Семинар5-6 (Семинары)

12

тема: Шины ввода-вывода IBM PC

Вопросы:

1. Параллельный интерфейс – LPT-порт

2. Последовательный интерфейс – СОМ-порт

3. Распределение памяти IBM PC

4. Шина IEEE1394 - FireWire

Литература:

1 вопрос: [2] стр. … ;

2 вопрос: [2] стр. … ;

3 вопрос: [2] стр. … ;

4 вопрос: [2] стр. … .

1.Параллельный интерфейс – LPT-порт

Порт параллельного интерфейса был введен в РС для подключения принтера – отсюда и пошло его название LPT-порт (Line Prin Ter –построчный принтер). Хотя через этот же порт подключается и большинство лазерных принтеров, которые по принципу действия не построчные, а постраничные, название «LPT» закрепилось основательно.

Аппаратные средства «классического» стандартного LPT-порта позволяют программным способом реализовать протокол передачи данных Centronics.

Практически все современные системные платы (еще начиная с PCI-плат для процессоров 486) имеют встроенный адаптер LPT-порта. Существуют карты ISA с LPT-портом, где он чаще всего соседствует с парой СОМ-портов, а также с контроллерами дисковых интерфейсов (FDC+IDE). LPT-порт обычно присутствует и на плате дисплейного адаптера MDA (монохромный текстовый) и HGC (монохромный графический «Геркулес»). Есть и карты PCI с LPT-портами, но их применение может вызывать некоторые затруднения из-за их «чрезмерной интеллектуальности».

В спецификации PC'99 порт LPT пока еще разрешен для использования. Устройства, подключаемые к LPT-порту, рекомендуется переводить на последовательные шины USB и FireWire.

1.1 Традиционный LPT-порт

Традиционный, он же стандартный, LPT-порт называется SPP (Standard Parallel Port) и является однонаправленным портом, через который программно реализуется протокол обмена Centronics. Название и назначение сигналов разъема порта (табл. 9.6) соответствуют интерфейсу Centronics.

Адаптер LPT-порта SPP содержит три 8-битных регистра, расположенных по соседним адресам в пространстве ввода-вывода, начиная с базового адреса порта BASE (ЗВСП, 378h или 278h).

Data Register (DR) — регистр данных, адрес=ВАSЕ. Данные, записанные в этот регистр, выводятся на выходные линии интерфейса. Данные, считанные из этого регистра, в зависимости от схемотехники адаптера соответствуют либо ранее записанным данным, либо сигналам на тех же линиях, что не всегда одно и то же если в порт записать байт с единицами во всех разрядах, а на выходные линии интерфейса через микросхемы с выходом типа «открытый коллектор» подать какой-либо код (или соединить ключами какие-то линии со схемной землей), то этот код может быть считан из того же регистра данных. Таким образом на многих старых моделях адаптеров можно реализовать порт ввода дискретных сигналов, однако выходным цепям передатчика информации придется «бороться» с выходным током логической единицы выходных буферов адаптера. Схемотехника ТТЛ такие решения не запрещает, но если внешнее устройство выполнено на микросхемах КМОП, их мощности может не хватить для «победы» в этом шинном конфликте. Однако современные адаптеры часто имеют в выходной цепи согласующий резистор с сопротивлением до 50 Ом. Выходной ток короткого замыкания выхода на землю обычно не превышает 30 мА. Простой расчет показывает, что в случае короткого замыкания контакта разъема на землю при выводе «единицы» на этом резисторе падает напряжение 1,5 В, что входной схемой приемника будет воспринято как «единица». Так что такой способ ввода будет работать не на всех компьютерах. На некоторых старых адаптерах портов выходной буфер отключается перемычкой на плате. Тогда порт превращается в обыкновенный порт ввода.

Status Register (SR) — регистр состояния; представляет собой 5-битный порт ввода сигналов состояния принтера (биты SR.4-SR.7), адрес=ВА5Е+1. Бит SR.7 инвертируется — низкому уровню сигнала соответствует единичное значение бита в регистре, и наоборот.

Ниже показано назначение бит регистра состояния (в скобках даны номера контактов разъема порта).

• SR.7 - Busy — инверсное отображение состояния линии Busy (II): при низком уровне на линии устанавливается единичное значения бита — разрешение на вывод очередного байта.

• SR.6 - Ack (Acknowledge) — отображение состояния линии Ack# (10).

• SR.5 - РЕ (Paper End) — отображение состояния линии Paper End (12). Единичное значение соответствует высокому уровню линии — сигналу о конце бумаги в принтере.

• SR.4 - Select — отображение состояния линии Select (13). Единичное значение соответствует высокому уровню линии — сигналу о включении принтера.

• SR.3 - Error — отображение состояния линии Еггог# (15). Нулевое значение соответствует низкому уровню линии — сигналу о любой ошибке принтера.

• SR.2 - PIRQ — флаг прерывания по сигналу Ack# (только для порта PS/2). Бит обнуляется, если сигнал Ack# вызвал аппаратное прерывание. Единичное значение устанавливается по аппаратному сбросу и после чтения регистра состояния.

• SR[1:0] — зарезервированы.

Control Register (CR) — регистр управления, адрес°ВА5Е+2. Как и регистр данных, этот 4-битный порт вывода допускает запись и чтение (биты 0-3), но его входной буфер обычно имеет тип «открытый коллектор». Это позволяет корректно использовать линии данного регистра как входные при программировании их в высокий уровень. Биты 0, 1, 3 инвертируются.

Ниже показано назначение бит регистра управления.

• CR[7:6] — зарезервированы.

• CR.5 - Direction — бит управления направлением передачи (только для портов PS/2). Запись единицы переводит порт данных в режим ввода. При чтении состояние бита не определено.

• CR.4 - AckINTEN (Ack Interrupt Enable) — единичное значение разрешает прерывание по спаду сигнала на линии Ack# (сигнализацию запроса следующего байта).

• CR.3 - Select In — единичное значение бита соответствует низкому уровню на выходе Selecting (17) — сигналу, разрешающему работу принтера по интерфейсу Centronics.

• CR.2 - Im't — нулевое значение бита соответствует низкому уровню на выходе Init# (16) — сигнал аппаратного сброса принтера.

• CR.1 - Auto LF — единичное значение бита соответствует низкому уровня на выходе Auto LF# (14) — сигналу на автоматический перевод строки (LF — Line Feed) по приему байта возврата каретки (CR). Иногда сигнал и бит называют AutoFD или AutoFDXT.

• CR.O - Strobe — единичное значение бита соответствует низкому уровню на выходе Strobe (1) — сигналу стробирования выходных данных.

Запрос аппаратного прерывания (обычно IRQ7 или IRQ5) вырабатывается пс отрицательному перепаду сигнала на выводе 10 разъема интерфейса (Ack#) при установке CR.4=1. Во избежание ложных прерываний контакт 10 соединен резистором с шиной +5 В. Прерывание вырабатывается, когда принтер подтверждает прием предыдущего байта. Как уже было сказано, BIOS это прерывание не использует и не обслуживает.

Перечислим шаги процедуры вывода байта по интерфейсу Centronics с указанием требуемого количества шинных операций процессора (сигналов шины ISA).

1. Вывод байта в регистр данных (1 цикл IOWR#).

2. Ввод из регистра состояния и проверка готовности устройства (бит SR.7 — сигнал Busy). Этот шаг зацикливается до получения готовности или до срабатывания программного тайм-аута (минимум 1 цикл IORD#).

3. При получении готовности выводом в регистр управления устанавливается строб данных, а следующим выводом строб снимается. Обычно, чтобы переключить только один бит (строб), регистр управления предварительно считывается, что к двум циклам IOWR# добавляет еще один цикл IORD#.

Видно, что для вывода одного байта требуется 4-5 операций ввода-вывода с регистрами порта (в лучшем случае, когда готовность обнаружена по первом чтению регистра состояния) Отсюда вытекает главный недостаток вывода черт стандартный порт — невысокая скорость обмена при значительной загрузке процессора. Порт удается разогнать до скоростей 100-150 Кбайт/c при полной загрузке процессора, что недостаточно для печати на лазерный принтер. Другой недостаток — функциональный — сложность использования в качестве порта ввода.

Стандартный порт асимметричен — при наличии 12 линий (бит), нормально работающих на вывод, на ввод работает только 5 линий состояния. Если необходима симметричная двунаправленная связь, на всех стандартных портах работоспособен режим полубайтного обмена — Nibble Mode. В этом режиме, называемым также Hewlett Packard Bi-tromcs, по линиям состояния одновременно принимаются 4 бита данных, пятая линия используется для квитирования. Таким образом, каждый байт передается за два цикла, а каждый цикл требует, по крайней мере, 5 операций ввода-вывода.

1.2 Расширения параллельного порта

Недостатки стандартного порта частично устраняют новые типы портов, появившиеся в компьютерах PS/2.

Двунаправленный порт 1 (Type 1 parallel port) — интерфейс, введенный в PS/2. Такой порт кроме стандартного режима может работать в режиме ввода или двунаправленном режиме. Протокол обмена формируется программно, а для указания направления передачи в регистр управления порта введен специальный бит CR.5: 0 — буфер данных работает на вывод, 1 — на ввод. Не путайте этот порт, называемый также enhanced bi-directional, с ЕРР. Данный тип порта прижился и в обычных компьютерах.

Порт с прямым доступом к памяти (Type 3 DMA parallel port) применялся в PS/2 моделей 57, 90, 95. Был введен для повышения пропускной способности и разгрузки процессора при выводе на принтер. Программе, работающей с портом, требовалось только задать в памяти блок данных, подлежащих выводу, а затем вывод по протоколу Centronics производился без участия процессора.

Позже появились другие адаптеры LPT-портов, реализующие протокол обмена Centronics аппаратно — Fast Centronics. Некоторые из них использовали FIFO-буфер данных — Parallel Port FIFO Mode. He будучи стандартизованными, такие лорты разных производителей требовали собственных специальных драйверов. Программы с прямым управлением регистрами стандартных портов не умели использовать их дополнительные возможности. Такие порты часто входили в состав мультикарт VLB. Существуют их варианты с шиной ISA, а также встроенные в системную плату.

1.3 Стандарт IEEE 1284

Стандарт на параллельный интерфейс IEEE 1284, принятый в 1994 году, определяет порты SPP, ЕРР и ЕСР. Стандарт определяет 5 режимов обмена данными (перечислены ниже), метод согласования режима, физический и электрический интерфейсы.

• 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) через линии состояния. Этот режим обмена подходит для любых адаптеров, поскольку использует только возможности стандартного порта.

• Байтный режим (Byte Mode) — ввод байта целиком через линии данных. Этот режим работает только на портах, допускающих чтение выходных данных (Bi-Directional или PS/2 Type 1, см. выше).

• Режим ЕРР (Enhanced Parallel Port) (ЕРР 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) (ЕСР 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.

Стандарт определяет способ, по которому ПО может выяснить режим, дос тупный и хосту (PC), и ПУ (или присоединенному второму компьютеру). Режи мы нестандартных портов, реализующих протокол обмена Centronics аппарат» (Fast Centronics, Parallel Port FIFO Mode), могут и не являться режимами 1ЕЕ1284, несмотря на наличие в них черт ЕРР и ЕСР.

В компьютерах с LPT-портом на системной плате режим — SPP, ЕРР, ЕСР или их комбинация — задается в CMOS Setup. Режим совместимости полностью соответствует стандартному порту SPP.

При описании режимов обмена фигурируют следующие понятия:

хост — компьютер, обладающий параллельным портом;

ПУ — периферийное устройство, подключаемое к этому порту;

Ptr — в обозначениях сигналов — передающее ПУ;

прямой канал — канал вывода данных от хоста в ПУ;

обратный канал — канал ввода данных в хост из ПУ.

1.4 Параллельный порт и PnP

Большинство современных ПУ, подключаемых к LPT-порту, поддерживает стандарт 1284 и функции PnP. Для поддержки этих функций ПК с аппаратной точки зрения достаточно иметь контроллер интерфейса, поддерживающий стандарт 1284. Если подключаемое устройство поддерживает PnP, оно по протоколу согласования режимов 1284 «договориться» с портом, представляющим интересы ПК, о возможных режимах обмена. Далее, для работы PnP подключаемое устройство должно сообщить ОС все необходимые сведения о себе.