- Параллельный интерфейс - LPT-порт

· Лекция 12. Параллельный интерфейс:LPT-порт.  Понюхов Е. В.

Порт параллельного интерфейса был введен в PC для подключения принтера —LP'T-порт (Line PrinTer — построчный принтер).

Адаптер параллельного интерфейса представляет собой набор регистров, расположенных в пространстве ввода/вывода. Регистры порта адресуются относительно базового адреса порта, стандартными значениями которого являются 386h, 378h и 278h. 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-LPT4) своим сервисом — прерыванием INT 17h, обеспечивающим через них связь с принтерами по интерфейсу Centronics. Этим сервисом BIOS осуществляет вывод символа, инициализацию интерфейса и принтера, а также опрос состояния принтера.

Интерфейс Centronics

Понятие Centronics относится как к набору сигналов и протоколу взаимодействия, так и к 36-контактному разъему, устанавливаемому на принтерах. Назначение сигналов приведено в табл. 1.

Таблица 1.

Сигналы интерфейса Centronics

Интерфейс Centronics поддерживается большинством принтеров с параллельным интерфейсом, его отечественным аналогом является интерфейс ИРПР-М.

Традиционный LPT-порт

Традиционный порт SPP (Standard Parallel Port) является однонаправленным портом, на базе которого программно реализуется протокол обмена Centronics. Порт обеспечивает возможность вырабатывания запроса аппаратного прерывания по импульсу на входе АСК#. Сигналы порта выводятся на разъем DB-25S (розетка), установленный непосредственно на плате адаптера (или системной плате) или соединяемый с ней плоским шлейфом. Название и назначение сигналов разъема порта (табл. 2) соответствуют интерфейсу Centronics.

Таблица 2.

Разъем стандартного LPT-порта

* I/O задает направление передачи (вход/выход) сигнала порта; 0/I обозначает выходные линии, состояние которых считывается при чтении из соответствующих портов вывода.

** Символом «» отмечены инвертированные сигналы (1 в регистре соответствует низкому уровню линии).

*** Вход Ack# соединен резистором (10 кОм) с питанием +5 В.

Стандартный порт имеет три 8-битных регистра, расположенных по соседним адресам в пространстве ввода/вывода, начиная с базового адреса порта (BASE).

Data Register (DR) — регистр данных, адрес= BASE. Данные, записанные в этот порт, 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.

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

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 выходной буфер обычно имеет тип открытый коллектор. Это позволяет более корректно использовать линии данного регистра как входные при программировании их в высокий уровень. Биты О, 1, 3 инвертируются — единичному значению в регистре соответствует низкий уровень сигнала, и наоборот.

Запрос аппаратного прерывания (обычно IRQ7 или IRQ5) вырабатывается по отрицательному перепаду сигнала на выводе 10 разъема интерфейса (АСК#) при установке CR.4=1. Прерывание вырабатывается, когда принтер подтверждает прием предыдущего байта.

Процедура вывода байта по интерфейсу Centronics через стандартный порт включает следующие шаги (в скобках приведено требуемое количество шинных операций процессора):

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

Ввод из регистра состояния и проверка готовности устройства (бит SR.7 — сигнал BUSY).

По получении готовности выводом в регистр управления устанавливается строб данных, а следующим выводом строб снимается (2 цикла IOWRff).

Стандартный порт сильно асимметричен — при наличии 12 линий (и 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, называемом также и Hewlett Packard Bitronics, одновременно передаются 4 бита данных, пятая линия используется для квитирования.

Функции BIOS для LPT-порта

BIOS обеспечивает поддержку LPT-порта, необходимую для организации вывода по интерфейсу Centronics.

В процессе начального тестирования POST BIOS проверяет наличие параллельных портов по адресам ЗВСЬ, 378h и 278h и помещает базовые адреса обнаруженных портов в ячейки BIOS DATA AREA 0:0408h, 040Ah, 040СП, 040ЕП. Эти ячейки хранят адреса портов с логическими именами LPT1-LPT4. В ячейки 0:0478, 0479, 047А, 047В заносятся константы, задающие выдержку тайм-аута для этих портов.

Поиск портов обычно ведется по базовому адресу. Если считанный байт совпал с записанным, считается, что найден LPT-порт, и его адрес помещают в ячейку BIOS DATA AREA. Адрес порта LPT4 BIOS самостоятельно установить не может, поскольку в списке стандартных адресов поиска имеются только три вышеуказанных.

Обнаруженные порты инициализируются — записью в регистр управления формируется и снимается сигнал Initff, после чего записывается значение 00h, соответствующее исходному состоянию сигналов интерфейса.

Программное прерывание BIOS I NT 17h обеспечивает следующие функции поддержки LPT-порта:

00h — вывод символа из регистра AL по протоколу Centronics. Данные помещаются в выходной регистр и после готовности принтера формируется строб.

01h — инициализаия интерфейса и принтера.

02h — опрос состояния принтера.

При вызове INT 17h номер функции задается в регистре АН, номер порта — в регистре DX (0 — LPT1,      1 — LPT2...). При возврате после любой функции регистр АН содержит код состояния — биты регистра состояния SR[7:3] (биты 6 и 3 инвертированы) и флаг тайм-аута в бите 0. Флаг тайм-аута устанавливается при неудачной попытке вывода символа.

Расширения параллельного порта

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

Двунаправленный порт 1 (Typel parallel port) — интерфейс, введенный с PS/2. Такой порт кроме стандартного режима может работать в режиме ввода или двунаправленном. Протокол обмена формируется программно, а для указания направления передачи в регистр управления порта введен специальный бит: при CR.5=0 буфер данных работает на вывод, при CR.5=1 — на ввод.

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

Физический и электрический интерфейс

Стандарт IEEE 1284 определяет физические характеристики приемников и передатчиков сигналов.

К передатчикам предъявляются следующие требования:

Уровни сигналов без нагрузки не должны выходить за пределы -0,5... +5,5 В.

Уровни сигналов при токе нагрузки 14 мА должны быть не ниже +2,4 В для высокого уровня (voh) и не выше +0,4 В для низкого уровня (vol) на постоянном токе.

Выходной импеданс ro, измеренный на разъеме, должен составлять 50(±)5 Ом на уровне voh-vol. Для обеспечения заданного импеданса в некоторых случаях используют последовательные резисторы в выходных цепях передатчика. Согласование импеданса передатчика и кабеля снижает уровень импульсных помех.

Скорость нарастания (спада) импульса должна находиться в пределах 0,05-0,4 В/нс.

Режимы передачи данных

Стандарт IEEE 1284 определяет пять режимов обмена, один из которых полностью соответствует традиционному стандартному программно-управляемому выводу по протоколу Centronics. Остальные режимы используются для расширения функциональных возможностей и повышения производительности интерфейса. Стандарт определяет способ согласования режима, по которому программное обеспечение может определить режим, доступный и хосту (в нашем случае это PC), и периферийному устройству.

Режимы нестандартных портов, реализующих протокол обмена Centronics аппаратно («Fast Centronics, «Parallel Port FIFO Mode»), могут и не являться режимами IEE1284, несмотря на наличие в них черт ЕРР и ЕСР.

При описании режимов обмена фигурируют следующие понятия:

Хост — компьютер, обладающий параллельным портом.

ПУ — периферийное устройство, подключаемое к этому порту (им может оказаться и другой компьютер). В обозначениях сигналов Ptr обозначает передающее периферийное устройство.

Прямой канал — канал вывода данных от хоста в ПУ.

Обратный канал  канал ввода   данных в хост из ПУ.

Полубайтный режим ввода — Nibble Mode

Режим полубайтного обмена является наиболее общим решением задачи двунаправленного обмена данными, поскольку может работать на всех стандартных (традиционных) портах. Все эти порты имеют 5 линий ввода состояния, используя которые периферийное устройство может посылать в PC байт тетрадами (nibble — полубайт, 4 бита) за два приема. Назначение сигналов порта приведено в табл 4.

Таблица 4.

Сигналы LPT-порта в полубайтном режиме ввода

Прием байта данных в полубайтном режиме состоит из следующих фаз:

1. Хост сигнализирует о готовности приема данных установкой низкого уровня на линии HostBusy.

2. ПУ в ответ помещает тетраду на входные линии состояния.

3. ПУ сигнализирует о действительности тетрады установкой низкого уровня на линии PtrClk.

4. Хост устанавливает высокий уровень на линии HostBusy, указывая на заня­тость приемом и обработкой тетрады.

5. ПУ отвечает установкой высокого уровня на линии PtrCLk.

6. Шаги 1-5 повторяются для второй тетрады.

Полубайтный режим работает на всех портах со скоростью обмена не выше 50 Кбайт/с. Его применяют в тех случаях, когда прием данных от устройства производится в небольших объемах (например, для связи с принтерами).

Двунаправленный байтный режим Byte Mode

Данный режим обеспечивает прием данных с использованием двунаправленного порта, у которого выходной буфер данных может отключаться установкой бита CR.5=1. Как и в стандартном и в полубайтном режиме, данный режим является программно-управляемым — все сигналы квитирования анализируются и устанавливаются программным драйвером. Назначение сигналов порта приведено в табл. 5.

Таблица 5.

Сигналы LPT-порта в байтном режиме ввода/вывода

Прием байта данных в байтном режиме состоит из следующих фаз:

1. Хост сигнализирует о готовности приема данных установкой низкого уровня на линии HostBusy.

2. ПУ в ответ помещает байт данных на линии DATA[7:0].

3. ПУ сигнализирует о действительности байта установкой низкого уровня на линии PtrClk.

4. Хост устанавливает высокий уровень на линии HostBusy, указывая на занятость приемом и обработкой байта.

5. ПУ отвечает установкой высокого уровня на линии PtrClk.

6. Хост подтверждает прием байта импульсом HostClk.

7. Шаги 1-6 повторяются для каждого следующего байта.

Побайтный режим позволяет поднять скорость обратного канала до скорости прямого канала в стандартном режиме. Однако работать он может только на двунаправленных портах, которые применяются в основном лишь на малораспространенных машинах PS/2.

Режим ЕРР

Протокол ЕРР (Enhanced Parallel Port — улучшенный параллельный порт) предназначен для повышения производительности обмена по параллельному порту. ЕРР был реализован в чипсете Intel 386SL (микросхема 82360) и используется как дополнительный протокол параллельного порта.

Протокол ЕРР обеспечивает четыре типа циклов обмена:

Цикл записи данных.

Цикл чтения данных.

Цикл записи адреса.

Цикл чтения адреса.

Адресные циклы могут быть использованы для передачи адресной, канальной и управляющей информации. Циклы обмена данными явно отличаются от адресных циклов применяемыми стробирующими сигналами. Назначение сигналов порта ЕРР и их связь с сигналами SPP приведены в табл. 6.

Таблица 6.

Сигналы LPT-порта в режиме ввода/вывода ЕРР

ЕРР-порт имеет расширенный набор регистров (табл. 7), который занимает в пространстве ввода/вывода  5-8 смежных байт.

Таблица 7.

Регистры ЕРР-порта

В отличие от программно-управляемых режимов, описанных выше, внешние сигналы ЕРР-порта (как информационные, так и сигналы квитирования) для каждого цикла обмена формируются аппаратно по одной операции записи или чтения в регистр порта.

Главной отличительной чертой ЕРР является выполнение внешней передачи во время одного процессорного цикла ввода/вывода. Это позволяет достигать высоких скоростей обмена (0,5-2 Мбайт/с). Периферийное устройство, подключенное к параллельному порту ЕРР, может работать на уровне производительности устройства, подключаемого через слот ISA. Периферийное устройство может регулировать длительность всех фаз обмена с помощью всего лишь одного сигнала WAIT#. Протокол автоматически подстраивается и под длину кабеля — вносимые задержки только приведут к удлинению цикла.

 «ЗАВИСАНИЕ» процессора на шинном цикле обмена препятствует механизм тайм-аутов PC, который принудительно завершает любой цикл обмена, длящийся более 15 мкс.

С программной точки зрения контроллер ЕРР-порта выглядит достаточно просто (см. табл.7). К трем регистрам стандартного порта, имеющим смещение 0, 1 и 2 относительно базового адреса порта, добавлены два регистра (ЕРР Address Port и ЕРР Data Port), чтение и запись в которые вызывает генерацию связанных внешних циклов.

Назначение регистров стандартного порта сохранено, что обеспечивает совместимость ЕРР-порта с периферийными устройствами и программным обеспечением, рассчитанными на применение программно-управляемого обмена. Поскольку сигналы квитирования адаптером вырабатываются аппаратно, при записи в регистр управления CR биты 0, 1 и 3, соответствующие сигналам STROBES, AUTOFEEDS и SELECTING, должны иметь нулевые значения. В противном случае программное вмешательство может нарушить последовательность квитирования. Некоторые адаптеры имеют специальные средства защиты (ЕРР Protect), при включении которых программная модификация этих бит блокируется.

Конфигурирование LPT-портов

Управление параллельным портом разделяется на два этапа — предварительное конфигурирование (Setup) аппаратных средств порта и текущее (оперативное) переключение режимов работы прикладным или системным ПО. Оперативное переключение возможно только в пределах режимов, разрешенных при конфигурировании. Таким образом обеспечивается возможность согласования аппаратуры и программного обеспечения и блокирования ложных переключении, вызванных некорректными действиями программы.

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

Конфигурированию подлежат следующие параметры:

Базовый адрес, который может иметь значение 3BCh, 378h и 278h. При инициализации BIOS проверяет наличие портов по адресам именно в этом порядке и, соответственно, присваивает обнаруженным портам логические имена LPT1, LPT2, LPT3. Адрес 3BCh имеет адаптер порта, расположенный на плате MDA или HGC. Большинство портов по умолчанию конфигурируется на адрес 378h и может переключаться на 278h.

Используемая линия запроса прерывания: для LPT1 обычно используется IRQ7, для LPT2 — IRQ5.

Использование параллельных портов

Наиболее распространенным применением LPT-порта является, естественно, подключение принтера. Практически все принтеры могут работать с портом в режиме SPP, но применение расширенных режимов дает дополнительные преимущества:

Двунаправленный режим (Bi-Di) дает дополнительные возможности для сообщения состояния и параметров принтера. Скоростные режимы (Fast Centronics) существенно повышают производительность практически любого принтера (особенно лазерного), но могут потребовать более качественного кабеля.

Режим ЕСР потенциально самый эффективный, и он имеет системную поддержку во всех вариантах Windows. Из распространенных семейств ЕСР поддерживают принтеры HP DeskJet моделей BXX, LaserJet начиная с 4-го, современные модели фирмы Lexmark требуют применения кабеля по частотным свойствам соответствующего IEEE 1284.

Простейший вариант кабеля подключения принтера — 18-проводный кабель с неперевитыми проводами с успехом может использоваться для работы порта в режиме SPP.

Идеальным вариантом являются кабели, в которых все сигнальные линии перевиты с общими проводами и заключены в общий экран — то, что требует IEEE 1248. Такие кабели гарантированно работают на скоростях до 2 Мбайт/с, и допускается их длина до 10 метров.

Для связи двух компьютеров по параллельному интерфейсу применяются различные варианты кабелей, зависящие от режимов используемых портов. Самый простой способ (и самый медленный обмен) обеспечивает режим полубайтного обмена Nibble Mode, работающий на всех (исправных) портах. Для этого режима в кабеле достаточно иметь 10 сигнальных и один общий провод.

Подключение сканера к LPT-порту эффективно, только если порт обеспечивает хотя бы двунаправленный режим (Bi-Di), поскольку в основном здесь используется ввод. Но лучше использовать порт ECP, если этот режим поддерживается сканером.

Подключение внешних накопителей (lomega Zip Drive, CD-ROM), адаптеров ЛВС и других симметричных устройств ввода/вывода имеет общую специфику. Большинство таких устройств способно работать в любом из режимов порта, что обеспечивает их неограниченное применение на любых компьютерах.

Неисправности и тестирование параллельных портов

Тестирование параллельных портов целесообразно начинать с проверки их наличия в системе. Список адресов установленных портов обычно появляется в таблице заставки, выводимой BIOS на экран перед загрузкой ОС. Кроме этой таблицы, список можно посмотреть и с помощью тестовых программ или прямо в BIOS DATA AREA с помощью любого отладчика.

Если BIOS обнаруживает меньше портов, чем установлено физически, скорее всего, каким-либо двум портам присвоен один адрес. Программное тестирование порта без диагностической заглушки (Loop Back) не покажет ошибок, поскольку при этом читаются данные выходных регистров, а они у всех конфликтующих (по отдельности исправных портов) совпадут. Именно такое тестирование и производит BIOS при проверке на наличие портов. Разбираться с такой ситуацией имеет смысл последовательно устанавливая порты и наблюдая за адресами, появляющимися в списке.

Если физически установлен только один порт и его не обнаруживает BIOS, то либо он отключен при конфигурировании, либо вышел из строя скорее всего из-за нарушений правил подключения.

Тестирование портов с помощью диагностических программ позволяет проверить их выходные регистры, а при использовании специальных заглушек — и входные линии. Поскольку количество выходных линий порта (12) и входных (5) различно, то полная проверка порта с помощью пассивной заглушки принципиально невозможна. Разные программы тестирования требуют применения специально на них ориентированных заглушек (рис. 1),

Рис. 1. Схема заглушки для тестирования LPT-порта программой Checkit

Большинство неприятностей при работе с LPT-портами доставляют разъемы и кабели. Для проверки порта, кабеля и принтера можно воспользоваться специальными тестами из популярных диагностических программ (Checkit, PCCheck и т. п.), а можно вывести на принтер какой-либо символьный файл.

Если вывод файла с точки зрения DOS проходит (копирование файла на устройство с именем LPTn или PRN проходит быстро и успешно), а принтер (исправный) не напечатал ни одного символа — скорее всего, это обрыв (неконтакт в разъеме) цепи STROBES.

Если принтер по своему индикатору находится в состоянии On Line, a появляется сообщение о его неготовности (Not Ready Error), то причину следует искать в линии Busy.

Если принтер искажает информацию при печати, возможен обрыв (или замыкание) линий данных. В этом случае удобно воспользоваться файлом, содержащим последовательность кодов всех печатных символов (его можно создать с помощью простой программы, написанной даже на языке Basic, — ее текст приведен ниже).

10 OPEN "bincod.chr" FOR OUTPUT AS #1

20 FORJ=2T015

30 FOR 1=0 ТО 15

40 PRINT#1, CHR$(16*J+I);

50 NEXT I 60 PRINT#1,

70 NEXTJ

Бесплатная лекция: "7. Экстремальные события на производстве" также доступна.

80 CLOSE #1

90 END

Файл BINCOD.CHR, созданный данной программой, представляет собой таблицу всех печатных символов (управляющие коды пропущены), расположенных по 16 символов в строке. Если файл печатается с повтором некоторых символов или их групп, по периодичности повтора можно легко вычислить оборванный провод данных интерфейса. Этот же файл удобно использовать для проверки аппаратной руссификации принтера.

Если принтер, подключенный к порту, в стандартном режиме (SPP) печатает нормально, а при переходе на ЕСР начинаются сбои, следует проверить кабель — соответствует ли он требованиям IEEE 1284. Кабели с неперевитыми проводами нормально работают на скоростях 50-100 Кбайт/с, но при скорости 1-2 Мбайт/с, обеспечиваемой ЕСР, они могут не работать, особенно при длине более 2 метров.

Если при установке драйвера РпР-принтера появилось сообщение о необходимости применения «двунаправленного кабеля», проверьте наличие связи контакта 17 разъема DB-25 с контактом 36 разъема Centronics.

Аппаратные прерывания от LPT-порта используются далеко не всегда. Неисправности, связанные с цепью прерывания от порта, проявляются не часто. Однако по-настоящему многозадачные ОС (например, сервер NetWare) стараются работать с портом именно по прерываниям. Тестировать линию прерывания можно, только подключив к порту периферийное устройство или специальную заглушку.