URZĄDZENIA TECHNIKI KOMPUTEROWEJ Standardy interfejsu szeregowego i równoległego
1. Standard RS 232C Standard RS 232C został opracowany na potrzeby obsługi modemów (o czym świadczą chociaŝby nazwy i zestaw sygnałów sterujących) przez amerykańskie stowarzyszenie Electronic Industries Association - EIA. Standard ten został później przyjęty w Europie przez komitet normalizacyjny CCITT i otrzymał oznaczenie V24. W PC-tach stał się on standardem łącza szeregowego. System operacyjny nadaje łączom szeregowym nazwy COMn (n - numer łącza). Oprócz obsługi modemów, umoŝliwia przykładowo podłączenie takich urządzeń jak mysz czy drukarkę. Przy uŝyciu gniazd RS 232C moŝemy połączyć ze sobą dwa komputery, co umoŝliwia transmisję informacji pomiędzy nimi (jest to moŝliwe do osiągnięcia za pomocą łącza równoległego, lecz przy mniejszej odległości). Interfejs RS 232 C realizuje transmisję szeregową asynchroniczną (tak zwaną transmisję startowo-stopową). 1.1. Transmisja szeregowa asynchroniczna (startowo-stopowa) Transmisja szeregowa moŝe być realizowana w dwóch podstawowych trybach: synchronicznym i asynchronicznym. W kaŝdym z tych trybów nie jest przesyłany równolegle do danych przebieg zegarowy taktujący transmisję (pojawianie się kolejnych bitów). Przesyłanie taktu zegara wymagałoby osobnej, co przy dalekich połączeniach przez sieć telekomunikacyjną jest nierealne. Z drugiej strony, zegary nadawczy i odbiorczy musza być ze sobą synchronizowane (w sensie tej samej częstotliwości i ustalonej fazy) na czas odbiory informacji. RóŜnica pomiędzy transmisją asynchroniczną i synchroniczną polega na tym, Ŝe dla transmisji synchronicznej zegary te są zsynchronizowane praktycznie przez cały czas trwania połączenia, a dla transmisji asynchronicznej na czas transmisji jednaj ramki. Przed realizacją transmisji muszą być uzgodnione następujące parametry: - częstotliwość zegara nadawczego i odbiorczego (muszą być jednakowe, stąd nazwa terminu: zegar nadawczo/odbiorczy), - format transmitowanej ramki (rodzaj bitów startu i stopu, format przekazywanego znaku, czyli ilość bitów danych, obecność bitu kontroli parzystości itp.) Ponadto jako wewnętrzny parametr odbiornika musi być ustalony stosunek częstotliwości zegara próbkującego do częstotliwości zegara nadawczo/odbiorczego. Bit startu z reguły przyjmowany jest jako bit o wartości 0. Stąd linia w stanie spoczynku, kiedy nie jest nadawany znak, utrzymywana jest w stanie 1. Nadajnik rozpoczyna transmisję od przesłania bitu 0 jako bitu startu. Następnie przesyłane są kolejne bity, zgodnie z ustalonym formatem transmitowanej ramki. Są to bity danych, ewentualnie bity kontroli parzystości i bity stopu. Kolejne bity przesyłane są cyklicznie ze stałą częstotliwością odmierzaną przez zegar nadawczy. Po zakończeniu nadawania ranki nadajnik moŝe przejść w stan spoczynku (nic nie nadając) lub rozpocząć nadawanie kolejnej ramki.
Rysunek 5.1. Zasada transmisji szeregowej asynchronicznej Zegar próbkujący sprawdza stan linii, przy czym jego częstotliwość powinna być przynajmniej o około rząd wielkości większa niŝ częstotliwość zegara nadawczo/odbiorczego. Zapewnia to szybkie wykrycie zmiany stanu linii z 1 na 0. Po wykryciu takiej zmiany układy logiczne stawiają hipotezę o rozpoczęciu transmisji znaku, czyli odebraniu bitu startu. Po czasie równym połowie okresu zegara nadawczego/odbiorczego ponownie sprawdzany jest zegar odbiorczy. Impulsy tego zegara powodują odczytanie na linii wartości kolejnych bitów. Moment uruchomienia zegara odbiorczego w połowie czasu trwania nadawania bitu ma bardzo istotne znaczenie. Z powodu fluktuacji częstotliwości zegara odbiorczego (które zawsze mają miejsce) impuls ten pojawił się nieco wcześniej. Nie spowodowało to jednak błędu odczytu wartości bit. W przypadku ustawienia impulsu na przykład na początku czasu nadawania bitu nastąpiłby najprawdopodobniej błąd i odczytalibyśmy jako bit 2 wartość bitu 1. Odbiornik przerywa odczytywanie wartości bitów po ustalonej ilości bitów. Ustalenie to jest konieczne, poniewaŝ wartości bitów danych mogą być dowolne, 1 lub 0 i w związku z tym nie ma Ŝadnej moŝliwości zasygnalizowania końca ramki. TakŜe ewentualny bit stopu nie ma tu Ŝadnego znaczenia. Jego zadaniem jest zapewnienie przejścia linii na pewien czas w stan 1, nawet gdy transmisja kolejnej ramki rozpoczyna się natychmiast po zakończeniu nadawania poprzedniej. Ułatwia to wykrycie kolejnego bitu startu, ale nie jest konieczne. Stąd przykładowo, ilość bitów stopu moŝe wynosić zero, jeden, półtora lub dwa. Oczywiście półtora bitu stopu oznacza czas trwania jedynki przez półtora okresu zegara nadawczo/odbiorczego. Z roli, jaką pełni bit stopu, wynika teŝ jego wartość. Musi on mieć zawsze przeciwny znak niŝ bit startu.
1.2. Sygnały sterujące interfejsu RS 232C PoniewaŜ interfejs RS 232C wywodzi się modemów, stosowana jest terminologia związana z transmisją informacji pomiędzy komputerami przy uŝyciu modemów i sieci telekomunikacyjnej. W transmisji tej wyróŝnia się dwa rodzaje urządzeń: - urządzenia typu DTE (ang. Data Terminal Equipment), będące końcowymi urządzeniami przy przesyłaniu informacji (czyli ostatecznymi nadawcami bądź odbiorcami). Urządzeniem typu DTE jest na przykład komputer; - urządzenia typu DCE (ang. Data Communication Equipment lub Data Carrier Equipment), które powinny przekazywać informacje do sieci telekomunikacyjnej, odbierając ją od urządzenia DTE lub odwrotnie, przykładem takie urządzenia jest modem. Terminologia ta jest waŝne między innymi dlatego, Ŝe kierunki są podawane właśnie przy jej uŝyciu, czyli DTE DCE lub DCE DTE. Zestaw sygnałów sterujących dla standardu RS 232C przedstawia rysunek xxx. W pełnej wersji tego standardu podanej przez EIA występowało w sumie 25 róŝnych sygnałów. W komputerach CP uŝywana jest nieco uproszczona wersja tego standardu wymagająca jedynie 9 linii (łącznie z masą). Stąd w pecetach stosowane są dwa rodzaje złączy: DB-25, 25-pinowe i DB-9, 9-pinowe. Obydwa złącza są od strony komputera złączami męskimi (co oznacza, Ŝe nie posiadają otworów, a występują bolce). Istnienie dwóch niezaleŝnych linii dla danych nadawanych (wyjście) i danych obieranych (wejście) pozwala zrealizować jednoczesną transmisję w obydwu kierunkach, czyli tak zwany dupleks lub pełny dupleks. Pozostałe moŝliwości prowadzenia transmisji to przesyłanie tylko w jednym kierunku, czyli simpleks i przesyłanie w dwóch kierunkach, lecz na przemian, a nie jednocześnie, czyli półdupleks. - DSR (ang. Data Terminal Ready) - sygnał gotowości urządzenia DCE. Oznacza on, Ŝe urządzenie DCE, na przykład modem jest włączony i sprawny. - DTR (ang. Data Set Ready) - sygnał gotowości urządzenia DTE. Oznacza włączenie i operacyjność tego urządzenia (na przykład komputera). - RTS (ang. Request To Send) - sygnalizuje chęć przekazania przez DTE do DCE informacji (chęć rozpoczęcia transmisji). - CTS (ang. Clear To Send) - po otrzymaniu przez DCE sygnału zachęty do rozpoczęcia transmisji, odpowiada aktywnym poziomem na CTS, oznaczającym zgodę na podjęcie transmisji. - DCD (ang. Data Carrier Detected) - sygnał wykrycia przez modem fali nośnej modemu odległego. Informuje DTE o nawiązaniu połączenia z modemem odległym. - RI (ang. Ring Indicator) - sygnalizuje próbę nawiązania połączenia przez modem odległy. 1.3. Połączenie dwóch urządzeń typu DTE Złącza urządzeń DTE i DCE zostały tak zaprojektowane, aby urządzenia te mogły zostać połączone prostym pasmem. Inaczej mówiąc, pin numer 1 DTE powinien łączyć się z pinem DCE itd., poniewaŝ w złączach tych te same numery pinów odpowiadają z jednej strony wejściu, a z drugiej wyjściu danego sygnału. Wynika z tego, Ŝe tego samego kabla nie moŝna uŝyć do połączenia dwóch urządzeń typu DTE, bowiem w tym wypadku połączymy ze sobą dwa wejścia. lub dwa wyjścia. Rozwiązaniem jest skrzyŝowanie odpowiednich sygnałów, tak aby wyjście sygnału trafiało na wejście sygnału o tym samym przeznaczeniu. Wynikiem tego rozumowania jest kabel połączeniowy przedstawiony na rysunku poniŝej, zwany często kablem modemu zerowego.
2. Magistra USB Magistrala USB jest realizacją nowoczesnego standardu łącza szeregowego przeznaczonego dla urządzeń o średniej bądź niskiej szybkości transmisji. Powstała ona jako próba rozwiązania kilku problemów związanych z dołączaniem urządzeń peryferyjnych do komputerów typu PC. O to przykładowe problemy: Zalety magistrali USB: jeden typ konektora niezaleŝny od typu dołączanego urządzenia, oszczędzanie zasobów systemowych - mimo dołączenie do USB takich urządzeń, jak klawiatura, mysz, drukarka, skaner itp., uŝywa on tylko jednego sygnału zgłoszenia przerwania i potrzebuje zakresu adresów z przestrzeni adresowej układów wejścia/wyjścia jedynie dla swojego układu, zwanego głównym kontrolerem USB (ang. host controller), moŝliwość dołączenia 127 urządzeń, obsługa urządzeń o średniej (12 Mb/s) i niskiej (1,5 Mb/s) szybkości transmisji; przypadku urządzeń o niskiej transmisji moŝliwe jest stosowanie tańszego okablowania, instalacja urządzeń w locie (po zainstalowaniu urządzenia nie jest wymagane ponowne uruchomienie systemu), zasilanie urządzeń kablem USB (do ok. 500 ma), zastosowanie mechanizmów wykrywania i obsługi błędów. 2.1. Składniki magistrali USB Składniki magistrali USB moŝna podzielić na części sprzętowe i oprogramowanie. Część sprzętową magistrali USB stanowią: główny kontroler/koncentrator (ang. Host Controller/Root Hub) koncentratory USB urządzenia USB. Koncentrator USB moŝe być samodzielnym urządzeniem lub moŝe być elementem urządzenia USB, przykładowo klawiatury czy drukarki. Składniki programowania: sterowniki urządzeń USB sterownik USB sterownik głównego kontrolera USB. Większość realizowanych zadań zostało przejęte przez oprogramowanie, stąd oprogramowanie to jest dość rozbudowane, a współzaleŝności pomiędzy jego częściami są złoŝone. Zadania poszczególnych części oprogramowania: Sterownik USB - jego zadaniem jest skompletowanie informacji o wymaganiach poszczególnych urządzeń dołączonych do USB, a dotyczących zasobów systemowych, szybkości transmisji itp. Następnie sterownik USB na podstawie Ŝądań otrzymanych od sterowników urządzeń USB organizuje transmisję danych, dzieląc ją na tak zwane transakcje, przydzielane następnie do 1-milisekundowych ramek (jedna ramka moŝe zawierać transakcje dotyczące wielu urządzeń). Sterownik urządzeń USB - są częścią oprogramowania komunikującą się z jednej strony bezpośrednio z urządzeniem USB, a z drugiej przekazującą Ŝądania transmisji generowane przez te urządzenia do sterownika USB. śądania te przekazywane są w postaci tak zwanych pakietów IRP (ang. IO Request Packets). Sterownik głównego kontrolera USB - decyduje o kolejności umieszczania transakcji dotyczących określonych urządzeń w pakietach i nadzoruje realizację transmisji.
2.2. Zasada działania magistrali USB Typy transmisji na USB W zaleŝności od rodzaju urządzenia, moŝe być ono obsługiwane jednym z trzech typów transmisji: Transmisja z przerwaniem (ang. interrupt transfer) - ten typ transmisji uŝywany jest w przypadku urządzeń, które typowo do komunikacji z systemem uŝywają przerwań. PoniewaŜ USB nie obsługuje przerwań sprzętowych, urządzenia te muszą być periodycznie sprawdzane, czy nie mają danych do przekazania. Proces taki nazywany jest przepytywaniem (ang. pooling). Częstotliwość przepytywania dla danego urządzenia ma być tak dobrana, by zapewniała poprawność jego działania. Przykładem moŝe być komunikacja z klawiaturą. Transmisja blokowa (ang. bulk transfer) - przeznaczona jest dla urządzeń, które wymagają transmisji duŝych bloków, jednak transmisje te są nieokresowe. Transmisja blokowa występuje na przykład w przypadku drukarki. Transmisja izosynchroniczna (ang. isosynchronous transfer) - przeznaczona jest dla urządzeń wymagających ciągłego dopływu lub odbioru informacji, z określoną częstotliwością. Są to zwykle urządzenia pracujące w czasie rzeczywistym. Tu przykładem moŝe być transmisja informacji pomiędzy adapterem dźwiękowym USB a systemem. Realizacja transmisji Po etapie konfiguracji sterownik USB ustawia połączenie pomiędzy sterownikiem urządzenia a sterownikiem USB. Ponadto dla kaŝdego urządzenia USB jest tworzony w pamięci bufor. Transmisja jest realizowana po zgłoszeniu Ŝądania przez sterownik urządzenia USB. Informacja przesyłana jest w 1-milisekundowych ramkach, przy czym kaŝda ramka moŝe zawierać informacje od wielu urządzeń. O rozdziale transmitowania informacji na poszczególne ramki decyduje sterownik głównego kontrolera USB, na podstawie informacji otrzymanych od sterownika USB. 3. Standardy łącza równoległego 3.1. Interfejs Centronics Interfejs Centronics został stworzony przede wszystkim na potrzeby drukarek. Podobnie jednak jak i RS 232C, stał się w PC-tach standardem łącza równoległego. Oznaczeniem tego portu uŝywanym przez system operacyjny jest LPTn (n- numer portu). Oryginalny interfejs Centronics był łączem jednokierunkowym, przesyłającym informację na zewnętrz (do komputera do drukarki). Stosowanym złączem jest Ŝeńskie złącze DB 25. Znaczenie poszczególnych sygnałów w przypadku współpracy z drukarką jest następujące: ERROR# - sygnał wewnętrznego błędu drukarki SLCT - sygnał wybrania (gotowości drukarki i stanu on line PE - brak papieru w drukarce ACK# - potwierdzenie gotowości do przyjęci danych (sygnał uŝywany do generowania przerwania od drukarki BUSY - sygnał mówiący o tym, Ŝe drukarka jest zajęta (drukowanie, pobieranie danych) STROBE - sygnał taktujący transmisję danych do drukarki AUTO FEED - automatyczne wysuwanie papieru INIT - sygnał Ŝądania wewnętrznego resetu (zerowania układów logicznych) drukarki SLECT IN - sygnał wyboru drukarki
3.2. Tryb ECP i EPP Jednokierunkowość interfejsu Centronics szybko stała się wadą. Pewnym rozwiązaniem (lecz niestandardowym) było uŝycie do transmisji w drugim kierunku czterech linii statusowych (piąty sygnał był uŝywany jako sygnał potwierdzenia). Tryb ten był zwany trybem Nibble. Port dwukierunkowy wprowadzono w komputerach PS2. Polega on na zmianie rozwiązań układów wyjściowych portu i wprowadzeniu dodatkowego bitu w rejestrze sterującym, decydującego o kierunku transmisji. PoniewaŜ pojawiło się wiele niestandardowych rozwiązań, stworzony został standard IEEE 1284 definiujący pięc trybów pracy portu równoległego: Compatiblity Mode - tryb pracy standardowego (jednokierunkowego) portu Centronics, Nibble Mode - tryb zgodny z trybem przesyłającym powrotne dane przez rejestr statusowy portu Centronics, Byte Mode - tryb zgodny z pracą portu w komputerach PS2, ECP Mode - Zmodyfikowany port równoległy pozwalający na swobodną transmisję w obie strony, EPP Modem - najbardziej zaawansowany tryb pracy portu równoległego, tworzący dwukierunkową magistralę 8-bitową mogącą przesyłać zarówno dane, jak i adresy. Po uruchomieniu por równoległy powinien pracować w trybie Compatibility. Przełączenie do pracy w innym trybie powinno być dokonane programowo po ewentualnych negocjacjach z współpracującym urządzeniem. Tabela poniŝej podaje nazwy poszczególnych sygnałów na złączu Centronics w trybach ECP i EPP. Tabela 5.1. Nazwy sygnałów dla trybów ECP i EPP Numer pinu Sygnał generowany przez ECP EPP 2-9 Komputer lub urządzenie peryferyjne D7 - D0 AD7 - AD0 1 Komputer HostClk Write# 14 Komputer HostAck Dstrb# 16 Komputer ReverseRequest# Init# 17 Komputer 1284Active Astrb# 15 Urządzenie peryferyjne PeriphRequest# Dla uŝytkownika 13 Urządzenie peryferyjne Xflag Dla uŝytkownika 12 Urządzenie peryferyjne AckReverse# Dla uŝytkownika 10 Urządzenie peryferyjne PeriphClk Intr 11 Urządzenie peryferyjne PeriphAck Wait# ECP Po przełączeniu w tryb ECP kierunek transmisji jest ustawiony od komputera do urządzenia. Transmisja jest taktowana dwoma sygnałami: HostClk i PeriphAck. Komputer sygnalizuje przekazanie danych stanem niskim HostClk. W odpowiedzi urządzenie potwierdza gotowość przyjęcia danych stanem wysokim PeriphAck. Po otrzymaniu potwierdzenia komputer przestawia HostClk z powrotem w stan wysoki, a urządzenie kończy cykl wczytanie bajtu i ustawieniem PeriphAck w stan niski, co sygnalizuje gotowość przyjęcia nowego bajtu. Odwrócenie kierunku transmisji uzyskuje się dzięki sygnałowi PeriphRequest, co jest potwierdzane sygnałem ReverseRequest. ECP oferuje ponadto dwie własności: przesyłanie poleceń pomiędzy komputerem i urządzeniem oraz przesyłanie ilości identycznych, transmitowanych bajtów (co umoŝliwia kompresję danych.
EPP Tryb ten jest najbardziej zaawansowanym trybem pracy portu równoległego. Praca portu przypomina pracę magistrali. Zaletami trybu EPP jest moŝliwość podłączenie do portu wielu urządzeń oraz znacznie większych transfer (ok. 1,5 do 2 MB/s) niŝ w przypadku standardowego złącza Centronics.