Внутренние цифровые интерфейсы

Для расширения возможностей дисплейного адаптера, главным образом, в сторону обработки видеоизображений, многие графические адаптеры имеют внутренний интерфейс для передачи пиксельной информации синхронно с регенерацией экрана. Этот интерфейс используется для связи графического адаптера с видеооверлейными платами (видеобластерами), декодерами MPEG. Разъем графического адаптера связывается с таким же разъемом видеоплаты плоским кабелем-шлейфом.

На адаптерах VGA присутствовал краевой 26-контактный разъем VGA Auxiliary Video Connector с шагом ламелей 0,1". Впоследствии был стандартизован VESA Feature Connector (VFC) (табл. 8.17), у которого назначение сигналов практически сохранилось, но используется двухрядный штырьковый разъем. Этот разъем графического адаптера VGA и SVGA позволяет получать поток байт данных сканируемых пикселов при работе адаптера в режиме до 640×480 пикселов×256 цветов. Нормально интерфейс работает на вывод и синхронизируется от генератора графического адаптера. Однако, установив низкий уровень сигнала Data Enable, видеоплата может заставить графическую карту принимать пикселы; сигнал Sync Enable переключает графический адаптер на прием сигналов строчной и кадровой синхронизации; сигнал PCLK Enable переключает графический адаптер на работу от внешнего сигнала синхронизации пикселов.

Таблица 8.17 . Разъем VFC

Сигнал	Контакт	Контакт	Сигнал
GND			Data 0
GND			Data 1
GND			Data 2
Data enable			Data 3
Sync. enable			Data 4
PCLK enable			Data 5
(Vcc)			Data 6
GND			Data 7
GND			PCLK
GND			BLANK
GND			HSYNC
(Vcc)			VSYNC
(GND)			GND

Для режимов до 1024×768 с глубиной цвета High Color и True Color предназначен разъем VAFC — VESA Advanced Feature Connector (табл. 8.18) — двухрядный, с шагом 0,05" и расстоянием между рядами 0,1". Он имеет разрядность 16/32 бит и при максимальной частоте точек 37,5 МГц обеспечивает скорость потока данных 150 Мбайт/с. 16-битная версия VAFC использует первые 56 контактов, а 32-битная — все 80-контактов разъема. Допустимая длина шлейфа — 7". В этом интерфейсе сигналы GRDY и VRDY означают готовность (способность генерировать данные пикселов) графического адаптера и видеосистемы соответственно, а направлением передачи данных управляет сигнал EVID#.

Таблица 8.18 . Разъем VAFC

Контакт	Сигнал	Назначение	Контакт	Сигнал	Назначение
	RSRV0	Резерв		GND	Ground
	RSRV1	Резерв		GND	Ground
	GENCLK	Genclock input		GND	Ground
	OFFSET0	Pixel offset 2		GND	Ground
	OFFSET1	Pixel offset 1		GND	Ground
	FSTAT	FIFO buffer status		GND	Ground
	VRDY	Video ready		GND	Ground
	GRDY	Graphics ready		GND	Ground
	BLANK#	Blanking		GND	Ground
	VSYNC	Vertical sync		GND	Ground
	HSYNC	Horizontal sync		GND	Ground
	EGEN#	Enable genclock		GND	Ground
	VCLK	Graphics data clock		GND	Ground
	RSRV2	Резерв		GND	Ground
	DCLK (PCLK)	Video data (Pixel) clock		GND	Ground
	EVIDEO#	Video data direction control		GND	Ground
	P0	Video data 0		P1	Video data 1
	GND	Ground		P2	Video data 2
	P3	Video data 3		GND	Ground
	Р4	Video data 4		P5	Video data 5
	GND	Ground		P6	Video data 6
	Р7	Video data 7		GND	Ground
	Р8	Video data 8		P9	Video data 9
	GND	Ground		P10	Video data 10
	Р11	Video data 11		GND	Ground
	Р12	Video data 12		P13	Video data 13
	GND	Ground		P14	Video data 14
	Р15	Video data 15		GND	Ground
	Р16	Video data 16		P17	Video data 17
	GND	Ground		P18	Video data 18
	Р19	Video data 19		GND	Ground
	Р20	Video data 20		P21	Video data 21
	GND	Ground		P22	Video data 22
	Р23	Video data 23		GND	Ground
	Р24	Video data 24		P25	Video data 25
	GND	Ground		P26	Video data 26
	Р27	Video data 27		GND	Ground
	P28	Video data 28		P29	Video data 29
	GND	Ground		P30	Video data 30
	P31	Video data 31		GND	Ground

Кроме этих стандартов существует и специальная внутренняя 32-битная шина для обмена данными между мультимедийными устройствами — VESA Media Channel (VM Channel). Эта шина (канал), в отличие от вышерассмотренных двухточечных интерфейсов, ориентирована на широковещательную передачу данных между несколькими абонентами.

Видеоинтерфейсы

В традиционной технике цветного телевизионного вещания видеосигнал непосредственно несет информацию о мгновенном значении яркости (в нем присутствуют и синхроимпульсы отрицательной полярности), а цветовая информация передается в модулированном виде на дополнительных частотах. Таким образом обеспечивается совместимость черно-белого приемника, игнорирующего цветовую информацию, с цветным передающим каналом. Однако способ кодирования цветовой информации и частоты разверток в системах PAL, SECAM и NTSC различны. В видеотехнике используют различные низкочастотные интерфейсы (радиочастотный тракт здесь не рассматривается).

В интерфейсе Composite Video полный стандартный видеосигнал с размахом около 1,5 В передается по коаксиальному кабелю (75 Ом). Для соединения используются коаксиальные разъемы RCA («колокольчики»). Данный интерфейс характерен для бытовых видеомагнитофонов, аналоговых телекамер, телевизоров. В ПК этот интерфейс используется как дополнительный выходной интерфейс графической карты и как входной интерфейс в устройствах захвата видеосигнала.

Интерфейс S-Video (Separate Video) использует раздельные сигнальные линии: Y для канала яркости и синхронизации (luminance+sync, обычный черно-белый видеосигнал) и С для сигнала цветности. По линии С передается поднесущая частота, модулированная цветоразностными сигналами (burst signal). Сигнал Y имеет размах 1 В, сигнал С в стандарте NTSC имеет размах 0,286 В, в PAL/SECAM — 0,3 В. Обе линии должны нагружаться терминатором 75 Ом. Стандартный 4-контактный разъем S-Video типа mini-DIN (рис. 8.14, а ) используется как интерфейс высококачественных видеосистем, его синонимами являются названия S-VHS и Y/C . Этот интерфейс в ПК тоже может использоваться в качестве входного и дополнительного выходного; он обеспечивает более высокое качество передачи видеоизображений. Иногда задействуют и 7-контактные разъемы mini-DIN, у них внешние 4 контакта имеют то же назначение, а 3 внутренних контакта используются для разных целей (там может быть и композитный сигнал). Выход S-Video легко преобразовать в сигнал для композитного входа (рис. 8.14, б ); эта схема не обеспечивает должного согласования импедансов, но обеспечивает приемлемое качество изображения. Обратное преобразование этой схемой выполняется гораздо хуже, поскольку на яркостный сигнал будет воздействовать помеха в виде сигнала цветности.

Рис. 8.14 . Интерфейс S-Video: a — разъем, б — преобразование в композитный сигнал

Наивысшее качество передачи обеспечивает профессиональный (студийный) интерфейс YUV (professional video), использующий три сигнальные линии: здесь цветоразностные сигналы U и V передаются в немодулированном виде.

Интерфейсы аудиоустройств

Звуковая карта имеет набор разъемов для подключения внешних аудиосигналов, аналоговых и цифровых, а также интерфейс MIDI для связи с электронными музыкальными инструментами. Аудиоданные в цифровом виде могут передаваться также и по универсальным шинам USB и Fire Wire (см. п. 4.2).

Аналоговые интерфейсы

Аналоговые интерфейсы позволяют подключать стандартную бытовую аппаратуру, микрофон, аналоговой выход CD-ROM. На большинстве карт массового потребления для аналоговых сигналов применяют малогабаритные разъемы — «мини-джеки» (jack) диаметром 3,5 мм, моно и стерео. Эти разъемы универсальны (используются на бытовой аппаратуре), но имеют весьма низкое качество контактов — они являются источником шумов (шорохов и тресков), а также иногда просто теряют контакт. Их полноразмерные 6-миллиметровые «родственники», характерные для профессиональной аппаратуры, имеют весьма высокое качество, но из-за крупных габаритов на звуковых картах не используются. На некоторых высококачественных картах сигналы линейного входа и выхода выводятся на пары разъемов RCA, которые обеспечивают очень хороший контакт, особенно в позолоченном варианте. В просторечии такие разъемы, часто используемые на бытовых видеомагнитофонах, называют «колокольчиками» или «тюльпанами».

Раскладка цепей на мини-джеках унифицирована: левый канал — на центральном контакте, экран (земля) на внешнем цилиндре, правый канал — на промежуточном цилиндре. Если стереоджек включить в моногнездо и наоборот, сигнал пойдет только по левому каналу. Все соединения в стереосистемах осуществляются «прямыми» кабелями (контакты разъемов соединяются «один в один»). Для подключения центрального и низкочастотного каналов в 6-колоночной системе единого подхода нет — может потребоваться перекрестный кабель. Неправильное подключение будет заметно по «писку» низкочастотной колонки (сабвуфера) и «бубнению» центральной колонки.

Подключение к звуковой карте устройств через внешние разъемы проблем обычно не вызывает — они унифицированы, и достаточно знать назначение разъемов, маркированных на задней панели.

♦ Line In — линейный вход от магнитофона, тюнера, проигрывателя, синтезатора и т. п. Чувствительность порядка 0,1–0,3 В.

♦ Line Out — линейный выход сигнала на внешний усилитель или магнитофон, уровень сигнала порядка 0,1–0,3 В.

♦ Speaker Out — выход на акустические системы или головные телефоны. Подключать к нему внешний усилитель мощности нецелесообразно, поскольку здесь искажения больше, чем на линейном выходе.

♦ Mic In — микрофонный вход, чувствительность 3-10 мВ. Этот вход обычно монофонический, но иногда используется трехконтактное гнездо (как в стерео), у которого дополнительный контакт (на месте правого канала) выделен для подачи питания на электретный микрофон.

Подключение внутренних устройств к аналоговым входам может доставить больше забот. Для этого используются четырехштырьковые разъемы, различающиеся как шагом межу выводами, так и их назначением. Для подключения CD-ROM часто ставят рядом два, а то и три разъема с параллельно соединенными сигнальными контактами, но и это может не помочь, если кабель имеет другое расположение сигналов. Спасти может перестановка контактов на разъеме кабеля, для чего иголкой нажимают на фиксирующий выступ контакта. После этого контакт можно вытянуть в сторону кабеля и переставить в другое гнездо. Вид и варианты расположения сигнальных контактов аудиовходов приведены на рис. 8.15. Для полноты картины добавим, что разъем может иметь ключ с противоположной стороны (по ошибке сборщика кабеля или по внутреннему стандарту его производителя). Задача подключения все-таки не безнадежна, поскольку требует правильной расстановки только двух сигнальных контактов, а контакты общего провода выделяются тем, что на плате соединяются с шиной, а на кабеле — с экраном. Положение левого и правого каналов аудио-CD в большинстве случаев не так уж и важно.

Рис. 8.15 . Разъемы подключения аудиосигналов

Цифровые интерфейсы

S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface Format) — цифровой последовательный интерфейс (и форматы данных) для передачи аудиосигналов между блоками бытовой цифровой аудиоаппаратуры (DAT, CD-ROM и т.п.). Этот интерфейс является упрощенным вариантом студийного интерфейса AES/EBU (Audio Engineers Society/European Broadcast Union). Интерфейс AES/EBU использует симметричный двухпроводный экранированный кабель с импедансом 110 Ом, разъемы XLR, уровень сигнала — 3-10 В, длина кабеля — до 12 м.

Интерфейс S/PDIF использует коаксиальный кабель 15 Ом, разъемы RCA или BNC, уровень сигнала — 0,5–1 В, длина кабеля — до 2 м. В звуковых картах внутренние разъемы S/PDIF проще — это просто пара штырьков (как у джамперов) на плате с соответствующей ответной частью на кабеле. Такие же упрощенные разъемы применяются и на новых приводах CD-ROM, имеющих выход S/PDIF. «Штатная» схема передатчика S/PDIF содержит разделительный импульсный трансформатор (1:1), благодаря которому соединяемые устройства гальванически развязываются. Встречаются и упрощенные варианты, без разделительного трансформатора. При стыковке устройств с нестандартными интерфейсами возможны проблемы, связанные с несоответствием уровней сигналов. При этом сигнал может быть неустойчивым (звук будет прерываться) или не приниматься совсем. Эти проблемы могут быть решены подручными средствами — установкой дополнительных формирователей сигнала.

Кроме электрической версии существует и оптическая версии интерфейса S/PDIF — Toslink, стандарт EIAJ СР-1201 — с инфракрасными излучателями (660 нм). Применение оптики позволяет обеспечить полную гальваническую развязку устройств, что необходимо для снижения уровня наводок. Для пластикового волокна (POF) длина кабеля не более 1,5 м, для стеклянного волокна — 3 м. В Сети предлагается ряд схем преобразования интерфейсов, одна из которых приведена на рис. 8.16. Здесь первый инвертор посредством обратной связи выведен на линейный участок передаточной характеристики, благодаря чему малый входной сигнал вызывает его переключение. В схеме предлагается микросхема HCT74U04 (6 инверторов); вместо светодиода можно использовать и фирменный трансивер Toslink, его следует подключать без балластного резистора (220 Ом) прямо к выходу инвертора (резистор находится в трансивере).

Рис. 8.16 . Схема преобразователя электрического интерфейса S/PDIF в оптический (Toslink)

По интерфейсу S/PDIF информация передается в последовательном коде покадрово, с обеспечением синхронизации и контролем достоверности передачи (кодами Рида-Соломона). В кадре имеется признак формата данных — PCM или не PCM, что позволяет по данному интерфейсу передавать и упакованные цифровые данные (например, MPEG для АС-3). Имеется также бит защиты от копирования, признак предыскажений и некоторые другие служебные данные. В режиме PCM выборки каждого канала могут иметь разрядность 16, 20 или 24 бит, частота выборок определяет частоту цифрового сигнала. Приемник S/PDIF сам определяет частоту выборок по принимаемому сигналу, наиболее употребимые частоты — 32, 44,1 и 48 кГц.

Кроме этих интерфейсов в студийной аппаратуре применяют интерфейсы ADAT и TDIF, которые имеются только на дорогих профессиональных звуковых картах. Для обмена данными с приводами DVD применяется цифровой последовательный интерфейс I2S.

Интерфейс MIDI

Цифровой интерфейс музыкальных инструментов MIDI (Musical Instrument Digital Interface) является 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. По интерфейсу MIDI устройства обмениваются между собой сообщениями, кратко описанными в книге [1]. На одном интерфейсе может быть организовано до 16 логических каналов, каждый из которых может управлять своим инструментом.

В физическом интерфейсе применяется токовая петля 5 мА (возможно до 10 мА) с гальванической (оптронной) развязкой входной цепи. Логическому нулю соответствует наличие тока, логической единице (и покою) — отсутствие тока (в «классической» токовой петле телекоммуникаций все наоборот).

Интерфейс определяет три типа портов: MIDI–In, MIDI-Out и MIDI-Thru .

Входной порт MIDI–In представляет собой вход интерфейса «токовая петля», 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, 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. При специальной настройке устройства в этом потоке может содержаться и транслированный входной поток, но это нетипично.

Транзитный порт MIDI-Thru служит только для ретрансляции входного потока, по электрическим свойствам он аналогичен выходному. Его наличие не является обязательным для всех устройств.

В качестве разъемов применяются 5-контактные разъемы DIN, распространенные в бытовой звуковой аппаратуре, схема соединительного кабеля приведена на рис. 8.17.

Рис. 8.17 . Соединительные кабели MIDI

Внешний порт MIDI (с сигналами ТТЛ) обычно выводится на неиспользуемые контакты (12 и 15) разъема игрового адаптера (DB-15S). При этом для подключения стандартных устройств MIDI требуется переходной адаптер , реализующий интерфейс «токовая петля» (на разъеме карты интерфейс ТТЛ). Переходной адаптер обычно встраивается в специальный кабель, вариант схемы которого приведен на рис. 8.18. Некоторые модели PC имеют встроенные адаптеры и стандартные 5-штырьковые разъемы MIDI.

Рис. 8.18 . Вариант схемы кабеля-адаптера MIDI

Программно порт MIDI обычно совместим с UART MPU-401. MPU-401 фирмы Roland — первая карта расширения для PC с интерфейсом MIDI, получившая широкое распространение. MPU расшифровывается как MIDI Processing Unit — устройство обработки сообщений MIDI. Этот контроллер кроме асинхронного последовательного порта (UART), реализующего физический интерфейс MIDI, имел развитые аппаратные средства для использования PC в качестве секвенсора. Контроллер MPU-401 поддерживал простой режим работы — UART mode , в котором использовался только двунаправленный асинхронный порт; в современных звуковых картах совместимость с MPU-401 поддерживается только в этом режиме.

В пространстве ввода-вывода MPU-401 занимает два смежных адреса MPU (обычно 330h) и MPU+1.

♦ Порт DATA (адрес MPU+0) — запись и считывание байт, передаваемых и принимаемых по интерфейсу MIDI. В интеллектуальном режиме через этот же порт считываются и вспомогательные данные от MPU (не относящиеся к потоку MIDI).

♦ Порт STATUS/COMMAND (адрес MPU+1) — чтение состояния/запись команд (запись — только для интеллектуального режима). В байте состояния определены следующие биты:

• бит 7 — DSR (Data Set Ready) — готовность (DSR=0) принятых данных для чтения (бит устанавливается в единицу, когда все принятые байты считаны из регистра данных);

• бит 6 — DRR (Data Read Ready) — готовность (DRR=0) UART к записи в регистр данных или команд (условие готовности к записи не возникнет, если приемник имеет непрочитанный байт данных).

По включении питания «настоящая» карта MPU-401 устанавливается в интеллектуальный режим, из которого в режим UART ее можно перевести командой с кодом 3Fh. Программный сброс MPU-401 (опять-таки в интеллектуальный режим) осуществляется командой RESET (код FFh), на эту команду MPU ответит подтверждением ACK (FEh). Байт подтверждения извлекается из регистра данных, до его прихода следующую команду MPU не воспримет. На команду с кодом 3Fh MPU подтверждением не отвечает (некоторые эмуляторы отвечают и на эту команду).

Ввод данных может осуществляться по программному опросу бита DSR или по прерываниям. Аппаратные прерывания от MPU в режиме UART вырабатываются по приему байта. Обработчик прерывания должен считать все поступившие байты, проверив перед выходом, что DSR=1 (иначе возможны потери принятых байт).

Вывод данных разрешается битом DRR, прерывания по готовности вывода не вырабатываются.

Совместимость с MPU-401 , имеющаяся у большинства современных звуковых карт с интерфейсом MIDI, означает наличие приемопередатчика, программно совместимого с MPU-401 в режиме UART; функции интеллектуального режима обычно не поддерживаются.

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

Для подключения к компьютеру большого числа устройств MIDI можно использовать шину USB. Для этого, например, фирма Roland выпускает 64-канальный процессорный блок S-MPU64, который кроме шины USB имеет 4 входных и 4 выходных порта MIDI. Программное обеспечение допускает объединение до 4 блоков на одной шине USB, что увеличивает число каналов до 256.

Интерфейс дочерней карты

Ряд моделей звуковых карт имеют внутренний интерфейсный разъем подключения дочерней карты с MIDI-синтезатором (Daughterboard Connector). На разъем (табл. 8.19) с основной карты выводится сигнал MIDI-порта (ТТЛ, как и на разъем джойстика) и сигнал аппаратного сброса синтезатора, а с дочерней карты принимается стереофонический аналоговый сигнал, который поступает в микшер основной карты. В шинах питания аналоговая земля (AG) отделена от цифровой (DG). Дополнительно может использоваться и вход MIDI (тоже ТТЛ). Разъем может обозначаться и как WT (Wavetable) Connector, Waveblaster Connector.

Таблица 8.19 . Назначение контактов разъема подключения дочерней карты

Контакт	Цепь	Контакт	Цепь
	DG
	DG		MIDI_Out#
	DG		+5 В
	DG		MIDI_In# (необязательный)
	DG		+5 В
	DG
			+5 В
	AG
	AG		+12 В
	AG		Audio (R)
	AG		–12 В
	AG		Audio (L)
	AG		Reset#

Подключение дочерней карты эквивалентно подключению внешнего синтезатора к MIDI-выходу звуковой карты. Если на звуковой карте отсутствует разъем подключения дочерней карты, то дочернюю карту можно подключить и к внешнему разъему джойстика/MIDI и аналоговым входам звуковой карты. Конечно, на дочернюю карту нужно подать питание, а также сигнал аппаратного сброса.