Практическая работа
Изучение интерфейса периферийных устройств и особенностей настройки.
Интерфейсы
Одно из ключевых отличий персонального компьютера от игровой приставки и калькулятора заключается в том, что к нему можно подключать самые разнообразные внешние устройства. Это, например, могут быть устройства вывода информации — принтеры и плоттеры, ввода — модемы и видеокамеры. Можно соединить компьютер с локальной сетью и управлять станком ЧПУ, на кото
ром отфрезеровать, скажем, печатную плату, которую перед этим разработали в программе PCAD. То есть компьютер — это универсальное вычислительное устройство, которое возможно использовать в различных областях человеческой деятельности.
Любые внешние устройства подключаются к компьютеру через интерфейс (Interface - сопряжение). Под термином "интерфейс" понимают совокупность механических, электрических и программных характеристик линий связи, которые позволяют соединить вместе и организовать обмен информацией между двумя объектами. Кстати, из этого определения ясно, что вполне правомерно использовать термин "интерфейс" в самых разнообразных случаях, например, интерфейсный разъем, интерфейсный кабель, интерфейсная программа и т. д.
Так как конструкции внешних устройств, да и разных типов компьютеров, сильно отличаются друг от друга, то для упрощения процесса подключения компьютера к внешним устройствам было разработано несколько стандартных интерфейсов. В мире IBM PC наиболее популярными оказались следующие внешние интерфейсы — параллельный интерфейс LPT, он же Centronics, последовательные интерфейсы RS-232 и USB, а также сетевой интерфейс Ethernet. В последнее время становятся популярными последовательный интерфейс FireWire и инфракрасный IrDa. Кроме того, на подходе новые стандарты, которые позволят значительно увеличить скорость обмена информацией.
Параллельный интерфейс
Термин "параллельный интерфейс" означает, что данные от компьютера к принтеру передаются не побитно, а в виде машинных слов — байтов (8 битов). Для каждого разряда байта в кабеле интерфейса предназначен отдельный провод. Кроме того, параллельно данным передается различная служебная информация, например, о готовности принтера к работе или о том, что закончилась бумага.
Для параллельного интерфейса на корпусе компьютера установлен 25-контактный разъем DB-25S. Для подключения интерфейсного кабеля к принтеру используется 36-контактный разъем Centronics с плоскими контактами. Длина простого принтерного кабеля не должна превосходить 5 м, а экранированного — 12 м. Максимальная скорость передачи данных по параллельному интерфейсу лежит в диапазоне от 120 до 200 Кбайт/с.
Первоначально стандарт на параллельный интерфейс предусматривал только передачу данных из компьютера в принтер, а также подключение только одного внешнего устройства. А поскольку пользователи часто устанавливают несколько принтеров, например струйный и игольчатый, то в этом случае для переключения интерфейса между принтерами используется обычный галетный переключатель на 25 групп, который монтируется в стальной коробке.
Сложность установки дополнительных разъемов на корпус персонального компьютера заставила разработчиков взяться за совершенствование параллельного интерфейса. В 1994 г. был принят стандарт IEEE 1284, который определил расширенные возможности параллельного порта. В современном компьютере параллельный порт теперь может работать в нескольких режимах — AT или SPP (Standart Parallel Port) — стандартный параллельный порт, ЕРР (Enhanced Parallel Port) — усовершенствованный параллельный порт и ЕСР (Extended Capability Port) — параллельный порт с расширенными возможностями.
Спецификация ЕРР была разработана фирмами Zenith и Xircom, чтобы использовать параллельный порт для двунаправленной передачи данных. Подключаемые устройства должны соответствовать стандарту ЕРР, а системная плата — обеспечивать двунаправленную передачу. Максимальная скорость передачи данных по этому стандарту достигает 2 Мбайт/с.
Кроме двунаправленной передачи данных между внешним устройством и процессором, стандарт ЕРР предусматривает возможность передавать блоки данных непосредственно между оперативной памятью и интерфейсом, не занимая ресурсов процессора. В таком режиме используется канал прямого доступа к памяти, который реализуется чипсетом системной платы.
Порт ЕРР полностью совместим со стандартным параллельным интерфейсом. Дополнительно он обладает возможностью подключать без использования каких-либо механических переключателей до 64 периферийных устройств, соединенных в цепочку.
Дальнейшим развитием параллельного интерфейса стала спецификация ЕСР, предложенная корпорациями Microsoft и HP, которая позволила организовать скоростную двунаправленную передачу данных, сжатых по методу RLE (Run Length Encoding). Для повышения производительности используется промежуточный FIFO-буфер емкостью 16 Кбайт. Количество подключаемых периферийных устройств увеличено до 128.
Несмотря на различия между стандартами параллельного порта, для подключения используются одни и те же разъемы. Режим работы переключается в настройках BIOS, где нужно выбрать между вариантами SPP, ЕРР и ЕСР. В настоящее время параллельный порт применяют для подключения различных видов принтеров, сканеров и внешних накопителей, например, приводов ZIP и внешних винчестеров. Также он применяется для соединения двух компьютеров друг с другом, для чего в операционной системе Windows есть стандартная программа связи Прямое кабельное соединение.
В качестве сервисной функции усовершенствованный параллельный порт поддерживает режим Plug and Play, что позволяет операционной системе получить регистрационную информацию от подключенного к нему устройства. Но при подключении старых игольчатых принтеров, которые не поддерживают этот режим, пользователю самому надо указать тип и модель принтера.
Сигналы параллельного интерфейса
У параллельного интерфейса, часто называемого Centronics, наиболее простой алгоритм передачи информации. На рис. показана временная диаграмма протокола Centronics.
После подготовки процессором страницы для печати и обмена управляющими командами между принтером и процессором на линии D0—D7 (Данные) интерфейса Centronics выводится первый байт данных. После этого процессор переводит линию STROBE (Данные верны) в состояние логического 0, сообщая принтеру, что данные готовы для дальнейшей обработки принтером. Принтер, получив сигнал о достоверности данных, принимает их и после этого переводит линию ACKNLG (Данные приняты) в состояние логического 0. После получения данных принтером сигналы на линиях STROBE и ACKNLG возвращаются к первоначальному состоянию.
Кроме показанных на рис. сигналов, интерфейс Centronics предусматривает еще несколько дополнительных линий, предназначенных для управления принтером:
- BUSY (Принтер не готов) — этот сигнал появляется, когда принтер не готов к приему данных, например, принтер обрабатывает ранее полученные команды;
- PAPER OUT (Конец бумаги) — когда в принтере кончается бумага, то принтер выставляет этот сигнал, информируя процессор о своей неготовности принимать данные;
- SELECT (Выбор) — на эту линию выводится сигнал состояния принтера On-line или Off-ine (управляется кнопкой на панели управления принтером), что позволяет процессору узнать, в каком состоянии принтер;
- AUTO FEED (Автоподача) — появление этого сигнала требует от принтера после получения сигнал на перевод каретки (CR) автоматически перевести и строку (LF). Данная функция нужна для совместимости принтера с различными операционными системами;
- ERROR (Ошибка) — сигнал на этой линии появляется при неисправности принтера;
- RESET (Сброс) — этим сигналом процессор заставляет принтер прекратить обработку любых данных и провести начальную инициализацию, например, очистку головок, перевод каретки в крайнее положение и т. д.;
- SELECT IN (Выбор режима) — подача процессором команды принтеру о переходе в режим On-line.
Назначение контактов в разъеме DB-25 приведено в табл. В столбце "Направление передачи" комментируется назначение соответствующей линии для режима AT. Наличие напряжения +5 В на контактах 18 и 35 разъема Centronics, установленного на принтере, необязательно.
Сигналы параллельного интерфейса
| Номер контакта | Сигнал | Направление Назначение передачи* | |||
| DB-25, Centronics, 25 конт. 36 конт. | |||||
| 1 2 | 1 2 | STROBE D0 | К-ПУ Двунапр. | Готовность данных Данные, бит 0 | |
| D1 | Двунапр. | Данные, бит 1 | |||
| D2 | Двунапр. | Данные, бит 2 | |||
| D3 | Двунапр. | Данные, бит 3 | |||
| DB-25, 25 конт. | Centronics 36 конт. | ||||
| D4 | Двунапр. | Данные, бит 4 | |||
| D5 | Двунапр. | Данные, бит 5 | |||
| D6 | Двунапр. | Данные, бит 6 | |||
| D7 | Двунапр. | Данные, бит 7 | |||
| ACKNLG. | ПУ-К | Подтверждение приема | |||
| BUSY | ПУ-К | Принтер не готов | |||
| PAPER | ПУ-К | Конец бумаги | |||
| OUT | |||||
| SELECT | ПУ-К | On-line/Off-line ПУ | |||
| AUTO FEED | К-ПУ | Перевод каретки CR дополняется переводом строки LF | |||
| ERROR | ПУ-К | Ошибка | |||
| RESET, | К-ПУ | Инициализация принтера | |||
| INIT | |||||
| SELECT IN | К-ПУ | Принтер в режиме On-line | |||
| EXT. GND | ПУ-К | Внешняя земля | |||
| 19-25 | 19-30 | GND | — | "Сигнальная" земля | |
| — | 15, 16 | GND | - | Масса | |
| 17 | GND | — | Экран кабеля | ||
| _ | EXT. +5 V | ПУ-К | Внешние +5 В | ||
| - | Не используется | ||||
| - | +5V | + 5В |
* К — компьютер, ПУ — периферийное устройство.
Интерфейс USB
Для преодоления недостатков старых интерфейсов IBM PC в январе 1996 г. появилась спецификация нового универсального последовательного интерфейса USB (Universal Serial Bus, универсальная последовательная шина). Эта спецификация описывала интерфейс USB версии 1.0. В дальнейшем появилась версия 1.1, которой пользуются в настоящее время, и версия 2.0, известная под названием Hi-Speed USB, позволяющая передавать данные со скоростью до 480 Мбит/с.
Интерфейс USB позиционируется как дешевое и универсальное средство для сопряжения внешних периферийных устройств с компьютером, допускающее скорость обмена информацией до 12 Мбит/с или до 1,5 Мбайт/с. Для подключения устройств используются два основных типа разъемов, имеющих различное назначение. Внешние устройства подключаются с помощью разъема уменьшенных размеров. Для подключения малогабаритных устройств предназначен разъем уменьшенных габаритов.
На корпусе компьютера или хаба устанавливается по две розетки, которые чаще всего группируются в блок для подключения двух внешних устройств. Для маркировки интерфейса USB предназначена пиктограмма которая используется и в программном обеспечении.
К интерфейсу USB можно подключать до 127 самых разнообразных устройств, обладающих различными скоростями обмена информацией, от клавиатуры до скоростного внешнего винчестера. Простота подключения обеспечивается топологией многоярусной звезды, где в центре находится компьютер, а внешние устройства подключаются непосредственно к нему или через другие периферийные устройства.
Сигналы интерфейса USB
Интерфейс USB характеризуется тем, что его архитектура напоминает собой локальную сеть, где все узлы являются хабами — кабельными концентраторами, к которым возможно подключить следующий хаб. То есть например, через монитор или клавиатуру можно подключить принтер или CD-ROM. На системном блоке установлен центральный хаб, чаще всего имеющий два порта, к которому пользователь вправе подключить либо любое внешнее устройство с интерфейсом USB, либо вход другого хаба, который может быть либо встроен в принтер или монитор, либо выполнен в виде отдельной конструкции.
Для интерфейса USB используют четырехжильный кабель, в котором два провода обеспечивают питание маломощных внешних устройств, а два, представляющих скрученную пару, являются информационной линией. Назначение выводов разъема интерфейса USB приведено в табл.
Назначение выводов разъема интерфейса USB
| Контакт | Назначение | Контакт | Назначение | ||
| + 5В | + Data | ||||
| - Data | Земля |
Спецификация интерфейса USВ предусматривает, что любое внешнее устройство может потреблять ток до 100 мА (точнее, объявлять, что оно желает потреблять определенную величину). Если устройство заявит, что потребляемая мощность больше, то оно не будет зарегистрировано, т. е. ему не будет выделен интерфейсный адрес, а это не позволит периферийному устройству пользоваться возможностями интерфейса. К хабу допускается подключить несколько устройств, которые могут потреблять суммарный ток не более 500 мА.
Конструкция USB-разъемов такова, что при подсоединении вилки кабеля к розетке хаба первыми соединяются два контакта, которые отвечают за питание внешних устройств, а уже потом информационные контакты. Такая последовательность обеспечивает защиту информационных линий от электрических перегрузок.
В операционной системе Windows параметры USB-интерфейса доступны на вкладке Устройства окна Свойства: Система. Информацию о параметрах питания подключаемых устройств можно узнать, если выделить категорию Корневой разветвитель для USB и щелкнуть мышью на кнопке Свойства. На вкладке Питание окна Свойства: Корневой разветвитель для USB находится кнопка Параметры питания, которая открывает окно Питание, где приведены сведения о хабе (концентраторе), установленном на системной плате.
Интерфейс USB поддерживает режим Plug and Play для подключаемых устройств.
В операционной системе Windows для интерфейса USB отведено аппаратное прерывание 10. Но чтобы можно было пользоваться интерфейсом USB, в настройках BIOS должно быть разрешено использование функций USB.
Проблемы USB
Традиции и нежелание пользователей отказываться от старых периферийных устройств до сих пор вынуждают производителей компьютеров сохранять в составе современного компьютера старинные интерфейсы. Только в 2002 г. появились системные платы, на которых нет ни параллельного, ни последовательного портов. Вместо них остались только с десяток разъемов для интерфейсов USB и FireWare. На рис. приведен вариант такой системной платы, на которой установлены шесть разъемов для USB-портов, из которых два поддерживают спецификацию USB 2.0. Заметьте, что на системных платах, кроме портов для подключения внешних USB-устройств, устанавливаются переходные разъемы для подключения дополнительных портов, которые обычно выводятся на лицевую панель компьютера.
Вообще, история внедрения интерфейса USB весьма плачевна. Появившаяся давно спецификация на этот интерфейс заставила производителей системных плат еще для простых процессоров Pentium добавлять поддержку двух портов USB. Вот только заглушек с разъемами для подключения USB-устройств на большинстве компьютеров форм-фактора AT не обнаружить. К тому же, пользователь, который хотел воспользоваться USB-интерфейсом, с любопытством узнавал, что переходник для выведения USB-порта на корпус компьютера — редкая вещь. Далее выяснялось, что производители системных плат устанавливали на них разъемы для подключения USB-портов самых разнообразных стандартов (двух- и однорядные, с разной разводкой), а неправильное подключение грозило выгоранием системной платы.
При появлении компьютеров с форм-фактором АТХ казалось, что дело широкого внедрения нового интерфейса не за горами. Ведь теперь на системной плате непосредственно устанавливалось два разъема для подключения USB-устройств. Но слишком мало было устройств, которые имели новый интерфейс, т. к. пользователи не спешили выбрасывать на свалку вполне приличные модемы и принтеры.
Усилия крупнейших компьютерных фирм по продвижению USВ особого успеха не приносили, а все пожелания в виде спецификаций на будущие компьютеры так и оставались пожеланиями. Конечно, согласно требованиям спецификаций РС2002, для подключения периферии должны использоваться исключительно порты типа USB и FireWire, но, во-первых, она не является документом прямого действия, а во-вторых, скорее всего пользователи в который раз проголосуют кошельком в пользу более дешевых вариантов. Заметим, что уже налажен выпуск адаптеров USB-PS/2, чтобы сохранить устарелые, но более дешевые устройства.
Видимо, дело сдвинулось с мертвой точки только тогда, когда стали массово производиться сканеры с USB-интерфейсом, что было принято пользователями с восторгом. Тут сыграл фактор нехватки обычных портов, т. к. приходилось подключать сканер либо вместо принтера, либо устанавливать SCSI-интерфейс. Также внедрению USB-интерфейса способствовало распространение цифровых камер.
Только после успеха сканеров с USB-интерфейсом пользователи стали покупать новые мыши и модемы. Правда, обнаружились и неприятные стороны нового интерфейса. Оказалось, что он не такой уж и быстрый, как хотелось бы. А при установке операционных систем Windows и Linux выяснилось, что все USB-устройства надо отключать, чтобы правильно установились драйверы USB (для старых интерфейсов такой операции просто не требовалось). Дополнительно, почти для всех системных плат после установки операционной системы требовалась отдельная установка драйверов USB.
Как говорится, и плюсы и минусы налицо. Но все же, если немного попривыкнуть, удобство и простота подключения USB-устройств через некоторое время начинает нравиться. Особенно, когда можно без проблем отсоединить модем или цифровую камеру от одного компьютера и подсоединить к другому без выключения питания и многократной перезагрузки компьютера. К тому же, в последнее время становится популярным метод построения локальной сети с использованием интерфейса USB.
Интерфейс FireWire
Очень похожими на интерфейс USB возможностями обладает еще один стандарт на подключение периферии к персональному компьютеру. Этот интерфейс с красивым названием FireWire (огненный провод) стал популярен благодаря стараниям компании Apple, которая применяет его в своих компьютерах Macintosh и др.
В 1995 г. появился официальный стандарт на высокопроизводительную последовательную шину (High Performance Serial Bus), являющуюся реализацией FireWire для персональных компьютеров линейки IBM PC, который получил наименование IEEE 1394. Последние пару лет порты для подключения устройств с таким интерфейсом появились на наиболее современных системных платах.
Максимальная скорость передачи данных по интерфейсу IEEE 1394 достигает 400 Мбит/с или 50 Мбайт/с. Количество устройств, подключаемых к одному порту, — 63.
Так как организация и назначение интерфейсов USB и IEEE 1394 очень близки друг другу, то и внешне порты и кабели обоих интерфейсов неискушенный пользователь легко может перепутать. Основное внешнее отличие заключается в том, что интерфейс IEEE 1394 предусматривает использование 6 проводов в кабеле (конечно, протокол обмена и архитектура не совместимы друг с другом). Правда, для подключения устройств, которым не требуется питание от интерфейса IEEE 1394, используется разъем с 4 контактами.
Для пользователей персональных компьютеров следует заметить, что интерфейс IEEE 1394 не позиционируется как конкурент для USB. Его назначение — это связь высокопроизводительных периферийных устройств с компьютером. Например, для организации двух каналов живого видео или подключения высокоскоростных внешних накопителей данных.
Интерфейс SCSI
С интерфейсом SCSI (Small Computer System Interface), произносится как "скази", пользователь персонального компьютера может столкнуться, в основном, в двух случаях — при подключении сканеров и винчестеров. Остальные варианты у рядовых пользователей встречаются крайне редко, т. к. стоимость устройств со SCSI-интерфейсом в 1,5—2 раза выше аналогичных, но имеющих более "простые" интерфейсы.
Кроме того, для использования интерфейса SCSI в персональный компьютер требуется установить дорогостоящую плату контроллера (SCSI Host Adapter Card), к которой подключается интерфейсный кабель для соединения устройств, установленных внутри корпуса компьютера. Для подключения внешних, устройств контроллер снабжается разъемом.
Первый стандарт SCSI-1 предусматривал высокоскоростной обмен 8-байтными данными через интерфейсный 50-жильный кабель. Для данного стандарта скорость передачи данных составляет 5 Мбайт/с в синхронном режиме
Наибольший интерес интерфейс SCSI ранее представлял из-за того, что к нему можно было подключить до 15 устройств. Каждое устройство имеет свой адрес, который назначается с помощью джамперов, расположенных на устройстве или интерфейсной плате. С помощью перемычек ID1—ID3 указывается двоичный адрес устройства.
Указание адреса для SCSI-устройства
| ID number | Jumper setting | ||||
| OFF ON OFF ON | OFF OFF ON ON | OFF OFF OFF OFF | |||
| OFF | OFF | ON | |||
| ON | OFF | ON | |||
| OFF | ON | ON | |||
Стандарт интерфейса SCSI подвергался неоднократной доработке, что позволило использовать 16- или 32-разрядный формат данных. В последнем варианте требуется уже 68-жильный интерфейсный кабель. С появлением каждого нового стандарта на интерфейс SCSI увеличивалась скорость передачи данных, например, последний вариант — Wide Ultra3 SCSI — обеспечивает скорость до 160 Мбайт/с.
В 1998 г. ряд компаний объединились для разработки и продвижения технологии беспроводной передачи данных, которая получила название Bluetooth. Новый интерфейс должен был позволить соединять друг с другом практически любые устройства -- ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мобильные телефоны, а в перспективе, и бытовые приборы, оснащенные блоками "интеллекта", например холодильники, микроволновые печи и кондиционеры. То есть требовался способ соединять друг с другом любые устройства без проводов и сложной настройки.
Для беспроводного интерфейса Bluetooth отведен частотный диапазон от 2,4 до 2,48 ГГц. А поскольку радиоэфир полон помех естественного и искусственного происхождения, то для использования в интерфейсе Bluetooth был предложен принцип скачкообразной перестройки частоты в пределах отведенного диапазона.по псевдослучайному алгоритму, например до 1600 изменений в секунду между 79 точками. Кроме передачи данных через интерфейс, можно организовать три голосовых канала.
Дальность надежного соединения для устройств с интерфейсом Bluetooth составляет 10 м (существуют варианты с дальностью до 100 м). Скорость передачи данных в асимметричном режиме до 721 Кбит/с, а в симметричном — 432,6 Кбит/с в обоих направлениях. Для целей безопасности в спецификации интерфейса предложено использовать аутентификацию и шифрование данных с ключом длиной от 8 до 128 битов.
Для приемопередатчиков интерфейса Bluetooth разработаны специальные маломощные чипы, которые можно встраивать в любые устройства, даже в наушники и микрофоны.
В настоящее время существуют самые разнообразные устройства, которые используют данную технологию. Но можно отметить, что наибольший интерес этот интерфейс вызвал у фирм, которым требовалось быстро и просто создавать небольшие локальные сети. Правда, в процессе эксплуатации нашлись и слабые стороны спецификации Bluetooth, которая разрешала пользователям не применять шифрование данных, что привело к новой разновидности хакерских атак на локальные сети.