Вопрос 18(Интерфейсы рс. Основные группы сигналов)

Интерфейс клавиатуры

Для подключения клавиатуры предназначен последовательный синхронный интерфейс, состоящий из двух обязательных сигналов KB-Data и KB-Clock. Необязательный сигнал KB- Reset сбрасывает клавиатуру низким уровнем сигнала. Интерфейс на системной плате XT реализован аппаратной логикой — регистром сдвига, параллельный выход которого подключается ко входам порта A системного интерфейса i8255. По приему байта от клавиатуры вырабатывается аппаратное прерывание IRQ2, обработчик которого может прочитать принятый байт из порта 60h. С помощью бит 7 и 6 порта 61h возможны программная блокировка и сброс клавиатуры соответственно. Сброс клавиатуры XT осуществляется обнулением линии KB-Clock.

Интерфейс клавиатуры AT построен на микроконтроллере i8042, обеспечивающем в отличие от XT двунаправленный интерфейс с клавиатурой. Передача информации к клавиатуре используется для управления индикаторами ее состояния и программирования параметров (автоповтор, набор скан-кодов).

Хотя электрический интерфейс клавиатур XT и AT совпадает (за исключением двунаправленного обмена в AT), логические форматы посылок существенно отличаются. POST способен производить диагностику клавиатуры. Подключение клавиатуры неподходящего типа или отсутствие клавиатуры он воспримет как ошибку. Если проверка клавиатуры разрешена в BIOS Setup, то по этой ошибке POST будет дожидаться получения кода клавиши F1. Вид разъемов клавиатур (со стороны задней панели) и назначение контактов приведены на рис. 3.1.

Конструктивно возможны два варианта разъема — обычная 5-контактная розетка DIN или малогабаритная розетка mini-DIN (PS/2). На этот же разъем через плавкий предохранитель поступает напряжение питания клавиатуры +5 В. Электрически и логически интерфейс клавиатуры PS/2 повторяет AT, поэтому для согласования типа разъема применяют специальные переходники. Предпочтительнее использовать переходники, выполненные в виде мягкого кабеля с разъемами. Монолитный переходник, особенно с AT- клавиатуры на PS/2-разъем, хуже тем, что малейшее движение кабеля вызывает большой момент силы, выламывающей переходник из маленького гнезда PS/2

Интерфейсы манипуляторов

Устройство ввода мышь (mouse) передает в систему информацию о своем перемещении и нажатии-отпускании кнопок. Обычная конструкция имеет свободно вращающийся массивный обрезиненный шарик, передающий вращение на два координатных диска с фотоэлектрическими датчиками — две открытые оптопары (светодиод — фотодиод), в оптический канал которых входит вращающийся диск с прорезями.

По интерфейсу с компьютером различают три основных вида мышей: Bus Mouse, Serial Mouse и PS/2-Mouse. Ожидается появление мышей с интерфейсом USB.

Bus Mouse (шинная мышь) — вариант, применявшийся в первых мышках. Содержит только датчики и кнопки; обработка их сигналов производится на специализированной плате адаптера. Мультипортовые карты (COM-, LPT- и GAME-порты), на которых установлен и адаптер Bus Mouse, встречаются редко. Кабель 9-проводный, разъем специальный , хотя на первый взгляд напоминает разъем PS/2- Mouse.

Интерфейс игрового адаптера — GAME-порт

Интерфейс игрового адаптера занимает особое место в классификации. Он позволяет вводить значения дискретных (4 бита) и аналоговых сигналов (сопротивления 4 резисторов). Изначально порт был предназначен для подключения джойстиков и других игровых устройств ввода (Paddle), но может применяться и для подключения «серьезных» датчиков. Метод измерения сопротивления основан на программном определении длительности импульса, пропорциональной величине сопротивления. Преобразование начинается по выводу любого байта в регистр адаптера (201h), при этом биты 0–3 устанавливаются в 1. Время измеряется до возврата в нулевое состояние бит 0–3, соответствующих четырем аналоговым каналам. Если аналоговый вход закорочен на шину GND или цепь измеряемого сопротивления разорвана, соответствующий бит не обнулится. Поэтому в программе преобразования должен быть предусмотрен тайм-аут. Для измеряемых сопротивлений в диапазоне 0–100 кОм время определяется по формуле

T=24,2+11xR.

где T — время (в микросекундах), а R — сопротивление (в килоомах).

Точность и линейность преобразования невысока, преобразование выполняется не быстро (до 1,12 мс) и сильно загружает процессор. Однако, в отличие от «настоящих» аналого-цифровых преобразователей, этот достается даром — игровой адаптер входит в состав практически всех комбинированных плат последовательных и параллельных портов и звуковых карт.

Порт имеет разъем-розетку DB-15S. Назначение выводов и соответствие сигналов битам регистра приведено в табл. 3.3. Резисторы подключаются к шине питания +5 В, кнопки — к шине GND . Замыканию кнопок соответствуют нули в битах 5–7. Аналоговые каналы можно использовать для дискретного ввода, если их входы подключить к кнопкам, замыкающим их на шину GND, и к резисторам, «подтягивающим» их к уровню + 5 В. Два джойстика (A и B) подключаются через Y- образный переходник-разветвитель. На звуковых картах через разъем «Game» вместе с джойстиками могут подключаться и внешние MIDI-устройства через специальный кабель-адаптер, обеспечивающий гальваническую развязку входного сигнала и ограничение выходного тока . Для интерфейса MIDI используются контакты 12 и 15, ранее предназначавшиеся для шин GND и +5V. Такое назначение делает безопасным подключение адаптера MIDI к «чистому» игровому порту и обычного джойстика к игровому порту с сигналами MIDI.

Аудиоинтерфейсы

В первых PC этот интерфейс был однонаправленным — традиционный канал управления (PC Speaker) звуком представлял собой примитивный синтезатор. Теперь для звуковоспроизведения (и звукозаписи) используется ставший стандартным двунаправленный цифровой аудиоканал. Роль PC Speaker сводится к подачам гудков при загрузке, идентификации ошибок во время POST, а также к сопровождению сообщений об ошибках.

PC Speaker

Стандартный канал управления звуком PC Speaker рассчитан на подключение высокоомного малогабаритного динамика. Логическая схема канала приведена на рис. 3.5. Звук формируется из тонального сигнала от второго канала системного таймера, которым можно программно управлять. Частоту сигнала можно изменять, программируя коэффициент деления счетчика-таймера, который расположен в пространстве ввода/вывода по адресу 042h. При записи (и чтении) 16-битный двоичный код передается парой (обязательно!) 8- битных операций (сначала младший байт, потом старший). Разрешая/запрещая формирование сигнала программно-управляемым битом 0 системного порта 61h, можно подавать сигналы определенной длительности. Такой способ формирования звука не загружает процессор и позволяет исполнять незамысловатые мелодии. С учетом инерции слуха быстрым переключением частот можно достигать эффекта многоголосия.

Более интересные звуки можно извлекать, используя принцип широтно-импульсной модуляции, программно осуществляемой через бит 1 порта 61h. В этом случае динамик выполняет роль фильтра низких частот (инерционного звена) демодулятора. Процессоры, начиная с 80286, способны формировать поток управляющих сигналов, который позволяет воспроизводить музыкальный или речевой сигнал с качеством карманного радиоприемника. Однако такое формирование звука практически полностью загружает процессор. Качество воспроизведения сильно зависит от частотных свойств динамика. Предпочтительнее более крупные динамики, у которых лучше воспроизведение нижних частот — с ними можно добиться даже разборчивости речи.

Цифровой аудиоканал обеспечивает возможность моно- или стереофонической записи и воспроизведения аудиофайлов с уровнем качества от кассетного магнитофона до Audio CD. Запись производится оцифровкой сигнала с частотой дискретизации 5–44,1 кГц. Разрядность используемых ADC и DAC (аналогоцифровых и цифроаналоговых преобразователей) варьируется от 8 до 16 бит. Более совершенные схемы имеют встроенные средства компрессии сигнала, например, по методу адаптивной дельта импульсно-кодовой модуляции (ADPCM). В этом случае в цифровом виде хранятся не значения выборок, а специальным образом обработанные разности величин соседних выборок, что позволяет (при сохранении качества) значительно уменьшить объем записи. Компрессия аудиосигнала применяется, например, в кодеках MPEG и голосовых модемах. На стандартных аудио-CD компрессия не применяется.

Для передачи потока данных по шине в цифровой аудиоканал и обратно используются 8- и/или 16-битные каналы DMA. Звуковой канал использует аппаратные прерывания и порты ввода/вывода. Для организации телефонной связи по сети (например, IPhone) требуется полнодуплексный режим (Full Duplex), требующий одновременной передачи данных по двум каналам DMA.

Оцифрованный звук хранится в файлах (расширение .WAV используется для оцифровки без компрессии). Размер файла зависит от длительности записи, разрядности преобразования, частоты квантования и количества каналов (моно или стерео). Эти файлы редактируются ПО, которое позволяет вывести на экран подобие осциллограмм записанных сигналов.

Дискретный интерфейс RGB TTL

Первые мониторы для PC имели цифровой интерфейс с уровнями ТТЛ (табл. 3.5) — RGB TTL. Для монохромного монитора использовали лишь два сигнала — видео (включить/выключить луч) и повышенной яркости. Таким образом, монитор мог отобразить три градации яркости: хотя 22=4, но «темный пиксел» и «темный с повышенной яркостью» неразличимы. В цветных мониторах класса CD (Color Display) имелось по одному сигналу для включения каждого луча и общий сигнал повышенной яркости. Таким образом, можно было задать 16 цветов. Следующий класс — улучшенный цветной дисплей ECD (Enhanced Color Display) имел цифровой интерфейс с двумя сигналами на каждый базовый цвет. Сигналы позволяли задавать одну из 4 градаций интенсивности; общее количество кодируемых цветов достигло 26=64. Сигналы RED, GREEN, BLUE и Red, Green, Blue обозначают соответственно старшие и младшие биты базисных цветов.

Строчная и кадровая синхронизация монитора осуществляется сигналами H.Sync и V.Sync. Монохромные адаптеры MDA и HGC, работающие с высоким разрешением (720x350 пикселов), используют высокую частоту развертки. Адаптер CGA работает с низкими частотами (параметры синхронизации близки к телевизионным). Адаптеры и мониторы EGA могут работать с любыми из этих частот. Для облегчения переключения режимов генератора развертки монитора используют сигнал V.Sync: полярность импульсов определяет диапазон частот развертки текущего видеорежима. Для всех разновидностей интерфейса RGB TTL используется разъем DB-9S.

Аналоговый интерфейс RGB

Из-за ограничений цифрового интерфейса пришлось перейти на аналоговый интерфейс, перенеся цифро-аналоговые преобразователи сигналов базовых цветов из монитора на графический адаптер. Такой интерфейс с 8-разрядными ЦАП для каждого цвета в настоящее время позволяет выводить 16,7 миллионов цветов (True Color). Этот интерфейс называется RGB Analog, в нем базовые цвета передаются аналоговыми сигналами с отдельными обратными линиями по витым парам. Черному цвету соответствует нулевой потенциал на линиях всех цветов, полной яркости каждого цвета соответствует уровень +0,7 В. Сигналы управления, состояния и синхронизации передаются сигналами ТТЛ. Впервые аналоговый интерфейс был применен на адаптере PGA фирмы IBM, где для него использовался 9-контактный разъем DB-9S . В дальнейшем, начиная с адаптеров VGA, стали применять малогабаритный 15-контактный разъем с таким же внешним размером . По назначению сигналов эти интерфейсы в основном совпадают, и существуют даже переходные кабели с 15- на 9-контактные разъемы (табл. 3.8). В адаптере PGA используется совмещенная синхронизация (Composite Sync) сигналом (H+V)Sync., этот режим поддерживают и многие современные мониторы.

Комбинированный интерфейс EVC

Для расширения частотного диапазона, и учитывая тенденцию к использованию последовательных шин USB и FireWire, для подключения ПУ к системному блоку компьютера VESA предложила новый тип разъема EVC (Enhanced Video Connector). Кроме обычного аналогового интерфейса RGB и канала DDC2 разъем EVC имеет контакты для видеовхода, входные и выходные стереоаудиосигналы, шины USB и FireWire, а также линии питания постоянного тока для зарядки аккумуляторов портативных ПК. Разъем имеет две секции: высокочастотную для присоединения четырех коаксиальных кабелей и низкочастотную на 30 контактов (рис. 3.7). Контакты высокочастотной секции, хотя и не являются коаксиальными, позволяют передавать сигналы с частотами до 2 ГГц. Контактом экранов является крестообразная перегородка. При использовании 75-омных коаксиальных кабелей на частоте 500 МГц гарантируется уровень отражений и перекрестных помех не выше 2%. Контакты C1, C2 и C4 используются для передачи цветовых сигналов R, G и B соответственно, контакт C3 служит для передачи синхросигнала пикселов. Низкочастотная секция описана в табл. 3.13. Разъем поделен на компактные зоны для каждой группы сигналов, правда, шины USB и 1394 используют общий контакт для экрана. Назначение контактов видеовхода (S-Video или композитный, PAL или NTSC) может программироваться по каналу DDC2.