования так же, как в режиме ЕРР, и работает с большей скоростью, чем порт ЕРР. Однако этот режим лучше работает под Windows, так как может использовать для передачи данных каналы прямого доступа к памяти (Direct Memory Access - DMA). В нем также применяется буфер FIFO для принимаемых и передаваемых данных.

Еще одна возможность ЕСР - сжатие данных в реальном времени. Алгоритм кодирования длинами отрезков (Run Length Encoding - RLE) обеспечивает коэффициент сжатия до 64:1. Это удобно для сканеров и принтеров, в которых значительная часть данных представлена повторяющимися цепочками.

Порт ЕСР поддерживает метод адресации канала (channel addressing). Он не предназначен для использования в устройствах шлейфной цепочки (daisy chain), но позволяет адресовать несколько устройств внутри одного устройства. Примером служат многие современные факс-машины, которые содержат параллельный порт для интерфейса с компьютером. Факс-машину можно разбить на отдельные устройства, например сканер, модем/факс и принтер, причем каждый компонент можно адресовать отдельно, даже если другие устройства не могут воспринимать данные по причине заполненных буферов.

Аппаратные средства

Несмотря на то, что принтерные порты ЕСР используют такой же разъем D25, как и стандартный параллельный порт (SPP), порт ЕСР назначает другие функции контактам (как и порт ЕРР). Поэтому в интерфейсе порта ЕСР применяется и другой метод квитирования.

Порт ЕСР обратно совместим с портами SPP и EPP. При работе в режиме SPP отдельные линии функционируют так же, как в порту SPP, и называются Strobe, Auto Linefeed, Init, Busy и т.д. При работе в режиме ЕРР линии выполняют функции в соответствии с методом, описанном в протоколе порта ЕРР, и используется другой метод квитирования. Когда порт работает в режиме ЕСР, линии определяются следующим образом.

Сигналы на линиях HostAck и PeriphAck показывают, находятся ли на шине данных 0-7 данные или команда. При наличии на этих линиях высокого уровня на шине данных (контакты 2-9) находятся данные. Если реализуется цикл команды, то на соответствующей линии будет низкий уровень; если, например, хост выдает команду, то на линии HostAck будет низкий уровень, а если устройство выдает команду, то на линии PeriphAck будет низкий уровень.

Цикл команды может быть одним из двух - счетчиком RLE или адресом, что определяется битом 7 линий данных (контакт 9). Если бит 7 содержит 0, то остальные данные (биты 0-6) являются счетчиком длины RLE, который применяется в алгоритме сжатия. Но если бит 7 содержит 1, то данные в битах 0-6 являются адресом канала. При отсутствии одного бита номер может быть только значением от 0 до 127.

Квитирование порта ECP

Прямой цикл данных ECP

2. Затем хост показывает цикл данных, выдавая низкий уровень сигнала HostAck.

4. Периферийное устройство выдает свое подтверждение достоверных данных, выдавая сигнал PeriphAck.
5. Хост выдает высокий уровень сигнала HostClk. Положительный фронт используется для фиксации данных в периферийном устройстве.
6. Периферийное устройство выдает подтверждение байта, снимая сигнал PeriphAck.

Прямой цикл команды ECP

1. Хост помещает данные на линии данных.
2. Затем хост показывает цикл команды, снимая HostAck.
3. Хост показывает достоверность данных, формируя низкий уровень сигнала HostClk.
4. Периферийное устройство выдает подтверждение достоверных данных, формируя сигнал PeriphAck.
5. Хост снимает сигнал HostClk высоким уровнем. Положительный фронт используется для фиксации данных в периферийном устройстве.
6. Устройство выдает подтверждение байта, снимая сигнал PeriphAck.

Инверсный цикл данных ECP

4. Затем устройство выбирает цикл данных, формируя высокий уровень сигнала PeriphAck.

Инверсный цикл команды ECP

1. Хост устанавливает низкий уровень сигнала nReverseRequest для запроса инверсного канала.
2. Периферийное устройство подтверждает запрос инверсного канала, выдавая низкий уровень сигнала nAckReverse.
3. Устройство помещает данные на линии данных.
4. Затем устройство выбирает цикл команды, формируя низкий уровень сигнала PeriphAck.
5. Устройство показывает достоверные данные низким уровнем сигнала PeriphClk.
6. Хост выдает свое подтверждение достоверных данных высоким уровнем сигнала HostAck.
7. Устройство устанавливает высокий уровень сигнала PeriphClk. Положительный фронт используется для фиксации данных в хосте.
8. Хост выдает свое подтверждение байта, формируя низкий уровень сигнала HostAck.

Сравнение квитирования портов EСP и SPP

Квитирование порта SPP состоит всего из пяти этапов:

1. Записать байт в порт данных.
2. Проверить занятость принтера. Если принтер занят, он не будет воспринимать никаких данных, поэтому все записываемые данные теряются.
3. Сформировать низкий уровень сигнала Strob (контакт 1). Он сообщает принтеру о наличии правильных данных на линиях данных (контакты 2-9).
4. Примерно через 5 мкс сформировать высокий уровень сигнала Strobe.
5. Проверить подтверждение Ack от устройства.

С другой стороны, квитирование порта ЕСР требует больше этапов. Поэтому кажется, что порт ЕСР будет работать медленнее порта SPP. Однако это не так, поскольку управление всеми этапами квитирования реализовано схемно. Если бы квитирование реализовалось программно, оно было бы значительно медленнее квитирования порта SPP.

Кодирование RLE

Ранее вкратце говорилось, что протокол порта ЕСР включает в себя простой алгоритм сжатия кодирования длинами отрезков (Run Length Encoding - RLE ). Он обеспечивает максимальный коэффициент сжатия до 64:1 и работает, посылая повторяющиеся байты как счетчики отрезков и одну копию байта. Счетчик отрезка определяет, сколько раз должен быть повторен последующий байт.

Если, например, передается цепочка из 25 букв "А", то первым должен быть передан байт счетчика отрезка, равный 24, а затем байт "A". Принимающее устройство при приеме счетчика длины отрезка (Run Length Count), должно расширить (повторить) следующий байт число раз, определяемое счетчиком.

Байт счетчика длины отрезка должен отличаться от других байтов в тракте данных. Он посылается как команда в порт адреса FIFO (Address FIFO Port). Байты, посылаемые в этот регистр, могут быть счетчиком длины отрезка или адресом. Они различаются старшим битом 7. Если бит 7 содержит 1, то остальные семь битов (0-6) являются адресом канала. Если бит 7 сброшен в 0, то младшие семь битов являются счетчиком длины отрезка. В этом случае адреса каналов и счетчики длин отрезков ограничены семью битами (значения от 0 до 127).

Программные регистры порта ECP

В следующей таблице приведены регистры порта ЕСР. Первые три регистра совпадают с регистрами порта SPP. Отметим, однако, появление бита разрешения двунаправленного порта (бит 5 порта управления). Этот бит показывает текущее направление порта ЕСР и влияет на биты FIFOpFull FIFOpEmpty в регистре ECR (см. далее).

Расширенный регистр управления (ECR)

Наиболее важным регистром порта ЕСР является расширенный регистр управления (Extended Control Register - ECR ), поэтому рассмотрим вначале его работу. Этот регистр определяет, в каком режиме будет работать порт ЕСР, а также задает состояние буфера FIFO. Функции этого регистра приведены в следующей таблице.

Три старших бита расширенного регистра управления определяют режим работы. Имеются семь возможных режимов работы, но не все порты поддерживают все режимы. Например, некоторые порты не поддерживает режим EPP . В следующей таблице приведены более подробные сведения о режимах работы.

Как показано ранее, когда порт установлен на работу в стандартном режиме, он действует как порт SPP без двунаправленных передач данных. Если требуется двунаправленная передача, нужно установить режим байтов. Режимы FIFO параллельного порта и ECP FIFO используют схемы для генерирования необходимых сигналов квитирования. Единственное различие между ними состоит в том, что режим FIFO параллельного порта использует квитирование порта SPP и может быть использован для работы с SPP-принтером. Режим ECP FIFO использует квитирование порта ЕСР.

Режим проверки FIFO можно использовать для тестирования емкости буферов FIFO, а также проверки правильности их функционирования. В этом режиме любой байт, который записывается в регистр TEST FIFO (База + 400h), помещается в буфер FIFO, а любой байт, считываемый из этого регистра, берется из буфера FIFO. Это можно использовать вместе с битами FIFO Full и FIFO Empty расширенного регистра управления ECR для определения емкости буфера FIFO. Глубина FIFO обычно составляет около 16 байтов.

Другие биты регистра ECR также играют важную роль в работе порта ЕСР. Бит прерывания (бит 4) разрешает использование прерываний, а бит разрешения DMA (бит 3) разрешает применять прямой доступ к памяти. Служебный бит ЕСР (бит 2) показывает, инициирован ли запрос прерывания. Если он есть, этот бит будет установлен. Сброс этого бита осуществляется по-разному в разных микросхемах. Некоторые требуют сбросить бит, т.е. записать в него 0, а другие сбрасывают при считывании из регистра.

Бит FIFO Full (бит 1) и FIFO Empty (бит 0) показывают состояние буфера FIFO. Эти биты зависят от направления, поэтому нужно учитывать бит 5 регистра управления. Если бит 0 (FIFO Empty) установлен, то буфер FIFO пустой, а если установлен бит 1, то буфер FIFO полный. Если же ни один из этих битов не установлен, то в FIFO имеются данные, но буфер пока не заполнен. Эти биты можно использовать в режиме проверки FIFO для определения емкости буфера FIFO.

Регистр конфигурирования А (cnfgA)

Регистр конфигурирования А (cnfgA) представляет собой один из двух регистров конфигурирования порта ЕСР. Регистры конфигурирования доступны только в режиме конфигурирования. Адрес регистра cnfgA равен База + 400h. Формат регистра cnfgA приведен в следующей таблице.

Регистр конфигурирования А можно считать для получения дополнительной информации о ЕСР. Бит 7 показывает, генерирует ли карта прерывания уровнем или фронтом. Это зависит от типа используемой картой шины. Биты 6:4 показывают ширину шин внутри карты. Некоторые карты используют только 8-битовый тракт данных, а другие - 16- или 32-битовые. Для получения максимальной эффективности от карты программа должна считать состояние этих битов, чтобы определить максимальный размер слова, выводимого в порт.

Три младших бита применяются для восстановления хоста (Host Recovery). Чтобы произвести восстановление при появлении ошибки, программа должна знать, сколько байтов передано, определяя, остались ли байты в FIFO. Некоторые реализации могут учитывать ожидающий передачи байт в регистре передатчика как часть состояния FIFO Full, а другие не учитывают. Бит 2 определяет ту или иную ситуацию.

Еще одна проблема связана с тем, что выход параллельных портов имеет ширину только восемь битов, а программа может использовать команды 16- или 32-битового ввода-вывода. В этом случае может быть послана часть слова порта. Поэтому биты 0 и 1 показывают число достоверных байтов, оставшихся в FIFO, и их можно передать повторно.

Регистр конфигурирования В (cnfgВ)

Регистр конфигурирования В, как и регистр конфигурирования А, доступен только в режиме конфигурирования. Его адрес в этом режиме равен База + 401h. Формат регистра cnfgB приведен в следующей таблице.

Регистр конфигурирования В (cnfgB) может быть комбинацией доступа считывания-записи. Некоторые порты конфигурируются программно с установкой ресурсов IRQ и DMA из регистра. Другие конфигурируются через BIOS или с помощью перемычек на карте, поэтому из регистра можно только считывать.

Бит 7 определяет, производить или нет сжатие выводимых данных по алгоритму RLE: 1 - хост сжимает данные перед передачей, 0 - данные передаются в устройство сырыми (несжатыми). Бит 6 возвращает состояние контакта IRQ. Его можно использовать для диагностики конфликтов, так как он будет показывать не только состояние IRQ параллельного порта, но и другого устройства, использующего данную линию IRQ.

Биты 5:3 показывают состояние присваивания порту линии IRQ, а биты 2:0 - состояние присваивания порту канала DMA. Как говорилось ранее, эти поля можно считывать и записывать. Для исчезающих плат с перемычками эти биты просто показывают ресурсы как "Jumpered" или правильные номера линий. Конечно, в этом случае их можно только считывать.

Порты ввода - вывода. Устройства параллельного и последовательного ввода - вывода

Порт ввода-вывода

Канал передачи данных между устройством и микропроцессором. Порт представляется в микропроцессоре как один или несколько адресов памяти, из которых можно прочитать или в которые можно записать данные.

Параллельный порт

Разъем ввода/вывода для подключения устройств параллельного интерфейса. Большинство принтеров подключаются к параллельному порту.

Последовательный порт

Порт компьютера для организации побайтной асинхронной связи. Последовательный порт называется также коммуникационным или COM – портом.

Асинхронная связь

Форма передачи данных, в которой информация передается и принимается через нерегулярные интервалы времени, один символ за раз. Так как данные принимаются через нерегулярные интервалы времени, получающему модему должно быть передано сообщение, позволяющее ему определить, когда начинаются и заканчиваются биты данных символа. Для этого предназначены стартовый и стоповый биты.

Параллельный порт (LPT)

(25 – контактный разъем). Предназначен для подключения принтера, сканера, а также – внешних устройств для хранения и траспортировки информации (накопителей). До недавнего времени отличался сравнительно высокой скоростью передачи данных (около 2 Мбайт/с). Как правило, LPT – разъем на задней стенке компьютера единственный.

Последовательные порты (COM) (9 – и 25 – контактный разъем) отличаются куда меньшей скоростью (около 112 кбайт/с). Потому и выпадала на их долю поддержка всяческих «неспешных» устройств – например, мыши или модема. Первоначально COM – портов на компьютере было четыре, однако со временем их осталось лишь два. Мышь предпочла последовательному порту свой собственный разъем PS/2, разделив его с клавиатурой, а на долю COM – порта осталась лишь поддержка медлительного модема. Со временем и модем эмигрирует к новому порту USB – тогда COM – порт окончательно и бесповоротно уйдет в прошлое.

В свое время мышь и клавиатура подключались к разным разъемам: мышь по соседству с модемом на COM – порте, а клавиатура имела свой собственный, ни на что не похожий разъем. PS/2 – порт впервые появился на массовых материнских платах в 1998 году. Подключить к нему что – то кроме мыши и клавиатуры не получится.

Последовательный порт и интерфейс USB.

Эту новинку, успешно дебютирующую в 2000 году, называли одной из самых значительных новаций десятилетия. Одним из главных плюсов USB является то, что на один USB – порт можно подключить 127 устройств (в отличие от старых портов: к каждому можно было подключить только одно устройство). Все USB – устройства могут подключаться к компьютеру «по цепочке» - в том случае, если у каждого «звена» имеется свой USB – порт или USB – хаб на несколько портов одновременно. Единственное правило, которое следует соблюдать при работе с USB – первыми в цепочке должны быть самые производительные устройства: принтер, сканер, колонки, накопители. А в самом конце - медленные клавиатура и мышь.

Еще одно важное качество USB – этот интерфейс позволяет подключать к компьютеру любые устройства без перезагрузки системы.

Скорость первой модификации USB (а именно к этому стандарту относятся все устройства, выпущенные до конца 2000 года) составляет около 12 Мбайт/с (на деле ряд подключенных к USB устройств работает с куда меньшей скоростью – до 1,5 Мбайт/с). Новая спецификация шины USB 2.0, принятая в апреле 2000 года, планировала увеличить скорость передачи данных до 60 Мбайт/с, однако новые устройства, поддерживающие такую скорость обмена, вышли на рынок только в конце года. USB 2.0 совместима с устройствами USB старого формата, но работать они будут с прежней скоростью.

Инфракрасный порт

Оптический порт, предназначенный для связи компьютера с другими компьютерами или устройствами посредством инфракрасного излучения, без кабелей. Инфракрасные порты применяются на некоторых переносных компьютерах, принтерах и камерах.

Порт называется «последовательным», так как информация через него передаётся по одному биту , последовательно бит за битом (в отличие от параллельного порта). Несмотря на то, что некоторые интерфейсы компьютера (например, Ethernet , FireWire и USB) тоже используют последовательный способ обмена информацией, название «последовательный порт» закрепилось за портом стандарта RS-232 .

Назначение

Наиболее часто для последовательного порта персональных компьютеров используется стандарт RS-232C. Ранее последовательный порт использовался для подключения терминала, позже для модема или мыши . Сейчас он используется для соединения с , для связи с аппаратными средствами разработки встраиваемых вычислительных систем , спутниковыми ресиверами, кассовыми аппаратами, программаторами, с приборами систем безопасности объектов, а также с многими прочими устройствами.

С помощью COM-порта можно соединить два компьютера, используя так называемый «нуль-модемный кабель» (см. ниже). Использовался со времен MS-DOS для передачи файлов с одного компьютера на другой, в UNIX для терминального доступа к другой машине, а в Windows (даже современной) - для отладчика уровня ядра.

Достоинством технологии является крайняя простота оборудования. Недостатком является низкая скорость, крупные размеры разъемов, а также зачастую высокие требования ко времени отклика ОС и драйвера и большое количество прерываний (одно на половину аппаратной очереди, то есть 8 байт).

Видео по теме

Разъёмы

На материнских платах ведущих производителей (например, Intel) или готовых системах (например, IBM , Hewlett-Packard , Fujitsu Siemens Computers) для последовательного порта принято условное обозначение COM или RS-232.

Варианты разъёма COM-порта типа DE-9

Наиболее часто используются стандартизированные в 1969 году D-образные разъёмы: 9- и 25-контактные, (DB-9 и DB-25 соответственно). Раньше использовались также DA-31 и круглые восьмиконтактные DIN-8. Максимальная скорость передачи в обычном исполнении порта составляет 115 200 бод .

Актуальность

Существуют стандарты на эмуляцию последовательного порта над USB и над Bluetooth (эта технология в значительной степени и проектировалась как «беспроводной последовательный порт»).

Тем не менее программная эмуляция данного порта широко используется и сегодня. Так, например, практически все мобильные телефоны эмулируют внутри себя классический COM-порт и модем для реализации тетеринга - доступа компьютера в Интернет через GPRS/EDGE/3G/4G оборудование телефона. При этом для физического подключения к компьютеру используется USB , Bluetooth или Wi-Fi .

Также программная эмуляция данного порта предоставляется «гостям» виртуальных машин VMWare и Microsoft Hyper-V , основная цель при этом - подключение отладчика уровня ядра Windows к «гостю».

В виде UART , отличающегося уровнями напряжения и отсутствием дополнительных сигналов, присутствует практически во всех микроконтроллерах, кроме самых-самых маленьких, SoC, платах разработчиков, а также присутствует на платах большей части устройств, хотя разъём и не выведен на корпус. Такая популярность связана с простотой этого интерфейса, как с физической точки зрения, так и с легкостью доступа к порту со стороны ПО по сравнению с другими интерфейсами.

Аппаратура

Разъем имеет контакты:

DTR (Data Terminal Ready - готовность к приёму данных) - выход на компьютере, вход на модеме. Означает готовность компьютера к работе с модемом. Сброс этой линии вызывает почти полную перезагрузку модема в первоначальное состояние, в том числе бросание трубки (некоторые управляющие регистры выживают после такого сброса). В UNIX это происходит в случае, если все приложения закрыли файлы на драйвере последовательного порта. Мышь использует этот провод для получения питания.

DSR (Data Set Ready - готовность к передаче данных) - вход на компьютере, выход на модеме. Означает готовность модема. Если эта линия находится в нуле - то в ряде ОС становится невозможно открыть порт как файл.

RxD (Receive Data - приём данных) - вход на компьютере, выход на модеме. Поток данных, входящий в компьютер.

TxD (Transmit Data - передача данных) - выход на компьютере, вход на модеме. Поток данных, исходящих из компьютера.

CTS (Clear to Send - готовность передачи) - вход на компьютере, выход на модеме. Компьютер обязан приостановить передачу данных, пока этот провод не будет выставлен в единицу. Используется в аппаратном протоколе управления потоком для предотвращения переполнения в модеме.

RTS (Request to Send - запрос на передачу) - выход на компьютере, вход на модеме. Модем обязан приостановить передачу данных, пока этот провод не будет выставлен в единицу. Используется в аппаратном протоколе управления потоком для предотвращения переполнения в оборудовании и драйвере.

DCD (Carrier Detect - наличие несущей) - вход на компьютере, выход на модеме. Взводится модемом в единицу после установления соединения с модемом с той стороны, сбрасывается в ноль при разрыве связи. Аппаратура компьютера может издавать прерывание при наступлении такого события.

RI (Ring Indicator - сигнал вызова) - вход на компьютере, выход на модеме. Взводится модемом в единицу после обнаружения вызывного сигнала телефонного звонка. Аппаратура компьютера может издавать прерывание при наступлении такого события.

SG (Signal Ground - сигнальная земля) - общий сигнальный провод порта, не является общей землёй , как правило, изолирован от корпуса ЭВМ или модема.

В нуль-модемном кабеле используются две перекрещенные пары: TXD/RXD и RTS/CTS.

Исходно в IBM PC и IBM PC/XT аппаратура порта была построена на микросхеме UART 8250 фирмы National Semiconductor, затем микросхема была заменена на 16450, программно совместимой с предыдущими, но позволявшей использовать скорости вплоть до 115200 бит в секунду, затем появилась микросхема 16550, содержавшая двунаправленный FIFO буфер данных для снижения нагрузки на контроллер прерываний. В настоящее время включена в SuperIO микросхему на материнской плате вместе с рядом иных устройств.

Программный доступ к СОМ-порту

UNIX

COM-порты в операционной системе Unix (Linux) - это файлы символьных устройств. Обычно эти файлы располагаются в каталоге /dev и называются

• ttyS0 , ttyS1 , ttyS2 и т. д. в Linux
• ttyd0 , ttyd1 , ttyd2 и т. д. (или ttyu0 , ttyu1 , ttyu2 и т. д. начиная с версии 8.0) в FreeBSD
• ttya , ttyb , ttyc и т. д. в Solaris
• ttyf1 , ttyf2 , ttyf3 и т. д. в IRIX
• tty1p0 , tty2p0 , tty3p0 и т. д. в HP-UX
• tty01 , tty02 , tty03 и т. д. в Digital Unix
• ser1 , ser2 , ser3 и т. д. в QNX

Для программного доступа к СОМ-порту необходимо открыть на чтение/запись соответствующий файл и сделать вызовы специальных функций tcgetattr (для того, чтобы узнать текущие настройки) и tcsetattr (чтобы установить новые настройки). Также может потребоваться сделать вызовы ioctl с определенными параметрами. После этого при записи в файл данные будут отправляться через порт, а при чтении программа будет получать уже принятые данные из буфера СОМ-порта.

Устройства с именами «ttyxx» используются как серверные, то есть приложение, открывшее данное устройство, обычно ожидает входящего звонка от модема. Классическим таким приложением, используемым по умолчанию, является getty , которая ожидает входящего звонка, далее настраивает COM-порт в соответствии с файлами конфигурации, выводит туда "login: ", принимает имя пользователя и запускает как потомка команду «login ИмяПользователя», со стандартным вводом и выводом, перенаправленными в COM-порт. Эта команда в свою очередь запрашивает и проверяет пароль, и в случае успеха запускает (не как потомка, а вместо себя вызовом execve в том же процессе) default user shell, прописанный в файле /etc/passwd.

Эта технология исторически возникла в 1970-е годы, когда под ОС UNIX использовались компьютеры вроде PDP-11 (в СССР серия называлась СМ ЭВМ) или VAX , позволяющие подключение многих терминалов для работы многих пользователей. Терминалы - а значит, и весь интерфейс пользователя - при этом подключались через последовательные порты, с возможностью подключения вместо терминала модема и дальнейшего дозвона на компьютер по телефону. До сих пор в UNIX-подобных ОС существует терминальный стек, и обычно 3 реализации терминалов - последовательный порт, консоль текстового режима экрана+клавиатура, и «обратная петля» в один из открытых файлов управляющего приложения (так реализованы telnetd, sshd и xterm).

Клиентские устройства последовательного порта, предназначенные для совершения звонков вовне, в многих UNIX (не во всех) называются cuaxx.

Так как последовательный порт в UNIX доступен только через терминальный стек, он может быть управляющим терминалом для процессов и групп (посылать SIGHUP при разрыве связи от модема и SIGINT при нажатии Ctrl-C), на уровне ядра поддерживать редактирование последней введенной строки клавишами стрелочек, и т. д. Для отключения этой возможности с целью превращения устройства в «трубу» для потока байт необходимы вызовы ioctl.

Windows

С последовательными портами в Win32 работают как с файлами. Для открытия порта используется функция CreateFile. Портов может быть много, поэтому они обозначаются как COM1, COM2 и т. д. по порядку обнаружения драйверов соответствующих устройств. Первые 9 портов доступны в том числе как именованные каналы для передачи данных (доступны по именам «COM1», «COM2», …), такой метод доступа считается устаревшим. Рекомендуется ко всем портам обращаться как к файлам (по именам «\\.\COM1», «\\.\COM2»,… «\\.\COMx»).

Наряду с параллельным портом COM-порт, или последовательный порт является одним из традиционных портов ввода-вывода компьютера, использовавшимся еще в первых ПК. Хотя в современных компьютерах COM-порт имеет ограниченное применение, тем не менее, информация о нем, возможно, будет полезной многим пользователям.

Последовательный порт, как и параллельный, появился задолго до появления персональных компьютеров архитектуры IBM PC. В первых персоналках COM-порт использовался для подсоединения периферийных устройств. Однако сфера его применения несколько отличалась от сферы применения параллельного порта. Если параллельный порт использовался в основном для подключения принтеров, то COM-порт (кстати, приставка COM – это всего лишь сокращение от слова communication) обычно применялся для работы с телекоммуникационными устройствами, такими, как модемы. Тем не менее, к порту можно подключить, например, мышь, а также другие периферийные устройства.

COM-порт, основные сферы применения:

1. Подключение терминалов
2. ~ внешних модемов
3. ~ принтеров и плоттеров
4. ~ мыши
5. Прямое соединение двух компьютеров

В настоящее время сфера применения СОМ-порта значительно сократилась благодаря внедрению более быстрого и компактного, и, кстати, тоже последовательного, интерфейса USB. Почти вышли из употребления внешние модемы, рассчитанные на подключение к порту, а также «COM-овские» мыши. Да и редко кто теперь соединяет два компьютера при помощи нуль-модемного кабеля.

Тем не менее, в ряде специализированных устройств последовательный порт до сих используется. Можно найти его и на многих материнских платах. Дело в том, что по сравнению с USB COM-порт имеет одно важное преимущество – согласно стандарту последовательной передачи данных RS-232, он может работать с устройствами на расстоянии в несколько десятков метров, в то время как радиус действия кабеля USB, как правило, ограничен 5 метрами.

Принцип работы последовательного порта и его отличие от параллельного

В отличие от параллельного (LPT) порта, последовательный порт передает данные побитно по одной-единственной линии, а не по нескольким одновременно. Последовательности битов группируются в серии данных, начинающиеся стартовым битом и кончающиеся стоповым битом, а также битами контроля четности, использующимися для контроля ошибок. Отсюда происходит и еще одно английское название, которое имеет последовательный порт – Serial Port.

Последовательный порт имеет две линии, по которым передаются собственно данные – это линии для передачи данных от терминала (ПК) к коммуникационному устройству и обратно. Кроме того, существует еще несколько управляющих линий. Обслуживает Serial port специальная микросхема UART, которая способна поддерживать относительно высокую скорость передачи данных, достигающую 115 000 бод (байт/с). Правда, стоит отметить, что реальная скорость обмена информацией зависит от обоих коммуникационных устройств. Кроме того, в функции контроллера UART входит преобразование параллельного кода в последовательный и обратно.

Порт использует электрические сигналы сравнительного высокого напряжения – до +15 B и -15 В. Уровень логического нуля последовательного порта составляет +12 В, а логической единицы – -12 В. Такой большой перепад напряжений позволяет гарантировать высокую степень помехоустойчивости передаваемых данных. С другой стороны, используемые в Serial port высокие напряжения требуют сложных схемотехнических решений. Это обстоятельство также поспособствовало снижению популярности порта.

Последовательный интерфейс RS-232

Работа Serial port на ПК базируется на стандарте передачи данных для последовательных устройств RS-232. Этот стандарт описывает процесс обмена данными между телекоммуникационным устройством, например, модемом и компьютерным терминалом. Стандарт RS-232 определяет электрические характеристики сигналов, их назначение, длительность, а также размеры коннекторов и схему выводов для них. При этом RS-232 описывает лишь физический уровень процесса передачи данных и не касается используемых при этом транспортных протоколов, которые могут меняться в зависимости от используемого коммуникационного оборудования и программного обеспечения.

Стандарт RS-232 был создан в 1969 г, а его последняя версия, TIA 232, вышла в 1997 г. В настоящее время RS-232 считается устаревшим, однако большинство операционных систем до сих пор его поддерживает.

В современных компьютерах разъем Serial port представляет собой 9-штырьковый разъем типа «вилка» DB-9, хотя стандарт RS-232 описывает также разъем с 25–ю контактами ­– DB-25, который часто применялся на старых компьютерах. Разъем DB-9 обычно расположен на системной плате ПК, хотя в старых компьютерах он мог находиться на специальной мультикарте, вставляемой в слот расширения.

9- штырьковое гнездо DB-9 на материнской плате

Разъем DB-9 на кабеле подключаемого к порту устройства

В отличие от параллельного порта, разъемы с обеих сторон двустороннего последовательного кабеля идентичны. Помимо линий для передачи самих данных, порт содержит несколько служебных линий, по которым между терминалом (компьютером) и телекоммуникационным устройством (модемом) может передаваться управляющая информация. Хотя теоретически для работы последовательного порта достаточно лишь трех каналов – прием данных, передача данных и земля, практика показала, что наличие служебных линий делает связь более эффективной, надежной и, как следствие, более быстрой.

Назначение линий разъема Serial port DB-9 согласно RS-232 и их соответствие контактам разъема DB-25:

Конфигурирование и прерывания

Поскольку в компьютере может быть несколько последовательных портов (до 4), то в системе для них выделяется два аппаратных прерывания - IRQ 3 (COM 2 и 4) и IRQ 4 (COM 1 и 3) и несколько прерываний BIOS. Многие коммуникационные программы, а также встроенные модемы используют для своей работы прерывания и адресное пространство портов COM. При этом обычно применяются не реальные порты, а так называемые виртуальные порты, которые эмулируются самой операционной системой.

Как и в случае многих других компонентов материнской платы, параметры работы портов COM, в частности, значения прерываний BIOS, соответствующих аппаратным прерываниям, можно настроить через интерфейс BIOS Setup. Для этого используются такие опции BIOS, как COM Port, Onboard Serial Port, Serial Port Address, и т.п.

Заключение

Последовательный порт ПК в настоящее время не является широко используемым средством для ввода-вывода информации. Тем не менее, поскольку существует большое количество оборудования, прежде всего, телекоммуникационного назначения, созданного для работы с последовательным портом, а также благодаря некоторым достоинствам протокола последовательной передачи данных RS-232, последовательный интерфейс пока еще не следует списывать со счетов, как абсолютно устаревший рудимент архитектуры персонального компьютера.

Для того чтобы передать информацию какому-либо устройству или получить ее от этого устройства, компьютеру необходимо специально организовать процесс обмена данными.

Организация операций, связанных с вводом и выводом информации, подразумевает следующее:

соблюдение одинакового кода передаваемых данных (то есть «разговор на одном языке»);

согласование скоростей передачи и приема информации (или «диалог в одинаковом темпе»);

единство формата обмена данными (то есть способ дробления их на фрагменты, передаваемые за один цикл);

стандартный протокол специальных управляющих сигналов (команды, «понятные» принимающему и передающему устройству) .

Для того чтобы соблюсти все указанные требования, в компьютере существуют специализированные контроллеры ввода/вывода, предназначенные только для организации работы по обмену информацией с внешним миром. Этот обмен реализуется через специальные «ворота» (каналы), получившие название портов .

Обмен (то есть ввод и вывод) данных между компьютером и периферийным устройством происходит в два этапа: передача информации от компьютера к периферийному устройству и прием информации от периферийного устройства. Такая организация работы требуется для исключения возникающих ошибок (например, при переполнении приемного буфера периферийного устройства или наличии внешней помехи) и оперативного информирования системы о состоянии процесса ввода/вывода.

Помимо оперативной памяти, процессор может адресовать и другую область, известную как адресное пространство ввода-вывода. Каждый порт ввода-вывода имеет уникальное множество адресов ввода-вывода. Микропроцессор включает две команды: IN и OUT, используемые для чтения и записи данных в адресном пространстве ввода-вывода, а также другие инструкции, управляющие портами ввода-вывода (эти команды будут рассмотрены при изучении языка ассемблера).

Порты ввода/вывода, соответственно способам передачи, подразделяют на параллельные и последовательные.

В параллельном порту (Parallel Port) в одном направлении одновременно передаются сразу 8 бит (1 байт) информации. Поэтому разъем параллельного порта содержит восемь линий для передачи данных, а на компьютере с двунаправленным параллельным портом разъем дополнительно восемь линий используются для приема данных.

Для параллельного порта не существует международного стандарта, однако в качестве фактического стандарта используется спецификация, опубликованная фирмой-изготовителем периферийных устройств Centronics (поэтому ее часто называют стандартом Centronics).

Интерфейс Centronics в компьютере использует для обмена данными 25-контактный «материнский» разъем (контактные гнезда под штыри кабеля).

Существуют следующие типы параллельного порта:

стандартный;

улучшенный параллельный порт EPP (Enhanced Parallel Port);

порт с расширенными функциями ECP (Extended Capability Port).

Стандартный параллельный порт предназначен только для односторонней передачи данных от компьютера к принтеру. Он обеспечивает максимальную скорость передачи данных от 120 до 200 Кбайт/с.

Порт EPP является двунаправленным, то есть обеспечивает передачу 8 бит данных в обоих направлениях. Это избавляет центральный процессор от необходимости выполнения медленных команд типа IN и OUT, позволяя программе непосредственно заниматься пересылкой данных. Порт EPP передает и принимает данные почти в 6 раз быстрее стандартного параллельного порта, в основном, за счет наличия буферной памяти. Специальный режим (с использованием прямого доступа в память – DMA) позволяет порту EPP передавать блоки данных непосредственно из оперативной памяти в последовательный порт, минуя процессор. При использовании соответствующего программного обеспечения порт EPP может принимать и передавать данные со скоростью до 2 Мбайт/с. Подобно интерфейсу SCSI порт EPP позволяет подключать в цепочку до 64 периферийных устройств.

Дальнейшим развитием порта EPP явился порт ECP . Он обладает теми же возможностями, что и порт EPP, но количество устройств увеличено до 128. Кроме того, в порту ECP реализована такая важная функция, как сжатие данных.

Для сжатия данных используется метод RLE (Run Length Encoding), в котором длинная последовательность одинаковых символов передается двумя байтами: один байт определяет повторяющийся символ, другой – число повторений. Стандарт ECP допускает сжатие и распаковку данных как программно (с помощью драйвера), так и аппаратно (схемой порта).

В настоящее время стандарты портов EPP и ECP включены в стандарт IEEE 1284 . Этот стандарт определяет четыре режима работы: полубайтовый, байтовый, EPP и ECP. Дополнительно к функциям портов EPP и ECP стандарт IEEE 1284 позволяет принтеру послать сигнал при аварии.

Хотя в операционной системе предусмотрено три логических имени для параллельных портов – LPT1 (синоним PRN), LPT2 и LPT3 обычно в комплектацию компьютера входит один параллельный порт (в современных компьютерах контроллер параллельного порта располагается на материнской плате)

Параллельный порт чаще всего используется для подключения принтера. Однако к нему можно подключать и другие устройства, например, сканеры, внешние дисководы, стримеры и дисководы CD. Параллельный порт можно использовать также для обмена данными между двумя компьютерами.

Параллельный порт обеспечивает довольно высокую скорость передачи, поскольку эта передача осуществляется побайтно. Однако при большой длине кабеля или при не очень интенсивном обмене данными удобнее оказывается последовательный порт.

Последовательный порт (Serial Port) передает в одном направлении одновременно всего лишь 1 бит информации. Данные могут передаваться через этот порт как от ПК к внешнему устройству, так и наоборот.

Последовательные порты компьютера обычно соответствуют международному стандарту RS-232C (Reference Standard 232 версии С), поэтому к этому порту можно подсоединить любое устройство, которое также ориентировано на этот стандарт (например, мышь, модем, последовательный принтер или последовательный порт другого компьютера). Этот интерфейс использует 9 каналов связи: один из них служит для передачи информации от компьютера, другой – для приема данных от периферийного устройства. Оставшиеся 7 каналов используются для управления самим процессом обмена данными.

Последовательный порт состоит из UART-микросхемы (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter – универсальный асинхронный приемник/передатчик) и некоторых поддерживающих компонентов. Эта микросхема принимает байты данных от шины компьютера, преобразует их в строку битов, добавляет необходимые биты кадровой синхронизации и затем выполняет передачу данных, а также выполняет обратные действия по приему строки данных.

Современные микросхемы UART оснащены буферной памятью и обеспечивают скорость передачи данных до 115 Кбит/с.

Данные при последовательной передаче разделяются служебными посылками, такими, как стартовый бит и стоп-бит. Эти биты указывают на начало и конец передачи последовательных бит данных. Данный метод передачи позволяет осуществить синхронизацию между приемной и передающей стороной, а также выровнять скорость обмена данными.

Для идентификации и распознавания ошибок при последовательной передаче в состав посылки дополнительно может включаться бит контроля четности. Значение бита контроля четности определяется двоичной суммой всех передаваемых битов данных. В режиме, когда бит контроля четности четный (Even Parity), значение бит контроля четности равно 0, если сумма битов четная, и 1 – в противном случае. Биты контроля четности имеют инверсные (обратные) значения (соответственно 1 или 0), если бит контроля четности нечетный (Odd Parity).

Стандартная комплектация компьютера содержит два последовательных порта. В современных компьютерах контроллеры последовательных портов, также, как и контроллер параллельного порта, располагается на материнской плате. Отличие разъема последовательного порта от параллельного состоим в том, что этот разъем имеет контактные штыри, а не гнезда («отцовский» разъем). В старых компьютерах использовался один 25-контактный и один 9-контактный разъем, в современных компьютерах – два 9-контактных разъема. Длина кабеля последовательного порта ограничена 18 м. Основным устройством, подключаемым к последовательному порту, является модем.

Некоторые компьютеры, особенно ориентированные на коммуникационные приложения, могут иметь последовательные порты, выполненные по другим стандартам (например, RS-449A или RS-613), имеющие более высокую скорость передачи данных на более дальние расстояния.