Внешние интерфейсы ПК

Содержание 

Введение 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

    Под интерфейсом понимают совокупность схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов вычислительной системы. Интерфейс обеспечивает  взаимосвязь между составными функциональными блоками или устройствами системы.

    То  есть интерфейсы, позволяют подключать к персональным (и не только) компьютерам  разнообразные периферийные устройства и их контроллеры. По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на параллельные и последовательные. В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно. В ПК традиционно используется параллельный интерфейс Centronics, реализуемый LPT-портами. В последовательном же интерфейсе биты передаются друг за другом, обычно по одной линии. СОМ порты ПК обеспечивают последовательный интерфейс. При рассмотрении интерфейсов важным параметром является пропускная способность.

    В архитектуре современных компьютеров все большее значение приобретают внешние шины, служащие для подключения различных устройств. Сегодня это могут быть, например, внешние жесткие диски, CD-, DVD-устройства, сканеры, принтеры, цифровые камеры и прочее. 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Внешние интерфейсы ПК (порты LPT, COM, шины SCSI, USB)

1.1 Общая характеристика 

    Для начала рассмотрим устройство компьютера на примере самой распространенной компьютерной системы – персонального  компьютера.

    Персональным  компьютером (ПК) называют сравнительно не дорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя.

    Персональные  компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры. То есть регламентируются и стандартизируются  только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями. А так же компьютер легко расширяется и модернизируется за счет наличия внутренних расширительных гнезд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

    Для того чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они  должны иметь одинаковый интерфейс - средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и  логические параметры согласуются  между собой.

    Если  интерфейс является общепринятым, например, утвержденным на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

    Каждый  из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определенного типа –  адресной, управляющей или шиной данных.

    Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не на прямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты.

    Порты устройств представляют собой некие  электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

    Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).

    Последовательный  порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.

    К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие  или достаточно удаленные устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более “быстрые” устройства – принтер и сканер. Через игровой порт подсое5диняются джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют собой просто разъемы.

    Основные  электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MothtrBoard). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (DaughterBoard – дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъемов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot – щель, паз). 
 
 
 
 
 
 
 

1.2 Порты LPT

            Порт параллельного интерфейса  был введен в ПК для подключения  принтера —LPT-порт (Line PrinTer — построчный принтер).

           Адаптер параллельного интерфейса  представляет собой набор регистров, расположенных в пространстве ввода/вывода. Регистры порта адресуются относительно базового адреса порта, стандартными значениями которого являются 386h, 378h и 278h. Порт имеет внешнюю 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов.

        Наиболее распространенным применением LPT-порта является, естественно, подключение принтера. Практически все принтеры могут работать с портом в режиме SPP, но применение расширенных режимов дает дополнительные преимущества.

    Наиболее  распространенным применением LPT-порта  является, естественно, подключение  принтера. Практически все принтеры могут работать с портом в режиме SPP, но применение расширенных режимов дает дополнительные преимущества: 
Двунаправленный режим (Bi-Di) дает дополнительные возможности для сообщения состояния и параметров принтера. Скоростные режимы (Fast Centronics) существенно повышают производительность практически любого принтера(особенно лазерного), но могут потребовать более качественного кабеля.Режим ЕСР потенциально самый эффективный, и он имеет системную поддержку во всех вариантах Windows. Из распространенных семейств ЕСР поддерживают принтеры HP DeskJet моделей BXX, LaserJet начиная с 4-го, современные модели фирмы Lexmark требуют применения кабеля по частотным свойствам соответствующего IEEE 1284. 
     Подключение сканера к LPT-порту эффективно, только если порт обеспечивает хотя бы двунаправленный режим (Bi-Di), поскольку в основном здесь используется ввод. Но лучше использовать порт ECP,

если  этот режим поддерживается сканером.

1.3. Порты COM

    Универсальный внешний последовательный интерфейс  — СОМ-порт (Communications Port — коммуникационный порт) присутствует в PC начиная с первых моделей. Этот порт обеспечивает асинхронный1 обмен по стандарту RS-232C. Компьютер может иметь до четырех последовательных портов СОМ 1-COM4 (для машин класса AT типично наличие двух портов) с поддержкой на уровне BIOS. Порты могут вырабатывать аппаратные прерывания IRQ4 (обычно используются для СОМ1 и COM3) и IRQ3 (для COM2 и COM4). С внешней стороны порты имеют линии последовательных данных передачи и приема, а также набор сигналов управления и состояния, соответствующий стандарту RS-232C. СОМ-порты имеют внешние разъемы DB25P или DB9P, выведенные на заднюю панель компьютера

    «Классический»  СОМ-порт позволял осуществлять обмен  данными только программно-управляемым  способом, при этом для пересылки  каждого байта процессору приходится выполнять несколько инструкций. Современные порты имеют FIFO-буферы данных и позволяют выполнять обмен по каналу DMA, существенно разгружая центральный процессор, что особенно важно на больших скоростях обмена. 

    Примеры использования LPT и COM портов

1. Связь станков с числовым программным управлением с персональным компьютером. Передача сигналов управляющих программ (станки Roland MDX-20).
2. Системы управления асинхронных двигателей станков с использованием однокристального микроконтроллер КР1816ВЕ51, разработка Государственной Горной Академии Украины (применение COM-порта).

    К более современным интерфейсам  и шинам можно отнести: шину USB, инфракрасный интерфейс IrDA, радиоинтерфейс Bluetooth, 

1.4. Шины SCSI

    SCSI (произносится как "скази") или Small Computers System Interface - системный интерфейс для малых компьютеров. У этого интерфейса длинная история: еще в 1979 году появился его предшественник, SASI (Shugart Associates System Inrerface). В 1981 году институт стандартов ANSI взял описание SASI в качестве основы, и в 1986 году опубликовал первую спецификацию, известную как стандарт SCSI-1. С помощью гибкого, мощного и "умного" интерфейса SCSI к компьютеру (не только персональному, но и мини-ЭВМ) можно подключать самое различное оборудование: 
- жесткие диски 
- стримеры 
- приводы CD-ROM/CD-R/CD-RW 
- магнитооптические приводы 
- дисководы ZIP, JAZZ 
- сканеры 
- принтеры 
- фотоаппараты, видеокамеры 
- массивы (магазины) жестких дисков 
- массивы стримеров или CD-ROMов. 

    По  физической реализации интерфейс является 8-битной параллельной шиной с тактовой частотой 5 МГц. Шина допускает подключение до 8 устройств, с появлением новой спецификации - SCSI-2 (1991г.), появляются расширяющие возможности шины как в количественных, так и в качественных показателях. Тактовая частота шины Fast SCSI-2 достигает 10 МГц, а Ultra SCSI-2 - 20 МГц. Разрядность данных может быть увеличена до 16 бит - эта версия называется Wide SCSI-2 (широкий), а 8-битную версию назвали Narrow (узкий). 16-битная шина позволяет увеличивать число устройств до 16. Стандарт SCSI-2 определяет и 32-битную версию интерфейса, но такие устройства пока не распространены из-за неоправданно высокой стоимости интерфейса. Стандарт же шины SCSI-3 предполагает различные варианты протокольного и физического уровня интерфейса, включающие как параллельные, так и последовательные шины.

    Рис.1 Прстейший вариант системы SCSI 

Шина  SCSI распространена в больших серверных системах, в системах по обработке графических данных и т.п. Шина SCSI распространения не получила из-за своей дороговизны. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.5. Шины USB        

      Шина USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно - версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициировна весьма авторитетными фирмами - Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq.  
        Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками - создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов. Кроме этого, желательно питание маломощных устройств подавать с самой шины. Скорость шины должна быть достаточной для подавляющего большинства периферийных устройств. Попутно решается историческая проблема нехватки ресурсов на внутренних шинах IBM PC совместимого компьютера - контроллер USB занимает только одно прерывание независимо от количества подключенных к шине устройств.

    Сейчас USB стала активно внедряться производителями  компьютерной периферии. Сенсацией  стало наличие в компьютере iMAC фирмы Apple Computers только USB в качестве внешней шины.

    Возможности USB следуют из ее технических характеристик:

• Высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) - 12 Mb/s
• Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 5 m
• Низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) - 1.5 Mb/s
• Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена - 3 m
• Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) - 127
• Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена
• Отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов, таких как терминаторы для SCSI
• Напряжение питания для периферийных устройств - 5 V
• Максимальный ток потребления на одно устройство - 500 mA (это не означает, что через USB можно запитать устройства с общим током потребления 127 x 500 mA=63.5 A)

            Поэтому целесообразно подключать  к USB практически любые периферийные  устройства, кроме цифровых видеокамер  и высокоскоростных жестких дисков. Особенно удобен этот интерфейс  для подключения часто подключаемых/отключаемых  приборов, таких как цифровые фотокамеры. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение/расчленение.  
Возможность использования  только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины, но существенно уменьшает количество линий интерфейса и упрощает аппаратную реализацию. 
Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джойстики и т.п.