Лекции.ИНФО


Последовательный порт (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. 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 (рис. 2.41). Старт-бит следующего посланного байта может посылаться в любой момент после окончания стоп-бита, то есть между передачами возможны паузы произвольной длительности. Старт-бит, имеющий всегда строго определенное значение (лог. 0), обеспечивает простой механизм синхронизации приемника по сигналу от передатчика.

 

Рис. 2.41. Формат асинхронной передачи

 

Подразумевается, что приемник и передатчик работают на одной скорости обмена, измеряемой в количестве передаваемых бит в секунду. Внутренний генератор синхронизации приемника исполь­зует счетчик-делитель опорной частоты, обнуляемый в момент приема начала старт-бита. Этот счетчик генерирует внутренние стробы, по которым приемник фиксирует последующие принимаемые биты. В идеале эти стробы располагаются в середине битовых интервалов, что обеспечивает возможность приема данных и при некотором рассогласовании скоростей приемника и передатчика. Нетрудно заметить, что при передаче 8 бит данных, одного контрольного и одного стоп-бита предельно допустимое рассогласование скоростей, при котором данные будут распознаны верно, не может превышать 5%. С учетом фазовых искажений (затянутых фронтов сигнала) и дискретности работы внутреннего счетчика синхронизации реально допустимо меньшее отклонение частот. Чем меньше коэффициент деления опорной частоты внутреннего генератора (читай: чем выше частота передачи), тем больше погрешность привязки стробов к середине битового интервала, и, следовательно, требования к согласованности частот более строгие. Также, чем выше частота передачи, тем больше влияние искажений фронтов на фазу принимаемого сигнала. Такое «дружное» действие этих двух факторов приводит к повышению требований согласованности частот приемника и передатчика с ростом частоты обмена.

Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 и 115200 бит/с. Иногда вместо единицы измерения «бит/с» используют «бод» (baud) (в честь изобретателя телеграфного аппарата Боде), но в данном случае, 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 одном и том же 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 малораспространены). Количество стоп-бит может быть 1, 1,5 и 2 («полтора бита» подразумевает, естественно, только длительность стопового интервала).

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 байт. Если у передатчика нет данных для передачи, он заполняет паузу непрерывной посылкой байтов синхронизации. Очевидно, что при передаче больших массивов данных накладные расходы на синхронизацию в данном режиме обмена будут ниже, чем в асинхронном. Однако в синхронном режиме необходима внешняя синхронизация приемника с передатчиком, поскольку даже малое отклонение частот приведет к быстро накапливающейся ошибке и искажению принимаемых данных. Внешняя синхронизация возможна либо с помощью отдельной линии для передачи сигнала синхронизации, либо с использованием самосинхронизирующего кодирования данных (например, манчестерский код или NRZ совместно с логическим групповым кодированием), при котором на приемной стороне из принятого сигнала могут быть выделены и импульсы синхронизации. В любом случае синхронный режим требует либо дорогих линий связи, либо дорогого оконечного оборудования (а может, и того и другого). Для PC существуют специальные платы — адаптеры SDLC (довольно дорогие), поддерживающие синхронный режим обмена. Они используются в основном для связи с большими машинами (mainframes) IBM и в настоящее время мало распространены (их вытеснили менее дорогие и более эффективные средства коммуникаций – сетевые адаптеры). Из синхронных адаптеров в настоящее время чаще применяются адаптеры интерфейса V.35.

Последовательный интерфейс на физическом уровне может иметь различные реализации, различающиеся способами передачи электрических сигналов. Существует ряд родственных международных стандартов: RS-232C, RS-423A, RS-422A и RS-485. На рис. 2.42 приведены схемы соединения приемников и передатчиков и показаны их ограничения на длину линии (L) и максимальную скорость передачи данных (V).

Рис. 2.42. Стандарты последовательного интерфейса

 

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 используются дифференциальные сигналы, распространяющиеся по отдельной (витой) паре 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 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. 2.43. Интерфейс позволяет исключить канал удаленной связи вместе с парой устройств DTE (модемов), соединив устройства непосредственно с помощью нуль-модемного кабеля (рис. 2.44).

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.

 

Рис. 2.43. Полная схема соединения по RS-232C

 

Рис. 2.44. Соединение по RS-232C нуль-модемным кабелем

 

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 НЕ ОБЕСПЕЧИВАЕТ ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКИ устройств. Логической единице соответствует уровень напряжения на входе приемника в диапазоне -12...-3 В. Для линий управляющих сигналов это состояние называется ON («включено»), для линий последовательных данных называется MARK. Логическому нулю соответствует напряжение в диапазоне +3...+12 В. Для линий управляющих сигналов это состояние называется OFF («выключено»), для линий последовательных данных называется SPACE. Между уровнями -3...+3 В имеется зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника: состояние линии будет считаться измененным только после пересечения соответствующего порога (рис. 2.45). Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах -12...-5 В и +5...+12 В для представления единицы и нуля соответственно. Разность потенциалов между схемными землями (SG) соединяемых устройств должна быть менее 2 В, при более высокой разности потенциалов возможно неверное восприятие сигналов.

Интерфейс предполагает наличие ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ для соединяемых устройств, если они оба питаются от сети переменного тока и имеют сетевые фильтры

Подключение и отключение интерфейсных кабелей устройств с автономным питанием то есть, не питающихся от интерфейса, как, например, принтер, 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 (в незаземленных устройствах с сетевыми фильтрами напряжение на корпусе может достигать половины величины напряжения сетевого питания). Устройства, питающиеся от линий интерфейса, например манипулятор "мышь", можно отсоединять от разъемов без выключения питания компьютера.

 

Рис. 2.45. Прием сигналов RS-232C

 

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. Цоколевка популярных микросхем формирователей сигналов RS-232C приведена на рис. 2.46. (среди отечественных микросхем подобные функции выполняют: приемник - К170УП2; передатчик – К170АП2). Часто буферные схемы входят прямо в состав интерфейсных БИС. Это удешевляет изделие, экономит место на плате, но в случае аварии обычно оборачивается крупными финансовыми потерями. Вывести из строя интерфейсные микросхемы замыканием сигнальных цепей маловероятно, поскольку ток короткого замыкания передатчиков обычно ограничен на уровне 20 мА.

 

Рис. 2.46. Формирование сигналов RS-232C: а — приемник 1489 (А — вход RS-232, С — управление гистерезисом (ТТЛ), Y — выход ТТЛ); б — передатчик 1488 (А, В — входы ТТЛ, Y — выход RS-232, VDD = +12 В, VEE = -12 В); а — таблица состояния выходов передатчика (*1 В=лог. 1)

 

Стандарт RS-232C регламентирует типы применяемых разъемов, что обеспечивает высокий уровень совместимости аппаратуры различных производителей.

На аппаратуре DTE (в том числе, и на СОМ-портах PC) принято устанавливать вилки (male - «папа») DB25P или более компактный вариант - DB9P. Девятиштырьковые разъемы не имеют контактов для дополнительных сигналов, необходимых для синхронного режима (в большинстве 25-штырьковых разъемов эти контакты также не используются).

На аппаратуре DCE (модемах) устанавливают розетки (female — «мама») DB25S или DB9S.

Это правило предполагает, что разъемы DCE могут подключаться к разъемам DTE непосредственно (если позволяет геометрия конструктива) или через переходные «прямые» кабели с розеткой и вилкой, у которых контакты соединены «один в один». Переходные кабели могут являться и переходниками с 9 на 25-штырьковые разъемы (рис. 2.47).

 

Рис. 2.47. Кабели подключения модемов

 

Если аппаратура DTE соединяется без модемов, то разъемы устройств (вилки) соединяются между собой нуль-модемным кабелем (Zero-modem или Z-modem), имеющим на обоих концах розетки, контакты которых соединяются перекрестно по одной из схем, приведенных на рис. 2.48.

 

Рис. 2.48. Нуль-модемный кабель: а —минимальный, б—полный кабель

 

Если на каком-либо устройстве DTE (принтер, плоттер, дигитайзер) установлена розетка - это почти стопроцентный признак того, что к другому устройству (компьютеру) оно должно подключаться прямым кабелем, аналогичным кабелю подключения модема. Розетка устанавливается обычно на тех устройствах, у которых удаленное подключение через модем не предусмотрено (или бессмысленно, как, например, у дигитайзера).

В табл. 2.19 приведено назначение контактов разъемов СОМ-портов (и любой другой аппаратуры DTE).

 

Таблица 2.19. Разъемы и сигналы интерфейса RS-232C

Обозначение цепи   Контакт разъема Провод шлейфа выносного разъема PC Направление     Название цепи  
RS232 Стык 2 DB25S DB9S 1* 2* 3* 4* I/O
PG       -   (10)   (10)   (10)     -   Protect Ground — Защитная земля
TD                 О   Transmit Data — Передаваемые данные
RD                 I   Receive Data — Принимаемые данные
RTS                 О   Request To Send — Запрос на передачу
CTS                                 I     Clear To Send — Готовность модема к приему данных для передачи
DSR                 I   Data Set Ready — Готовность модема к работе
SG                 -   Signal Ground — Схемная земля
DCD                 I   Data Carrier Detected — Несущая обнаружена
DTR     108/2                             О     Data Terminal Ready — Готовность терминала (PC) к работе
RI                 I   Ring Indicator — Индикатор вызова

1* — шлейф 8-битных мультикарт. 2* — шлейф 16-битных мультикарт и портов на системных платах.

3* — вариант шлейфа портов на системных платах. 4* — широкий шлейф к 25-контактному разъему.

 

Назначение контактов разъема DB25S определено стандартом EIA/TIA - 232-Е, разъем DB9S определен стандартом EIA/ TIA-574. У модемов (DCE) название цепей и назначение контактов, естественно, совпадает, но роли сигналов (вход-выход) меняются на противоположные.

Подмножество сигналов RS-232C, относящихся к асинхронному режиму, рассмотрим с точки зрения СОМ-порта PC, являющегося по терминологии RS-232C терминалом данных (DTE). Следует помнить, что активному состоянию сигнала («включено») и логической единице передаваемых данных соответствует отрицательный потенциал (ниже -3 В) сигнала интерфейса, а состоянию «выключено» и логическому нулю — положительный (выше +3 В). Назначение сигналов интерфейса приведено в табл. 2.20.

Таблица 2.20. Назначение сигналов интерфейса RS-232C

Сигнал Назначение
PG Защитная земля, соединяется с корпусом устройства и экраном кабеля
SG Сигнальная (схемная) земля, относительно которой действуют уровни сигналов
TD Последовательные данные — выход передатчика
RD Последовательные данные — вход приемника
RTS Выход запроса передачи данных: состояние «включено» уведомляет модем о наличии у терминала данных для передачи. В полудуплексном режиме используется для управления направлением — состояние «включено» является сигналом модему на переключение в режим передачи
CTS Вход разрешения терминалу передавать данные. Состояние «выключено» аппаратно запрещает передачу данных. Сигнал используется для аппаратного управления потоками данных
DTR Выход сигнала готовности терминала к обмену данными. Состояние «включено» поддерживает коммутируемый канал в состоянии соединения
DSR Вход сигнала готовности от аппаратуры передачи данных (модем в рабочем режиме подключен к каналу и закончил действия по согласованию с аппаратурой на противоположном конце канала)
DCD Вход сигнала обнаружения несущей удаленного модема
RI Вход индикатора вызова (звонка). В коммутируемом канале этим сигналом модем сигнализирует о принятии вызова

Примечание: более подробное описание назначения этих сигналов и сигналов, используемых дополнительно в 25-контактном разъеме, приведено в разделе 9.3.1.6. второй части пособия.

 

Контроллер СОМ-порта выполнен на микросхемах UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) типа i8250 или 16550A. Контроллеры содержат более десяти программно-доступных регистров, с помощью которых осуществляется управление работой порта. Информацию о форматах регистров и системной поддержке портов можно найти в [2, 22, 49-51].

Интерфейс «токовая петля»

Довольно распространенным вариантом последовательного интерфейса является «токовая петля» (Мы уже останавливались на нем в разделе 2.7.1). В этом интерфейсе электрическим сигналом является не уровень напряжения относительно общего провода, а ток в двухпроводной линии, соединяющей приемник и передатчик. Обычно логической единице (и состоянию «включено») соответствует протекание тока 20 мА, а логическому нулю — отсутствие тока. Такое представление сигналов для вышеописанного формата 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 и 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 передаваемых 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, приведенной на рис. 2.49. В качестве примера выбрано подключение принтера с токовой петлей к СОМ-порту с аппаратным управлением потоком. Здесь для получения двуполярного сигнала, требуемого для входных сигналов СОМ-порта, применяется питание от интерфейса.

При некоторой «изворотливости» программного обеспечения одной токовой петлей можно обеспечить и двунаправленную полудуплексную связь двух устройств (компьютеров). Спецификой такого соединения является то, что каждый приемник «слышит» как сигналы передатчика на противоположной стороне канала, так и сигналы своего передатчика. Эта ситуация расценивается коммуникационными пакетами (например, классический KERMIT) просто как эхо-сигнал. Естественно, для безошибочного приема передатчики должны работать только поочередно.

 

Рис. 2.49. Подключение принтера с интерфейсом «токовая петля» к СОМ –порту

 

Инфракрасный интерфейс

Применение излучателей и приемников инфракрасного диапазона позволяет осуществлять беспроводные коммуникации между парой устройств, удаленных на расстояние, достигающее одного метра, а иногда даже нескольких метров. Различают инфракрасные системы связи низкой скорости (до 115,2 Кбит/с) средней и высокой, работающие со скоростями 1,152 и 4 Мбит/с соответственно. Низкоскоростные системы пригодны для обмена короткими сообщениями, высокоскоростные — для обмена файлами между компьютерами, подключения к локальной (или глобальной) сети, вывода информации на принтеры, проекционные аппараты и т. п. В перспективе ожидаются и более высокие скорости обмена, которые позволят передавать даже «живое видео». В 1993 году была создана ассоциация разработчиков систем инфракрасной передачи данных IrDA (Infrared Data Association), призванная обеспечить совместимость оборудования от различных производителей. В настоящее время действует стандарт IrDA 1.1, кроме которого имеются собственные системы фирм Hewlett Packard HP-SIR (Hewlett Packard Slow Infra Red) и ASK (Amplitude Shifted Keyed IR) фирмы Sharp. Основные (скоростные) характеристики интерфейсов следующие:

· IrDA SIR (Slow Infra Red), HP-SIR - 9,6-115,2 Кбит/с;

· IrDA MIR (Middle Infra Red) - 1,2 Мбит/с;

· IrDA FIR (Fast Infra Red) - 4 Мбит/с;

· Sharp ASK - 9,6-57,6 Кбит/с.

На скоростях до 115,2 Кбит/с для инфракрасной связи используются UART, совместимые с 16450/16550. В современных системных платах на использование инфракрасной связи часто может конфигурироваться порт COM2. В этом случае на переднюю панель компьютера устанавливается внешний приемопередатчик — «инфракрасный глаз», который подключается к разъему IR-Connector системной платы.

На средних и высоких скоростях обмена применяются специализированные микросхемы, ориентированные на интенсивный программно-управляемый обмен или DMA, с возможностью использования прямого управления шиной (Bus Master).

В отличие от других беспроводных систем связи (радиочастотных), инфракрасные излучатели не создают помех в радиочастотном диапазоне и обеспечивают достаточный уровень конфиденциальности связи. ИК-лучи не проходят через стены, и расстояние приема ограничивается небольшим, легко контролируемым пространством. Весьма привлекательно применение инфракрасной технологии для связи портативных компьютеров со стационарными компьютерами или док -станциями (PC Docking), расширяющими их до полноценной настольной конфигурации. Инфракрасный интерфейс имеют и некоторые модели принтеров.

 

Интерфейс MIDI

Цифровой интерфейс музыкальных инструментов MIDI (Musical Instrument Digital Interface) является двунаправленным последовательным асинхронным интерфейсом с частотой передачи 31,25 Кбит/с. Этот интерфейс, разработанный в 1983 году, стал фактическим стандартом для сопряжения компью­теров, синтезаторов, записывающих и воспроизводящих устройств, микшеров, устройств специальных эффектов и другой электромузыкальной техники. В настоящее время интерфейс MIDI имеют и дорогие синтезаторы, и дешевые музыкальные клавиатуры, которые могут использоваться в качестве устройств ввода компьютера.

В интерфейсе применяется токовая петля 10 мА (возможно и 5 мА) с гальванической (оптронной) развязкой входной цепи (напряжение изоляции 100 В). Эта развязка исключает связь «схемных земель» соединяемых устройств через интерфейсный кабель, что устраняет помехи (фон), крайне нежелательные для звуковой техники. Снижению интерференционных помех служит и выбор частоты передачи, которая совпадает с одним из значений частот квантования, принятых в цифровой звукозаписи.

Формат асинхронной посылки содержит старт-бит, 8 бит информации и 1 стоп-бит, контроль четности отсутствует. Старший бит посылки является признаком «команда -данные». Его нулевое значение указывает на наличие семи бит данных в младших разрядах. При единичном значении признака биты [6:4] содержат код команды, а биты [3:0] — адрес приемника. Команды могут быть как адресованными конкретному устройству, так и широковещательными (безадресными). К последней группе относятся команды старта, стопа и отметки времени, обеспечивающие синхронизацию устройств (система синхронизации МТС - MIDI Time Code).

Интерфейс определяет три типа портов: MIDI-IN, MIDI-OUT и MIDI-THRU.

Входной порт MIDI-IN представляет собой вход интерфейса «токовая петля 10 мА», гальванически развязанного от приемника оптроном с быстродействием не хуже 2 мкс. Устройство отслеживает информационный поток на этом входе и реагирует на адресованные ему команды и данные.

Выходной порт MIDI-OUT представляет собой выход источника тока 10 мА, гальванически связанного со схемой устройства. Ограничительные резисторы предохраняют выходные цепи от повреждения при замыкании на землю или источник 5 В. На выход подается информационный поток от данного устройства. В этом потоке может содержаться и транслированный входной поток, но это далеко не всегда так.

Транзитный порт MIDI-THRU служит только для ретрансляции входного сигнала. Его наличие не является обязательным для всех устройств.

В качестве разъемов применяются 5-контактные разъемы DIN, распространенные в бытовой звуковой аппаратуре. На всех устройствах устанавливаются розетки, на кабелях — вилки. Все соединительные кабели MIDI унифицированы (см. схему на рис. 2.50). Согласно правилам подключения, контакт 2 — экран кабеля — соединяется с общим проводом только на стороне передатчика (на разъемах MIDI-OUT и MIDI-THRU). На разъеме MIDI-IN этот контакт свободен.

]

Рис. 2.50. Соединительные кабели MIDI

 

В маркировке входов и выходов, указанной около разъемов, бывают разночтения. Одни производители считают, что надо писать In или Out в соответствии с функцией разъема данного устройства, и это, пожалуй, правильно: любой кабель будет соединять In и Out. Другие считают, что подпись должна обозначать функцию подключаемого устройства, и тогда кабель будет соединять разъемы с обозначениями In — In и Out — Out. Такая маркировка встречается реже, но и ее следует иметь в виду.

Интерфейс позволяет объединить группу до 16 устройств в локальную сеть. Возможные варианты топологии должны подчиняться главному правилу: вход MIDI-IN одного устройства должен подключаться к выходу MIDI-OUT или MIDI-THRU другого устройства. При планировании MIDI-сети необходимо руководствоваться знаниями информационных потоков и связей устройств. Управляющие устройства — клавиатуры, секвенсоры (в режиме воспроизведения), источники синхронизации — должны находиться, естественно, перед управляемыми. Если устройства нуждаются в двунаправленном обмене, они должны соединяться в кольцо. Возможно применение и специальных устройств-мультиплексоров, позволяющих логически коммутировать множество входных потоков в один выходной. Вырожденным случаем кольца является двунаправленное соединение двух устройств. Несколько вариантов соединения приведены на рис.2.51.

В PC MIDI-порт имеется на большинстве плат звуковых адаптеров, и его сигналы выведены на неиспользуемые контакты (12 и 15) разъема игрового адаптера. При этом для подключения стандартных устройств MIDI требуется переходной адаптер, реализующий интерфейс «токовая петля». Переходной адаптер обычно встраивается в специальный кабель, примерная схема которого приведена на рис. 2.52. Некоторые модели PC имеют встроенные адаптеры и стандартные 5-штырьковые разъемы MIDI.

 

Рис. 2.51. Варианты топологии сети MIDI: а — цепь, б — кольцо с мультиплексором

 

Рис. 2.52. Вариант схемы кабеля-адаптера MIDI

 

В PC для MIDI-порта обычно применяются микросхемы UART, совместимые с MPU401. Эти микросхемы отличаются от обычных UART 8250 или 8251 в основном тем, что имеют регистр адреса устройства. При приеме команды с адресом устройства, совпадающим с заданным в этом регистре (или с широковещательным адресом), вырабатывается запрос аппаратного прерывания. Это позволяет интерфейсу игнорировать команды, не адресованные данному устройству, без привлечения к фильтрации ресурсов процессора. В пространстве ввода/вывода MPU401 занимает два смежных адреса MPU и MPU+1:

По адресу MPU+0 (обычно 330h) расположен регистр данных (R/W);

По адресу MPU+1 — регистр адреса и управления (W) и регистр состояния (R).

На некоторых системных платах применяются БИС контроллеров интерфейсов, в которых UART, используемый для СОМ -порта, конфигурированием через BIOS SETUP может быть переведен в режим MIDI-порта.

 

Игровой адаптер - GAME-порт

Интерфейс игрового адаптера занимает особое место в классификации. Он позволяет вводить значения дискретных (4 бита) и аналоговых сигналов (величины сопротивления 4 резисторов). Изначально порт был предназначен для подключения джойстиков и других игровых устройств ввода (Paddle), но он с успехом может применяться и для подключения более «серьезных» датчиков. Метод измерения сопротивления основан на программном определении длительности импульса, пропорциональной величине сопротивления. Преобразование начинается по выводу любого байта в регистр адаптера (201h), при этом биты 0-3 устанавливаются в единичные значения. Время измеряется до возврата в нулевое состояние бит 0-3, соответствующих четырем аналоговым каналам. Если аналоговый вход закорочен на шину GND или цепь измеряемого сопротивления разорвана, соответствующий бит не обнулится никогда (до аппаратного сброса компьютера). Поэтому во избежание зависания в программе преобразования должен быть предусмотрен механизм тайм-аута. Для измеряемых сопротивлений в диапазоне 0-100 кОм время определяется по формуле

Т(мкс)=24,2+11´R(кОм).

Конечно, точность и линейность преобразования невысока, преобразование выполняется не быстро (до 1,12 мс) и сильно загружает процессор. Однако, в отличие от «настоящих» аналого-цифровых преобразователей, этот преобразователь достается даром — игровой адаптер входит в состав практически всех комбинированных плат последовательных и параллельных портов (мультикарт) и звуковых карт.

Порт имеет разъем-розетку DB-15S, назначение выводов и соответствие сигналов битам регистра приведено в табл. 2.21. Резисторы подключаются к шине питания +5 В, кнопки — к шине GND (рис. 2.53). Замыканию кнопок соответствуют нули в битах 5-7. При необходимости аналоговые каналы можно использовать и для дискретного ввода, если их входы подключить к кнопкам, замыкающим их на шину GND, и к резисторам, «подтягивающим» их к уровню + 5 В. Два джойстика (А и В) подключаются через Y-образный переходник-разветвитель. На звуковых картах через разъем «Game» вместе с джойстиками могут подключаться и внешние MIDI-устройства через специальный кабель-адаптер, обеспечивающий гальваническую развязку входного сигнала и ограничение выходного тока (см. рис. 2.52). Для интерфейса MIDI используются контакты 12 и 15, ранее предназначавшиеся для шин GND и +5V. Такое назна чение делает безопасным подключение адаптера MIDI к «чистому» игровому порту и обычного джойстика к игровому порту с сигналами MIDI.

 

Рис. 2.53. Подключение датчиков к игровому адаптеру

 

Таблица 2.21. Интерфейс игрового адаптера и MIDI

Бит Назначение Контакт
Джойстик В кнопка #2
Джойстик В кнопка #1
Джойстик А кнопка #2
Джойстик А кнопка #1
Джойстик В Y-координата
Джойстик В Х-координата
Джойстик А Y-координата
Джойстик А Х-координата
- GND 4, 5, (12)
- +5 В 1, 8, 9, (15)
- MIDI In — вход (на звуковой карте)
- MIDI Out — выход (на звуковой карте)

 

Интерфейс клавиатуры

Для подключения клавиатуры предназначен последовательный интерфейс, состоящий из двух обязательных сигналов “Данные” (KB-Data) и “Синхронизация” (KB-Clock). Необязательный сигнал “Сброс” (KB-Reset) сбрасывает клавиатуру низким уровнем сигнала. Интерфейс на системной плате XT реализован аппаратной логикой — регистром сдвига, параллельный выход которого подключается ко входам порта А системного интерфейса 8255. По приему байта от клавиатуры логика вырабатывает запрос аппаратного прерывания IRQ1, обработчик которого может прочитать принятый байт из порта 60h. С помощью бит 7 и 6 порта 61h возможна программная блокировка и сброс клавиатуры соответственно. Сброс клавиатуры XT осуществляется принудительным обнулением линии KB-Clock.

Интерфейс клавиатуры AT построен на микроконтроллере i8042, 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).

Хотя электрический интерфейс клавиатур XT и AT совпадает (за исключением возможности двунаправленного обмена в AT), логические форматы посылок существенно отличаются. Начальный тест (POST) способен производить диагностику клавиатуры, причем подключение клавиатуры неподходящего типа или не подключенную клавиатуру он воспримет как ошибку. Если проверка клавиатуры разрешена в BIOS Setup, то по этой ошибке POST будет сколь угодно долго дожидаться получения кода нажатия клавиши F1.

Контроллер 8042 и клавиатура связаны четырехпроводным экранированным кабелем, включающим линию питания (+5 В), линию заземления, линии сигнала данных и сигнала синхронизации. К системному блоку РС кабель подключается посредством разъема. Вид разъемов клавиатур (со стороны задней панели системного блока) приведены на рис. 2.54, а назначение контактов – в Таблице 2.22.

 

Рис. 2.54. Разъемы подключения клавиатур XT, AT, PS/2 (вид со стороны контактов)

Таблица 2.22 Назначение выводов разъемов клавиатуры.

Контакт Назначение
Синхронизация
Данные
Не используется
Общий провод (Земля)
Питание +5В

 

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









Читайте также:

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-22; Просмотров: 153;


lektsia.info 2017 год. Все права принадлежат их авторам! Главная