Техническая диагностика средств вычислительной техники

Устройства с возможностью многократной записи на оптический диск называются CD-RW (ReWritable -перезаписываемые). В них используются многослойные диски с отражательной поверхностью, перед которой находится слой вещества, с изменяемой фазой состоянии (аморфное - кристаллическое). Это состояние при записи изменяется под воздействием лазерного луча. При считывании, лазерный луч оказывается промодулированным, вследствие разницы отражательной способности точек слоя, находящегося в аморфном или кристаллическом состоянии. Записанный таким способом диск может быть считан и обычным CD-ROM накопителем, если в него установлен достаточно чувствительный считывающий элемент.

Практически все CD-накопители могут воспроизводить и аудио-диски, для чего имеют встроенные ЦАП и аналоговый интерфейс с линейным выходом стереосигнала. Для проигрывания аудиодисков, накопители часто имеют кнопку, по которой можно включить воспроизведение без помощи программных средств. Если при запуске аудио диска индикатор на лицевой панели накопителя светится, а звука нет, то причиной может быть несовпадение аналогового интерфейсного кабеля с разъемом звуковой карты. В принципе, возможно считывание аудиоинформации с дисков в цифровой форме, по интерфейсу передачи данных, для дальнейшей цифровой обработки, или сохранения ее на другом носителе, но эту функцию поддерживают не все CD-накопители, хотя есть и накопители, считывающие аудиодиски с выходом на интерфейс, применяемый в цифровой аудио аппаратуре.

PD/CD - комбинированный накопитель, записывающий информацию на специальный носитель по методу изменения фазы вещества (Phase Сhange Disk), как в CD-RW. Носитель - многослойный диск в защитном картридже. В отличие от CD с одним спиральным треком, PD имеет концентрические треки, как у магнитных дисков. Шпиндельный двигатель накопителя поддерживает постоянную угловую скорость вращения, следовательно, дисковод имеет произвольный доступ к дорожкам. Время на разгон и торможение диска при переходе на другой трек не тратится, поэтому время доступа к данным, по сравнению с CD ROM, заметно снижается. Емкость PD-диска, как и у CD, составляет 650 Мбайт, но PD-диск не может быть считан накопителем CD-ROM. Однако, комбинированные устройства PD/CD (например, модель PD650) считывают и обычные CD, а тип установленного носителя, дисководом определяется автоматически. Большое преимущество PD перед CD - возможность многократных циклов стирания-записи, а недостаток - их несовместимость с CD.

Накопители на DVD-дисках.

По мере совершенствования технологии CD и их приводов, возникла потребность в увеличении емкости оптических носителей информации.

Фирма Sony, в союзе с восемью другими фирмами, в 1995 году предложила новый универсальный формат записи на CD - DVD (Digital Versatile Disk), который был активно поддержан практически всеми ведущими мировыми компаниями, потому что DVD удовлетворяет практически всем требованиям к воспроизведению видеоизображений, а также и к хранению цифровых данных. Иногда диски формата DVD отождествляют с цифровыми видеодисками Digital Video Disks, однако они не тождественны, т.к. последние являются только предшественниками дисков нового универсального стандарта Versatile.

DVD (Digital Video Disk) - диски, первоначально предназначавшиеся для цифровой видеозаписи с высокой плотностью, сейчас уже широко используются в компьютерной технике для записи и хранения цифровой информации. DVD-дисководы имеют форм-фактор такой же, как у CD-дисководов. Для повышения емкости, в них уменьшена ширина трека и размер хранящей ячейки, и снижена избыточность кодов коррекции ошибок (ECC).

Как и CD, диск формата DVD имеет диаметр 120 мм и толщину 1.2 мм.

В соответствии с первоначально принятым соглашением, DVD-диск выполняется односторонним и может содержать до 4,7 Гбайт информации (на самом деле - 4,3 Гбайт; производители DVD-дисков и накопителей в рекламных целях неверно трактуют единицы измерения информации).

В накопителях формата DVD рабочая длина волны, излучаемая лазером, по сравнению с CD, снижена с 0,78 до 0,63-0,65 мкм, что обеспечило возможность уменьшения штриха записи практически вдвое, а расстояние между дорожками записи - с 1,6 до 0,74 мкм. Кроме того, в накопителях стандарта DVD используется более узкой луч лазера, чем в приводах CD-ROM, поэтому толщина защитного слоя диска была снижена вдвое - до 0,6 мм. С учетом того, что общая толщина диска должна была остаться 1,2 мм, под предохранительный слой был помещен укрепляющий. На выполненном из соответствующего материала укрепляющем слое также можно записывать информацию. Это привело к появлению двухслойных дисков. Когда лазерным лучом считывается информация, записанная на втором слое, расположенном в глубине диска, луч беспрепятственно проходит через полупрозрачную пленку, образующую первый, наружный слой диска. Для считывания информации с первого слоя, оптическая система дисковода, по команде контроллера, меняет фокусировку луча так, чтобы луч был сфокусирован в плоскости первого, наружного полупрозрачного слоя.

Спецификация DVD сначала разрабатывалась для одностороннего однослойного диска, но позже появилась конструкция двухслойного диска, емкостью 8,5 Гбайт. Так, следующим шагом в развитии технологии DVD явилось создание двусторонних дисков, как однослойных, так и двухслойных, при этом емкость диска доведена до 9,4 Гбайт и 17 Гбайт соответственно.

В случае двустороннего DVD-диска используются два диска толщиной 0,6 мм, склеенные нерабочими сторонами в один диск, стандартной толщины в 1,2 мм. Для доступа к данным на второй стороне двустороннего диска его приходится переворачивать вручную. Несмотря на то, что этот промежуточный формат стал частью спецификации, предпочтительными следует считать приводы DVD, оснащенные двумя независимыми считывающими системами.

В настоящее время DVD-накопители выпускаются в разных модификациях, различающихся количеством рабочих сторон (SS, Single Side - односторонние; DS, Dual Side - двусторонние) и рабочих слоев на стороне (SL, Single Layer - однослойные; DL, Dual Layer - двухслойные). Существуют диски емкостью 4,7 Гбайт (SS/SL), 8,5Гбайт (SS/DL), 9,4 Гбайт (DS/SL) и 17 Гбайт (DS/DL).

Решающим достоинством спецификации DVD является и тот факт, что приводы DVD совместимы с CD-дисками как по чтению, так и по записи.

Спецификация HD-DVD и технология FMD.

В мае 2005 года корпорация Toshiba объявила о разработке трехслойного диска HD-DVD-ROM, емкостью 45 Гбайт. Емкость одностороннего однослойного диска стандарта HD-DVD-ROM составляет
15 Гбайт, однослойного двустороннего - 30 Гбайт. Достоинством формата HD-DVD, разрабатываемого совместно фирмами Toshiba и NEC, является его совместимость на физическом уровне с форматом DVD. Этому стандарту покровительствует организация DVD-Forum, кроме того, и Microsoft заявила о своем желании включить поддержку HD-DVD в новой операционной системе Longhorn.

Флуоресцентные диски.

Перспективным может оказаться и технология FMD (Fluorescent Multilayer Disk - многослойный флуоресцентный диск), разрабатываемая компанией C3D (Constellation 3D). Характеристики FMD поражают воображение: диск, размером со стандартный CD, вмещает до терабайта данных, при этом скорость чтения с него, может достигать 1 Гбайт/сек.

В основе работы FMD лежит не отражение от подложки лазерного луча, как у CD- и DVD-дисков, а флуоресценция - свечение вещества под воздействием луча лазера. Количество слоев в FMD, в существующих образцах, - несколько десятков, но теоретически их количество можно довести до тысячи, причем угловая скорость вращения диска в приводе будет даже меньше, чем у CD.

У многослойных дисков CD и DVD возникает проблема. Вследствие интерференции и некоторых других факторов, оказывается сложным различать свет, отраженный от разных слоев диска. Принцип работы флуоресцентного диска иной. Вначале, луч лазера фокусируется на определенном слое и вызывает его флуоресценцию, которая и регистрируется фотоприемником, причем материал, содержащий записанную информацию, при прохождении через него света, изменяет длину волны этого света. Чем больше путь луча света, тем большей становится длина его волны, поэтому есть возможность определять, где лежит слой, с которого происходит считывание. Более того, возможно одновременное считывание информации с нескольких слоев, лежащих один над другим.

Голографические накопители.

Голографические накопители HVD (Holographic Versatile Disk), как и флуоресцентные, тоже используют принцип хранения информации по всему объему запоминающего материала. Но, в отличие от флуоресцентных дисков, на светочувствительном материале с помощью лазерного излучателя регистрируются одновременно все фазовые характеристики (голограмма) записываемого объекта. В цифровом приложении, этот объект - цифровая матрица записываемой информации. По данным французского сайта Clubic, голографические накопители теоретически способны обеспечить скорость считывания данных до 1 Гбайт/сек. Первые серийные образцы голографических накопителей, емкостью 200-300 Гбайт, фирма Optware собиралась представить уже в 2006 году, а приводы под носители HVD, емкостью в 1 Тбайт - в 2007 году.

Стримеры.

Накопители на магнитной ленте (стримеры) являются типичными устройствами последовательного доступа. Носители - кассеты с магнитной лентой различного размера и емкостью - от 20 Мбайт до 2 Гбайт и более. Простейшие стримеры имеют интерфейс, совместимый с контроллерами НГМД, а более сложные используют собственную интерфейсную карту, или встроенный контроллер с интерфейсом SCSI или ATA (ATAPI). Стримеры с интерфейсом SCSI, внутреннего или внешнего исполнения, имеют большую производительность и поддерживаются большинством ОС на системном уровне.

Мини-картриджи для стримеров (Quarter-Inch Cartridge QIC) содержат ленту, шириной ?" (6,25 мм). Распространенные стандарты QIC 40 и QIC 80 имеют продольную плотность записи 10000 бит/дюйм на 20 дорожках и 14700 бит/дюйм на 28 дорожках соответственно, и позволяют хранить сотни мегабайт на одной ленте. Еще большие объемы обеспечивают стандарты QIC 1350 и QIC 2100 - 1,35 Гбайт и 2,1 Гбайт соответственно, а большие QIC-картриджи вмещают до 13 Гбайт. Стримеры на кассетах для цифровой звукозаписи DAT (Digital Audio Tape) позволяют хранить до 12 Гбайт, а стримеры на 8-мм ленте с наклонно-строчной записью (как на видеокассетах) - до 20 Гбайт. Используются стримеры исключительно для архивного хранения очень больших объемов информации

С появление столь емких и надежных носителей и их приводов, как CD, DVD, HD-DVD, в цифровой вычислительной технике становится возможным сохранять в архивах, а не на рабочем магнитном диске, большие объемы информации, вплоть до дампов системных, программных и даже файловых областей рабочих жестких дисков.

Контрольные вопросы.

1. Для чего предназначены устройства массовой памяти на сменных носителях?

2. В чем особенности подключения накопителей на сменных магнитных дисках?

3. В чем особенности дисков Бернулли?

4. В чем заключаются недостатки жестких кассетных дисков по сравнению с дисками Бернулли?

5. Из чего складывается время доступа к информации на CD-ROM?

6. Как ускоряется время доступа к данным CD-ROM?

7. Какие разновидности интерфейсов подключения CD-ROM применяются в настоящее время?

8. Каково назначение программы-драйвера ASPI-Manager?

9. Как организуется взаимодействие периферийного устройства CD-ROM с основным (HOST) SCSI-адаптером и программой ASPI-Manager?

10. В чем состоит удобство использования технологии SCSI?

11. В каком случае более рационально установить интерфейс IDE/ATAPI?\

12. Какие существуют способы чистки линз накопителей CD-ROM?

13. Как провести конфигурирование HOST SCSI-адаптера?

14. Какое программное обеспечение необходимо для нормального функционирования CD-ROM?

15. Как правильно инсталлируется программное обеспечение накопителя CD-ROM?

1.5.3 Средства коммуникации компьютера

Персональные компьютеры снабжаются внешними интерфейсами, позволяющими расширить его функциональные возможности, подключая к нему через эти интерфейсы разнообразное периферийное оборудование, и обеспечивать коммуникации с другими АПС. В основном, средства коммуникации РС включают в себя COM-, LPT-, Game- и MIDI-порты, а также сетевые средства связи. Для обмена информацией между компьютером и высокоскоростными периферийными устройствами можно также воспользоваться возможностями USB-шины или шины Fire Wire (IEEE 1394). Обе эти шины используют высокоскоростной последовательный интерфейс но, с точки зрения коммуникационных задач, различаются тем, что шина USB ориентирована на периферийные устройства, подключаемые к хост-компьютеру. Единственный, но необходимый в той системе компьютер управляет всеми функциями - физическими периферийными устройствами, хабами или их комбинациями.

Шина IEEE 1394, в отличие от USB, позволяет интенсивный обмен не только между хост-компьютером и периферийными устройствами, а между любыми подключенными к ней интеллектуальными устройствами. Шина 1394 не требует централизованного управления со стороны РС, может даже его не иметь, или наоборот, подключать несколько РС. В последнем случае, шина 1394 может быть использована для объединения нескольких компьютеров и периферийных устройств в небольшую локальную сеть.

История интерфейсов соединения РС с удаленными устройствами подтверждает теорию спирального развития. Так, последовательный интерфейс COM-порта RS-232C, пришедший от связи с удаленными терминалами, использовался даже для подключения лазерных принтеров, но вскоре он был вытеснен из принтерных интерфейсов параллельным интерфейсом Centronics, реализуемым LPT-портом. Однако, по мере роста производительности принтеров, возможностей LPT-порта, даже с использованием быстродействующих режимов обмена IPP и ECP стандарта IEEE 1284, становится недостаточно. Те же проблемы встают и с подключением сканеров, внешних дисков, скоростных модемов и т. д. В результате исследований оказалось, что повысить скорости обмена можно переходом снова на последовательный интерфейс, дополнительно снимающий проблемы изготовления многожильных кабелей, с нормированными параметрами задержек сигналов, и многоконтактных разъемов.

В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно - байта) передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно. В РС традиционно используется параллельный интерфейс Centronics, реализуемый LPT-портами. В последовательном интерфейсе биты данных передаются последовательно, друг за другом, по одной линии. Для этого в РС используется
СОМ-порт в соответствии со стандартом RS-232C, но последние модели компьютеров имеют, как правило, и высокоскоростной канал последовательного типа, с шинами USB.

Очевидно, что, при одинаковом быстродействии приемо-передающих цепей и пропускной способности линий связи, по эффективной скорости передачи данных параллельный интерфейс должен превосходить последовательный, однако повышение производительности за счет увеличения тактовой частоты передачи, ограничивается волновыми характеристиками соединительных кабелей. В случае параллельного интерфейса, при повышении скоростей передачи данных начинает сказываться различие в задержках сигналов в разных линиях одного и того же интерфейса, вследствие не полной идентичности их проводов и контактных соединений. В последовательных интерфейсах, среда передачи данных тоже вносит ограничения на скорость передачи данных. Но, т.к. для последовательной передачи данных используется всего одна линия, а не набор линий, как в параллельных интерфейсах, фактор разброса задержек в разных линиях в последовательных интерфейсах отсутствует. Таким образом, повышение пропускной способности последовательного интерфейса оказывается дешевле, чем параллельного. К примеру, два пучка коаксиальных кабелей, каждый пучок толщиной в руку (параллельный интерфейс канала ЕС ЭВМ), и современный USB-кабель (последовательный интерфейс) имеют примерно одинаковую пропускную способность.

Важным параметром любого интерфейса является допустимое удаление соединяемых устройств. Оно ограничивается как частотными свойствами кабелей, так и помехозащищенностью интерфейсов. Помехи возникают от внешних источников электромагнитных излучений, и от соседних линий того же интерфейса (перекрестные помехи). Для защиты от таких помех используются парафазные приемо-передатчики и витые, даже экранированные пары проводов для каждой из линий передачи данных. Но ошибки в передаче возникают и от искажений уровней сигналов. В параллельном интерфейсе Centronics LPT-порта, используются сигналы уровней ТТЛ-логики (<0,8 В для логического нуля и >1,4 В для логической единицы), так что колебания амплитуды сигнала около 1 В могут вызвать дребезг приемника. В последовательном интерфейсе RS-232C СОМ-порта, используются сигналы с уровнем от -12 до -3 В (логическая единица) и от +12 В до +3 В (логический нуль), так что переключения приемника при изменениях сигнала в пределах от -3 до +3 В не происходит. Столь большая разница в помехозащищенности позволяет использовать для интерфейса RS-232C кабели длиной в десятки метров, а для интерфейса Centronics - лишь два-три метра.

С появлением интерфейсов USB и Fire Wire, появилась и новая характеристика интерфейса - топология соединения. Для интерфейсов RS-232C и Centronics практически однозначно применялась двухточечная топология РС - ВУ, или РС-РС. Правда, имелись исключения: строился моноканал на СОМ-портах для локальных сетей, но он был вытеснен более эффективной и подешевевшей технологией Ethernet. Стандарты IEEE 12843 для LPT-порта предусматривают соединения абонентов в цепочку (Daisy Chain) или через мультиплексоры, но и такие способы подключения пока широкого распространения не получили. USB и Fire Wire реализуют древовидную топологию, в которой внешние устройства могут быть как оконечными, так и разветвителями.

Другое важное свойство интерфейса - гальваническая развязка. “Схемные земли” устройств, связываемых по COM- или LPT-портам, оказываются связанными со схемной “землей” РС и, если между ними, до подключения интерфейса, была разность потенциалов (что практически всегда есть), то по общему проводу интерфейса потечет уравнивающий ток. Это очень плохо, т.к. падение постоянного напряжения на этом проводе приводит к смещению уровней сигналов, а падение переменного напряжения - к сложению полезного сигнала с переменной составляющей помехи, что, безусловно, сказывается на помехозащищенности каналов. С другой стороны, в случае обрыва, или неконтакта, а чаще всего - при подключении и отключении кабелей интерфейсов без выключения питания устройств, разность потенциалов прикладывается к сигнальным цепям приемников и передатчиков. Протекание через них уравнивающих токов, в момент соединения, неизбежно приводит к выходу их из строя. Из рассматриваемых интерфейсов гальваническую развязку обеспечивает только MIDI (одностороннюю, с напряжением до 100 вольт) и шина Fire Wire (полную, с напряжением изоляции до 500 вольт).

1.5.3.1) Коммуникационные порты СОМ и LPT

LPT-порт.

Порт параллельного интерфейса был введен в РС для подключения принтера (отсюда и его название Line PrinTer - построчный принтер) и, хотя через него подключается и большинство лазерных принтеров, которые по принципу работы не построчные, а постраничные, название порта “LPT” закрепилось основательно.

LPT- порт, для организации вывода по интерфейсу Centronics, поддерживается функциями BIOS. В процессе начального тестирования, POST-программа проверяет наличие параллельных портов по адресам 3BCh, 378h и 278h. и помещает базовые адреса обнаруженных портов в ячейки оперативной памяти РС 0:0404h, 0:040Ah, 0:040Ch, 0:040Eh, области BIOS DATA AREA. Эти ячейки хранят адреса портов с логическими именами LPT1 - LPT4, соответственно, причем нулевое значение адреса является признаком отсутствия порта с этим номером.

Контроллер порта содержит три регистра, размещенных в пространстве адресов ввода-вывода микропроцессора. Регистры порта адресуются относительно базового адреса, стандартные значения которого - 3BCh, 378h или 278h. Это регистры:

1) DR (Data Register) - 8-битовый регистр данных, содержимое которого выводится на линии Data [0/7] разъема порта. Адрес регистра DR равняется базовому. Тот же регистр DR, с использованием специальной процедуры, позволяет и принимать данные с линий Data [0/7]. Так, если в регистр DR сначала записать все единицы, а на контакты [2/9] разъема LPT-порта подать от терминального устройства через тот же интерфейс какой-либо другой код, то регистр DR запомнит этот код без всякого строба. Теперь микропроцессор может прочитать данные этого регистра DR и тем самым выполнить операцию ввода байта от терминального устройства;

2) SR (Status Register) - 5-битовый регистр ввода в порт состояния принтера, принимает сигналы Select, PaperEnd, Ack и Busy, соответственно. Адрес регистра на единицу больше базового;

3) CR (Control Register) - 4-битовый регистр управления, вырабатывает сигналы Strobe#, AutoLF#, Init#, и SlctIn#, соответственно. Подобно регистру данных позволяет и прием данных с разъема интерфейса. Адрес регистра на 2 больше базового.

Поиск портов по базовому адресу предполагаемого порта производится следующей процедурой:

- в регистр DR контроллера порта выводится тестовый байт AAh или 55h;

- затем выполняется ввод с того же адреса;

- если считанный байт совпал с записанным, считается, что LPT-порт найден и его адрес помещается в область данных BIOS.

Обнаруженные порты инициализируются записью и съемом в их регистры управления сигнала Init#, а затем - записью значения С0h, соответствующего исходному состоянию сигналов интерфейса.

BIOS поддерживает до трех, или четырех LPT-портов прерыванием INT17, обеспечивающим связь по интерфейсу Centronics. Этим сервисом драйвер порта осуществляет по готовности, не используя аппаратных прерываний, инициализацию, опрос состояния интерфейса, принтера и - вывод символа.

Программное прерывание BIOS INT17h обеспечивает следующие функции:

1) 00h - вывод символа из регистра AL микропроцессора по протоколу Centronics. При этом выводимые данные помещаются в выходной регистр порта и, дождавшись готовности принтера (снятие сигнала BUSY), формируется строб данных Strobe#;

2) 01h - инициализация интерфейса и принтера (установка начальных уровней управляющих сигналов);

3) 02h - опрос состояния принтера, чтение его регистра состояния.

При вызове INT17, номер функции задается в регистре АН микропроцессора, номер порта - в регистре DX. При возврате после любой функции, регистр АН содержит код состояния: биты регистра RS [7:3] (причем биты 6 и 3 инвертированы) и в бите 0 - флаг тайм-аута, который устанавливается при неудачной попытке вывода, если сигнал BUSY не снимается в течение времени, определяемого для данного порта.

Аппаратный интерфейс LPT-портов.

Стандартный LPT-порт является однонаправленным, его сигналы выводятся из компьютера на 25-контактный разъем DB-25S (розетка), который устанавливается непосредственно на плате контроллера. Если же контроллер порта интегрирован непосредственно в системную плату компьютера, то разъем LPT-порта может располагаться или на системной плате, или на вставке задней стенки системного блока. В последнем случае, разъем порта на системной плате соединяется с разъемом на задней стенке плоским шлейфом.

Каждый LPT-порт использует свою линию аппаратного запроса прерывания IRQ7 или IRQ5, 8-битовую внешнюю шину данных, 5-битовую шину сигналов состояния и 4-битовую шину управляющих сигналов.

Понятие интерфейса Centronics относится как к набору сигналов и протоколу взаимодействия, так и к 36-контактному разъему, устанавливаемому на принтерах. Отечественный аналог интерфейса Centronics интерфейс ИРПР-М.

Назначение сигналов интерфейса Centronics и их распределение по разъему принтера приведено в таблице 1.11.

Таблица 1.11. Сигналы интерфейса Centronics.

Сигнал	Направление	Контакт	Назначение
Strobe#	выход	1	Строб данных.
Data [0:7]	выход	2-9	Линии данных. Data [0:7]. Контакт 2 - младший бит
Ack#	вход	10	Acknowledge - сигнал подтверждения приема байта, запрос на прием следующего. Может использоваться для формирования запроса прерывания.
Busy	вход	11	Занято. Прием данных возможен только при низком уровне сигнала
PaperEnd	выход	12	Высокий уровень сигнализирует о конце бумаги.
Select	выход	13	Сигнал о включении принтера.
AutoLF#	вход	14	Автоматический перевод строки. При низком уровне сигнала, принтер, получив символ CR (Carriage Return - возврат каретки), автоматически выполняет и функцию LF (Line Feed - перевод строки).
Error#	вход	32	Ошибка: конец бумаги, Off-Line (принтер не в связи с РС), или внутренняя ошибка принтера.
Init#	выход	31	Инициализация - сброс принтера в режим параметров по умолчанию, возврат головки к началу строки.
Slct In#	выход	36	Выборка принтера (низким уровнем сигнала). При высоком уровне сигнала принтер не воспринимает остальных сигналов интерфейса.
GND	-	19-30,33	Общий провод интерфейса.

Процедура вывода байта состоит из следующих шагов:

1) вывод байта в регистр данных,

2) опрос регистра состояния и, если терминал не готов, ожидание готовности устройства (принтера),

3) установка сигнала строба данных.

Для вывода одного байта требуется, по меньшей мере, 4-5 машинных операций ввода-вывода с регистрами порта, так что скорость обмена невысока, при значительной нагрузке микропроцессора. Стандартный порт удается разогнать до скоростей, порядка всего 100-150 Кбайт/сек, при полной загрузке процессора, что явно недостаточно для печати на лазерный принтер.

Недостатки стандартного порта частично устраняли новые типы портов, появившиеся в компьютерах семейства PS/2, но, не будучи стандартизованными, такие порты требовали от их производителей использования собственных специальных драйверов. В 1994 году был принят стандарт на параллельный интерфейс IEEE 1284, определяющий режимы работы SPP (стандартный), EPP - двунаправленный и ECP (Extended) - двунаправленный, с возможностью аппаратного сжатия данных по методу RLE, использования FIFO-буферов в контроллере порта и DMA системной платы. В современных машинах, с LPT-портом на системной плате, режим порта - SPP, EPP, ECP, или их комбинация, задается программно в BIOS SetUp.

Контрольные вопросы.

1. Какие базовые адреса может иметь LPT-порт?

2. Какова разрядность регистра данных LPT-порта?

3. Какие номера прерываний может использовать LPT-порт?

4. Как использовать LPT-порт для ввода данных?

5. Как использовать LPT-порт для ввода данных?

СОМ-порт.

Последовательный интерфейс для передачи данных в каждую сторону использует по одной отдельной линии данных, по которой данные передаются в последовательном коде. Последовательная передача данных может осуществляться в асинхронном или синхронном режимах.

При асинхронной передаче, каждому байту предшествует один или два стартовых бита, сигнализирующих приемнику о начале очередной посылки, за ним следуют биты данных и, возможно, бит паритета (контроля четности). Завершает посылку стоп-бит, гарантирующий определенную выдержку между соседними посылками. Старт-бит следующего байта может посылаться в любой момент времени после окончания стоп-бита, т.е. между передачами возможны паузы произвольной длительности. Старт-бит имеет всегда строго определенное значение логической 1 и обеспечивает простой механизм синхронизации приемника по сигналу от передатчика. Подразумевается, что и приемник и передатчик работают на одной скорости обмена, измеряемой в количестве передаваемых бит в секунду. Внутренний генератор синхронизации приемника использует счетчик-делитель опорной частоты, обнуляемый в момент приема старт-бита, и генерирует внутренние стробы, по которым приемник фиксирует последующие принимаемые биты. В идеале, эти стробы располагаются в середине битовых интервалов, что обеспечивает возможность приема битов и при некотором рассогласовании скоростей приемника и передатчика. Нетрудно просчитать, что при передаче 8 бит данных, контрольного и одного стоп-бита предельное рассогласование скоростей не может превышать 5%, но с учетом фазовых искажений (затянутых фронтов сигналов) допустимое отклонение скоростей значительно меньше, так что с ростом частоты обмена повышаются и требования к согласованности скоростей и частот работы приемников и передатчиков.

Приемник, получив сигнал о начале передачи, отвечает передатчику своим состоянием и, если приемник готов к приему, передатчик выдает старт-бит, приемник запускает свой генератор тактов и принимает, с этой частотой, байт данных. Естественно, частоты генераторов передатчика и приемника должны быть довольно строго одинаковыми, но скоростные характеристики линии передачи могут быть разными, в разных конфигурациях АПС, поэтому и частоты передач, определяемые контроллером порта, должны допускать разные значения. Эти значения стандартизованы, и в каждом сеансе связи, перед началом передачи первого байта, передатчик сообщает приемнику - на какой из стандартных частот, будет вестись данный сеанс связи.

Для асинхронного режима передачи принят ряд стандартных скоростей обмена: 50, 75, 110, 150, 300,600,1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, и 115200 бит/сек (не путать с Бод).

Бод - это единица измерения пропускной способности линии связи и приемо-передатчиков, выраженная в количестве переключений состояния линии в секунду, что характерно для недвоичного способа кодирования, а при двоичном способе передачи количество бод и бит/сек, могут отличаться в несколько раз. Так, за одну модуляцию (изменение состояния линии) при недвоичном кодировании, например, ДОФМ широко применяемом в современных модемах, может передаваться несколько бит, а при двоичной асинхронной передаче через СОМ-порты, за одну посылку передается 8 информационных бит, но, с учетом стартовых стоповых бит и бита паритета - до 13 бод.

Асинхронный способ обмена в РС реализуется СОМ-портом с использованием протокола RS232C.

Синхронный режим передачи предполагает постоянную активность канала связи. Посылка начинается с синхробайта, за которым следует поток информационных бит, а если у передатчика нет данных для передачи, то он заполняет паузу непрерывной посылкой байтов синхронизации. При передаче больших массивов информации, такой режим целесообразнее асинхронного, но в синхронном режиме необходима постоянная внешняя синхронизация приемника с передатчиком, т.к. даже небольшое отклонение их частот очень быстро приведет к накапливающейся ошибке и, следовательно, к искажению принимаемых данных. Внешняя синхронизация возможна либо с применением отдельной линии для передачи синхросигналов, либо с использованием самосинхронизирующего кодирования, например, манчестерского кода или кода NRZ, из которого на приемной стороне могут быть выделены синхросигналы. В любом случае, синхронный режим требует либо дорогих линий связи, либо дорогого оконечного оборудования, а может - и того, и другого.

На физическом уровне последовательный интерфейс может иметь различные модификации, различающиеся способами передачи электрических сигналов. Существует ряд международных стандартов RS232C, RS423A, RS422A и RS485. Первый использует простые приемо-передатчики, одиночные провода для каждой из линий связи и допускает связь со скоростями до 20 Кбит/сек, на расстояния до
15 м. Другие - передачу парафазными сигналами до скоростей 10 Мбит/сек, на расстояния до 1200м Допустимые скорости передач, в зависимости от расстояний связи и используемого стандарта, приведены в таблице 1.12.

Таблица 1.12. Максимальные длины линий и скоростей передачи по СОМ-портам.

RS232C	RS423A	RS422A	RS485
Длина линии (м)	Скорость передачи	Длина линии (м)	Скорость передачи	Длина линии (м)	Скорость передачи	Длина линии (м)	Скорость передачи
15	20 Кбит/сек	9	100Кбит/сек	12	10 Мбит/сек	12	10 Мбит/сек
-	-	90	10 Кбит/сек	120	1 Мбит/сек	120	1 Мбит/сек
-	-	1200	1 Кбит/сек	1200	100 Кбит/сек	1200	100 Кбит/сек

Интерфейс RS232C.

Интерфейс RS-232C предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные (ООД - оконечное оборудование данных, или АПД - аппаратуры передачи данных) к оконечной аппаратуре каналов данных (АКД). В роли АПД может выступать компьютер, принтер, плоттер и другое периферийное оборудование. Этой аппаратуре соответствует аббревиатура DTE (Data Terminal Equipment). В роли АКД часто выступает модем, этой аппаратуре соответствует аббревиатура DCE (Data Communication Equipment). Конечной целью подключения является соединение двух устройств DTE.

Стандарт описывает:

- управляющие сигналы интерфейса,

- электрический интерфейс и

- типы разъемов.

Стандарт же определяет асинхронный или синхронный режимы обмена, но СОМ-порты компьютера поддерживают только асинхронный режим. Функционально RS232С эквивалентен стандарту МККТТ V.24/V.28 и стыку С2, но они имеют различные названия одних и тех же используемых сигналов.

Стандарт RS232C использует несимметричные передатчики и приемники. Сигнал передается относительно общего провода (“схемной земли”) и не обеспечивает гальванической развязки устройств. Логической единице соответствует уровень напряжения на входе приемника от -12 вольт до -3 вольт, логическому нулю соответствует напряжение на входе приемника от +3 вольт до +12 вольт. Между уровнями -3 и +3 вольт имеется зона нечувствительности, обуславливающая гистерезис приемника. Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах от -12 вольт до -5 вольт и от +5вольт до +12 вольт, соответственно. Разность потенциалов между “схемными землями” (SC) соединяемых устройств не должна превышать двух вольт, иначе возможно неверное восприятие приемником сигналов передатчика. Интерфейс предполагает наличие защитного заземления соединяемых устройств, если они оба питаются от сети переменного тока и имеют сетевые фильтры.

Преобразование параллельного кода, получаемого СОМ-портом от системной шины, в последовательный код для передачи по каналу, и обратное преобразование при приеме данных от терминала, выполняют специализированные контроллеры порта - микросхемы UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter - универсальный асинхронный приемо-передатчик). Эта же микросхема формирует и обрабатывает сигналы интерфейса. СОМ-порты IBM PC XT/AT базируются на микросхемах UART i8250, 16450, 16550A.

Регламентируются и типы применяемых разъемов. На аппаартуре DTE, в том числе и на СОМ-портах следует устанавливать вилки (male) DB9P или DB25P, а на аппаратуре DCE (модемах) устанавливаются розетки (female) DB9S или DB25S.

Назначение и распределение сигналов интерфейса RS232C по разъемам СОМ-порта приведено в таблице 1.13.

Таблица 1.13. Назначение сигналов интерфейса RS232C.

Сигнал	DB9S	DB25S	Назначение сигнала
PG			Защитная земля. Соединяется с корпусом устройства и экраном кабеля.
SG	5	7	Сигнальная (схемная) земля, относительно которой действуют уровни сигналов.
TD	3	2	Выход передатчика, последовательные данные.
RD	2	3	Вход приемника, последовательные данные.
RTS	7	4	Выход запроса передачи данных. Состояние лог.1 сообщает модему, что у терминала есть данные для передачи.
CTS	8	5	Вход разрешения (лог. 1) терминалу передавать данные.
DTR	4	20	Выход сигнала готовности терминала к обмену данными. Состояние лог. 1 поддерживает канал в состоянии соединения.
DSR	6	6	Вход сигнала готовности АПД (например, модема).
DCD	1	8	Вход сигнала обнаружения несущей удаленного терминала.
RI	9	22	Вход индикатора вызова (звонка).

Интерфейс позволяет исключить канал удаленной связи вместе с парой модемов, соединив два интеллектуальных устройства DTE непосредственно, с помощью нуль-модемного кабеля.

При соединении аппаратуры DTE без модемов, разъемы устройств соединяются между собой полным или минимальным нуль-модемным кабелем (Zero-modem, Z-modem).

Полный нуль-модемный кабель выполняется семижильным жгутом проводов, причем контакты DSR - DCD закорачиваются на каждом из разъемов кабеля, а для минимального нуль-модема достаточно всего трехжильного жгута. В последнем случае закорачиваются на каждом из разъемов кабеля контакты DTR - DSR - DCD, а так же RTS - CTS.

Питание ВУ от интерфейса RS-232C.

При подключении мыши или трекбола к СОМ-порту, они обычно получают питание +V от линий DTR и RTS, a -V - от TD, не используемых по прямому назначению. Так если исправная мышь с данным портом не работает, то нужно проверить уровни потенциалов на контактах разъема порта с этими сигналами. При инициализации порта, линии DTR и RTS переходят в состояние логического нуля, т.е. вырабатывают напряжение порядка +12 вольт, а линия TD - порядка -12 вольт. Потенциалами на этих линиях можно управлять через регистры СОМ-порта, что и делают соответствующие драйверы мыши и трекбола. Если потенциалы после их установки не соответствуют требуемым, то неисправность может быть и в регистрах порта, что легко проверяется (конечно, с отключенным манипулятором) тест-программой в режиме тестирования с внешней заглушкой.

Порт получает питание от блока питания через системную плату, и отсутствие напряжения +12 вольт сразу обнаруживается по неработоспособности дисков компьютера, а отсутствие напряжения -12 вольт могут заметить только устройства, подключенные к СОМ-портам. Не все блоки питания контролируют все выходные напряжения, поэтому неработоспособность терминальных устройств, подключенных к СОМ-порту, может быть и следствием неисправности блока питания компьютера.

Инфракрасный интерфейс.

Применение излучателей и приемников инфракрасного (ИК) диапазона позволяет осуществлять беспроводную коммуникацию между парой устройств, удаленных на расстояние метра, а иногда и нескольких метров. Различают ИК-системы связи с низкой (до 115 Кбит/сек), средней (1.152 Мбит/сек) и высокой (4 Мбит/сек) скоростями связи. В перспективе ожидаются и более высокие скорости обмена, которые позволят передавать даже «живое видео».

На скоростях 115 Кбит/сек для ИК-связи используются UART, совместимые с 16450/16550 и часто может конфигурироваться порт СОМ-2. Весьма привлекательно применение ИК-технологии для связи портативных компьютеров со стационарными, или док-станциями (PC Docking), расширяющими их до полноценной настольной конфигурации.

Интерфейс MIDI.

Цифровой интерфейс музыкальных инструментов MIDI (Musical Instrument Digital Interface) представляет собой асинхронный интерфейс с частотой передачи 31,25 Кбит/сек. В интерфейсе применяется связь типа токовая петля 10мА с гальванической (оптронной) развязкой входной цепи.

Формат асинхронной посылки содержит старт-бит, 8 бит информации и стоп-бит, контроль четности отсутствует. Интерфейс поддерживается стандартными 5-контактными разъемами DIN и позволяет объединить группу, последовательно до 16 устройств, в локальную сеть.

В РС MIDI-порт имеется на большинстве плат звуковых адаптеров, и его сигналы выведены на неиспользуемые 12 и 15 контакты разъема Game-адаптера. Для MIDI-порта применяются ИМС UART, совместимые с MPU401, отличающиеся от обычных UART 8250 или 8251 тем, что имеют дополнительный регистр устройства. На некоторых системных платах применяются БИС контроллеров интерфейсов, в которых UART, используемый для СОМ-портов, может быть переведен в режим MIDI-порта его конфигурированием через BIOS SetUp,

Контрольные вопросы.

1. Какие режим работы может поддерживать СОМ-порт?

2. Какой стандарт поддерживает работу СОМ-порта?

3. Как зависит максимальная скорость передачи через СОМ-порт от длины кабеля связи?

4. Какие типы разъемов используют СОМ-порты?

5. Что такое нуль-модем и как он устроен?

6. Какие меры необходимо принимать для безопасности оборудования СОМ-портов при соединении через них разных устройств?

7. В чем состоят достоинства ИК-интерфейса?

8. В чем состоят достоинства ИК-интерфейса?

1.5.3.2) Сетевые средства связи

Локальные вычислительные сети ЛВС (LAN - Local Area Network) позволяют объединять компьютеры, расположенные в некотором ограниченном пространстве. Для локальных сетей прокладывается специализированная кабельная система, и положение возможных точек подключения абонентов ограничивается этой кабельной системой. Локальные сети можно объединять в крупномасштабные образования - CAN (Campus Area Network - кампусная сеть, объединяющая группу близко расположенных зданий), MAN (Metropolitan Area Network - сеть городского масштаба), WAN (Wide Area Network - широкомасштабная сеть), GAN (Global Area Network - глобальная сеть). Оборудование локальных сетей подразделяется на активное (интерфейсные карты компьютеров, концентраторы и т. п.) и пассивное (кабели, соединительные разъемы, коммутационные панели и т.д.).

Самой популярной является на сегодня сетевая технология Ethernet, представляющая архитектуру сетей с разделяемой средой и широковещательной передачей. Для связи по сети, в компьютер устанавливаются сетевые карты. Сетевые карты-адаптеры (Network Interface Card - NIC) выпускаются для шин ISA, EISA, MCA, PCI, PC Card, VLB. Существуют также сетевые адаптеры, подключаемые к стандартному LPT-порту. Их преимущество состоит в отсутствии потребностей в специальных системных ресурсах (порты, прерывания и т.п.) и в легкости подключения (не требуется вскрытие системного блока). Крупным недостатком сетевых LPT-адаптеров является то, что скорости обмена данными через них ограничиваются скоростными характеристиками LPT-порта и они значительно загружают процессор.

Основные свойства сетевых адаптеров:

1) разъемы подключения к среде передачи: один разъем BNC или RJ-45 (UTP или STP), или их комбинация. Наиболее универсальные “Combo” - имеют полный 10-мегабитный набор BNC/AUI/RJ45;

2) скорость передачи - 10 или 100 Мбит/сек; многие 100-мегабитные адаптеры имеют и режим 10 Мбит/сек;

3) системная шина и способ обмена данными. Для многозадачных применений желательно использование Bus-Master, разгружающего процессор. Адаптеры Bus-Master должны иметь 32-разрядную шину (EISA, MCA, PCI), в противном случае будут проблемы с использованием ОЗУ свыше 16 МБ;

4) возможность полного дуплекса, для сред с раздельными линиями приемника и передатчика, в многозадачных системах позволяет теоретически удвоить пропускную способность, при поддержке этого режима на другой стороне;

5) размер установленной буферной памяти - чем больше, тем лучше. Минимальный ее объем должен позволять хранить, по крайней мере, пару пакетов (максимальная длина пакета - 1514 байт). Сейчас есть платы и с объемом буферной памяти, исчисляемой мегабайтами;

6) наличие на NIC гнезда для микросхемы BootROM, обеспечивающей возможность удаленной загрузки операционной системы (Remote Boot или Remote Reset) по сети, с файл-сервера.

Контрольные вопросы.

1. Что такое LAN?

2. Как расшифровывается аббревиатура NIC?

3. Каковы достоинства и недостатки сетевых адаптеров, подключаемых к стандартному LPT-порту?

4. Какие скорости передачи данных могут поддерживать сетевые адаптеры

5. Какой минимальный объем буферной памяти должна иметь сетевая карта?

6. Для чего используются микросхемы BootROM на сетевых картах?

1.5.4 Средства вывода аудиоинформации

Потребность в выводе аудиоинформации из РС определилась на самых ранних этапах внедрения компьютеров. Так, требуется сообщать пользователю, не всегда глядящему на экран дисплея, о нормальном завершении POST-программы, или об ошибках, выявленных POST-программой, если вывести их на экран невозможно (неисправна видеоподсистема), наконец, о появлении фатальных ошибок при работе прикладных программ.

1.5.4.1) Вывод звука на встроенный динамик

Компьютер часто оснащается небольшим излучателем звука - динамическим громкоговорителем. Звуки, выводимые на динамик, формируются аппаратными и программными средствами: - интервальным таймером и активной в данный момент программой. Так, выбирая программно соответствующий выход и режим интервального таймера, можно задавать высоту тона, длительность звучания и пауз между воспроизводимыми нотами.

Проверить работоспособность аудио-канала РС можно просто, выбрав в тест-программе NDiags пункт меню ПРОЧИЕ/Тест динамика. При этом на встроенный динамик должны быть выведены несколько фраз, или звуков. Хотя, если короткий звук с частотой 1 КГц перед загрузкой DOS выдался, значит, аудио-канал в порядке. Если звуки не издаются, нужно проверить подключен ли, и правильно ли, разъем от динамика к системной плате. Если динамик подключен правильно, то, при таких симптомах, может быть неисправен или сам динамик, или шлейф его подключения, или интервальный таймер. Для уточнения места неисправности можно отключить от системной платы разъем подключения динамика и тестером прозвонить сам шлейф и динамик. Сопротивление исправного динамика должно быть порядка нескольких Ом. Если динамик в порядке, то для проверки работы канала интервального таймера нужно запустить тест динамика, например, из той же тест-программы NDiags и в это время осциллографом наблюдать осциллограмму, появляющуюся на выходе канала Т1 интервального таймера.

1.5.4.2) Вывод звука на акустические системы

Для воспроизведения полноценной звуковой информации - музыки, речи и т.д., в компьютере должна быть установлена звуковая карта и к ней подключены акустические системы (колонки).

Звук, это воспринимаемые человеческим ухом колебания воздуха с частотами от 16 Гц до 20 Кгц, формируются и воспроизводятся в компьютерах специальными программами с помощью звуковых карт-адаптеров и акустических систем.

Имеется множество модификаций звуковых карт, но основные функции, выполняемые звуковыми картами, это - ввод и оцифровка аналоговой звуковой информации с микрофона, магнитофона, радио, проигрывателя компакт-дисков и т.п. источников, и - обратное преобразование и воспроизведение уже оцифрованных записей, хранящихся в компьютере.

Для преобразования входного аналогового электрического сигнала в цифровую форму, АЦП звуковой карты измеряет амплитуду этого сигнала через равные, малые промежутки времени. Частота этих измерений называется частотой дискретизации Согласно теореме Котельникова, для полного восстановления в последующем огибающей звукового колебания, частота дискретизации должна не менее чем вдвое превышать максимальную частоту этих звуковых колебаний. Т.к. максимальная частота звука, воспринимаемая ухом человека - 20 КГц, то частота дискретизации должна быть не менее 40 КГц. Чаще используется частота дискретизации 44,1 КГц (именно эта частота используется и в компьютерных звуковых картах, и для записи звука на компакт-диски). Амплитуда каждой точки дискретизации обычно измеряется 16-битовым АЦП, что позволяет иметь 2¹⁶ значений амплитуды. Результаты оцифровки звука передаются соответствующей программе и, после сжатия, в виде файлов записываются на жесткий диск (файлы с записью звука имеют в Windows расширения .wav). Эти файлы, несмотря на сжатие, имеют очень большой объем - десятки Кбайт на каждую секунду звучания. При большой степени сжатия объемы таких файлов уменьшаются, но это неизбежно приводит к потере качества воспроизведения записанного звука.

Воспроизведение цифровой информации происходит обратными процедурами: считывание сжатой цифровой информации, ее распаковка и преобразование, с использованием ЦАП звуковой карты, в аналоговый сигнал, который после усиления по мощности поступает на звуковые колонки, где он и превращается в звуковые колебания воздуха (акустический звук).

Различные звуковые карты отличаются друг от друга по следующим характеристикам:

1) максимальной частоте выборки (сэмплинг) (sample rate) при оцифровке звука. Чем выше сэмплинг, тем выше качество воспроизводимого звука. Обычно, частота выборки - 44,1 КГц и выше (как на СD-дисках), но некоторые карты используют частоту 48 КГц (как в цифровых магнитофонах). Старые звуковые карты использовали частоту дискретизации 22,05 КГц, т.е. звуки с частотой выше 10КГц вообще не воспроизводились;

2) максимальной частоте дискретизации при записи. Эти частоты соответствуют частотам выборки для каждого из типов карт;

3) максимальной разрядности АЦ-преобразования звука при записи. Большинство современных карт поддерживает 26- и 8-разрядную дискретизацию, а старые карты поддерживали только 8-разрядную, которая годится только для записи речи;

4) возможности стерео воспроизведения. Многие старые карты таких возможностей или не обеспечивают, либо обеспечивают ограниченно (например, при воспроизведении монозаписи обеспечивается частота дискретизации 44,1 КГц, а при стереозаписи - только 22,05 КГц).

5) формированию шестиканальной квази-стереофонии.

Подключение звуковых карт.

Большинство звуковых карт вставляется в разъем шины ISA, и на задней стенке карты могут иметь разъемы:

- 15-контактный разъем для подключения MIDI-инструментов или джойстика;

- 2 - 3 входных разъема типа «мини-джек» для линейного входа от магнитофона, CD-плеера и т. п.;

- входной разъем для подключения микрофона;

- 1 или 2 выходных разъема, один - для линейного выхода на внешний усилитель, другой, от встроенного усилителя, - для подключения пассивной аудио-системы.

Подключение дисковода CD-ROM через звуковую карту.

Внутренний CD-дисковод может подключаться к звуковой карте специальным 3-х или 4-х-проводным аудио-кабелем, что позволяет проигрывать компакт-диски практически без участия микропроцессора. Многие из современных звуковых карт не имеют разъема для подключения CD-дисковода, т.к. современные компьютеры оснащаются контроллерами EIDE, к которым и подключаются CD-дисководы.

Дополнительные функции.

Некоторые звуковые карты имеют дополнительные возможности обработки звука, добавляя в него определенные эффекты - хорус, реверберацию, квази-трехмерное звучание и т.д.