Совет - умейте правильно находить информацию!

Задача - упражнение   4

Цель задачи: 

1) Рассмотреть способ связи вашего электронного  устройства с компьютером для обмена данными.

2) Познакомится с методом отладки вашего реально спаянного устройства на МК - нахождение ошибок программы и "железа" с
помощью вывода контрольных сообщений по ходу  программы.  

  Подробно о LPT, COM и MIDI портах ПК рассказано в "подвале" (снизу) этой страницы !

ПО ПОРЯДКУ:

Для связи ПК и вашего устройства необходим какой либо физический интерфейс. Очень удобен и прост интерфейс RS232 - в ПК он реализован в виде COM-портов.      (подробней о нем написано там)  Напряжение на выходе данных из COM-порта ПК (это ножка 3 в 9-ти штырьковом разъеме - рисунки ниже !) по стандарту RS232 таково:

логическая "1"    от -5 до -15 вольт  

логический "0"    от +5 до +15 вольт

На самом деле сигналы в COM называются по другому ! Я их назвал "логический" по аналогии названия в МК.   

Напряжения измеряются относительно вывода 5 который является "землей"  или "общим проводом" интерфейса и обычно соединен с металлическим корпусом COM-разъема.

USART (или UART - универсальный приемо--передатчик осуществляющий кроме прочего и обмен данными по протоколу RS232 ) МК желает принимать на ножку RxD лишь напряжения допустимые для ножек МК (см стр. 2 курса).

Кроме того для входа МК  "0" это напряжение близкое к нулю а "1" это напряжение близкое к напряжению питания МК (см стр. 2 курса).

Обычно ПК у вас один а устройств много

значит :

Достаточно одной микросхемы в составе кабеля адаптера  МК - ПК  аналогично "шнурку" для связи ПК с мобильным телефоном.

Не трудно собрать свой адаптер по типовой схеме включения микросхемы из ДШ. 

Вот схема для MAX232:

- в схеме все конденсаторы по 0.1 мкФ, однако если вы поставите другую микросхему - клон max232 - то посмотрите её ДатаШит на предмет номиналов конденсаторов. 

- ST232 дешевый клон max232 всего за 1.4 $ 

- вы можете обойтись без конденсаторов вовсе если используете например MAX233 или DS275 (схема ниже) - но они стоят подороже. 

С лева на схеме показан разъем для подключения к МК AVR. на плату впаивают 4-х штырьковую вилку. Штырьки подключаются к МК по названиям по ДатаШиту. 

Адаптера имеет разъем с 4-мя отверстиями для подключения к устройству на МК. 

Правильное подключение разъема удобно пометить лаком для ногтей. 

По линии TxD данные передаются от МК в ПК (через MAX232),
по линии RxD  МК принимает данные от ПК.

Микросхема адаптера питается от вашего устройства на МК.

Длину проводов от МК до микросхемы адаптера не делайте больше 20 см.
я их сделал из плоского кабеля - шлейфа для IDE.

Со стороны ПК я использовал провод от COM-"мышек" - длины какой был. 

Вот еще пара схем:

перемычки 4-6 и 7-8 необязательны !

Для проверки интерфейса rs232 соедините проводники идущие к ножкам микроконтроллера RхD и TхD между собой отключив их от МК. Теперь символы отправляемые с компьютера должны возвращаться в него. Если этого не происходит ищите неисправность в схеме вашего адаптера.

Для COM-порта ПК соедините его выводы RD и TD. Теперь символы отправляемые на COM-порт должны возвращаться в него. Если этого не происходит смотрите в BIOS и настройку COM.

Для отправки и приема данных можно использовать гипертерминал Windows или более удобные программы которые будут названые ниже и море других утилит для COM-порта..

Если на вашем ПК нет COM-портов, а есть только USB советую вам использовать кабель для сотового телефона содержащий микросхему преобразователь USB -> COM. После установки драйверов на вашем ПК появится виртуальный COM-порт - с ним будут нормально работать программы перечисленные ниже и другие для COM-порта.

Например кабель DCA-510

Или сделайте адаптер USB-COM сами на микросхеме FT232RL   -  по ее даташиту  и  АпНоутам.

Как и Чем принимать и анализировать  данные на ПК ?

Можно использовать стандартный терминал Windows - я не пробовал. 

Советую вам скачать и использовать программы специально  созданные для отладки устройств подключаемых к COM.

1)    Бесплатная, русская программа  ComVC  - может сканировать COM и LPT порты ПК .  На сайте автора есть еще полезные программы для LPT и уроки программирования работы с портами ПК.  Автор - Валерий Ковтун.

2)   COM Port Toolkit   для Windows 95/98/Me/NT/2000/XP Мощная программа [Размер около 1400 Kб и все по-русски!] - позволяет гибко управлять обменом с вашим устройством, естественно сохраняет  все на жесткий диск.  Имеет очень полезный режим монитора - программа не занимает COM порт, а просто захватывает все данные передаваемые по COM и может захватывать обмен одновременно по всем портам ! Грустно - но автор в новой версии 3.7 отключил режим
монитора в незарегистрированной программе.  Желательна версия 3.5 - в ней все работает.  Показывает направление передачи данных, и присваивает посылкам время по часам ПК с разрешением 1 мС.

Внимание !  - вы можете сами писать макросы  управляющие обменом на простом Си подобном языке. 

Цитата: 

" ... Макросы используются программой для автоматизации рутинных задач передачи и модификации данных. Вы можете использовать их после добавления в каталог '\Macros' программы COM Port Toolkit. Макросы, выложенные ниже, являются хорошим примером для написания собственных скриптов для COM Port Toolkit.


CRC16pl.gc Вычисление CRC16 по полиномиальному алгоритму. 
(пример использования макроса 'при отправке') Михаил В. Голиков 

emu_barrier.gc Эмуляция работы прибора. 
(пример использования макроса 'при приеме') Михаил В. Голиков 

MODBUS_CRC16.gc Вычисление CRC16 MODBUS Михаил Н. Страшевский 

StringWithHex.gc Инкапсуляция байтов в HEX внутри строковых данных. Валерий В. Вишняк  ..."

Скачайте любой макрос и подивитесь их простоте.

3)    Далее простенькая программка - LookRS232  

полнофункциональная 15-дневная Демо версия. Я ее использовал 
с удовольствием, примеры принятых данных есть в задаче 07.  

4)   Очень мощные

Advanced Serial Data Logger for Windows 9x/Me/NT/2000/XPо

Advanced Serial Data Logger input RS232 data directly into file, Excel, Access or any Windows application. 

Advanced Serial Data Logger provides real-time data collection from any serial device or instrument. Send and receive RS232 data across a RS232 port or RS485 port with hardware converter.

и... 

Advanced Serial Port Monitor

A program that could mostly be used to check the flow of data through the computers COM ports under governing the operating system Windows. 

Supports: full duplex mode, flexible adjusting of parameters, output received data to file, automatic and manual mode, free data source, serial and RS232 sniffer (spy) mode. 

OS: Windows 95, 98, ME, NT 4.0, 2000, XP.

Обе программы хороши , как и 2) имеют режим "шпиона" - сами не занимаю порт а пишут в файл что шлет ПК в порт общаясь с подключенным устройством и что от туда получает, удобно для расшифровки протокола обмена различных устройств - сотовый телефон, модем, всякая всячина. Обе программы имеют язык макросов. 

Программа повыше полнофункциональна в демо режиме и имеет плагины  для конвертации полученных данных в формат Excel и Access .

Отладка МК устройства с помощью адаптера MK < - > ПК

Идея проста как лапоть, но работает! 

В программе расставляются тестовые сообщения выводимые через описанный выше адаптер на ПК. Таким образом Мы видим в каком месте программы находимся, и где зависаем или спотыкаемся ! Можно выводить на ПК значения важных и нужных переменных !

вот так примерно:

Настраиваем скорость и включаем передачу USART:

#include <stdio.h>
// для любого компилятора  

Для AT90Sxxxx вот так:

UCR=0x00; // UART Off - выключить

// UART Baud rate: 115200 при частоте 3,68 МГц
UBRR=0x01; // 8 Data, 1 Stop, No Parity
/* значение в регистре определяет скорость 
работы UART в бодах. 

Нужное значение удобно получить с помощью генератора начального кода. А можно рассчитать по ДШ. 

В ДШ смотрите и доступные для данного
МК скорости работы USART

*/

UCR=0x08; // UART Transmitter: On - Включить

Для  ATmegaXX  (с одним USART) вот так:

// 8 Data, 1 Stop, No Parity
// USART Receiver: Off
// USART Transmitter: On
// USART Mode: Asynchronous
UCSRA=0x00;
UCSRB=0x08;
UCSRC=0x86;

// USART Baud rate: 9600 для 4 MHz 
UBRRH=0x00;
UBRRL=0x19;

 
Теперь UART готов передавать данные.

Пример отладки привожу из своего опыта. 

Готовя задачу 07, я подключил память AT45DB161 к готовому устройству содержащему AT90s8535 - это был один из кучки адаптеров AVRISP присланных мне добрыми американцами. 

Монтаж там очень миниатюрный (smd 0603) и не смотря на все ухищрения я просмотрел что ножка МК PB1 заземлена через резистор 1,5 кОм - а к ней я подключил вывод RDY микросхемы памяти. 

Когда память свободна от выполнения внутренних операций на этой ножке должна возникать лог. "1" - высокий уровень  напряжения - близкий к напряжению питания +5 вольт. 

По поведению светодиодов (были уже на моей плате)

я обнаружил, что МК виснет в процедуре стирания памяти.

Вот кусок программы из задачи 07 в котором я разместил  контрольные сообщения - я буду писать из красным: 

while (block_counter < 512)
{
PORTB &= ~DF_CHIP_SELECT; 
// enable DataFlash

// тестовое сообщение
putsf("TP 0001"); // выводится 8 байт !!!


SPDR = BLOCK_ERASE;
while (!(SPSR & temp)); 
// wait for data transfer to be completed

putsf("TP 0002"); 

SPDR = (char)(block_counter>>3); // точно по стр. 4 ДШ
while (!(SPSR & temp)); 
// wait for data transfer to be completed

putsf("TP 0003"); 

SPDR = (char)(block_counter<<5); // точно по стр. 4 ДШ
while (!(SPSR & temp)); 
// wait for data transfer to be completed

putsf("TP 0004"); 

SPDR = 0x00; // don't cares
while (!(SPSR & temp)); 
// wait for data transfer to be completed

putsf("TP 0005"); 

PORTB |= DF_CHIP_SELECT; 
// disable DataFlash

block_counter++; 

putsf("TP 0006"); 

while(!(PINB & 0x02)); 
// wait until block is erased 

putsf("TP 0007"); 

}   // все 512 блоков по 8 страниц стерты.

Я откомпилировал программу с тестовыми сообщениями, запустил программу LookRS232 на ПК для приема данных от МК, и прошил МК новой прошивкой. 

Включил МК и программа заработала. 

Скоро на экране ПК появились сообщения:

TP 0001 TP 0002 TP 0003 TP 0004 TP 0005 TP 0006

Последним пришло сообщение TP 0006 - значит не выполняется участок между Тестовыми Точками (TestPoint) 6 и 7. 

Я стал анализировать этот код между этими точками:

putsf("TP 0006"); 

while(!(PINB & 0x02)); 
// wait until block is erased 

putsf("TP 0007"); 

Строка программы:

while(!(PINB & 0x02));  

это "цикл-ожидание" (см. стр. 5 курса - Си для МК) появления на ножке МК  PB1 уровня лог. "1" - раз программа останавливается на этой строчке значит почему-то уровень на этом выводе МК остаётся лог. "0". 

Я измерил вольтметром напряжение на ножке PB1, оно оказалось 0,54 вольта - логический "0" (см. стр. 2 курса) в чистом виде !  

Выключил устройство и померил сопротивление от ножки PB1 на "землю" и на питание. Сопротивление на землю оказалось 1,52 кОм. тогда я взял лупу стал разбираться "плотнее", что куда идет от этой ноги и обнаружил чип резистор на "землю" - отпаял его. 

Померил сопротивление снова - теперь все в порядке - теперь оно почти бесконечно большое.

Запустил программу на ПК по новой и включил МК - все заработало - на экране побежала строка:

TP 0001 TP 0002 TP 0003 TP 0004 TP 0005 TP 0006 TP 0007 

и далее по программе ...

 Принцип надеюсь вам ясен - ведь он прост.

Однако нужно тщательно продумывать размещение тестовых
сообщений - они не должны искажать ход программы по времени! 

После окончания отладки можно либо удалить тестовые сообщения, либо закомментировать их - т.е. поставить перед ними две черточки  //  - т.е. сделать их комментариями.

Тестовые сообщения могут быть разными, в зависимости от допустимости их длины по времени, желательно их делать длинными с понятным текстом вызывающим ассоциацию с соответствующим участком программы. 

В местах критичных к времени выполнения можно делать короткие тестовые сообщения, либо вовсе не делать вначале отладки. 

А уже убедившись что проблема именно в этом скоростном участке - вставить скоростные метки: т.е. в качестве тестового сигнала выводить по 1 символу не тратя времени на вызов функции вывода. 

Вот так например для AVR серии AT90sXXXX:

while (!USR.5); /* ждем окончания передачи предыдущего байта (символа) если не уверены что он уже был отправлен */

UDR = (тестовый символ - число от 0 до 255 но лучше печатаемый на экране - см. таблицу символов); 
// передаем нужный тестовый символ

Для ATmega названия регистров отличаются 

и соответственно конструкция для ATmega8 будет такой: 

while (!(UCSRA.5)); /* ждем очистки регистра данных USART - т.е. окончания передачи предыдущего байта (символа) - в ДШ это написано так: 
while ( !(UCSRA & (1<<5)) ); */

UDR = ('5'); /* поместить число соответствующее символу 5 в регистр данных USART - он называется UDR - это стартует передачу символа на ножке TxD. и в принимающем терминале появится символ  5  */

так в нужном месте программы мы вывели контрольное сообщение 
состоящее из одного символа.

Если вы уверены по тексту вашей программы, что между выводом тестовых символов  проходит достаточно времени для их передачи то можно написать просто:

UDR = ('5'); 

Внимание !       функция :

putsf("что-то");

передает на 1 символ больше чем количество 
символов между кавычками !

Всё !   Задача закончена.

Если вам что-то не понятно, пожалуйста перечитайте  задачу еще раз просмотрите рекомендованный материал.  

Дальше  ->  Задача 5

--- ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ НИЖЕ----- 

Последовательные интерфейсы

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. Характерной особенностью является применение неТТЛ сигналов. В ряде последовательных интерфейсов применяется гальваническая развязка внешних (обычно входных) сигналов от схемной земли устройства, что позволяет соединять устройства, находящиеся под разными потенциалами. Ниже будут рассмотрены интерфейсы RS-232C, RS-422А, RS-423A, RS-485, токовая петля, MIDI, а также СОМ-порт.

2.1. Способы последовательной передачи

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 межцу посылками (рис. 2.1). 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. 2.1. 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 (подробнее см. в приложении А).

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. 2.2. 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. 2.2 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.

2.2. Интерфейс RS-232C

Интерфейс предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные {О ОД - оконечное оборудование данных или АПД - аппаратура передачи данных; DTE - Data Terminal Equipment), к оконечной аппаратуре каналов данных (АКД', DCE - Data Communication Equipment). В роли АПД может выступать компьютер, принтер, плоттер и другое периферийное оборудование. В роли АКД обычно выступает модем. Конечной целью подключения является соединение двух устройств АПД. Полная схема соединения приведена на рис. 2.3. Интерфейс позволяет исключить канал удаленной связи вместе с парой устройств АПД, соединив устройства непосредственно с помощью нульмодемного кабеля (рис. 2.4).

Стандарт описывает управляющие сигналы интерфейса, пересылку данных, электрический интерфейс и типы разъемов. В стандарте предусмотрены асинхронный и синхронный режимы обмена, но СОМ-порты поддерживают только асинхронный режим. Функционально RS-232C эквивалентен стандарту МККТТ V.24/ V.28 и стыку С2, но они имеют различные названия сигналов.

Рис. 2.3. Полная схема соединения по RS-232C

Рис. 2.4. Соединение по RS-232C нуль-модемным кабелем

2.2.1. Электрический интерфейс

Стандарт RS-232C использует несимметричные передатчики и приемники - сигнал передается относительно общего провода - схемной земли (симметричные дифференциальные сигналы используются в других интерфейсах - например, RS-422). Интерфейс НЕ ОБЕСПЕЧИВАЕТ ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКИ устройств. Логической единице соответствует напряжение на входе приемника в диапазоне -12...-3 В. Для линий управляющих сигналов это состояние называется ON( "включено"), для линий последовательных данных - MARK. Логическому нулю соответствует диапазон +3...+12 В. Для линий управляющих сигналов состояние называется OFF ("выключено"), а для линий последовательных данных - SPACE. Диапазон -3...+3 В - зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника: состояние линии будет считаться измененным только после пересечения порога (рис. 2.5). Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах -12...-5 В и +5...+12 В для представления единицы и нуля соответственно. Разность потенциалов между схемными землями (SG) соединяемых устройств должна быть менее 2 В, при более высокой разности потенциалов возможно неверное восприятие сигналов.

Интерфейс предполагает наличие ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ для соединяемых устройств, если они оба питаются от сети переменного тока и имеют сетевые фильтры.

Подключение и отключение интерфейсных кабелей устройств с автономным питанием должно производиться при отключенном питании. Иначе разность не выровненных потенциалов устройств в момент коммутации может оказаться приложенной к выходным или входным (что опаснее) цепям интерфейса и вывести из строя микросхемы.

Рис. 2.5. Прием сигналов RS-232C

Для интерфейса RS-232C специально выпускаются буферные микросхемы приемников (с гистерезисом и передатчиком двуполярного сигнала). При несоблюдении правил заземления и коммутации они обычно являются первыми жертвами "пиротехнических" эффектов. Иногда их устанавливают на разъёмах, что облегчает замену. Цоколевка микросхем формирователей сигналов RS-232C приведена на рис. 2.6. Часто буферные схемы входят прямо в состав интерфейсных БИС. Это удешевляет изделие, экономит место на плате, но в случае аварии оборачивается крупными финансовыми потерями. Вывести из строя интерфейсные микросхемы замыканием сигнальных цепей маловероятно: ток короткого замыкания передатчиков обычно не превосходит 20 мА.

Рис. 2.6. Формирование сигналов RS-232C: а - приемник 1489 (А - вход RS-232, С - управление гистерезисом (ТТЛ), Y - выход ТТЛ); б - передатчик 1488 (А, В - входы ТТЛ, Y - выход RS-232, VDD = +12 В, VEE = -12 В); в - таблица состояния выходов передатчика (*1В - логическая 1)

Стандарт RS-232C регламентирует типы применяемых разъемов.

На аппаратуре АПД (в том числе на СОМ-портах) принято устанавливать вилки (male - "папа") DB-25P или более компактный вариант - DB-9P. Девятиштырьковые разъемы не имеют контактов для дополнительных сигналов, необходимых для синхронного режима (в большинстве 25-штырьковых разъемов эти контакты не используются).

На аппаратуре АКД (модемах) устанавливают розетки (female - "мама") DB-25S или DB-9S.

Это правило предполагает, что разъемы АКД могут подключаться к разъемам АПД непосредственно или через переходные "прямые" кабели с розеткой и вилкой, у которых контакты соединены "один в один". Переходные кабели могут являться и переходниками с 9- на 25- штырьковые разъемы (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Кабели подключения модемов

Если аппаратура АПД соединяется без модемов, то разъемы устройств (вилки) соединяются между собой нуль-модемным кабелем (Zero-modem или Z-modem), имеющим на обоих концах розетки, контакты которых соединяются перекрестно по одной из схем, приведенных на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Нуль-модемный кабель: а - минимальный, б - полный

Если на каком-либо устройстве АПД установлена розетка - это почти стопроцентный признак того, что к другому устройству оно должно подключаться прямым кабелем, аналогичным кабелю подключения модема. Розетка устанавливается обычно на тех устройствах, у которых удаленное подключение через модем не предусмотрено.

В табл. 2.1 приведено назначение контактов разъемов СОМ - портов (и любой другой аппаратуры АПД). Контакты разъема DB-25S определены стандартом EIA/TIA-232-E, разъем DB-9S описан стандартом EIA/ TIA-574. У модемов название цепей и контактов такое же, но роли сигналов (вход-выход) меняются на противоположные.

Подмножество сигналов RS-232C, относящихся к асинхронному режиму, рассмотрим с точки зрения СОМ-порта PC. Следует помнить, что активному состоянию сигнала ("включено") и логической единице передаваемых данных соответствует отрицательный потенциал (ниже -3 В) сигнала интерфейса, а состоянию "выключено" и логическому нулю - положительный (выше +3 В). Назначение сигналов интерфейса приведено в табл. 2.2.

1*- шлейф 8-битных мультикарт.
2*- шлейф 16-битных мультикарт и портов на системных платах.
3* - вариант шлейфа портов на системных платах.
4*- широкий шлейф к 25-контактному разъему.

2.2.2. Управление потоком данных

Для управления потоком данных (Flow Control) могут использоваться два варианта протокола - аппаратный и программный. Иногда управление потоком путают с квитированием, но это разные методы достижения одной цели - согласования темпа передачи и приема. Квитирование (Handshaking) подразумевает посылку уведомления о получении элемента, в то время как управление потоком предполагает посылку уведомления о невозможности последующего приема данных.

Аппаратный протокол управления потоком RTS/CTS (Hardware Flow Control) использует сигнал CTS, который позволяет остановить передачу данных, если приемник не готов к их приему (рис. 2.9). Передатчик "выпускает" очередной байт только при включенной линии CTS. Байт, который уже начал передаваться, задержать сигналом CTS невозможно (это гарантирует целостность посылки). Аппаратный протокол обеспечивает самую быструю реакцию передатчика на состояние приемника. Микросхемы асинхронных приемопередатчиков имеют не менее двух регистров в приемной части сдвигающий, для приема очередной посылки, и хранящий, из которого считывается принятый байт. Это позволяет реализовать обмен по аппаратному протоколу без потери данных.

Рис. 2.9. Аппаратное управление потоком

Аппаратный протокол удобно использовать при подключении принтеров и плоттеров, если они его поддерживают (рис. 2.10). При непосредственном (без модемов) соединении двух компьютеров аппаратный протокол требует перекрестного соединения линий RTS - CTS.

Если аппаратный протокол не используется, у передающего терминала должно быть обеспечено состояние "включено" на линии CTS перемычкой RTS - CTS. В противном случае передатчик будет "молчать".

Рис. 2.10. Кабель подключения принтера с протоколом RTS-CTS

Программный протокол управления потоком XON/XOFF предполагает наличие двунаправленного канала передачи данных. Работает протокол следующим образом: если устройство, принимающее данные, обнаруживает причины, по которым не может их дальше принимать, оно по обратному последовательному каналу посылает байт-символ XOFF (13h). Противоположное устройство, приняв этот символ, приостанавливает передачу. Когда принимающее устройство снова становится готовым к приему данных, оно посылает символ XON (13h), приняв который противоположное устройство возобновляет передачу. Время реакции передатчика на изменение состояния приемника по сравнению с аппаратным протоколом увеличивается по крайней мере на время передачи символа (XON или XOFF) плюс время реакции программы передатчика на прием символа (рис. 2.11). Из этого следует, что данные без потерь могут приниматься только приемником, имеющим дополнительный буфер принимаемых данных и сигнализирующим о неготовности заблаговременно (имея в буфере свободное место).

Рис. 2.11. Программное управление потоком XON/XOFF

Преимущество программного протокола заключается в отсутствии необходимости передачи управляющих сигналов интерфейса - минимальный кабель для двустороннего обмена может иметь только 3 провода (см. рис. 2.8а). Недостатком, кроме требования наличия буфера и большего времени реакции (снижающего общую производительность канала из-за ожидания сигнала XON), является сложность реализации полнодуплексного режима обмена. В этом случае из потока принимаемых данных должны выделяться (и обрабатываться) символы управления потоком, что ограничивает набор передаваемых символов. Минимальный вариант кабеля для подключения принтера (плоттера) с протоколом XON/XOFF приведен на рис. 2.12.

Кроме этих двух распространенных стандартных протоколов, поддерживаемых и ПУ, и ОС, существуют и другие. Некоторые плоттеры с последовательным интерфейсом используют программное управление, но посылают не стандартные символы XON/XOFF, а слова (ASCII-строки). Такой обмен на уровне системной поддержки протокола практически не поддерживается (эти плоттеры непосредственно "разговаривают" с прикладной программой). Конечно, можно написать драйвер СОМ-порта (перехватчик INT 14h), но необходимость обработки в нем текстовых сообщений от устройства вывода обычно не вызывает восторга у системного программиста. Кабель для подключения совпадает с приведенным на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Кабель подключения принтера по протоколу XON/XOFF

2.3. Интерфейс "токовая петля"

Распространенным вариантом последовательного интерфейса является токовая петля. В ней электрическим сигналом является не уровень напряжения относительно общего провода, а ток в двухпроводной линии, соединяющей приемник и передатчик. Логической единице (состоянию "включено") соответствует протекание тока 20 мА, а логическому нулю - отсутствие тока. Такое представление сигналов для описанного формата асинхронной посылки позволяет обнаружить обрыв линии - приемник заметит отсутствие стоп-бита (обрыв линии действует как постоянный логический нуль).

Токовая петля обычно предполагает гальваническую развязку входных цепей приемника от схемы устройства. При этом источником тока в петле является передатчик (этот вариант называют активным передатчиком). Возможно и питание от приемника (активный приемник), при этом выходной ключ передатчика может быть также гальванически развязан с остальной схемой передатчика. Существуют упрощенные варианты без гальванической развязки, но это уже вырожденный случай интерфейса.

Токовая петля с гальванической развязкой позволяет передавать сигналы на расстояния до нескольких километров. Расстояние определяется сопротивлением пары проводов и уровнем помех. Поскольку интерфейс требует пары проводов для каждого сигнала, обычно используют только два сигнала интерфейса. В случае двунаправленного обмена применяются только сигналы передаваемых и принимаемых данных, а для управления потоком используется программный метод XON/XOFF. Если двунаправленный обмен не требуется, используют одну линию данных, а для управления потоком обратная линия задействуется для сигнала CTS (аппаратный протокол) или встречной линии данных (программный протокол).

Преобразовать сигналы RS-232C в токовую петлю можно с помощью несложной схемы (рис. 2.13). Здесь принтер подключается по токовой петле к СОМ-порту с аппаратным управлением потоком. Для получения двуполярного сигнала, требуемого для входных сигналов СОМ-порта, применяется питание от интерфейса.

При надлежащем ПО одной токовой петлей можно обеспечить двунаправленную полудуплексную связь двух устройств. При этом каждый приемник "слышит" как сигналы передатчика на противоположной стороне канала, так и сигналы своего передатчика. Они расцениваются коммуникационными пакетами просто как эхо-сигнал. Для безошибочного приема передатчики должны работать поочередно.

Рис. 2.13. Подключение принтера с интерфейсом "токовая петля" к СОМ-порту

2.4. Интерфейс MIDI

Цифровой интерфейс музыкальных инструментов MIDI (Musical Instrument Digital Interface) является двунаправленным 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 интерфейсе применяется токовая петля 10 мА (возможно 5 мА) с гальванической развязкой входной цепи. Это исключает связь "схемных земель" соединяемых устройств через интерфейсный кабель, устраняя помехи, крайне нежелательные для звуковой техники. Снижению интерференционных помех служит и выбор частоты передачи, которая совпадает с одним из значений частот квантования, принятых в цифровой звукозаписи.

Асинхронная посылка содержит старт-бит, 8 бит информации и 1 стоп-бит, контроль четности отсутствует. Старший бит посылки является признаком "команда/данные". Его нулевое значение указывает на наличие семи бит данных в младших разрядах. При единичном значении биты [6:4] содержат код команды, а биты [3:0] - номер канала. Команды могут быть как адресованными конкретному каналу, так и широковещательными безадресными. К последней группе относятся команды старта, стопа и отметки времени, обеспечивающие синхронизацию устройств (система синхронизации MIDI Sync и МТС - MIDI Time Code).

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

Входной порт MIDI-In представляет собой вход интерфейса "токовая петля 10 мА", 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 10 мА, 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. В потоке может содержаться и транслированный входной поток.

Транзитный порт MIDI-Thru (не обязателен) служит для ретрансляции входного сигнала.

В качестве разъемов применяются 5-контактные разъемы DIN, распространенные в бытовой звуковой аппаратуре. На всех устройствах устанавливаются розетки, на кабелях - вилки. Все соединительные кабели MIDI унифицированы (рис. 2.14). Контакт 2 - экран кабеля - соединяется с общим проводом только на стороне передатчика (на разъемах MIDI-Out и MIDI-Thru).

Рис. 2.14. Соединительные кабели MIDI

В маркировке входов и выходов, указанной около разъемов, бывают разночтения. Одни производители пишут "In" или "Out" в соответствии с функцией разъема данного устройства (и это, правильно), тогда любой кабель соединяет "In" и "Out". Другие считают, что подпись должна обозначать функцию подключаемого устройства. Тогда кабель будет соединять разъемы с обозначениями "In" - "In" и "Out" - "Out".

Интерфейс позволяет объединить группу до 16 устройств в локальную сеть. Топология должна подчиняться правилу: вход MIDI-In одного устройства должен подключаться к выходу MIDI-Out или MIDI-Thru другого. При планировании MIDI-сети необходимо руководствоваться информационными потоками и связью устройств. Управляющие устройства - клавиатуры, секвенсоры (в режиме воспроизведения), источники синхронизации - должны находиться перед управляемыми. Если устройства нуждаются в двунаправленном обмене, они соединяются в кольцо. Возможно применение специальных мультиплексоров, позволяющих логически коммутировать несколько входных потоков в один выходной. Вырожденным случаем кольца является двунаправленное соединение двух устройств. Несколько вариантов соединения приведено на рис. 2.15.

В PC MIDI-порт имеется на большинстве звуковых адаптеров, его сигналы выведены на неиспользуемые контакты (12 и 15) разъема игрового адаптера. Для подключения устройств MIDI требуется переходной адаптер, реализующий интерфейс "токовая петля". Переходной адаптер обычно встраивается в специальный кабель, схема которого приведена на рис. 2.16. Некоторые модели PC имеют встроенные адаптеры и стандартные 5-штырьковые разъемы MIDI.

Рис. 2.15. Варианты топологии сети MIDI: a - цепь, б - кольцо с мультиплексором

В PC для интерфейса MIDI применяются порты, совместимые с контроллером MPU-401 (Roland) в режиме UART. В пространстве ввода/вывода MPU-401 занимает два смежных адреса MPU (обычно 330h) и МРU+1:

• Порт DATA (адрес MPU+0) - запись и считывание байт, передаваемых и принимаемых по интерфейсу MIDI.

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

1. 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.

2. 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.

Рис. 2.16. Вариант схемы кабеля-адаптера MIDI

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

2.5. 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. В ряде отечественных PC- совместимых (почти) компьютеров для последовательного интерфейса применялась микросхема КР580ВВ51 - аналог I8251. Однако эта микросхема является универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком (УАПП или UART - Universal Asynchronous Receiver-Transmitter). Совместимости с PC на уровне регистров СОМ-порта такие компьютеры не имеют. Хорошо, если у соответствующих компьютеров имеется "честный" драйвер BIOS INT 14h, а не заглушка, возвращающая состояние модема "всегда готов" и ничего не делающая. Совместимость на уровне регистров СОМ-порта считается необходимой. Многие разработчики коммуникационных пакетов предлагают работу и через BIOS INT 14h, однако на высоких скоростях это неэффективно. Говоря о СОМ - порте PC, по умолчанию будем подразумевать совместимость регистровой модели с I8250 и реализацию асинхронного интерфейса RS-232C.

2.5.1. 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. 2.3).

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. 2.4). PC-Mouse передает 5 байт (табл. 2.5). 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.

Для подключения внешних модемов используется полный (9-проводный) кабель АПД-АКД, схема которого приведена на рис. 2.7. 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.

Для связи двух компьютеров, удаленных друг от друга на небольшое расстояние, используют и непосредственное соединение их СОМ-портов нуль-модемным кабелем (рис. 2.8). 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.

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. 2.10 и 2.12. Аппаратный протокол предпочтительнее. Прерывания при выводе средствами DOS (командами COPY или PRINT) не используются.

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 когдато 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 ис пользуются 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 помех 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.

2.5.2. 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.

В компьютерах класса AT применяют микросхемы UART следующих модификаций:

• 16450 - быстродействующая версия 8250 для AT. Ошибок 8250 и полной совместимости с XT BIOS не имеет. Требуется для работы OS/2 с СОМ-портами.

• 16550 - развитие 16450. Может использовать канал DMA для обмена данными. Имеет FIFO-буфер, но некорректность его работы не позволяет им воспользоваться.

• 16550А - имеет работающие 16-байтные FIFO-буферы приема и передачи и возможность использования DMA. Именно этот тип UART должен применяться в AT при интенсивных обменах на скоростях 9600 бит/с и выше. Совместимость с этой микросхемой обеспечивает большинство микросхем контроллеров портов ввода/вывода, входящих в современные чипсеты.

Микросхемы UART 16550А с программной точки зрения представляют собой набор регистров, доступ к которым определяется адресом (смещением адреса регистра относительно базового адреса порта) и значением бита DLAB (бита 7 регистра LCR). В адресном пространстве микросхема занимает 8 смежных адресов. Список регистров UART 16550А и способы доступа к ним приведены в табл. 2.6. Микросхемы 8250 отличаются отсутствием регистра FCR и всех возможностей FIFO и DMA.

* Некоторые биты допускают только чтение. Запись в регистр может привести к сбою протокола.

THR - промежуточный регистр данных передатчика (только для записи). Данные, записанные в регистр, будут пересланы в выходной сдвигающий регистр (когда он будет свободен), из которого поступят на выход при наличии разрешающего сигнала CTS. Бит 0 передается (и принимается) первым. При длине посылки менее 8 бит старшие биты игнорируются.

RBR - буферный регистр принимаемых данных (только для чтения). Данные, принятые входным сдвигающим регистром, помещаются в регистр RBR, откуда они могут быть считаны процессором. Если к моменту окончания приема очередного символа предыдущий не был считан из регистра, фиксируется ошибка переполнения. При длине посылки менее 8 бит старшие биты в регистре имеют нулевое значение.

DLL - регистр младшего байта делителя частоты.

DLM - регистр старшего байта делителя частоты. Делитель определяется по формуле D=115200/V, где V - скорость передачи, бит/с. Входная частота синхронизации 1,8432 МГц делится на заданный коэффициент, после чего получается 16-кратная частота передачи данных.

IER - регистр разрешения прерываний. Единичное значение бита разрешает прерывание от соответствующего источника.

Назначение бит регистра IER:

• Биты 7-4=0 - не используются.

• Бит 3 - Mod IE - по изменению состояния модема (любой из линий CTS, DSR, Rl, DCD).

• Бит 2 - RxL IE - по обрыву/ошибке линии.

• Бит 1 - TxD IE - по завершении передачи.

• Бит 0 - RxD IE - по приему символа (в режиме FIFO - прерывание по тайм-ауту).

IIR - регистр идентификации (только для чтения) прерываний и признака режима FIFO. Для упрощения программного анализа UART выстраивает внутренние запросы прерывания по четырехуровневой системе приоритетов. Порядок приоритетов (по убыванию): состояние линии, прием символа, освобождение регистра передатчика, состояние модема. При возникновении условий прерывания UART указывает на источник с высшим приоритетом до тех пор, пока он не будет сброшен соответствующей операцией. Только после этого будет выставлен запрос с указанием следующего источника.

Назначение бит регистра IIR:

•  Биты [7:6] - признак режима FIFO:

  • 11 -режим FIFO 16550A,

  • 10 - режим FIFO 16550,

  • 00 - обычный.

• Биты [5:4] - не используются.

• Бит 3 - прерывание по тайм-ауту (не в режиме FIFO).

• Биты [2:1] - причина прерывания с наивысшим приоритетом (в обычном, не FIFO-режиме):

  • 11 - ошибка/обрыв линии, сброс выполняется чтением регистра состояния линии,

  • 10 - принят символ; сброс - чтением данных,

  • 01 - передан символ (регистр THR пуст); сброс - записью данных,

  • 00 - изменение состояния модема; сброс - чтением регистра состояния модема.

• Бит 0 - признак необслуженного запроса прерывания:

  • 1 - нет запроса,

  • 0 -есть запрос.

В режиме FIFO причину прерываний идентифицируют биты IIR [3:1]:

• 011 - ошибка/обрыв линии; сброс - чтением регистра состояния линии.

• 010 - принят символ; сброс - чтением регистра данных приемника.

• 110 - индикатор тайм-аута (за 4-кратный интервал времени символа не передано и не принято ни одного символа, хотя в буфере имеется по крайней мере один). Сброс - чтением регистра данных приемника.

• 001 - регистр THR пуст; сброс - записью данных.

• 000 - изменение состояния модема (CTS, DSR, RI или DCD), сброс - чтением регистра MSR.

FCR - регистр управления FIFO (только для записи).

Назначение бит регистра FCR:

• Биты [7:6] - ITL (Interrupt Trigger Level) - уровень заполнения FIFO-буфера, при котором вырабатывается прерывание:

  • 00-1 байт (по умолчанию),

  • 01-4 байта,

  • 10 -8байт,

  • 11 -14 байт.

• Биты [5:4] зарезервированы.

• Бит 3 - разрешение операций DMA.

• Бит 2 -RESETTF(Reset Transmitter FIFO) - сброс счетчика FIFO-передатчика (записью единицы сдвигающий регистр не сбрасывается).

• Бит 1 - RESETRF(Reset Receiver FIFO) - сброс счетчика FIFO-приемника (записью единицы сдвигающий регистр не сбрасывается).

• Бит 0 - TRFIFOE(Transmit And Receive FIFO Enable) - разрешение (единицей) режима FIFO для передатчика и приемника. При смене режима FIFO-буферы автоматически очищаются.

LCR - регистр управления линией (настройки параметров канала).

Назначения бит регистра LCR:

• Бит 7 - DLAB (Divisor Latch Access Bit) - управление доступом к делителю частоты.

• Бит 6 - BRCON( Break Control) - формирование обрыва линии (посылка нулей) при BRCON=1.

• Бит 5 - STICPAR (Sticky Parity) - принудительное формирование бита паритета:

  • 0 - контрольный бит генерируется в соответствии с паритетом выводимого символа,

  • 1 - постоянное значение контрольного бита: при EVENPAR=1 - нулевое, при EVENPAR=0 - единичное.

• Бит 4 - EVENPARf Even Parity Select) - выбор типа контроля: 0 - нечетность, 1 - четность.

• Бит 3 - PAREN( Parity Enable) - разрешение контрольного бита:

  • 1 - контрольный бит (паритет или постоянный) разрешен,

  • 0 - запрещен.

• Бит 2 - STOPS (Stop Bits) - количество стоп-бит:

  • 0-1 стоп-бит,

  • 1-2 стоп-бита (для 5-битного кода стоп-бит будет иметь длину 1,5 бита).

• Биты [1:0] - SERIALDB (Serial Data Bits) - количество бит данных:

  • 00 -5 бит,

  • 01 -6 бит,

  • 10 -7 бит,

  • 11 -8 бит.

MCR - регистр управления модемом.

Назначение бит регистра MCR:

• Биты [7:5]=0 - зарезервированы.

• Бит 4 - LME(Loopback Mode Enable) - разрешение режима диагностики:

  • 0 - нормальный режим,

  • 1 - режим диагностики (см. ниже).

• Бит 3 - 1Е( Interrupt Enable) - разрешение прерываний с помощью внешнего выхода OUT2; в режиме диагностики поступает на вход MSR.7:

  • 0 - прерывания запрещены,

  • 1 - разрешены.

• Бит 2 - OUT1C (OUT1 Bit Control) - управление выходным сигналом 1 (не используется); в режиме диагностики поступает на вход MSR.6.

• Бит 1 - RTSC (Request To Send Control) - управление выходом RTS; в режиме диагностики поступает на вход MSR.4:

  • 1 - активен (-V),

  • 0 - пассивен (+V).

• Бит 0 - DTRCfData Terminal Ready Control) - управление выходом DTR; в режиме диагностики поступает на вход MSR.5:

  • 1 - активен (-V),

  • 0 - пассивен (+V).

LSR - регистр состояния линии (точнее, состояния приемопередатчика).

Назначение бит регистра LSR:

• Бит 7 - FIFOE (FIFO Error Status) - ошибка принятых данных в режиме FIFO (буфер содержит хотя бы один символ, принятый с ошибкой формата, паритета или обрывом). В не FIFO- режиме всегда 0.

• Бит 6 - TEMPT (Transmitter Empty Status) - регистр передатчика пуст (нет данных для передачи ни в сдвиговом регистре, ни в буферных, THR или FIFO).

• Бит 5 - THRE (Transmitter Holding Register Empty) - регистр передатчика готов принять байт для передачи. В режиме FIFO указывает на отсутствие символов в FIFO-буфере передачи. Может являться источником прерывания.

• Бит 4 - BD (Break Detected) - индикатор обрыва линии (вход приемника находится в состоянии 0 не менее, чем время посылки символа).

• Бит 3 - FE (Framing Error) - ошибка кадра (неверный стоп бит).

• Бит 2 - РЕ (Parity Error) - ошибка контрольного бита (паритета или фиксированного).

• Бит 1 - ОЕ (Overrun Error) - переполнение (потеря символа). Если прием очередного символа начинается до того, как предыдущий был выгружен из сдвигающего регистра в буферный или FIFO, прежний символ в сдвигающем регистре теряется.

• Бит 0 - DR (Receiver Data Ready) - принятые данные готовы (в DHR или FIFO-буфере). Сброс - чтением приемника.

Индикаторы ошибок - биты [4:1] - сбрасываются после чтения регистра LSR. В режиме FIFO признаки ошибок хранятся в FIFO-буфере вместе с каждым символом. В регистре они устанавливаются (и вызывают прерывание) в тот момент, когда символ, принятый с ошибкой, находится на вершине FIFO (первый в очереди на считывание). В случае обрыва линии в FIFO заносится только один "обрывной" символ, и UART ждет восстановления и последующего старт-бита.

MSR - регистр состояния модема.

Назначение бит регистра MSR:

• Бит 7 - DCD (Data Carrier Detect) - состояние линии DCD.

• Бит 6 - Rl(Ring Indicator) - состояние линии Rl.

• Бит 5 - DSR(Data Set Ready) - состояние линии DSR.

• Бит 4 - CTS(Clear To Send) - состояние линии CTS.

• Бит 3 - DDCD(Delta Data Carrier Detect) - изменение состояния DCD.

• Бит 2 - TERI(Trailing Edge OfRing Indicator) -спад огибающей Rl (окончание звонка).

• Бит 1 - DDSR (Delta Data Set Ready) - изменение состояния DSR.

• Бит 0 - DCTS (Delta Clear To Send) - изменение состояния CTS.

Признаки изменения (биты [3:0]) сбрасываются по чтению регистра.

SCR - рабочий регистр (8 бит), на работу UART не влияет, предназначен для временного хранения данных (в 8250 отсутствует).

В диагностическом режиме (при LME=1) внутри UART организуется внутренняя заглушка:

• Выход передатчика переводится в состояние логической 1. Вход приемника отключается.

• Выход сдвигающего регистра передатчика логически соединяется со входом приемника.

• Входы DSR, CTS, RI и DCD отключаются от входных линий и внутренне управляются битами DTRC, RTSC, OUT1C, IE.

• Выходы управления модемом переводятся в пассивное состояние (логический ноль).

Переданные данные в последовательном виде немедленно принимаются, что позволяет проверять внутренний канал данных порта (включая сдвигающие регистры) и отработку прерываний, а также определять скорость работы UART.

2.5.3. Ресурсы и конфигурирование СОМ-портов

Компьютер может иметь до четырех последовательных портов СОМ 1-COM4 (для машин класса AT типично наличие двух портов). СОМ-порты имеют внешние разъемы-вилки DB25P или DB9P, выведенные на заднюю панель компьютера (назначение выводов приведено в табл. 2.1).

СОМ-порты реализуются на микросхемах UART, совместимых с семейством 18250. Они занимают в пространстве ввода/вывода по 8 смежных 8-битных регистров и могут располагаться по стандартным базовым адресам. Порты вырабатывают аппаратные прерывания. Возможность разделяемого использования одной линии запроса несколькими портами (или ее разделения с другими устройствами) зависит от реализации аппаратного подключения и ПО. При использовании портов, установленных на шину ISA, разделяемые прерывания обычно не работают.

Управление последовательным портом разделяется на два этапа - предварительное конфигурирование (Setup) аппаратных средств порта и текущее (оперативное) переключение режимов работы прикладным или системным ПО. Конфигурирование СОМ-порта зависит от его исполнения. Порт на плате расширения конфигурируется джамперами на самой плате. Порт на системной плате конфигурируется через BIOS Setup.

Конфигурированию подлежат следующие параметры:

• Базовый адрес, который может иметь значения 3F8h, 2F8h, 3E8h (ЗЕОЬ, 338h) или 2E8h (2EOh, 238h). При инициализации BIOS проверяет наличие портов по адресам именно в этом порядке и присваивает обнаруженным портам логические имена СОМ1, COM2, COM3 и COM4. Для PS/2 стандартными для портов СОМЗ-СОМ8 являются адреса 3220h, 3228h, 4220h, 4228h, 5220h и 5228h соответственно.

• Используемая линия запроса прерывания: для СОМ1 и COM3 обычно используется IRQ4 или IRQ11, для COM2 и COM4 - IRQ3 или IRQ 10. В принципе номер прерывания можно назначать в произвольных сочетаниях с базовым адресом (номером порта), но некоторые программы и драйверы (например, драйверы последовательной мыши) настроены на стандартные сочетания. Каждому порту, нуждающемуся в аппаратном прерывании, назначают отдельную линию, не совпадающую с линиями запроса прерываний других устройств. Прерывания необходимы для портов, к которым подключаются устройства ввода, UPS или модемы. При подключении принтера или плоттера прерываниями пользуются только многозадачные ОС (не всегда), и этот дефицитный ресурс PC можно сэкономить. Также прерываниями обычно не пользуются при связи двух компьютеров нуль-модемным кабелем.

• Канал DMA (для UART 16450/16550, расположенных на системной плате) - разрешение использования и номер канала DMA. Режим DMA при работе с СОМ-портами используют редко.

Режим работы порта по умолчанию (2400 бит/с, 7 бит данных, 1 стоп-бит и контроль четности), заданный при инициализации порта во время BIOS POST, может изменяться в любой момент при настройке коммуникационных программ или командой DOS MODECOMx: с указанием параметров.

2.5.4. Неисправности и тестирование СОМ-портов

Неполадки с СОМ-портами случаются (выявляются) при установке новых портов или неудачном подключении внешних устройств.

Проверка конфигурирования

Тестирование последовательных портов (как и параллельных) начинают с проверки их опознавания системой. Список адресов установленных портов обычно появляется в таблице, выводимой BIOS перед загрузкой ОС. Список можно посмотреть с помощью тестовых программ или прямо в BIOS Data AREA с помощью отладчика.

Если BIOS обнаруживает меньше портов, чем установлено физически, вероятно, двум портам присвоен один адрес или установлен нестандартный адрес какого-либо порта. Проблемы могут возникать с адресами портов COM3 и COM4: не все версии BIOS будут искать порты по альтернативным адресам 3E0h, 338h, 2E0h и 238h; иногда не производится поиск по адресам 3E8h и 2E8h. Нумерация найденных портов, отображаемая в заставке, может вводить в заблуждение: если установлены два порта с адресами 3F8h и 3E8h, в заставке они могут называться СОМ1 и COM2, и по этим именам на них можно ссылаться. Однако те же порты в заставке могут называться и СОМ 1 и COM3 (поскольку 3E8h является штатным адресом для COM3), но попытка сослаться на порт COM3 будет неудачной, поскольку в данном случае адрес 3E8h будет находиться в ячейке 0:402h BIOS Data Area, соответствующей порту COM2, а в ячейке порта COM3 (0:404h) будет нуль - признак отсутствия такового порта.

"Объяснить" системе, где какой порт, можно вручную любым отладчиком, занеся правильные значения базовых адресов в ячейки BIOS Data Area (это придется делать каждый раз после перезагрузки ОС перед использованием "потерянного" порта). Существуют тестовые утилиты, позволяющие находить порты (например, Port Finder).

Если двум портам назначен один и тот же адрес, тестовая программа обнаружит ошибки порта только с использованием внешней заглушки (External LoopBack). Программное тестирование порта без заглушки не покажет ошибок, поскольку при этом включается диагностический режим (см. описание UART) и конфликтующие (по отдельности исправные) порты будут работать параллельно, обеспечивая совпадение считываемой информации. В реальной жизни нормальная работа конфликтующих портов невозможна. Разбираться с конфликтом адресов удобно, последовательно устанавливая порты и наблюдая за адресами, появляющимися в списке.

Если физически установлен только один порт и его не обнаруживает BIOS, причины те же, что с LPT- портом: либо он отключен при конфигурировании, либо вышел из строя. Неисправность может устраниться при вынимании/вставке платы адаптера в слот системной шины.

При работе с СОМ-портом задействуются соответствующие аппаратные прерывания - их используют при подключении модема, мыши и других устройств ввода. Неработоспособность этих устройств может быть вызвана некорректной настройкой запроса прерывания. Здесь возможны как конфликты с другими устройствами, так и несоответствие номера прерывания адресу порта.

Функциональное тестирование

В первом приближении СОМ-порт можно проверить диагностической программой (Checkit) без использования заглушек. Этот режим тестирования проверяет микросхему UART (внутренний диагностический режим) и вырабатывание прерываний, но не входные и выходные буферные микросхемы, которые являются более частыми источниками неприятностей. Если тест не проходит, причину следует искать или в конфликте адресов/прерываний, или в самой микросхеме UART.

Для более достоверного тестирования рекомендуется использовать внешнюю заглушку, подключаемую к разъему СОМ-порта (рис. 2.17). В отличие от LPT-порта у СОМ-порта количество входных сигналов превышает количество выходных, что позволяет выполнить полную проверку всех цепей. Заглушка соединяет выход приемника со входом передатчика. Обязательная для всех схем заглушек перемычка RTS- CTS позволяет работать передатчику - без нее символы не смогут передаваться. Выходной сигнал DTR обычно используют для проверки входных линий DSR, DCD и RI.

Рис. 2.17. Заглушка для проверки СОМ-портов (LoopBack)

Если тест с внешней заглушкой не проходит, причину следует искать во внешних буферах, их питании или в шлейфах подключения внешних разъемов. Здесь может помочь осциллограф или вольтметр. Последовательность проверки может быть следующей:

1. Проверить наличие двуполярного питания выходных схем передатчиков (этот шаг логически первый, но поскольку он технически самый сложный, его можно отложить на крайний случай, когда появится желание заменить буферные микросхемы).

2. Проверить напряжение на выходах TD, RTS и DTR: после аппаратного сброса на выходе TD должен быть отрицательный потенциал около -12 В (по крайней мере ниже -5 В), а на выходах RTS и DTR - такой же положительный. Если этих потенциалов нет, возможна ошибка подключения разъема к плате через шлейф.

   Распространенные варианты:

   • шлейф не подключен;

   • шлейф подключен неправильно (разъем перевернут или вставлен со смещением);

   • раскладка шлейфа не соответствует разъему платы.

   Первые два варианта проверяются при внимательном осмотре, третий же может потребовать некоторых усилий. В табл. 2.1 приведены три варианта раскладки 10-проводного шлейфа разъема СОМ-порта, известных автору; для СОМ-портов на системных платах возможно существование и других. Теоретически шлейф должен поставляться в соответствии с разъемом платы, на которой расположен порт.

   Если дело в ошибочной раскладке, то эти три выходных сигнала удастся обнаружить на других контактах разъемов (на входных контактах потенциал совсем небольшой). Если эти сигналы обнаружить не удалось, очевидно, вышли из строя буферные формирователи.

3. Соединив контакты линий RTS и CTS (или установив заглушку), следует попытаться вывести небольшой файл на СОМ-порт (например, командой COPYC:\AUTOEXEC. BAT СОМ 7;). С исправным портом эта команда успешно выполнится за несколько секунд с сообщением об успешном копировании. При этом потенциалы на выходах RTS и DTR должны измениться на отрицательные, а на выходе TD должна появиться пачка двуполярных импульсов с амплитудой более 5 В. Если потенциалы RTS и DTR не изменились, ошибка в буферных формирователях. Если на выходе RTS (и входе CTS) появился отрицательный потенциал, а команда COPY завершается с ошибкой, скорее всего, вышел из строя приемник линии CTS (или опять-таки ошибка в шлейфе). Если команда COPY успешно проходит, а изменения на выходе TD не обнаруживаются (их можно увидеть стрелочным вольтметром, но оценить амплитуду импульсов не удастся), виноват буферный передатчик сигнала TD.

Замена микросхем приемников и передатчиков существенно облегчается, если они установлены на разъёмах. Перед заменой следует с помощью осциллографа или вольтметра удостовериться в неисправности конкретной микросхемы. Расположение выводов микросхем приведено на рис. 2.6.

Если буферные элементы включены в состав интерфейсной БИС (что теперь весьма распространено), то такой порт ремонту не подлежит (по крайней мере в обычных условиях). Неисправный СОМ-порт, установленный на системной плате, можно попытаться отключить в BIOS SETUP, но порт мог сгореть и вместе со схемой своего отключения - тогда он останется "живым мертвецом" в карте портов ввода/ вывода и прерываний. Иногда он полностью выводит из строя системную плату.

Источниками ошибок могут являться разъемы и кабели. В разъемах встречаются плохие контакты, а кабели кроме возможных обрывов могут иметь плохие частотные характеристики. Частотные свойства кабелей обычно сказываются при большой длине (десятки метров) на высоких скоростях обмена (56 или 115 Кбит/с). При необходимости использования длинных кабелей на высоких скоростях сигнальные провода данных должны быть перевиты с отдельными проводами "схемной земли".

Питание от интерфейса, или Почему может не работать мышь

При подключении к СОМ-порту устройств с небольшим энергопотреблением возникает соблазн использования питания от выходных линий интерфейса. Если линии управления DTR и RTS не используются по прямому назначению, их можно задействовать как питающие с напряжением около 12 В. Ток короткого замыкания на "схемную землю" ограничен буферной микросхемой передатчика на уровне 20 мА. При инициализации порта эти линии переходят в состояние "выключено", то есть вырабатывают положительное напряжение. Линия TD в покое находится в состоянии логической единицы, так что на выходе вырабатывается отрицательное напряжение. Потенциалами линий можно управлять через регистры СОМ-порта (выход TD вырабатывает положительное напряжение, если установить бит BRCON).

Двуполярным питанием от линий интерфейса (+V от DTR и RTS, -V от TD) пользуются все манипуляторы, подключаемые к СОМ-портам. Зная это, в случае неработоспособности мыши с данным портом следует проверить напряжения на соответствующих контактах разъема. Бывает, что с конкретным портом не работает только конкретная мышь (модель или экземпляр), хотя другие мыши с этим портом и эти же мыши с другими портами работают нормально. Здесь дело может быть в уровнях напряжений. Стандарт требует от порта выходного напряжения не менее 5 В (абсолютного значения), и, если данный порт обеспечивает только этот минимум, некоторым мышам не хватит мощности для питания светодиодов (главных потребителей энергии).

Порт получает двуполярное питание через системную плату от блока питания компьютера. Отсутствие на выходе блока питания напряжения +12 В обычно обнаружится по неработоспособности дисков. Отсутствие напряжения -12 В "заметят" только устройства, подключенные к СОМ - портам. Блок питания теоретически контролирует наличие этих напряжений на своем выходе (сообщая о неполадках сигналом Power Good, вызывающим аппаратный сброс). Встречаются упрощенные схемы блоков питания, у которых контролируются не все напряжения. Кроме того, возможны плохие контакты в разъеме подключения питания к системной плате.

2.5.5. Функции BIOS для СОМ-портов

В процессе начального тестирования POST BIOS проверяет наличие последовательных портов (регистров UART 8250 или совместимых) по стандартным адресам и помещает базовые адреса обнаруженных портов в ячейки BIOS Data Area 0:0400, 0402, 0404, 0406. Эти ячейки хранят адреса портов с логическими именами СОМ 1-COM4. Нулевое значение адреса является признаком отсутствия порта с данным номером. В ячейки 0:047С, 047D, 047Е, 047F заносятся константы, задающие тайм-аут для портов.

Обнаруженные порты инициализируются на скорость обмена 2400 бит/с, 7 бит данных с контролем на четность (even), 1 стоп-бит. Управляющие сигналы интерфейса DTR и RTS переводятся в исходное состояние ("выключено" - положительное напряжение).

Порты поддерживаются сервисом BIOS INT 14h, который обеспечивает следующие функции:

• 00h - инициализация (установка скорости обмена и формата посылок, заданных регистром AL; запрет источников прерываний). На сигналы DTR и RTS влияния не оказывает (после аппаратного сброса они пассивны).

• 0lh - вывод символа из регистра AL (без аппаратных прерываний). Активируются сигналы DTR и RTS, и после освобождения регистра THR в него помещается выводимый символ. Если за заданное время регистр не освобождается, фиксируется ошибка тайм-аута и функция завершается.

• 02h - ввод символа (без аппаратных прерываний). Активируется только сигнал DTR (RTS переходит в пассивное состояние), и ожидается готовность принятых данных, принятый символ помещается в регистр AL. Если за заданное время данные не получены, функция завершается с ошибкой тайм-аута.

• 03h - опрос состояния модема и линии (чтение регистров MSR и LSR). Эту гарантированно быструю функцию обычно вызывают перед функциями ввода/вывода во избежание риска ожидания тайм-аута.

При вызове INT 14h номер функции задается в регистре АН, номер порта (0-3) - в регистре DX(0 - СОМ 1, 1 - COM2...). При возврате из функций 0,1 и 3 регистр АН содержит байт состояния линии (регистр LSR), AL - байт состояния модема (MSR). При возврате из функции 2 нулевое значение бита 7 регистра АН указывает на наличие принятого символа в регистре AL', ненулевое значение бита 7 - на ошибку приема, которую можно уточнить функцией 3.

Формат байта состояния линии (регистр АН):

• Бит 7 - ошибка тайм-аута (после вызова функции 2 - признак любой ошибки).

• Бит 6 - регистр сдвига передатчика пуст (пауза передачи).

• Бит 5 - промежуточный регистр передатчика пуст (готов принять символ для передачи).

• Бит 4 - обнаружен обрыв линии.

• Бит 3 - ошибка кадра (отсутствие стоп-бита).

• Бит 2 - ошибка паритета принятого символа.

• Бит 1 - переполнение (потеря символа).

• Бит 0 - регистр данных содержит принятый символ.

Формат байта состояния модема (регистр AL):

• Бит 7 - состояние линии DCD.

• Бит 6 - состояние линии RI.

• Бит 5 - состояние линии DSR.

• Бит 4 - состояние линии CTS.

• Бит 3 - изменение состояния DCD.

• Бит 2 - изменение огибающей RI.

• Бит 1 - изменение состояния DSR.

• Бит 0 - изменение состояния CTS.

Формат регистра AL при инициализации:

• Биты [7:5] - скорость обмена:

  • 000-110; 010-300; 100-1200; 110-4800,

  • 001-150; 011-600; 101-2400; 111-9600 бит/с.

• Биты [4:3] - контроль паритета:

  • 01 - число единиц нечетное,

  • 11 -четное,

  • 00 и 10 - без контроля.

• Бит 2 - количество стоп-бит:

  • 0-1 бит,

  • 1-2 бита (на скорости 110 бит/с - 1,5 стоп-бита).

• Биты [1:0] - длина посылки:

  • 00-5 бит,

  • 01-6 бит,

  • 10-7 бит,

  • 11-8 бит.

2.5.6. СОМ-порт и РпР

Современные ПУ, подключаемые к СОМ-порту, могут поддерживать спецификацию РпР. Основная задача ОС заключается в идентификации подключенного устройства, для чего разработан несложный протокол, реализуемый на любых СОМ-портах чисто программным способом (рис. 2.18):

Рис. 2.18. Запрос идентификатора устройства РпР

1. Порт инициализируется с состоянием линий DTR=OA/, RTS=OFF, TXD=Mark - состояние покоя (Idle).

2. Некоторое время (0,2 с) ожидается появление сигнала DSR, которое указало бы на наличие устройства, подключенного к порту. В простейшем случае устройство имеет на разъеме перемычку DTR-DSR, обеспечивающую указанный ответ. Если устройство обнаружено, выполняются манипуляции управляющими сигналами DTR и RTS для получения информации от устройства. Если ответ не получен, ОС, поддерживающая динамическое реконфигурирование, периодически опрашивает состояние порта для обнаружения новых устройств.

3. Порт программируется на режим 1200 бит/с, 7 бит данных, без паритета, 1 стоп-бит, и на 0,2 с снимается сигнал DTR. После этого устанавливается DTR=1, а еще через 0,2 с устанавливается и RTS=1.

4. В течение 0,2 с ожидается приход первого символа от устройства. По приходе символа начинается прием идентификатора (см. ниже). Если за это время символ не пришел (рис. 2.18), выполняется вторая попытка опроса (см. п. 5), несколько отличающаяся от первой.

5. На 0,2 с снимаются оба сигнала (DTR=0 и RTS=0), после чего они оба устанавливаются (DTR=1 и RTS=1).

6. В течение 0,2 с ожидается приход первого символа от устройства, по приходе символа начинается прием идентификатора (см. ниже). Если за это время символ не пришел, то в зависимости от состояния сигнала DSR переходят к проверке отключения Verify Disconnect (при DSR^O) или в дежурное состояние Connect Idle (при DSR=1).

7. В дежурном состоянии Connect Idle устанавливается DTR=1, RTS=0, порт программируется на режим 300 бит/с, 7 бит данных, без паритета, 1 стоп-бит. Если в этом состоянии обнаружится DSR=0, ОС следует уведомить об отключении устройства.

Посимвольный прием идентификатора устройства имеет ограничения по тайм-ауту в 0,2 с на символ, а также общее ограничение в 2,2 с, позволяющее принять строку длиной до 256 символов. Строка идентификатора РпР должна иметь маркеры начала (28h или 08h) и конца (29h или 09h), между которыми располагается тело идентификатора в стандартизованном формате. Перед маркером начала может находиться до 16 символов, не относящихся к идентификатору РпР. Если за первые 0,2 с ожидания символа (шаг 4 или 6) маркер начала не пришел, или же сработал тайм-аут, а маркер конца не получен, или же какой-либо символ принят с ошибкой, происходит переход в состояние Connect Idle. Если получена корректная строка идентификатора, она передается ОС.

Для проверки отключения (Verify Disconnect) устанавливается DTR=1, RTS=0 и через 5 с проверяется состояние сигнала DSR. При DSR=1 происходит переход в состояние Connect Idle (см. п. 7), при DSR^O происходит переход в состояние Disconnect Idle, в котором система может периодически опрашивать сигнал DSR для обнаружения подключения устройства.

Описанный механизм разрабатывался фирмой Microsoft с учетом совместимости с не-РпР-устройствами - невозможность их вывода из строя и устойчивость системы к сообщениям, не являющимся РпР- идентификаторами. Например, обычная Microsoft Mouse при включении питания от интерфейса ответит ASCII-символом "М" (трехкнопочная - строкой "МЗ").

1. Параллельные интерфейсы

Параллельные интерфейсы характеризуются тем, что в них для передачи бит в слове используются отдельные сигнальные линии, и биты передаются одновременно. Параллельные интерфейсы используют логические уровни ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики), что ограничивает длину кабеля из-за невысокой помехозащищенности ТТЛ-интерфейса. Гальваническая развязка отсутствует. Параллельные интерфейсы используют для подключения принтеров. Передача данных может быть как однонаправленной (Centronics), так и двунаправленной (Bitronics). Иногда параллельный интерфейс используют для связи между двумя компьютерами - получается сеть, "сделанная на коленке" (LapLink). Ниже будут рассмотрены протоколы интерфейсов Centronics, стандарт IEEE 1284, а также реализующие их порты PC.

1.1. Интерфейс Centronics и LPT-порт

Для подключения принтера по интерфейсу Centronics в PC был введен порт параллельного интерфейса - так возникло название LPT-порт (Line PrinTer - построчный принтер). Хотя сейчас через этот порт подключаются не только построчные принтеры, название "LPT" осталось.

1.1.1. Интерфейс Centronics

Понятие Centronics относится как к набору сигналов и протоколу взаимодействия, так и к 36-контактному разъему на принтерах. Назначение сигналов приведено в табл. 1.1, а временные диаграммы обмена с принтером - на рис. 1.1.

Интерфейс Centronics поддерживается принтерами с параллельным интерфейсом. Его отечественным аналогом является интерфейс ИРПР-М.

Традиционный, он же стандартный, LPT-порт SPP (Standard Parallel Port) является однонаправленным портом, через который программно реализуется протокол обмена Centronics. Порт вырабатывает аппаратное прерывание по импульсу на входе Ack#. Сигналы порта выводятся на разъем DB-25S (розетка), установленный непосредственно на плате адаптера (или системной плате) или соединяемый с ней плоским шлейфом. Название и назначение сигналов разъема порта (табл. 1.2) соответствуют интерфейсу Centronics.

Рис. 1.1. Передача данных по протоколу Centronics

* I/O задает направление передачи (вход/выход) сигнала порта. O/I обозначает выходные линии, состояние которых считывается при чтении из портов вывода; (I) - выходные линии, состояние которых может быть считано только при особых условиях (см. ниже).
** Символом "\" отмечены инвертированные сигналы (1 в регистре соответствует низкому уровню линии).
*** Вход Ack# соединен резистором (10 кОм) с питанием +5 В.

1.1.2. Традиционный LPT-порт

Адаптер параллельного интерфейса представляет собой набор регистров, расположенных в пространстве ввода/вывода. Регистры порта адресуются относительно базового адреса порта, стандартными значениями которого являются 3BCh, 378h и 278h. Порт может использовать линию запроса аппаратного прерывания, обычно IRQ7 или IRQ5. Порт имеет внешнюю 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов,

BIOS поддерживает до четырех (иногда до трех) LPT-портов (LPT1-LPT4) своим сервисом - прерыванием INT 17h, обеспечивающим через них связь с принтером по интерфейсу Centronics. Этим сервисом BIOS осуществляет вывод символа (по опросу готовности, не используя аппаратных прерываний), инициализацию интерфейса и принтера, а также опрос состояния принтера.

Стандартный порт имеет три 8-битных регистра, расположенных по соседним адресам в пространстве ввода/вывода, начиная с базового адреса порта BASE (3BCh, 378h или 278h).

Data Register (DR) - регистр данных, адрес=ВASЕ. Данные, записанные в этот порт, выводятся на выходные линии интерфейса DATA[0:7]. Данные, считанные из этого регистра, в зависимости от схемотехники адаптера соответствуют либо ранее записанным данным, либо сигналам на тех же линиях, что не всегда одно и то же. Если в порт записать байт с единицами во всех разрядах, а на выходные линии интерфейса через микросхемы с выходом типа "открытый коллектор" подать какой-либо код (или соединить ключами какие-то провода со схемной землей), то этот код может быть считан из того же регистра данных. Таким образом на многих старых моделях адаптеров можно реализовать порт ввода дискретных сигналов, однако выходным цепям передатчика информации придется "бороться" с выходным током логической единицы выходных буферов адаптера. Схемотехника ТТЛ такие решения не запрещает, но если внешнее устройство выполнено на микросхемах КМОП, их выходного тока может не хватить для формирования логического 0. Однако современные адаптеры часто имеют в выходной цепи согласующий резистор с сопротивлением до 50 Ом. Выходной ток короткого замыкания выхода на землю обычно не превышает 30 мА. Простой расчет показывает, что в случае короткого замыкания контакта разъема на землю при выводе "единицы" на этом резисторе падает напряжение 1,5 В, что входной схемой приемника будет воспринято как "единица". Так что такой способ ввода не будет работать на всех компьютерах.

На некоторых адаптерах портов выходной буфер отключается перемычкой на плате. Тогда порт превращается в обыкновенный порт ввода.

Status Register (SR) - регистр состояния; представляет собой 5-битный порт ввода сигналов состояния принтера (биты SR.4-SR.7), адрес==BASE+1. Бит SR. 7 инвертируется - низкому уровню сигнала соответствует единичное значение бита в регистре, и наоборот.

Назначение бит регистра состояния (в скобках даны номера контактов разъема):

• SR.7 - Busy - инверсные отображения состояния линии Busy (11): при низком уровне на линии устанавливается единичное значения бита - разрешение на вывод очередного байта.

• SR.6 - Ack (Acknowledge) - отображения состояния линии Ack# (10).

• SR.5 - РЕ (Paper End) - отображения состояния линии Paper End (12). Единичное значение соответствует высокому уровню линии - сигналу о конце бумаги в принтере.

• SR.4 - Select - отображения состояния линии Select (13). Единичное значение соответствует высокому уровню линии - сигналу о включении принтера.

• SR.3 - Error - отображения состояния линии Error (15). Нулевое значение соответствует низкому уровню линии - сигналу о любой ошибке принтера.

• SR.2 - PIRQ - флаг прерывания по сигналу Ack# (только для порта PS/2). Бит обнуляется, если сигнал Ack# вызвал аппаратное прерывание. Единичное значение устанавливается по аппаратному сбросу и после чтения регистра состояния.

• SR[1:0] - зарезервированы.

Control Register (CR) - регистр управления, адрес=BASE+2. Как и регистр данных, этот 4-битный порт вывода допускает запись и чтение (биты 0-3), но его выходной буфер обычно имеет тип "открытый коллектор". Это позволяет корректно использовать линии данного регистра как входные при программировании их в высокий уровень. Биты 0, 1, 3 инвертируются.

Назначение бит регистра управления:

• CR[7:6] - зарезервированы.

• CR.5 - Direction - бит управления направлением передачи (только для портов PS/2). Запись единицы переводит порт данных в режим ввода. При чтении состояние бита не определено.

• CR.4 - AcklntEn (Ack Interrupt Enable) - единичное значение разрешает прерывание по спаду сигнала на линии Ack# - сигнал запроса следующего байта.

• CR.3 - Select ln - единичное значение бита соответствует низкому уровню на выходе Select ln# (17) - сигналу, разрешающему работу принтера по интерфейсу Centronics.

• CR.2 - Init - нулевое значение бита соответствует низкому уровню на выходе Init# (16) - сигналу аппаратного сброса принтера.

• CR.1 - Auto LF - единичное значение бита соответствует низкому уровню на выходе Auto LF# (14) - сигналу на автоматический перевод строки (LF - Line Feed) по приему байта возврата каретки (CR). Иногда сигнал и бит называют AutoFD или AutoFDXT.

• CR.0 - Strobe - единичное значение бита соответствует низкому уровню на выходе Strobe# (1) - сигналу стробирования выходных данных.

Запрос аппаратного прерывания (обычно IRQ7 или IRQ5) вырабатывается по отрицательному перепаду сигнала на выводе 10 разъема интерфейса (Ack#) при установке CR.4=1. Во избежание ложных прерываний контакт 10 соединен резистором с шиной +5 В. Прерывание вырабатывается, когда принтер подтверждает прием предыдущего байта. Как уже было сказано, BIOS это прерывание не использует и не обслуживает.

Процедура вывода байта по интерфейсу Centronics включает следующие шаги (в скобках приведено требуемое количество шинных операций процессора):

1. Вывод байта в регистр данных (1 цикл IOWR#).

2. Ввод из регистра состояния и проверка готовности устройства (бит SR.7 - сигнал Busy). Этот шаг зацикливается до получения готовности или до срабатывания программного тайм-аута (минимум 1 цикл IORD#).

3. По получении готовности выводом в регистр управления устанавливается строб данных, а следующим выводом строб снимается (2 цикла IOWR#). Обычно, чтобы переключить только один бит (строб), регистр управления предварительно считывается, что добавляет еще один цикл IORD#.

Видно, что для вывода одного байта требуется 4-5 операций ввода/вывода с регистрами порта (в лучшем случае, когда готовность обнаружена по первому чтению регистра состояния). Отсюда вытекает главный недостаток вывода через стандартный порт - невысокая скорость обмена при значительной загрузке процессора. Порт удается разогнать до скоростей 100-150 Кбайт/с при полной загрузке процессора, что недостаточно для печати на лазерном принтере. Другой недостаток - функциональный - сложность использования в качестве порта ввода.

Стандартный порт асимметричен - при наличии 12 линий (и бит), нормально работающих на вывод, на ввод работают только 5 линий состояния. Если необходима симметричная двунаправленная связь, на всех стандартных портах работоспособен режим полубайтного обмена - Nibble Mode. В этом режиме, называемом также Hewlett Packard Bitronics, одновременно передаются 4 бита данных, пятая линия используется для квитирования. Таким образом, каждый байт передается за два цикла, а каждый цикл требует по крайней мере 5 операций ввода/вывода.

1.1.3. Расширения параллельного порта

Недостатки стандартного порта частично устраняли новые типы портов, появившиеся в компьютерах PS/2.

Двунаправленный порт 1 (Type 1 parallel port) -интерфейс, введенный в PS/2. Такой порт кроме стандартного режима может работать в режиме ввода или двунаправленном режиме. Протокол обмена формируется программно, а для указания направления передачи в регистр управления порта введен специальный бит CR.5:0 - буфер данных работает на вывод, 1 - на ввод. Не путайте этот порт, называемый также enhanced bidirectional, с ЕРР. Данный тип порта прижился и в обычных компьютерах.

Порт с прямым доступом к памяти (Type 3 DMA parallelport) применялся в PS/2 моделей 57, 90, 95. Был введен для повышения пропускной способности и разгрузки процессора при выводе на принтер. Программе, работающей с портом, требовалось только задать в памяти блок данных, подлежащих выводу, а затем вывод по протоколу Centronics производился без участия процессора.

Позже появились другие адаптеры LPT-портов, реализующие протокол обмена Centronics аппаратно - Fast Centronics. Некоторые из них использовали FIFO-буфер данных - Parallel Port FIFO Mode. He будучи стандартизованными, такие порты разных производителей требовали использования собственных специальных драйверов. Программы, использующие прямое управление регистрами стандартных портов, не умели более эффективно их использовать. Такие порты часто входили в состав мультикарт VLB. Существуют их варианты с шиной ISA, в том числе встроенные.

1.2. Стандарт IEEE 1284

Стандарт на параллельный интерфейс IEEE 1284, принятый в 1994 году, определяет порты SPP, ЕРР и ЕСР. Стандарт определяет 5 режимов обмена данными, метод согласования режима, физический и электрический интерфейсы. Согласно IEEE 1284, возможны следующие режимы обмена данными через параллельный порт:

• Режим совместимости (Compatibility Mode) - однонаправленный (вывод) по протоколу Centronics. Этот режим соответствует стандартному порту SPP.

• Полубайтный режим (Nibble Mode) - ввод байта в два цикла (по 4 бита), используя для приема линии состояния. Этот режим обмена может использоваться на любых адаптерах.

• Байтный режим (Byte Mode) - ввод байта целиком, используя для приема линии данных. Этот режим работает только на портах, допускающих чтение выходных данных (Bi-Directional или PS/2 Type 1).

• Режим ЕРР (Enhanced Parallel Port) (EPP Mode) - двунаправленный обмен данными. Управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно во время цикла обращения к порту. Эффективен при работе с устройствами внешней памяти и адаптерами локальных сетей.

• Режим ЕСР (Extended Capability Port) (ECP Mode) - двунаправленный обмен данными с возможностью аппаратного сжатия данных по методу RLE (Run Length Encoding) и использования FIFO-буферов и DMA. Управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно. Эффективен для принтеров и сканеров.

В компьютерах с LPT-портом на системной плате режим - SPP, ЕРР, ЕСР или их комбинация - задается в BIOS Setup. Режим совместимости полностью соответствует стандартному порту SPP. Остальные режимы подробно рассмотрены ниже.

1.2.1. Физический и электрический интерфейсы

Стандарт IEEE 1284 определяет физические характеристики приемников и передатчиков сигналов. Спецификации стандартного порта не задавали типов выходных схем, предельных значений величин нагрузочных резисторов и емкости, вносимой цепями и проводниками. На относительно невысоких скоростях обмена разброс этих параметров не вызывал проблем совместимости. Однако расширенные (функционально и по скорости передачи) режимы

требуют четких спецификаций. IEEE 1284 определяет два уровня интерфейсной совместимости. Первый уровень (Level I) определен для устройств медленных, но использующих смену направления передачи данных. Второй уровень (Level II) определен для устройств, работающих в расширенных режимах, с высокими скоростями и длинными кабелями. К передатчикам предъявляются следующие требования:

• Уровни сигналов без нагрузки не должны выходить за пределы -0,5... +5,5 В.

• Уровни сигналов при токе нагрузки 14 мА должны быть не ниже +2,4 В для высокого уровня (Vон) и не выше +0,4 В для низкого уровня (Vol) на постоянном токе.

• Выходной импеданс Ro, измеренный на разъеме, должен составлять 50±5 Ом на уровне Voh~Vol. Для обеспечения заданного импеданса используют последовательные резисторы в выходных цепях передатчика. Согласование импеданса передатчика и кабеля снижает уровень импульсных помех.

• Скорость нарастания (спада) импульса должна находиться в пределах 0,05-0,4 В/нс.

Требования к приемникам:

• Допустимые пиковые значения сигналов -2,0...+7,0 В.

• Пороги срабатывания должны быть не выше 2,0 В (Vh) для высокого уровня и не ниже 0,8 В (Vl) для низкого.

• Приемник должен иметь гистерезис в пределах 0,2...1,2 В (гистерезисом обладают специальные микросхемы - триггеры Шмитта).

• Входной ток микросхемы (втекающий и вытекающий) не должен превышать 20 мкА, входные линии соединяются с шиной питания +5 В резистором 1,2 кОм.

• Входная емкость не должна превышать 50 пФ.

Когда появилась спецификация ЕСР, фирма Microsoft рекомендовала применение динамических терминаторов на каждую линию интерфейса. Однако в настоящее время следуют спецификации IEEE 1284, в которой динамические терминаторы не применяются. Рекомендованные схемы входных, выходных и двунаправленных цепей приведены на рис. 1.2.

Стандарт IEEE 1284 определяет три типа используемых разъемов. Типы A (DB-25) и В (Centronics-36) используются в традиционных кабелях подключения принтера, тип С - новый малогабаритный 36-контактный разъем.

Рис. 1.2. Оконечные цепи линий интерфейса IEEE 1284:

а - однонаправленных, б - двунаправленных

Традиционные интерфейсные кабели имеют от 18 до 25 проводов, в зависимости от числа проводников цепи GND. Эти проводники могут быть как перевитыми, так и нет. К экранированию кабеля жестких требований не предъявлялось. Такие кабели вряд ли будут надежно работать на скорости передачи 2 Мбайт/с и при длине более 2 м. Стандарт IEEE 1284 регламентирует свойства кабелей. Все сигнальные линии должны быть перевитыми с отдельными обратными (общими) проводами.

• Каждая пара должна иметь импеданс 62±б Ом в частотном диапазоне 4-16 МГц.

• Уровень перекрестных помех между парами не должен превышать 10%.

• Кабель должен иметь экран (фольгу), покрывающий не менее 85% внешней поверхности. На концах кабеля экран должен быть окольцован и соединен с контактом разъема.

Кабели, удовлетворяющие этим требованиям, маркируются надписью "lEEEStd 1284-1994 Compliant". Они могут иметь длину до 10 метров, обозначения типов приведены в табл. 1.3.

1.2.2. Режимы передачи данных

IEEE 1284 определяет пять режимов обмена, один из которых полностью соответствует стандартному выводу по протоколу Centronics. Стандарт определяет способ, по которому ПО может определить режим, доступный и хосту (PC), и ПУ (или присоединенному второму компьютеру). Режимы нестандартных портов, реализующих протокол обмена Centronics аппаратно (Fast Centronics, Parallel Port FIFO Mode), могут и не являться режимами IEEE 1284, несмотря на наличие в них черт ЕРР и ЕСР.

При описании режимов обмена фигурируют следующие понятия:

• Хост - компьютер, обладающий параллельным портом.

• ПУ - периферийное устройство, подключаемое к этому порту.

• Ptr - в обозначениях сигналов обозначает передающее ПУ.

• Прямой канал - канал вывода данных от хоста в ПУ.

• Обратный канал - канал ввода данных в хост из ПУ.

Полубайтный режим ввода - Nibble Mode

Предназначен для двунаправленного обмена. Может работать на всех стандартных портах. Порты имеют 5 линий ввода состояния, используя которые ПУ может посылать в хост байт тетрадами (nibble - полубайт, 4 бита) за два приема. Сигнал Ack#, вызывающий прерывание, которое может использоваться в данном режиме, соответствует биту 6 регистра состояния, что усложняет программные манипуляции с битами при сборке байта. Сигналы порта приведены в табл. 1.4, временные диаграммы - на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Прием данных в полубайтном режиме

Прием байта данных в полубайтном режиме состоит из следующих фаз:

1. Хост сигнализирует о готовности приема данных установкой низкого уровня на линии HostBusy.

2. ПУ в ответ помещает тетраду на входные линии состояния.

3. ПУ сигнализирует о готовности тетрады установкой низкого уровня на линии PtrClk.

4. Хост устанавливает высокий уровень на линии HostBusy, указывая на занятость приемом и обработкой тетрады.

5. ПУ отвечает установкой высокого уровня на линии PtrClk.

6. Шаги 1-5 повторяются для второй тетрады, после чего ПУ может сигнализировать о наличии данных для хоста (Selekt) и занятости прямого канала (Busy); вызывать прерывание (ACK).

Полубайтный режим сильно нагружает процессор, так как сигналы CR и SR формируются программно, и поэтому поднять скорость обмена выше 50 Кбайт/с не удается. Безусловное его преимущество в том, что он работает на всех портах. Его применяют в тех случаях, когда поток данных невелик (например, для связи с принтерами). Однако при связи с адаптерами локальных сетей, внешними дисковыми накопителями и CD-ROM прием больших объемов данных требует изрядного терпения со стороны пользователя.

Двунаправленный байтный режим - Byte Mode

В данном режиме данные принимаются с использованием двунаправленного порта, у которого выходной буфер данных может отключаться установкой бита С/?.5=1. Как и предыдущие, режим является программно-управляемым - все сигналы квитирования анализируются и устанавливаются драйвером. Сигналы порта описаны в табл. 1.5, временные диаграммы - на рис. 1.4.

* Сигналы действуют в последовательности согласования (см. далее).

Рис. 1.4. Прием данных в байтном режиме

Фазы приема байта данных:

1. Хост сигнализирует о готовности приема данных установкой низкого уровня на линии HostBusy.

2. ПУ в ответ помещает байт данных на линии Data [0:7].

3. ПУ сигнализирует о действительности байта установкой низкого уровня на линии PtrClk.

4. Хост устанавливает высокий уровень на линии HostBusy, указывая на занятость приемом и обработкой байта.

5. ПУ отвечает установкой высокого уровня на линии PtrClk.

6. Хост подтверждает прием байта импульсом HostClk.

7. Шаги 1-6 повторяются для каждого следующего байта.

Побайтный режим позволяет поднять скорость обратного канала до скорости прямого канала в стандартном режиме. Однако он может работать только на двунаправленных портах.

Режим ЕРР

Протокол ЕРР (Enhanced Parallel Port - улучшенный параллельный порт) был разработан компаниями Intel, Xircom и Zenith Data Systems задолго до принятия IEEE 1284. Он предназначен для повышения производительности обмена по параллельному порту. ЕРР был реализован в чипсете Intel 386SL (микросхема 82360) и впоследствии принят множеством компаний как дополнительный протокол параллельного порта. Версии протокола, реализованные до принятия IEEE 1284, отличаются от нынешнего стандарта (см. далее).

Протокол ЕРР обеспечивает четыре типа циклов обмена:

• запись данных;

• чтение данных;

• запись адреса;

• чтение адреса.

Назначение циклов записи и чтения данных очевидно. Адресные циклы используются для передачи адресной, канальной и управляющей информации. Циклы обмена данными отличаются от адресных циклов применяемыми стробирующими сигналами. Назначение сигналов порта ЕРР и их связь с сигналами SPP объясняются в табл. 1.6.

* Сигналы действуют в последовательности согласования (см. далее).

ЕРР-порт имеет расширенный набор регистров (табл. 1.7), который занимает в пространстве ввода/вывода 5-8 смежных байт.

В отличие от программно-управляемых режимов, описанных ранее, внешние сигналы EPP-порта для каждого цикла обмена формируются аппаратно по одной операции записи или чтения в регистр порта. На рис. 1.5 приведена диаграмма цикла записи данных, иллюстрирующая внешний цикл обмена, вложенный в цикл записи системной шины процессора (иногда эти циклы называют связанными). Адресный цикл записи отличается от цикла данных только стробом внешнего интерфейса.

Цикл записи данных состоит из следующих фаз:

1. Программа выполняет цикл вывода (IOWR#) в порт 4 (EPP Data Port).

2. Адаптер устанавливает сигнал Write* (низкий уровень), и данные помещаются на выходную шину LPT-порта.

3. При низком уровне Wait# устанавливается строб данных.

4. Порт ждет подтверждения от ПУ (перевода Wait# в высокий уровень).

5. Снимается строб данных - внешний ЕРР-цикл завершается.

6. Завершается процессорный цикл вывода.

7. ПУ устанавливает низкий уровень Wait#, указывая на возможность начала следующего цикла.

Рис. 1.5. Цикл записи данных ЕРР

Пример адресного цикла чтения приведен на рис. 1.6. Цикл чтения данных отличается только применением другого стробирующего сигнала.

Рис. 1.6. Адресный цикл чтения ЕРР

Главной отличительной чертой ЕРР является выполнение внешней передачи во время одного процессорного цикла ввода/вывода. Это позволяет достигать высоких скоростей обмена (0,5...2 Мбайт/с). ПУ, подключенное к параллельному порту ЕРР, может работать со скоростью устройства, подключаемого через слот ISA. Протокол блокированного квитирования (interlocked handshakes) позволяет автоматически настраиваться на скорость обмена, доступную и хосту, и ПУ. ПУ может регулировать длительность всех фаз обмена с помощью всего лишь одного сигнала Wait#. Протокол автоматически подстраивается под длину кабеля - вносимые задержки приведут только к удлинению цикла. Поскольку кабели, соответствующие IEEE 1284 (см. выше), имеют одинаковые волновые свойства для разных линий, нарушения передачи, связанного с "состязаниями" сигналов, происходить не должно. При подключении сетевых адаптеров или внешних дисков к ЈPP - nopтy можно наблюдать непривычное явление: снижение производительности по мере удлинения интерфейсного кабеля.

Естественно, ПУ не должно "подвешивать" процессор на шинном цикле обмена. Это гарантирует механизм тайм-аутов PC, который принудительно завершает любой цикл обмена, длящийся более 15 мкс. В ряде реализации ЕРР за тайм-аутом интерфейса следит сам адаптер - если ПУ не отвечает в течение определенного времени (5 мкс), цикл прекращается и в дополнительном (не стандартизованном) регистре состояния адаптера фиксируется ошибка.

Устройства с интерфейсом ЕРР, разработанные до принятия IEEE 1284, отличаются началом цикла: строб DataStb# или AddrStb# устанавливается независимо от состояния WAIT#. Это означает, что ПУ не может задержать начало следующего цикла (хотя может растянуть его на требуемое время). Такая спецификация называется ЕРР 1.7 (предложена Xircom). Именно она применялась в контроллере 82360. Периферия, совместимая с ЕРР 17, будет нормально работать и с контроллером ЕРР 1284, но периферия в стандарте ЕРР 1284 может отказаться работать с контроллером ЕРР 1.7.

С программной точки зрения контроллер EРР-порта выглядит просто (см. табл. 1.7). К трем регистрам стандартного порта, имеющим смещение 0, 1 и 2 относительно базового адреса порта, добавлены два регистра (ЕРР Address Port и ЕРР Data Port), чтение и запись в которые вызывает генерацию связанных внешних циклов.

Назначение регистров стандартного порта сохранено для совместимости fPP-порта с ПУ и ПО, рассчитанными на применение программно-управляемого обмена. Поскольку сигналы квитирования адаптером вырабатываются аппаратно, при записи в регистр управления СП биты 0, 1 и 3, соответствующие сигналам Strobeft, AutoFeed# и Selecting должны иметь нулевые значения. Программное вмешательство могло бы нарушить последовательность квитирования. Некоторые адаптеры имеют специальные средства защиты (ЕРР Protect), при включении которых программная модификация этих бит блокируется.

Использование регистра данных ЕРР позволяет осуществлять передачу блока данных с помощью одной инструкции REP INSB или REP OUTSB. Некоторые адаптеры допускают 16-/ 32-битное обращение к регистру данных ЕРР. При этом адаптер просто дешифрует адрес со смещением в диапазоне 4-7 как адрес регистра данных ЕРР, но процессору сообщает о разрядности 8 бит. Тогда 16- или 32-битное обращение по адресу регистра данных ЕРР приведет к автоматической генерации двух или четырех шинных циклов по нарастающим адресам, начиная со смещения 4. Эти циклы будут выполняться быстрее, чем то же количество одиночных циклов. Таким образом обеспечивается производительность до 2 Мбайт/с, достаточная для адаптеров локальных сетей, внешних дисков, стриммеров и CD-ROM. Адресные циклы ЕРР всегда выполняются только в однобайтном режиме.

Важной чертой ЕРР является то, что обращение процессора к ПУ осуществляется в реальном времени - нет буферизации. Драйвер способен отслеживать состояние и подавать команды в точно известные моменты времени. Циклы чтения и записи могут чередоваться в произвольном порядке или идти блоками. Такой тип обмена удобен для регистроориентированных ПУ или ПУ, работающих в реальном времени, - сетевых адаптеров, устройств сбора информации и управления и т. п.

Режим ЕСР

Протокол ЕСР (Extended Capability Port - порт с расширенными возможностями) был предложен Hewlett Packard и Microsoft для связи с ПУ типа принтеров или сканеров. Как и ЕРР, данный протокол обеспечивает высокопроизводительный двунаправленный обмен данными хоста с ПУ.

Протокол ЕСР в обоих направлениях обеспечивает два типа циклов:

• циклы записи и чтения данных;

• командные циклы записи и чтения.

Командные циклы подразделяются на два типа: передачу канальных адресов и передачу счетчика RLC (Run-Length Count).

В отличие от ЕРР, вместе с протоколом ЕСР сразу появился стандарт на программную (регистровую) модель его адаптера, изложенный в документе "The IEEE 1284 Extended Capabilities Port Protocol and ISA Interface Standard" компании Microsoft. Этот документ определяет свойства протокола, не заданные стандартом IEEE 1284:

• компрессию данных хост-адаптером по методу RLE;

• буферизацию FIFO для прямого и обратного каналов;

• применение DMA и программного ввода/вывода.

Компрессия в реальном времени по методу RLE (Run-Length Encoding) позволяет достичь коэффициента сжатия 64:1 при передаче растровых изображений, которые имеют длинные строки повторяющихся байт. Компрессию можно использовать, только если ее поддерживает и хост, и ПУ.

Канальная адресация ЕСР применяется для адресации множества логических устройств, входящих в одно физическое. Например, в комбинированном устройстве факс/принтер/модем, подключаемом только к одному параллельному порту, возможен одновременный прием факса и печать на принтере. В режиме SPP, если принтер установит сигнал занятости, канал будет занят данными, пока принтер их не примет. В режиме ЕСР программный драйвер просто адресуется к другому логическому каналу того же порта.

Протокол ЕСР переопределяет сигналы SPP (табл. 1.8).

* Сигналы действуют в последовательности согласования (см. далее).

Адаптер ЕСР тоже генерирует внешние протокольные сигналы квитирования аппаратно, но его работа существенно отличается от режима ЕРР.

На рис. 1.7а приведена диаграмма двух циклов прямой передачи: за циклом данных следует командный цикл. Тип цлкла задается уровнем на линии HostAck: в цикле данных - высокий, в командном цикле - низкий. В командном цикле байт может содержать канальный адрес или счетчик RLE. Отличительным признаком является бит 7 (старший): если он нулевой, то биты 0-6 содержат счетчик RLE (0-127), если единичный - то канальный адрес. На рис. 1.76 показана пара циклов обратной передачи.

Рис. 1.7. Передача в режиме ЕСР: a - прямая, б - обратная

В отличие от диаграмм обмена ЕРР, на рис. 1.7 не приведены сигналы циклов системной шины процессора. В данном режиме обмен программы с ПУ разбивается на два относительно независимых процесса, которые связаны через FIFO буфер. Обмен драйвера с FIFO-буфером может осуществляться с использованием как DMA, так и программного ввода-вывода. Обмен ПУ с буфером аппаратно выполняет адаптер ЕСР. Драйвер в режиме ЕСР не имеет информации о точном состоянии процесса обмена, но здесь обычно важно только то, завершен он или нет.

Прямая передача данных на внешнем интерфейсе состоит из следующих шагов:

1. Хост помещает данные на шину канала и устанавливает признак цикла данных (высокий уровень) или команды (низкий уровень) на линии HostAck.

2. Хост устанавливает низкий уровень на линии HostClk, указывая на действительность данных.

3. ПУ отвечает установкой высокого уровня на линии PeriphAck.

4. Хост устанавливает высокий уровень линии HostClk, и этот перепад может использоваться для фиксации данных в ПУ.

5. ПУ устанавливает низкий уровень на линии PeriphAck для указания на готовность к приему следующего байта.

Поскольку передача в ЕСР происходит через FIFO-буферы, которые могут присутствовать на обеих сторонах интерфейса, важно понимать, на каком этапе данные можно считать переданными. Данные считаются переданными на шаге 4, когда линия HostClk переходит в высокий уровень. В этот момент модифицируются счетчики переданных и принятых байт. В протоколе ЕСР есть условия, вызывающие прекращение обмена между шагами 3 и 4. Тогда эти данные не должны рассматриваться как переданные.

Из рис. 1.7 видно и другое отличие ЕСР от ЕРР. Протокол ЕРР позволяет драйверу чередовать циклы прямой и обратной передачи, не запрашивая подтверждения на смену направления. В ЕСР смена направления должна быть согласована: хост запрашивает реверс установкой ReverseRequest#, после чего он должен дождаться подтверждения сигналом AckReverse#. Поскольку предыдущий цикл мог выполняться по прямому доступу, драйвер должен дождаться завершения прямого доступа или прервать его, выгрузить буфер FIFO, определив точное значение счетчика переданных байт, и только после этого запрашивать реверс.

Обратная передача данных состоит из следующих шагов:

1. Хост запрашивает изменение направления канала, устанавливая низкий уровень на линии ReverseRequest#.

2. ПУ разрешает смену направления установкой низкого уровня на линии AckReverse#.

3. ПУ помещает данные на шину канала и устанавливает признак цикла данных (высокий уровень) или команды (низкий уровень) на линии PeriphAck.

4. ПУ устанавливает низкий уровень на линии PeriphClk, указывая на действительность данных.

5. Хост отвечает установкой высокого уровня на линии HostAck.

6. ПУ устанавливает высокий уровень линии PeriphClk; этот перепад может использоваться для фиксации данных хостом.

7. Хост устанавливает низкий уровень на линии HostAck для указания на готовность к приему следующего байта.

Режимы и регистры ЕСР - порта *

* Этот режим не входит в спецификацию Microsoft, но трактуется как EPP контроллером SMC FDC37C665/666 и многими другими.

Программный интерфейс и регистры ЕСР для адаптеров IEEE 1284 определяет спецификация Microsoft. Определены режимы (табл. 1.9), в которых может функционировать адаптер. Они задаются полем Mode регистра ECR (биты [7:5]).

Регистровая модель адаптера ЕСР (табл. 1.10) использует свойства архитектуры стандартной шины и адаптеров ISA - для дешифрации адресов портов ввода/вывода задействуются только 10 младших линий шины адреса. Поэтому, например, обращения по адресам Port, Port+400h, Port+800h... будут восприниматься как обращения к адресу Port, лежащему в диапазоне 0-3FFh. Современные PC и адаптеры декодируют большее количество адресных бит, поэтому обращения по адресам 0378h и 0778h будет адресованы двум различным регистрам. Помещение дополнительных регистров ЕСР "за спину" регистров стандартного порта (смещение 400-402h) преследует две цели. Во-первых, эти адреса никогда не использовались традиционными адаптерами и их драйверами, и их применение в ЕСР не приведет к сужению доступного адресного пространства ввода/вывода. Во-вторых, этим обеспечивается совместимость со старыми адаптерами на уровне режимов 000-001 и возможность определения присутствия EСР - адаптера через попытку обращения к его расширенным регистрам.

Каждому режиму ECP соответствуют (и доступны) свои функциональные регистры. Переключение режимов осуществляется записью в регистр ECR. "Дежурными" режимами, включаемыми по умолчанию, являются 000 или 001. В любом из них работает полубайтный режим ввода. Из этих режимов всегда можно переключиться в любой другой, но из старших режимов (010-111) переключение возможно только в 000 или 001. Для корректной работы интерфейса перед выходом из старших режимов необходимо дождаться завершения обмена по прямому доступу и очистки FIFO-буфера.

В режиме 000 (SPP) порт работает как стандартный однонаправленный программно-управляемый SPP.

В режиме 001 (Bi-Di PS/2) порт работает как двунаправленный порт PS/2 типа 1. От режима 000 отличается возможностью реверса канала данных по биту CR.5.

Режим 010(Fast Centronics) предназначен только для высокопроизводительного вывода через FIFO-буфер с использованием DMA. Сигналы квитирования по протоколу Ceritromcs вырабатываются аппаратно. Сигнал запроса прерывания вырабатывается по состоянию FIFO-буфера, но не по сигналу Аск# (запрос одиночного байта "не интересует" драйвер быстрого блочного вывода).

Режим 011 является собственно режимом ЕСР, описанным ранее. Поток данных и команд, передаваемых в ПУ, помещается в FIFO-буфер через регистры ECPDFIFO и ECPAFIFO соответственно. Из FIFO они выводятся с соответствующим признаком цикла (состояние линии HostAck). Принимаемый поток данных от ПУ извлекается из FIFO-буфера через регистр ECPDFIFO. Получение адреса в командном цикле от ПУ не предусматривается. Обмен с регистром ECPDFIFO может производиться и по каналу DMA.

Компрессия по методу RLE при передаче выполняется программно. Для передачи подряд более двух одинаковых байт данных в регистр ECPAFIFO записывается байт, у которого младшие 7 бит содержат счетчик RLC (значение RLC=127 соответствует 128 повторам), а старший бит нулевой. После этого в ECPDFIFO записывается сам байт. Отсюда очевидно, что вывод данных с одновременным использованием компрессии и DMA невозможен. Принимая эту пару байт (командный байт и байт данных), ПУ осуществляет декомпрессию. При приеме потока от ПУ адаптер ЕСР декомпрессию осуществляет аппаратно и в FIFO-буфер помещает уже декомпрессированные данные.

Режим 100 (ЕРР) - один из способов включения режима ЕРР.

Режим 110 (Test Mode) предназначен для тестирования взаимодействия FIFO и прерываний. Данные могут передаваться в/из регистра TFIFO с помощью DMA или программным способом. На внешний интерфейс обмен не воздействует. Адаптер отрабатывает операции вхолостую на максимальной скорости интерфейса (как будто сигналы квитирования приходят без задержек). Адаптер следит за состоянием буфера и по мере необходимости вырабатывает сигналы запроса прерывания. Таким образом программа может определить максимальную пропускную способность канала.

Режим 111 (Configuration mode) предназначен для доступа к конфигурационным регистрам. Выделение режима защищает адаптер и протокол от некорректных изменений конфигурации в процессе обмена.

* Регистры доступны только в указанных режимах (режим задается битами 7-5 регистра ECR).

Регистр данных DR используется для передачи данных только в программно-управляемых режимах (000 и 001).

Регистр состояния SR передает значение сигналов на соответствующих линиях (как в SPP).

Регистр управления CR имеет назначение бит, совпадающее с SPP. В режимах 010, 011 запись в биты 0, 1 (сигналы AutoLF# и Strobe#) игнорируется.

Регистр ECPAFIFO служит для помещения информации командных циклов (канального адреса или счетчика RLE, в зависимости от бита 7) в FIFO-буфер. Из буфера информация будет выдана в командном цикле вывода.

Регистр SDFIFO используется для передачи данных в режиме 010. Данные, записанные в регистр (или посланные по каналу DMA), передаются через буфер FIFO по реализованному аппаратно протоколу Centronics. При этом должно быть задано прямое направление передачи (бит CR.5=0).

Регистр DFIFO используется для обмена данными в режиме 011 (ЕСР). Данные, записанные в регистр или считанные из него (или переданные по каналу DMA), передаются через буфер FIFO по протоколу ЕСР.

Регистр TFIFO обеспечивает механизм тестирования FIFO - буфера в режиме 110.

Регистр ECPCFGA позволяет считывать информацию об адаптере (идентификационный код в битах [7:4]).

Регистр ECPCFGB хранит информацию, необходимую драйверу. Запись в регистр не влияет на работу порта.

Регистр ECR - главный управляющий регистр ЕСР.

Назначение бит регистра ECR:

• ECR[7:5] -ЕСР MODE - задает режим ЕСР.

• ECR.4 - ERRINTREN^t (Error Interrupt Disable) - запрещает прерывания по сигналу Error# (при нулевом значении бита по отрицательному перепаду на этой линии вырабатывается запрос прерывания).

• ECR.3 - DMAEN (DMA Enable) - разрешает обмен по каналу DMA.

• ECR.2 - SERVICEINTR (Service Interrupt) - запрещает сервисные прерывания, которые вырабатываются по окончании цикла DMA (если он разрешен), по порогу заполнения/опустошения FIFO-буфера (если не используется DMA) и по ошибке переполнения буфера сверху или снизу.

• ECR.1 - FIFOFS (FIFO Full Status) - сигнализирует о заполнении буфера; при FIFOFS=1 в буфере нет ни одного свободного байта.

• ECR.0 - FIFOES (FIFO Empty Status) - указывает на полное опустошение буфера; комбинация FIFOFS=FIFOES=i означает ошибку работы с FIFO (переполнение сверху или снизу).

Когда порт находится в стандартном или двунаправленном режимах (000 или 001), первые три регистра полностью совпадают с регистрами стандартного порта. Так обеспечивается совместимость драйвера со старыми адаптерами и старых драйверов с новыми адаптерами.

По интерфейсу с программой ECP-порт напоминает ЕРР: после установки режима (записи кода в регистр ECR) обмен данными с устройством сводится к чтению или записи в соответствующие регистры. За состоянием FIFO-буфера наблюдают либо по регистру ECR, либо по обслуживанию сервисных прерываний от порта. Весь протокол квитирования генерируется адаптером аппаратно. Обмен данными с ЕСР - портом (кроме явного программного) возможен и по прямому доступу к памяти (каналу DMA), что эффективно при передаче больших блоков данных.

1.2.3. Согласование режимов IEEE 1284

ПУ в стандарте IEEE 1284 обычно не требуют от контроллера реализации всех режимов, предусмотренных стандартом. Для определения режимов и методов управления конкретным устройством стандарт предусматривает последовательность согласования (negotiation sequence). Последовательность построена так, что старые устройства, не рассчитанные на применение IEEE 1284, на нее не ответят, и контроллер останется в стандартном режиме. Периферия IEEE 1284 может сообщить о своих возможностях, и контроллер установит режим, удовлетворяющий и хост, и ПУ.

Во время фазы согласования контроллер выставляет на линии данных байт расширяемости (extensibility byte), запрашивая подтверждение на перевод интерфейса в требуемый режим или прием идентификатора ПУ (табл. 1.11). Идентификатор передается контроллеру в запрошенном режиме (любой режим обратного канала, кроме ЕРР). ПУ использует сигнал Xflag (Select в терминах SPP) для подтверждения запрошенного режима обратного канала, кроме полубайтного. Полубайтный режим поддерживается всеми устройствами IEEE 1284. Бит Extensibility Link request послужит для определения дополнительных режимов в будущих расширениях стандарта.

Последовательность согласования (рис. 1.8) состоит из следующих шагов:

1. Хост выводит байт расширяемости на линии данных.

2. Хост устанавливает высокий уровень сигнала Selecting и низкий - AutoFeed#, что означает начало последовательности согласования.

3. ПУ отвечает установкой низкого уровня сигнала Ack# и высокого - Errorft, PaperEnd и Select. Устройство, "не понимающее" стандарта 1284, ответа не даст, и дальнейшие шаги не выполнятся.

4. Хост устанавливает низкий уровень сигнала Strobe# для записи байта расширяемости в ПУ.

5. Хост устанавливает высокий уровень сигналов Strobeft и AutoLF#.

6. ПУ отвечает установкой в низкий уровень сигналов PaperEnd и Еггог^, если ПУ имеет обратный канал передачи данных. Если запрошенный режим поддерживается устройством, на линии Select устанавливается высокий уровень, если не поддерживается - низкий.

7. ПУ устанавливает высокий уровень на линии Ack# для указания на завершение последовательности согласования, после чего контроллер устанавливает требуемый режим работы.

Рис. 1.8. Последовательность согласования режимов IEEE 1284

1.2.4. Развитие стандарта IEEE 1284

Кроме основного стандарта IEEE 1284, который уже принят, в настоящее время в стадии проработки находятся новые стандарты, дополняющие его. К ним относятся:

• IEEE Р1284.1 "Standard for Information Technology for Transport Independent Printer/ Scanner Interface (TIP/SI)". Этот стандарт разрабатывается для управления и обслуживания сканеров и принтеров на основе протокола NPAP (Network Printing Alliance Protocol).

• IEEE P1284.2 "Standard for Test, Measurement and Conformance to IEEE Std. 1284" - стандарт для тестирования портов, кабелей и устройств на совместимость с IEEE 1284.

• IEEE P12843 "Standard for Interface and Protocol Extensions to IEEE Std. 1284 Compliant Peripheral and Host Adapter Ports" - стандарт на драйверы и использование устройств прикладным программным обеспечением (ПО). Уже приняты спецификации BIOS для использования ЕРР драйверами DOS. Прорабатывается стандарт на разделяемое использование одного порта цепочкой устройств или группой устройств, подключаемых через мультиплексор.

• IEEE P1284.4 "Standard for Data Delivery and Logical Channels for IEEE Std. 1284 Interfaces" направлен на реализацию пакетного протокола достоверной передачи данных через параллельный порт. Основой служит протокол MLC (Multiple Logical Channels) фирмы Hewlett- Packard, однако совместимость с ним в окончательной версии стандарта не гарантируется.

1.3. Применение параллельных интерфейсов и LPT-портов

Параллельные интерфейсы применяются в компьютерах разных семейств и классов, здесь мы ограничимся рассмотрением IBM PC-совместимых компьютеров.

1.3.1. Использование параллельных интерфейсов

Распространенным применением LPT-порта является подключение принтера и плоттера. Остановимся на аппаратных аспектах - режиме порта и кабеле подключения. Практически все принтеры могут работать с портом в режиме SPP, но применение расширенных режимов дает свои преимущества:

• Двунаправленный режим (Bi-Di) не повышает производительность, но служит для сообщения о состоянии и параметрах принтера.

• Скоростные режимы (Fast Centronics) повышают производительность принтера, но могут потребовать качественного кабеля (см. далее). От принтера не требуется каких-либо дополнительных "интеллектуальных" способностей.

• Режим ЕСР - потенциально самый эффективный, имеет системную поддержку во всех версиях Windows. На некоторых принтерах реализован не полностью (может отсутствовать аппаратная компрессия). ЕСР поддерживают принтеры HP DeskJet моделей бхх, LaserJet 4 и далее, современные модели фирмы Lexmark. Требует применения кабеля, по частотным свойствам соответствующего IEEE 1284.

Простейший вариант кабеля подключения принтера - 18-проводный кабель с неперевитыми проводами. Он используется для работы в режиме SPP. При длине более 2 м желательно, чтобы хотя бы линии Strobe# и Busy были перевиты с отдельными общими проводами. Для скоростных режимов может оказаться непригодным, причем сбои могут происходить нерегулярно и лишь при определенных последовательностях передаваемых кодов. Встречаются кабели Centronics, у которых отсутствует связь контакта 17 разъема PC с контактом 36 разъема принтера. При попытке подключения таким кабелем принтера, работающего в стандарте 1284, появится сообщение о необходимости применения "двунаправленного кабеля". Принтер не может сообщить системе о поддержке расширенных режимов, на что рассчитывают драйверы принтера.

Неплохие электрические свойства имеют ленточные кабели, у которых сигнальные цепи (управляющих сигналов) чередуются с общими проводами. Но их применение в качестве внешнего интерфейса непрактично (нет второго защитного слоя изоляции, высокая уязвимость) и неэстетично (круглые кабели смотрятся лучше).

Идеальным вариантом являются кабели, в которых все сигнальные линии перевиты с общими проводами и заключены в общий экран - то, что требует IEEE 1248. Такие кабели гарантированно работают на скоростях до 2 Мбайт/с, их длина может достигать 10 м.

В табл. 1.12 приводится распайка кабеля подключения принтера с разъемом XI типа A (DB25-P) со стороны PC и Х2 типа В (Centronics-36) или типа С (миниатюрный) со стороны принтера. Использование общих проводов (GND) зависит от качества кабеля (см. выше). В простейшем случае (18-проводный кабель) все сигналы GND объединяются в один провод. Качественные кабели требуют отдельного обратного провода для каждой сигнальной линии, однако в разъемах типа А и В для этого недостаточно контактов (см. табл. 1.12, где в скобках указаны номера контактов разъема PC типа А, которым соответствуют обратные провода). В разъеме типа С обратный провод (GND) имеется для каждой сигнальной цепи; сигнальным контактам 1-17 этого разъема соответствуют контакты GND 19-35.

Ряд отечественных (и стран бывшего СЭВ) принтеров имеет интерфейс ИРПР (IFSP в документации на принтеры ROBOTRON). Он является близким родственником интерфейса Centronics, но со следующими отличиями:

• Линии данных инвертированы. Протокол квитирования несколько иной.

• Ко всем входным линиям (на принтере) подключены пары согласующих резисторов: 220 Ом к питанию +5 В и 330 Ом к общему проводу. Это позволяет использовать длинные кабели, но перегружает большинство интерфейсных адаптеров PC.

• Сигналы ошибки и конца бумаги отсутствуют.

Интерфейс ИРПР может быть программно реализован через обычный LPT-порт, но для устранения перегрузки выходных линий согласующие резисторы из принтера желательно удалить. Порт, перегруженный по выходу, может преподносить всякого рода сюрпризы (естественно, неприятные и трудно диагностируемые).

Для связи двух компьютеров по параллельному интерфейсу применяются различные кабели в зависимости от режимов используемых портов. Самый простой и медленный - полубайтный режим, работающий на всех портах. Для этого режима в кабеле достаточно иметь 10 сигнальных и один общий провод. Распайка разъемов кабеля приведена в табл. 1.13. Связь двух PC данным кабелем поддерживается стандартным ПО типа Interink из MS-DOS или Norton Commander.

Для машин PS/2 с двунаправленным портом фирма IBM выпускала переходное устройство в комплекте с программой Data Migration Facility. Переходник устанавливался на разъем LPT-порта PS/2, а к его разъему Х2 типа Centronics присоединялся обычный принтерный кабель, подключаемый к LPT-порту любого PC. Так предлагалось решить проблему переноса файлов со старых компьютеров, оснащенных 5" дисководами, на компьютеры PS/2 с дисководами 3,5". Распайка такого переходника приведена в табл. 1.14. Как видно, данный переходник нельзя использовать при связи через Interink или Norton Commander. Если обе соединяемые машины имеют двунаправленные порты, переходник обеспечивает симметричную двунаправленную связь. По скорости обмена превосходит вышеописанное полубайтное соединение в 2 раза. Это соединение не соответствует двунаправленному режиму IEEE 1284.

Разъемы XI и Х2 - DB25-P (вилки).

Разъемы XI - DB25-P (вилка), Х2 - Centmnics-36 (розетка).

Высокоскоростная связь двух компьютеров может выполняться и в режиме ЕСР (режим ЕРР неудобен, поскольку требует синхронизации шинных циклов ввода/вывода двух компьютеров). В табл. 1.15 приведена распайка кабеля. В отличие от предыдущих таблиц, описывающих кабели для программно-управляемых режимов, в ней приведены имена сигналов, которые аппаратно генерируются адаптерами портов. Этот же кабель может использоваться и для связи в байтном режиме. Такая связь поддерживается Windows 95.

Подключение сканера к LPT-порту эффективно, только если порт обеспечивает хотя бы двунаправленный режим (Bi-Di), поскольку основной поток - ввод. Лучше использовать порт ЕСР, если этот режим поддерживается сканером (или ЕРР, что маловероятно).

Подключение внешних накопителей (lomega Zip Drive, CD-ROM и др.), адаптеров ЛВС и других симметричных устройств ввода/вывода имеет свою специфику. В режиме SPP наряду с замедлением работы устройства заметна принципиальная асимметрия этого режима: чтение данных происходит в два раза медленнее, чем (весьма небыстрая) запись. Применение двунаправленного режима (Bi-Di или PS/2 Type 1} устранит эту асимметрию - скорости сравняются. Только перейдя на ЕРР, можно получить нормальную скорость работы. В режиме ЕРР подключение к LPT-порту почти не уступает по скорости подключению через ISA- контроллер. Это справедливо и при подключении устройств со стандартным интерфейсом шин к LPT-портам через преобразователи интерфейсов (например, LPT - IDE, LPT - SCSI, LPT - PCMCIA).

В табл. 1.16 описано назначение выводов разъема LPT-порта в различных режимах и их соответствие битам регистров стандартного порта.

* Символом "\" отмечены инвертированные сигналы (1 в регистре соответствует низкому уровню линии).
** - означает "определяется пользователем".

1.3.2. Конфигурирование LPT-портов

Управление параллельным портом разделяется на два этапа - предварительное конфигурирование (Setup) аппаратных средств порта и текущее (оперативное) переключение режимов работы прикладным или системным ПО. Оперативное переключение возможно только в пределах режимов, разрешенных при конфигурировании. Этим обеспечивается возможность согласования аппаратуры с ПО и блокирования ложных переключении, вызванных некорректными действиями программы.

Конфигурирование LPT-порта зависит от его исполнения. Порт, расположенный на плате расширения (мультикарте), устанавливаемой в слот ISA или ISA+VLB, конфигурируется джамперами на самой плате. Порт на системной плате конфигурируется через BIOS Setup.

Конфигурированию подлежат следующие параметры:

• Базовый адрес - 3BCh, 378h или 278h. При инициализации BIOS проверяет наличие портов по адресам именно в этом порядке и, соответственно, присваивает обнаруженным портам логические имена LPT1, LPT2, LPT3. Адрес 3BCh имеет адаптер порта, расположенный на плате MDA или HGC. Большинство портов по умолчанию конфигурируются на адрес 378h и могут переключаться на 278h.

• Используемая линия запроса прерывания: для LPT - IRQ7, для LPT2 - IRQ5. Традиционно прерывания от принтера не используются, и этот дефицитный ресурс можно сэкономить. Однако при использовании скоростных режимов ЕСР (или Fast Centronics) работа через прерывания может заметно повысить производительность и снизить загрузку процессора.

• Использование канала DMA для режимов ЕСР и Fast Centronics - разрешение и номер канала DMA (по умолчанию - 3).

Режимы работы порта:

• SPP - порт работает только в стандартном однонаправленном программно-управляемом режиме. PS/2, он же Bi-Directional - отличается от SPP возможностью реверса канала (установкой СЯ.5=7).

• Fast Centronics - аппаратное формирование протокола Centronics с использованием FIFO-буфера и, возможно, DMA.

• ЕРР - в зависимости от использования регистров порт работает в режиме SPP или ЕРР.

• ЕСР - по умолчанию включается в режим SPP или PS/2, записью в ECR может переводиться в любой режим ЕСР, но перевод в ЕРР записью в ECR кода 100 не гарантируется.

• ЕСР+ЕРР - то же, что и ЕСР, но запись в ECR кода режима 100 переводит порт в ЕРР.

Выбор режима ЕРР, ЕСР или Fast Centronics сам по себе не приводит к повышению быстродействия обмена с подключенными ПУ, а только дает возможность драйверу и ПУ установить оптимальный режим в пределах их "разумения". Большинство современных драйверов и приложений пытаются использовать эффективные режимы, так что "подрезать им крылья" установкой простых режимов без веских оснований не стоит.

Принтеры и сканеры могут пожелать режима ЕСР. Windows (3-х, 95 и NT) имеет системные драйверы для этого режима. В среде DOS печать через ЕСР поддерживается только специальным загружаемым драйвером. Сетевые адаптеры, внешние диски и CD-ROM, подключаемые к параллельному порту, могут использовать режим ЕРР. Для этого режима специальный драйвер пока еще не применяется; использование ЕРР включается в драйвер самого подключаемого устройства.

Большинство современных ПУ, подключаемых к LPT-порту, поддерживает стандарт 1284 и РпР. Для поддержки этих функций компьютером с аппаратной точки зрения достаточно иметь контроллер интерфейса, поддерживающий стандарт 1284. Если подключаемое устройство поддерживает РпР, оно по протоколу согласования режимов 1284 способно "договориться" с портом о возможных режимах обмена. Подключенное устройство должно сообщить операционной системе (ОС) все необходимые сведения о себе - идентификатор производителя, модель и набор поддерживаемых команд. Более подробная информация может содержать идентификатор класса, подробное описание и идентификатор устройства, с которым обеспечивается совместимость. В соответствии с принятой информацией ОС может предпринять действия по установке требуемого ПО для поддержки данного устройства.

1.3.3. Неисправности и тестирование параллельных портов

Тестирование параллельных портов разумно начинать с проверки их наличия в системе. Список адресов установленных портов появляется в таблице, выводимой BIOS на экран перед загрузкой ОС. Список можно посмотреть и с помощью тестовых программ или прямо в BIOS Data Area с помощью отладчика.

Если BIOS обнаруживает меньше портов, чем установлено физически, скорее всего, двум портам присвоен один адрес. При этом работоспособность ни одного из конфликтующих портов не гарантируется: они будут одновременно выводить сигналы, но при чтении состояния конфликт на шине скорее всего приведет к искажению данных. Программное тестирование порта без диагностической заглушки (Loop Back) не покажет ошибок, поскольку при этом читаются данные выходных регистров, а они у всех конфликтующих (по отдельности исправных) портов совпадут. Именно такое тестирование производит BIOS при проверке на наличие портов. Разбираться с такой ситуацией следует, последовательно устанавливая порты и наблюдая за адресами, появляющимися в списке.

Если физически установлен только один порт, a BIOS его не обнаруживает, то либо порт отключен при конфигурировании, либо он вышел из строя (скорее всего из-за нарушений правил подключения). Иногда вам везет, и неисправность устраняется при "передергивании" платы в слоте - там возникают проблемы с контактами.

Наблюдаются и такие "чудеса" - при "теплой" перезагрузке DOS после Windows 95 порт не виден (и приложения не могут печатать из MS-DOS). Однако после повторной перезагрузки LPT порт оказывается на месте. С этим явлением легче смириться, чем бороться.

Тестирование портов с помощью диагностических программ позволяет проверить выходные регистры, а при использовании специальных заглушек - и входные линии. Поскольку количество выходных линий порта (12) и входных (5) различно, то полная проверка порта с помощью пассивной заглушки принципиально невозможна. Разные программы тестирования требуют применения разных заглушек (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Схема заглушки для тестирования LPT-порта: a - для программы Checkit, б - для программы Norton Diagnostics.

Большинство неприятностей при работе с LPT-портами доставляют разъемы и кабели. Для проверки порта, кабеля и принтера можно воспользоваться специальными тестами из популярных диагностических программ (Checkit, PCCheck и т. п.), а можно и попытаться вывести на принтер какой либо символьный файл.

• Если вывод файла с точки зрения DOS проходит (копирование файла на устройство с именем LPTn или PRN совершается быстро и успешно), а принтер (исправный) не напечатал ни одного символа - скорее всего, это обрыв (неконтакт в разъеме) цепи Strobed.

• Если принтер находится в состоянии On Line, но появляется сообщение о его неготовности, причину следует искать в линии Busy.

• Если принтер, подключенный к порту, в стандартном режиме (SPP) печатает нормально, а при переходе в ЕСР начинаются сбои, следует проверить кабель - соответствует ли он требованиям IEEE 1284 (см. выше). Дешевые кабели с неперевитыми проводами нормально работают на скоростях 50-100 Кбайт/с, но при скорости 1-2 Мбайт/с, обеспечиваемой ЕСР, имеют полное право не работать, особенно при длине более 2 м.

• Если при установке драйвера РпР-принтера появилось сообщение о необходимости применения "двунаправленного кабеля", проверьте наличие связи контакта 17 разъема DB-25 с контактом 36 разъема Centronics. Хотя эта связь изначально предусматривалась, в ряде кабелей она отсутствует.

• Если принтер искажает информацию при печати, возможен обрыв (или замыкание) линий данных. В этом случае удобно воспользоваться файлом, содержащим последовательность кодов всех печатных символов. Вот пример программы на языке Basic:

10 OPEN "bincod.chr" FOR OUTPUT AS #1
20 FOR J=2 TO 15
30 FOR I=0 TO 15
40 PRINT#1, СНR$(1б*J+I);
50 NEXT I
60 PRINT#1
70 NEXT J
80 CLOSE #1
90 END

Файл BINCOD.CHR, созданный данной программой, представляет собой таблицу всех печатных символов (управляющие коды пропущены), расположенных по 16 символов в строке. Если файл печатается с повтором некоторых символов или их групп, по периодичности повтора можно легко вычислить оборванный провод данных интерфейса. Этот же файл удобно использовать для проверки аппаратной русификации принтера.

Аппаратные прерывания от LPT-порта используются не всегда. Даже DOS-программа фоновой печати PRINT работает с портом по опросу состояния, а ее обслуживающий процесс запускается по прерыванию от таймера. Поэтому неисправности, связанные с цепью прерывания от порта, проявляются не часто. Однако по-настоящему многозадачные ОС (например, NetWare) стараются работать с портом по прерываниям. Протестировать линию прерывания можно, только подключив к порту ПУ или заглушку. Если к порту с неисправным каналом прерывания подключить адаптер локальной сети, то он, возможно, будет работать, но с очень низкой скоростью: на любой запрос ответ будет приходить с задержкой в десятки секунд - принятый из адаптера пакет будет приниматься не по прерыванию (сразу по приходу), а по внешнему тайм-ауту.

1.3.4. Функции BIOS для LPT-порта

BIOS обеспечивает поддержку LPT-порта, необходимую для организации вывода по интерфейсу Centronics.

В процессе начального тестирования POST BIOS проверяет наличие параллельных портов по адресам 3BCh, 378h и 278h и помещает базовые адреса обнаруженных портов в ячейки BIOS Data Area 0:0408h, 040Ah, 040Ch, 040Eh. Эти ячейки хранят адреса портов LPT1-LPT4, нулевое значение адреса является признаком отсутствия порта с данным номером. В ячейки 0:0478, 0479, 047А, 047В заносятся константы, задающие тайм-аут для этих портов.

Поиск портов обычно ведется достаточно примитивно - по базовому адресу (в регистр данных предполагаемого порта) выводится тестовый байт (ААЬ или 55h), затем производится ввод по тому же адресу. Если считанный байт совпал с записанным, предполагается, что найден LPT-порт; его адрес помещается в ячейку BIOS Data Area. Базовые адреса портов могут быть впоследствии изменены программно. Адрес порта LPT4 BIOS самостоятельно установить не может, поскольку в списке стандартных адресов поиска имеются толь/ ко три указанных.

Обнаруженные порты инициализируются - записью в регистр управления формируется и снимается сигнал Init#, после чего записывается значение OCh, соответствующее исходному состоянию сигналов интерфейса. В некоторых случаях сигнал lnit# активен с момента аппаратного сброса до инициализации порта во время загрузки ОС. Это можно заметить по поведению включенного принтера во время перезагрузки компьютера - у принтера надолго гаснет индикатор On-Line. Следствие этого явления - невозможность распечатки экранов (например, параметров BIOS Setup) по клавише Print Screen до загрузки ОС.

Программное прерывание BIOS INT 17h обеспечивает следующие функции поддержки LPT- порта:

• 00h - вывод символа из регистра AL по протоколу Centronics (без аппаратных прерываний). Данные помещаются в выходной регистр, и, дождавшись готовности принтера (снятия сигнала Busy), формируется строб. 

• 01h - инициализация интерфейса и принтера (установка исходных уровней управляющих сигналов, формирование импульса Init#, запрет аппаратных прерываний и переключение на вывод двунаправленного интерфейса).

• 02h - опрос состояния принтера (чтение регистра состояния порта).

При вызове INT 17h номер функции задается в регистре АН, номер порта - в регистре DX(Q - LPT1, 1 - LPT2...). При возврате регистр АН содержит код состояния - биты регистра состояния SR[7:3] (биты 6 и 3 инвертированы) и флаг таймаута в бите 0. Флаг тайм-аута устанавливается при неудачной попытке вывода символа, если сигнал Busy не снимается в течение времени, определенного для данного порта в ячейках тайм-аута. В этом случае, согласно протоколу Centronics, строб данных не вырабатывается.

Перехват прерывания INT 17h является удобным способом внедрения собственных драйверов принтера. Потребность в них может возникать при подключении к порту принтера с интерфейсов ИРПР или необходимости перекодировки символов.

Дальше  ->  Задача 5