5.4. Принципы работы и организация портов

Порты – это аппаратные модули, предназначенные для подключения внешних устройств. В вычислительной технике используются следующие порты:

• последовательный COM-порт;

• параллельный LPT-порт;

• USB-порт;

• инфракрасный IrDA-порт;

• радиоинтерфейс BlueTooth;

• порты сетевых карт.

Порты могут входить в состав микросхем чипсета системной платы или выполняться в виде отдельных блоков, подключаемых к системной шине через разъёмы.

5.4.1. Принципы передачи данных

Классификация принципов передачи данных показана на рис. 5.14.

Рис. 5.14. Классификация принципов передачи данных

Различают параллельный и последовательный коды. Параллельный код предусматривает передачу множества битов одновременно по параллельным проводам, последовательный – передачу множества битов последовательно во времени по одной паре проводов.

При передаче данных необходимо согласование во времени работы передатчика и приёмника. Синхронный способ передачи данных предусматривает использование специальных сигналов, которые называются сигналами синхронизации (синхроимпульсами). Асинхронный способ синхроимпульсы не использует, но применяет целую систему сигналов, сигнализирующих о том, что приёмник готов к приёму данных, данные готовы, данные приняты и т.д.

Существенным для производительности канала передачи данных является и способ создания логических единиц и нулей при кодировании. Статический способ предусматривает передачу единиц и нулей двумя уровнями сигнала: единица передаётся сигналом высокого уровня, ноль – низкого, или, наоборот, единица передаётся сигналом низкого уровня, ноль – высокого.

Более производительным способом кодирования является динамический способ. Он также использует два уровня, но логический ноль передаётся сигналом постоянного в течение некоторого времени уровня, а единица передаётся перепадом уровней, т.е. импульс передаёт комбинацию одной единицы и нескольких нулей, число которых зависит от длительности импульса.

При передаче данных код может быть искажён различными помехами или сбоями в работе различных передатчика и приёмника. Незащищённые коды не имеют никаких возможностей для проверки правильности передачи данных. Защищённые коды имеют возможность проверки правильности передаваемого кода и даже коррекции ошибок на основе избыточного кодирования.

Простейшим средством защиты кода является проверка кода на чётность. В этом случае к содержательным битам добавляется служебный бит, называемый битом паритета. Его содержимое устанавливается таким образом, чтобы в передаваемом коде (вместе со служебным битом) было чётное количество единиц. Более изощрённая защита предусматривает создание для каждого передаваемого байта непересекающиеся множества кодовых комбинаций.

5.4.2. Последовательный Com-порт

Последовательный Com-порт в настоящее время считается устаревшим, но всё ещё разрешён к применению современными компьютерами. Компьютер может иметь до четырёх Com-портов c именами Com1, Com2, Com3 и Com4. Они доступны по адресам 3F8h, 2F8h, 3E8h и 2E8h соответственно и используют по 8 смежных 8-битных регистров. Порты Com1 и Com3 могут создавать аппаратные прерывания IRQ4, а порты Com2 и Com4 – IRQ4. Порты используют разъёмы DB9P и DB25P. Современные порты имеют буферы данных, что позволяет существенно разгрузить центральный процессор.

Как следует из названия, Com-порт использует последовательный код, Передача данных – асинхронная. Внешние сигналы порта двуполярные и соответствуют стандарту RS-232. Гальваническая развязка порта и внешнего устройства не обеспечивается. Выходные сигналы передатчика должны быть в диапазоне –12 – -5В для логической единицы и +5 – +12 для логического нуля. Допускаются диапазоны уровней сигнала на входе приёмника до –12 – -3В и +3 – +12В соответственно. Распайка проводов и назначение сигналов приведено в табл. 5.1.

Таблица 5.1. Назначение сигналов и распайка разъёмов интерфейса RS-232

Цепь	Контакт разъёма		Направ­ление	Назначение сигнала
	DB-25P	DB-9P
PG	1	5	–	Защитная земля
SG	7	5	–	Сигнальная земля, относительно которой измеряются уровни
TD	2	3	O	Выход передатчика
RD	3	2	I	Вход приёмника
Продолжение табл. 5.1
Цепь	Контакт разъёма		Направ­ление	Назначение сигнала
RTS	4	7	O	Запрос передачи данных ("включено" – терминал имеет данные для передачи)
CTS	5	8	I	Разрешение терминалу передавать данные ("выключено" – запрет передачи данных)
DSR	6	6	I	Сигнал готовности от аппаратуры передачи данных
DTR	20	4	O	Готовность терминала к передаче данных
DCD	8	1	I	Сигнал обнаружения несущей удалённого модема
RI	22	9	I	Вход индикатора вызова (звонка)

Процесс обмена данными иллюстрируется рис. 5.15. Пунктиром показан уровень "отключен" (момент времени 1), осям времени соответствует уровень "включён". Предполагается, что аппаратура передачи данных (АПД), установленная в конце линии связи, имеет буфер данных. Установкой уровня "включён" сигнала DTR компьютер показывает, что он должен осуществить передачу или приём данных. Аналогичное действие с сигналом DSR в момент 2 выполняет АПД на другом конце линии связи. Этим она сообщает о готовности к обмену данных.

Рис. 5.15. Временная диаграмма обмена данными по Com-порту

В момент времени 3 и 9 установкой сигнала RTS компьютер заявляет о том, что он подготовил данные или готов принимать данные. Установкой сигнала CTS в моменты 4, 6, 10 АПД сообщает о готовности к приёму данных. В момент 4 в линии появляются данные от компьютера. В момент 5 АПД сбросом сигнала CTS сообщает, что буфер данных полон, и компьютер прекращает передачу данных. Установкой сигнала в момент 6 АПД сообщает, что можно продолжить передачу данных, и терминал снова выставляет данные в линию связи.

В момент 7 снятием сигнала RTS компьютер сообщает, что у него нет данных для передачи. В момент 8 АПД сбросом сигнала CTS подтверждает окончание приёма данных. В момент 9 компьютер установкой сигнала RTS сообщает о готовности к обмену данными, в момент 10 АПД установкой сигнала CTS сообщает о начале передачи данных и выставляет данные в линию связи. В момент 11 компьютер сбросом сигнала RTS сообщает о невозможности приёма данных. В момент 12 АПД сбрасывает сигнал CTS, подтверждая окончание передачи данных. В момент 13 компьютер сбросом сигнала DTR сообщает об окончании сеанса обмена данными. В момент 14 АПД сбросом сигнала DSR сообщает, что она сеанс связи завершила.

Передача байта в интерфейсе RS-232 показана на рис. 5.16. Передача данных начинается передачей стартового бита. За ним предаются 8 бит информации (0 – 7), после которых следует бит паритета (Р). Завершается передача данных стоп-битом. Для считывания данных приёмная аппаратура генерирует внутренние импульсы синхронизации, сдвинутые относительно передних фронтов передаваемых импульсов на половину их длительности.

Рис. 5.16. Передача одного байта в интерфейсе RS-232

Число передаваемых бит данных в разных системах колеблется от 5 до 8, количество стоп-бит – от 1 до 2.

Для асинхронного режима приняты стандартные скорости обмена данными 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/с¹. Скорость обмена данными и другие параметры этого процесса, например, использование бита паритета и количество передаваемых бит данных, задаются посредством конфигурирования порта.

Управление потоком данных осуществляется аппаратным и программным способом. Управление потоком данных предполагает посылку уведомления о возможности или невозможности передачи данных.

Аппаратный способ использует протокол RTS/СTS, который предусматривает прерывание посылки байтов при сбросе сигнала CTS. Реализация этого протокола осуществляется драйвером Int 14h, входящим в BIOS.

Программный способ основан на передаче сигнала RD, содержащего код 13h для остановки передачи данных и 11h для её возобновления. Эти коды называются сигналами XOFF и XON соответственно