Семинар5-6 (Семинары), страница 2

Устройство с поддержкой PnP распознаются ОС на этапе загрузки, если они подключены к порту интерфейсным кабелем и у них включено питание. Если ОС обнаруживает подключенное устройство PnP, отличное от того, что прописано в ее реестре для данного порта, она пытается установить драйверы, требуемые для данного устройства.

1.5 Применение LPT-порта

Наиболее распространенным применением LPT-порта является подключение принтера, однако, этим его применение не исчерпывается.

При подключении двух ПК по параллельному интерфейсу возможна реализация двух режимов:

• медленный – полубайтный режим (работает на всех портах);

• высокоскоростной – EСP (EPP неудобен, т.к. требует синхронизации шинных циклов ввода-вывода двух ПК).

Подключение сканера к LPT-порту эффективно, только если порт обеспечивает хотя бы двунаправленный режим (Bi-Di), поскольку основной поток – ввод.

Подключение внешних накопителей, адаптеров ЛВС и др. симметричных устройств ввода-вывода имеет свою специфику, характерную для конкретных устройств.

2.Последовательный интерфейс – Com-порт

Последовательный интерфейс для передачи данных в одном направлении использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом — последовательно. Английские названия интерфейса и порта — Serial Interface и Serial Port, иногда их неправильно переводят как «серийные». Последовательная передача позволяет сократить количество сигнальных линий и добиться улучшения связи на больших расстояниях.

Начиная с первых моделей, в PC имелся последовательный интерфейс - СОМ-поpm (Communications Port — коммуникационный порт). Этот порт обеспечивает асинхронный обмен по стандарту RS-232C. Синхронный обмен в PC поддерживают лишь специальные адаптеры, например SDLC или V.35.

Название порта указывает на его основное назначение — подключение коммуникационного оборудования (например, модема) для связи с другими компьютерами, сетями и периферийными устройствами. К порту могут непосредственно подключаться и периферийные устройства с последовательным интерфейсом: принтеры, плоттеры, терминалы и др. СОМ-порт широко используется для подключения мыши, а также организации непосредственной связи двух компьютера. К СОМ-порту подключают и электронные ключи.

Практически все современные системные платы (еще начиная с PCI-плат для процессоров 486) имеют встроенные адаптеры двух СОМ-портов. Один из портов может использоваться и для беспроводной инфракрасной связи с периферийными устройствами (IrDA). Существуют карты ISA с парой СОМ-портов, где они чаще всего соседствуют с LPT-портом, а также с контроллерами дисковых интерфейсов (FDC+IDE). «Классический» СОМ-порт позволял осуществлять обмен данными только программно-управляемым способом, при этом для пересылки каждого байта процессору приходится выполнять несколько инструкций. Современные порты имеют FIFO-буферы данных и позволяют выполнять обмен по каналу DMA, существенно разгружая центральный процессор, что особенно важно на больших скоростях обмена.

В спецификации PC'99 традиционные СОМ-порты не рекомендованы, но еще разрешены для использования. Если они есть, то должны быть совместимыми с UART 16550A и обеспечивать скорость до 115,2 Кбит/с. Устройства, которые традиционно используют СОМ-порт, рекомендуется переводить на последовательные шины USB и FireWire.

2.1 Протокол RS-232C

Стандарт RS-232C описывает 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 Логическому нулю соответствует диапазон +3...+12 В. Диапазон -3...+3 В — зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника: состояние линии будет считаться измененным только после пересечения порога. Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах -12...-5 В и +5...+12 В для представления единицы и нуля соответственно.

Интерфейс предполагает наличие защитного заземления для соединяемых устройств, если они оба питаются от сети переменного тока и имеют сетевые фильтры.

Нормальная последовательность управляющих сигналов для случая подключения модема к СОМ-порту приведена на рис. 5.1. (Напомним, что положительному уровню соответствует логическое состояние «выключено», а отрицательному — включено).

Рис.5.1

Рассмотрим эту последовательность управляющих сигналов.

1. Установкой сигнала DTR компьютер указывает на желание использовать модем.

2. Установкой сигнала DSR модем сигнализирует о своей готовности к установлению соединения.

3. Сигналом RTS компьютер запрашивает разрешение на передачу и заявляет о своей готовности принимать данные от модема.

4. Сигналом CTS модем уведомляет о своей готовности к приему данных от компьютера и передаче их в линию.

5. Снятием сигнала CTS модем сигнализирует о невозможности дальнейшего приема (например, буфер заполнен) — компьютер должен приостановить передачу данных.

6. Восстановлением сигнала CTS модем разрешает компьютеру продолжить передачу (в буфере появилось место).

7. Снятие сигнала RTS может означать как заполнение буфера компьютера (модем должен приостановить передачу данных в компьютер), так и отсутствие данных для передачи в модем. Обычно в этом случае модем прекращает пересылку данных в компьютер.

8. Модем подтверждает снятие сигнала RTS сбросом сигнала CTS.

9. Компьютер повторно устанавливает сигнала RTS для возобновления передачи.

10. Модем подтверждает готовность к этим действиям.

11. Компьютер указывает на завершение обмена.

12. Модем отвечает подтверждением.

13. Компьютер снимает сигнала DTR, что обычно является сигналом на разрыв соединения («повесить трубку»),

14. Модем сбросом сигнала DSR сообщает о разрыве соединения.

Из рассмотрения этой последовательности становятся понятными соединения DTR-DSR и RTS-CTS в нуль-модемных кабелях.

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. 5.2). 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.

Рис.5.2

Формат асинхронной посылки позволяет выявлять возможные ошибки передачи: ложный старт-бит, потерянный стоп-бит, ошибку паритета. 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.

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 режим является байт-ориентированным (символьно-ориентированным) — минимальная пересылаемая единица информации — байт (символ). В отличие от него синхронный режим (не поддерживаемый СОМ-портами) является бит-ориентированным — кадр, пересылаемый по нему, может иметь произвольное количество бит.

2.2 CОМ-порт и PnP

Современные ПУ, подключаемые к СОМ-порту, могут поддерживать спецификацию PnP. Основная задача ОС заключается в идентификации подключенного устройства, для чего разработан несложный протокол, реализуемый на любых СОМ-портах чисто программным способом. Протокол позволяет определить факт подключения устройства, считать его строку идентификатора PnP и определить факт отключения. Строка идентификатора PnP должна иметь маркеры начала и конца, между которыми располагается тело идентификатора в стандартной форме. Перед маркером начала может находиться 16 символов, не относящихся к идентификатору PnP. Протокол разрабатывался фирмой с учетом совместимости не только с PnP-устройствами – он обеспечивает устойчивость системы к сообщениям, не являющимся PnP-идентификаторами.

2.3 Использование СОМ-портов

СОМ-порт широко применяется для подключения различных периферийных и коммуникационных устройств, связи с технологическим оборудованием, объектами управления и наблюдения, программаторами и прочими устройствами через протокол RS-232C. СОМ-порт может функционировать и как двунаправленный интерфейс, у которого имеются 3 программно-управляемых выходных линии и 4 программно-читаемых входных линии с двуполярными сигналами. Их использование определяется разработчиком.

3.Последовательный интерфейс USB

USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры РС, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Шина USB совсем молодая – версия 1.0 была опубликована в 1996 году, и скептики иронично расшифровывали ее название как «неиспользуемая последовательна» шина» (Unused Serial Bus). Однако сейчас устройств с интерфейсом USB уже предостаточно. Большинство их поддерживает версию 1.1, которая вышла осенью 1998 года — в ней были устранены обнаруженные проблемы первой редакции. Весной 2000 года опубликована спецификация USB 2.0, в которой предусмотрено 40-кратное повышение пропускной способности шины. Первоначально (в версиях 1.0 и 1.1) шина обеспечивала две скорости передачи информации: полную скорость FS (full speed) — 12 Мбит/с и низкую скорость LS (Low Speed) — 1,5 Мбит/с. В версии 2.0 определена еще и высокая скорость HS (High Speed) — 480 Мбит/с, которая позволяет существенно расширить круг устройств, подключаемых к шине. В одной и той же системе могут присутствовать и одновременно работать устройства со всеми тремя скоростями. Шина позволяет соединять устройства, удаленные от компьютера на расстояние до 25 м (с использованием промежуточных хабов).

С середины 1996 года выпускаются PC со встроенным контроллером USB, реализуемым чипсетом системной платы.

3.1 Организация шины USB

USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Согласно спецификации USB, устройства (device) могут являться хабами, функциями или их комбинацией.

Хаб (hub) – кабельный концентратор (ключевой элемент системы PnP в архитектуре USB) только обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине.

Устройство-функция (function) USB предоставляет системе дополнительные функциональные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т.п.

Комбинированное устройство (compound device), реализующее несколько функций, представляется как хаб с подключенными к нему несколькими устройствами.

Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (host controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

Шина USB является хост-центрической: единственным ведущим устройством которое управляет обменом, является хост-компьютер, а все присоединенные к ней периферийные устройства — исключительно ведомые. В этом она отличается от шины FireWire, где все устройства равноправны. Физическая топология шины USB — многоярусная звезда. Ее вершиной является хост-контроллер, объединенный с корневым хабом (root hub), как правило, двухпортовым. Хаб является устройством-разветвителем. Кроме того, он может являться источником питания для подключенных к нему устройств. К каждому порту хаба может непосредственно подключаться ПУ или промежуточный хаб; шина допускает до 5 уровней каскадирования хабов, не считая корневого.

3.2 Модель передачи данных

Каждое устройство на шине USB (их может быть до 127) при подключении автоматически получает свой уникальный адрес. Логически устройство представляет собой набор независимых конечных точек (endpoint), с которыми хост-контроллер (и клиентское ПО) обменивается информацией. Каждая конечная точка имеет свой номер и описывается следующими параметрами;

• требуемая частота доступа к шине и допустимые задержки обслуживания;

• требуемая полоса пропускания канала;

• требования к обработке ошибок;

• максимальные размеры передаваемых и принимаемых пакетов;

• тип передачи;

• направление передачи (для передач массивов и изохронного обмена).

Каждое устройство обязательно имеет конечную точку с номером 0, используемую для инициализации, общего управления и опроса его состояния. Эта точка всегда оказывается сконфигурированной при включении питания и подключении устройства к шине. Она поддерживает передачи типа «управление».