Основные характеристики интерфейсов

⇐ ПредыдущаяСтр 21 из 27Следующая ⇒

Для интерфейсов основным параметром является пропускная способность. Технический прогресс приводит к неуклонному росту объемов передаваемой информации. Если раньше матричные принтеры, печатающие в символьном режиме, могли обходиться и СОМ-портом с невысокой пропускной способностью, то современным лазерным принтерам при высоком разрешении не хватает и производительности самых быстрых LPT-портов. То же касается и сканеров. А передача «живого» видео, даже с применением компрессии, требует немыслимой ранее пропускной способности.

Вполне очевидно, что при одинаковых быстродействии приемопередающих цепей и пропускной способности соединительных линий по скорости передачи 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 их прохождении 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 сигналов, что является одним из факторов, сдерживающих рост пропускной способности параллельных интерфейсов. В последовательных интерфейсах, конечно же, есть свои проблемы повышения производительности, но, поскольку в них используется меньшее число линий (в пределе — одна), повышение пропускной способности линий связи обходится дешевле.

Другим немаловажным параметром интерфейса является допустимое удаление соединяемых устройств. Оно ограничивается как частотными свойствами кабелей, так и помехозащищенностью интерфейсов. Часть помех возникает от соседних линий интерфейса — это перекрестные помехи, защитой от которых может быть применение витых пар проводов для каждой линии. Другая часть помех вызывается искажением уровней сигналов. Для параллельного интерфейса допустимое удаление соединяемых устройств не более 10 метров, а для последовательного интерфейса RS – 232 - 15м, для RS – 485 до 1200м.

Важным свойством интерфейса, на которое часто не обращают внимания, является гальваническая развязка. «Схемные земли» устройств, соединяемых интерфейсом с СОМ- или LPT-портом PC, оказываются связанными со схемной землей компьютера (а через интерфейсный кабель и между собой). Если между ними до подключения интерфейса была разность потенциалов, то по общему проводу интерфейса потечет уравнивающий ток, что плохо по целому ряду причин. Падение напряжения на общем проводе, вызванное протеканием этого тока, приводит к смещению уровней сигналов, а протекание переменного тока приводит к сложению полезного сигнала с переменной составляющей помехи. К этим помехам особенно чувствительны ТТЛ- интерфейсы; в то же время в RS-232C смещение и помеху в пределах 2 В поглотит зона нечувствительности. В случае обрыва общего провода или плохого контакта, а гораздо чаще — при подключении и отключении интерфейсов без выключения питания устройств разность потенциалов прикладывается к сигнальным цепям, а протекание уравнивающих токов через них часто приводит к пиротехническим эффектам.

Параллельные интерфейсы

Интерфейс Centronics

Параллельные интерфейсы характеризуются тем, что в них для передачи бит в слове используются отдельные сигнальные линии, и биты передаются одновременно. Параллельные интерфейсы используют логические уровни ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики), что ограничивает длину кабеля из-за невысокой помехозащищенности ТТЛ- интерфейса. Гальваническая развязка отсутствует. Параллельные интерфейсы используют для подключения принтеров. Передача данных может быть как однонаправленной (Centronics), так и двунаправленной (Bitronics). Иногда параллельный интерфейс используют для связи между двумя компьютерами — получается сеть, «сделанная на коленке» (LapLink).

Для подключения принтера по интерфейсу Centronics в PC был введен порт параллельного интерфейса — так возникло название LPT-порт (Line PrinTer — построчный принтер). Хотя сейчас через этот порт подключаются не только построчные принтеры, название «LPT» осталось. Понятие Centronics относится как к набору сигналов и протоколу взаимодействия, так и к 36-контактному разъему на принтерах. Интерфейс Centronics поддерживается принтерами с параллельным интерфейсом. Его отечественным аналогом является интерфейс ИРПР-М.

Адаптер параллельного интерфейса представляет собой набор регистров, расположенных в пространстве ввода/вывода. Регистры порта адресуются относительно базового адреса порта, стандартными значениями которого являются 3BCh, 378h и 278h. Порт может использовать линию запроса аппаратного прерывания, обычно IRQ7 или IRQ5. Порт имеет внешнюю 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов.

BIOS поддерживает до четырех (иногда до трех) LPT-nopтов (LPT1-LPT4) своим сервисом — прерыванием INT 17h, обеспечивающим через них связь с принтером по интерфейсу Centronics. Этим сервисом BIOS осуществляет вывод символа (по опросу готовности, не используя аппаратных прерываний), инициализацию интерфейса и принтера, а также опрос состояния принтера.

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

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, метод согласования режима, физический и электрический интерфейсы. Согласно IEEE 1284, возможны следующие режимы обмена данными через параллельный порт:

▪ Первый уровень (Level I) определен для устройств медленных, но использующих смену направления передачи данных.

▪ Второй уровень (Level II) определен для устройств, работающих в расширенных режимах, с высокими скоростями и длинными кабелями.

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 (V_OH) и не выше +0, 4 В для низкого уровня (V_OL) на постоянном токе.

▪ Выходной импеданс rq, измеренный на разъеме, должен составлять 50+5 Ом на уровне V_OH-V_OL. Для обеспечения заданного импеданса 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.

Требования к приемникам:

▪ Допустимые пиковые значения сигналов -2, 0...+7, 0 В.

▪ Пороги срабатывания должны быть не выше 2, 0 В (V_1Н) для высокого уровня и не ниже 0, 8 В (V₁_L) для низкого.

▪ Приемник должен иметь гистерезис в пределах 0, 2...1, 2 В (гистерезисом обладают специальные микросхемы — триггеры Шмитта).

▪ Входной ток микросхемы (втекающий и вытекающий) не должен превышать 20 мкА, входные линии соединяются с шиной питания +5 В резистором 1, 2 кОм.

▪ Входная емкость не должна превышать 50 пФ.

Когда появилась спецификация ЕСР, фирма Microsoft рекомендовала применение динамических терминаторов на каждую линию интерфейса. Однако в настоящее время следуют спецификации IEEE 1284, в которой динамические терминаторы не применяются. Рекомендованные схемы входных, выходных и двунаправленных цепей приведены на рисунок. 4.2.

Стандарт IEEE 1284 определяет три типа используемых разъемов. Типы A (DB-25) и В (Centronics-36) используются в традиционных кабелях подключения принтера, тип С — новый малогабаритный 36-контактный разъем. Традиционные интерфейсные кабели имеют от 18 до 25 проводов, в зависимости от числа проводников цепи GND. Эти проводники могут быть как перевитыми, так и нет. К экранированию кабеля жестких требований не предъявлялось. Такие кабели вряд ли будут надежно работать на скорости передачи 2 Мбайт/с и при длине более 2 м.

Стандарт IEEE 1284 регламентирует свойства кабелей.

▪ Все сигнальные линии должны быть перевитыми с отдельными обратными (общими) проводами.

▪ Каждая пара должна иметь импеданс 62±6 Ом в частотном диапазоне 4-16 МГц.

▪ Уровень перекрестных помех между парами не должен превышать 10%.

▪ Кабель должен иметь экран (фольгу), покрывающий не менее 85% внешней поверхности. На концах кабеля экран должен быть окольцован и соединен с контактом разъема.

Кабели, удовлетворяющие этим требованиям, маркируются надписью «IEEE Std 1284-1994 Compliant*. Они могут иметь длину до 10 метров.

Рисунок 4.2 – Оконечные цепи линий интерфейса IEEE 1284:

а – однонаправленных, б – двунаправленных.

Специальные интерфейсы

Рассмотрим интерфейсы устройств ввода (клавиатуры и манипуляторов), аналоговый и дискретный интерфейсы игрового адаптера, аудиоинтерфейсы и интерфейсы мониторов.

Интерфейс клавиатуры

Для подключения клавиатуры предназначен последовательный синхронный интерфейс, состоящий из двух обязательных сигналов, KB-Data и KB-Clock. Необязательный сигнал KB-Reset сбрасывает клавиатуру низким уровнем сигнала.

Интерфейс клавиатуры AT построен на микроконтроллере 48042, обеспечивающем, в отличие от XT, двунаправленный интерфейс с клавиатурой. Передача информации к клавиатуре используется для управления индикаторами ее состояния и программирования параметров (автоповтор, набор скан-кодов).

Вид разъемов клавиатур (со стороны задней панели) и назначение контактов приведены на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 – Разъемы подключения клавиатур ХТ, АТ –а; PS/2 – б.

Конструктивно возможны два варианта разъема – обычная 5-контактная розетка DIN или малогабаритная розетка mini-DIN (PS/2). На этот же разъем через плавкий предохранитель поступает напряжение питания клавиатуры +5 В. Электрически и логически интерфейс клавиатуры PS/2 повторяет AT, поэтому для согласования типа разъема применяют специальные переходники.

Программируемый микроконтроллер i8042 имеет встроенное ПО, которое хранится в масочном внутреннем ПЗУ и обеспечивает вырабатывание запроса прерывания по приему скан-кода от клавиатуры и отработку управляющих команд от ЦП. Через программно-управляемые и программно-читаемые линии внешних портов контроллера, формируются сигналы управления вентилем Gate A20, аппаратного системного сброса, а также считываются сигналы от конфигурационных джамперов системной платы. Контроллер i8242B, кроме интерфейса клавиатуры, поддерживает аналогичный интерфейс дополнительного устройства, например PS/2-Mouse.

Контроллер имеет два порта, доступ к которым осуществляется через команды контроллера:

▪ Порт ввода, доступный по команде COh, используется для чтения состояния джамперов и ключа;

▪ Порт вывода, доступный для записи и чтения по командам D1h и DOh.

Контроллер расположен в пространстве ввода/вывода по адресам 60h и 64h, причем по чтению скан-кода клавиатуры из порта 60h сохраняется совместимость с XT. Регистр данных контроллера в режиме записи используется для подачи команд, относящихся к клавиатуре и собственно контроллеру. Признаком готовности контроллера является нулевое значение бита 1 регистра состояния (порт 064h).

По нажатии клавиши, ее скан-код попадает в регистр данных. По отпускании, в регистр данных попадает сначала префикс отпускания, затем - скан код.

Из регистра данных контроллера кроме скан-кодов возможно получение ответов на команды, префикса кода отпускания клавиши (F0) или кодов особых случаев.

Интерфейсы манипуляторов

Устройство ввода мышь (mouse) передает в систему информацию о своем перемещении и нажатии-отпускании кнопок. Обычная конструкция имеет свободно вращающийся массивный обрезиненный шарик, передающий вращение на два координатных диска с фотоэлектрическими датчиками — две открытые оптопары (светодиод — фотодиод), в оптический канал которых входит вращающийся диск с прорезями. По интерфейсу с компьютером различают три основных вида мышей: Bus Mouse, Serial Mouse и PS/2-Mouseb и с интерфейсом USB.

▪ Bus Mouse (шинная мышь) — вариант, применявшийся в первых мышах.

Контакт	Сигналы	Контакт	Сигналы
	Vcc (+5 В)		Lb - левая кнопка
	Ха — датчик X		Mb — средняя кнопка
	ХЬ — датчик X		Rb — правая кнопка
	Ya —датчик Y		GND
	Yb —датчик Y

Таблица 4.1 – разъем Bus Mouse

Содержит только датчики и кнопки; обработка их сигналов производится на специализированной плате адаптера Мультипортовые карты (COM-, LPT- и GAME-порты), на которых установлен и адаптер Bus Mouse, встречаются редко. Кабель 9-проводный, разъем специальный (рисунок 4.4 и таблица 4.1), хотя на первый взгляд напоминает разъем PS/2-Mouse.

▪ Serial Mouse — мышь с последовательным интерфейсом, подключаемая через 25 или 9-штырьковый разъем СОМ-порта (таблица 7.7). Имеет встроенный микроконтроллер, который обрабатывает сигналы от координатных датчиков и кнопок. Каждое событие кодируется двоичной посылкой по интерфейсу RS-232C.

▪ PS/2-Mouse — мышь, появившаяся с компьютерами PS/2. Ее интерфейс и 6-штырьковый DIN мини-разъем аналогичны клавиатурному (рисунок 4.5). Адаптер и разъем PS/2-Mouse устанавливается на современных системных платах brand-name. Контроллер такой мыши может входить в контроллер клавиатуры или занимать дополнительные адреса в пространстве ввода/вывода. Для PS/2-Mouse используется прерывание IRQ 12.

С интерфейсами Serial Mouse и PS/2-Mouse иногда возникают недоразумения. Хотя оба они последовательные, но имеют принципиальные различия в уровнях сигналов, способе синхронизации, частоте и формате посылок:

Рисунок 4.4 – Разъем Bus Mouse Рисунок 4.5 – Разъем PS/2-Mouse

Интерфейс PS/2 использует однополярный сигнал с уровнями ТТЛ, питание мыши — однополярное с напряжением +5 В относительно шины GND. Интерфейс RS-232C, применяемый в Serial Mouse, использует двухполярный сигнал с уровнями срабатывания +3 В и -3 В, требует двухполярного питания.

▪ Синхронный интерфейс PS/2-Mouse использует две раздельные сигнальные линии, одну — для передачи данных, другую — для сигналов синхронизации. Serial Mouse использует асинхронный способ передачи данных по одной линии.

Ясно, что совместимости между этими интерфейсами нет. Тем не менее, выпускаются и продаются переходники (пассивные! ), позволяющие выбирать способ подключения мыши. Они предназначены только для универсальных мышей, у которых встроенный контроллер по напряжению питания способен распознать, к какому интерфейсу его подключили, и установить соответствующий тип своего выходного интерфейса. Универсальные мыши не особо распространены, поэтому часто приходится слышать о неудачных попытках применения таких переходников к обычным Serial Mouse или PS/2-Mouse.

Манипулятор трекбол (trackball) («шар») представляет собой перевернутую мышь, шарик которой вращают пальцами. Иногда встраивается в клавиатуру.

Интерфейс PC Speaker

Стандартный канал управления звуком PC Speaker рассчитан на подключение высокоомного малогабаритного динамика. Логическая схема канала приведена на рисунке 4.6. Звук формируется из тонального сигнала от второго канала системного таймера, которым можно программно управлять. Частоту сигнала можно изменять, программируя коэффициент деления счетчика-таймера, который расположен в пространстве ввода/вывода по адресу 042h. При записи (и чтении) 16-битный двоичный код передается парой 8-битных операций (сначала младший байт, потом старший). Разрешая/запрещая формирование сигнала программно-управляемым битом 0 системного порта 61h, можно подавать сигналы определенной длительности. Такой способ формирования звука не загружает процессор и позволяет исполнять незамысловатые мелодии. С учетом инерции слуха быстрым переключением частот можно достигать эффекта многоголосия.

Более интересные звуки можно извлекать, используя принцип широтно-импульсной модуляции, программно осуществляемой через бит 1 порта 61h. В этом случае динамик выполняет роль фильтра низких частот (инерционного звена) демодулятора. Процессоры, начиная с 80286, способны формировать поток управляющих сигналов, который позволяет воспроизводить музыкальный или речевой сигнал с качеством карманного радиоприемника. Однако такое формирование звука практически полностью загружает процессор. Качество воспроизведения сильно зависит от частотных свойств динамика. Предпочтительнее более крупные динамики, у которых лучше воспроизведение нижних частот, — с ними можно добиться даже разборчивости речи. Драйвер для звукоизвлечения в стандартную поставку Windows не входит.

Рисунок 4.6.Канал управления звуком

Цифровой аудиоканал

Кроме стандартного канала управления звуком, фактически стандартизованными являются средства работы с аудиосигналом, имеющиеся на плате Sound Blaster фирмы Creative Labs. Звуковая карта в своем составе имеет цифровой канал записи-воспроизведения моно- и стереофонического сигнала, микшер, синтезатор и MIDI-порт.

Цифровой аудиоканал обеспечивает возможность моно- или стереофонической записи и воспроизведения аудиофайлов с уровнем качества от кассетного магнитофона до аудио-CD. Запись производится оцифровкой сигнала с частотой дискретизации 5-44, 1 кГц. Разрядность используемых ADC и DAC (аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей) варьируется от 8 до 16 бит. Более совершенные схемы имеют встроенные средства компрессии сигнала, например, по методу адаптивной дельта-импульсно-кодовой модуляции (ADPCM). В этом случае в цифровом виде хранятся не значения выборок, а специальным образом обработанные разности величин соседних выборок, что позволяет (при сохранении качества) значительно уменьшить объем записи. Компрессия аудиосигнала применяется, например, в кодеках MPEG и голосовых модемах. На стандартных аудио-CD компрессия не применяется.

Оцифрованный звук хранится и файлах. Размер файла зависит от длительности записи, разрядности преобразования, частоты квантования и количества каналов (моно или стерео). Эти файлы редактируются ПО, которое позволяет вывести на экран подобие осциллограмм записанных сигналов

Лекция 14

⇐ Предыдущая 16 17 18 19 202122 23 24 25 Следующая ⇒