Тема: Коммутационные устройства

Содержание темы: Типы технических средств и их размещение на рабочем месте при работе с компьютером. Назначение используемых коммутационных устройств: переключающие устройства, инвариантные переключающие устройства, автоматические переключатели, исключающие состояния ожидания при печати больших документов, активный удлинитель, сетевые адаптеры (220/9 В), преобразователь последовательного интерфейса в параллельный, конвертор RS-232/RS-422 или RS-232/токовая петля, специальный конвертор для связи компьютеров по параллельному интерфейсу. Специальные кабели: Right Angle-кабель, “нуль-модемный” кабель для соединения двух компьютеров через последовательные порты, удлинительные кабели, расширительные кабели, переходники для подключения манипуляторов “мышь” и клавиатур.

Параллельный интерфейс:

LPT-порт

Порт параллельного интерфейса был введен в PC для подключения принтера — отсюда и пошло его название LPT-порт (Line Printer — построчный принтер). Хотя через этот же порт подключается и большинство лазерных принтеров, которые по принципу действия не построчные, а постраничные, название “LPT” закрепилось основательно. Адаптер параллельного интерфейса представляет собой набор регистров, расположенных в пространстве ввода/вывода. Регистры порта адресуются от­носительно базового адреса порта, стандартными значениями которого являют­ся ЗВСп, 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-портов (LPT1-LPT4) своим сервисом — прерыванием INT 17h, обеспечивающим через них связь с принтерами по интерфейсу Centromcs. Этим сервисом BIOS осуществляет вывод символа (по опросу готовности, не используя аппаратных прерываний), инициа­лизацию интерфейса и принтера, а также опрос состояния принтера.

Стандарт IEEE 1284-1994. Стандарт на параллельный интерфейс ШЕЕ 1284, принятый в 1994 году, опре­деляет термины 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:

-Compatibility Mode — однонаправленный (вывод) по протоколу Centromcs. Этот режим соответствует стандартному (традиционному) порту SPP.

-Nibble Mode — ввод байта в два цикла (по 4 бита), используя для приема линии состояния. Этот режим обмена может использоваться на любых адаптерах.

-Byte Mode — ввод байта целиком, используя для приема линии данных. Этот режим работает только на портах, допускающих чтение выходных данных (Bi-Directi'onal или PS/2 Type 1).

-ЕРР (Enhanced Parallel Port) Mode — двунаправленный обмен данными, при котором управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно во время цикла обращения к порту (чтения или записи в порт). Эффекти­вен при работе с устройствами внешней памяти, адаптерами локальных сетей.

-ЕСР (Extended Capability Port) 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.

В современных АТ-машинах с LPT-портом на системной плате режим пор­та - SPP, ЕРР, ЕСР или их комбинация задается в BIOS Setup. Режим Com­patibility Mode, как это и следует из его названия, полностью соответствует вышеописанному стандартному порту SPP. Остальные режимы более подробно будут рассмотрены ниже.

Физический и электрический интерфейс. Стандарт IEEE 1284 определяет физические характеристики приемников и пе­редатчиков сигналов. IEEE 1284 определяет два уровня интерфейсной совместимости. Первый уровень (Level I) определен для устройств, не претендующих на высокоскоростные режимы обмена, но использующих возмож­ности смены направления передачи данных. Второй уровень (Level II) определен для устройств, работающих в расширенных режимах, с высокими скоростями и длинными кабелями.

Стандарт IEEE 1284 определяет и три типа используемых разъемов. Типы A (DB-25) и В (Centromcs-36) используются в традиционных кабелях подклю­чения принтера, тип С — новый малогабаритный 36-контактный разъем.

Интерфейсные кабели, традиционно используемые для подключения принте­ров, обычно имеют от 18 до 25 проводников, 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 метра. Стандарт IEEE 1284 регламентирует и свойства кабелей.

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

-Каждая пара должна иметь импеданс 62(±)6 Ом в частотном диапазоне 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.

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. 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. Во многих “настольных” применениях прерыва­ния от принтера не используются, и этот дефицитный ресурс PC можно сэкономить. Однако при использовании скоростных режимов ЕСР (или Fast Centronics) работа по прерываниям может заметно повысить произ­водительность и снизить загрузку процессора.

-Использование канала DMA для режимов ЕСР и Fast Centromcs — разреше­ние и номер канала DMA.

Режим работы порта может быть задан в следующих вариантах:

-SPP — порт работает только в стандартном однонаправленном программ­но-управляемом режиме.

-PS/2, он же Bi-Directional — отличается от SPP возможностью реверса кана­ла (с помощью установки CR.5=1).

-Fast Centromcs — аппаратное формирование протокола Centromcs с исполь­зованием FIFO-буфера и, возможно, DMA.

Простейший вариант кабеля подключения принтера — 18-проводный кабель с не перевитыми проводами с успехом может использоваться для работы порта в режиме SPP. При длине кабеля более 2 м желательно, чтобы хотя бы линии Strobeft и Busy были перевиты с отдельными “общими” проводами. Однако для скоростных режимов он может оказаться непригодным, причем сбои могут про­исходить нерегулярно и лишь при определенных последовательностях переда­ваемых кодов. Иногда попадаются кабели Centronics, у которых отсутствует связь контакта 17 разъема PC с контактом 36 разъема принтера. Для обычных при­нтеров, работающих в режиме SPP, ее отсутствие малозаметно. Однако при по­пытке подключения таким кабелем принтера, работающего в стандарте 1284, появится сообщение о необходимости применения “двунаправленного кабеля”. Без указанной цепи принтер не сможет сообщить системе о поддержке расши­ренных режимов, на что рассчитывают его программные драйверы.

Неплохие электрические свойства имеют ленточные кабели, у которых сиг­нальные цепи чередуются с общими проводами (хотя бы для управляющих сигналов). Но их применение в качестве внешнего интерфейса не очень прак­тично (они не имеют второго защитного слоя изоляции, поэтому весьма уязви­мы) и не эстетично (круглые кабели смотрятся лучше).

В простейшем случае (18-проводный кабель) все сигналы GND объединяются в один провод. Качественные кабели требуют отдельного обратного провода для каждой сигнальной линии, однако в разъемах типа А и В для этого недостаточно контактов (см. табл. 9.12, где в скобках указаны номера контактов разъема PC типа А, которым соответствуют обратные провода). В разъеме типа С обратный провод (GND) имеется для каж­дой сигнальной цепи, и сигнальным контактам этого разъема с номерами 1-17 соответствуют контакты GND 19-35.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. Связь двух PC данным кабелем поддерживается стандартным ПО типа MS-DOS Interink или Norton Commander. Специально для машин PS/2 с двунаправленным портом фирма IBM выпус­кала переходное устройство в комплекте с программной поддержкой Data Mig­ration Facility. Переходник устанавливался на разъем LPT-порта PS/2, и к его разъему Х2 типа Centromcs присоединялся обычный принтерный кабель, под­ключенный к LPT-порту любого ПК. Если обе соединяемые машины имеют двунаправленные порты, переходник обеспе­чивает симметричную двунаправленную связь. Однако это соединение не соответствует двунаправленному режиму IEEE 1284 (Byte Mode).

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 (обычно исключая ЕСР), что обеспечивает их неограниченное применение на любых компьютерах. Но используя режим SPP, кроме весьма небыстрой работы устройства, заметна принципиальная асимметрия этого режима: чтение данных (по сети или с дискового накопителя) будет в два раза медленнее, чем весьма небыстрая запись. Применение двунаправленного режима (Bi-Di или PS/2 Type 1) устранит эту асимметрию — скорости сравняются.

Если BIOS обнаруживает меньше портов, чем установлено физически, скорее всего, каким-либо двум портам присвоен один адрес. При этом работоспо­собность ни одного из конфликтующих портов не гарантируется: они будут одновременно выводить сигналы выходных портов, но при чтении состояния конфликт на шине скорее всего приведет к искажению данных. 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.

Аппаратные прерывания от LPT-порта используются далеко не всегда. Даже DOS-программа фоновой печати PRINT работает с портом по опросу состояния, а ее обслуживающий процесс запускается по прерыванию от таймера. Поэтому 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. Если к порту с неисправным каналом прерывания подключить адаптер локальной сети, то он, возможно, и будет работать, но с удивительно низкой скоростью: на любой запрос ответ будет приходить с задержкой в де­сятки секунд — из адаптера принятый пакет будет приниматься не по преры­ванию (сразу по приходу), а по внешнему тайм-ауту.

Параллельный порт и РпР. Большинство современных периферийных устройств, подключаемых к LPT-порту, поддерживает стандарт 1284 и функции РпР. Для поддержки этих функ­ций компьютером с аппаратной точки зрения достаточно иметь контроллер интерфейса, поддерживающий стандарт 1284. Если подключаемое устройство поддерживает РпР, оно по протоколу согласования режимов 1284 способно “до­говориться” с портом, представляющим “интересы” компьютера, о возможных режимах обмена. Далее, для работы РпР подключенное устройство должно со­общить операционной системе все необходимые сведения о себе. Как минимум это идентификаторы производителя, модели и набор поддерживаемых команд.

Последовательные интерфейсы: СОМ-порт. Последовательный интерфейс для передачи данных в одну сторону использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно-такой способ передачи и определяет название ин­терфейса и порта, его реализующего. Эти названия соответствуют английским терминам Serial Interface и Serial Port (иногда в неудачном переводе их называют “серийными”, что звучит довольно странно). Последовательная передача дан­ных может осуществляться как в асинхронном, так и синхронном режимах.

При асинхронной передаче каждому байту предшествует старт-бит, сигна­лизирующий приемнику о начале очередной посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит паритета (контроля четности). Завершает посылку стоп-бит, гарантирующий определенную выдержку между соседними посылка­ми же. Старт-бит следующего посланного байта может посылаться в любой момент после окончания стоп-бита, то есть между передачами возможны паузы произвольной длительности.

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 вплотную следует поток информационных бит. Если у передатчика нет данных для передачи, он запол­няет паузу непрерывной посылкой байтов синхронизации. Однако в синхрон­ном режиме необходима внешняя синхронизация приемника с передатчиком, поскольку даже малое отклонение частот приведет к быстро накапливающейся ошибке и искажению принимаемых данных.

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) родственник RS-485, работающие на симметричных линиях связи. В них для передачи каждого сигнала используются дифференциальные сигналы с отдельной (витой) парой проводов.

Наибольшее распространение в PC получил простейший из этих — стандарт RS-232C. В промышленной автоматике широко применяется RS-485, а также RS-422A, встречающийся и в некоторых принтерах. Существуют относительно несложные преобразователи сигналов для согласования всех этих родственных интерфейсов.

Интерфейс “токовая петля”. Довольно распространенным вариантом последовательного интерфейса является “токовая петля”. В этом интерфейсе электрическим сигналом является уровень напряжения относительно общего провода, а ток в двухпроводной линии, соединяющей приемник и передатчик. Обычно логической единице состоянию “включено”) соответствует протекание тока 20 мА, а логическому нулю — отсутствие тока. Такое представление сигналов для вышеописанного)мата асинхронной посылки позволяет обнаруживать состояние обрыва линии — в этом случае приемник обнаружит отсутствие стоп-бита (обрыв линии действует как постоянно присутствующий логический нуль). Токовая петля обычно предполагает гальваническую развязку входных цепей приемника (оптрона) от схемы устройства. При этом источником тока в петле является передатчик (этот вариант называют активным передатчиком). Возможно питание от приемника (активный приемник), при этом выходной ключ оптронный) передатчика может быть также гальванически развязан с остальной схемой передатчика. И наконец, существуют упрощенные варианты без гальванической развязки, но это уже вырожденный случай интерфейса. Токовая петля с гальванической развязкой позволяет передавать сигналы на расстояния до единиц километров. Допустимое расстояние определяется сопротивлением пары проводов и уровнем помех. Поскольку этот интерфейс требует пары проводов для каждого сигнала, обычно используют только два сигнала интерфейса. В случае двунаправленного обмена используются только сигналы даваемых и принимаемых данных, а для управления потоком используется программный метод XON/XOFF. Если двунаправленный обмен не требуется, используют только одну линию данных, а для управления потоком обратная линия используется для сигнала CTS (аппаратный протокол) или встречной линии данных(для программного протокола).

Преобразовать сигналы RS-232C в токовую петлю можно с помощью несложной схемы. В качестве примера выбрано подключение тера с токовой петлей к Сом порту с аппаратным управлением потоком, для получения двуполярного сигнала, требуемого для входных сигналов COM-порта, применяется питание от интерфейса.

Интерфейс RS-232C

Интерфейс RS-232C предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные (ООД — оконечное оборудование данных или АПД — аппаратура передачи данных), к оконечной аппаратуре каналов данных (АКД). В роли АПД может выступать компьютер, принтер, плоттер и другое перифе­рийное оборудование. Этой аппаратуре соответствует аббревиатура DTE — Data Terminal Equipment. В роли АКД обычно выступает модем, этой аппаратуре соответствует аббревиатура DCE — Data Communication Equipment. Конечной целью подключения является соединение двух устройств DTE, полная схема соединения приведена на рис. 9.12. Интерфейс позволяет исключить канал уда­ленной связи вместе с парой устройств DTE (модемов), соединив устройства непосредственно с помощью нуль-модемного кабеля (рис. 9.13).

Стандарт описывает управляющие сигналы интерфейса, пересылку данных, электрический интерфейс и типы разъемов. Стандарт описывает 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 одних и тех же использу­емых сигналов 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 предполагает наличие ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ для соеди­няемых устройств, если они оба питаются от сети переменного тока и имеют сетевые фильтры (см. главу 11).

Подключение и отключение интерфейсных кабелей устройств с автономным питанием (не питающихся от интерфейса, таких как, например, мышь) должно производиться при отключении питания. В противном случае разность не вы­ровненных потенциалов устройств в момент коммутации (присоединения или отсоединения разъема) 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 передатчиков двуполярного сигнала. При несо­блюдении правил заземления и коммутации включенных устройств они обычно являются первыми (хорошо, если единственными) жертвами “пиротехнических” эффектов. Иногда их устанавливают в “кроватках”, что сильно облегчает замену. Стандарт RS-232C регламентирует типы применяемых разъемов, что обеспе­чивает высокий уровень совместимости аппаратуры различных производителей.

Последовательный асинхронный адаптер

Практически каждый компьютер оборудован хотя бы одним последовательным асинхронным адаптером. Обычно он представляет собой отдельную плату или же расположен прямо на материнской плате компьютера. Его полное название - RS-232-C. Каждый асинхронный адаптер обычно содержит несколько портов, через которые к компьютеру можно подключать внешние устройства. Каждому такому порту соответствует несколько регистров, через которые программа получает к нему доступ, и определенная линия IRQ (линия запроса прерывания) для сигнализации компьютеру об изменении состояния порта. Каждому порту присваивается логическое имя (СОМ1,СОМ2,ит.д.).

Интерфейс RS-232-C разработан ассоциацией электронной промышленности (EIA) как стандарт для соединения компьютеров и различных последовательных периферийных устройств.

Компьютер IBM PC поддерживает интерфейс RS-232-C не в полной мере; скорее разъем, обозначенный на корпусе компьютера как порт последовательной передачи данных, содержит некоторые из сигналов, входящих в интерфейс RS-232-C и имеющих соответствующие этому стандарту уровни напряжения.

В настоящее время порт последовательной передачи данных используется очень широко. Вот далеко не полный список применений:

- подключение мыши;

- подключение графопостроителей, сканеров, принтеров, дигитайзеров;

- связь двух компьютеров через порты последовательной передачи данных с использованием специального кабеля и таких программ, как FastWire II или Norton Commander;

- подключение модемов для передачи данных по телефонным линиям;

- подключение к сети персональных компьютеров;

Аппаратная реализация

Компьютер может быть оснащен одним или двумя портами последовательной передачи данных. Эти порты расположены либо на материнской плате, либо на отдельной плате, вставляемой в слоты расширения материнской платы.

Бывают также платы, содержащие четыре или восемь портов последовательной передачи данных. Их часто используют для подключения нескольких компьютеров или терминалов к одному, центральному компьютеру. Эти платы имеют название "мультипорт".

В основе последовательного порта передачи данных лежит микросхема INTEL 8250 или ее современные аналоги - INTEL 16450,16550,16550А. Эта микросхема является универсальным асинхронным приемопередатчиком (UART - Universal AsynchronousReceiver Transmitter). Микросхема содержит несколько внутренних регистров, доступных через команды ввода/вывода.

Микросхема 8250 содержит регистры передатчика и приемника данных. При передаче байта он записывается в буферный регистр передатчика, откуда затем переписывается в сдвиговый регистр передатчика. Байт "выдвигается" из сдвигового регистра по битам.

Программа имеет доступ только к буферным регистрам, копирование информации в сдвиговые регистры и процесс сдвига выполняется микросхемой UART автоматически.

К внешним устройствам асинхронный последовательный порт подключается через специальный разъем. Существует два стандарта на разъемы интерфейса RS-232-C, это DB-25 и OB-9, Первый имеет 25, а второй 9 выводов. Интерфейс RS-232-C определяет обмен между устройствами двух типов: DTE (Data Terminal Equipment - терминальное устройство) и DCE (Data Communication Equipment - устройство связи).

Программирование адаптера Порты асинхронного адаптера

На этапе инициализации системы, модуль POST BIOS тестирует имеющиеся асинхронные порты RS-232-C и инициализирует их. В зависимости от версии BIOS инициализируются первые два или четыре порта. Их базовые адреса располагаются в области данных BIOS начиная с адреса 0000:0400h.

Первый адаптер СОМ1 имеет базовый адрес 3F8h и занимает диапазон адресов от 3F8h до 3FFh. Второй адаптер COM2 имеет базовый адрес 2F8h и занимает адреса 2F8h..2FFh.

Асинхронные адаптеры могут вырабатывать прерывания:

COM1.COM3-IRQ4

СОМ2,СОМ4 - IRQ3

Имеется 7 основных регистров для управления портами:

а) Регистр данных

Регистр данных расположен непосредственно по базовому адресу порта RS-232-C и используется для обмена данными и для задания скорости обмена.

Для передачи данных в этот регистр необходимо записать

Максимальная скорость обмена информацией, которую можно достичь при использовании асинхронного адаптера, достигает 115200 бод, что примерно соответствует 14 Кбайт в секунду.

б) Регистр управления прерываниями

Этот регистр используется либо для управления прерываниями от асинхронного адаптера, либо (после вывода в управляющий регистр байта с установленным в 1 старшим битом) для вывода значения старшего байта делителя частоты тактового генератора.

в) Регистр идентификации прерывания

Считывая его содержимое, программа может определить причину прерывания

г) Управляющий регистр

Управляющий регистр доступен по записи и чтению. Этот регистр управляет различными характеристиками UART: скоростью передачи данных, контролем четности, передачей сигнала BREAK, длиной передаваемых слов (символов).

д) Регистр управления модемом

Регистр управления модемом управляет состоянием выходных линий DTR, RTS и линий, специфических для модемов - OUT1 и OUT2, а также запуском диагностики при соединенных вместе входе и выходе асинхронного адаптера.

е) Регистр состояния линии

Регистр состояния линии определяет причину ошибок, которые могут возникнуть при передаче данных между компьютером и микросхемой UART.

ж) Регистр состояния модема

Регистр состояния модема определяет состояние управляющих сигналов, передаваемых модемом асинхронному порту компьютера.

Современные микросхемы UART

Фактически микросхема UART 8250 в ее исходном виде использовалась только в старых моделях компьютеров IBM PC. Современные микросхемы - UART 16450, 16550, 16550А изготовленные по новой технологии, позволяют достичь более высокой скорости обмена данными, а также обладают новыми аппаратными возможностями.

Лекция по техническим средствам информатизации №8.

Дата добавления: 2014-10-17