Порт параллельного интерфейса был введен в PC для подключения принтера —LP’T-порт (Line PrinTer — построчный принтер).
Адаптер параллельного интерфейса представляет собой набор регистров, расположенных в пространстве ввода/вывода. Регистры порта адресуются относительно базового адреса порта, стандартными значениями которого являются 386h, 378h и 278h. Порт имеет внешнюю 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов.
BIOS поддерживает до четырех LPT-портов (LPT1-LPT4) своим сервисом — прерыванием INT 17h, обеспечивающим через них связь с принтерами по интерфейсу Centronics. Этим сервисом BIOS осуществляет вывод символа, инициализацию интерфейса и принтера, а также опрос состояния принтера.
Интерфейс Centronics
Понятие Centronics относится как к набору сигналов и протоколу взаимодействия, так и к 36-контактному разъему, устанавливаемому на принтерах. Назначение сигналов приведено в табл. 1.
Таблица 1.
Сигналы интерфейса Centronics
Интерфейс Centronics поддерживается большинством принтеров с параллельным интерфейсом, его отечественным аналогом является интерфейс ИРПР-М.
Традиционный LPT-порт
Традиционный порт SPP (Standard Parallel Port) является однонаправленным портом, на базе которого программно реализуется протокол обмена Centronics. Порт обеспечивает возможность вырабатывания запроса аппаратного прерывания по импульсу на входе АСК#. Сигналы порта выводятся на разъем DB-25S (розетка), установленный непосредственно на плате адаптера (или системной плате) или соединяемый с ней плоским шлейфом. Название и назначение сигналов разъема порта (табл. 2) соответствуют интерфейсу Centronics.
Таблица 2.
Разъем стандартного LPT-порта
* I/O задает направление передачи (вход/выход) сигнала порта; 0/I обозначает выходные линии, состояние которых считывается при чтении из соответствующих портов вывода.
** Символом «» отмечены инвертированные сигналы (1 в регистре соответствует низкому уровню линии).
*** Вход Ack# соединен резистором (10 кОм) с питанием +5 В.
Стандартный порт имеет три 8-битных регистра, расположенных по соседним адресам в пространстве ввода/вывода, начиная с базового адреса порта (BASE).
Data Register (DR) — регистр данных, адрес= BASE. Данные, записанные в этот порт, выводятся на выходные линии интерфейса. Данные, считанные из этого регистра, в зависимости от схемотехники адаптера соответствуют либо ранее записанным данным, либо сигналам на тех же линиях.
Status Register (SR) — регистр состояния, представляющий собой 5-битный порт ввода сигналов состояния принтера (биты SR.4-SR.7), адрес= BASE+1. Бит SR.7 инвертируется — низкому уровню сигнала соответствует единичное значению бита в регистре, и наоборот.
Назначение бит регистра состояния (в скобках даны номера контактов разъема):
SR.7—Busy — инверсные отображения состояния линии Busy (11);
SR.6 —АСК (Acknowledge) — отображения состояния линии Ack# (10).
SR.5 —РЕ (Paper End) — отображения состояния линии Paper End (12).
SR.4—Select — отображения состояния линии Select (13). Единичное значение соответствует cигналу о включении принтера.
SR.3—Error — отображения состояния линии Error (15).
SR.2 — PIRQ — флаг прерывания по сигналу Ack# (только для порта PS/2). Бит обнуляется, если сигнал Ack# вызвал аппаратное прерывание. Единичное значение устанавливается по аппаратному сбросу и после чтения регистра состояния.
SR[1:0] — зарезервированы.
Control Register (CR) — регистр управления, адрес=ВА5Е+2. Как и регистр данных, этот 4-битный порт вывода допускает запись и чтение (биты 0-3), но его выходной буфер обычно имеет тип открытый коллектор. Это позволяет более корректно использовать линии данного регистра как входные при программировании их в высокий уровень. Биты О, 1, 3 инвертируются — единичному значению в регистре соответствует низкий уровень сигнала, и наоборот.
Назначение бит регистра управления:
CR[7:6] — зарезервированы.
CR.5 — Direction — бит управления направлением передачи (только для портов PS/2). Запись единицы переводит порт данных в режим ввода.
CR.4 —ACKINTEN (Ack Interrupt Enable) — единичное значение разрешает прерывание по спаду сигнала на линии Ackff — сигнал запроса следующего байта.
CR.3 — Select In — единичное значение бита соответствует низкому уровню на выходе Selecting (17) — сигналу, разрешающему работу принтера по интерфейсу Centronics.
CR.2 — Init — нулевое значение бита соответствует низкому уровню на выходе Imt# (16) — сигнал аппаратного сброса принтера.
CR.1 — Auto LF — единичное значение бита соответствует низкому уровню на выходе Auto LF# (14) — сигналу на автоматический перевод строки (LF — Line Feed) по приему байта возврата каретки (CR — Carriage Return).
CR.O —Strobe — единичное значение бита соответствует низкому уровню на выходе Strobeff (1) — сигналу стробирования выходных данных.
Запрос аппаратного прерывания (обычно IRQ7 или IRQ5) вырабатывается по отрицательному перепаду сигнала на выводе 10 разъема интерфейса (АСК#) при установке CR.4=1. Прерывание вырабатывается, когда принтер подтверждает прием предыдущего байта.
Процедура вывода байта по интерфейсу Centronics через стандартный порт включает следующие шаги (в скобках приведено требуемое количество шинных операций процессора):
Вывод байта в регистр данных (1 цикл IOWR#).
Ввод из регистра состояния и проверка готовности устройства (бит SR.7 — сигнал BUSY).
По получении готовности выводом в регистр управления устанавливается строб данных, а следующим выводом строб снимается (2 цикла lOWRff).
Стандартный порт сильно асимметричен — при наличии 12 линий (и бит), нормально работающих на вывод, на ввод работает только 5 линий состояния. Если необходима симметричная двунаправленная связь, на всех стандартных портах работоспособен режим полубайтного обмена — Nibble Mode. В этом режиме, называемым также и Hewlett Packard Bitronics, одновременно передаются 4 бита данных, пятая линия используется для квитирования.
Функции BIOS для LPT-порта
BIOS обеспечивает поддержку LPT-порта, необходимую для организации вывода по интерфейсу Centronics.
В процессе начального тестирования POST BIOS проверяет наличие параллельных портов по адресам ЗВСЬ, 378h и 278h и помещает базовые адреса обнаруженных портов в ячейки BIOS DATA AREA 0:0408h, 040Ah, 040СП, 040ЕП. Эти ячейки хранят адреса портов с логическими именами LPT1-LPT4. В ячейки 0:0478, 0479, 047А, 047В заносятся константы, задающие выдержку тайм-аута для этих портов.
Поиск портов обычно ведется по базовому адресу. Если считанный байт совпал с записанным, считается, что найден LPT-порт, и его адрес помещают в ячейку BIOS DATA AREA. Адрес порта LPT4 BIOS самостоятельно установить не может, поскольку в списке стандартных адресов поиска имеются только три вышеуказанных.
Обнаруженные порты инициализируются — записью в регистр управления формируется и снимается сигнал Initff, после чего записывается значение 00h, соответствующее исходному состоянию сигналов интерфейса.
Программное прерывание BIOS I NT 17h обеспечивает следующие функции поддержки LPT-порта:
00h — вывод символа из регистра AL по протоколу Centronics. Данные помещаются в выходной регистр и после готовности принтера формируется строб.
01h — инициализаия интерфейса и принтера.
02h — опрос состояния принтера.
При вызове INT 17h номер функции задается в регистре АН, номер порта — в регистре DX (0 — LPT1, 1 — LPT2…). При возврате после любой функции регистр АН содержит код состояния — биты регистра состояния SR[7:3] (биты 6 и 3 инвертированы) и флаг тайм-аута в бите 0. Флаг тайм-аута устанавливается при неудачной попытке вывода символа. Расширения параллельного порта
Недостатки стандартного порта частично устраняют новые типы портов, появившихся в компьютерах семейства PS/2.
Двунаправленный порт 1 (Typel parallel port) — интерфейс, введенный с PS/2. Такой порт кроме стандартного режима может работать в режиме ввода или двунаправленном. Протокол обмена формируется программно, а для указания направления передачи в регистр управления порта введен специальный бит: при CR.5=0 буфер данных работает на вывод, при CR.5=1 — на ввод.
Порт с прямым доступом к памяти (Type 3 DMA parallel port) применялся в PS/2 моделей 57, 90, 95. Этот тип был введен для повышения пропускной способности и разгрузки процессора при выводе на принтер. Программе, работающей с данным портом, требовалось только задать блок данных в памяти, подлежащих выводу, и вывод по протоколу Centronics производился без участия процессора.
Физический и электрический интерфейс
Стандарт IEEE 1284 определяет физические характеристики приемников и передатчиков сигналов.
К передатчикам предъявляются следующие требования:
Уровни сигналов без нагрузки не должны выходить за пределы -0,5… +5,5 В.
Уровни сигналов при токе нагрузки 14 мА должны быть не ниже +2,4 В для высокого уровня (voh) и не выше +0,4 В для низкого уровня (vol) на постоянном токе.
Выходной импеданс ro, измеренный на разъеме, должен составлять 50(±)5 Ом на уровне voh-vol. Для обеспечения заданного импеданса в некоторых случаях используют последовательные резисторы в выходных цепях передатчика. Согласование импеданса передатчика и кабеля снижает уровень импульсных помех.
Скорость нарастания (спада) импульса должна находиться в пределах 0,05-0,4 В/нс.
Требования к приемникам:
Допустимые пиковые значения сигналов -2,0…+7,0.
Пороги срабатывания должны быть не выше 2,0 В (vih) для высокого уровня и не ниже 0,8 В (vil) для низкого.
Приемник должен иметь гистерезис в пределах 0,2-1,2 В.
Входной ток микросхемы не должен превышать 20 мкА.
Входная емкость не должна превышать 50 пФ.
Стандарт IEEE 1284 определяет три типа используемых разъемов. Типы Л (DB-25) и В (Centronics-36) используются в традиционных кабелях подключения принтера, тип С — новый малогабаритный 36-контактный разъем.
Интерфейсные кабели, традиционно используемые для подключения принтеров, обычно имеют от 18 до 25 проводников, в зависимости от числа проводников цепи GND.
Стандарт IEEE 1284 регламентирует и свойства кабелей:
Все сигнальные линии должны быть перевитыми с отдельными обратными (общими) проводами.
Каждая пара должна иметь импеданс 62(±)6 Ом в частотном диапазоне 4-16 МГц.
Уровень перекрестных помех между парами не должен превышать 10%.
Кабель должен иметь экран (фольгу), покрывающий не менее 85% внешней поверхности. На концах кабеля экран должен быть окольцован и соединен с контактом разъема.
Кабели, удовлетворяющие этим требованиям, маркируются надписью IЕЕЕ Std 1284-1994 Compliant». Они могут иметь длину до 10 метров. Режимы передачи данных
Стандарт IEEE 1284 определяет пять режимов обмена, один из которых полностью соответствует традиционному стандартному программно-управляемому выводу по протоколу Centronics. Остальные режимы используются для расширения функциональных возможностей и повышения производительности интерфейса. Стандарт определяет способ согласования режима, по которому программное обеспечение может определить режим, доступный и хосту (в нашем случае это PC), и периферийному устройству.
Режимы нестандартных портов, реализующих протокол обмена Centronics аппаратно («Fast Centronics, «Parallel Port FIFO Mode»), могут и не являться режимами IEE1284, несмотря на наличие в них черт ЕРР и ЕСР.
При описании режимов обмена фигурируют следующие понятия:
Хост — компьютер, обладающий параллельным портом.
ПУ — периферийное устройство, подключаемое к этому порту (им может оказаться и другой компьютер). обозначениях сигналов Ptr обозначает передающее периферийное устройство.
Прямой канал — канал вывода данных от хоста в ПУ.
Обратный канал канал ввода данных в хост из ПУ.
Полубайтный режим ввода — Nibble Mode
Режим полубайтного обмена является наиболее общим решением задачи двунаправленного обмена данными, поскольку может работать на всех стандартных (традиционных) портах. Все эти порты имеют 5 линий ввода состояния, используя которые периферийное устройство может посылать в PC байт тетрадами (nibble — полубайт, 4 бита) за два приема. Назначение сигналов порта приведено в табл 4.
Таблица 4.
Сигналы LPT-порта в полубайтном режиме ввода
Прием байта данных в полубайтном режиме состоит из следующих фаз:
1. Хост сигнализирует о готовности приема данных установкой низкого уровня на линии HostBusy.
2. ПУ в ответ помещает тетраду на входные линии состояния.
3. ПУ сигнализирует о действительности тетрады установкой низкого уровня на линии PtrClk.
4. Хост устанавливает высокий уровень на линии HostBusy, указывая на занятость приемом и обработкой тетрады.
5. ПУ отвечает установкой высокого уровня на линии PtrCLk.
6. Шаги 1-5 повторяются для второй тетрады.
Полубайтный режим работает на всех портах со скоростью обмена не выше 50 Кбайт/с . Его применяют в тех случаях, когда прием данных от устройства производится в небольших объемах (например, для связи с принтерами).
Двунаправленный байтный режим Byte Mode
Данный режим обеспечивает прием данных с использованием двунаправленного порта, у которого выходной буфер данных может отключаться установкой бита CR.5=1. Как и в стандартном и в полубайтном режиме, данный режим является программно-управляемым — все сигналы квитирования анализируются и устанавливаются программным драйвером. Назначение сигналов порта приведено в табл. 5.
Таблица 5.
Сигналы LPT-порта в байтном режиме ввода/вывода
Прием байта данных в байтном режиме состоит из следующих фаз:
1. Хост сигнализирует о готовности приема данных установкой низкого уровня на линии HostBusy.
2. ПУ в ответ помещает байт данных на линии DATA[7:0].
3. ПУ сигнализирует о действительности байта установкой низкого уровня на линии PtrClk.
4. Хост устанавливает высокий уровень на линии HostBusy, указывая на занятость приемом и обработкой байта.
5. ПУ отвечает установкой высокого уровня на линии PtrClk.
6. Хост подтверждает прием байта импульсом HostClk.
7. Шаги 1-6 повторяются для каждого следующего байта.
Побайтный режим позволяет поднять скорость обратного канала до скорости прямого канала в стандартном режиме. Однако работать он может только на двунаправленных портах, которые применяются в основном лишь на малораспространенных машинах PS/2.
Режим ЕРР
Протокол ЕРР (Enhanced Parallel Port — улучшенный параллельный порт) предназначен для повышения производительности обмена по параллельному порту. ЕРР был реализован в чипсете Intel 386SL (микросхема 82360) и используется как дополнительный протокол параллельного порта.
Протокол ЕРР обеспечивает четыре типа циклов обмена:
Цикл записи данных.
Цикл чтения данных.
Цикл записи адреса.
Цикл чтения адреса.
Таблица 6.
Сигналы LPT-порта в режиме ввода/вывода ЕРР
ЕРР-порт имеет расширенный набор регистров (табл. 7), который занимает в пространстве ввода/вывода 5-8 смежных байт.
Таблица 7.
Регистры ЕРР-порта
В отличие от программно-управляемых режимов, описанных выше, внешние сигналы ЕРР-порта (как информационные, так и сигналы квитирования) для каждого цикла обмена формируются аппаратно по одной операции записи или чтения в регистр порта.
Цикл записи данных состоит из следующих фаз:
1. Программа выполняет цикл записи (IOWR#) в порт 4 (ЕРР Data Port).
2. Адаптер устанавливает сигнал Writeff (низкий уровень), и данные помещаются на выходную шину LPT-порта.
3. При низком уровне WAIT# устанавливается строб данных.
4. Порт ждет подтверждения от ПУ (перевода WAIT# в высокий уровень).
5. Снимается строб данных — внешний ЕРР-цикл завершается.
6. Завершается процессорный цикл ввода/вывода.
7. ПУ устанавливает низкий уровень WAIT#, указывая на возможность начала следующего цикла.
Главной отличительной чертой ЕРР является выполнение внешней передачи во время одного процессорного цикла ввода/вывода. Это позволяет достигать высоких скоростей обмена (0,5-2 Мбайт/с). Периферийное устройство, подключенное к параллельному порту ЕРР, может работать на уровне производительности устройства, подключаемого через слот ISA. Периферийное устройство может регулировать длительность всех фаз обмена с помощью всего лишь одного сигнала WAIT#. Протокол автоматически подстраивается и под длину кабеля — вносимые задержки только приведут к удлинению цикла.
«ЗАВИСАНИЕ» процессора на шинном цикле обмена препятствует механизм тайм-аутов PC, который принудительно завершает любой цикл обмена, длящийся более 15 мкс.
С программной точки зрения контроллер ЕРР-порта выглядит достаточно просто (см. табл.7). К трем регистрам стандартного порта, имеющим смещение 0, 1 и 2 относительно базового адреса порта, добавлены два регистра (ЕРР Address Port и ЕРР Data Port), чтение и запись в которые вызывает генерацию связанных внешних циклов.
Назначение регистров стандартного порта сохранено, что обеспечивает совместимость ЕРР-порта с периферийными устройствами и программным обеспечением, рассчитанными на применение программно-управляемого обмена. Поскольку сигналы квитирования адаптером вырабатываются аппаратно, при записи в регистр управления CR биты 0, 1 и 3, соответствующие сигналам STROBES, AUTOFEEDS и SELECTING, должны иметь нулевые значения. В противном случае программное вмешательство может нарушить последовательность квитирования. Некоторые адаптеры имеют специальные средства защиты (ЕРР Protect), при включении которых программная модификация этих бит блокируется.
Использование регистра данных ЕРР позволяет осуществлять передачу блока данных с помощью одной инструкции REP INSB или REP OUTSB вместо традиционных циклов с интенсивными операциями ввода/вывода. Некоторые адаптеры допускают и 16/32-битное обращение к регистру данных ЕРР. Тогда 16- или 32-битное обращение по адресу регистра данных ЕРР приведет к автоматической генерации двух или четырех шинных циклов по нарастающим адресам, начиная со смещения 4. Эти циклы будут выполняться быстрее, чем то же количество одиночных циклов. Таким образом при обмене данными и обеспечивается производительность, достигающая 2 Мбайт/с, вполне достаточная и для адаптеров локальных сетей, внешних дисков, стриммеров и CD-ROM. Адресные циклы БРР всегда выполняются только в однобайтном режиме обращения.
Важной чертой ЕРР является то, что обращение процессора к периферийному устройству осуществляется в реальном времени. Программный драйвер всегда способен наблюдать состояние и подавать команды в точно известные моменты времени. Циклы чтения и записи могут чередоваться в произвольном порядке или идти блоками. Такой тип обмена наиболее пригоден для регистро-ориентированной периферии или периферии, работающей в реальном времени — сетевых адаптеров, устройств сбора информации и управления, дисковых устройств и т. п. Режим ЕСР
Протокол ЕСР (Extended Capability Port — порт с расширенными возможностями) был предложен фирмами Hewlett Packard и Microsoft как прогрессивный режим связи с периферией типа принтеров и сканеров. Как и ЕРР, данный протокол обеспечивает высокопроизводительный двунаправленный обмен данными хоста с периферийными устройствами.
Протокол ЕСР в обоих направлениях обеспечивает два типа циклов:
••• Циклы записи и чтения данных. Командные циклы записи и чтения.
Командные циклы подразделяются на два типа: передача канальных адресов и счетчика RLC (Run-Length Count).
В отличие от ЕРР вместе с протоколом ЕСР сразу появился и стандарт на программную (регистровую) модель реализации его адаптера, изложенный в документе «The IEEE 1284 Extended Capabilities Port Protocol and ISA Interface Standard» компании Microsoft. Этот документ определяет специфические свойства реализации протокола, не заданные стандартом IEEE 1284: компрессия данных хост-адаптером по методу RLE;
••• буферизация FIFO для прямого и обратного каналов: применение DMA и программного ввода/вы