Шины материнской платы, порты персональных компьютеров

Для подключения сканера, и некоторых  других устройств используется кабель, у которого вместо разъема (IEEE 1284-B) установлен разъем DB-25-male. Обычно сканер оснащается вторым интерфейсом с разъемом DB-25-female (IEEE 1284-A) для подключения принтера (поскольку обычно компьютер оснащается только одним интерфейсом IEEE 1284).

Базовый интерфейс Centronics является однонаправленным параллельным интерфейсом, содержит характерные для такого интерфейса сигнальные линии (8 для передачи данных, строб, линии состояния устройства).

Данные передаются в одну сторону: от компьютера к внешнему устройству. Но полностью однонаправленным его  назвать нельзя. Так, 4 обратные линии  используются для контроля за состоянием устройства. Centronics позволяет подключать одно устройство, поэтому для совместного  очерёдного использования нескольких устройств требуется дополнительно  применять селектор.

Скорость передачи данных может  варьироваться и достигать 1,2 Мбит/с.

Стандарт позволяет использовать интерфейс в нескольких режимах:

• SPP (Standart Paralell Port) — однонаправленный порт, полностью совместим с интерфейсом Centronics.
• Nibble Mode — позволяет организовать двунаправленный обмен данными в режиме SPP путём использования управляющих линий (4 бит) для передачи данных от периферийного устройства к контроллеру. Исторически это был единственный способ использовать Centronics для двустороннего обмена данными.
• Byte Mode — редко используемый режим двустороннего обмена данными. Использовался в некоторых старых контроллерах до принятия стандарта IEEE 1284.
• EPP (Enhanced Parallel Port) — разработан компаниями Intel, Xircom и Zenith Data Systems — двунаправленный порт, со скоростью передачи данных до 2Мб/сек.(1991)
• ЕСР (Extended Capabilities Port) — разработан компаниями Hewlett-Packard и Microsoft — в дополнение появились такие возможности, как наличие аппаратного сжатия данных, наличие буфера и возможность работы в режиме DMA.

Стал результатом длительной борьбы за обеспечение совместимости. Он включает в себя формальное описание всех вышеперечисленных  режимов работы (до его принятия не было никакого формального документа, позволяющего при соблюдении его  рассчитывать на корректную работу устройства во всех возможных конфигурациях).

Стандарт включает в себя следующие  документы:

• IEEE 1284-1994: - двунаправленная передача данных
• IEEE 1284.1-1997: - стандартизованный метод получения информации о состоянии принтера
• IEEE 1284.2: - тестирование на соответствие стандарту (так и не был принят)
• IEEE 1284.3-2000: - протокол и схема к одному порту многих устройств, объединённых в "цепочку" (позволяет выбрать нужное устройство и работать с ним).
• IEEE 1284.4-2000: - протокол одновременной передачи информации многим устройствам (позволяет работать одновременно с несколькими устройствами в цепочке).

В настоящее время стандарт IEEE-1284 не развивается. Окончательная стандартизация параллельного порта совпала  с началом внедрения интерфейса USB, который позволяет подключать также и комбинированные аппараты (сканер-принтер-копир) и обеспечивает более высокую скорость печати и надёжную работу принтера. Также, альтернативой параллельному интерфейсу является сетевой интерфейс Ethernet.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2. Последовательный порт

Последовательный порт или COM-порт (от англ. COMmunication port) — двунаправленный последовательный интерфейс, предназначенный для обмена байтовой информацией.

Последовательным данный порт называется потому, что информация через него передаётся по одному биту, бит за битом (в отличие от параллельного порта). Хотя некоторые другие интерфейсы компьютера — такие как FireWire и USB — также используют последовательный способ обмена, название «последовательный порт» закрепилось за портом, имеющим стандарт RS-232C, и предназначенным изначально для обмена информацией с модемом.

Наиболее часто для последовательного  порта персональных компьютеров  используется стандарт RS-232C. Ранее последовательный порт использовался для подключения терминала, позже для сканера, модема или мыши. Сейчас он используется для соединения с источниками бесперебойного питания, для связи с аппаратными средствами разработки встраиваемых вычислительных систем.

С помощью COM-порта можно соединить  два компьютера, используя так  называемый «нуль-модемный кабель».

Стандарт на него был разработан в 1969 году.

Морально устарел, но ещё  нередко присутствует на современных  компьютерах и используется в  промышленном и узкоспециальном  оборудовании. В настоящее время  активно вытесняется интерфейсом USB.

СOM-порты в операционной системе Windows — это именованные каналы для передачи данных, называемые обычно COM1, COM2 и т. д. по порядку обнаружения драйверов соответствующих устройств. Например, для обмена информации через Bluetooth многие драйверы представляются операционной системе как COM-порт, и резервируют похожее имя. Следует также отметить, что организация взаимодействия по последовательному порту с точки зрения программирования реализуется значительно легче, чем другие способы

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3. Universal Serial Bus

USB (англ. Universal Serial Bus ) — последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств.

Разработка спецификаций на шину USB производится в рамках международной  некоммерческой организации USB Implementers Forum (USB-IF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шиной USB.

Для подключения периферийных устройств  к шине USB используется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания, USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА).

К одному контроллеру шины USB можно  подсоединить до 127 устройств по топологии «звезда», в том числе и концентраторы, к которым можно еще присоединить 127 устройств.

В настоящее время широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB 2.0. Ведётся внедрение  в производство устройств спецификации USB 3.0.

Спецификации для USB 1.0 были представлены в ноябре 1995 года. Разработка USB поддерживалась Intel, Microsoft, Philips и US Robotics. На тот момент для подключения внешних периферийных устройств к персональному компьютеру использовалось несколько «традиционных» интерфейсов:

• PS/2;
• последовательный порт;
• параллельный порт;
• порт для подключения джойстика (англ. game port);
• SCSI.

Изначально планировалось, что USB заменит  все эти интерфейсы.

Компьютер «Bondi blue» iMac G3 от Apple, представленный 6 мая 1998 года, был первым компьютером, в котором USB порты были представлены без «традиционных» (англ. legacy) портов. Спецификация USB 1.1 вышла в сентябре 1998 года, в ней были исправлены ошибки версии 1.0.

Hewlett-Packard, Intel, Lucent (ныне Alcatel-Lucent), Microsoft, NEC, и Philips совместно выступили с инициативой по разработке более скоростной версии USB. Спецификация USB 2.0 была опубликована в апреле 2000 года, и в конце 2001 года эта версия была стандартизирована USB Implementers Forum. USB 2.0 является обратно совместимой со всеми предыдущими версиями USB.

Кабель USB состоит из 4 проводников - 2 проводника питания и 2 проводника данных в витой паре, и заземленной  оплетки/экрана.

Кабели USB ориентированы, т.е. имеют  физически разные наконечники "к  устройству" и "к хосту". Возможна реализация USB устройства без кабеля, со встроенным в корпус наконечником "к хосту". Возможно и неразъемное  встраивание кабеля в устройство, как в мышь (стандарт запрещает это для устройств full и high speed, но производители его нарушают). Существуют (хотя и запрещены стандартом) и пассивные USB удлинители, имеющие разъемы "от хоста" и "к хосту".

Шина строго ориентирована, имеет  понятие "главное устройство" (хост, он же USB контроллер, обычно встроен  в микросхему южного моста на материнской  плате) и "периферийные устройства". Шина имеет древовидную топологию, посколько периферийным устройством  может быть разветвитель (hub), в свою очередь имеющий несколько нисходящих разъемов "от хоста". Разветвитель есть сложное электронное устройство, пассивных разветвителей не бывает.

Соединение 2 компьютеров - или 2 периферийных устройств - пассивным USB кабелем невозможно. Существуют активные USB кабели для соединения 2 компьютеров, но они включают в  себя сложную электронику, эмулирующую Ethernet адаптер, и требуют установки  драйверов с обоих сторон.

Устройства могут быть запитаны от шины, но могут и требовать  внешний источник питания. Поддерживается и "спячка" устройств и разветвителей  по команде с шины со снятием основного  питания при сохранении дежурного  питания и пробуждением по команде  с шины.

USB поддерживает "горячее" подключение  и отключение устройств.

На логическом уровне устройство USB поддерживает транзакции приема и передачи данных. Каждый пакет каждой транзакции содержит в себе номер оконечной  точки (endpoint) на устройстве. При подключении  устройства драйверы в ядре ОС читают с устройства список оконечных точек  и создают управляющие структуры  данных для общения с каждой оконечной  точкой устройства. Совокупность оконечной  точки и структур данных в ядре ОС называется каналом (pipe).

Оконечные точки, а значит, и каналы, относятся к одному и 4 классов - поточный (bulk), управляющий (control), изохронный (isoch) и прерывание (interrupt). Низкоскоростные  устройства, такие, как мышь, не могут  иметь изохронные и поточные каналы.

Управляющий канал предназначен для  обмена с устройством короткими  пакетами "вопрос-ответ". Любое  устройство имеет управляющий канал 0, который позволяет программному обеспечению ОС прочитать краткую  информацию об устройстве, в т.ч. коды производителя и модели, используемые для выбора драйвера, и список других оконечных точек.

Канал прерывания позволяет доставлять короткие пакеты и в том, и в  другом направлении, без получения  на них ответа/подтверждения, но с  гарантией времени доставки - пакет  будет доставлен не позже, чем  через N миллисекунд. Например, используется в устройствах ввода человеком (клавиатуры/мыши/джойстики).

Изохронный канал позволяет  доставлять пакеты без гарантии доставки и без ответов/подтверждений, но с гарантированной скоростью  доставки в N пакетов на один период шины (1 КГц у low и full speed, 8 КГц у high speed). Используется для передачи аудио  и видео информации.

Поточный канал дает гарантию доставки каждого пакета, но не дает гарантий скорости и задержки доставки. Используется, например, в принтерах и сканерах.

Время шины делится на периоды, в  начале периода контроллер передает всей шине пакет "начало периода". Далее в течение периода передаются пакеты прерываний, потом изохронные в требуемом количестве, в оставшееся время в периоде передаются управляющие  пакеты и в последнюю очередь  поточные.

Активной стороной шины всегда является контроллер, передача пакета данных от устройства к контроллеру реализована  как короткий вопрос контроллера  и длинный, содержащий данные, ответ  устройства. Расписание движения пакетов  для каждого периода шины создается  совместным усилием аппаратурые  контроллера и ПО драйвера, для  этого многие контроллеры используют крайне сложный DMA со сложной DMA-программой, формируемой драйвером.

Размер пакета для оконечной  точки есть вшитая в таблицу оконечных  точек устройства константа, изменению  не подлежит. Он выбирается разрабочиком устройства из числа тех, что поддерживаются стандартом USB (степени двойки).

Предварительные версии

• USB 0.7: спецификация выпущена в ноябре 1994 года.
• USB 0.8: спецификация выпущена в декабре 1994 года.
• USB 0.9: спецификация выпущена в апреле 1995 года.
• USB 0.99: спецификация выпущена в августе 1995 года.
• USB 1.0 Release Candidate: спецификация выпущена в ноябре 1995 года.

 USB 1.0

Спецификация выпущена в ноябре 1995 года.

Технические характеристики:

• два режима передачи данных:
• режим с высокой пропускной способностью (Full-Speed) — 12 Мбит/с
• режим с низкой пропускной способностью (Low-Speed) — 1,5 Мбит/с
• максимальная длина кабеля для режима с высокой пропускной способностью — 5 м ^[1]
• максимальная длина кабеля для режима с низкой пропускной способностью — 3 м ^[1]
• максимальное количество подключённых устройств (включая размножители) — 127
• возможно подключение устройств, работающих в режимах с различной пропускной способностью к одному контроллеру USB
• напряжение питания для периферийных устройств — 5 В
• максимальный ток, потребляемый периферийным устройством — 500 мА

USB 1.1

Спецификация выпущена в сентябре 1998 года. Исправлены проблемы и ошибки, обнаруженные в версии 1.0. Первая версия, получившая массовое распространение.

USB 2.0

Спецификация выпущена в апреле 2000 года.

USB 2.0 отличается от USB 1.1 введением  режима Hi-speed.

Для устройств USB 2.0 регламентировано три режима работы:

• Low-speed, 10—1500 Кбит/c (используется для интерактивных устройств: клавиатуры, мыши, джойстики)
• Full-speed, 0,5—12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства)
• Hi-speed, 25—480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации)