Рис. 1. 9-ти контактный разъем RS-232.

Порт RS-232C используется для подключения указывающих устройств (манипуляторы мышь), внешних модемов, а иногда для соединения двух машин нуль-модемным кабелем. Спецификация RS-232 была принята в качестве стандарта 1960 ассоциацией EIA, а через несколько лет (в 1969) была принята третья версия стандарта RS-232C, которая является на данный момент наиболее широко распространенной среди персональных компьютеров. В большинстве других источников заостряется внимание на том, что RS (Recomennded Standart) не патентованный стандарт, а лишь рекомендованная спецификация. Конструктивно RS-232C порт может иметь либо 9-и (рис. 1), либо 25-и штырьковый разъем (компьютер - розетка, утсройство - вилка). Но фактически используются только 9 контактов (табл. 1). Интерфейс позволяет связать только 2 (и не более) устройств. Передача данных дуплексная по двум независимым сигнальным линиям недифференциальная с одним общим проводом. Скорость передачи в данный момент ограничена 155 Кбит/сек (18,9 Kбайт/сек). 

В принципе, существует разделение на два типа подключаемых устройств: те, кому передаются данные (терминальные - например, компьютер), и те, которые способствуют передаче (связные - например, модем). Передача данных по последовательному интерфейсу происходит асинхронно, поэтому для корректной работы битовый поток делят на группы по 5-8 бит. Чаще всего используются режимы 7 или 8 бит на группу. Между группами выставляется маркерный бит, по которому принимающая сторона может правильно определять начало и конец.

                                                                                                                                                              Таблица 1.

Назначение контактов разъемов RS0232

Последовательный порт, RS-422/485 

Стандарты RS-422 и RS-485 являются более скоростным продолжением порта RS-232. Для увеличения скорости передачи данных и допустимой длины соединительного кабеля используются разностная (балансная) передача сигнала, поэтому задействованы дополнительные контакты 25-и штырькового разъема. Это резко снижает воздейтсвие помех и взаимное влияние сигналов в линиях, и позволяет увеличить допустимую длину кабеля с 15 до 1000 метров. К тому же, к этим портам можно с помощью повторителей подключать до 10/32 устройств соответственно. Устройства подключаются параллельным ответвлением от основного кабеля, и совместно разделяют ресурсы шины. Интерфейс RS-422 дуплексный, а RS-485 - полудуплексный. 

В домашних персональных компьютерах RS-422/485 не применяются и используются, в основном, для подключения управляемой или измерительной аппаратуры, а также для создания небольшой локальной сети. 

Последовательный порт клавиатуры 

Рис. 2. Последовательный порт клавиатуры.

Поначалу (машины XT) интерфейсный порт клавиатуры представлял собой последовательный однонаправленный порт. С фиксированной скоростью контроллер клавиатуры синхронно посылал поток битов компьютеру. С появлением машин класса AT клавиатурный порт, не изменив конструкции разъема, стал более походить на последовательный полудуплексный порт (прямая и обратная передача идут по одной и той же сигнальной линии). Драйвер клавиатуры AT может управлять состояниями контроллера клавиатуры, подавая ему команды (например, установить скорость повтора нажатия, включить/выключить индикаторы режима работы). 

                                                                                                                                                              Таблица 2.

Назначение контактов последовательного порта клавиатуры.

Рис. 3 Последовательный порт PS/2

В середине 80-х IBM предложила для удобства использовать для клавиатуры и мыши унифицированный последовательный порт PS/2. В отличие от интерфейса RS-232C порт PS/2 является полудуплексным, и его разъем конструктивно отличается. Скорость обмена выше, чем в клавиатурном порте, но не выше RS-232C. Большая скорость реакции PS/2 мышей объясняется тем, что RS-232C мыши работают на стандартной скорости 9600 бит/сек, а не на максимальной.

                                                                                                                                                              Таблица 3.

Контакты последовательного порта Ps/2

Игровой порт дает возможность подключать к компьютеру одновременно до двух аналоговых джойстиков, которые имеют две кнопки (а можно подключить один четырехкнопочный). Но в данном случае "периферийное устройство" способно лишь изменять потенциометрами уровень падения напряжения на 3/6 или 11/13 контактах и замыкать 2/7 или 10/14 контакт на общий провод. О скорости обмена говорить тут не имеет смысла, так как все зависит не от самого "устройства", а от скорости работы контроллера порта. "Музыкальная" модификация игрового порта на звуковых платах позволяет подключать к компьютеру MIDI устройства. Передача данных двунаправленная по двум сигнальным линиям. Ну а вопрос скорости обмена по MIDI интерфейсу оставим за рамками нашего обзора J. 

Параллельный порт, Centronics 

Параллельный порт типа Centronics, используемый с 1981 года в персональных компьютерах фирмы IBM для подключения печатающих устройств, уже давно стал стандартом де-факто, хотя в действительности официально на данный момент он не стандартизован. Порт имеет 25-и штырьковый 2-х рядный разъем, данные передаются в одну сторону: от компьютера к внешнему устройству. Но полностью однонаправленным его назвать нельзя. Так 4 обратные линии используются для контроля за состоянием устройства. Centronics позволяет подключать одно устройство, поэтому для совместного очерёдного использования нескольких устройств требуется дополнительно применять селектор. 

Передача данных происходит асинхронно, поэтому скорость обмена может варьироваться. Длина соединительного кабеля не должна превышать 3-х метров, и скорость передачи данных ограничена 1,2 Мбит/сек. Используется для подключения, в первую очередь принтеров, а также других управляемых устройств. 

                                                                                                                                                               Таблица 4

Контакты параллельного порта

Параллельный порт, IEEE 1284,(EPP/ECP, EPP - Enhanced Parallel Port, ECP - Extended Compatibility Port) 

Данная спецификация добавляет новые возможности для подключения внешних устройств к параллельному порту. Разъем порта конструктивно такой же, как у Centronics. Утвержденный в 1994 году стандарт IEEE 1284 обязывает контроллер параллельного порта быть способным работать на большей скорости, организовывать очередь буферизации данных и поддерживать несколько режимов работы. Режим совместимости с Centronics 8 бит/такт (передача в одну сторону), Nibble/Byte режим только для обратной передачи 4/8 бит/такт соответственно, и двунаправленные (полудуплексные) режимы передачи EPP и ECP. Режим EPP при передаче данных использует обоюдные подтверждения, это позволяет прозрачно подстраивать скорость обмена, а также дает возможность увеличить допустимую длину кабеля. 

Режим ECP был предложен чуть позже EPP. Главное отличие заключается в том, что, если периферийное устройство умеет упаковывать/распаковывать данные по алгоритму RLE (удобно для передачи изображений), то обмен будет происходить со сжатием данных на ходу, и фактическая скорость обмена будет выше (в 2-50 раз). Используется для подключения принтеров, сканеров, внешних накопителей. 

Порт универсальной последовательной шины, USB (Universal Serial Bus)

Зачем понадобилась USB? Причин, если вдуматься, более чем достаточно. В принципе, если свести характеристики претендентов на звание внешнего интерфейса в одну таблицу, большинство из ограничений COM портов будет видно как на ладони:

В так сказать "бытовом" плане это выражается как в невозможности одновременного подключения более двух внешних устройств к COM портам. В ограничении по скорости, делающим невозможным подключение многих образцов современной периферии. В невозможности "на лету" поменять подключенные устройства. 

Особенно остро встает проблема нехватки COM портов по мере того, как периферия набирается интеллекта. Так, например, джойстику с Force Feedback, помимо обычного порта для джойстика, требуется еще и COM порт, найти который, на машине с мышью и модемом, мягко выражаясь сложновато. И подобных устройств, претендующих на постоянное или временное подключение к компьютеру, постепенно становится все больше.

Спецификация USB была разработана в 1995 году альянсом Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom, основной задачей которого было создать высокоскоростной (до 12 Мбит/сек) универсальный последовательный порт, способный подключать несколько устройств через концентраторы с активной инициализацией подключения, не требующей перезагрузки компьютера. Это требование удачно укладывается в концепцию Plug&Play, позволяя шине производить автоматическую настройку (не надо распределять номера прерываний, отпадает лишняя "головная боль" у пользователя). Во время подключения/отключения устройства шина USB производит пересчет активных устройств и назначение каждому логического номера. USB-порт, к тому же, способен запитывать подключаемое устройство, если оно не имеет своего блока питания. Таким образом, появляется возможность сократить размеры маломощных (до 2,5 Вт) USB-устройств. Для предотвращения перегрузки питания предложено всем концентраторам, которые самостоятельно включаются в электрическую сеть, запитывать подключаемые к ним устройства. USB-кабель содержит 4 проводника: 2 - витая пара, питание 5 В и общий провод. Таким образом, устройства разделяют одну сигнальную линию. Для коррекции одиночных ошибок на линии используется циклический код CRC. Помимо общего канала шириной в 12 Мбит/сек в USB имеется так называемый "подканал" шириной в 1,5 Мбит/сек для медленных устройств, таких как клавиатура, мышь, джойстик, перо и т.д. Это позволяет снизить стоимость медленных USB портов в этих устройствах, поскольку более высокая скорость для таких устройств не нужна. Всего, благодаря концентраторам, USB способна объединить в одну сеть до 127 устройств одновременно. 

USB версии 2.0 обладает значительно большей пропускной способностью (до 240 Мбит/сек). Для совместимости с USB 1.1 новый порт способен работать в нескольких режимах. При подключении только высокоскоростных устройств шина работает в режиме USB 2.0, а если подключено устройство, не способное работать на такой скорости, шина снижает рабочую частоту до приемлемой данным устройством. Несмотря на некоторую вялость на нашем рынке, на западе USB с успехом заменяет и последовательный RS-232C порт и параллельный IEEE 1284. Удобство универсальной шины очевидно, поэтому благодаря USB скоро уйдёт в прошлое большое разнообразие портов на задней стенке нашего персонального компьютера. 

                                                                                                                                                               Таблица 5

Контакты порта USB

Рис.7 Порт FireWire. 

Ни один из существовавших ранее стандартов внешних портов не позволял в реальном времени передавать видеоряд. Поэтому таким устройствам, как миниатюрные цифровые телекамеры, приходилось использовать свои собственные оригинальные интерфейсные платы. Пользователю от этого удобнее не было. Еще в 1986 году фирма Apple разработала цифровой интерфейс 1394, названный FireWire. И только в 1995 году его следующая версия была стандартизована как IEEE 1394. Свое название "Fire on the Wire" шина получила за свою высокою скорость 100 Мбит/сек. В дальнейшем стандарт был расширен, и рабочая скорость увеличилась до 400 Мбит/сек (для сравнения: передача видео 640x480 x 30 кадров x 3 байт/пиксел образует поток в 210 Мбит/сек). Аналогично USB, FireWire способна запитывать подключаемое устройство (8-40 В -, до 1,5 А), и подключение устройств можно производить на ходу (hot-plug). Разъем имеет 6 контактов: 4 - 2 витых пары для двунаправленного обмена, 2 - питание. Для не требующих питания устройств можно применять более экономичные 4-жильные кабели. В качестве системных устройств шины IEEE 1394 могут служить повторители, концентраторы и мосты. Такое разнообразие, по сравнению с USB, делает шину FireWire несколько гибче. Ограничение на количество подключенных устройств на одной сигнальной линии (до 63) и максимальное количество промежуточных узлов на пути запроса от одного устройства до другого (до 16) накладывает дополнительные условия на топологию шины. Но благодаря мостам имеется возможность объединять отдельные независимые сегменты шины. Всего с помощью мостов можно объединить до 1000 (!) разных сегментов в общую сеть на основе FireWire. 

Передача данных в IEEE 1394 может происходить как в асинхронном, так и в синхронном режиме с заданной гарантированной скоростью передачи данных (очень важно для передачи в реальном времени: звук, видео). Если устройство должно работать в синхронном режиме, оно резервирует для себя определенное место в кадре данных (длина кадра равна 125 мсек). Для этого рабочий квант времени передачи делится на зарезервированные участки и на остальное - для асинхронной передачи. Интерфейс FireWire уже несколько лет применяется в цифровых (профессиональных и бытовых) видео- теле- камерах, магнитофонах и фотоаппаратах, которые можно самостоятельно соединять между собой без участия компьютера, благодаря возможностям IEEE 1394, и осуществлять цифровой видеомонтаж в реальном времени. Существует и Гигабитный вариант IEEE 1394.2, в котором используется оптоволоконный соединительный кабель. 

                                                                                                                                                               Таблица 6

Контакты порта FireWire

Последовательный инфракрасный порт IrDA (Infrared Data Association)

В силу своей конструкции, в которой используется источник света и фотодатчик, инфракрасный порт - последовательный. Для передачи информации соединительные кабели не используются, поэтому взаимодействие устройств происходит на небольшом расстоянии и при условии "прямой видимости". В июне 1994 года ассоциация IrDA опубликовала спецификацию последовательного ИК-порта. В домашнем компьютере на большинстве материнских плат имеется разъем для подключения ИК-порта (сам порт продается отдельно), скорость передачи в данном случае почти такая же, как и у RS-232C (от 2,4 до 115 Кбит/сек). Передача данных идет асинхронно в обоих направлениях, и для обнаружения ошибок используется циклический код CRC-8 в коротких пакетах и CRC-16 - в длинных. 

В октябре 1995 IrDA предложила следующую версию ИК-порта, работающего со скоростью до 4 Мбит/сек в пределах 1-2 метров видимости. В данном случае обмен данными происходит синхронно, а для обнаружения ошибок уже используется CRC-32. Некоторые производители предлагают свои оригинальные разработки ИК-портов (для сканеров и принтеров), которые способны передавать данные на скорости от 2 до 16 Мбит/сек. Инфракрасный порт несколько специфичен для России, поэтому его можно встретить разве что в беспроводных клавиатурах, джойстиках и интерфейсах мобильный телефон<->ноутбук. 

Устройство инфракрасного интерфейса подразделяется на два основных блока: преобразователь (модули приемника-детектора и диода с управляющей электроникой) и кодер-декодер. Блоки обмениваются данными по электрическому интерфейсу, в котором в том же виде транслируются через оптическое соединение, за исключением того, что здесь они пакуются в кадры простого формата – данные передаются 10bit символами, с 8bit данных, одним старт-битом в начале и одним стоп-битом в конце данных.

Сам порт IrDA основан на архитектуре коммуникационного СОМ-порта ПК, который использует универсальный асинхронный приемо-передатчик UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) и работает со скоростью передачи данных 2400–115200 bps.

Связь в IrDA полудуплексная, т.к. передаваемый ИК-луч неизбежно засвечивает соседний PIN-диодный усилитель приемника. Воздушный промежуток между устройствами позволяет принять ИК-энергию только от одного источника в данный момент.

Интерфейс беспроводной связи Bluetooth.

Bluetooth — недорогая технология небольшого радиуса действия, позволяющая использовать радиочастоты для организации связи между лаптопами, мобильными телефонами, сетевыми точками входа и другими устройствами. Bluetooth можно применять для быстрого создания беспроводных сетей. Технология предоставляет стандартный способ соединения друг с другом любых устройств, способных обмениваться данными.

Если оправдаются прогнозы о том, что информационные устройства к 2002 году превзойдут ПК по объему продаж, то технологию под названием Bluetooth с этого времени станут применять повсеместно. Bluetooth позволяет соединять устройства всех видов без кабелей и, как надеются ее сторонники, без усилий. При потребляемой мощности в 0,1 Вт и оценочной стоимости в условиях массового производства не более 5 долл. на устройство — Bluetooth одновременно отличается низким энергопотреблением и относительной дешевизной, то есть обладает качествами, идеальными для мобильных устройств. 

Одна небольшая микросхема, реализующая Bluetooth, позволит отказаться от кабелей при соединении устройств всех типов, от лаптопов до наушников и принтеров. Согласно прогнозам, еще до конца нынешнего года Bluetooth появится в дорогих мобильных телефонах и, как вариант комплектации, в лаптопах.

Bluetooth позволит без лишних трудностей отправить с лаптопа страницу на печать или подключиться к мобильному телефону для выхода в Internet по беспроводному соединению. При этом сам телефон может находиться у пользователя в кармане, а переговоры можно будет вести с помощью беспроводной головной гарнитуры.

Однако Bluetooth способна больше чем на организацию двухточечных бескабельных соединений. Сторонники технологии утверждают, что в 2001 году последует вторая волна приложений. В частности, Bluetooth можно будет применять для быстрого объединения нескольких устройств в локальную сеть. Представьте себе встречу руководителей, на которой те объединяют свои карманные компьютеры в сеть, чтобы сверить повестку дня или обменяться виртуальными визитными карточками. Лаптоп докладчика может по беспроводному соединению передавать слайды на ЖК-проектор.

Bluetooth можно будет также применять для организации соединения с точками доступа к Internet или локальным сетям — находясь вблизи соответствующего оборудования, сотовый телефон или карманный компьютер мог бы обмениваться данными с сетью на вполне приличной скорости 721 Кбит/с.

Bluetooth была предложена два года назад компаниями Ericsson, IBM, Intel, Nokia и Toshiba, сформировавшими альянс Bluetooth Special Interest Group (SIG). С момента образования к нему присоединилось около 2000 компаний. Технология названа в честь правившего в X в. датского короля Гаральда Блаатанда, который объединил Скандинавию. Логотип Bluetooth составляют руны, обозначающие инициалы короля.

Bluetooth представляет собой радиочастотный приемопередатчик, работающий в режиме расширенного спектра; для каждого пакета данных частота передачи изменяется, смена происходит примерно 1600 раз в секунду. Bluetooth-соединения не создают помех друг для друга за счет скачкообразного изменения несущей частоты в определенном диапазоне — скачков по частоте — и малого радиуса действия, обусловленного низким энергопотреблением. Bluetooth сочетает в себе аппаратную спецификацию и программную основу для взаимодействия; и то и другое реализуется в одной микросхеме.

Серьезное затруднение составляет стоимость технологии. Из соображений экономии пользователи предпочитают применять инфракрасные порты, несмотря на все их ограничения. На оснащение системы инфракрасным портом уходит всего несколько долларов, тогда как Bluetooth стоит более 20. Если в случае с лаптопом стоимостью 2500 долл. эта разница не ощущается, то в случае с 150-долларовым карманным компьютером — становится весьма заметной.

Еще одна трудность — радиочастотные помехи. Bluetooth делит рабочий диапазон (2,45 ГГц) сразу с двумя другими молодыми стандартами: IEEE 802.11 (сходная с Bluetooth, но более дорогая технология объединения большого числа ПК в беспроводную Ethernet) и HomeRF (технология создания домашних сетей). Войдя в достаточно тесный офис, посетитель с беспроводной головной гарнитурой вполне может отключить десяток ПК от локальной беспроводной Ethernet.

Рис. 8 Возможные области применения Bluetooth.

Сравнение пропускной способности различных интерфейсов

Сравнение пропуской способности различных интерфейсов представлено в табл. 7

                                                                                                                                                               Таблица 7

Взгляд в будущее 

Подводя обзор к логическому концу, можно сделать следующие выводы. Интерфейсы USB, FireWire и Bluetooth уже "имеют билет" в следующее столетие. Универсальность и высокая скорость заставляет большинство производителей равняться на эти стандарты. Благодаря своей миниатюрности и простоте "подключения" Bluetooth станет незаменим в мобильных и портативных системах. USB объединит всю "настольную" периферию домашнего компьютера, а FireWire "развяжет руки" не только видео любителям, но профессионалам.