Применение LPT-порта

Обычно LPT-порт используют для подключения принтера (см. п. 8.3.1), однако этим его применение не исчерпывается.

Для связи двух компьютеров по параллельному интерфейсу применяются различные кабели в зависимости от режимов используемых портов. Самый простой и медленный — полубайтный режим, работающий на всех портах. Для этого режима в кабеле достаточно иметь 10 сигнальных и один общий провод. Распайка разъемов кабеля приведена в табл. 1.11. Связь двух PC данным кабелем поддерживается стандартным ПО типа Interlnk из MS-DOS или Norton Commander.

Высокоскоростная связь двух компьютеров может выполняться и в режиме ЕСР (режим ЕРР неудобен, поскольку требует синхронизации шинных циклов ввода-вывода двух компьютеров).

Подключение сканера к LPT-порту эффективно, только если порт обеспечивает хотя бы двунаправленный режим (Bi-Di), поскольку основной поток — ввод. Луч­ше использовать порт ЕСР, если этот режим поддерживается сканером (или ЕРР, что маловероятно).

Подключение внешних накопителей (Iomega Zip Drive, CD-ROM и др.), адаптеров ЛВС и других симметричных устройств ввода-вывода имеет свою специфику. В режиме SPP наряду с замедлением работы устройства заметна принципиальная асимметрия этого режима: чтение данных происходит в два раза медленнее, чем (весьма небыстрая) запись. Применение двунаправленного режима (Bi-Di или PS/2 Туре 1) устранит эту асимметрию — скорости сравняются. Только перейдя на ЕРР или ЕСР, можно получить нормальную скорость работы. В режиме ЕРР или ЕСР подключение к LPT-порту почти не уступает по скорости подключению через ISA-контроллер. Это справедливо и при подключении устройств со стандартным ин­терфейсом шин к LPT-портам через преобразователи интерфейсов (например, LPT - IDE, LPT - SCSI, LPT - PCMCIA). Заметим, что винчестер IDE, под­ключенный через адаптер к LPT-порту, для системы может быть представлен как устройство SCSI (это логичнее с программной точки зрения).

2. Последовательные интерфейсы

Последовательный интерфейс для передачи данных исполь­зует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. Отсюда — название интерфейса и порта. Английские термины — Serial Interface и Serial Part (иногда их неправильно переводят как «серийные»). Последовательная передача позволяет сокра­тить количество сигнальных линий и увеличить дальность связи. Характерной особенностью является применение не-ТТЛ сигналов. В ряде последовательных интерфейсов при­меняется гальваническая развязка внешних (обычно вход­ных) сигналов от схемной земли устройства, что позволяет соединять устройства, находящиеся под разными потенциа­лами. Ниже будут рассмотрены интерфейсы RS-232C, RS-422А, RS-423A, RS-485, токовая петля, MIDI, а также СОМ-порт.

2.1. Способы последовательной передачи

Последовательная передача данных может осуществляться в асинхронном или синхронном режимах. При асинхронной пе­редаче каждому байту предшествует старт-бит, сигнализи­рующий приемнику о начале посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит паритета (четности,). Завер­шает посылку стоп-бит, гарантирующий паузу между посыл­ками (рис. 2.1). Старт-бит следующего байта посылается в любой момент после стоп-бита, то есть между передачами воз­можны паузы произвольной длительности. Старт-бит, имею­щий всегда строго определенное значение (логический 0), обес­печивает простой механизм синхронизации приемника по сигналу от передатчика. Подразумевается, что приемник и передатчик работают на одной скорости обмена. Внутренний генератор синхронизации приемника использует счетчик-де­литель опорной частоты, обнуляемый в момент приема нача­ла старт-бита. Этот счетчик генерирует внутренние стробы, по которым приемник фиксирует последующие принимаемые

биты. В идеале стробы располагаются в середине битовых интервалов, что позволяет принимать данные и при незна­чительном рассогласовании скоростей приемника и пере­датчика. Очевидно, что при передаче 8 бит данных, одного контрольного и одного стоп-бита предельно допустимое рас­согласование скоростей, при котором данные будут распоз­наны верно, не может превышать 5%. С учетом фазовых ис­кажений и дискретности работы внутреннего счетчика синхронизации реально допустимо меньшее отклонение час­тот. Чем меньше коэффициент деления опорной частоты внут­реннего генератора (чем выше частота передачи), тем больше погрешность привязки стробов к середине битового интерва­ла, и требования к согласованности частот становятся более строгими. Чем выше частота передачи, тем больше влияние искажений фронтов на фазу принимаемого сигнала. Взаимо­действие этих факторов приводит к повышению требований к согласованности частот приемника и передатчика с ростом частоты обмена.

Формат асинхронной посылки позволяет выявлять возмож­ные ошибки передачи:

» Если принят перепад, сигнализирующий о начале посыл­ки, а по стробу старт-бита зафиксирован уровень логи­ческой единицы, старт-бит считается ложным и прием­ник снова переходит в состояние ожидания. Об этой ошибке приемник может и не сообщать.

« Если во время, отведенное под стоп-бит, обнаружен уро­вень логического нуля, фиксируется ошибка стоп-бита.

'« Если применяется контроль четности, то после посылки бит данных передается контрольный бит. Этот бит дополняет количество единичных бит данных до четного или нечетного в зависимости от принятого соглашения. Прием байта с неверным значением контрольного бита приводит к фиксации ошибки.

Контроль формата позволяет обнаруживать обрыв линии:

при этом принимаются логический нуль, который сначала трактуется как старт-бит, и нулевые биты данных, потом срабатывает контроль стоп-бита.

Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоро­стей обмена: 50, 75, 110, 150,300,600,1200,2400,4800,9600, 19 200, 38 400, 57 600 и 115 200 бит/с. Иногда вместо еди­ницы измерения «бит/с» используют «бод» (baud), но при рассмотрении двоичных передаваемых сигналов это некор­ректно. В бодах принято измерять частоту изменения со­стояния линии, а при недвоичном способе кодирования (ши­роко применяемом в современных модемах) в канале связи скорости передачи бит (бит/с) и изменения сигнала (бод) могут отличаться в несколько раз (подробнее см. в прило­жении А).

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

Асинхронный обмен в PC реализуется с помощью СОМ-пор­та с использованием протокола RS-232C.

Синхронный режим передачи предполагает постоянную ак­тивность канала связи. Посылка начинается с синхробайта, за которым сразу же следует поток информационных бит. Если у передатчика нет данных для передачи, он заполняет паузу непрерывной посылкой байтов синхронизации. Оче­видно, что при передаче больших массивов данных наклад­ные расходы на синхронизацию в данном режиме будут ниже, чем в асинхронном. Однако в синхронном режиме необхо­дима внешняя синхронизация приемника с передатчиком, поскольку даже малое отклонение частот приведет к ис­кажению принимаемых данных. Внешняя синхронизация возможна либо с помощью отдельной линии для передачи сигнала синхронизации, либо с использованием самосинхронизирующего кодирования данных, при котором на сто­роне приемника из принятого сигнала могут быть выделены импульсы синхронизации. В любом случае синхронный ре­жим требует дорогих линий связи или оконечного оборудо­вания. Для PC существуют специальные платы — адаптеры SDLC (дорогие), поддерживающие синхронный режим об­мена. Они используются в основном для связи с большими машинами (mainframes) IBM и мало распространены. Из синхронных адаптеров в настоящее время применяются адап­теры интерфейса V.35.

На физическом уровне последовательный интерфейс имеет различные реализации, различающиеся способом передачи электрических сигналов. Существует ряд родственных меж­дународных стандартов: RS-232C, RS-423A, RS-422A и RS-485. На рис. 2.2 приведены схемы соединения приемни­ков и передатчиков, а также показаны ограничения на дли­ну линии (L) и максимальную скорость передачи данных (V).

Несимметричные линии интерфейсов RS-232C и RS-423A имеют самую низкую защищенность от синфазной помехи, хотя дифференциальный вход приемника RS-423A несколько смягчает ситуацию. Лучшие параметры имеет двухточеч­ный интерфейс RS-422A и его магистральный (шинный) аналог RS-485, работающие на симметричных линиях свя­зи. В них для передачи каждого сигнала используются диф­ференциальные сигналы с отдельной (витой) парой прово­дов.

В перечисленных стандартах сигнал представляется потен­циалом. Существуют последовательные интерфейсы, где информативен ток, протекающий по общей цепи передат­чик-приемник — «токовая петля» и MIDI. Для связи на ко­роткие расстояния приняты стандарты беспроводной инф­ракрасной связи. Наибольшее распространение в PC получил простейший из перечисленных — стандарт RS-232C, реализуемый СОМ-портами. В промышленной автоматике широко применяется RS-485, а также RS-422A, встречаю­щийся и в некоторых принтерах. Существуют преобразо­ватели сигналов для согласования этих родственных ин­терфейсов.

2.2. Интерфейс RS-232C

Интерфейс предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные (ООД — оконечное оборудование данных или АПД — аппаратура передачи дан­ных; DTE — Data Terminal Equipment), к оконечной аппарату­ре каналов данных (АКД; DCE — Data Communication Equipment). В роли АПД может выступать компьютер, прин­тер, плоттер и другое периферийное оборудование. В роли АКД обычно выступает модем. Конечной целью подключе­ния является соединение двух устройств АПД. Полная схе­ма соединения приведена на рис. 2.3. Интерфейс позволяет исключить канал удаленной связи вместе с парой устройств АПД, соединив устройства непосредственно с помощью нуль-модемного кабеля (рис. 2.4).

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

2.2.1. Электрический интерфейс

Стандарт RS-232C использует несимметричные передатчи­ки и приемники — сигнал передается относительно общего провода — схемной земли (симметричные дифференциаль­ные сигналы используются в других интерфейсах — напри­мер, RS-422). Интерфейс НЕ ОБЕСПЕЧИВАЕТ ГАЛЬВАНИ­ЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКИ устройств. Логической единице соответствует напряжение на входе приемника в диапазоне -12...-3 В. Для линий управляющих сигналов это состояние называется ON («включено»), для линий последовательных данных — MARK. Логическому нулю соответствует диапазон +3...+12 В. Для линий управляющих сигналов состояние называется OFF («выключено»), а для линий последователь­ных данных — SPACE. Диапазон -3...+3 В — зона нечувстви­тельности, обусловливающая гистерезис приемника: состоя­ние линии будет считаться измененным только после пересечения порога (рис. 2.5). Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах -12...-5 В и +5...+12 В для представления единицы и нуля соответствен­но. Разность потенциалов между схемными землями (SG) соединяемых устройств должна быть менее 2 В, при более высокой разности потенциалов возможно неверное воспри­ятие сигналов. Интерфейс предполагает наличие ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕ­НИЯ для соединяемых устройств, если они оба питаются от сети переменного тока и имеют сетевые фильтры.

Подключение и отключение интерфейсных кабелей устройств с автономным питанием должно производиться при отклю­ченном питании. Иначе разность невыровненных потенциа­лов устройств в момент коммутации может оказаться при­ложенной к выходным или входным (что опаснее) цепям интерфейса и вывести из строя микросхемы.

Для интерфейса RS-232C специально выпускаются буфер­ные микросхемы приемников (с гистерезисом и передатчи­ком двуполярного сигнала). При несоблюдении правил за­земления и коммутации они обычно являются первыми жертвами «пиротехнических» эффектов. Иногда их устанав­ливают в «кроватках», что облегчает замену. Цоколевка мик­росхем формирователей сигналов RS-232C приведена на рис. 2.6. Часто буферные схемы входят прямо в состав ин­терфейсных БИС. Это удешевляет изделие, экономит место на плате, но в случае аварии оборачивается крупными фи­нансовыми потерями. Вывести из строя интерфейсные мик­росхемы замыканием сигнальных цепей маловероятно: ток короткого замыкания передатчиков обычно не превосходит 20 мА.

Стандарт RS-232C регламентирует типы применяемых разъе­мов.

На аппаратуре АПД (в том числе на СОМ-портах) принято устанавливать вилки (male — «папа») DB-25P или более ком­пактный вариант — DB-9P. Девятиштырьковые разъемы не имеют контактов для дополнительных сигналов, необходи­мых для синхронного режима (в большинстве 25-штырько-вых разъемов эти контакты не используются).

На аппаратуре АКД (модемах) устанавливают розетки (female — «мама») DB-25Swm DB-9S.

Это правило предполагает, что разъемы АКД могут подклю­чаться к разъемам АПД непосредственно или через переход­ные «прямые» кабели с розеткой и вилкой, у которых кон­такты соединены «один в один». Переходные кабели могут являться и переходниками с 9- на 25-штырьковые разъемы (рис. 2.7).

Если аппаратура АПД соединяется без модемов, то разъемы устройств (вилки) соединяются между собой нуль-модемным кабелем (Zero-modem или Z-modem), имеющим на обоих кон­цах розетки, контакты которых соединяются перекрестно по одной из схем, приведенных на рис. 2.8.

Если на каком-либо устройстве АПД установлена розетка — это почти стопроцентный признак того, что к другому уст­ройству оно должно подключаться прямым кабелем, анало­гичным кабелю подключения модема. Розетка устанавли­вается обычно на тех устройствах, у которых удаленное подключение через модем не предусмотрено.

В табл. 2.1 приведено назначение контактов разъемов СОМ-портов (и любой другой аппаратуры АПД). Контакты разъема DB-25S определены стандартом EIA/TIA-232-E, разъем DB-9S описан стандартом EIA/ TIA-574. У модемов назва­ние цепей и контактов такое же, но роли сигналов (вход-выход) меняются на противоположные.

Подмножество сигналов RS-232C, относящихся к асинхрон­ному режиму, рассмотрим с точки зрения СОМ-порта PC. Следует помнить, что активному состоянию сигнала («вклю­чено») и логической единице передаваемых данных соответ­ствует отрицательный потенциал (ниже -3 В) сигнала ин­терфейса, а состоянию «выключено» и логическому нулю — положительный (выше +3 В). Назначение сигналов интер­фейса приведено в табл. 2.2.

1*— шлейф 8-битных мультикарт.

2*— шлейф 16-битных мультикарт и портов на системных платах. 3*— вариант шлейфа портов на системных платах. 4*— широкий шлейф к 25-контактному разъему.

2.2.2. Управление потоком данных

Для управления потоком данных (Flow Control) могут ис­пользоваться два варианта протокола — аппаратный и про­граммный. Иногда управление потоком путают с квитиро­ванием, но это разные методы достижения одной цели — согласования темпа передачи и приема. Квитирование (Handshaking) подразумевает посылку уведомления о полу­чении элемента, в то время как управление потокам предпо­лагает посылку уведомления о невозможности последующе­го приема данных.

Аппаратный протокол управления потоком RTS/CTS (Hardware Flow Control) использует сигнал CTS, который поз­воляет остановить передачу данных, если приемник не готов к их приему (рис. 2.9). Передатчик «выпускает» очередной байт только при включенной линии CTS. Байт, который уже начал передаваться, задержать сигналом CTS невозможно (это гарантирует целостность посылки). Аппаратный протокол обеспечивает самую быструю реакцию передатчика на состо­яние приемника. Микросхемы асинхронных приемопередат­чиков имеют не менее двух регистров в приемной части —

сдвигающий, для приема очередной посылки, и хранящий, из которого считывается принятый байт. Это позволяет реали­зовать обмен по аппаратному протоколу без потери данных.

Аппаратный протокол удобно использовать при подключе­нии принтеров и плоттеров, если они его поддерживают (рис. 2.10). При непосредственном (без модемов) соедине­нии двух компьютеров аппаратный протокол требует пере­крестного соединения линий RTS — CTS.

Если аппаратный протокол не используется, у передающего терминала должно быть обеспечено состояние «включено» на линии CTS перемычкой RTS — CTS. В противном случае передатчик будет «молчать».

Программный протокол управления потоком XON/XOFF пред­полагает наличие двунаправленного канала передачи данных. Работает протокол следующим образом: если устройство, принимающее данные, обнаруживает причины, по которым не может их дальше принимать, оно по обратному последо­вательному каналу посылает байт-символ XOFF (13h). Про­тивоположное устройство, приняв этот символ, приостанав­ливает передачу. Когда принимающее устройство снова становится готовым к приему данных, оно посылает символ

XON (llh), приняв который противоположное устройство возобновляет передачу. Время реакции передатчика на из­менение состояния приемника по сравнению с аппаратным протоколом увеличивается по крайней мере на время пере­дачи символа (XON или XOFF) плюс время реакции програм­мы передатчика на прием символа (рис. 2.11). Из этого сле­дует, что данные без потерь могут приниматься только приемником, имеющим дополнительный буфер принимае­мых данных и сигнализирующим о неготовности заблаго­временно (имея в буфере свободное место).

Преимущество программного протокола заключается в от­сутствии необходимости передачи управляющих сигналов интерфейса — минимальный кабель для двустороннего об­мена может иметь только 3 провода (см. рис. 2.8а). Недо­статком, кроме требования наличия буфера и большего вре­мени реакции (снижающего общую производительность канала из-за ожидания сигнала XON), является сложность реализации полнодуплексного режима обмена. В этом слу­чае из потока принимаемых данных должны выделяться (и обрабатываться) символы управления потоком, что ограни­чивает набор передаваемых символов. Минимальный вари­ант кабеля для подключения принтера (плоттера) с прото­колом XON/XOFF приведен на рис. 2.12.

Кроме этих двух распространенных стандартных протоко­лов, поддерживаемых и ПУ, и ОС, существуют и другие. Некоторые плоттеры с последовательным интерфейсом ис­пользуют программное управление, но посылают не стан­дартные символы XON/XOFF, а слова (ASCII-строки). Такой обмен на уровне системной поддержки протокола практи­чески не поддерживается (эти плоттеры непосредственно«разговаривают» с прикладной программой). Конечно, можно написать драйвер СОМ-порта (перехватчик INT 14h), но не­обходимость обработки в нем текстовых сообщений от уст­ройства вывода обычно не вызывает восторга у системного программиста. Кабель для подключения совпадает с приве­денным на рис. 2.12.

2.3. Интерфейс «токовая петля»

Распространенным вариантом последовательного интерфей­са является токовая петля. В ней электрическим сигналом является не уровень напряжения относительно общего про­вода, а ток в двухпроводной линии, соединяющей приемник и передатчик. Логической единице (состоянию «включено») соответствует протекание тока 20 мА, а логическому нулю — отсутствие тока. Такое представление сигналов для описан­ного формата асинхронной посылки позволяет обнаружить обрыв линии — приемник заметит отсутствие стоп-бита (об­рыв линии действует как постоянный логический нуль).

Токовая петля обычно предполагает гальваническую развяз­ку входных цепей приемника от схемы устройства. При этом источником тока в петле является передатчик (этот вариант называют активным передатчиком). Возможно и питание от приемника (активный приемник), при этом выходной ключ передатчика может быть также гальванически развязан с ос­тальной схемой передатчика. Существуют упрощенные ва­рианты без гальванической развязки, но это уже вырожден­ный случай интерфейса. Токовая петля с гальванической развязкой позволяет пере­давать сигналы на расстояния до нескольких километров. Расстояние определяется сопротивлением пары проводов и уровнем помех. Поскольку интерфейс требует пары прово­дов для каждого сигнала, обычно используют только два сиг­нала интерфейса. В случае двунаправленного обмена при­меняются только сигналы передаваемых и принимаемых данных, а для управления потоком используется программ­ный метод XON/XOFF. Если двунаправленный обмен не тре­буется, используют одну линию данных, а для управления потоком обратная линия задействуется для сигнала CTS (ап­паратный протокол) или встречной линии данных (про­граммный протокол).

Преобразовать сигналы RS-232C в токовую петлю можно с помощью несложной схемы (рис. 2.13). Здесь принтер под­ключается по токовой петле к СОМ-порту с аппаратным управлением потоком. Для получения двуполярного сигна­ла, требуемого для входных сигналов СОМ-порта, приме­няется питание от интерфейса.

При надлежащем ПО одной токовой петлей можно обеспечить двунаправленную полудуплексную связь двух устройств. При этом каждый приемник «слышит» как сигналы передатчика на противоположной стороне канала, так и сигналы своего передатчика. Они расцениваются коммуникационными паке­тами просто как эхо-сигнал. Для безошибочного приема пе­редатчики должны работать поочередно.

2.4. Интерфейс MIDI

Цифровой интерфейс музыкальных инструментов MIDI (Musical Instrument Digital Interface) является двунаправ­ленным последовательным асинхронным интерфейсом с ча­стотой передачи 31,25 Кбит/с. Этот интерфейс, разработан­ный в 1983 году, стал фактическим стандартом для сопряжения компьютеров, синтезаторов, записывающих и воспроизводящих устройств, микшеров, устройств специаль­ных эффектов и другой электромузыкальной техники.

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

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

Интерфейс определяет три типа портов: MIDI-In, MIDI-Out nMIDI-Thru.

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

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

Транзитный порт MIDI-Thru (не обязателен) служит для ре­трансляции входного сигнала.

В качестве разъемов применяются 5-контактные разъемы DIN, распространенные в бытовой звуковой аппаратуре. На всех устройствах устанавливаются розетки, на кабелях — вилки. Все соединительные кабели MIDI унифицированы (рис. 2.14). Контакт 2 — экран кабеля — соединяется с общим проводом только на стороне передатчика (на разъемах MIDI-Out и MIDI-Thru).

В маркировке входов и выходов, указанной около разъемов, бывают разночтения. Одни производители пишут «In» или «Out» в соответствии с функцией разъема данного устрой­ства (и это) правильно), тогда любой кабель соединяет «In» и «Out». Другие считают, что подпись должна обозначать функ­цию подключаемого устройства. Тогда кабель будет соединять разъемы с обозначениями «In» — «In» и «Out» — «Out».

Интерфейс позволяет объединить группу до 16 устройств в локальную сеть. Топология должна подчиняться правилу:

вход MIDI-In одного устройства должен подключаться к выходу MIDI-Out или MIDI-Thru другого. При планирова­нии MIDI-сети необходимо руководствоваться информа­ционными потоками и связью устройств. Управляющие устройства — клавиатуры, секвенсоры (в режиме воспроиз- ведения), источники синхронизации — должны находиться перед управляемыми. Если устройства нуждаются в двуна­правленном обмене, они соединяются в кольцо. Возможно применение специальных мультиплексоров, позволяющих логически коммутировать несколько входных потоков в один выходной. Вырожденным случаем кольца является двуна­правленное соединение двух устройств. Несколько вариан­тов соединения приведено на рис. 2.15.

В PC MIDI-порт имеется на большинстве звуковых адапте­ров, его сигналы выведены на неиспользуемые контакты (12 и 15) разъема игрового адаптера. Для подключения устройств MIDI требуется переходной адаптер, реализующий интер­фейс «токовая петля». Переходной адаптер обычно встраи­вается в специальный кабель, схема которого приведена на рис. 2.16. Некоторые модели PC имеют встроенные адапте­ры и стандартные 5-штырьковые разъемы MIDI.

В PC для интерфейса MIDI применяются порты, совмести­мые с контроллером MPU-401 (Roland) в режиме UART. В пространстве ввода/вывода MPU-401 занимает два смеж­ных адреса MPU (обычно 330h) и MPU+1:

'» Порт DATA (адрес MPU+0) — запись и считывание байт, передаваемых и принимаемых по интерфейсу MIDI. Порт STATUS/COMMAND (адрес MPU+1) - чтение со­стояния / запись команд (запись — только для интеллек­туального режима). В байте состояния определены сле­дующие биты:

Бит 7 - DSR (Data Set Ready) - готовность (DSR-0) при­нятых данных для чтения. Бит устанавливается в «I», когда все принятые байты считаны из регистра данных.

Бит 6 - DRR (Data Read Ready) - готовность (DRR=0) UART к записи в регистр данных или команд. Условие готовности к записи не возникнет, если приемник имеет непрочитанный байт данных.

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

СОМ-порт

Последовательный интерфейс СОМ-порт (Communication Port — коммуникационный порт) появился в первых моделях IBM PC. Он был реализован на микросхеме асинхронного при­емопередатчика Intel 8250. Порт имел поддержку BIOS (/Л/Т 74/?), однако широко применялось (и применяется) взаи­модействие с портом на уровне регистров. Поэтому во всех PC-совместимых компьютерах для последовательного интерфейса применяют микросхемы приемопередатчиков, совместимые с i8250. В ряде отечественных PC-совместимых (почти) компь­ютеров для последовательного интерфейса применялась мик­росхема КР580ВВ51 — аналог i8251. Однако эта микросхема является универсальным синхронно-асинхронным приемопе­редатчиком (УСАПП или USART — Universal Asynchronous Receiver-Transmitter). Совместимости с PC на уровне регист­ров СОМ-порта такие компьютеры не имеют. Хорошо, если у соответствующих компьютеров имеется «честный» драйвер B/OS INT 14h, а не заглушка, возвращающая состояние модема «всегда готов» и ничего не делающая. Совместимость на уров­не регистров СОМ-порта считается необходимой. Многие раз­работчики коммуникационных пакетов предлагают работу и через B/OS INT 14h, однако на высоких скоростях это неэффек­тивно. Говоря о СОМ-порте PC, по умолчанию будем подра­зумевать совместимость регистровой модели с i8250 и реали­зацию асинхронного интерфейса RS-232C.

2.5.1. Использование СОМ-портов

СОМ-порты чаще всего применяют дляподключения манипуляторов (мышь, трекбол). В этом случае порт исполь­зуется в режиме последовательного ввода; питание произво­дится от интерфейса. Мышь с последовательным интерфей­сом — Serial Mouse —может подключаться к любому исправному порту. Для согласования разъемов порта и мыши возможно при­менение переходника DB-9S-DB-25P или DB-25S-DB-9P. Для мыши требуется прерывание, для порта СОМ 1 — IRQ4, для COM2 — IRQ3. Жесткая привязка номера IRQ к номеру порта обусловлена свойствами драйверов. Каждое событие — пере­мещение мыши или нажатие-отпускание кнопки — кодируется двоичной посылкой по интерфейсу RS-232C. Применяется асин­хронная передача; двуполярное питание обеспечивается от уп­равляющих линий интерфейса (табл. 2.3).

Две разновидности Serial Mouse — MS-Mouse и PC-Mouse (Mouse Systems Mouse) — требуют соответствующих драй­веров, многие мыши имеют переключатель MS/PC. Мышь с «чужим» драйвером либо не отзывается, либо «скачет» за­гадочным образом. Эти разновидности используют различ­ные форматы посылок: при одинаковой скорости 1200 бит/с, одном стоп-бите и отсутствии контроля четности Microsoft Mouse использует 7 бит данных, a PC-Mouse — 8 бит. Мышь посылает пакет при каждом изменении состояния — переме­щении, нажатии или отпускании кнопки. Пакет, передавае­мый MS-Mouse, состоит из трех байт (табл. 2.4). PC-Mouse передает 5 байт (табл. 2.5). Здесь LB (Left Buttom), MB (Middle Buttom) и RB (Right Buttom) означают состояние левой, средней и правой кнопок, Х[7:0] и Y[7:0] — биты от­носительного перемещения мыши с момента предыдущей посылки по координатам Х и Y. Положительным значениям соответствует перемещение по координате Х вправо, а по координате Y вниз для MS-Mouse и вверх для PC-Mouse. Отсюда становятся понятными беспорядочные перемещения курсора на экране при несоответствии драйвера типу мыши.

Дляподключения внешних модемов используется полный (9-проводный) кабель АПД-АКД, схема которого приведена на рис. 2.7. Этот же кабель используется для согласования разъемов (по количеству контактов); возможно применение переходников 9-25, предназначенных для мышей. Для ра­боты коммуникационного ПО обычно требуется использо­вание прерываний, но здесь есть свобода выбора номера (ад­реса) порта и линии прерывания. Если предполагается работа на скоростях 9600 бит/с и выше, то СОМ-порт должен быть реализован на микросхеме UART 16550A или совместимой. Возможности работы с использованием FIFO-буферов и об­мена по каналам DMA зависят от коммуникационного ПО.

Длясвязи двух компьютеров, удаленных друг от друга на небольшое расстояние, используют и непосредственное со­единение их СОМ-портов нуль-модемным кабелем (рис. 2.8). Использование программ типа Norton Commander или Interink MS-DOS позволяет обмениваться файлами со ско­ростью до 115,2 Кбит/с без применения аппаратных преры­ваний. Это же соединение может использоваться и сетевым пакетом Lantastic, предоставляющим более развитый сервис.

Подключение принтеров и плоттеров к СОМ-порту требу­ет применения кабеля, соответствующего выбранному про­токолу управления потоком: программному XON/XOFF или аппаратному RTS/CTS. Схемы кабелей приведены на рис. 2.10 и 2.12. Аппаратный протокол предпочтительнее. Прерыва­ния при выводе средствами DOS (командами COPY или PRINT) не используются.

СОМ-порт используется дляподключения электронных ключей (Security Devices), предназначенных для защиты от нелицензированного использования ПО. Эти устройства мо­гут быть как «прозрачными», позволяя воспользоваться тем же портом для подключения периферии, так и полностью занимающими порт.

СОМ-порт при наличии соответствующей программной под­держки позволяет превратить PC в терминал, эмулируя си­стему команд распространенных специализированных тер­миналов (VT-52, VT-100 и т. д.). Простейший терминал получается, если замкнуть друг на друга функции BIOS об­служивания СОМ-порта (INT 14h), телетайпного вывода (/Л/Т 10h) и клавиатурного ввода (INT 16h). Однако такой тер­минал будет работать лишь на малых скоростях обмена (если, конечно, его делать не на Pentium), поскольку функции BIOS хоть и универсальны, но не слишком быстры.

Интерфейс RS-232C широко распространен в различных ПУ и терминалах. СОМ-порт может использоваться и как дву­направленный интерфейс, у которого имеется 3 программно-управляемые выходные линии и 4 программно-читаемые входные линии с двуполярными сигналами. Их использова­ние определяется разработчиком. Существует, например, схе­ма однобитного широтно-импульсного преобразователя, по­зволяющего записывать звуковой сигнал на диск PC, используя входную линию СОМ-порта. Воспроизведение этой записи через обычный динамик PC позволяет передать речь. В настоящее время, когда звуковая карта стала почти обязательным устройством PC, это не впечатляет, но когда-то такое решение было интересным.

СОМ-порт используют длябеспроводных коммуникацийс применением излучателей и приемников инфракрасного диапазона — IR (Infra Red) Connection. Этот интерфейс по­зволяет осуществлять связь между парой устройств, уда­ленных на расстояние, достигающее нескольких метров. Раз­личают инфракрасные системы низкой (до 115,2 Кбит/с), средней (1,152 Мбит/с) и высокой (4 Мбит/с) скорости. Низкоскоростные системы служат для обмена короткими сообщениями, высокоскоростные — для обмена файлами между компьютерами, подключения к компьютерной сети, вывода на принтер, проекционный аппарат и т. п. Ожида­ются более высокие скорости обмена, которые позволят передавать «живое видео». В 1993 году создана ассоциация разработчиков систем инфракрасной передачи данных IrDA (Infrared Data Association), призванная обеспечить совмес­тимость оборудования от различных производителей. В настоящее время действует стандарт IrDA 1.1. Имеются соб­ственные системы фирм Hewlett Packard — HP-SIR (Hewlett Packard Slow Infra Red) - и Sharp - ASK (Amplitude Shifted Keyed IR). Основные характеристики интерфейсов следу­ющие:

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

is IrDA MIR (Middle Infra Red) - 1,2 Мбит/с; » IrDA FIR (Fast Infra Red) - 4 Мбит/с;

ж Sharp ASK - 9,6-57,6 Кбит/с.

На скоростях до 115 200 бит/с для инфракрасной связи ис­пользуются UART, совместимые с 16450/16550. В современ­ных системных платах на использование инфракрасной связи может конфигурироваться порт COM2. В этом случае на пе­реднюю панель компьютера устанавливается внешний при­емопередатчик — «инфракрасный глаз», который подключа­ется к разъему IR-Connector системной платы.

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

Инфракрасные излучатели не создают помех в радиочастот­ном диапазоне и обеспечивают конфиденциальность пере­дачи. ИК-лучи не проходят через стены, поэтому зона при­ема ограничивается небольшим легко контролируемым пространством. Инфракрасная технология привлекательна для связи портативных компьютеров со стационарными ком­пьютерами или док-станциями. Инфракрасный интерфейс имеют некоторые модели принтеров.

2.5.2. Микросхемы асинхронных приемопередатчиков

Преобразование параллельного кода в последовательный для передачи и обратное преобразование при приеме данных вы­полняют специализированные микросхемы UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter — универсальный асинхрон­ный приемопередатчик). Эти же микросхемы формируют и обрабатывают управляющие сигналы интерфейса. СОМ-пор-ты IBM PC XT/AT базируются на микросхемах, совместимых на уровне регистров с UART i8250 - 8250/16450/16550А Это семейство представляет собой усовершенствование начальной модели, направленное на повышение быстродействия, сниже­ние потребляемой мощности и загрузки процессора при ин­тенсивном обмене. Отметим следующее:

« 8250 имеет ошибки (появление ложных прерываний), учтенные в XT BIOS. » 8250А — ошибки исправлены, в результате чего потеряна совместимость с BIOS. Работает в некоторых моделях AT, но непригоден для скорости 9600 бит/с.

ж 8250В — исправлены ошибки 8250 и 8250А, восстановле­на ошибка в прерываниях — возвращена совместимость с XT BIOS. Работает в AT под DOS (кроме скорости 9600 бит/с).

Микросхемы 8250х имеют невысокое быстродействие по об­ращениям со стороны системной шины. Они не допускают обращения к своим регистрам в смежных шинных циклах процессора — для корректной работы с ними требуется вве­дение программных задержек между обращениями CPU.

В компьютерах класса AT применяют микросхемы UART следующих модификаций:

а 16450 — быстродействующая версия 8250 для AT. Оши­бок 8250 и полной совместимости с XT BIOS не имеет. Требуется для работы OS/2 с СОМ-портами.

ж 16550 — развитие 16450. Может использовать канал DMA для обмена данными. Имеет FIFO-буфер, но некорректность его работы не позволяет им воспользо­ваться.

я 16550А — имеет работающие 16-байтные FIFO-буферы приема и передачи и возможность использования DMA. Именно этот тип UART должен применяться в AT при интенсивных обменах на скоростях 9600 бит/с и выше. Совместимость с этой микросхемой обеспечивает боль­шинство микросхем контроллеров портов ввода/вывода, входящих в современные чипсеты.

Микросхемы UART 16550А с программной точки зрения представляют собой набор регистров, доступ к которым определяется адресом (смещением адреса регистра относи­тельно базового адреса порта) и значением бита DLAB (бита 7 регистра LCR). В адресном пространстве микросхема зани­мает 8 смежных адресов. Список регистров UART 16550А и способы доступа к ним приведены в табл. 2.6. Микросхе­мы 8250 отличаются отсутствием регистра FCR и всех воз­можностей FIFO и DMA.

* Некоторые биты допускают только чтение. Запись в регистр может привести к сбою протокола.

THR — промежуточный регистр данных передатчика (только для записи). Данные, записанные в регистр, будут пересланы в выходной сдвигающий регистр (когда он будет свободен), из которого поступят на выход при наличии разрешающего сигнала CTS. Бит 0 передается (и принимается) первым. При длине посылки менее 8 бит старшие биты игнорируются.

RBR — буферный регистр принимаемых данных (только для чтения). Данные, принятые входным сдвигающим регистром, помещаются в регистр RBR, откуда они могут быть считаны процессором. Если к моменту окончания приема очередно­го символа предыдущий не был считан из регистра, фикси­руется ошибка переполнения. При длине посылки менее 8 бит старшие биты в регистре имеют нулевое значение.

DLL — регистр младшего байта делителя частоты.

DLM — регистр старшего байта делителя частоты. Делитель

определяется по формуле D=115200/V, где V — скорость пе- редачи, бит/с. Входная частота синхронизации 1,8432 МГц делится на заданный коэффициент, после чего получается 16-кратная частота передачи данных.

IER — регистр разрешения прерываний. Единичное значение бита разрешает прерывание от соответствующего источника.