Porty

Paralelní porty, sériové porty (asynchronní, synchronní), porty komunikačních sběrnic (I2C, RS232, CAN-BUS, Ethernet apod.). Přímý přístup do paměti DMA. Použití HW přerušení komunikace.

Co je to port?

Port poskytuje rozhraní pro připojení periferního zařízení k počítačovému systému. Porty jsou standardizované např. tvarem či počtem vodičů podle toho, jaké zařízení umožňuje daný port připojit. Port je rozhraní mezi základovou deskou a periferním zařízením. Každý port je připojený na sběrnici, která tuto komunikaci zajišťuje. Struktura portu je dána jeho standardem.

Druhy portů

V počítačích se nejvíce používají dva druhy portů, které rozlišujeme podle toho, jaký typ sběrnice využívají:

  • sériové (tiskárny, modemy)
  • paralelní

Dříve se skrze tyto porty připojovala většina vnějších I/O periferií. Dnes se pro připojení většiny takových periferií používá USB port.

Způsoby komunikace

Podle toho, jestli mají jednotlivá zařízení clock rate dělíme komunikaci na dva způsoby

  • synchronní
  • asynchronní

Hlouběji je to popsáno v otázce 3.6.

Synchronní komunikace

Při synchronní komunikaci, běží obě dvě spojené strany na tzv. stejných hodinách. Vyžaduje jeden drát navíc, pomocí kterého jsou obě strany schopné se synchronizovat, takže jsou schopné zasílat / přijímat data stejnou rychlostí. Pokud by tomu tak nebylo, tak by jedna ze stran, s pomalejšími hodinami, například poslala řetězec 100100, ale ta druhá, s rychlejšími hodinami, řekněme 4x rychlejšími, by tento řetězec přečetla jako 11111111, protože poté co by dorazila první jednička v podobě vysokého napětí, tak než by se toto napětí stalo opět nízkým, rychlá strana už za tu dobu přečetla 4x vysoké.

Asynchronní komunikace

U asynchronního způsobu se nepoužívají společné hodiny. Namísto toho mají přednastavenou rychlost přenosu, tzv. baud rate. Je tedy zajištěné, že rychlost přenosu jedné strany, odpovídá rychlosti čtení druhé strany.

Sériové porty

Sériový port, také nazývaný COM port (označení z dob DOSu) je nejstarším druhem portu. To, jaké má piny, jejich rozložení a napěťové hodnoty (Jak velké napětí na pinu musí být, aby bylo interpretováno jako logická 1), je dáno standardem RS-232. Skládá ze z konektoru ve tvaru písmene D (D-sub) a obsahuje 9 pinů. Data se tímto portem přenášejí jako ucelený řetězec 1 a 0, reprezentovaný ve formě elektrických signálů. Sériový port poskytuje pouze jednu linku, po které se data přenášejí.

Sériové porty přenášejí jednotlivé byty za sebou. Při začátku komunikace zašle sériový port tzv. start bit, který má hodnotu 0. Po každém bytu, který odešle, zasílá stop bit, aby dal najevo, že byte je kompletní.

Jedná se o bi-direktionální komunikaci, tedy obousměrnou. Port dokáže data přijímat i odesílat. Díky tomu, že má rozdílné piny na přijímání (Rx) a odesílání (Tx), může port přijímat a odesílat data zároveň. Jedná se o full-duplex port.

Schéma zapojení dvou sériových portů, zde konkrétně základní sériový port D-SUB)
obr. 1: Schéma zapojení dvou sériových portů,zde konkrétně základní sériový port D-SUB
Dostupné z: https://www.virtual-serial-port.org/article/what-is-serial-port/rs232-pinout/

Paralelní porty

Paralelní porty, na rozdíl od sériových můžou přenášet více bitů zároveň. Přenosová rychlost je tedy výrazně vyšší, nežli je tomu u sériové komunikace. Vyžadují tedy více datových linek po kterých se tyto data přenášejí. Konkrétně pro každý bit mají jednu linku, jsou tedy schopné přenést celý byte najednou.

Jsou schopné data jak přijímat, tak odesílat, jedná se tedy o bi-direktionální port ale pouze v jednom směru zároveň. Nemohou najednou data přijímat a odesílat. Jde tedy o half-duplex rozhraní.

Původní účel paralelního portu bylo k připojení tiskáren, ale časem se jeho použití rozšířilo na monitory a externí HDD disky.

Paralelní port)
obr. 2: Paralelní port (Každý datový kabel D0 - D7 má své uzemnění)
Dostupné z: https://www.bristolwatch.com/pport/pportbits.htm

Dnes se již paralelní porty nevyužívají. Důvodem je nutnost synchronizace všech datových linek. Toto byl velký problém například při ohnutí kabelu (U kabelů na "vnější" straně zatáčky trvá přenos o malý čas déle, což se ve výsledku nasčítá a bylo tedy nutné i řešit problémy fyzické vrstvy). Navíc s vývojem procesorů již bylo možné získat se sériovými porty dostatečně velkou přenosovou rychlost.

USB port

V dnešní době jsou oba zmíněné porty nahrazeny USB portem. Většina výrobců notebooků již sériové a paralelní porty (neplést si se sběrnicemi) na svá zařízení ani nepřidává.

K jedné USB sběrnici lze najednou mít připojeno až 127 zařízení. Každému připojenému zařízení je při připojení přiřazena adresa. Tomuto procesu se říká enumerace. Pokud připojíme 128 zařízení, nestane se nic, doslova. Tomuto zařízení nebude již adresa přiřazena a musíme nějaké zařízení odpojit, aby naše 128 zařízení fungovalo. Jeho struktura je dána standartem USB.

Na základě enumerace je poté každé adrese, tedy každému zařízení připojenému na USB sběrnici přiřazen mód, ve kterém bude fungovat, neboli, jakým způsobem bude odesílat data. Tyto módy jsou celkem 3:

  • interrupt
    • používá se pro zařízení, které přenáší malé množství dat
    • například myši, klávesnice
  • bulk
    • používá se pro zařízení, které potřebují najednou velké množství dat, například tiskárny
    • data se posílají např. v 64 bytových balíčcích
  • isochronous
    • používá se pro streamovací zařízení, jako jsou například sluchátka
    • data se zde posílají v reálném čase tak, jak zrovna zařízení potřebuje
USB port)
obr. 3: USB port (USB A nahoře a USB B dole)
Dostupné z: https://www.electroschematics.com/usb-how-things-work/

USB využívá synchronní sériovou komunikaci.

Původní rychlost USB byla 12 Mb/s, ale s novými verzemi USB 2.0 a USB 3.0 tato rychlost vzrostla až na 5 Gb/s.

Porty komunikačních sběrnic

Na port můžeme pohlížet jako na vyvedení komunikační sběrnice. Ač se (původní) sériové a paralelní porty již téměř nepoužívají, tak sériové a paralelní sběrnice se využívají hojně. Příkladem může být USB port, který využívá USB sběrnici. USB sběrnice je druhem sériové sběrnice. USB port lze tedy označit za sérový port.

Struktura každého portu je dána protokolem pro přenos dat, který využívá.

I2C port

Jedná se o port, který je připojený k synchronní, multi-master/multi-slave sériovou komunikační sběrnici I2C . Termín slave označuje koncové zařízení, které je připojeno do portu, master je zařízení, ke kterému je koncové zařízení připojeno. U I2C platí, že komunikaci vždy zahajuje master, který mívá podobu mikrokontroléru.

Každý slave má svoji adresu, na základě které master určuje, s kterým zařízením si přeje komunikovat. Port obsahuje dva dráty, SDA, který slouží pro přenos dat a SCL, který slouží pro přenos hodinového signálu. Master generuje hodinový signál a slave používá tento vygenerovaný signál pro přijmutí dat, nebo pro odpověď masterovi.

PI2C port s modulem pro sériovou komunikaci
obr. 4: I2C port s modulem pro sériovou komunikaci)
Dostupné z: https://www.ebay.co.uk/itm/203995295578

Pokud žádný slave nemá adresu, jež je masterem vystavena na sběrnici, tak žádný slave neodpoví.

Využití:

Základní specifikace definuje maximální hodinovou frekvenci na 100 kHz. Časem toto bylo navýšeno na 400 kHz. Sběrnice dokáže operovat v tzv. High speed módu, která umožňuje přenos rychlostí až 5 MHz.

I2C sběrnice se používá pro připojení I2C zařízení. Jmenovitě se jedná například o I2C sensory pomocí I2C portů.

Velké využití je v embedded systémech k připojení EEPROM paměti, A/D and D/A převodníků, I/O rozhraních a dalších. Důvodem je nutnost pouze 2 drátů, flexibilní rychlost a možnost adresovat jednotlivá zařízení připojená skrze I2C porty na I2C sběrnici.

RS-232

Jedná se o standart používaný pro sériovou komunikaci. V průmyslu se jedná o standart, především jeho modifikace:

  • RS-422
  • RS-485

Standard definuje asynchronní sériovou komunikaci pro přenos dat. Pořadí přenosu datových bitů je od nejméně významného bitu (LSb, často nesprávně LSB) po bit nejvýznamnější (MSb, často nesprávně MSB). Počet datových bitů je volitelný, obvykle se používá 8 bitů, lze se také setkat se 7 nebo 9 bity.

Využití:

Dnes se RS-232 standart využívá hlavně u CNC strojů nebo kontrolérů servo-motorů. Oproti USB je totiž jeho výroba mnohem levnější. Programování portů používajících standart RS-232 je také mnohem jednodušší.

Ethernet port

Jedná se o 8-pinový port který je na počítači připojený do řadiče internetového rozhraní. Port si nese označení RJ-45, nebo také LAN port. Struktura portu je daná stejnojmenným standardem Ethernet.

Jde o sériový port, který byl vyrobený čistě za účelem posílání paketů dat mezi jednotlivými zařízeními.

Kabel, který spojuje ethernetové porty dvou různých zařízení má v sobě celkem 8 drátů, jež tvoří 4 kroucené dvojlinky

Pokud propojujeme dvě stejná zařízení (není mezi nimi modem), tak je připojení drátů do portu na každém zařízení jiné, tedy Rx a Tx dráty jsou prohozené. Takovému zapojení se říká crossover. Nicméně Dnes již není nutné řešit, jaký druh zapojení používáme, zařízení si sama dokáží určit význam vodičů (= přehodit si je).

Propojení dvou zařízení A a B skrze Ethernet Port
obr. 5: Propojení dvou zařízení A a B skrze Ethernet Port
Dostupné z: https://napovedy.cz/post/268

Ethernetový port, v závislosti na jeho typu a použitém kabelu podporuje rychlosti:

  • 10 Mb/s
  • 100 Mb/s
  • 1 Gb/s
  • 10 Gb/s

Využití:

Využití Ethernet portu je hojné v oblasti sítí využívajících Ethernet protokol, konkrétně pro připojení zařízení k routeru, nebo propojení jednotlivých zařízení mezi s sebou.

CAN-Bus port

CAN (Controlled Area Network) je sama o sobě sběrnice. Na tuto sběrnici lze připojit port standartu RS-232 a používat ho jako CAN port, přičemž budeme využívat jen některé piny. CAN port je synchronní a sériový port.

O tom, jak funguje CAN sběrnice se lze dočíst v okruhu Komunikační rozhraní

RS-232 připojený na CAN sběrnici
obr. 6: RS-232 připojený na CAN sběrnici
Dostupné z: https://product-help.schneider-electric.com/Machine%20Expert/V1.2/en/tm5hwlmc/tm5hwlmc/LMC258-HW-Communication_Services/LMC258-HW-Communication_Services-3.htm

Využití:

Účelem bylo vytvořit sběrnici která umožní propojit různé zařízení, která mají různé porty. CAN port může tedy být jakýkoliv port, který umožní připojení ukázané na obrázku výše.

Hlavní použití je v automobilech pro propojení různých zařízení s centrální řídící jednotkou.

DMA (Přímý přístup do paměti)

Jedná se o způsob toho, jakým si zařízení připojené k portu žádá o přístup ke čtení/zápisu.

DMA je požádání o přímou práci s pamětí. Zařízení si poté do paměti přistupuje samo bez přičinění procesoru.

Jedná se o jeden z principů řízení periferií, o kterých si lze více přečíst v okruhu Periferie.

Hardwarové přerušení

Jedná se o další způsob, jakým si zařízení připojené do portu žádá a čtení, či zápis.

hardwarové přerušení spočívá v odeslání signálu procesoru pokaždé, když chce periferie číst či zapisovat data. Procesor přeruší to, co právě dělá, obslouží periferii a poté se opět vrátí ke své původní práci.

Jedná se o jeden z principů řízení periferií, o kterých si lze více přečíst v okruhu Periferie.

Zdroje