Рисунок 1.10 -Формирователи сигналов RS-232C:

а -- приемник 1489 (А -- вход RS-232,С - управление гистерезисом (ТТЛ),Y -- выход ТТЛ); б -- передатчик 1488(А, В -- входы ТТЛ, Y -- выход RS-232, VDD = +12 В, VEE = -12 В); в -- таблица состояния выходов передатчика (*1 В -- логическая единица)

Когда требуется большая помехоустойчивость (дальность и скорость передачи), применяют иные электрические варианты последовательных интерфейсов: RS-422A (V.11, Х.27), RS-423A (V.10, Х.26), RS-485. На рис. 1.11 приведены схемы соединения приемников и передатчиков, а также показаны ограничения на длину линии (L) и максимальную скорость передачи данных (V). Несимметричные линии интерфейсов RS-232C и RS-423A имеют самую низкую защищенность от синфазной помехи, хотя дифференциальный вход приемника RS-423A позволяет в какой-то мере исправить ситуацию. Лучшие параметры имеют интерфейсы RS-422A и RS-485, работающие на симметричных линиях связи. В них для передачи каждого сигнала используются дифференциальные приемопередатчики с отдельной (витой) парой проводов для каждой сигнальной цепи.

Рисунок 1.11- Стандарты последовательных интерфейсов

Интерфейсы EIA-RS-422 (ITU-T V.ll, X.27) и EIA-RS-485 (ISO 8482) используют симметричную передачу сигнала и допускают как двухточечную, так и шинную топологию соединений. В них информативной является разность потенциалов между проводниками А и В. Если на входе приемника U_A-U_B>0,2 В (А положительнее В) -- состояние "выключено" (space), U_A-U_B<-0,2 В (А отрицательнее В) -- состояние "включено" (mark). Диапазон |U_A-U_B|<0,2 В является зоной нечувствительности (гистерезис), защищающей от воздействия помех. На выходах передатчика сигналы U_A и U_B обычно переключаются между уровнями 0 и +5 В (КМОП) или +1 и +4 В (ТТЛ), дифференциальное выходное напряжение должно лежать в диапазоне 1,5-5 В. Выходное сопротивление передатчиков 100 Ом. Интерфейсы электрически совместимы между собой, хотя и имеют некоторые различия в ограничениях. Принципиальное отличие передатчиков RS-485 -- возможность переключения в третье состояние. Передатчики RS-422/485 совместимы с приемниками RS-423. Топологию соединений иллюстрирует рис. 1.12.

Чтобы увеличить число узлов, можно повысить входное сопротивление приемников, но при этом снижается допустимая скорость или максимально возможная дальность передачи. Максимальная скорость передачи на коротких расстояниях (до 10 м) ограничивается быстродействием передатчиков (достижима частота 25 МГц). На средних расстояниях ограничение определяется емкостью кабеля (1200 бит/с - 25 нФ, 9600 бит/с - 30 нФ, 115 кбит/с -250 пФ). Максимальная дальность (1200 м) ограничена сопротивлением петли постоянному току.

А б в

Рисунок 1.12 - Топология интерфейсов: а -- RS-422, б -- RS-485 четырехпроводный, в -- RS-485 двухпроводный

Интерфейс RS-485 может быть в двух версиях: двухпроводной и четырехпровод-ной. Четырехпроводная версия (рис.1.12, б) выделяет задающий узел (master), передатчик которого работает на приемники всех остальных. Передатчик задающего узла всегда активен -- переход в третье состояние ему не нужен. Передатчики остальных ведомых (slave) узлов должны иметь тристабильные выходы, они объединяются на общей шине с приемником ведущего узла. В двухпроводной версии (рис.1.12, в) все узлы равноправны.

В вырожденном случае -- при двухточечном соединении -- интерфейсы RS-485 и RS-422 эквивалентны, и третье состояние не используется.

Для определенности состояния покоя шины RS-485, когда нет активных передатчиков, на линию устанавливают активные терминаторы, "растягивающие" потенциалы проводов. В покое провод В должен иметь более положительный потенциал, чем А.

При многоточечном соединении необходимо организовать метод доступа к среде передачи. Чаще всего используют полинг (polling) -- опрос готовности к передаче, выполняемый ведущим устройством, или передачу права доступа в соответствии с определенным (установленным) регламентом. Иногда используют и методы случайного доступа (аналогично Ethernet).

Дифференциальный вход интерфейсов защищает от действия помех, но при этом должно осуществляться соединение "схемных земель" устройств между собой и с шиной заземления. Для соединения устройств между собой используют третий провод интерфейса (можно и экран). Для того чтобы по третьему проводу не протекал большой ток, выравнивающий "земляные потенциалы", в его цепь включают резисторы (рис. 1.13).

Интерфейс RS-422 часто используется для подключения периферийных устройств (например, принтеров). Интерфейс RS-485 популярен в качестве шин устройств промышленной автоматики.

Интерфейс "токовая петля" для представления сигнала использует не напряжение, а ток в двухпроводной линии, соединяющей приемник и передатчик.

Логической единице (состоянию "включено") соответствует протекание тока 20 мА, а логическому нулю -- отсутствие тока. Такое представление сигналов для вышеописанного формата асинхронной посылки позволяет обнаружить обрыв линии -- приемник заметит отсутствие стоп-бита (обрыв линии действует как постоянный логический нуль).

Рисунок 1.13 - Соединение "схемных земель" для интерфейсов RS-422 и RS-485

Токовая петля обычно предполагает гальваническую развязку входных цепей приемника от схемы устройства. При этом источником тока в петле является передатчик (этот вариант называют активным передатчиком). Возможно и питание от приемника (активный приемник), при этом выходной ключ передатчика может быть также гальванически развязан с остальной схемой передатчика. Существуют упрощенные варианты без гальванической развязки, но это уже вырожденный случай интерфейса. Заметим, что интерфейс MIDI с "классической" токовой петлей несовместим.

Токовая петля с гальванической развязкой позволяет передавать сигналы на расстояния до нескольких километров, но при невысоких скоростях (выше 19 200 бит/с не используют, а на километровых расстояниях допустима скорость до 9600 бит/с и ниже). Допустимое расстояние определяется сопротивлением пары проводов и уровнем помех. Поскольку интерфейс требует пары проводов для каждого сигнала, обычно используют только два сигнала последовательного интерфейса (4-проводная линия). В случае двунаправленного обмена применяются только сигналы передаваемых и принимаемых данных, а для управления потоком используется программный метод XON/XOFF. Если двунаправленный обмен не требуется, применяют одну линию данных, а для управления потоком обратная линия задействуется для сигнала CTS (аппаратный протокол) или встречной линии данных (программный протокол). При надлежащем ПО одной токовой петлей можно обеспечить двунаправленную полудуплексную связь двух устройств. При этом каждый приемник "слышит" как сигналы передатчика на противоположной стороне канала, так и сигналы своего передатчика. Они расцениваются коммуникационными пакетами просто как эхо-сигнал. Для безошибочного приема передатчики должны работать поочередно.

Токовая петля позволяет использовать выделенные физические линии без модемов, но на малых скоростях. Иногда по токовой петле подключают терминалы с интерфейсом RS-232C, если не хватает штатной длины интерфейса или требуется гальваническая развязка. Преобразовать сигналы RS-232C в токовую петлю несложно -- на рис. 1.14 приведена простейшая схема преобразователя применительно к подключению терминала. Для получения двуполярного сигнала, требуемого для входных сигналов СОМ-порта, применяется питание от интерфейса. Схема может быть усложнена для защиты оптронов от перегрузки и улучшения формы потенциальных сигналов. Допустимая скорость определяется и быстродействием применяемых оптронов (скорость 9600 бит/с достигается практически на любых оптронах).

Рисунок 1.14 - Преобразование интерфейса RS-232C в "токовую петлю"

1.3.3 Системная поддержка СОМ-портов

СОМ-порты поддерживаются сервисом BIOS Int 14h, который обеспечивает следующие функции:

- инициализация (установка скорости обмена и формата посылок; запрет источников прерываний) -- на сигналы DTR и RTS влияния не оказывает (после аппаратного сброса они пассивны);

- вывод символа -- активируются сигналы DTR и RTS, и после освобождения регистра THR в него помещается выводимый символ;

- ввод символа -- активируется только сигнал DTR (RTS переходит в пассивное состояние), и ожидается готовность принятых данных;

- опрос состояния модема и линии (чтение регистров MSR и LSR).

Аппаратные прерывания не используются, ожидание готовности ввода и вывода ограничивается по тайм-ауту. Готовность можно быстро проверить опросом состояния.

В процессе начального тестирования POST BIOS проверяет наличие последовательных портов (регистров UART 8250 или совместимых) по стандартным адресам и помещает базовые адреса обнаруженных портов в ячейки BIOS Data Area 0:0400, 0402, 0404, 0406. Эти ячейки хранят адреса портов с логическими именами СОМ1-COM4. Нулевое значение адреса является признаком отсутствия порта с данным номером. В ячейки ОЮ47С, 047D, 047Е, 047F заносятся константы, задающие тайм-ауты для портов.

Обнаруженные порты инициализируются на скорость обмена 2400 бит/с, 7 бит данных с контролем на четность (even), 1 стоп-бит. Управляющие сигналы интерфейса DTR и RTS переводятся в исходное состояние ("выключено" -- положительное напряжение).

1.3.4 Конфигурирование СОМ-портов

Компьютер может иметь до четырех последовательных портов СОМ 1 -COM4; для машин класса AT типично наличие двух портов. Управление последовательным портом разделяется на два этапа -- предварительное конфигурирование (Setup) аппаратных средств порта и текущее (оперативное) переключение режимов работы прикладным или системным ПО. Конфигурирование СОМ-порта зависит от его исполнения. Порт на плате расширения конфигурируется джамперами на самой плате. Порт на системной плате конфигурируется через BIOS Setup.

Конфигурированию подлежат перечисленные ниже параметры:

- Базовый адрес, который для портов СОМ1-СОМ4 обычно имеет значение 3F8h, 2F8h, 3E8h и 2E8h. При инициализации BIOS проверяет наличие пор тов по адресам именно в этом порядке и присваивает обнаруженным портам *логические имена СОМ1, COM2, COM3 и COM4. Для портов COM3 и COM4 возможны альтернативные адреса 3EOh, 338h и 2EOh, 238h соответственно. Для PS/2 стандартными для портов СОМЗ-СОМ8 являются адреса 3220h, 3228h, 4220h, 4228h, 5220h и 5228h соответственно.

- Используемая линия запроса прерывания: для СОМ 1 и COM3 обычно используется IRQ4 или IRQ11, для COM2 и COM4 -- IRQ3 или IRQ10. В принципе номер прерывания можно назначать в произвольных сочетаниях с базовым адресом (номером порта), но некоторые программы и драйверы (например, драйверы последовательной мыши) настроены на стандартные сочетания. Каждому порту, нуждающемуся в аппаратном прерывании, назначают отдельную линию, не совпадающую с линиями запроса прерываний других устройств. Прерывания необходимы для портов, к которым подключаются устройства ввода, UPS или модемы. При подключении принтера или плоттера прерываниями пользуются только многозадачные ОС (не всегда), и этот дефицитный ресурс PC можно сэкономить. Также прерывания обычно не задействуют при связи двух компью теров нуль-модемным кабелем. Возможность разделяемого использования одной линии запроса несколькими портами (или ее разделения с другими устройствами) зависит от реализации аппаратного подключения и ПО. При ис пользовании портов, установленных на шину ISA, разделяемые прерывания обычно не работают.

- Канал DMA (для микросхем UART 16450/16550, расположенных на системной плате) -- разрешение использования и номер канала DMA. Режим DMA при работе с СОМ-портами используют редко.

1.3.5 Использование СОМ-портов

СОМ-порт широко применяется для подключения различных периферийных и коммуникационных устройств, связи с различным технологическим оборудованием, объектами управления и наблюдения, программаторами, внутрисхемными эмуляторами и прочими устройствами, используя протокол RS-232C. СОМ-порты чаще всего применяют для подключения манипуляторов (мышь, трекбол). В этом случае порт используется в режиме последовательного ввода. Мышь с последовательным интерфейсом -- Serial Mouse -- может подключаться к любому исправному порту. Для согласования разъемов порта и мыши возможно применение переходника DB-9S-DB-25P или DB-25S-DB-9P. Для мыши требуется прерывание, для порта СОМ1 -- IRQ4, для COM2 -- IRQ3. То, что для использования мыши порт СОМ1 должен использовать прерывание IRQ4, является особенностью ее драйвера, но для пользователя важен сам факт ограничения. Каждое событие -- перемещение мыши или нажатие-отпускание кнопки -- кодируется двоичной посылкой по интерфейсу RS-232C. Применяется асинхронная передача; двуполярное питание обеспечивается от управляющих линий интерфейса.

Для подключения внешних модемов используется полный (9-проводный) кабель АПД-АКД. Этот же кабель используется для согласования разъемов (по количеству контактов); возможно применение переходников 9-25, предназначенных для мыши. Для работы коммуникационного ПО обычно требуются прерывания, но здесь есть свобода выбора номера (адреса) порта и линии прерывания. Если предполагается работа на скоростях 9600 бит/с и выше, то СОМ-порт должен быть реализован на микросхеме UART 16550А или совместимой. Возможности работы с использованием FIFO-буферов и обмена по каналам DMA зависят от коммуникационного ПО.

Для связи двух компьютеров, удаленных друг от друга на небольшое расстояние, используют и непосредственное соединение их СОМ-портов нуль-модемным кабелем. Программы типа Norton Commander или Interlnk MS-DOS позволяют обмениваться файлами со скоростью до 115,2 Кбит/с без применения аппаратных прерываний. Это же соединение может использоваться и сетевым пакетом Lantastic, предоставляющим более развитый сервис, и средствами ОС Windows.

СОМ-порт позволяет выполнять подключение электронных ключей (Security Devices), предназначенных для защиты от нелицензированного использования ПО. Эти устройства могут быть как "прозрачными" (обеспечивающими возможность подключения периферии через тот же порт), так и полностью занимающими порт.

СОМ-порт при наличии соответствующей программной поддержки позволяет превратить PC в терминал, эмулируя систему команд распространенных специализированных терминалов (VT-52, VT-100 и т. д.). Простейший терминал получается, если замкнуть друг на друга функции BIOS обслуживания СОМ-порта (Int 14h), телетайпного вывода (Int 10h) и клавиатурного ввода (Int 16h). Однако такой терминал будет работать лишь на малых скоростях обмена (если, конечно, его делать не на Pentium), поскольку функции BIOS хоть и универсальны, но не слишком быстры.

СОМ-порт может использоваться и как двунаправленный интерфейс, у которого имеется три программно-управляемых выходных линии (TD, DTP, RTS) и четыре программно-читаемых входных линии (CIS, DSR, DCD, RI) с двуполярными сигналами. Их можно использовать, например, для программной реализации синхронных последовательных интерфейсов и других целей. Во времена АТ-286 была известна схема однобитного широтно-импульсного преобразователя, позволяющего записывать звуковой сигнал на диск PC, используя входную линию СОМ-порта. Воспроизведение этой записи через обычный динамик PC позволяло передать речь.

1.4 Последовательные шины USB и Fire Wire

Последовательные шины позволяют объединять множество устройств, используя всего 1-2 пары проводов. Функциональные возможности этих шин гораздо шире, чем у традиционных интерфейсов локальных сетей, -- USB и FireWire способны передавать изохронный трафик аудио- и видеоданных. Последовательные шины по своей организации сильно отличаются от параллельных. В последовательных шинах нет отдельных линий для данных, адреса и управления -- все протокольные функции приходится выполнять, пользуясь одной или двумя (в FireWire) парами сигнальных проводов. Это накладывает отпечаток на построение шинного протокола, который в последовательных шинах строится на основе пересылок пакетов -- определенным образом организованных цепочек бит. Заметим, что в терминологии USB пакеты и кадры имеют несколько иную трактовку, нежели в сетях передачи данных. В параллельных шинах имеются возможности явной синхронизации интерфейсной части ведущих и ведомых устройств; исполнение каждого шага протокола обмена может быть подтверждено, и, при необходимости, некоторые фазы обмена могут продлеваться по "просьбе" не успевающего устройства. В последовательных шинах такой возможности нет -- пакет пересылается целиком, а синхронизация возможна только по принимаемому потоку бит. Эти и другие особенности сближают последовательные шины с локальными сетями передачи данных.

Наибольшую популярность имеют шины USB и FireWire, хотя последняя пока что в PC-совместимых компьютерах используется не повсеместно. Последовательные шины FireWire и USB, имея общие черты, являются, тем не менее, существенно различными технологиями. Обе шины обеспечивают простое подключение большого числа ПУ (127 для USB и 63 для FireWire), допуская коммутации и включение/выключение устройств при работающей системе. По структуре топология обеих шин достаточно близка, но FireWire допускает большую свободу и пространственную протяженность. Хабы USB входят в состав многих устройств и для пользователя их присутствие зачастую незаметно. Обе шины имеют линии питания устройств, но допустимая мощность для FireWire значительно выше. Обе шины поддерживают технологию PnP (автоматическое конфигурирование при включении/выключении) и снимают проблему дефицита адресов, каналов DMA и прерываний. Различаются пропускная способность и управление шинами.

Шина USB ориентирована на периферийные устройства, подключаемые к PC. Изохронные передачи USB позволяют передавать цифровые аудиосигналы, а шина USB 2.0 способна нести и видеоданные. Все передачи управляются централизованно, и PC является необходимым управляющим узлом, находящимся в корне древовидной структуры шины. Адаптер USB пользователи современных ПК получают почти бесплатно, поскольку он входит в состав всех современных чипсетов системных плат. Правда, адаптеры USB 2.0 первое время будут выпускаться в виде карт PCI. Непосредственное соединение нескольких PC шиной USB не предусматривается, хотя выпускаются "активные кабели" для связи пары компьютеров и устройства-концентраторы.

Шина FireWire ориентирована на устройства бытовой электроники, которые с ее помощью могут быть объединены в единую домашнюю сеть. К этой сети может быть подключен компьютер, и даже не один. Принципиальным преимуществом шины 1394 является отсутствие необходимости в специальном контроллере шины (компьютере). Любое передающее устройство может получить полосу изохронного трафика и начинать передачу по сигналу автономного или дистанционного управления -- приемники "услышат" эту информацию. При наличии контроллера соответствующее ПО может управлять работой устройств, реализуя, например, цифровую студию нелинейного видеомонтажа или снабжая требуемыми мультимедийными данными всех заинтересованных потребителей информации.

1.4.1 Шина USB

USB (Universal Serial Bus -- универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Версия 1.0 была опубликована в начале 1996 года, большинство устройств поддерживает версию 1.1, которая вышла осенью 1998 года, -- в ней были устранены обнаруженные проблемы первой редакции. Весной 2000 года опубликована спецификация USB 2.0, в которой предусмотрено 40-кратное повышение пропускной способности шины. Первоначально (в версиях 1.0 и 1.1) шина обеспечивала две скорости передачи информации: полная скорость FS (full speed) -- 12 Мбит/с и низкая скорость LS (Low Speed) -- 1,5 Мбит/с. В версии 2.0 определена еще и высокая скорость HS (High Speed) -- 480 Мбит/с, которая позволяет существенно расширить круг устройств, подключаемых к шине. В одной и той же системе могут присутствовать и одновременно работать устройства со всеми тремя скоростями. Шина с использованием промежуточных хабов позволяет соединять устройства, удаленные от компьютера на расстояние до 25 м. Подробную и оперативную информацию по USB (на английском языке) можно найти по адресу http://www.usb.org.

USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Согласно спецификации USB, устройства (devices) могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Устройство-дгйб (hub) только обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Устройство-функция (function) USB предоставляет системе дополнительные функциональные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Комбинированное устройство (compound device), содержащее несколько функций, представляется как хаб с подключенными к нему несколькими устройствами. Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (host controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств. Шина USB является хост-центрической: единственным ведущим устройством, которое управляет обменом, является хост-компьютер, а все присоединенные к ней периферийные устройства -- исключительно ведомые. Физическая топология шины USB -- многоярусная звезда. Ее вершиной является хост-контроллер, объединенный с корневым хабом (root hub), как правило, двухпортовым. Хаб является устройством-разветвителем, он может являться и источником питания для подключенных к нему устройств. К каждому порту хаба может непосредственно подключаться периферийное устройство или промежуточный хаб; шина допускает до 5 уровней каскадирования хабов (не считая корневого). Поскольку комбинированные устройства внутри себя содержат хаб, их подключения к хабу 6-го яруса уже недопустимо. Каждый промежуточный хаб имеет несколько нисходящих (downstream) портов для подключения периферийных устройств (или нижележащих хабов) и один восходящий (upstream) порт для подключения к корневому хабу или нисходящему порту вышестоящего хаба. Логическая топология USB -- просто звезда: для хост-контроллера хабы создают иллюзию непосредственного подключения каждого устройства. В отличие от шин расширения (ISA, PCI, PC Card), где программа взаимодействует с устройствами посредством обращений по физическим адресам ячеек памяти, портов ввода-вывода, прерываниям и каналам DMA, взаимодействие приложений с устройствами USB выполняется только через программный интерфейс. Этот интерфейс, обеспечивающий независимость обращений к устройствам, предоставляется системным ПО контроллера USB.

В отличие от громоздких дорогих шлейфов параллельных шин AT А и особенно шины SCSI с ее разнообразием разъемов и сложностью правил подключения, кабельное хозяйство USB простое и изящное. Кабель USB содержит одну экранированную витую пару с импедансом 90 Ом для сигнальных цепей и одну неэкранированную для подачи питания (+5 В), допустимая длина сегмента -- до 5 м. Для низкой скорости может использоваться невитой неэкранированный кабель длиной до 3 м (он дешевле). Система кабелей и коннекторов USB не дает возможности ошибиться при подключении устройств (рис. 1.15, а и б). Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение (рис. 1.15, в). Гнезда типа "А" устанавливаются только на нисходящих портах хабов, вилки типа "А" -- на шнурах периферийных устройств или восходя щих портов хабов. Гнезда и вилки типа "В" используются только для шнуров, отсоединяемых от периферийных устройств и восходящих портов хабов (от "мелких" устройств -- мышей, клавиатур и т. п. кабели, как правило, не отсоединяются). Кроме стандартных разъемов, показанных на рисунке 1.15, применяются и миниатюрные варианты (рис. 1.16, в, г, д). Хабы и устройства обеспечивают возможность "горячего" подключения и отключения. Для этого разъемы обеспечивают более раннее соединение и позднее отсоединение питающих цепей по отношению к сигнальным, кроме того, предусмотрен протокол сигнализации подключения и отключения устройств. Назначение выводов разъемов USB приведено в табл. 1.6, нумерация контактов показана на рис. 1.16. Все кабели USB "прямые" -- в них соединяются одноименные цепи разъемов.

Рисунок 1.15 - Коннекторы USB: a -- вилка типа "А", б--вилка типа "В", в -- символическое обозначение

А б в г д

Рисунок 1.16 - Гнезда USB: а -- типа "А", б -- типа "В" стандартное, в,г,д -- миниатюрные типа "В"

В шине используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Скорость устройства, подключенного к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов на линиях D+ и D-, смещаемых нагрузочными резисторами приемопередатчиков: устройства с низкой скоростью "подтягивают" к высокому уровню линию D-, с полной -- D+. Подключение устройства HS определяется на этапе обмена конфигурационной информацией -- физически на первое время устройство HS должно подключаться как FS. Передача по двум проводам в USB не ограничивается дифференциальными сигналами. Кроме дифференциального приемника, каждое устройство имеет линейные приемники сигналов D+ и D-, а передатчики этих линий управляются индивидуально. Это позволяет различать более двух состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса.

Введение высокой скорости (480 Мбит/с -- всего в 2 раза медленнее, чем Gigabit Ethernet) требует тщательного согласования приемопередатчиков и линии связи. На этой скорости может работать только кабель с экранированной витой парой для сигнальных линий. Для высокой скорости аппаратура USB должна иметь дополнительные специальные приемопередатчики. В отличие от формирователей потенциала для режимов FS и LS, передатчики HS являются источниками тока, ориентированными на наличие резисторов-терминаторов на обеих сигнальных линиях.

Скорость передачи данных (LS, FS или HS) выбирается разработчиком периферийного устройства в соответствии с потребностями этого устройства. Реализация низких скоростей для устройства обходится несколько дешевле (приемопередатчики проще, а кабель для LS может быть и неэкранированной невитой парой). Если в "старой" USB устройства можно было, не задумываясь, подключать в любой свободный порт любого хаба, то в USB 2.0 при наличии устройств и хабов разных версий появились возможности выбора между оптимальными, неоптимальными и неработоспособными конфигурациями.

Хабы USB 1.1 обязаны поддерживать скорости FS и LS, скорость подключенного к хабу устройства определяется автоматически по разности потенциалов сигнальных линий. Хабы USB 1.1 при передаче пакетов являются просто повторителями, обеспечивающими прозрачную связь периферийного устройства с контроллером. Передачи на низкой скорости довольно расточительно расходуют потенциальную пропускную способность шины: за то время, на которое они занимают шину, высокоскоростное устройство может передать данных в 8 раз больше. Но ради упрощения и удешевления всей системы на эти жертвы пошли, а за распределением полосы между разными устройствами следит планировщик транзакций хост-контроллера.

В спецификации 2.0 скорость 480 Мбит/с должна уживаться с прежними, но при таком соотношении скоростей обмены на FS и LS "съедят" возможную полосу пропускания шины без всякого "удовольствия" (для пользователя). Чтобы этого не происходило, хабы USB 2.0 приобретают черты коммутаторов пакетов. Если к порту такого хаба подключено высокоскоростное устройство (или аналогичный хаб), то хаб работает в режиме повторителя, и транзакция с устройством на HS занимает весь канал до хост-контроллера на все время своего выполнения. Если же к порту хаба USB 2.0 подключается устройство или хаб 1.1, то по части канала до контроллера пакет проходит на скорости HS, запоминается в буфере хаба, а к старому устройству или хабу идет уже на его "родной" скорости FS или LS. При этом функции контроллера и хаба 2.0 (включая и корневой) усложняются, поскольку транзакции на FS и LS расщепляются и между их частями вклиниваются высокоскоростные передачи. От старых (1.1) устройств и хабов все эти тонкости скрываются, что и обеспечивает обратную совместимость. Вполне понятно, что устройство USB 2.0 сможет реализовать высокую скорость, только если по пути от него к хост-контроллеру (тоже 2.0) будут встречаться только хабы 2.0. Если это правило нарушить и между ним и контроллером 2.0 окажется старый хаб, то связь может быть установлена только в режиме FS. Если такая скорость устройство и клиентское ПО устроит (к примеру, для принтера и сканера это выльется только в большее время ожидания пользователя), то подключенное устройство работать будет, но появится сообщение о неоптимальной конфигурации соединений. По возможности ее (конфигурацию) следует исправить, благо переключения кабелей USB можно выполнять на ходу. Устройства и ПО, критичные к полосе пропускания шины, в неправильной конфигурации работать откажутся и категорично потребуют переключений. Если же хост-контроллер старый, то все преимущества USB 2.0 окажутся недоступными пользователю. В этом случае придется менять хост-контроллер (менять системную плату или приобретать PCI-карту контроллера). Контроллер и хабы USB 2.0 позволяют повысить суммарную пропускную способность шины и для старых устройств. Если устройства FS подключать к разным портам хабов USB 2.0 (включая и корневой), то для них суммарная пропускная способность шины USB возрастет по сравнению с 12 Мбит/с во столько раз, сколько используется портов высокоскоростных хабов.

Хаб является ключевым элементом системы PnP в архитектуре USB. Хаб выполняет множество функций:

- обеспечивает физическое подключение устройств, формируя и воспринимая сигналы в соответствии со спецификацией шины на каждом из своих портов;

- управляет подачей питающего напряжения на нисходящие порты, причем предусматривается установка ограничения на ток, потребляемый каждым портом;

- отслеживает состояние подключенных к нему устройств, уведомляя хост об изменениях;

- обнаруживает ошибки на шине, выполняет процедуры восстановления и изолирует неисправные сегменты шины;

- обеспечивает связь сегментов шины, работающих на разных скоростях.

Хаб следит за сигналами, генерируемыми устройствами. Неисправное устройство может не вовремя "замолчать" (потерять активность) или, наоборот, что-то "бормотать" (babble). Эти ситуации отслеживает ближайший к устройству хаб и запрещает восходящие передачи от такого устройства не позже, чем по границе (мик-ро)кадра. Благодаря бдительности хабов эти ситуации не позволят неисправному устройству заблокировать всю шину.

Каждый из нисходящих (downstream) портов может быть разрешен или запрещен, а также сконфигурирован на высокую, полную или ограниченную скорость обмена. Хабы могут иметь световые индикаторы состояния нисходящих портов, управляемые автоматически (логикой хаба) или программно (хост-контроллером). Индикатор может представлять собой пару светодиодов -- зеленый и желтый (янтарный) или один светодиод с изменяющимся цветом. Состояние порта представляется следующим образом:

- не светится -- порт не используется;

- зеленый -- нормальная работа;

- желтый -- ошибка;

- зеленый мигающий -- программа требует внимания пользователя (Software attention);

- желтый мигающий -- аппаратура требует внимания пользователя (Hardware attention).

Восходящий (upstream) порт хаба конфигурируется и внешне представляется как полноскоростной или высокоскоростной (только для USB 2.0). При подключении порт хаба USB 2.0 обеспечивает терминацию по схеме FS, в режим HS он переводится только по команде контроллера.

На рис. 1.17 приведен вариант соединения устройств и хабов, где высокоскоростным устройством USB 2.0 является только телекамера, передающая видеопоток без компрессии. Подключение принтера и сканера USB 1.1 к отдельным портам хаба 2.0, да еще и развязка их с аудиоустройствами, позволяет им использовать полосу шины по 12 Мбит/с каждому. Таким образом, из общей полосы 480 Мбит/с на "старые" устройства (USB 1.0) выделяется 3x12=36 Мбит/с. Вообще-то можно говорить и о полосе в 48 Мбит/с, поскольку клавиатура и мышь подключены к отдельному порту хост-контроллера USB 2.0, но эти устройства "освоят" только малую толику из выделенных им 12 Мбит/с. Конечно, можно подключать клавиатуру и мышь к порту внешнего хаба, но с точки зрения повышения надежности системные устройства ввода лучше подключать наиболее коротким (по количеству кабелей, разъемов и промежуточных устройств) способом. Неудачной конфигурацией было бы подключение принтера (сканера) к хабу USB 1.1 -- во время работы с аудиоустройствами (если они высокого качества) скорость печати (сканирования) будет падать. Неработоспособной конфигурацией явилось бы подключение телекамеры к порту хаба USB 1.1.

При планировании соединений следует учитывать способ питания устройств: устройства, питающиеся от шины, как правило, подключают к хабам, питающимся от сети. К хабам, питающимся от шины, подключают лишь маломощные устройства -- так, к клавиатуре USB, содержащей внутри себя хаб, подключают мышь USB и другие устройства-указатели (трекбол, планшет).

Управление энергопотреблением является весьма развитой функцией USB. Для устройств, питающихся от шины, мощность ограничена. Любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. Рабочий ток (не более 500 мА) заявляется в конфигурации. Если хаб не может обеспечить устройству заявленный ток, оно не конфигурируется и, следовательно, не может быть использовано.

Устройство USB должно поддерживать режим приостановки (suspended mode), в котором его потребляемый ток не превышает 500 мкА. Устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины.

Рисунок 1.17 - Пример конфигурации соединений

Возможность удаленного пробуждения (remote wakeup) позволяет приостановленному устройству подать сигнал хост-компьютеру, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена.

1.4.2 Применение шины USB

Благодаря своей универсальности и способности эффективно передавать разнородньш трафик, шина USB применяется для подключения к PC самых разнообразных устройств. Она призвана заменить традиционные порты PC -- СОМ и LPT, а также порты игрового адаптера и интерфейса MIDI. Спецификация USB 2.0 позволяет говорить и о подключении традиционных "клиентов" шин АТА и SCSI, а также захвате части ниши применения шины FireWire. Привлекательность USB придает возможность подключения/отключения устройств на ходу и возможность их использования практически сразу, без перезагрузки ОС. Удобна и возможность подключения большого количества (до 127) устройств к одной шине, правда, при наличии хабов. Хост-контроллер интегрирован в большинство современных системных плат. Выпускаются и карты расширения с контроллерами USB (обычно для шины PCI). Однако повсеместное применение USB сдерживается недостаточной активностью разработчиков ПО (производителей оборудования): просматривая перечни устройств, мы видим, что для всех указывается поддержка в Windows 98/SE/ME, а вот в графах Linux, MacOS, Unix и даже Windows 2000 часто стоят неприятные пометки N/A (Not Allowed -- "не дозволено"). Для того чтобы система USB заработала, необходимо, чтобы были загружены драйверы хост-контроллера (или контроллеров, если их несколько). При подключении устройства к шине USB ОС Windows выдает сообщение "Обнаружено новое устройство" и, если устройство подключается впервые, предлагает загрузить для него драйверы. Многие модели устройств уже известны системе, и драйверы входят в дистрибутив ОС. Однако может потребоваться и драйвер изготовителя устройства, который должен входить в комплект поставки устройства, или его придется искать в Сети. К сожалению, не все драйверы работают корректно -- "сырой" драйвер начальной версии, возможно, потребуется заменить более "правильным", чтобы устройство нормально опознавалось и хорошо работало. Но это общее горе пользователей любых устройств, а не только устройств для шины USB.

Перечислим основные области применения USB.

Устройства ввода -- клавиатуры, мыши, трекболы, планшетные указатели и т. п. Здесь USB предоставляет для различных устройств единый интерфейс. Целесообразность использования USB для клавиатуры неочевидна, хотя в паре с мышью USB (подключаемой к порту хаба, встроенного в клавиатуру) сокращается количество кабелей, тянущихся от системного блока на стол пользователя.

Принтеры. USB 1.1 обеспечивает примерно ту же скорость, что и LPT-порт в режиме ЕСР, но при использовании USB не возникает проблем с длиной кабеля и подключением нескольких принтеров к одному компьютеру (правда, требуются хабы). USB 2.0 позволит ускорить печать в режиме высокого разрешения за счет сокращения времени на передачу больших массивов данных. Однако есть проблема со старым ПО, которое непосредственно работает с LPT- портом на уровне регистров, -- на принтер USB оно печатать не сможет.

Сканеры. Применение USB позволяет отказаться от контроллеров SCSI или от занятия LPT-порта. USB 2.0 при этом позволит еще и повысить скорость передачи данных.

Аудиоустройства -- колонки, микрофоны, головные телефоны (наушники). USB позволяет передавать потоки аудиоданных, достаточные для обеспечения самого высокого качества. Передача в цифровом виде от самого источника сигнала (микрофона со встроенным преобразователем и адаптером) до приемника и цифровая обработка в хост-компьютере позволяют избавиться от наводок, свойственных аналоговой передачи аудиосигналов. Использование этих аудио-компонентов позволяет в ряде случаев избавиться от звуковой карты компьютера -- аудиокодек (АЦП и ЦАП) выводится за пределы компьютера, а все функции обработки сигналов (микшер, эквалайзер) реализуются центральным процессором чисто программно. Аудиоустройства могут и не иметь собственно колонок и микрофона, а ограничиться преобразователями и стандартными гнездами ("Джеками") для подключения обычных аналоговых устройств.

Музыкальные синтезаторы и MIDI-контроллеры с интерфейсом USB. Шина USB позволяет компьютеру обрабатывать потоки множества каналов MIDI (пропускная способность традиционного интерфейса MIDI уже гораздо ниже возможностей компьютера).

Видео- и фотокамеры. USB 1.1 позволяет передавать статические изображения любого разрешения за приемлемое время, а также передавать поток видеоданных (живое видео) с достаточной частотой кадров (25-30 Кбит/с) только с невысоким разрешением или сжатием данных, от которого, естественно, страдает качество изображения. USB 2.0 позволяет передавать поток видеоданных высокого разрешения без сжатия (и потери качества). С интерфейсом USB выпускают как камеры, так и устройства захвата изображения с телевизионного сигнала и TV-тюнеры.

Коммуникации. С интерфейсом USB выпускают разнообразные модемы, включая кабельные и xDSL, адаптеры высокоскоростной инфракрасной связи (IrDA FIR) -- шина позволяет преодолеть предел скорости СОМ-порта (115,2 Кбит/с), не повышая загрузку центрального процессора. Выпускаются и сетевые адаптеры Ethernet, подключаемые к компьютеру по USB. Для соединения нескольких компьютеров в локальную сеть выпускаются специальные устройства, выполняющие коммутацию пакетов между компьютерами. Непосредственно (без дополнительных устройств) портами USB соединить между собой даже два компьютера нельзя -- на одной шине может присутствовать лишь один хост-контроллер (см. выше). Специальное устройство для связи пары компьютеров выглядит как "таблетка", врезанная в кабель USB с двумя вилками типа "А" на концах. Объединение более двух компьютеров осложняется и топологиче скими ограничениями USB: длина одного сегмента кабеля не должна превышать 5 м, а использовать хабы для увеличения дальности неэффективно (каждый хаб дает всего 5 м дополнительного удаления).

Преобразователи интерфейсов позволяют через порт USB, имеющийся теперь практически на всех компьютерах, подключать устройства с самыми разнообразными интерфейсами: Centronics и IEEE 1284 (LPT-порты), RS-232C (эмуляция UART 16550A -- основы СОМ-портов) и другие последовательные интерфейсы (RS-422, RS-485, V.35...), эмуляторы портов клавиатуры и даже Game-порта, переходники на шину AT A, ISA, PC Card и любые другие, для которых достаточно производительности. Здесь USB становится палочкой-выручалочкой, когда встает проблема 2-го (3-го) LPT- или СОМ-порта в блокнотном ПК и в других ситуациях. При этом ПО преобразователя может обеспечить эмуляцию классического варианта "железа" стандартных портов IBM PC, но только под управлением ОС защищенного режима. Приложение MS-DOS может обращаться к устройствам по адресам ввода-вывода, памяти, прерываниями, каналами DMA, но только из сеанса MS-DOS, открытого в ОС с поддержкой USB (чаще это Windows). При загрузке "голой" MS-DOS "палочка-выручалочка" не работает. Преобразователи интерфейсов позволяют продлить жизнь устройствам с традиционными интерфейсами, изживаемыми из PC спецификациями РС'99 и РС'2001. Скорость передачи данных через конвертер USB -- LPT может оказаться даже выше, чем у реального LPT-порта, работающего в режиме SPP.

Устройства хранения -- винчестеры, устройства чтения и записи CD и DVD, стриммеры -- при использовании USB 1.1 получают скорость передачи, соизмеримую со скоростью их подключения к LPT, но более удобный интерфейс (как аппаратный, так и программный). При переходе на USB 2.0 скорость передачи данных становится соизмеримой с АТА и SCSI, а ограничений по количеству устройств достичь трудно. Особенно интересно использование USB для электронных устройств энергонезависимого хранения (на флэш-памяти) -- такой накопитель может быть весьма компактным (размером с брелок для ключей) и емким (пока 16-256 Мбайт, в перспективах -- гигабайт и более). Выпускаются устройства для мобильного подключения накопителей с интерфейсом АТА-ATAPI -- по сути, это лишь преобразователи интерфейсов, помещенные в коробку-отсек формата 5" или 3,5", а иногда выполненные прямо в корпусе 36-контактного разъема АТА. Имеются и устройства чтения-записи карт SmartMedia Card и CompactFlash Card.

Игровые устройства -- джойстики всех видов (от "палочек" до автомобильных рулей), пульты с разнообразными датчиками (непрерывными и дискретными) и исполнительными механизмами (почему бы не сделать кресло автогонщика с вибраторами и качалками?) -- подключаются унифицированным способом. При этом исключается ресурсопожирающий интерфейс старого игрового адаптера (упраздненного уже в спецификации РС'99).

Телефоны -- аналоговые и цифровые (ISDN). Подключение телефонного аппарата позволяет превратить компьютер в секретаря с функциями автодозвона, автоответчика, охраны и т. п.

Мониторы -- здесь шина USB используется для управления параметрами монитора. Монитор сообщает системе свой тип и возможности (параметры синхронизации) -- это делалось и без USB по шине DDC. Однако USB-мониторы позволяют системе еще и управлять ими -- регулировки яркости, контраста, цветовой температуры и т. п. могут теперь выполняться программно, а не только от кнопок лицевой панели монитора. В мониторы, как правило, встраивают хабы. Это удобно, поскольку настольную периферию не всегда удобно включать в "подстольный" системный блок.

Электронные ключи -- устройства с любым уровнем интеллектуальности защиты -- могут быть выполнены в корпусе вилок USB. Они гораздо компактнее и мобильнее аналогичных устройств для СОМ- и LPT-портов.

Конечно же, перечисленными классами устройств сфера применения шины USB не ограничивается.

Хабы USB выпускаются как в виде отдельных устройств, так и встраиваются в периферийные устройства (клавиатуры, мониторы). Как правило, хабы питаются от сети переменного тока (они должны питать подключаемые устройства). Выпускают и хабы, устанавливаемые внутрь системного блока компьютера и питающиеся от его блока питания. Такие хабы дешевле внешних и не требуют дополнительной питающей розетки. Один из вариантов исполнения -- установка хаба на скобку, монтируемую в окно для дополнительных разъемов. Доступ к их разъемам со "спины" системного блока не очень удобен для пользователей. Другой вариант -- хаб, устанавливаемый в 3"-отсек. Его разъемы легкодоступны, индикаторы состояния портов хорошо видны, но не всегда удобны кабели, выходящие с передней панели системного блока. С другой стороны, для подключения электронных ключей (если их приходится часто менять) или миниатюрных накопителей этот вариант -- самый удобный.

Недавно появились и новые вспомогательные устройства, увеличивающие дальность связи (distance extender). Это пара устройств, соединяемых между собой обычным кабелем "витая пара" (или оптоволокном), включаемая между периферийным устройством и хабом. "Удлинитель" со стороны периферии может иметь и хаб на несколько портов. К сожалению, увеличение дистанции упирается в ограничения на время задержки сигнала, свойственные протоколу шины USB, и достижимо лишь удаление до 100 м. Но даже и эта длина позволяет расширить сферу применения USB, например для удаленного видеонаблюдения.

1.4.3 Разработка собственных устройств USB

Несмотря на довольно сложный протокол обмена, интерфейсом USB можно снабдить и периферийные устройства собственной разработки. Для этого выпускается широкий ассортимент микросхем, со стороны USB различающихся скоростями обмена (LS, FS или HS), числом и возможностями конечных точек (тип передач, размер буфера). Функциональное назначение этих микросхем различно. С портом USB выпускаются микроконтроллеры на ядре MCS51, М68НС05, М68НС11 или RISC-архитектуры; они различаются объемом памяти (оперативной и энергонезависимой), производительностью, питанием, потреблением. Микроконтроллеры могут иметь встроенные устройства АЦП/ЦАП, дискретные линии ввода-вывода общего назначения, последовательные и параллельные порты различных типов. Их можно использовать для подключения устройств с любыми интерфейсами, сигнальных процессоров и т. п. Из этого ассортимента можно выбрать подходящую микросхему, на базе которой разрабатываемое устройство будет реализовано с минимальным числом дополнительных элементов. К микроконтроллерам прилагаются и средства разработки их встроенного ПО (firmware) -- самой сложной части такого устройства. Есть микроконтроллеры с USB, способные работать без программирования энергонезависимой памяти; микроконтроллеры серии EzUSB фирмы Cypress Semiconductor каждый раз загружают свою программу в ОЗУ по шине USB из хост-компьютера в процессе подключения. Конечно, такая гибкость нужна не всегда, и до подключения к компьютеру устройство остается "мертвым".

Есть и периферийные микросхемы -- порты USB, подключаемые к микроконтроллерам параллельной 8/16-битной шиной данных с обычным набором управляющих сигналов (CS#, RD#, WR#...), линией запроса прерывания и, возможно, сигналами канала DMA. Выпускаются и специализированные преобразователи интерфейсов USB в последовательный (RS-232, RS-422/485) и параллельный, не требующие программирования (нужно лишь записать в EEPROM идентификатор устройства). Есть и микросхемы USB, сочетающие в себе и функции, и хабы. Все варианты не перечислить, тем более что все время появляются новые микросхемы. Информацию о них можно найти в Сети (www.cypress.com, www.devasys.com, www.iged.com, www.microchip.com, www.netchip.com, www.motorola.com, www.semiconductor.philips.com, www.natsemi.com, www.intel.com, www.ftdichip.com, www.gigatechnology.com). Немаловажная часть разработки собственных устройств -- программное обеспечение для хост-компьютера, которое доносит до пользователя всю пользу устройства. В ряде случаев удается воспользоваться готовыми драйверами (например, драйвером виртуального СОМ-порта для преобразователя интерфейса). В других случаях ПО приходится писать самостоятельно, и хорошо, когда изготовитель микросхем с USB заботится о предоставлении инструментальных средств разработки всех частей ПО.

2. ТЕСТИРОВАНИЕ ИНТЕРФЕЙСОВ

2.1 Тестирование параллельных портов

Тестирование параллельных портов разумно начинать с проверки их наличия в системе. Список адресов установленных портов появляется в таблице, выводимой BIOS на экран перед загрузкой ОС. Список можно посмотреть и с помощью тестовых программ или прямо в BIOS Data Area с помощью отладчика.

Если BIOS обнаруживает меньше портов, чем установлено физически, скорее всего, двум портам присвоен один и тот же адрес. При этом работоспособность ни одного из конфликтующих портов не гарантируется: они будут одновременно выводить сигналы, но при чтении регистра состояния конфликт на шине, скорее всего, приведет к искажению данных. Программное тестирование порта без диагностической заглушки (Loop Back) не покажет ошибок, поскольку при этом читаются данные выходных регистров, а они у всех конфликтующих (по отдельности исправных портов) совпадут. Именно такое тестирование производит BIOS при проверке на наличие портов. Разбираться с такой ситуацией следует, последовательно устанавливая порты и наблюдая за адресами, появляющимися в списке.

Если физически установлен только один порт, a BIOS его не обнаруживает, то либо порт отключен при конфигурировании, либо он вышел из строя (скорее всего из-за нарушений правил подключения). Если вам везет, неисправность устраняется "передергиванием" платы в слоте -- там иногда возникают проблемы с контактами.

Наблюдаются и такие "чудеса" -- при "теплой" перезагрузке DOS после Windows 95 порт не виден (и приложения не могут печатать из MS-DOS). Однако после повторной перезагрузки DOS порт оказывается на месте. С этим явлением легче смириться, чем бороться.

Тестирование портов с помощью диагностических программ позволяет проверить выходные регистры, а при использовании специальных заглушек -- и входные линии. Поскольку количество выходных линий порта (12) и входных (5) различно, то полная проверка порта с помощью пассивной заглушки принципиально невозможна. Разные программы тестирования требуют применения разных заглушек (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 - Схема заглушки для тестирования LPT-порта