Стандартные интерфейсы: COM, USB

Последовательный интерфейс для передачи данных использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. Отсюда название интерфейса и порта. Английские термины - Serial Interface и Serial Port (иногда их неправильно переводят как "серийные"). Последовательная передача позволяет сократить количество сигнальных линий и увеличить дальность связи.

Последовательная передача данных может осуществляться в асинхронном или синхронном режимах. При асинхронной передаче каждому байту предшествует старт-бит, сигнализирующий приемнику о начале посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит паритета (четности). Завершает посылку стоп-бит, гарантирующий паузу между посылками (рис. 4.17). Старт-бит следующего байта посылается в любой момент после стоп-бита, то есть между передачами возможны паузы произвольной длительности. Старт-бит, имеющий всегда строго определенное значение (логический 0), обеспечивает простой механизм синхронизации приемника по сигналу от передатчика. Подразумевается, что приемник и передатчик работают на одной скорости обмена. 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 стробы располагаются в середине битовых интервалов, что позволяет принимать данные и при незначительном рассогласовании скоростей приемника и передатчика. Очевидно, 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 и дискретности работы внутреннего счетчика синхронизации реально допустимо меньшее отклонение частот. Чем меньше коэффициент деления опорной частоты внутреннего генератора (чем выше частота передачи), тем больше погрешность привязки стробов к середине битового интервала, и требования к согласованности частот становятся более строгими. Чем выше частота передачи, тем больше влияние искажений фронтов на фазу принимаемого сигнала. Взаимодействие этих факторов приводит к повышению требований к согласованности частот приемника и передатчика с ростом частоты обмена.

Рис. 4.17. Формат асинхронной передачи

Формат асинхронной посылки позволяет выявлять возможные ошибки передачи.

· Если принят перепад, сигнализирующий о начале посылки, а по стробу старт-бита зафиксирован уровень логической единицы, старт-бит считается ложным и приемник снова переходит в состояние ожидания. Об этой ошибке приемник может и не сообщать.

· Если во время, отведенное под стоп-бит, обнаружен уровень логического нуля, фиксируется ошибка стоп-бита.

· Если применяется контроль четности, то после посылки бит данных передается контрольный бит. Этот бит дополняет количество единичных бит данных до четного или нечетного в зависимости от принятого соглашения. Прием байта с неверным значением контрольного бита приводит к фиксации ошибки.

Контроль формата позволяет обнаруживать обрыв линии. При этом принимаются логический нуль, который сначала трактуется как старт-бит, и нулевые биты данных, потом срабатывает контроль стоп- бита.

Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400, 57 600 и 115 200 бит/с. Иногда вместо единицы измерения"бит/с" используют "бод" (baud), но при рассмотрении недвоичных передаваемых сигналов это некорректно. В бодах принято измерять частоту изменения состояния линии, а при недвоичном способе кодирования (широко применяемом в современных модемах) в канале связи скорости передачи бит (бит/с) и изменения сигнала (бод) могут отличаться в несколько раз.

Количество бит данных может составлять 5, 6, 7 или 8 (5- и 6-битные форматы распространены незначительно). Количество стоп-бит может быть 1, 1,5 или 2 ("полтора бита" означает только длительность стопового интервала). Асинхронный 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 сразу же следует поток информационных бит. 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 будут ниже, чем в асинхронном. Однако в синхронном режиме необходима внешняя синхронизация приемника с передатчиком, поскольку даже малое отклонение частот приведет к искажению принимаемых данных. Внешняя синхронизация возможна либо с помощью отдельной линии для передачи сигнала синхронизации, либо с использованием самосинхронизирующего кодирования данных, при котором на стороне приемника из принятого сигнала могут быть выделены импульсы синхронизации. В любом случае синхронный режим требует дорогих линий связи или оконечного оборудования. Для PC существуют специальные платы – адаптеры SDLC (дорогие), поддерживающие синхронный режим обмена. Они используются в основном для связи с большими машинами (mainframes) IBM и мало распространены. Из синхронных адаптеров в настоящее время применяются адаптеры интерфейса V.35.

Рис. 4.18. Стандарты последовательного интерфейса

На физическом уровне последовательный интерфейс имеет различные реализации, различающиеся способом передачи электрических сигналов. Существует ряд родственных международных стандартов: RS-232C, RS-423A, RS-422A и RS-485. На рис. 4.18 приведены схемы соединения приемников и передатчиков, а также показаны ограничения на длину линии (L) и максимальную скорость передачи данных (V).

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

В перечисленных стандартах сигнал представляется потенциалом. Существуют последовательные интерфейсы, где информативен ток, протекающий по общей цепи передатчик-приемник – "токовая петля" и MIDI. Для связи на короткие расстояния приняты стандарты беспроводной инфракрасной связи. Наибольшее распространение в PC получил простейший из перечисленных – стандарт RS-232C, реализуемый СОМ-портами. В промышленной автоматике широко применяется RS-485, а также RS-422A, встречающийся и в некоторых принтерах. Существуют преобразователи сигналов для согласования этих родственных интерфейсов.

СОМ-порт

Последовательный интерфейс СОМ-порт (Communication Port - коммуникационный порт) появился в первых моделях IBM PC. Он был реализован на микросхеме асинхронного приемопередатчика Intel 8250. Порт имел поддержку BIOS (INT 14h), однако широко применялось (и применяется) взаимодействие с портом на уровне регистров. Поэтому во всех PC-совместимых компьютерах для последовательного интерфейса применяют микросхемы приемопередатчиков, совместимые с I8250.

Использование СОМ-портов

СОМ-порты чаще всего применяют для подключения манипуляторов (мышь, трекбол). В этом случае порт используется в режиме последовательного ввода; питание производится от интерфейса. Мышь с последовательным интерфейсом – Serial Mouse –может подключаться к любому исправному порту. Для согласования разъемов порта и мыши возможно применение переходника DB-9S-DB-25P или DB-25S-DB- 9P. Для мыши требуется прерывание, для порта СОМ1 – IRQ4, для COM2 – IRQ3. Жесткая привязка номера IRQ к номеру порта обусловлена свойствами драйверов. Каждое событие – перемещение мыши или нажатие-отпускание кнопки – кодируется двоичной посылкой по интерфейсу RS-232C. Применяется асинхронная передача; двуполярное питание обеспечивается от управляющих линий интерфейса (табл. 4)

Таблица 4

Сигнал	Контакты
DB-9	DB-25
Data
GND
+V (питание)	4,7	4,20
-V (питание)

Две разновидности Serial Mouse - MS-Mouse и PC-Mouse (Mouse Systems Mouse) – требуют соответствующих драйверов, многие мыши имеют переключатель MS/PC. Мышь с "чужим" драйвером либо не отзывается, либо "скачет" загадочным образом. Эти разновидности используют различные форматы посылок: при одинаковой скорости 1200 бит/с, одном стоп-бите и отсутствии контроля четности Microsoft Mouse использует 7 бит данных, a PC-Mouse - 8 бит. Мышь посылает пакет при каждом изменении состояния – перемещении, нажатии или отпускании кнопки. Пакет, передаваемый MS-Mouse, состоит из трех байт (табл. 5). PC-Mouse передает 5 байт (табл. 6). Здесь LB (Left Buttom), MB (Middle Buttom) и RB (Right Buttom) означают состояние левой, средней и правой кнопок, Х[7:0] и Y[7:0] – биты относительного перемещения мыши с момента предыдущей посылки по координатам Х и Y. Положительным значениям соответствует перемещение по координате Х вправо, а по координате Y вниз для MS-Mouse и вверх для PC-Mouse. Отсюда становятся понятными беспорядочные перемещения курсора на экране при несоответствии драйвера типу мыши.

Таблица 5

Биты	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
1-й байт		LB	RB	Y7	Y6	Х7	Х6
2-й байт		Х5	Х4	Х3	Х2	Х1	X0
3-й байт		Y5	Y4	Y3	Y2	Y1	Y0

Таблица 6

Биты	D7	Dб	D5	D4	D3	D2	D1	D0
1-й байт						LB	MB	RB
2-й байт	Х7	Х6	Х5	Х4	ХЗ	Х2	Х1	ХО
3-й байт	Y7	Y6	Y5	Y4	Y3	Y2	Y1	YO
4-й байт	Совпадает со 2-м байтом
5-й байт	Совпадает с 3-м байтом

Для подключения внешних модемов используется полный (9-проводный) кабель АПД-АКД, схема которого приведена на рис. 4.19. Этот же кабель используется для согласования разъемов (по количеству контактов); возможно применение переходников 9-25, предназначенных для мышей. Для работы коммуникационного ПО обычно требуется использование прерываний, но здесь есть свобода выбора номера (адреса) порта и линии прерывания. Если предполагается работа на скоростях 9600 бит/с и выше, то СОМ-порт должен быть реализован на микросхеме UART 16550A или совместимой. Возможности работы с использованием FIFO-буферов и обмена по каналам DMA зависят от коммуникационного ПО.

Рис. 4.19. Кабели подключения модемов

Для связи двух компьютеров, удаленных друг от друга на небольшое расстояние, используют и непосредственное соединение их СОМ-портов нуль-модемным кабелем (рис. 4.20). Использование программ типа Norton Commander или Interink MS-DOS позволяет обмениваться файлами со скоростью до 115,2 Кбит/с без применения аппаратных прерываний. Это же соединение может использоваться и сетевым пакетом Lantastic, предоставляющим более развитый сервис.

Рис. 4.20. Нуль-модемный кабель: а – минимальный, б – полный

Подключение принтеров и плоттеров к СОМ-порту требует применения кабеля, соответствующего выбранному протоколу управления потоком: программному XON/XOFF или аппаратному RTS/CTS. Схемы кабелей приведены на рис. 4.21и 4.22. Аппаратный протокол предпочтительнее. Прерывания при выводе средствами DOS (командами COPY или PRINT) не используются.

Рис. 4.21. Кабель подключения принтера с протоколом RTS-CTS

Рис. 4.22. Программное управление потоком XON/XOFF

СОМ-порт используется для подключения электронных ключей (Security Devices), предназначенных для защиты от нелицензированного использования ПО. Эти устройства могут быть как "прозрачными", позволяя воспользоваться тем же портом для подключения периферии, так и полностью занимающими порт.

СОМ-порт при наличии соответствующей программной поддержки позволяет превратить PC в терминал, эмулируя систему команд распространенных специализированных терминалов (VT-52, VT-100 и т. д.). Простейший терминал получается, если замкнуть друг на друга функции BIOS обслуживания СОМ-порта (INT 14h), телетайпного вывода (INT 10h) и клавиатурного ввода (INT 16h). Однако такой терминал будет работать лишь на малых скоростях обмена (если, конечно, его делать не на Pentium), поскольку функции BIOS хоть и универсальны, но не слишком быстры.

Интерфейс RS-232C широко распространен в различных ПУ и терминалах. СОМ-порт может использоваться и как двунаправленный интерфейс, у которого имеется 3 программноуправляемые выходные линии и 4 программно-читаемые входные линии с двуполярными сигналами. Их использование определяется разработчиком. Существует, например, схема однобитного широтно-импульсного преобразователя, позволяющего записывать звуковой сигнал на диск PC, используя входную линию СОМ-порта. Воспроизведение этой записи через обычный динамик PC позволяет передать речь. В настоящее время, когда звуковая карта стала почти обязательным устройством PC, это не впечатляет, но когда-то такое решение было интересным.

СОМ-порт используют для беспроводных коммуникаций с применением излучателей и приемников инфракрасного диапазона – IR (Infra Red) Connection. Этот интерфейс позволяет осуществлять связь между парой устройств, удаленных на расстояние, достигающее нескольких метров. Различают инфракрасные системы низкой (до 115,2 Кбит/с), средней (1,152 Мбит/с) и высокой (4 Мбит/с) скорости. Низкоскоростные системы служат для обмена короткими сообщениями, высокоскоростные – для обмена файлами между компьютерами, подключения к компьютерной сети, вывода на принтер, проекционный аппарат и т. п. Ожидаются более высокие скорости обмена, которые позволят передавать "живое видео". В 1993 году 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. Имеются собственные системы фирм Hewlett Packard - HP-SIR (Hewlett Packard Slow Infra Red) - и Sharp - ASK (Amplitude Shifted Keyed IR). Основные 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 115 200 бит/с для инфракрасной связи используются UART, совместимые с 16450/ 16550. В современных системных платах на использование инфракрасной связи 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 прямого управления шиной.

Инфракрасные излучатели не создают помехи в радиочастотном диапазоне и обеспечивают конфиденциальность передачи. ИК-лучи не проходят через стены, поэтому зона приема ограничивается небольшим легко контролируемым пространством. Инфракрасная технология привлекательна для связи портативных компьютеров со стационарными компьютерами или док-станциями. Инфракрасный интерфейс имеют некоторые модели принтеров.

Микросхемы асинхронных приемопередатчиков

Преобразование параллельного кода в последовательный для передачи и обратное преобразование при приеме данных выполняют специализированные микросхемы UART (Universal Asynchronous Receiver- Transmitter - универсальный асинхронный приемопередатчик). Эти же микросхемы формируют и обрабатывают управляющие сигналы интерфейса. СОМ-порты IBM PC XT/AT базируются на микросхемах, совместимых на уровне регистров с UART 18250 – 8250/16450/16550А. Это семейство представляет собой усовершенствование начальной модели, направленное на повышение быстродействия, снижение потребляемой мощности и загрузки процессора при интенсивном обмене. Отметим следующее:

· 8250 имеет ошибки (появление ложных прерываний), учтенные в XT BIOS.

· 8250А – ошибки исправлены, в результате чего потеряна совместимость с BIOS. Работает в некоторых моделях AT, но непригоден для скорости 9600 бит/с.

· 8250В – исправлены ошибки 8250 и 8250А, восстановлена ошибка в прерываниях - возвращена совместимость с XT BIOS. Работает в AT под DOS (кроме скорости 9600 бит/с).

Микросхемы 8250х имеют невысокое быстродействие по обращениям со стороны системной шины. Они не допускают обращения к своим регистрам в смежных шинных циклах процессора – для корректной работы с ними требуется введение программных задержек между обращениями CPU.