Последовательный и параллельный интерфейсы

Последовательный порт (RS-232)

Последовательный интерфейс используется для большинства периферийных устройств, таких как плоттер, сетевой принтер, мышь, внешний модем и т.д. До настоящего времени для последовательной связи IBM PC-совместимых компьютеров используются адаптеры с интерфейсом RS-232С (новое название EIA-232D). В современном IBM PC-совместимом компьютере может использоваться до четырех последовательных портов, имеющих логические имена соответственно COM1, COM2, COM3 и COM4. Основой последовательного адаптера является микросхема UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) – универсальный асинхронный приемопередатчик. Обычно используется микросхема UART 16550A. Она имеет 16-символьный буфер на прием и на передачу и, кроме того, может использовать несколько каналов прямого доступа в память DMA. При передаче микросхема UART преобразует параллельный код в последовательный и передает его побитно в линию, обрамляя исходную последовательность битами старта, останова и контроля. При приеме данных UART преобразует последовательный код в параллельный (разумеется, опуская служебные символы). Непременным условием правильной передачи (приема) является одинаковая скорость работы приемного и передающего UART, что обеспечивается стабильной частотой кварцевого резонатора. Основным преимуществом последовательной передачи является возможность пересылки данных на большие расстояния, как правило, не менее 30 метров.

В IBM PC-совместимых персональных компьютерах из 25 сигналов, предусмотренных стандартом RS-232, используются в соответствии с EIA только 9; таким образом, в данном интерфейсе применяются как 25-, так и 9-контактные разъемы типа DB-Shell. В спецификации PC99 подчеркивается, что единственным устройством, использующим последовательный и параллельный порты, в новых ПК может быть только принтер. Остальные устройства должны использовать шины FireWire или USB.

Параллельный порт (LPT)

Параллельный порт (LPT) в IBM PC-совместимом компьютере чаще всего используется для подключения принтера, поэтому его называют также портом принтера. Персональный компьютер работает максимум с тремя параллельными портами, которые имеют логические имена LPT1, LPT2 и LPT3. Подсоединение кабеля к адаптеру параллельного интерфейса производится через 25-контактный разъем типа DB-Shell (DB-25), а со стороны принтера используется специальный 36-контактный разъем типа Centronics. Поскольку частота передаваемых сигналов может достигать десятков кГц, длина таких кабелей обычно не превышает трех метров. Известно несколько модификаций параллельных скоростных интерфейсов, например EPP (Enhanced Parallel Port) и ECP (Extended Capabilities Port). Эти интерфейсы обеспечивают скорость до 2-5 Мбайт/с и поддерживают двустороннюю передачу данных. В настоящее время обе модификации объединены в одном стандарте IEEE 1284.

15.3. Универсальная последовательная шина USB

Шина USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно – версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициировна весьма авторитетными фирмами – Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq.

Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками – создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание немедленно после его подключения и последующей установки соответствующих драйверов. Кроме этого, желательно питание маломощных устройств подавать с самой шины. Скорость шины должна быть достаточной для подавляющего большинства периферийных устройств. Попутно решается историческая проблема нехватки ресурсов на внутренних шинах IBM PC совместимого компьютера – контроллер USB занимает только одно прерывание независимо от количества подключенных к шине устройств.

Возможности USB следуют из ее технических характеристик:

l Высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) – 12 Мб/сек.;

l Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена – 5 м.;

l Низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) – 1.5 Мб/сек.;

l Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена – 3 м.;

l Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) – 127;

l Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена;

l Отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов, таких как терминаторы для SCSI;

l Напряжение питания для периферийных устройств – 5 В;

l Максимальный ток потребления на одно устройство – 500 мА (это не означает, что через USB можно запитать устройства с общим током потребления 127 x 500 мА = 63.5 A).

Целесообразно подключать к USB практически любые периферийные устройства, кроме цифровых видеокамер и высокоскоростных жестких дисков. Особенно удобен этот интерфейс для подключения часто подключаемых/отключаемых приборов, таких как, например, цифровые фотокамеры. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение/расчленение.

Возможность использования только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины, но существенно уменьшает количество линий интерфейса и упрощает аппаратную реализацию. Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джойстики и т.п.

Топология

Пиктограммой, изображенной на рис. 15.3.1, официально обозначается шина USB как в Windows 98, так и на задних стенках компьютеров, а также на всех разъемах USB. Эта пиктограмма на самом деле отображает идею топологии USB. Топология USB практически не отличается от топологии обычной локальной сети на витой паре, обычно называемой "звездой". Даже терминология похожа – размножители шины также называются хабами (от англ. HUB – концентратор).

Рис. 15.3.1. Обозначение шины USB

Условно дерево подключения USB-устройств к компьютеру можно избразить как показано на рис. 15.3.2 (цифрами обозначены периферийные усройства с USB интерфейсом).

Рис. 15.3.2. Дерево подключения USB-устройств к компьютеру

Вместо любого из устройств может также стоять HUB. Основное отличие от топологии обычной локальной сети – компьютер (или host-устройство) может быть только один. HUB может быть как отдельным устройством с собственным блоком питания, так и встроенным в периферийное устройство. Наиболее часто хабы встраиваются в мониторы и клавиатуры.

Рис. 15.3.3. Пример соединения периферийных устройств в USB-сеть

На рис. 15.3.3 показан пример правильного соединения периферийных устройств в условную USB-сеть. Так как обмен данными по USB идет только между компьютером и периферийным устройством (между устройствами обмена нет), то устройства с большими объемами приема и/или передачи данных должны подключаться либо к самому компьютеру, либо к ближайшему свободному узлу. В данном случае наивысший трафик у колонок (~1.3 Мб/с), затем идут модем и сканер, подключенные к HUB'у в мониторе и завершают цепь клавиатура, джойстик и мышь, трафик у которых близок к нулю.

Может возникнуть вопрос – почему колонки имеют такой высокий трафик? Дело в том, что колонки с USB интерфейсом существенно отличаются от обычных. Для использования таких колонок не требуется звуковая карта. Драйвер колонок отправляет оцифрованный звук сразу в колонки, где с помощью АЦП (ADC) он преобразуется в аналоговый сигнал и подается на динамики. .

Кабели и разъемы

Сигналы USB передаются по 4-х проводному кабелю, схематично пока занному на рис. 15.3.4.

Рис. 15.3.4. Схема 4-х проводного USB-кабеля

Здесь GND – цепь "корпуса" для питания периферийных устройств, VBus – +5V также для цепей питания. Шина D+ предназначена для передачи данных по шине, а шина D – для приема данных.

Кабель для поддержки полной скорости шины (full-speed) выполняется как витая пара, защищается экраном и может также использоваться для работы в режиме минимальной скорости (low-speed). Кабель для работы только на минимальной скорости (например, для подключения мыши) может быть любым и неэкранированным.

Как видно из рисунка, невозможно подключить устройство неправильно, так как разъем серии "А" можно подключить только к активному устройству на USB хабу или компьютеру, а серии "В" только к собственно периферийному устройству.

Нумерация контактов USB разъема.
Номер контакта	Назначение	Цвет провода
	V BUS	Красный
	D -	Белый
	D +	Зеленый
	GND	Черный
Оплетка	Экран	Оплетка

Цоколевка разъемов USB показана на рис. 15.3.5.

Розетка типа 'A'	Розетка типа 'B'
Вилка типа 'A'	Вилка типа 'B'

Рис. 15.3.6. Цоколевка разъемов USB

Разъем серии "А" можно подключить только к активному USB устройству: хабу или компьютеру, а серии "В" только к собственно периферийному устройству.

В режиме низкой скорости USB-сеть может включать такие устройства, как: клавиатуры, мыши, джойстики, матричные принтеры, дигитайзеры, цифровые фотокамеры, модемы для обычных телефонных линий, цепи управления монитором компьютера, а в режиме высокой скорости: колонки, ISDN модемы, внешние накопители класса Iomega Zip, офисные АТС, лазерные и струйные принтеры.