«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).