Юрий Ревич - 1001 совет по обустройству компьютера
Некоторые из внешних устройств компьютера: дисплей и видеоадаптер, аудиосистему, жесткие диски – мы уже рассмотрели в предыдущих главах. Здесь мы остановимся на компьютерных портах для подключения внешних устройств.
3.1. Какие бывают порты
К компьютерным портам (аппаратным интерфейсам) причисляют как специализированные интерфейсы (например, сетевые, а также служащие для подключения таких устройств, как мониторы, аудиосистемы или беспроводные мыши и клавиатуры), так и интерфейсы общего назначения, к которым потенциально можно подключить любое устройство. К проводным интерфейсам общего назначения относятся порты COM, LPT, PS/2, GAME-порт, FireWare и USB.
Сетевые интерфейсы, в том числе беспроводные (Wi-Fi), мы рассмотрим в последующих главах. Из беспроводных интерфейсов общего назначения наиболее универсальным является Bluetooth – как и Wi-Fi, он чаще используется для связи между компьютерами (или между компьютерами и мобильными устройствами), и мы его рассмотрим в этой главе отдельно. Известен еще интерфейс SCSI («сказёвый», как его любят обзывать компьютероманы), но на нем я не буду останавливаться – можно считать, что он похоронен окончательно и бесповоротно и остался лишь как основа некоторых современных интерфейсов. Разъем шины PCI-Express тоже может быть использован в качестве внешнего порта, но пока еще таких устройств немного. Всякую экзотику, вроде специального разъема для подключения MIDI-устройств, мы тоже рассматривать не будем, как и специфичные для ноутбуков интерфейсы PCMCIA или ExpressCard, – ограничимся стандартными портами, причем рассмотрим их приблизительно в той последовательности, в которой они появлялись на свет.
Чтобы наглядно представить размещение и внешний вид упомянутых далее интерфейсов на задней панели современного настольного компьютера, можно обратиться к рис. 1.2 в главе 1 «Начинка компьютера. Особенности мобильных компьютеров».
COM
СОМ-порт (от слова «коммуникационный»), или serial («последовательный») порт – отчасти ошибочно еще называют портом RS-232. Правильно сказать так: COM-порт передает данные, основываясь на стандарте последовательного интерфейса RS-232[5], который, кроме собственно протокола передачи и электрических параметров, стандартизирует разъем DB-25. Позднее, специально для ПК, выпустили стандарт RS-574, установивший всем знакомый разъем DB-9, теперь ставший фактическим стандартом для всей отрасли. Есть и еще один термин, который имеет непосредственное отношение к этой теме: UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, универсальный асинхронный приемопередатчик). UART есть составная часть СОМ-порта, его основа, то устройство, которое собственно передает и принимает данные и к которому адресуются пользовательские программы. Кроме UART, в СОМ-порт входит преобразователь электрических уровней UART/RS-232. Вообще-то на микросхемах UART можно построить линии передачи по различным протоколам: RS-422 (скоростному), RS-485 (повышенной надежности), даже USB. Рассматриваемый RS-232 – самый простой из них.
Стандарт RS-232 – один из самых древних протоколов передачи данных между устройствами, он был утвержден еще в 1969 году, и к компьютерам (тем более ПК) тогда еще не имел никакого отношения. Это очень простой в реализации, дешевый, неприхотливый и достаточно надежный способ соединения двух устройств. Существует несколько стандартов RS-232, различающихся добавленной буквой: RS-232C, RS-232D, RS-232E и пр. Вдаваться в различия между ними нет никакого смысла – они являются лишь последовательным усовершенствованием и детализацией технических особенностей одного и того же устройства. Заметим лишь для справки, что все современные порты поддерживают спецификации RS-232С или RS-232E.
Давайте немного подробнее остановимся на том, как работает RS-232 – это хорошо иллюстрируют не совсем очевидные принципы передачи целого набора битов всего по одному проводу. Идея заключается в посылке последовательных импульсов, каждый из которых может означать 0 или 1. Если в определенные (заранее известные) моменты времени считывать состояние линии, то можно восстановить то, что было послано. Однако эта очевидная мысль наталкивается на определенные трудности.
Для приемника и передатчика, связанных между собой тремя проводами («земля» и два сигнальных провода: «туда» и «обратно»), приходится задавать скорость передачи и приема, которая должна быть одинакова для устройств на обеих концах линии. Эти скорости стандартизированы и выбираются из ряда от 110 до 115200 битов в секунду. Проблема состоит в том, что приемник и передатчик – это физически совершенно разные системы, и скорости эти для них не могут быть строго одинаковыми (из-за разброса параметров тактовых генераторов), и даже если их каким-то образом синхронизировать в начале, то они в любом случае быстро «разъедутся». Поэтому в RS-232 придумали передачу каждого байта сопровождать начальным (стартовым) битом, который служит для синхронизации. После него идут от пяти до восьми информационных битов (девять – если используется проверка на четность), а затем стоповые биты, которых может быть один, два и более, – предполагается, что за время прохождения всей этой посылки приемник и передатчик по частоте «разойтись» не успеют.
Рисунок 3.1 иллюстрирует работу приемопередатчика RS-232. Стартовый бит передается положительным уровнем напряжения (в данном случае это считается логическим нулем), а стоповый – отрицательным уровнем (логической единицей). Обнаружив изменение уровней с отрицательного на положительный, приемник считает это стартовым битом и с заданными, согласно оговоренной заранее скорости передачи, промежутками времени отсчитывает от него все остальные.
Рис. 3.1. Передача байта по стандарту RS-232
Одно из самых удобных с технической точки зрения качеств RS-232 – то, что стандарт предусматривает весьма широкий разброс напряжений сигнала – официально в пределах от ±5 до ±15 В (для RS-232C), а на самом деле он может быть еще расширен, потому что приемник принимает сигналы ±3 до ±25 В. Длина линии связи не должна превышать 15 м (RS-232C), но на практике это могут быть много большие величины. Если скорость передачи не выбирать слишком высокой, то такая линия может надежно работать на десятки и сотни метров (автору этих строк удавалось без дополнительных ухищрений наладить обмен с компьютером на скорости 4800 бод по кабелю, правда, довольно толстому, длиной около полукилометра). Никаких специальных витых пар не предполагается – линия может состоять из обычных проводов.
Из всего этого вытекает, что RS-232 – идеальный способ для передачи данных с небольшими скоростями по минимальному количеству проводов[6]. Когда-то его всерьез намеревались развивать, отчего и стандартизировали разъем с 25 контактами (DB25) – «на вырост». В этом разъеме имеются дополнительные линии, смысл которых в том, что они могут применяться для организации различных синхронных протоколов обмена (протоколов с handshakes, «рукопожатием»). Все старые ПК имели по два COM-порта: и с 9-ю, и с 25-ю контактами. Быстро выяснилось, что 25 контактов – чистое излишество, вполне достаточно и 9-ти, и DB25 как-то незаметно исчез из обихода. Остался только DB9, да и в нем имеющиеся дополнительные линии мало какое устройство использует. Так как RS-232 – медленный способ передачи, то никаких особых требований к соединителям он не предъявляет, и нередко можно встретить устройства и с нестандартным разъемом – например, в некоторых старых цифровых фотокамерах под последовательный порт были приспособлены стереоаудиоразъемы. С 1991 года развитие RS-232 затормозилось – ему на смену пришли намного более сложные, зато удобные для пользователя и скоростные USB и FireWare.
Отметим еще, что обычный телефонный модем с точки зрения системы – тоже СОМ-порт, только поверх простейшего физического протокола RS-232 для него введены некоторые специализированные команды управления, а в остальном он ничем от СОМ-порта не отличается (даже если втыкается в USB). «Комом» является и инфракрасный (IR) порт, беспроводной интерфейс Bluetooth тоже образует виртуальные СОМ-порты, через которые ведется обмен.
С точки зрения современных технологий у COM-порта только два недостатка, зато очень серьезных. Во-первых, он медленный – со скоростью 115 кбит/с не только какое-нибудь видео, даже цифровой звук не всегда передашь с надлежащим качеством. Правда, современные порты поддерживают скорости и повыше (например, 256 кбит/с), но это не выход из положения. Во-вторых, он подразумевает только соединение «точка-точка» – если у вас один СОМ-порт, то вы к нему можете подключить только одно устройство. Тем не менее, хоронить протокол RS-232 не следует – это по-прежнему самый дешевый и простой способ связи внешних устройств с компьютером, отчего он и по сей день используется во многих специальных аксессуарах – вроде навигаторов, модемов или медицинских приборов.
Кабели для подключения RS-232 делятся на удлинительные (вилка-гнездо, рис. 3.2) и соединительные (гнездо-гнездо, рис. 3.3), последние часто называют нуль-модемными. В соединительных кабелях, обеспечивающих обмен между двумя устройствами, приемные-передающие линии (2-й и 3-й контакты 9-контактного разъема) соединены перекрестно. В правильном нуль-модемном кабеле контакт 4 (DTR, Data Terminal Ready, готовность компьютера) на противоположной стороне также соединяется с 1 и 6 контактами (DCD и DSR – готовность модема). В удлинительных кабелях все эти контакты соединены один к одному.
