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