Введение
Порт — физическое или логическое соединение компьютера, предназначенное для приема и передачи данных.
В компьютерных технологиях порт — обычно соединение (физическое или логическое) , через которое принимаются и отправляются данные. Наиболее часто портом называют: Аппаратный порт — разъём на каком-либо элементе аппаратного обеспечения компьютера, в который подключается кабель или вилка. См. LPT-порт, последовательный порт, USB. Порт ввода-вывода — используется в микропроцессорах , при обмене данными с аппаратным обеспечением. Порт ввода-вывода сопоставляется с тем или иным устройством и позволяет программам обращаться к нему для обмена данными.
Раздел 1 Описание конструкции портов и их работа
COM–порт (RS-232)COM-порт — двунаправленный последовательный интерфейс, передающий данные по протоколу RS-232.
Ранее COM-порт порт использовался для подключения модема или мыши, но в настоящее время морально устарел, хотя ещё можно встретить на некоторых компьютерах. С помощью данного порта можно установить связь одного компьютера с другими (длина до 30м) при наличии соответствующих разъемов.
Рис. 1.1. COM-порт
Параллельный порт (LPT)
LPT — параллельный порт, предназначенный для подключения периферийных устройств к ПК.
Исторически интерфейс был разработан для подключения принтера к ПК, однако может применяться и для других целей (подключение сканера и других внешних устройств, организация связи между двумя компьютерами). LPT порт содержит 25 выводов, расположен на задней крышке системного блока. Длина кабеля LPT-порта должна быть не более 3 метров.
Рис.1.2. LPT-порт
Порт PS/2
Каждый пользователь ПК знаком с этим портом. PS/2 — интерфейс, предназначенный для подключения клавиатуры и мыши.
1.3. PS/2 port
VGA-порт
VGA порт — 15-контактный разъём. Предназначенный для подключения аналоговых мониторов по стандарту VGA. В настоящее данный интерфейс морально устарел и активно вытесняется цифровыми интерфейсами DVI, HDMI и DisplayPort.
Рис.1.4. Порт VGA
На системной плате присутствует контроллер ввода/вывода, который соединяется кабелями с разъемами на задней стенке системного блока. Контроллер портов поддерживает, как правило, один параллельный и два последовательных порта.
SРР (стандартный) параллельный порт предназначен для односторонней передачи информации от ПК к принтеру. Пропускная способность SРР – 120-200 Кбайт/сек;
ЕРР (Enhanced Parallel Port - улучшенный параллельный порт) – является двунаправленным (т.е обеспечивает передачу 8 бит данных в обоих направлениях и полностью совместим с SPP). Этот порт передает и принимает данные в 6 раз быстрее, чем SPP т.к. он имеет буфер. ЕРР может передавать блоки данных из RAM в принтер и обратно, минуя CPU. Пропускная способность до 2 Мбайт/сек.
ЕСР (Extended Capability Port - порт с расширенными возможностями) расширенная версия ЕРР, но обеспечивает повышенную пропускную способность (скорость передачи данных) за счет функции сжатия данных. Для того, чтобы добавить в ПК дополнительный разъем ЕРР или ЕСР обычно применяют отдельную плату (в шине ISA, либо PCI)
1.2. Составляющие портов
Интерфейс USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина). Служит для подключения различных внешних устройств и предусматривает присоединение до 127 внешних устройств к одному USB-каналу.
Шину USB можно назвать управляемой. То есть ПК управляет всеми процессами (является главным устройством), а периферийные устройства могут лишь отвечать на запросы (являются дополнительными устройствами).
1.3. Принцип работы портов
Каждое устройство на шине USB (их может быть до 127) при подключении автоматически получает свой уникальный адрес
Кабель USB состоит из 4-х жил: из них первые две передают информацию, третья – это питание для подключения устройств (~5В), четвертая служит для заземления.
Существует несколько версий данного стандарта
Версия USB 1.1 вышла осенью 1998 года (в ней были устранены обнаруженные проблемы первой редакции) и имеет пиковую скорость передачи информации = 12 Мбит/с
· Весной 2001 года опубликована спецификация USB 2.0, в которой предусмотрено 40-кратное повышение пропускной способности шины = 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 скоростями передачи информации т.е. при подключении более старого устройства (USB 1.0) к данной версии, устройство будет работать, но скорость передачи данных останется прежней – 12Мбит/сек.
Примечание: Если к порту USB одно устройство, то теоретически оно может использовать всю полосу пропускания самостоятельно. При подключении двух устройств полоса пропускания делится пополам. Если же к ПК подключено 127 устройств, то каждому из них достанется лишь крошечная часть полосы пропускания. Шина USB 2.0 разрешила данную проблему.
Для передачи информации по шине USB данные собираются в пакеты (блоки информации), которые включают в себя адреса отправки, возврата и т.д. Устройства, которые подключаются к порту USB, получают питание и данные от компьютерной шины. Данная схема работы подходит для маломощных устройств типа клавиатуры или мыши. Для других устройств (видеокамеры, принтеры, колонки со встроенным усилителем…) может понадобиться внешний источник питания.
USB (Universal Serial Bus — «универсальная последовательная шина») — последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике.
Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводной кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА, у USB 3.0 — 900 мА).
Кабель USB (до 2.0 включительно) состоит из 4 медных проводников — 2 проводника питания и 2 проводника данных в витой паре — и заземленной оплётки (экрана)
Кабели USB ориентированы, то есть имеют физически разные наконечники «к устройству» и «к хосту». Возможна реализация USB устройства без кабеля, со встроенным в корпус наконечником «к хосту». Возможно и неразъёмное встраивание кабеля в устройство, как в мышь (стандарт запрещает это для устройств full и high speed, но производители его нарушают). Существуют (хотя и запрещены стандартом) и пассивные USB удлинители, имеющие разъёмы «от хоста» и «к хосту».
С помощью кабелей формируется интерфейс между USB-устройствами и USB-хостом. В качестве хоста выступает программно-управляемый USB-контроллер, который обеспечивает функциональность всего интерфейса. Контроллер, как правило, интегрирован в микросхему южного моста, хотя может быть исполнен и в отдельном корпусе. Соединение контроллера с внешними устройствами происходит через USB-концентратор (другие названия — хаб, разветвитель). В силу того, что USB-шина имеет древовидную топологию, концентратор самого верхнего уровня называется корневым (root hub). Он встроен в USB-контроллер и является его неотъемлемой частью.
Для подключения внешних устройств к USB-концентратору в нем предусмотрены порты, заканчивающиеся разъёмами. К разъёмам с помощью кабельного хозяйства могут подключаться USB-устройства, либо USB-хабы нижних уровней. Такие хабы — активные электронные устройства (пассивных не бывает), обслуживающие несколько собственных USB-портов. С помощью USB-концентраторов допускается до пяти уровней каскадирования, не считая корневого. USB-интерфейс позволяет соединить между собой и два компьютера, но это требует наличия специальной электроники, эмулирующей Ethernet-адаптер с драйверной поддержкой с обеих сторон.
Устройства могут быть запитаны от шины, но могут и требовать внешний источник питания. По умолчанию устройствам гарантируется ток до 100 мА, а после согласования с хост-контроллером — до 500 мА. Поддерживается и дежурный режим для устройств и разветвителей по команде с шины со снятием основного питания при сохранении дежурного питания и включением по команде с шины.
USB поддерживает «горячее» подключение и отключение устройств. Это достигнуто увеличенной длиной заземляющего контакта разъёма по отношению к сигнальным. При подключении разъёма USB первыми замыкаются заземляющие контакты, потенциалы корпусов двух устройств становятся равны и дальнейшее соединение сигнальных проводников не приводит к перенапряжениям, даже если устройства питаются от разных фаз силовой трёхфазной сети.
На логическом уровне устройство USB поддерживает транзакции приема и передачи данных. Каждый пакет каждой транзакции содержит в себе номер оконечной точки (endpoint) на устройстве. При подключении устройства драйверы в ядре ОС читают с устройства список оконечных точек и создают управляющие структуры данных для общения с каждой оконечной точкой устройства. Совокупность оконечной точки и структур данных в ядре ОС называется каналом (pipe).
Оконечные точки, а значит, и каналы, относятся к одному из 4 классов — поточный (bulk), управляющий (control), изохронный (isoch) и прерывание (interrupt). Низкоскоростные устройства, такие, как мышь, не могут иметь изохронные и поточные каналы.
Управляющий канал предназначен для обмена с устройством короткими пакетами «вопрос-ответ». Любое устройство имеет управляющий канал 0, который позволяет программному обеспечению ОС прочитать краткую информацию об устройстве, в том числе коды производителя и модели, используемые для выбора драйвера, и список других оконечных точек.
Канал прерывания позволяет доставлять короткие пакеты и в том, и в другом направлении, без получения на них ответа/подтверждения, но с гарантией времени доставки — пакет будет доставлен не позже, чем через N миллисекунд. Например, используется в устройствах ввода (клавиатуры/мыши/джойстики).
Изохронный канал позволяет доставлять пакеты без гарантии доставки и без ответов/подтверждений, но с гарантированной скоростью доставки в N пакетов на один период шины (1 кГц у low и full speed, 8 МГц у high speed). Используется для передачи аудио- и видеоинформации.
Поточный канал дает гарантию доставки каждого пакета, поддерживает автоматическую приостановку передачи данных по нежеланию устройства (переполнение или опустошение буфера), но не дает гарантий скорости и задержки доставки. Используется, например, в принтерах и сканерах.
Время шины делится на периоды, в начале периода контроллер передает всей шине пакет «начало периода». Далее в течение периода передаются пакеты прерываний, потом изохронные в требуемом количестве, в оставшееся время в периоде передаются управляющие пакеты и в последнюю очередь поточные.Активной стороной шины всегда является контроллер, передача пакета данных от устройства к контроллеру реализована как короткий вопрос контроллера и длинный, содержащий данные, ответ устройства. Расписание движения пакетов для каждого периода шины создается совместным усилием аппаратуры контроллера и ПО драйвера, для этого многие контроллеры используют крайне сложный DMA со сложной DMA-программой, формируемой драйвером.
Размер пакета для оконечной точки есть вшитая в таблицу оконечных точек устройства константа, изменению не подлежит. Он выбирается разработчиком устройства из числа тех, что поддерживаются стандартом USB.
Кабели и разъёмы USB 1.x и 2.0
Спецификация 1.0 регламентировала два типа разъёмов: A — на стороне контроллера или концентратора USB и B — на стороне периферийного устройства. Впоследствии были разработаны миниатюрные разъёмы для применения USB в переносных и мобильных устройствах, получившие название Mini-USB. Новая версия миниатюрных разъёмов, называемых Micro-USB, была представлена USB Implementers Forum 4 января 2007 года.
Рис.5. стандартный USB
Рис.6. Мини USB
Рис.1.5. 2Микро