Сделай Сам Свою Работу на 5

ПОРТЫ АСИНХРОННОГО АДАПТЕРА Персонального компьютера





Современный персональный компьютер зачастую не оснащается последовательными портами, поэтому для оснащения современных компьютеров последовательными портами используют:

PCI платы расширения (см. рис. 10), содержащие от 1 до 8 портов последовательной передачи данных. Зачастую такие платы так же оснащаются параллельным интерфейсом LPT.

USB-to-COM переходники (см. рис. 11), имеющие с одной стороны полноценный последовательный порт стандарта RS-232, с другой стороны USB вилку для подключения к персональному компьютеру.

 
 

 


Рис.10. PCI плата расширения с COM портами

 


 

Рис.11. USB-to-COM переходник

 

В основе последовательного порта передачи данных лежит микросхема Intel 16550. Это универсальный асинхронный приемо-передатчик (UART - Universal Asynchronous Receiver Transmitter). Микросхема содержит несколько интерфейсов RS-232 и соответствующее количество внутренних регистров, предназначенных для управления работой портами ввода/вывода.

Микросхема Intel 16550 содержит регистры передатчика и приемника данных. При передаче байта он записывается в буферный регистр передатчика, откуда затем переписывается в сдвиговый регистр передатчика. Байт «выдвигается» из сдвигового регистра по битам. Аналогично имеются сдвиговый и буферный регистры приемника.



Программный доступ можно осуществлять только к буферным регистрам, копирование информации в сдвиговые регистры, и процесс сдвига выполняется микросхемой 16550 автоматически.

Внешние устройства подключаются к порту ввода/вывода через разъем DB25P (имеющий 25 выводов, рис. 12) или DB9P (имеющий 9 выводов, рис. 13). В табл. 1 приведена разводка контактов разъема последовательной передачи данных DB25P и DB9P.

 

       
   

 


Рис.12. Разъем DB25P Рис.13.Разъем DB9P

 

Таблица №1. Описание сигналов интерфейса RS-232

Обозначение цепи RS-232 Номер контакта Направление передачи Вход/выход Назначение сигнала
DB-9P DP-25P
PG - - Protected Ground. Защитное заземление, соединяется с корпусом устройства и экраном кабеля
SG - Signal Ground. Сигнальная земля - уровень напряжения, относительно которого действуют уровни сигналов.
TD выход Transmit Data. Последовательные данные – выход передатчика
RD вход Receive Data. Последовательные данные - вход приемника.
RTS выход Request To Send. Выход запроса передачи данных. Состояние «включено» уведомляет о наличии у терминала данных для передачи.
CTS вход Clear To Send – разрешение терминалу передавать данные. Состояние «выключено» запрещает передачу.
DSR вход Data Set Read. Готовность устройства на другой стороне канала к обмену данными
DTR выход Data Terminal Ready. Готовность к обмену данными.
DCD вход Data Carrier Detected. Вход сигнала обнаружения несу- щей удаленного модема
RI вход Ring Indicator. Вход индикатора вызова (звонка). В коммутируемом канале этим сигналом модем сигнализирует о принятии вызова.

 



ИНТЕРФЕЙС IEEE 1284

IEEE 1284 (порт принтера, параллельный порт, LPT) — международный стандарт, принятый в 1994 году, параллельного интерфейса для подключения периферийных устройств персонального компьютера (ПК). В основном используется для подключения к компьютеру принтера, сканера и других внешних устройств (часто использовался для подключения внешних устройств хранения данных), однако может применяться и для других целей (организация связи между двумя компьютерами, подключение каких-либо механизмов телесигнализации и телеуправления).

В настоящий момент интерфейс IEEE 1284 постепенно вытесняется более скоростным и удобным интерфейсом USB ввиду того, обладает рядом жестких требований к соединительным кабелям (длине, количеству жил), низкой скорости передачи и большим габаритам разъемов и кабелей.



Стандарт на параллельный интерфейс IEEE 1284 определяет 5 режимов обмена данными, метод согласования режима, физический и электрический интерфейсы. Согласно IEEE 1284 возможны следующие режимы работы:

· Режим совместимости (Compatibility Mode) - однонаправленный (вывод) по протоколу Centronics. Этот режим соответствует стандартному порту SPP.

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

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

· Режим ЕРР (Enhanced Parallel Port - EPP Mode) - двунаправленный обмен данными. Управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно во время цикла обращения к порту. Эффективен при работе с устройствами внешней памяти и адаптерами локальных сетей.

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

В компьютерах с LPT-портом на системной плате режим SPP, ЕРР, ЕСР или их комбинация – первоначально задается в BIOS.

ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ПОРТЫ ПК

Современный персональный компьютер зачастую не оснащается параллельными портами, тем не менее, для оснащения современных компьютеров используют:

· PCI платы расширения (см. рис. 14), содержащие от 1 до 2 параллельных портов. Часто такие платы так же оснащаются последовательными интерфейсами RS-232 (COM-порты).

· USB-to-LPT переходники (см. рис. 15), имеющие с одной стороны полноценный параллельный порт стандарта IEEE 1284, с другой стороны USB вилку для подключения к персональному компьютеру.

 

Рис.14. PCI LPT плата расширения Рис.15. USB-to LPT переходник

 

Порт на стороне управляющего устройства (компьютера) имеет 25-контактный 2-рядный разъём DB-25-female (IEEE 1284-A, рис. 16). На периферийных устройствах обычно используется 36-контактный разъём Centronics (IEEE 1284-B, рис. 17), поэтому кабели для подключения периферийных устройств к компьютеру по параллельному порту обычно выполняются с 25-контактным разъёмом DB-25-male на одной стороне и 36-контактным IEEE 1284-B на другой (AB-кабель). Упрощенная таблица с назначением контактов разъемов разъемов приведена в табл. №2. Изредка применяется AC-кабель с 36-контактным разъемом MiniCentronics (IEEE 1284-C).

Вследствие использования в интерфейсе сигналов ТТЛ длина соединительного кабеля не должна превышать 3 метров. Конструкция кабеля: витые пары в общем экране, либо витые пары в индивидуальных экранах. Изредка используются ленточные кабели.

Рис.3. Разъем IEEE 1284-A Рис.4. Разъем IEEE 1284-B

 

Для подключения сканера, и некоторых других устройств используется кабель, у которого вместо разъема (IEEE 1284-B) установлен разъем DB-25-male. Обычно сканер оснащается вторым интерфейсом с разъемом DB-25-female (IEEE 1284-A) для подключения принтера (поскольку обычно компьютер оснащается только одним интерфейсом IEEE 1284). Схемотехника сканера построена таким образом, чтобы при работе с принтером сканер прозрачно передавал данные с одного интерфейса на другой.

Таблица №2. Упрощенная таблица сигналов для интерфейса Centronics .

Контакты DB-25 IEEE 1284-A Контакты Centronics IEEE 1284-B Обозначение Примечание
Strobe Маркер цикла передачи (выход)
Data 1 Сигнал 1 (выход)
Data 2 Сигнал 2 (выход)
Data 3 Сигнал 3 (выход)
Data 4 Сигнал 4 (выход)
Data 5 Сигнал 5 (выход)
Data 6 Сигнал 6 (выход)
Data 7 Сигнал 7 (выход)
Data 8 Сигнал 8 (выход)
Acknowledge Готовность принять (вход)
Busy Занят (вход)
Paper End Нет бумаги (вход)
Select Выбор (вход)
Auto Feed Автоподача (выход)
Error Ошибка (вход)
Init Инициализация (выход)
Select In Управление печатью (выход)
18-25 16-17, 19-30 GND Общий

 

USB

Общие сведения

Увеличение числа устройств, подключаемых к персональному компьютеру, и, соответственно, развитие внешних интерфейсов привело к довольно неприятной ситуации: с одной стороны, компьютер должен иметь множество различных разъемов, с другой стороны – не все системы у конкретного потребителя, используются. Такая ситуация определяется историческим развитием интерфейсов ПК – каждый интерфейс имел свой специализированный разъем и свои подключаемые устройства. Например, СОМ–порт используется для подключения «мыши» или модема, параллельный LPT–порт – для подключения принтера, сканера или плоттера, для клавиатуры используется либо старый клавиатурный разъем, либо PS/2 и т.д. Более того, к одному порту можно подключить только одно устройство. Также имеются и другие недостатки:

1. для каждого из портов (и соответственно) устройств необходимо выделение аппаратного прерывания (IRQ);

2. большая часть портов требует наличия у подключаемого внешнего устройства блока питания;

3. каждое устройство имеет свой протокол обмена, многократно увеличивая необходимое количество драйверов, как в памяти, так и в инсталяции операционной системы.

4. конфигурирование огромного числа устройств, многие из которых не поддерживают спецификации Plug and Play, является очень трудновыполнимой работой для обычного пользователя.

5. большое число разнокалиберных кабелей, соединяющих компьютер с периферийными устройствами, создает значительные трудности при перестановке компьютера.

Естественно, что производители компьютерного оборудования («железа») предприняли шаги по созданию единого и универсального интерфейса. В начале 1996 года была опубликована версия 1.0 нового интерфейса, названного USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина), а осенью 1998 года – спецификация 1.1, исправляющая недостатки, обнаруженные в первой редакции. Весной 2000 года была опубликована версия 2.0. В версиях последовательно росла пропускная способность шины: 1.5 Мбит/с (режим LS = Low Speed – низкая скорость), 12 Мбит/с (режим FS = Full Speed – полная скорость), 480 Мбит/с (режим HS = High Speed – высокая скорость). При этом предусматривается обратная совместимость USB 2.0 с USB 1.X, т.е. USB 1.X -устройства будут работать с USB 2.0 – контроллерами на скорости 12 Мбит/с. Скорость 480 Мбит/с достигается только при одновременном использовании USB 2.0 – контроллера и USB 2.0 – периферии. В 2009 году на рынке появился интерфейс USB 3.0.

Шина USB разрабатывалась для обеспечения механизма взаимодействия компьютерных и телефонных систем (CTI – Computer Telephony Integration), однако вскоре члены комитета разработки поняли, что USB имеет множество достоинств. Достоинства USB – интерфейса для пользователей состоят в следующем.

1. Легко реализуемая изменяемость состава периферийных устройств ПК.

2. Обеспечение питающим напряжением маломощных подключаемых устройств.

3. Простота использования USB – устройств для конечного пользователя:

a) одинаковые кабели и разъемы для всех устройств;

b) обеспечение исключения неправильного соединения устройств;

c) встроенная поддержка архитектуры Plug and Play;

d) возможность “горячего” подключения/отключения периферийных устройств;

e) самоидентификация устройств с автоматическим конфигурированием (USB поддерживает динамическое подключение устройств: перенумерация устройств шины идет постоянно, отслеживаются изменения физической топологии).

4. Надежность работы. Организована помехозащищенность на уровне аппаратного и шинного протоколов.

5. Возможность использования всей полосы пропускания шины при подключении низкоскоростных устройств.

6. Высокая скорость обмена.

Сравнение USB с другими интерфейсами приведено в табл. 1.

Таблица 1

Интерфейс Число подключаемых устройств/число проводов/длина проводов Скорость Использование
USB 2.0 127/5/10 1,5 Мбит/с 12 Мбит/с 480 Мбит/с Любые устройства с USB – портом
USB 3.0   1,5 Мбит/с 12 Мбит/с 480 Мбит/с 4,8 Гбит/с  
RS-232 1/6/12 115,2 Кбит/с Модем, мышь, ключи, …
RS-485 32/2/10 10 Мбит/с Промышленные устройства
Fire Wire (IEEE 1394) 64/3/15 400 Мбит/с Видеоданные, дисковые массивы (Fire Wire – порты)
Ethernet 1024/3/1600 10 Мбит/с 100 Мбит/с 1 Гбит/с Сетевые соединения ПК (сетевая карта)
Токовая петля MIDI 1/3/50 31.5 Кбит/с Музыкальные устройства
LPT 1/9/10 от 800 Кбит/с до 16 Мбит/с Принтеры, сканеры

Как видно из таблицы единственным конкурентом является интерфейс IEEE 1394, который имеет к тому же разрешенный потребляемый ток в 1,5 А.

Весной 1997 года стали поставляться компьютеры, оборудованные разъемами для подключения USB – устройств. На рис. 1 приведена иконка, официально обозначающая шину USB как в Windows, так и на USB – разъемах.

Рис. 1. Иконка USB-шины

 

В настоящее время USB – шина получила повсеместное распространение как в настольных компьютерах, так и в ноутбуках. Считается, что ноутбук должен иметь 3 – 4 порта USB, порт RJ-45, RJ-11, слот для карт PCMCIA, порт для карт памяти.

 

 

Составляющие USB

Шина USB содержит следующие элементы: хост – контроллер, устройство, порт, хаб, корневой хаб, функция, логическое устройство.

 

Хост-контроллер

Хост – контроллер (Host Controller) – это главный контроллер, который входит в состав системного блока компьютера и управляет работой всех устройств, подключенных к шине USB. Для краткости его часто называют просто «хост». На шине USB допускается наличие только одного хоста. Системный блок персонального компьютера содержит один или несколько хостов, каждый из которых управляет отдельной шиной USB.

Хост имеет следующие обязанности:

· обнаружение подключения и отключения устройств USB;

· управление потоками данных;

· сбор статистики;

· обеспечение энергосбережения подключенными ПУ.

Системное программное обеспечение хост–контроллера управляет взаимодействием между устройствами и их программным обеспечением, функционирующем на хост-компьютере и согласует:

· нумерацию и конфигурирование устройств;

· изохронные передачи данных;

· управление энергопотреблением;

· информацию об управлении устройствами и шиной.

 

Устройство

Устройство (Device) может представлять собой хаб, функцию или их комбинацию (Computer Device). Обычно USB-устройство представляет собой USB-функцию с портом для подключения. Примерами функций являются:

· указатели: мышь, планшет, световое перо;

· устройства ввода: клавиатура, сканер;

· устройства вывода: принтер, звуковые колонки, монитор;

· Flash USB Drive, и т.д.

Спецификация USB достаточно строго определяет набор свойств, которые должно поддерживать любое USB-устройство.

1. Адресация– устройство должно отзываться на назначенный ему уникальный адрес, и только на него.

2. Конфигурирование – после включения или сброса устройство должно представлять нулевой адрес для возможности конфигурирования его портов.

3. Передача данных – устройство имеет набор конечных точек для обмена данными с хостом. Для конечных точек, допускающие разные типы передач, после конфигурирования доступен только один из них.

4. Управление энергопотреблением – любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. При конфигурировании устройство заявляет свои потребности тока, но не более 500 мА. Если хаб не может обеспечить устройству заявленный ток, устройство не будет использоваться.

5. Приостановка– устройство USB должно поддерживать приостановку (Suspended Mode), при которой его потребляемый ток не превышает 500мА. Устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины.

6. Удаленное пробуждение– возможность удаленного пробуждения (Remote Wakeup) позволяет приостановленному устройству подать сигнал хосту, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена.

Хаб

Хаб (Hub), другое название концентратор, – устройство, которое обеспечивает дополнительные порты(Port – точка подключения) на шине USB. Другими словами, хаб преобразует один порт (восходящий порт, Upstream Port) в множество портов (нисходящие порты, Downstream Ports). Архитектура допускает соединение нескольких хабов (не более 5).

Хаб является ключевым элементом системы PnP в архитектуре USB и состоит из двух частей – контроллера (Hub Controller) и повторителя(Hub Repeater). Контроллер содержит регистры для взаимодействия с хостом. Доступ к регистрам осуществляется по специальным командам обращения к хабу. Команды позволяют конфигурировать хаб, управлять нисходящими портами и опрашивать их состояние. Повторитель представляет собой управляемый ключ, соединяющий выходной порт с входным. Он имеет средства сброса и приостановки передачи сигналов.

Хаб выполняет следующие функции.

1. Обеспечивает физическое подключение устройств, формируя и воспринимая сигналы в соответствии со спецификацией шины на каждом из своих портов.

2. Отслеживает состояние подключенных к нему устройств, уведомляя хост об изменениях.

3. Обнаруживает ошибки на шине, выполняет процедуры восстановления и изолирует неисправнее сегменты шины. Хаб следит за сигналами, генерируемыми устройствами. Неисправное устройство может не вовремя «замолчать» (потерять активность) или, наоборот, что-то «бормотать» (babble). Эти ситуации отслеживает ближайший к устройству хаб и запрещает восходящие передачи от такого устройства не позже, чем на границе кадра. Благодаря этому неисправное устройство не сможет заблокировать всю шину.

4. Обеспечивает связь сегментов шины, работающих на разных скоростях.

5. Управляет подачей питающего напряжения на нисходящие порты, причем предусматривается установка ограничения на ток, потребляемый каждым портом.

Нисходящие порты хабов могут находиться в следующих состояниях:

1. Питание отключено (Powered off) – на порт не подается питание (возможно только для хабов, коммутирующих питание). Выходные буферы переводятся в высокоимпенданское состояние, входные сигналы игнорируются.

2. Отсоединен(Disconnected) – порт не передает сигналы ни в одном направлении, но способен обнаружить подключение устройства.

3. Запрещен(Disabled) – порт передает только сигнал сброса (по команде контроллера), сигналы от порта (кроме обнаружения отключения) не воспринимаются.

4. Разрешен(Enabled) – порт передает сигналы в обоих направлениях. По команде контроллера или обнаружении ошибки кадра порт переходит в состояние «Запрещен», а по обнаружении отключения – в состояние «Отсоединен».

5. Приостановлен (Suspended) – порт передает сигнал перевода в состояние останова («Спящий режим»). Если хаб находится в активном состоянии сигналы через порт не пропускаются ни в одном направлении.

Состояние каждого порта идентифицируется контроллером хаба с помощью отдельных регистров. Имеется общий регистр, биты которого отражают факт изменения состояния каждого порта. Это позволяет хосту быстро узнать состояние хаба, а в случае обнаружения изменений специальными транзакциями уточнить состояние.

Хаб, входящий в состав хоста, называется корневым хабом (Root Hub).

 

Функция

Функция (Function) – это периферийное устройство или отдельный блок периферийного устройства, способный передавать и принимать информацию по шине USB. Каждая функция предоставляет конфигурационную информацию, описывающую возможности периферийного устройства и требования к ресурсам. Перед использованием функция должна быть сконфигурирована хостом – ей должна быть выделена полоса в канале и выбраны опции конфигурации.

Логическое устройство (Logical device)USB представляет собой набор конечных точек.

 

3.3.3 Физическая архитектура шины USB.

Физическая архитектура шины USB приведена на рис. 2 и подчиняется следующим правилам.

Рис. 2 Физическая архитектура шины USB

 

1. Шина USB является хост-центрической: единственным ведущим устройством, которое управляет обменом, является хост, все периферийные устройства подключаются к хосту и являются ведомыми.

2. Физическое соединение устройств между собой осуществляется по топологии многоярусной звезды, вершиной которой является корневой хаб.

3. Центром каждой звезды является хаб.

4. К каждому порту хаба может подключаться периферийное устройство или другой хаб, при этом допускается до 5 уровней каскадирования хабов, не считая корневого. Каждый промежуточный хаб имеет несколько нисхоящих портов для подключения периферийных устройств или нижестоящих хабов и един восходящий порт для подключения к корневому хабу или нисходящему порту вышестоящего хаба.

5. Каждый кабельный сегмент соединяет между собой две точки: хост с хабом или функцией, хаб с функцией или другим хабом.

Детали физической архитектуры скрыты от прикладных программ в системном ПО, поэтому логическая архитектура выглядит как обычная звезда, центром которой является прикладная программа. Взаимодействие приложений с устройствами USB выполняется только через программный интерфейс. Этот интерфейс, обеспечивающий независимость обращений к устройствам, предоставляется системным ПО хост-контроллера USB.

 

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.