Работа с коммуникационными портами  2.1 Описание COM-портов  Коммуникационные порты компьютеров (LPT и COM) широко используются для управления различными периферийными устройствами, такими как принтеры, сканеры, плоттеры, а так же для связи с промышленными объектами в системах автоматизации управления. Через последовательный порт так же осуществляется связь с удаленными объектами через модем, включая и выход в глобальную сеть Internet.  В то же время в учебно-методической литературе схемотехника и методика применения портов компьютера освещена достаточно слабо. В частности не освещены новые режимы работы параллельных портов, такие как EPP и ECP, используемые в современных компьютерах.  В данную работу включено описание принципов организации параллельных и последовательных портов и их схемотехники. Она позволяет изучить программные методы обмена информацией через указанные порты на низком уровне, что важно не только для решения конкретных задач, например, связи с принтером, но и для освещения основных принципов программного управления объектами.  2.2 Структура стандартного порта  Этот макет наиболее наглядно представляет структуру стандартного порта ввода/вывода, к которым относятся COM и LPT.  Как видно, порт содержит базовый регистр – это первый этап на пути к нужной ножке из АП. Базовый регистр содержит в себе несколько подрегистров (ПР) (называемых ещё «смещением адреса»). В зависимости от их типа, связь их с БР может быть двусторонней (запись и чтение) или односторонней (запись или чтение).  Каждому ПР соответствует какое то количество ножек порта. Т.е. разные ножки порта принадлежат разным подрегистрам и для того, чтобы выставить на них какое-то состояние или считать его с какой-нибудь ножки, надо сначала обратится к соотв. ей ПР.  Некоторые ПР вообще не имеют непосредственного отношения к выводам порта, т.к. являются регистрами состояния. Их используют для настройки порта. Например, некоторое количество ножек порта могут работать на передачу/приём. Для того, чтобы установить режим их работы (передача, приём или передача и приём) в соотв. ПР порта записывают определённый код.

Оперативная память компьютера (RAM).

Оперативная память компьютера или ОЗУ (англ. RAM, Random Access Memory - память с произвольным доступом) - это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

Оперативная память компьютера работает на частоте системной шины и требует 6-8 циклов синхронизации шины для обращения к ней. Так, при частоте работы системной шины 100 МГц (при этом период равен 10 нс) время обращения к оперативной памяти составит несколько десятков наносекунд.

Характеристики оперативной памяти компьютера :

• Оперативная память компьютера хранит инструкции для работы и промежуточные результаты вычислений и используется только для временного хранения данных и программ.

• Слово «оперативная» говорит о том, что обращение к этой памяти происходит достаточно быстро и информацию в ней можно легко менять.

• При выключении компьютера Оперативная память очищается, и записанная в нее информация уничтожается. Это свойство называется энергозависимостью.

• Доступ к элементам оперативной памяти прямой - это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Типы оперативной памяти :

DDR SDRAM (от англ. Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory - удвоенная скорость передачи данных синхронной памяти с произвольным доступом) - тип оперативной памяти, используемой в компьютерах. При использовании DDR SDRAM достигается большая полоса пропускания, фактически почти удваивается скорость передачи данных, не увеличивая при этом частоты шины памяти.

DDR2 SDRAM (от англ. double data rate two synchronous dynamic random access memory - удвоенная скорость передачи данных синхронной памяти с произвольным доступом).

DDR3 SDRAM (от англ. double-data-rate three synchronous dynamic random access memory – удвоенная скорость передачи данных синхронной памяти с произвольным доступом) – это типоперативной памяти используемой в компьютерах, разработанный как последователь DDR2 SDRAM. DDR3 имеет уменьшенное на 40 % потребление энергии по сравнению с модулями DDR2, что обусловлено пониженным (1,5 В, по сравнению с 1,8 В для DDR2 и 2,5 В для DDR) напряжением питания ячеек памяти.

Постоянная память (ROM).

Постоянная память - Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ или ROM – Read Only Memory, память только для чтения) также строится на основе установленных на материнской плате модулей (кассет) и используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ операционной системы, программ тестирования устройств компьютера и некоторых драйверов базовой системы ввода - вывода (BIOS) и т.д. К постоянно запоминающим устройствам принято относить энергонезависимые постоянные и «полупостоянные» запоминающие устройства, из которых оперативно можно только считывать информацию, запись информации в постоянно запоминающие устройства выполняется вне ПК в лабораторных условиях или при наличии специального программатора – в компьютере. По технологии записи информации можно выделить ПЗУ следующих типов :

• Микросхемы, программируемые только при изготовлении – классические или масочные ПЗУ или ROM.

• Микросхемы, программируемые однократно в лабораторных условиях - программируемые ПЗУ (ППЗУ) или programmable ROM (PROM).

• Микросхемы, программируемые многократно – перепрограммируемые ПЗУ или erasable PROM (EPROM). Среди них следует отметить электрически перепрограммируемые микросхемы EEPROM (Electrical Erasable PROM), в том числе флэш-память.

Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Важнейшая микросхема постоянной памяти – модуль BIOS.  BIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода-вывода) – совокупность программ, предназначенных для:

• Автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера.

• Загрузки операционной системы в оперативную память.

Накопи́тель на жёстких магни́тных ди́сках или НЖМД (англ.hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD), жёсткий диск, в компьютерном сленге«винче́стер» — запоминающее устройство(устройство хранения информации)произвольного доступа, основанное на принципемагнитной записи. Является основным накопителем данных в большинствекомпьютеров.

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевыеилистеклянные)пластины, покрытые слоемферромагнитногоматериала, чаще всегодвуокисихрома— магнитные диски. В НЖМД используется одна или несколько пластин на однойоси.Считывающие головкив рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет нескольконанометров(в современных дисках около 10 нм^[1]), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Также, в отличие от гибкого диска, носитель информации обычно совмещают с накопителем, приводом и блоком электроники. Такие жёсткие диски часто используются в качестве несъёмного носителя информации.

Характеристики

Интерфейс (англ.interface) — техническое средство взаимодействия 2-х разнородных устройств, что в случае с жёсткими дисками является совокупностью линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии (контроллеры интерфейсов), и правил (протокола) обмена. Современные серийно выпускаемые внутренние жёсткие диски могут использовать интерфейсы ATA(он же IDE и PATA),SATA,eSATA,SCSI,SAS,FireWire,SDIOиFibre Channel.

Ёмкость (англ.capacity) — количество данных, которые могут храниться накопителем. С момента создания первых жёстких дисков в результате непрерывного совершенствования технологии записи данных их максимально возможная ёмкость непрерывно увеличивается. Ёмкость современных жёстких дисков (с форм-фактором3,5 дюйма) на сентябрь 2011 года достигает 4000 Гб (4 терабайт) и близится к 5 Тб.^[5] В отличие от принятой в информатикесистемы приставок, обозначающих кратную 1024 величину (см.:двоичные приставки), производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 ГБ», составляет 186,2ГиБ.^[6][7]

Физический размер (форм-фактор;англ.dimension) — почти все накопители 2001—2008 годов для персональных компьютеровисерверовимеют ширину либо 3,5, либо 2,5дюйма— под размер стандартных креплений для них соответственно в настольных компьютерах иноутбуках. Также получили распространение форматы 1,8, 1,3, 1 и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов.

Время произвольного доступа (англ.random access time) — среднее время, за которое винчестер выполняет операцию позиционирования головки чтения/записи на произвольный участок магнитного диска. Диапазон этого параметра — от 2,5 до 16 мс. Как правило, минимальным временем обладают диски для серверов (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — это 3,7 мс^[8]), самым большим из актуальных — диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 — 12,5 мс^[9]). Для сравнения, уSSD-накопителейэтот параметр меньше 1 мс.

Скорость вращения шпинделя (англ.spindle speed) — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки); 5400, 5900, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры); 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции). Увеличению скорости вращения шпинделя в винчестерах для ноутбуков препятствует гироскопический эффект, влияние которого пренебрежимо мало в неподвижных компьютерах.

Надёжность (англ.reliability) — определяется как среднее время наработки на отказ(MTBF). Также подавляющее большинство современных дисков поддерживают технологиюS.M.A.R.T.

Количество операций ввода-вывода в секунду (англ.IOPS) — у современных дисков это около 50 оп./с при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

Потребление энергии — важный фактор для мобильных устройств.

Сопротивляемость ударам (англ.G-shock rating) — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных (англ.Transfer Rate) при последовательном доступе:

• внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;

• внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.

Объём буфера — буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных дисках он обычно варьируется от 8 до 128 Мб.

Технологии записи данных

Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует наферромагнетикповерхности диска и изменяет направление вектора намагниченностидоменовв зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.

В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки. В них изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от изменения напряжённости магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).

Модемы широко применяются для связи компьютеров через телефонную сеть (телефонный модем), кабельную сеть (кабельный модем), радиоволны (en:Packet_radio, радиорелейная связь). Ранее модемы применялись также в сотовых телефонах (пока не были вытеснены цифровыми способами передачи данных).

Виды компьютерных модемов

Модемы различаются по исполнению (внешние или внутренние), по принципу работы (аппаратные или программные), по типусети, к которой производится подключение, а также по поддерживаемымпротоколам передачи данных.

Наибольшее распространение получили внутренние программные, внешние аппаратные и встроенные модемы.

По исполнению

• внешние — подключаются через COM-, LPT-^[1], USB- или Ethernet-порт, обычно имеют отдельный блок питания (существуют и USB-модемы с питанием от шины USB).

• внутренние — дополнительно устанавливаются внутрь системного блока или ноутбука (в слот ISA, PCI, PCI-E, PCMCIA,AMR/CNR).

• встроенные — являются частью устройства, куда встроены (материнской платы, ноутбука или док-станции).

По принципу работы

• аппаратные — все операции преобразования сигнала, поддержка физических протоколов обмена производятся встроенным в модем вычислителем (например, с использованием DSP или микроконтроллера). Также в аппаратном модеме присутствуетПЗУ, в котором записана микропрограмма, управляющая модемом.

• программные (софт-модемы, host based soft-modem) — все операции по кодированию сигнала, контролю ошибок и управлению протоколами, реализованы программно и производятся центральным процессором компьютера. В модеме находятся только входные/выходные аналоговые цепи и преобразователи (ЦАП и АЦП), а также контроллер интерфейса (например USB).

• полупрограммные (controller based soft-modem) — модемы, в которых часть функций модема выполняет компьютер, к которому подключён модем.

По типу сети и соединения

• Модемы для телефонных линий:

  • Модемы для коммутируемых телефонных линий — наиболее распространённый в XX веке и 2000-х годах тип модемов. Используют коммутируемый удалённый доступ.

  • ISDN — модемы для цифровых коммутируемых телефонных линий.

  • DSL — используются для организации выделенных (некоммутируемых) линий средствами обычной телефонной сети. Отличаются от коммутируемых модемов тем, что используют другой частотный диапазон, а также тем, что по телефонным линиям сигнал передается только до АТС. Обычно позволяют одновременно с обменом данными осуществлять использование телефонной линии для переговоров.

• Кабельные модемы — используются для обмена данными по специализированным кабелям — к примеру, через кабельколлективного телевидения по протоколу DOCSIS.

• Радиомодемы — работают в радиодиапазоне, используют собственные наборы частот и протоколы:

  • Беспроводные модемы — работают по протоколам сотовой связи (GPRS, EDGE, 3G, LTE) или Wi-Fi. Часто имеют исполнения в виде USB-брелока. В качестве таких модемов также часто используют терминалы мобильной связи.

  • Спутниковые модемы — используются для организации спутникового Интернета. Принимают и обрабатывают сигнал, полученный со спутника.

• PowerLine-модемы (стандарт HomePlug) — используют технологию передачи данных по проводам бытовой электрической сети.

Устройство

Порты ввода-вывода — схемы, предназначенные для обмена данными между телефонной линией и модемом с одной стороны, и модемом и компьютером — с другой. Для взаимодействия с аналоговой телефонной линией зачастую используется трансформатор.

1. Сигнальный процессор (Digital Signal Processor, DSP) Обычно модулирует исходящие сигналы и демодулирует входящие на цифровом уровне в соответствии с используемым протоколом передачи данных. Может также выполнять другие функции.

2. Контроллер управляет обменом с компьютером.

3. Микросхемы памяти:

• ROM — энергонезависимая память, в которой хранится микропрограмма управления модемом — прошивка, которая включает в себя наборы команд и данных для управления модемом, все поддерживаемыекоммуникационные протоколы и интерфейс с компьютером. Обновление прошивки модема доступно в большинстве современных моделей, для чего служит специальная процедура, описанная в руководстве пользователя. Для обеспечения возможности перепрошивки для хранения микропрограмм применяется флэш-память (EEPROM). Флэш-память позволяет легко обновлять микропрограмму модема, исправляя ошибки разработчиков и расширяя возможности устройства. В некоторых моделях внешних модемов она так же используется для записи входящих голосовых и факсимильных сообщений при выключенном компьютере.

• NVRAM — энергонезависимая электрически перепрограммируемая память, в которой хранятся настройки модема (профиль модема)^[2]. Пользователь может изменять установки, например, используя набор AT-команд.

• RAM — оперативная память модема, используется для буферизации принимаемых и передаваемых данных, работы алгоритмов сжатия и прочего.

Принтер(отангл.print— печать; син.печатающее устройство) —периферийное устройствокомпьютера, предназначенное для перевода текста или графики на физический носитель из электронного вида малыми тиражами (от единиц до сотен) без созданияпечатной формы. Этим принтеры отличаются отполиграфического оборудованияиризографов, которое за счёт печатной формы быстрее и дешевле на крупных тиражах (сотни и более экземпляров).