«Диагностика портов ЭВМ»

Последовательная передача данных

Микропроцессорная система без средств ввода и вывода оказывается бесполезной. Характеристики и объемы ввода и вывода в системе определяются, в первую очередь, спецификой ее применения — например, в микропроцессорной системе управления некоторым промышленным процессом не требуется клавиатура и дисплей, так как почти наверняка ее дистанционно программирует и контролирует главный микрокомпьютер (с использованием последовательной линии RS–232C).

Поскольку данные обычно представлены на шине микропроцессора в параллельной форме (байтами, словами), их последовательный ввод–вывод оказывается несколько сложным. Для последовательного ввода потребуется средства преобразования последовательных входных данных в параллельные данные, которые можно поместить на шину. С другой стороны, для последовательного вывода необходимы средства преобразования параллельных данных, представленных на шине, в последовательные выходные данные. В первом случае преобразование осуществляется регистром сдвига с последовательным входом и параллельным выходом (SIPO), а во втором — регистром сдвига с параллельным входом и последовательным выходом (PISO).

Последовательные данные передаются в синхронном или асинхронном режимах. В синхронном режиме все передачи осуществляются под управлением общего сигнала синхронизации, который должен присутствовать на обоих концах линии связи. Асинхронная передача подразумевает передачу данных пакетами; каждый пакет содержит необходимую информацию, требующуюся для декодирования содержащихся в нем данных. Конечно, второй режим сложнее, но у него есть серьезное преимущество: не нужен отдельный сигнал синхронизации.

Существуют специальные микросхемы ввода и вывода, решающие проблемы преобразования, описанные выше. Вот список наиболее типичных сигналов таких микросхем:

D0–D7 — входные–выходные линии данных, подключаемые непосредственно к шине процессора;

RXD — принимаемые данные (входные последовательные данные);

TXD — передаваемые данные (выходные последовательные данные);

CTS — сброс передачи. На этой линии периферийное устройство формирует сигнал низкого уровня, когда оно готово воспринимать информацию от процессора;

RTS — запрос передачи. На эту линию микропроцессорная система выдает сигнал низкого уровня, когда она намерена передавать данные в периферийное устройство.

Все сигналы программируемых микросхем последовательного ввода–вывода ТТЛ–совместимы. Эти сигналы рассчитаны только на очень короткие линии связи. Для последовательной передачи данных на значительные расстояния требуются дополнительные буферы и преобразователи уровней, включаемые между микросхемами последовательного ввода–вывода и линией связи.

Общие сведения о интерфейсе RS–232C

Интерфейс RS–232C является наиболее широко распространенной стандартной последовательной связью между микрокомпьютерами и периферийными устройствами. Интерфейс, определенный стандартом Ассоциации электронной промышленности (EIA), подразумевает наличие оборудования двух видов: терминального DTE и связного DCE.

Чтобы не составить неправильного представления об интерфейсе RS–232C, необходимо отчетливо понимать различие между этими видами оборудования. Терминальное оборудование, например микрокомпьютер, может посылать и (или) принимать данные по последовательному интерфейсу. Оно как бы оканчивает (terminate) последовательную линию. Связное оборудование — устройства, которые могут упростить передачу данных совместно с терминальным оборудованием. Наглядным пример связного оборудования служит модем (модулятор–демодулятор). Он оказывается соединительным звеном в последовательной цепочке между компьютером и телефонной линией.

Различие между терминальными и связными устройствами довольно расплывчато, поэтому возникают некоторые сложности в понимании того, к какому типу оборудования относится то или иное устройство. Рассмотрим ситуацию с принтером. К какому оборудованию его отнести? Как связать два компьютера, когда они оба действуют как терминальное оборудование. Для ответа на эти вопросы следует рассмотреть физическое соединение устройств. Произведя незначительные изменения в линиях интерфейса RS–232C, можно заставить связное оборудование функционировать как терминальное. Чтобы разобраться в том, как это сделать, нужно проанализировать функции сигналов интерфейса RS–232C (таблица 1).

Таблица 1. Функции сигнальных линий интерфейса RS–232C.

Номер контакта

Сокращение

Направление

Полное название

1

FG

—

Основная или защитная земля

2

TD (TXD)

К DCE

Передаваемые данные

3

RD (RXD)

К DTE

Принимаемые данные

4

RTS

К DCE

Запрос передачи

5

CTS

К DTE

Сброс передачи

6

DSR

К DTE

Готовность модема

7

SG

—

Сигнальная земля

8

DCD

К DTE

Обнаружение несущей данных

9

—

К DTE

(Положительное контрольное напряжение)

10

—

К DTE

(Отрицательное контрольное напряжение)

11

QM

К DTE

Режим выравнивания

12

SDCD

К DTE

Обнаружение несущей вторичных данных

13

SCTS

К DTE

Вторичный сброс передачи

14

STD

К DCE

Вторичные передаваемые данные

15

TC

К DTE

Синхронизация передатчика

16

SRD

К DTE

Вторичные принимаемые данные

17

RC

К DTE

Синхронизация приемника

18

DCR

К DCE

Разделенная синхронизация приемника

19

SRTS

К DCE

Вторичный запрос передачи

20

DTR

К DCE

Готовность терминала

21

SQ

К DTE

Качество сигнала

22

RI

К DTE

Индикатор звонка

23

—

К DCE

(Селектор скорости данных)

24

TC

К DCE

Внешняя синхронизация передатчика

25

—

К DCE

(Занятость)

Примечания:

1. Линии 11, 18, 25 обычно считают незаземленными. Приведенная в таблице спецификация относится к спецификациям Bell 113B и 208A.

2. Линии 9 и 10 используются для контроля отрицательного (MARK) и положительного (SPACE) уровней напряжения.

3. Во избежание путаницы между RD (Read — считывать) и RD (Received Data — принимаемые данные) будут использоваться обозначения RXD и TXD, а не RD и TD.

Стандартный последовательный порт RS–232C имеет форму 25–контактного разъема типа D (рис 1).

Рис. 1. Назначение линий 25–контактного разъема типа D для интерфейса RS–232C

Терминальное оборудование обычно оснащено разъемом со штырьками, а связное — разъемом с отверстиями (но могут быть и исключения).

Сигналы интерфейса RS–232C подразделяются на следующие классы.

Последовательные данные (например, TXD, RXD). Интерфейс RS–232C обеспечивает два независимых последовательных канала данных: первичный (главный) и вторичный (вспомогательный). Оба канала могут работать в дуплексном режиме, т.е. одновременно осуществляют передачу и прием информации.

Управляющие сигналы квитирования (например, RTS, CTS). Сигналы квитирования — средство, с помощью которого обмен сигналами позволяет DTE начать диалог с DCE до фактической передачи или приема данных по последовательной линии связи.

Сигналы синхронизации (например, TC, RC). В синхронном режиме (в отличие от более распространенного асинхронного) между устройствами необходимо передавать сигналы синхронизации, которые упрощают синхронизм принимаемого сигнала в целях его декодирования.

На практике вспомогательный канал RS–232C применяется редко, и в асинхронном режиме вместо 25 линий используются 9 линий (таблица 2).

Таблица 2. Основные линии интерфейса RS–232C.

Номер контакта

Сигнал

Выполняемая функция

1

FG

Подключение земли к стойке или шасси оборудования

2

TXD

Последовательные данные, передаваемые от DTE к DCE

3

RXD

Последовательные данные, принимаемые DTE от DCE

4

RTS

Требование DTE послать данные к DCE

5

CTS

Готовность DCE принимать данные от DTE

6

DSR

Сообщение DCE о том, что связь установлена

7

SG

Возвратный тракт общего сигнала (земли)

8

DCD

DTE работает и DCE может подключится к каналу связи

Виды сигналов

В большинстве схем, содержащих интерфейс RS–232C, данные передаются асинхронно, т.е. в виде последовательности пакета данных. Каждый пакет содержит один символ кода ASCII, причем информация в пакете достаточна для его декодирования без отдельного сигнала синхронизации.

Символы кода ASCII представляются семью битами, например буква А имеет код 1000001. Чтобы передать букву А по интерфейсу RS–232C, необходимо ввести дополнительные биты, обозначающие начало и конец пакета. Кроме того, желательно добавить лишний бит для простого контроля ошибок по паритету (четности).

Наиболее широко распространен формат, включающий в себя один стартовый бит, один бит паритета и два стоповых бита. Начало пакета данных всегда отмечает низкий уровень стартового бита. После него следует 7 бит данных символа кода ASCII. Бит четности содержит 1 или 0 так, чтобы общее число единиц в 8–битной группе было нечетным. Последним передаются два стоповых бита, представленных высоким уровнем напряжения. Эквивалентный ТТЛ–сигнал при передаче буквы А показан на рис. 2.

Рис. 2. Представление кода буквы А сигнальными уровнями ТТЛ.

Таким образом, полное асинхронно передаваемое слово состоит из 11 бит (фактически данные содержат только 7 бит) и записывается в виде 01000001011.

Используемые в интерфейсе RS–232C уровни сигналов отличаются от уровней сигналов, действующих в компьютере. Логический 0 (SPACE) представляется положительным напряжением в диапазоне от +3 до +25 В, логическая 1 (MARK) — отрицательным напряжением в диапазоне от –3 до –25 В. На рис. 3 показан сигнал в том виде, в каком он существует на линиях TXD и RXD интерфейса RS–232C.

Рис. 3. Вид кода буквы А на сигнальных линиях TXD и RXD.

Сдвиг уровня, т.е. преобразование ТТЛ–уровней в уровни интерфейса RS–232C и наоборот производится специальными микросхемами драйвера линии и приемника линии.

На рис. 4 представлен типичный микрокомпьютерный интерфейс RS–232C. Программируемая микросхема DD1 последовательного ввода осуществляет параллельно–последовательные и последовательно–параллельные преобразования данных. Микросхемы DD2 и DD3 производят сдвиг уровней для трех выходных сигналов TXD, RTS, DTR, а микросхема DD4 — для трех входных сигналов RXD, CTS, DSR. Микросхемы DD2 и DD3 требуют напряжения питания ±12 В.

Рис. 4. Типичная схема интерфейса RS–232C.

Параллельный порт

Устройство печати IBM PC-подобных компьютеров обычно подключается к параллельному интерфейсу. Для подключения используется стандартный разъем Centronix, имеющий 36 контактных выходов (отечественный аналог ИРПР-М). Допускается три варианта подключения принтеров к ПЭВМ:

- адаптер принтера может находится на одной плате с адаптером монохромного дисплея, при этом используются порты 3BCh - 3BEh;

- к ПЭВМ могут подключены два отдельных адаптера для управления принтерами, использующие порты 378h - 37Ah (первый адаптер) и 278h - 27Ah (второй адаптер).

При программировании принтера важно знать адрес базового порта ввода-вывода (первого порта из трех); адреса базовых портов хранятся в области данных BIOS, начиная с адреса 0:408h (LPT1) и далее по слову на принтер до LPT4. Дальнейшее описание предполагает, что базовый адрес принтера равен 378h.

Порт Операция Описание

----------------------------------------------------------------

378h Запись Регистр данных - сюда засылается байт, посылаемый на печать

Чтение Регистр данных - позволяет считать последний переданный в принтер байт

379h Чтение Регистр состояния принтера:

7 6 5 4 3 2 1 0

+--------------------+

¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦X¦X¦X¦ Биты:

+--------------------+ -----

¦ ¦ ¦ ¦ +---------> 3: 0=при печати возникла ошибка

¦ ¦ ¦ +------------> 4: 0=принтер в автономном режиме

¦ ¦ +---------------> 5: 1=сигнал "конец бумаги"

¦ +------------------> 6: 0=принтер готов к печати

¦ следующего символа

+---------------------> 7: 0=принтер занят, находится в

автономном режиме или

произошла ошибка

37Ah Чтение/ Регистр управления принтером:

Запись

7 6 5 4 3 2 1 0

+--------------------+

¦X¦X¦X¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ Биты:

+--------------------+ -----

¦ ¦ ¦ ¦ +---> 0: бит запуска печати (см. ниже)

¦ ¦ ¦ +------> 1: 1=после возврата каретки выводить

¦ ¦ ¦ перевод строки (в MS-DOS должен

¦ ¦ ¦ быть сброшен)

¦ ¦ +---------> 2: 1=инициализировать принтер

¦ +------------> 3: 1=разрешить вывод на печать (должен

¦ быть всегда установлен)

+---------------> 4: 1=разрешить прерывания от принтера

Примечания.

1. Для запуска печати символа нужно на короткое время установить бит 0 регистра управления, а затем сбросить его.

2. Прерывание происходит по окончании вывода символа на печать: для первого принтера на седьмом уровне контроллера прерываний (IRQ7, вектор прерывания 0Fh), для второго принтера - на пятом уровне (IRQ5, вектор 0Dh). Следует отметить также, что IRQ5 используется XT-контроллером жестких дисков для генерации своих прерываний. Обычно этот бит не используется (сбрасывается), а проверка готовности принтера производится на основании опроса регистра состояния.

Типичная последовательность действий для вывода на печать одного символа такова:

- вывести передаваемый байт в регистр данных;

- в цикле проверять состояние принтера до устaновки бита 7 регистра состояния (здесь возможно использование таймаута);

- проверить биты 3-5 регистра состояния на наличие ошибки;

- установить и сразу же сбросить нулевой бит регистра управления, для этого подходит следующая последовательность команд:

mov dx,37Ah ;адрес регистра управления

mov al,00001101b ;установить биты 0,2 и 3

out dx,al ;вывести команду

xor al,1 ;сбросить бит 0

out dx,al ;повторно вывести команду

- далее можно прочитать и запрограммировать регистр состояния и перейти к печати следуюего символа.

Несмотря на простоту управления, принтер представляет из себя достаточно сложное устройство, имеющее свой микропроцессор,

ПЗУ и ОЗУ. Микропроцессор используется для обработки управляющих

последовательностей и управления печатью. ПЗУ содержит описание рисунков символов в зависимости от их кода и выбранной таблицы и программы на языке используемого микропроцессора. ОЗУ используется для временного хранения введенных данных и спроектированных пользователем символов. Ряд принтеров, помимо интерфейса Centronix, могут поключаться и к последовательному интерфейсу. Принтер обрабатывает ряд спецсимволов (таких, как звонок, забой, горизонтальная и вертикальная табуляция), а также имеет достаточно сложную систему команд для изменения режимов работы и управления печатью.

Обычно команды начинаются с символа ESC (шестнадцатиричный код 1Bh) и имеют длину от двух байт и более (существуют командные последовательности, включающие по несколько килобайт информации, например команды загрузки спроектированных пользователем шрифтов). Спецсимволы и байты команд передаются принтеру так же, как и обычные символы, предназначеные для печати, описанным выше способом. Подобный способ управления удобен для программного изменения режимов работы устройства. Учитывая, что выпуском принтеров для ПЭВМ занимается достаточно большое число компаний и возможности принтеров постоянно совершенствуются, нет смысла приводить полностью какую-либо систему команд, так как, во-первых, она в разных марках и моделях принтеров различна, и, во-вторых, достаточно полно описывается в документации на каждый конкретный принтер.

Существует 2 основных стандарта на систему команд и таблицу используемых символов (стандарты IBM и EPSON), которых в основном придерживаются фирмы-изготовители, оставляя за собой право вносить в них изменения и дополнения. Единого стандарта как на систему команд, так и на расположение и рисунки символов второй половины таблицы ASCII (коды 129-255) нет. Наиболее часто используемые команды:

- установка вида шрифта и режима печати;

- черновой текстовый (draft) нормальной ширины (pica), узкий (condensed) или средней ширины (elita).

- качественный шрифт (NLQ, Proportional, Orator, Script и т. д.);

-выбор таблицы символов из ПЗУ (обычно имеется несколько таблиц, отличающихся расположением управляющих кодов, наличием и расположением псевдографических символов или курсива);

- загрузка в ОЗУ принтера спроектированных пользователем шрифтов и работа с ОЗУ принтера (именно в этой группе команд, имеются наибольшие различия между разными моделями);

- управление принтером в режиме точечной графики;

- установка служебных параметров (размеры отступов, страницы, шаг табуляции, расстояние между строками) и изменение характеристик (сброс, включение/отключение датчика конца бумаги, печать в одну или в две стороны и т. п.).

Ряд характеристик и режимов работы может выбираться как программно, так и аппаратно с использованием кнопок и клавиш на лицевой панели и DIP-переключателей. Существуют характеристики, изменить которые можно только аппаратно (например, возможность загрузки шрифтов или размер используемого ОЗУ).