Лекция 11. Внешние интерфейсы.

Данный раздел посвящен внешним интерфейсам, позволяющим расширять функциональные возможности компьютера, подключая к нему разнообразное периферийное оборудование, и обеспечивать коммуникации с другими компьютерами. Здесь описаны традиционные интерфейсы (LPT-, COM-, GAME- и MIDI-порты) и шина SCSI.

По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на параллельные и последовательные. В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно. В ПК традиционно используется параллельный интерфейс Centronics, реализуемый LPT-портами. В последовательном интерфейсе биты передаются друг за другом обычно по одной линии. COM-порты обеспечивают последовательный интерфейс в соответствии со стандартом RS-232C.

При рассмотрении интерфейсов важным параметром является пропускная способность. Технический прогресс приводит к неуклонному росту передаваемой информации.

Вполне очевидно, что по эффективной скорости передачи данных параллельный интерфейс должен превосходить последовательный. Однако повышение производительности за счет увеличения тактовой частоты передачи данных упирается в волновые свойства соединительных кабелей. В случае параллельного интерфейса начинают сказываться задержки сигналов при прохождении их по линиям кабеля, и, что самое неприятное, задержки в разных линиях интерфейса могут быть различными вследствие неидентичности проводов и контактов разъемов. Для надежной передачи данных временные диаграммы обмена строятся с учетом возможного разброса времени прохождения сигнала, что является одним из факторов, сдерживающих рост пропускной способности параллельных интерфейсов. В последовательных интерфейсах есть свои проблемы повышения производительности.

Для интерфейса, соединяющего (физически или логически) два устройства, различают три режима обмена ¾ дуплексный, полудуплексный и симплексный. Дуплексный режим позволяет по одному каналу связи одновременно передавать информацию в обоих направлениях. Он может быть асимметричным, если пропускная способность в противоположных направлениях имеет существенно различающиеся значения, или симметричным. Полудуплексный режим позволяет передавать информацию в противоположных направлениях поочередно, при этом интерфейс имеет средства переключения направления канала. Симплексный (односторонний) режим предусматривает только одно направление передачи информации (во встречном направлении передаются только вспомогательные сигналы интерфейса).

Другим немаловажным параметром интерфейса является допустимое удаление соединяемых устройств. Оно ограничивается как частотными свойствами кабелей, так и помехозащищенностью интерфейса. Как правило, чем длиннее соединительный кабель, тем ниже предел его пропускной способности. Прикладное следствие из этого правила ¾ если с длинным кабелем возникают проблемы передачи, то придется либо менять кабель на более качественный или (и) короткий, либо снижать физическую скорость обмена.

11.1. Параллельный интерфейс: LPT-порт

Порт параллельного интерфейса был введен в ПК для подключения принтера ¾ отсюда и пошло его название LPT-порт (Line PrinTer ¾ построчный принтер). Хотя через этот же порт подключается и большинство лазерных принтеров, которые по принципу действия не построчные, а постраничные, название “LPT” закрепилось основательно.

Адаптер параллельного интерфейса представляет собой набор регистров, расположенных в пространстве ввода/вывода. Порт имеет внешнюю 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов.

BIOS поддерживает до четырех LPT-портов (LPT1 ¾ LPT4) своим сервисом, обеспечивая через них связь с принтерами по интерфейсу Centronics. Понятие Centronics относится как к набору сигналов и протоколу взаимодействия, так и к 36-контактному разъему, устанавливаемому на принтерах.

Традиционный (стандартный) LPT-порт (SPP ¾ Standard Parallel Port) является однонаправленным портом, на базе которого программно реализуется протокол обмена Centronics.

Способ и возможности конфигурирования LPT-портов зависят от его исполнения и местоположения. Порт, расположенный на плате расширения, устанавливаемой в слот ISA или ISA+VLB, обычно конфигурируется джамперами на самой плате. Порт, расположенный на системной плате, обычно конфигурируется через BIOS Setup.

Режим работы порта может быть задан в нескольких вариантах, например:

SPP ¾ порт работает только в стандартном однонаправленном программно-управляемом режиме.

PS/2, он же Bi-Directional ¾ отличается от SPP возможностью реверса канала.

Практически все принтеры могут работать с портом в режиме SPP. Двунаправленный режим (Bi-Di) не повышает производительности, но дает дополнительные возможности для сообщения состояния и параметров принтера. Этот же режим эффективен при подключении сканера, но лучше использовать порт ECP (Extended Capability Port), если этот режим поддерживается сканером.

11.2. Последовательные интерфейсы: COM-порт

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

При асинхронной передаче каждому биту предшествует старт-бит, сигнализирующий приемнику о начале очередной посылки, за которым следуют биты данных. Завершает посылку стоп-бит, гарантирующий определенную выдержку между соседними посылками. Старт-бит, имеющий всегда строго определенное значение (лог.0), обеспечивает простой механизм синхронизации приемника по сигналу от передатчика.

Формат асинхронной посылки позволяет выявить возможные ошибки передачи.

Асинхронный обмен вПК реализуется с помощью COM-порта с использованием протокола RS-232C.

Синхронный режим передачи предполагает постоянную активность сигнала связи. Посылка начинается с синхробайта, за которым вплотную следует поток информационных бит. Синхронный режим используется в основном для связи с большими машинами.

COM-порты чаще всего используются для подключения манипуляторов (мышь, трекбол). В этом случае порт используется в режиме последовательного ввода, обеспечивая питание устройства от интерфейса. Иногда мощности выходного напряжения не хватает для питания светодиодов оптических датчиков (главного потребителя энергии в мышке), что приводит к неработоспособности мыши с данным портом.

Следующим по популярности идет подключение внешних модемов для связи с удаленными компьютерами или выхода в глобальные сети.

11.3. Интерфейс MIDI

Цифровой интерфейс музыкальных инструментов MIDI (Musical Instrument Digital Interface) является последовательным двунаправленным асинхронным интерфейсом с частотой передачи 31,25 Кбит/с. Этот интерфейс стал фактическим стандартом для сопряжения компьютеров, синтезаторов, записывающих и воспроизводящих устройств, микшеров, устройств специальных эффектов и другой электромузыкальной техники.

В настоящее время интерфейс MIDI имеют и дорогие синтезаторы, и дешевые музыкальные клавиатуры, которые могут использоваться в качестве устройств ввода компьютера. В ПК интерфейс MID-порт имеется на большинстве плат звуковых адаптеров, и его сигналы выведены на неиспользуемые контакты (12 и 15) разъема игрового адаптера. При этом для подключения стандартных устройств MIDI требуется переходный адаптер.

11.4. Игровой адаптер ¾ Game-порт.

Изначально порт был предназначен для подключения джойстиков и других игровых устройств ввода, но он с успехом применяется и для подключения более серьезных датчиков.

11.5. Шина SCSI

Small Computer System Interface (“скази”) ¾ интерфейс системного уровня, в отличие от выше описанных портов, представляет собой шину: сигнальные выводы множества устройств абонентов соединены друг с другом “один в один”. В отличие от жестких шин расширения, SCSI реализуется в виде кабельного шлейфа, который допускает соединение до 8 устройств внутреннего и внешнего исполнения. Одно из них ¾ хост-адаптер (Host Adapter) связывает шину SCSI с системной шиной компьютера, семь других свободны для периферии. К шине могут подключаться винчестеры, CD-ROM, стриммеры, сканеры и другое оборудование, применяемое не только для ПК.