Книга посвящена аппаратным интерфейсам, использующимся в современных персональных компьютерах и окружающих их устройствах. В ней подробно рассмотрены универсальные внешние интерфейсы, специализированные интерфейсы периферийных устройств, интерфейсы устройств хранения данных, электронной памяти, шины расширения, аудио и видеоинтерфейсы, беспроводные интерфейсы, коммуникационные интерфейсы, вспомогательные последовательные интерфейсы. Сведения по интерфейсам включают состав, описание сигналов и их расположение на разъемах, временные диаграммы, регистровые модели интерфейсных адаптеров, способы использования в самостоятельно разрабатываемых устройствах. Книга адресована широкому кругу специалистов, связанных с эксплуатацией ПК, а также разработчикам аппаратных средств компьютеризированной аппаратуры и их программной поддержки.
Книга:
Для подключения клавиатуры предназначен последовательный синхронный двунаправленный интерфейс, состоящий из двух обязательных сигналов KB-Data и KB-Clock . Обе линии на системной плате подтягиваются резисторами к шине +5 В. На обеих сторонах интерфейса выходные сигналы низкого уровня формируются выходами элементов с открытым коллектором (стоком), а состояние линий может быть прочитано через входные линии контроллеров. Вид разъемов (со стороны задней панели) и назначение контактов приведены на рис. 8.1. Конструктивно возможны два варианта разъема - обычная 5-контактная розетка DIN (клавиатура AT) или малогабаритная розетка mini-DIN (PS/2). На этот же разъем через плавкий предохранитель поступает напряжение питания клавиатуры +5 В.
Рис. 8.1 . Разъемы (вид со стороны контактов) подключения клавиатур: а - AT и б - PS/2
ВНИМАНИЕ
Питание от разъема клавиатуры часто используется такими устройствами, как внешние накопители или адаптеры локальных сетей, подключаемыми к параллельному порту. Плавкий предохранитель, установленный на системной плате, может не выдержать броска тока, потребляемого этими устройствами. При этом откажется работать и клавиатура - ее индикаторы даже и не мигнут при включении.
Процессор общается с клавиатурой через контроллер интерфейса клавиатуры - микроконтроллер 8042 или программно-совместимый с ним, установленный на системной плате. Для обмена информацией в основном используется порт 60h, из которого принимаются скан-коды. О необходимости чтения скан-кода контроллер сигнализирует процессору через аппаратное прерывание IRQ1, сигнал которого вырабатывается по каждому событию клавиатуры (нажатию и отпусканию клавиши). Задание параметров автоповтора, выбор таблиц скан-кодов, управление светодиодными индикаторами, а также управление режимом сканирования матрицы клавиш и запуск диагностического теста осуществляется командами, посылаемыми в этот же порт. Контроллер транслирует команды в посылки, направляемые к клавиатуре.
Работу двунаправленного интерфейса иллюстрирует рис. 8.2, а , где серым цветом помечены сигналы, формируемые контроллером, а черным - клавиатурой. В исходном состоянии обе линии «отпущены» выходными формирователями в состояние с высоким уровнем. Клавиатура может начать передачу данных в произвольный момент, когда интерфейс находится в покое. Клавиатура формирует стартовый бит (низкий уровень) на линии KB-Data и первый импульс KB-Clock , что является сигналом контроллеру о необходимости начала приема. После подъема KB-Clock она выводит 0-й бит данных на линию KB-Data , а затем и следующий импульс KB-Clock . Контроллер должен «защелкивать» принятый бит данных по спаду KB-Clock . Так передаются все 8 бит данных и бит паритета, дополняющий число единичных бит до нечетного. После синхроимпульса бита паритета контроллер клавиатуры должен сформировать импульс KB-Clock , подтверждающий прием байта (Ack). Если весь байт с битом паритета не будет получен контроллером за 2 мс, контроллер прекращает прием данного байта и фиксирует ошибку тайм-аута.
Рис. 8.2 . Временные диаграммы интерфейса клавиатуры: а - прием посылки от клавиатуры, б - передача команды в клавиатуру
Обратная передача - вывод команды контроллера в клавиатуру - происходит несколько сложнее (рис. 8.2, б). Из состояния покоя контроллер устанавливает низкий уровень KB-Clock на 250 мкс и формирует старт-бит (низкий уровень) - это сигнал клавиатуре на прием команды. На него клавиатура должна ответить серией из 11 импульсов KB-Clock . По спаду очередного синхроимпульса контроллер выставляет очередной бит данных, а клавиатура его «защелкивает» по фронту формируемого ею же синхроимпульса. После бита паритета (9-й импульс) и единичного стоп-бита (10-й) на 11-м импульсе клавиатура формирует нулевой бит подтверждения (Ack). После этого контроллер формирует импульс KB-Clock (60 мкс), который является запросом на прием ответа клавиатуры. Контроллер ожидает окончания ответа на этот запрос не долее 20 мс и, если ответ не придет за это время, сформирует ошибку тайм-аута. Ошибка будет также в случае, если клавиатура не введет первый синхроимпульс за 15 мс от начала запроса или контроллер не примет данные, включая стоп-бит, за 2 мс с момента появления синхроимпульса бита 0.
На системной плате PC/XT контроллера 8042 не было, а интерфейс клавиатуры (однонаправленный) был реализован аппаратной логикой - регистром сдвига, параллельный выход которого подключается к входам порта А системного интерфейса 18255. По приему байта от клавиатуры вырабатывается аппаратное прерывание IRQ1 , 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 .
клавиатуры и мыши
к стационарному компьютеру
Клавиатуры и мыши, как и вся остальная атрибутика
для стационарного компьютера – тоже разные.
Современные клавиатуры и мыши, в большинстве своём,
имеют USB-подключение.
Помимо широкой распространенности – преимуществом
USB-интерфейса является возможность подключения
к работающему компьютеру.
Но в описании, я немного расскажу
и о других подключениях.
Подключение клавиатуры с USB-подключением к системному блоку
Подключение клавиатуры,
с USB-подключением,
к системному блоку
Ниже, схема подключения основных блоков,
к системному блоку стационарного компьютера.
Как видите, на схеме, есть два варианта
подключения клавиатуры и мыши.
Интерфейсы для подключения USB.
Интерфейсы для подключения PS/2.
В этом разделе мы рассмотрим
клавиатуры с USB-подключением.
На стационарном компьютере разъёмы USB могут находиться
и на передней панели cистемного блока, и на задней. Занимать
и горизонтальное положение, и вертикальное.
Нет нужды показывать все существующие варианты клавиатур.
Я вам представлю лишь два из них
Слева – клавиатура со съёмным кабелем. Прежде, чем подключать
её к системному блоку – нужно подсоединить кабель к самой клавиатуре.
А затем уже подключать к на задней панели системного блока.
Справа – клавиатура со встроенным кабелем. Её сразу можно
подключать к USB-порту на задней панели системного блока.
И всё... После включения
компьютера и установки Операционной
системой Windows специальных драйверов – с клавиатурой можно работать.
Подключение мыши с USB-подключением к системному блоку
Подключение мыши,
с USB-подключением,
к системному блоку
Мыши с USB-подключением.
Проводная и беспроводная.
Подключать мышь, к системному блоку, очень просто.
Вставляете разъём-USB мыши в порт-USB системного блока.
И, при первом подключении, ждёте пока Windows
подключит мышь и сообщит о её готовности к работе.
Подключения PS/2, Bluetooth и другие, для клавиатуры и мыши
Подключения PS/2, Bluetooth
и другие, для клавиатуры и мыши
Если ваша клавиатура имеет интерфейс для подключения PS/2,
то тогда вы подключаете клавиатуру к PS/2-порту.
Интерфейс PS/2 используется в системных платах с питанием ATX.
Представляет собой тонкий круглый разъем – 6-контактный miniDIN.
После подключения нового оборудования к PS/2-порту требуется
На схеме задней панели системного блока,
для клавиатуры и мыши, окрашены.
PS/2-порт для клавиатуры окрашен в сиреневый цвет.
А для мыши – в зелёный.
Есть возможность адаптировать PS/2-интерфейс клавиатуры и мыши,
для подключения к порту USB. Для этой цели применяются адаптеры.
Последовательный интерфейс RS-232
Разъемы COM-интерфейса. Наиболее часто используется 9-контактный разъемSub-D. На старых материнских платах он тоже есть, но другой (всего их, как правило, два) выполнен в виде 25-контактной вилки. Дополнительные контакты в последней не используются, поэтому можно использовать переходник с 9-контактного разъема на 25-контактный и наоборот.
В COM-интерфейсе за один момент времени передается только один бит. В результате число линий, передающих данные, равно двум (одна на передачу, другая на прием), из-за чего последовательный кабель заметно тоньше, чем параллельный. Уровень напряжения при передачи именяется от -12 до +12 V, благодаря чему обеспечивается относительно большая помехоустойчивость, и длина кабеля может достигать 50 метров и более.
Стандартное обозначение последовательного порта RS-232. Так называется протокол передачи данных, на основе которого действует COM-интерфейс. RS означает Recommended Standard. Существует и другие типы RS (RS-485, RS-422), но наибольшее распространение получил RS-232. Все оборудование, соединяемое по RS-232 протоколу, разделяют на DCE (Data Communication Equipment) и DTE (Data Terminal Equipment); нельзя соединить два DTE или два DCE. С помошью кабеля NULL-modem можно превратить DTE в DCE и наоборот. Такой способ используется при соединении, например, двух компьютеров через COM-порты.
Главный элемент последовательного интерфейса - микросхема UART (Universal Asynchron Recceiver Transmitter). Раньше использовались микросхемы UART 8250, которые могли передавать/принимать данные со скоростью 9600 bps, сейчас применяются микросхемы UART 16450, которые обеспечивают скорость до 115200 bps (недавно также появились и более скоростные микросхемы).
Данные при последовательной передаче разделяются служебными посылками, которые называются стартовый бит (Start bit) и стоп-бит (Stop bit). Они указывают соответственно на начало и конец передачи последовательности данных (Data bit). Данный метод позволяет осуществить синхронизацию между приемной и передающей сторонами, а также выровнять скорость обмена данными. Иногда для идентификации ошибок используют еще бит контроля четности. Существует два варианта бита контроля четности: бит контродя четный (Even Parity) и, соответственно, нечетный (Odd Parity). Значение определяется двоичной суммой всех передаваемых битов данных.
Стандарт RS-232 в общем случае описывает четыре интерфейсные функции:
Определение управляющих сигналов через интерфейс;
Определение формата данных пользователя, передаваемых через интерфейс;
Передачу тактовых сигналов для синхронизации потока данных;
Формирование электрических характеристик интерфейса.
Сигналы интерфейса RS-232
Интерфейс RS-232 является последовательным асинхронным интерфейсом. Последовательная передача означает, что данные передаются по единственной линии. Для синхронизации битам данных предшествует специальный стартовый бит, после битов данных следует бит паритета и один или два стоповых бита. Такая группа битов совместно со стартовым и стоповым битом, а также битом паритета носит название старт-стопного символа.
Каждый старт-стопный символ, как правило, содержит один информационный символ, например символ ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Для передачи символов по интерфейсу RS-232 наибольшее распространение получил формат, включающий в себя один стартовый бит, один бит паритета и два стоповых бита.
Начало асинхронного символа всегда отмечает низкий уровень стартового бита. После него следуют 7 бит данных символа кода ASCII. Бит паритета устанавливается в "1" или "О" так, чтобы общее число единиц в 8-ми битной группе было нечетным (нечетный паритет - нечетность) или четным (четный паритет - четность). Последними передаются два стоповых бита, представленных высоким уровнем напряжения.
В России наибольшее распространение получила альтернативная кодировка ASCII. Число всех символов расширенного кода ASCII равно 256 и, следовательно, каждый такой символ кодируется восьмью битами (2 =256). Удобнее передавать каждый символ расширенной кодировки в виде отдельного старт-стопного символа. Поэтому часто используется формат, состоящий из одного стартового бита, восьми информационных и одного стопового бита. При этом бит паритета не используется.
Полный асинхронно передаваемый символ данных состоит из 10-11 бит при том, что собственно пользовательские данные состоят из 7 - 8 бит.
Для приведенного примера старт-стопный символ, соответствующий букве А, состоит из 11 бит и записывается в виде 01000001011. Здесь используется четный паритет, поэтому девятый бит содержит 0.
Используемые в интерфейсе RS-232 уровни сигналов отличаются от уровней сигналов, действующих в модеме или компьютере. Логический "0" представляется положительным напряжением в диапазоне от +3 до +15В, а логическая "1" - отрицательным напряжением в диапазоне от - 3 до - 15В. .
Каждая линия интерфейса задается своим функциональным описанием. Все линии обмена сигналами между DTE и DCE, определяемые стандартом RS-232, можно разбить на четыре основные группы. Это линии данных, управления, синхронизации и линии сигнальной и защитной "земли".
Аппаратная реализация интерфейса RS-232 включает в себя последовательный адаптер и собственно механический интерфейс (разъемное соединение). Обычно передача данных осуществляется на одной из нескольких дискретных скоростей: 50, 75, 110, 150 , 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 или 115200 Бод. Средства BIOS (такие как прерывание Intl4h) поддерживают скорости только до 9600 Бод включительно. Тактовая частота составляет 1,8432 МГц и стабилизирована благодаря использованию кварцевого i снератора. Из этой частоты формируются все остальные необходимые частоты. В основе контроллера последовательного порта передачи данных лежит асинхронный приемопередатчик UART (Universal Asinchronouse Receiver Transmitter). Он содержит регистры передатчика и приемника данных, а также ряд служебных регистров.
В общих чертах работу UART в режимах приема/передачи можно описать следующим образом. При передаче символа UART должен выполнить следующие операции: > принять символ в параллельной форме через системную шину PC; > преобразовать символ в последовательность отдельных битов (параллельно-последовательное преобразование); > сформировать старт-стопный символ путем добавления к информационным разрядам стартового, стопового и, возможно, бита паритета (четности или нечетности); > передать старт-стопный символ на интерфейс с требуемой скоростью; > сообщить о готовности к передаче следующего символа.
При приеме символа UART должен выполнить обратную последовательность действий: > принять данные в последовательной форме; > проверить правильность структуры старт-стопного символа: стартовый бит, информационные разряды, бит паритета; если выявлена ошибка - выдать сигнал ошибки; > осуществить проверку паритета; если выявлена ошибка - выдать сигнал ошибки паритета; > преобразовать старт-стопный символ в информационный и передать его в параллельной форме в PC; > сообщить, что символ принят.
Асинхронный последовательный порт подключается к внешним устройствам через специальный разъем. Существует два стандарта на разъемы интерфейса RS-232 - это DB-25 и DB-9. Первый имеет 25, а второй - 9 контактов.
Ограничения интерфейса RS-232 Вследствие воздействия помех, активного и реактивного сопротивления соединительного кабеля между устройствами DTE и DCE существуют ограничения на его длину. Официальное ограничение по длине для соединительного кабеля по стандарту RS-232 составляет порядка 15 м при скорости передачи около 20 Кбит/с. Однако на практике это расстояние может быть значительно больше и зависит от скорости передачи данных.
Соотношение между скоростью передачи и длиной кабеля зависит также от качества используемого кабеля. Если используется кабель с низкой емкостью, то расстояние между DTE и DCE может быть больше.
Интерфейс AT
5-контактный DIN-разъем интерфейсаATпредназначен исключительно для подключения клавиатуры. Передача и прием происходят по одному каналу. Тактовый канал предназначен для синхронизации этих функций. КаналReset(сброс) служит для передачи сигнала на перезагрузку РС, но обычно он не используется.
Интерфейс PS/2
В настоящее время наиболее распространенным способом подключения клавиатуры и мыши является их подключение к маленькому 6-контактному порту PS/2. На материнсих платах имеется два разъема, один из которых предназначен для мыши, другой - для клавиатуры.
Контроллер, обрабатывающий сигналы, поступающие с клавиатуры или мыши, очень чувствителен к перепадам напряжения. Поэтому не вставляйте в порт PS/2 ничего до выключения компьютера - иначе контроллер может выйти из строя, и придется тогда менять материнскую плату.
Цветовая раскраска штекеров: фиолетовый для клавиатуры и зеленый для мыши.
Интерфейс USB
Последовательная, полудуплексная, двунаправленная с производительностью 12 Мбит/с (или 1.5 Мбит/с в более дешевой версии) и шлейфовым подключением устройств. Была предложена компанией Intelи получила в настоящее время широкое распространение.
Предназначена для облегчения:
Подключения ПК к телефонной сети (для передачи речи и цифровой информации) в соответствии с требованиями некоторых синхронных терминалов (CTI);
Подключения периферийных устройств;
Поддержки устройств новых типов.
Шина позволяет подключить к ПК до 127 физических устройств. Каждое физическое устройство может, в свою очередь, состоять из нескольких логических.
Кабельная разводка USBначинается с узла (host).Bнастоящее время в систему (например, ПК) может быть интегрирован только один узел. Узел обладает интегрированным корневым концентратором (roothub), который предоставляет несколько разъемовUSBдля подключения внешних устройств. Затем кабели идут к другим устройствамUSB, которые также могут быть концентраторами, и функциональным компонентам. Концентраторы часто встраиваются в мониторы и клавиатуры. Концентраторы обычно обладают семью и менее "исходящими" портами.
Сигнал USB переносится по кабелю с двумя парами проводников, который использует четырехконтактный экранированный разъем. Одна пара проводников не перекручивается и "несет" питание 5 В постоянного напряжения. Питаться устройства могут от шины или от собственного источника.
Команды и данные путешествуют до другой паре проводников, которая поддерживает двунаправленную полудуплексную передачу. Отдельные проводники называются D+ и D-. Для подключения устройств на максимальной скорости пара проводников передачи данных должна быть скручена и обладать импедансом 90 Ом. Если устройство не формулирует особых требований к скорости передачи данных, пара сигнальных проводников может быть не перекручена. Для передачи данных используются дифференциальные напряжения до 3 В (с целью снижения влияния шума). Пропускная способность 1.5 Мбит/с предназначена для мыши и клавиатуры, которые не в состоянии эффективно воспользоваться всеми 12 Мбит/с максимальной пропускной способности.
Для клавиатур IBM PC AT был разработан интерфейс, у которого для подключения к системному блоку использовался разъем DIN с пятью контактами (рис.8, а), популярный в бытовой аппаратуре. Длина интерфейсного кабеля должна быть от 1 до 2 м. Для улучшения потребительских свойств кабель скручивается в виде пружины.
Так как габариты устанавливаемого на системной плате стандартного разъема клавиатуры IBM PC AT чересчур велики, то при разработке корпорацией IBM линии компьютеров типа IBM PS/2 был создан новый стандарт для интерфейса клавиатуры. Под него был использован 6-контактный разъем Mini DIN (рис.8, б). Правда, компьютеры IBM PS/2 оказались не чересчур популярны, но стандарт на подключение клавиатуры стал использоваться и другими производителями.
К счастью для пользователей, электрические характеристики обоих стандартов интерфейса клавиатура одинаковы (табл. 7.1), в связи с этим клавиатуру с разъемом DIN можно подключить к разъему Mini DIN, используя переходник, и наоборот. Заметим, что подключать и отключать клавиатуру от системной платы форм-фактора АТХ, использующего стандарт PS/2, можно только при выключенном питании компьютера.
Таблица – 1 Соответствие выводов разъемов интерфейса клавиатуры
В последнее время наметилась тенденция отказа даже от малогабаритных разъемов PS/2, в связи с этим новейшие клавиатуры обзавелись интерфейсом USB. В беспроводных клавиатурах может использоваться инфракрасный порт.
Манипулятор "мышь"
Манипулятор типа "мышь" (обычно везде и всюду говорят и пишут более кратко - мышь), самое простое и популярное средство ввода информации в компьютер.
Размещено на реф.рф
Более того, работать без мыши в операционной среде Windows с графическим интерфейсом практически невозможно, что ощущают на себе пользователи, когда хвостатый друг ломается (загрязнился шарик или обломался провод).
Манипулятор "мышь" после клавиатуры - наиболее многофункциональное устройство ввода. С помощью мыши пользователь управляет перемещением курсора на экране в любом направлении, т. к. при передвижении мыши по поверхности стола курсор послушно двигается в том же направлении и с такой же скоростью. Нажатие на левую кнопку мыши в графическом редакторе, если, к примеру, установлен режим Карандаш, оставляет видимый след при передвижении курсора. В операционной системе Windows, подведя курсор с помощью мыши к изображению какой-либо кнопки, можно щелчком левой кнопки мыши имитировать нажатие клавиши
Сегодня многие пользователи считают, что мышь была разработана специально для персональных компьютеров совсем недавно. Но если посмотреть на ее первые экземпляры - угловатые, тяжёлые, невзрачные коробки, которые не так уж легко держать в руке, то сразу веришь, что изобретена она в начале 60-х годов прошлого века. Автор мыши, Дуглас Энгельбарт, работал в Стэнфордском исследовательском институте над проектом по развитию человеческого интеллекта (в то время - обычная фантастика), который финансировался NASA. Основная цель разработки нового манипулятора - это получить более удобный инструмент ввода графической информации в компьютер, чем световое перо и джойстик.
Конструкция манипулятора "мышь" была запатентована Стэнфордским институтом, как и многие другие устройства, лишь для того чтобы застолбить данную идею, т. к. в то время было трудно представить светлое будущее нового устройства. Как говорит автор - он лишь через несколько лет узнал, что лицензия была продана компании Apple за $40 000.
Почти за сорок лет конструкция мыши (mouse) претерпела не так много изменений. Только лишь когда развитие микроэлектроники позволило поместить в одной маленькой микросхеме всю электронную начинку мыши, появились изящные и удобные корпуса. На рис. 7.9 показаны фотографии нескольких представителей семейства хвостатых помощников: от самых простых - с двумя кнопками и не чересчур причудливым корпусом, до эргономических моделей, удобно лежащих в руке, снабженных дополнительными колесиками и кнопками.
Рисунок 9 - Манипуляторы "мышь":
Двухкнопочная Genius Easy Pro с USB-интерфейсом;
Трехкнопочная Logitech Pilot First;
Microsoft Inteljimouse мышь PS/2
Наиболее распространенная и дешевая мышь имеет две кнопки (рис. 7.14, а) - левую, наиболее часто используемую, и правую, предназначенную для вызова вспомогательных функций. Почти также популярна мышь с тремя кнопками (рис. 7.14, б), но средняя в среде Windows практически не используется. В последнее время пользуется популярностью модель с колесиком (рис. 7.14, в), ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ применяется для вертикальной прокрутки окна, колесико прокрутки может дополнительно выполнять и функцию кнопки. Кроме мышей, показанных на рис. 7.9, существуют конструкции с одной или четырьмя кнопками (иногда дополнительные кнопки помещают на боковой поверхности мыши), предлагаются также мыши, на которых установлено второе колесико для горизонтальной прокрутки.
Загрузка...