ESTUDO DA PORTA SÉRIE E DA PORTA PARALELA

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1 ESTUDO DA PORTA SÉRIE E DA PORTA PARALELA Fernando Alves Liliana Castro Outubro 2003

2 ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO PORTA SERIAL COMUNICAÇÕES SÍNCRONAS E ASSÍNCRONAS BITS DE PARIDADE POLARIDADE DE SINAL VELOCIDADE DE ENVIO DOS DADOS HARDWARE SERIAL A CONJUNTO DE CHIPS ENDEREÇAMENTO DE I/O FUNÇÕES DOS REGISTRADORES CONTROLE DE FLUXO INTERRUPÇÕES CONECTORES COMO FUNCIONAM AS PORTAS SERIAIS ATERRAMENTO CORRETO FUNÇÕES DOS SINAIS PORTAS PARALELAS TRANSFERÊNCIA DE INFORMAÇÕES EM PARALELO O PADRÃO DE PORTA PARALELA DA IBM CONECTORES PORTAS PARALELAS UNIDIRECIONAIS E BIDIRECIONAIS DESIGNAÇÃO DE PORTAS LIMITE DAS PORTAS PARALELAS SINAIS E CONEXÕES DA PORTA PARALELA LINHAS DE DADOS LINHA DE ESTROBO LINHA OCUPADA LINHA DE CONFIRMAÇÃO FEEDBACK DA IMPRESSORA SELEÇÃO FIM DO PAPEL ERRO CONTROLE DO COMPUTADOR SELEÇÃO DA ENTRADA AVANÇO AUTOMÁTICO XT DESEMPENHO DA PORTA PARALELA...19 BIBLIOGRAFIA...20 IspGaya EI1 2/20

3 1. INTRODUÇÃO A comunicação de dados pode ser vista como sendo simplesmente a transferência de números binários entre circuitos electrónicos. Dependendo da finalidade dessa comunicação, esses números binários poderão codificar a informação que está trafegando de acordo com um código estabelecido entre os fabricantes dos periféricos e órgãos internacionais de normalização. Um bom exemplo é o código ASCII (American Standard Code for Information Interchange), que pode ser usado tanto por impressoras, modems, teclados e outros periféricos. Essencialmente, a comunicação pode-se dar por vias paralelas ou por dados em série. As portas série são portas de comunicações, que transmitem e recebem informações em série isto é, bit a bit. IspGaya EI1 3/20

4 2. PORTA SERIAL A porta serial é o denominador comum das comunicações por computador. Até mesmo os PC s e periféricos mais primitivos aceitam uma porta serial. A porta serial é muito usada entre os componentes do computador. E tem uma concepção simples: uma linha para enviar dado, outra para receber dados, algumas outras para regular como os dados são enviados pelas duas outras linhas. Por sua simplicidade, a porta serial tem sido usada para fazer o PC se comunicar com qualquer dispositivo imaginável. Mesmo sendo lenta quando comparada a porta paralela, uma porta serial é boa para modems, os quais podem puxar sinais por uma linha telefónica e também para mouse, que não precisa enviar grandes quantidades de dados. O termo oficial promulgado pela IBM para a porta serial é porta de comunicações de dados assíncrona. Embora normalmente seja abreviado para porta assíncrona ou porta de comunicação. Além disso, como a grande maioria das ligações seriais aceitas pela industria do PC opera sob um padrão chamado RS-232 ( um nome dado por uma associação industrial, a Electronics Industry Association, ou EIA), a porta serial comum normalmente é descrita por sua especificação como porta RS-232. Não importa o nome usado, todas as portas seriais da IBM são iguais, pelo menos funcionalmente. Todas usam 8, 16 ou 32 bits paralelos que um computador apanha do seu bus (barramento) de dados e vira de lado transformando uma tira de dados digitais em uma cadeia de pulsos que caminha bit a bit. Essa forma de comunicação recebe o nome serial porque os bits individuais de informação são transferidos em longas séries. Muitos infortúnios podem cair sobre o vulnerável bit de dado serial a medida que percorre a conexão. Um dos bits de um byte inteiro de dados pode se desviar deixando um pedaço de dado com um valor menor na chegada do que na partida. Com a vaga no fluxo de dados, todos os outros bits pularão um lugar e assumirão novos valores. Ou então pode ocorrer o caso oposto, de erros no fluxo da comunicação empurrar todos os bits para trás. De qualquer forma, o prognóstico não é bom. Com essa forma elementar de comunicações seriais, um bit a mais ou a menos causará um erro em todos os bytes seguintes. Estabelecer comunicações seriais confiáveis significa contornar esses problemas de erro de bit e muitos outros mais. Graças a alguma destreza digital, no entanto, as comunicações seriais funcionam e funcionam bem o bastante para que um PC dependam delas. IspGaya EI1 4/20

5 2.1. COMUNICAÇÕES SÍNCRONAS E ASSÍNCRONAS Dois dos principais métodos de comunicação serial são usados para evitar o desastre dos erros em bits seriais. Em um deles, os sistemas de envio e recepção são sincronizados por meio de algum tipo de sinal auxiliar, de modo que os dois lados da conexão estejam sempre alerta. Um clock, sincronizado entre a unidade de transmissão e recepção, temporiza com precisão o período que separa cada bit de dados. Um bit a mais ou a menos pode ser inesperada no fluxo de bits. Apenas olhando o relógio, você pode distinguir as comunicações por computador, um bit de dados real do ruído de interferência. Essa forma de transferência serial sincronizada pelo tempo chama-se comunicação síncrona, sendo uma técnica usada principalmente em sistemas de grande porte. O sistema sincronizado falha sempre que os sistemas de envio e recepção perdem sua tranca de sinal mútuo. O fluxo de dados torna-se pouco mais do que um ruído. A alternativa é incluir marcadores de lugar no fluxo de bits para ajudar acompanhar cada bit. Um marcador poderia, por exemplo, indicar a posição atribuída a um bit. Um bit ocorrendo sem o seu marcador poderia ser considerado como erro. Naturalmente, esse esquema simples teria muito desperdício, exigindo dois sinais digitais( o marcador e o bit de dados) para cada bit de informação transferido. Um sistema intermediário funciona melhor. Em vez de indicar cada bit, o marcador poderia indicar o inicio de um pequeno fluxo de bits. A posição de cada bit no fluxo poderia ser definida sincronizando-os a intervalos regulares. Embora esse método seja semelhante a transferência síncrona, os sistemas transmissor e receptor não precisam ficar presos, excepto por pequenos intervalos entre os marcadores. A chegada de um marcador indica ao sistema receptor para começar a procurar os bits e rodar um temporizador curto. O problema de enviar e receber timers fora de sincronismo é eliminado reiniciandose o clock a cada marcador, reduzindo o período entre os marcadores, não há tempo suficiente para o timer se perder. Esse sistema de curto prazo temporizado normalmente é chamado comunicação assíncrona, pois os sistemas de envio e recepção não precisam estar sincronizada exactamente um com o outro. Os bits marcadores oferecem a tranca temporária necessária para distinguir um fluxo curto de bits de dados em seguida. A maioria das comunicações seriais no PC usa esse esquema. Na maior parte dos sistemas assíncronos, os dados são divididos em pequenos pedaços, cada um correspondendo aproximadamente a um byte. Cada um deles chama-se palavra, e pode conter de cinco a oito bits de dados. Os tamanhos de palavra mais usados são sete e oito bits, o primeiro porque inclui todos os caracteres de texto maiúsculos e minúsculos em código ASCII; o segundo porque cada palavra corresponde exactamente a um byte de dados. Como dados seriais, os bits de uma palavra são enviados um de cada vez por um canal de comunicação. Por convenção, o bit menos significativo da palavra é enviado primeiro. O restante dos bits segue em ordem de grandeza crescente. Junto a esses bits de dados há um pulso muito especial de tamanho duplo chamado bit de início; ele indica o início de uma palavra de dados. Um ou mais bits de fim indicam o final da palavra. Entre o último bit da palavra e o primeiro bit de fim, um bit de paridade costuma ser incluído para a verificação da integridade dos dados. Junto, os bits de dados, o bit de início, o bit de paridade e os bits de fim compõem um quadro de dados. IspGaya EI1 5/20

6 2.2. BITS DE PARIDADE Cinco tipos de bits de paridade podem ser usados na comunicação serial, dois deles oferecendo um meio de detectar erros de transmissão ao nível de bit. Essa detecção de erros funciona contando o número de bits na palavra de dados e determinando se o resultado é par ou ímpar. Na paridade ímpar, o bit de paridade é activado (passado para o nível lógico um) quando o número de bits da palavra é impar. A paridade par ativa o bit de paridade quando o total de bits de uma palavra é par. Na paridade marca, o bit de paridade é sempre ativado, não importando o total de bits da palavra. A paridade espaço sempre deixa o bit de paridade desactivado. Nenhuma paridade significa que o quadro não tem espaço para um bit de paridade. Embora emitindo um bit de integridade de dados ( que pode ser fornecido por outro meios), isso permite comunicações mais eficientes, comprimindo mais informações em um determinado número de bits transmitidos POLARIDADE DE SINAL Todos os bits de um sinal serial no padrão RS-232 são enviados pela linha de comunicação como pulsos passando para negativo superpostos a uma voltagem positiva normal mantida na linha de dados. Ou seja, a presença de um bit na palavra serial interromperá uma voltagem positiva contínua com um breve pulso negativo. Comparado com os sistemas lógicos normais, os dados no padrão RS-232 parecem estar de cabeça para baixo. Não há um motivo particularmente bom para essa inversão, excepto por ser o modo como as coisas têm sido feitas e, no caso das comunicações, as coisas funcionam melhor quando todos usam o mesmo padrão. 2.4.VELOCIDADE DE ENVIO DOS DADOS Uma outra característica importante de todo sinal serial é a velocidade em que os bits no trem de dados serial são nominalmente enviados. O formato padrão dessa medida é muito simples: o número de bits enviados por segundo, com a unidade padrão sendo um bit por segundo, ou bps. Por questões um tanto arbitrárias, as velocidades de bit são enumeradas em incrementos pouco usuais. A velocidade mínima comum é 300 bps, embora esteja disponíveis submúltiplos mais lentos: 50, 100 e 150 bps. As velocidades mais rápidas simplesmente duplicam a velocidade anterior, passando para 600, 1200, 4800, 9600 e 19200, a velocidade mais rápida aceita oficialmente pela IBM com portas seriais comuns controladas por microprocessador, encontradas no modelos 50 a 80 do PS/2. Essas velocidades oficiais lentas são importantes porque o controle da porta serial por software impõe uma carga tão grande sobre o microprocessador do sistema que os chips mais lentos não podem trabalhar com velocidades maiores. Como as maiores velocidades não podem ser aceitas por todo o software, a IBM escolheu não sancionar tais velocidades em seus computadores mais antigos. Com o surgimento dos modelos 90 e 95 do PS/2, a IBM incluiu um novo método de controle de porta serial que aumenta o potencial de velocidade serial eliminando o overhead do microprocessador. Nessas IspGaya EI1 6/20

7 máquinas (e nas mais novas), as portas seriais tiram proveito do controle de DMA com controle de bus. Esse recurso aumenta a velocidade aceita oficialmente nas portas seriais para bps. Até mesmo a mais rápida dessas velocidades oficiais não é suficiente para o hardware da maior parte do PCs. Na verdade, muitos softwares actualmente se aproveitam de um projecto de hardware, em particular de todas as portas seriais no padrão da IBM, para gerar velocidades muito maiores como bps. Embora a comunicação serial possa ocorrer em velocidades muito maiores( milhões ou bilhões de bits por segundo em alguns sistemas), o projecto clássico de porta serial da IBM limita a maior parte do hardware do computadores pessoais a velocidade de bps HARDWARE SERIAL O circuito ao núcleo das portas seriais da maior parte dos computadores compatíveis com a IBM é um chip especial com a única finalidade de transformar os sinais do bus paralelo em um fluxo de pulsos seriais. Chamado transmissor/receptor assíncrono universal, ou UART (Universal Asynchronous receiver/transmitter), esse chip aceita oito linhas de dados como entrada paralela e gera uma saída serial totalmente estruturada. Pelo nome, o chip UART foi projectado para trabalhar nos dois sentidos transmitindo e recebendo. Um chip pode converter sinais em uma linha de comunicações para o tipo paralelo que o PC deseja, bem como tornar bits paralelos em seriais. Toda porta serial possui um chip UART como ponto central, assim como os produtos com portas seriais embutidas, com modems internos O termo UART descreve a função e a família do circuito integrado. O chip exacto recebe uma designação numérica atribuída pelo fabricante. Três tipos diferentes de UART são usados nos vários computadores que seguem o padrão do PC. O mais antigo, mais lento e menor chip foi usado pelo PC e XT, instalado na placa adaptadora de comunicação, de modo que possam imitar com precisão o produto da IBM. O mesmo chip foi usado como parte de muitos modems internos de menor velocidade. Além de fazer a conversão paralela-serial-paralela básica, o chip UART 8250 também controla o fluxo de informações e a velocidade em que a troca acontece. Ele define a taxa de dados do sinal serial dividindo um clock oscilador de 1,8432 MHz fornecido pelo PC. A velocidade é definida por um divisor carregado em um dos registradores do chip. O tamanho da palavra, a paridade e o número de bits de fim são definidos de forma semelhante. Outros registradores permitem que o seu PC monitore o chip e o progresso das comunicações que ele gere. Por mais maravilhosos que pareça. O 8250 representa uma tecnologia ultrapassada. Desde os primeiros tempos do PC, esse chip não era muito recomendado. O problema do 8250 é que ele é lento e não pode acompanhar os computadores mais simples. Por outro lado, seu projecto básico tornou-se uma parte obrigatória de todo PC, pois os programadores tinham controle directo dos registradores no chip (em vez de escrever o seu software para ter acesso por meio do BIOS da IBM, que foi o principal culpado da limitação da velocidade da porta serial). Como resultado, para manter compatibilidade com o software, todas as portas seriais posteriores tinham que duplicar a função de registrador do 8250 a fim de permanecerem compatíveis. IspGaya EI1 7/20

8 Na busca de um melhor desempenho, em 1984 os projetistas de hardware passaram para UART 16450, um sucessor de 16 bits e registradores compatíveis com o Esse chip, desde então, continuou como veio principal da maior parte das portas seriais. E como as velocidades do bus de expansão não mudaram substancialmente nos últimos oito anos, o é veloz o suficiente para a maior parte dos usuários A No entanto, em 1987 o chip escolhido passou a ser o de melhor desempenho, em seguida, A. Apesar das diferenças, todos esses chips mais modernos parecem iguais para o computador, e todos trabalham da mesma maneira quando o seu software os ativa. Em alguns casos, no entanto, trabalham de forma mais confiável com um desempenho mais baixo e sistemas de multitarefa. Outro desenvolvimento além da velocidade, a multitarefa, desafiava o Quando um dos UARTs mais antigos ( 8250 ou o 16450) recebe uma informação antes de poder aceitar outra palavra. Na maior parte dos sistemas de comunicações o UART sinaliza seu microprocessador com uma interrupção e depois entrega a palavra de dados e volta a telecomunicar-se. No envio de dados, o chip aceita de forma semelhante apenas uma palavra de cada vez. Esse processo tem desvantagens sérias, sobretudo porque o microprocessador pode estar ocupado com outra tarefa no momento em que a UART tenta fazer uma interrupção. Uma vez sinalizado dessa forma, o processador deve parar o que estava fazendo para atender o UART. Mas, como o UART e a linha de comunicação podem ter que esperar, o desempenho sofre nos dois lados do UART. As necessidades de dados dos modems de alta velocidade, como os modelos V.32 bits, agravam ainda mais a situação. O UART oferece uma boa solução para esse problema: um buffer FIFO (primeiro a entrar, primeiro a sair) de 16 bytes na própria placa. Esse pequeno trecho de memória permite que o continue se comunicando mesmo quando um computador de multitarefa passa sua atenção para outros projetos. Se for programado corretamente ( e usar o software correto, pois os programas devem ser escritos especificamente para tirar proveito do buffer do 16550), o chip pode transportar seus 16 bytes de comunicações sozinho, enviando ou recebendo dados enquanto o microprocessador realiza outra tarefa. Observe que o buffer do chip deve ser ativado especificamente pelo software. Se o buffer não estiver ativo, o funcionará exatamente da mesma forma que o 16450, sem trazer qualquer beneficio adicional ao seu PC. 2.6.CONJUNTO DE CHIPS No entanto, o chip de UART está desaparecendo. Suas funções estão sendo assumidas por ASICs (Application-Specific Integrated Circuits). Os conjuntos de chips dos quais a maior parte dos PCs se compõe atualmente incluem o circuito de uma ou duas UARTs. Nos PCs mais modernos, a função do UART está oculta na mesma lasca de silício do restante das funções lógicas do PC. Além disso, alguns fabricantes começaram a reunir várias funções de comunicação em um único pacote para uso em placas de multifunção. A Wester Digital 16C532, por exemplo, combina o equivalente elétrico de dois UARTs e uma porta paralela em um único chip. Até mesmo nesses chips mais avançados, o projeto interno dos UARTs embutidos continua a imitar as versões independentes para assegurar compatibilidade completa do sistema. IspGaya EI1 8/20

9 2.7. ENDEREÇAMENTO DE I/O Em computadores IBM e compatíveis, as portas seriais são simples extensões do circuito de máquina. Os dados da memória ou de um registrador do microprocessador são simplesmente movidos para o UART, que faz a conversão necessária de dados paralelos para seriais. A saída do UART é canalizada por meio do circuito integrado de driver de linha serial, que converte a lógica de 5v usada pelo computador para o sistema de voltagem bipolar especificado pelo padrão RS 232. Para acessar os registradores do UART, o microprocessador do PC deve enviar comando por meio das portas de entrada/saída (I/O) do sistema. Na verdade, a arquitetura padrão do PC atribui um bloco de oito portas de I/O a cada UART( e assim, cada adaptador de comunicação assíncrona, ou porta serial do PC), embora apenas sete sejam usadas FUNÇÕES DOS REGISTRADORES O registrador no endereço de base atribuído a cada porta serial é usado para comunicações de dados. Os bytes são movidos para a UART usando as instruções OUT e IN do microprocessador. Os seis endereços seguintes são usados por outros registradores de porta serial, os quais, em ordem, são os seguintes: Registrador de Identificação de Interrupção, Registrador de Controle da Linha, Registrador de Controle do Modem, Registrador de Status da linha e Registrador de Status do Modem. Outro registador, chamado Latch do Divisor, compartilha o endereço de base usado pelos registradores de Transmissão e Recepção, e os próximos registradores mais altos usados pelo registrador de ativação da interrupção. Ele é acessado alterando-se uma opção no registrador de controle de linha. Esse latch armazena o divisor que determina a velocidade operacional da porta serial. Qualquer valor carregado no latch é multiplicado por 16. O produto resultante é usado para dividir o sinal de clock fornecido ao chip do UART para determinar a velocidade em bps. Devido ao fator de multiplicação 16, a maior velocidade de operação da porta serial é 1/16 do sinal do clock fornecido, que é 1,8432 MHz. Definindo o latch com o seu valor mínimo, 1, a velocidade resultante é Os registradores não apenas armazenam os valores utilizados pelo chip UART, mas também são usados para informar ao sistema como a transmissão serial está ocorrendo. Por exemplo, o registrador de Status da linha indica se um caráter carregado para transmissão foi realmente enviado. Também indica quando um novo caráter foi recebido. Embora podendo mudar os valores armazenados nesses registradores manualmente por meio do Debug ou de programas próprios, esses registradores em geral dão flexibilidade ao programador. Em vez de ter que usar DIP switches ou jumpers, a facilidade de endereçamento direto dos registradores permite que todos os parâmetros operacionais vitais sejam definidos pelo software. Por exemplo. Carregando os valores apropriados no registrador de controle da linha, se altera o tamanho da palavra, paridade e número de bits de parada usados em cada palavra serial. IspGaya EI1 9/20

10 2.9. CONTROLE DE FLUXO Além das transmissões de dados, o UART também cria e reage a outros sinais que controlam sua operação e o modo como a transmissão serial é gerenciada. O controle é permitido por meio de vários registradores acessados pelo computador por meio de portas de I/O. Por exemplo, para mudar a velocidade em que a porta serial se comunica, basta carregar um número correto em um registrador. O controle da transmissão é mantido por voltagens que aparecem ou são recebidas nos conectores de porta serial no painel traseiro do computador pessoal. Uma dessa outras funções da UART é ordenar para o controle do fluxo de dados na linha serial. Cada intercâmbio serial é uma verdadeira conversa entre dois lados. Quando um lado fala, o outro precisa ouvir. Assim como uma conversa educada, se o ouvinte não estiver prestando atenção, nada será comunicado. E se quem se fala for muito rápido, o ouvinte ficará confuso e perderá a maior parte do que foi dito. As comunicações seriais entre computadores sofrem dos mesmos problemas. Sem uma medição correta da saída, os computadores podem lançar dados que serão perdidos no espaço. Até mês mesmo quando a conexão é boa, o equipamento receptor pode estar preso e não poder dar atenção a informação serial entregue a ele. Ou então os dados seriais podem chegar com tanta velocidade que excedam a capacidade do sistema receptor de fazer algo no mesmo instante até mesmo salvar a informação para inspeção posterior. Por conseguinte, são necessários alguns meios para que o sistema receptor diga ao sistema transmissor que pare até que esteja pronto para solicitar dados. Sugiram várias técnicas para controlar o fluxo de dados seriais, todas classificadas como métodos de handshking, que é o acordo de termos para o método de transmissão. A solução mais fácil é usar um fio especial como linha de sinal, que o sistema receptor pode empregar, a fim de indicar que está realmente pronto para receber. Como esse método usa um hardware extra (o fio do controle de fluxo), ele é chamado handshaking de hardware. Esse é o método básico de controle de fluxo adotado pelos computadores pessoais da IBM. Alguns canais de comunicação não permitem o uso desse fio extra para sinalização. Por exemplo, a conexão telefônica usada pelos modem ( o principal dispositivo de comunicações seriais) só tem os dois fios necessários para a transmissão dos dados. Sem um meio de sinalização por hardware, algum método alternativo de controle de fluxo torna-se necessário. A forma lógica de gerenciar essas comunicações é dar ao ouvinte caracteres especiais usados como semáforos com a finalidade de indicar ao transmissor para diminuir a velocidade ou parar. Outro caráter pode seu usado para indicar quando é possível acelerar novamente. Essa forma de controle de fluxo é chamada handshaking de software, pois não é feita pelo hardware. Além do mais, os indicadores de controle de fluxo possuem as mesmas idéias que já estão incorporadas no código do software. Embora a maioria dos periféricos do PC que utilizavam uma conexão serial ofereçam a opção de handshking de software, sem drivers especiais esse método não funciona corretamente com PCs ou compatíveis. O computador sequer percebe os caracteres de controle do fluxo e, portanto, não segue suas orientações. O resultado é um overflow de dados, e a perda de caracteres. Por exemplo, se você usar uma impressora serial e o handshking não funcionar, caracteres, palavras ou parágrafos inteiros podem desaparecer misteriosamente das listagens. No entanto, o controle de fluxo por software faz parte integrante de vários programas aplicativos, para controlar periféricos, como impressoras, ou para revezamento em modems( que não podem passar adiante os sinais de handshking de hardware) para fontes de dados remotas. IspGaya EI1 10/20

11 2.10. INTERRUPÇÕES O UART interage com os microprocessadores no PC. Ele precisa entrar com um pedido para transferir informações de modo que o microprocessador possa processar os dados para a tela ou armazena-los. Para conseguir a mais alta velocidade, o UART deve poder passar os dados tão rapidamente quanto os recebe. Toda vez que usar o controle de fluxo para terminar a seqüência de informações, a velocidade de transmissão diminui. Consequentemente o UART precisa passar os dados adiante logo que possa imediatamente, se possível. Ele precisa ter atenção imediata do microprocessador. O UART pode conseguir isso enviando uma interrupção de hardware ao microprocessador. A maior parte das portas seriais exige que o usuário atribua uma interrupção. (As comunicações seriais não funcionam sem controle de interrupção, mas isso restringirá bastante a velocidade) O ideal é que cada porta serial tenha sua própria interrupção para evitar conflitos. No entanto, o PC possui algumas interrupções de hardware, e a IBM tentou limitar o número de portas seriais atribuíveis. Duas interrupções são normalmente usadas: IRW3 e IRQ4. A porta serial COM1 normalmente deve receber a requisição de interrupção compartilha a IRQ3 com COM2, e COM4 compartilha a IRQ4 comocom1. Esse sistema primitivo de compartilhamento de interrupções tem suas desvantagens. Dois ou mais dispositivos seriais podem operar ao mesmo tempo e enviar interrupções ao seu microprocessador. Se dois dispositivos usando a mesma interrupção disputarem a atenção do microprocessador, o chip poderá não saber qual a porta que precisa de atendimento imediato. Como atribuir portas seriais, é importante evitar endereçar a mesma interrupção a dois dispositivos seriais que operam ao mesmo tempo CONECTORES A manifestação externa de uma porta serial é o conector que ela fornece para o usuário ligar os dispositivos seriais. É possível identificar as portas seriais em um computador compatível com o IBM pelos tipos de conectores encontrados. Dois tipos diferentes de conectores são normalmente usados. IBM, PCs, XTs e PS/2s usam conectores D machos de 25 pinos em suas portas seriais. Ats usam conectores D machos de 9 pinos. Os conectores menores do AT foram projetados para o espaço apertado do suporte da placa na porta serial/paralela combinada, que esses sistemas utilizam. Nem todos os 25 pinos de um conector serial são ativamente usados no esquema da IBM, permitindo o uso de conectores mais, curtos; a porta paralela usa toda a sua alocação de pinos. Obviamente, a porta serial for a candidata preferida para a redução no tamanho. As portas paralelas, que também usam conectores D de 25 pinos, podem ser distinguidas por serem fêmeas (ou seja, os conectores têm furos no lugar de pinos). As saídas de vídeo MDA/CGA/EGA mais antigas, que utilizam conectores D de 9 pinos como os das portas seriais do AT, também usam conectores fêmeas Como a maioria dos cabos seriais é equipada com conectores de 35 pinos em ambas as portas, é preciso instalar um adaptador que converta a conexão de 9 pinos do AT em 25 pinos. Há vários adaptadores disponíveis no mercado, mas você pode construir um sem problemas. A figura 1 mostra a pinagem correta de um conversor serial de 9 para 25 pinos. IspGaya EI1 11/20

12 2.12. COMO FUNCIONAM AS PORTAS SERIAIS O RS-232 atribui funções particulares aos fios em um cabo serial. Além de dois condutores usados para dados, vários outro são necessários para handshaking de hardware e para fazer com que tudo funcione corretamente As várias conexões e seus nomes nos conectores seriais da IBM com 25 pinos 9(DTE) e 9 pinos aparecem na tabela abaixo Pinagem da Porta Serial da IBM Pinos Função Mnemônico 2 Transmissão de dados TXT 3 Recepção de dados RXD 4 Solicitação de dados RTS 5 Pronto para enviar CTS 6 Data set pronto RTS 7 Terra do sinal GND 8 Detecção da portadora CD 20 Terminal de dados pronto DTR 22 Indicador de chamadas RI Conexão do tipo loop de corrente (apenas no IBM Async Sdapter, hoje obsoleto ) 9 Transmissão de retorno do loop de corrente 11 Transmissão de dados do loop de corrente 18 Recepção de dados do loop de corrente 25 Recepção do retorno do loop de corrente Conector de 9 pinos (estilo AI) 1 Detecção de portadora CD 2 Recepção de dados RXD 3 Transmissão de dados TXD 4 Terminal de dados pronto DTR 5 Terra do sinal GND 6 Data set pront DSR 7 Solicitação de envio RTS 8 Pronto para enviar CTS 9 Indicador de chamada RI IspGaya EI1 12/20

13 O mais importante de todos ó o número sete, o terra de sinal. Esse fio oferece o caminho de retorno necessário para sinais de dados e de handshaking. Esse fio deve estar presente em todos os cabos seriais. O terra do sinal é separado e completamente diferente do pino um, terra do chassi. O pino do conector serial correspondente a esse fio é conectado diretamente ao chassis metálico ou ao gabinete do equipamento, da mesma forma que o pino terra de uma tomada comum de corrente alternada. Na realidade, essa conexão oferece a mesma função de segurança do terra elétrico. Ela assegura que as partes metálicas externas dos dois dispositivos estejam no mesmo potencial elétrico. Isso evita que você leve um choque se tocar os dispositivos ao mesmo tempo Ela transporta qualquer eletricidade que possa fluir entre as duas unidades em vez de permitir que o seu coro faça isso (colocando sua vida em risco) ATERRAMENTO CORRETO Entretanto, essa conexão nem sempre é necessária, e nem sempre é desejável. Não é necessária quando os dois dispositivos já estão aterrados juntos por meio de cabos de corrente alternada. Pode não ser desejável, quando os dois dispositivos estão separados por uma grande distância e retiram a alimentação de fontes diferentes. Os potenciais de aterramento elétrico variam ( devido a diferentes resistências em cada caminho de retorno do terra), e é totalmente possível que cabos de corrente alternada aterrados possam colocar os dos dispositivos em potenciais bem diferentes. O circuito de terra do chassi poderia, então, transportar uma corrente substancial como loop de terra. Se a corrente no loop for bastante intensa, poderá causar interferência elétrica. Há uma pequena chance de que possa derreter o condutor de terra do chassi e causar u incêndio. A melhor estratégia é a seguinte: Se os dois dispositivos seriais numa conexão estiverem aterrados por meio de seus cabos de corrente alternada, não precisa um fio de terra do chassi. Se apenas um estiver aterrado por meio do cabo de corrente alternada, a melhor coisa a fazer é também aterrar o outro por meio do cabo. Caso contrário, deverá usar uma conexão de terra do chassi na sua porta serial FUNÇÕES DOS SINAIS Tentar realizar uma comunicação serial poderia ser inútil se um ou outro dispositivo da conexão estivesse desligado. Sem um segundo dispositivo para ouvir, a informação de um lado da linha serial se perderia no espaço. Consequentemente, a especificação RS-232 inclui dois fios dedicados a revelar se há um dispositivo conectado a outra ponta da conexão, e se ele está ligado. O sinal no pino 20 chama-se Data Terminal Ready, ou simplesmente DTR. É uma voltagem positiva enviada do dispositiva enviada do dispositivo DTE para indicar que o dispositivo está conectado, ligado e pronto para iniciar a comunicação. O sinal complementar aparece no pino 6. Ele se chama Data Set Ready, ou DST; uma voltagem positiva nessa linha indica que o DCE está ligado e pronto para fazer o seu trabalho. Em uma conexão serial RS-232 normal, os dois sinais devem estar presentes para que algo mais aconteça. O DTE envia o sinal DTR ao DCE, e o DCE envia o sinal DSR ao DTE. Os dois dispositivos, então, saberão que o outro está pronto. IspGaya EI1 13/20

14 3. PORTAS PARALELAS Portas paralelas são conexões bem definidas, convenientes e rápidas. Outrora pertencente exclusivamente ao reino das impressoras, cada vez mais periféricos tiram proveito dessa conexão paralela rápida e segura. Paralela refere-se ao fato de que conduz os sinais por meio de oito fios separados um para cada bit de um byte de dados - e dentro de um único cabo. Os fios de sinal seguem em paralelo do PC ao seu destino. A IBM fez da porta paralela a principal conexão para a ligação de impressoras ao PC. Teoricamente, oito fios significam que você pode transferir dados oito vezes mais rápido por meio de uma conexão paralela do que por meio de um único fio. As portas paralelas são intrinsecamente simples, pois lidam com os dados da forma como o PC faz em bytes no lugar de bits. A porta paralela continua sendo a forma mais fácil e mais confiável de ligar uma impressora a um PC. Mas nem todas as portas paralelas são iguais. As diferenças entre portas paralelas são invisíveis. Como em praticamente qualquer outro produto, as diferenças entre as portas paralelas aparecem apenas quando você as faz trabalharem até seus limites. À medida que aplicações e periféricos demandam maior potencialidade, as portas paralelas cada vez mais mostram suas verdadeiras nuances e limitações TRANSFERÊNCIA DE INFORMAÇÕES EM PARALELO A porta paralela reflecte o conceito de um engenheiro de hardware de como deve ser feita a comunicação. Um sinal presente em um local é conectado ao local distante onde é solicitado, correndose um fio de um ponto ao outro. Toda a sinalização que vai e volta por exemplo, indicações de que o dispositivo distante está pronto para aceitar dados precisa de fios próprios separados. Esse projecto evita o complexo circuito necessário para reunir sinais de modo que trafeguem por um ou dois condutores. Na verdade, a conexão inteira funciona como um marionete o PC opera a impressora ou dispositivo remoto puxando electricamente as cordas apropriadas. É muito difícil imaginar um sistema mais simples e directo. IspGaya EI1 14/20

15 Nenhum circuito de conversão atrapalha o fluxo de informações. Além do mais, oito condutores servem como via expressa para informações, movendo bytes na mesma velocidade com que um único bit atravessaria a conexão. O que o engenheiro projectista economiza em tempo e circuitos de portas é transferido para o custo dos cabos. No lugar dos dois fios usados por telefones e circuitos seriais de computador, uma porta paralela exige pelo menos oito fios e mais alguns para o aterramento e sinais de controle. O projecto da IBM exige 25 conexões totalmente separadas. O resultado é um grande cabo grosso, difícil de ser dobrado. Os conectores também precisam ser grandes o bastante para acomodar todos os fios e sinais. E mais fios significam mais tempo gasto para soldar os fios e prender o cabo ao conector. Para compensar a falta de um circuito de porta extra, a interface paralela aumenta o custo com um cabo mais grosso. O custo do cabo não é a única desvantagem de uma ligação paralela. A natureza paralela da porta também é um desastre do ponto de vista eléctrico. Os sinais de dados e controle devem trafegar apertados em um cabo grosso e comprido. Por si só, isso não é problema. As portas paralelas, na realidade, funcionam muito bem. No entanto, múltiplos caminhos de sinal costumam reagir uns com os outros conforme percorrem o cabo paralelo que conecta a porta no computador à impressora. Os sinais de um condutor costumam passar para outros, um problema conhecido como linha cruzada, semelhante aos sistemas telefónicos. Quanto maior o cabo, maior o "vazamento". Consequentemente, a maior parte dos fabricantes recomenda que as conexões paralelas no estilo do PC tenham menos de 3 metros para evitar problemas. Alguns sistemas funcionam com conexões paralelas longas, de até 15 metros de extensão. A única maneira de saber a distância de cabo que o seu sistema pode usar é testar e ver. Se você precisar de uma extensão maior do que o cabeamento permite, sua alternativa é usar uma conexão serial O PADRÃO DE PORTA PARALELA DA IBM Ao projectar a porta paralela, actualmente padronizada, que apareceu inicialmente dentro do PC original, a IBM decidiu seguir o padrão de sinais de controle estabelecidos por um grande fabricante de impressoras da época, a Centronics. A conexão não foi formalizada na época em que a IBM pegou o projecto emprestado a Centronics tinha acabado de desenvolver um conjunto de sinais de controle que serviam muito bem para controlar impressoras de computadores. Outras empresas fabricantes de impressoras também adoptaram o projecto da Centronics quando a IBM se apropriou dele CONECTORES A IBM decidiu andar com os próprios pés em direcção aos conectores de porta paralela. Enquanto uma impressora Centronics verdadeira usa um conector Amphenol de 36 condutores, a IBM escolheu um conectores D-shell de 25 pinos. Deste modo, os fabricantes de impressoras ficaram com o projecto de 36 pinos e a IBM e quase todos os outros fabricantes de computadores com o de 25 pinos, mas felizmente o adaptador especial, que é necessário para ligar a impressora ao PC, tornou-se um acessório padrão PORTAS PARALELAS UNIDIRECIONAIS E BIDIRECIONAIS Como as portas paralelas foram concebidas a princípio para servirem principalmente como saídas de impressora, o fluxo de dados foi projectado para apenas um sentido do PC para a impressora. Somente alguns sinais de controle de porta paralela precisavam seguir o caminho contrário. Por isso, todos os primeiros PCs foram equipados com portas paralelas unidireccionais, ou seja, poderiam enviar IspGaya EI1 15/20

16 dados, mas não recebê-los. Aterrar uma da linhas de dados da porta, como aconteceria ao se enviarem dados para ela, poderia destruir o circuito da porta. Evitando que qualquer equipamento alterasse as saídas da porta, a IBM efectivamente impede o uso da porta paralela para a aquisição ou recepção de dados. É claro que a IBM estudou novamente esse processo e começou a montar portas paralelas capazes de realizar operações bidireccionais, mas ela não aceitou oficialmente a operação bidireccional até o surgimento da linha PS/2. O suporte à porta paralela embutido nos primeiros modelos de computadores pessoais IBM, na verdade, permite a leitura das várias linhas de dados. Desde que se observe a exigência de não aterrar as linhas de dados, é possível ainda usar portas paralelas do PC bidireccionalmente. As portas unidirecionais são mais económicas e mais fáceis de se montar. Para a impressão não é preciso se preocupar se a porta é uni ou bidireccional. Todavia, hoje você pode ligar uma porta paralela a uma série de dispositivos. Alguns deles são adaptadores SCSI, adaptadores de rede e sistemas de intercâmbio de dados. 3.5 DESIGNAÇÃO DE PORTAS Cada porta paralela de um PC conecta-se logicamente ao restante do sistema por meio de três portas de entrada/saída. Uma delas é usada na transferência de dados para a conexão paralela. Em geral, o microprocessador do PC retira a informação a ser impressa da memória e a transfere para a porta de I\O usada pelo adaptador paralelo. Esse dados são simplesmente guardados em buffer e enviados ao conector paralelo. As outras duas portas de I\O são usadas para manipular sinais de controle e monitorar os sinais recebidos da impressora, indicando seu status operacional. O projecto básico do PC permite que sejam instaladas até três portas paralelas, cada uma com seu próprio trio de portas de entrada/saída. Três faixas de três endereços de porta de I\O são reservadas para as portas paralelas. Em cada sistema, qualquer um desse três endereços pode ser atribuído univocamente a uma porta paralela. Duas portas paralelas não podem compartilhar o mesmo endereço básico LIMITE DAS PORTAS PARALELAS Como as portas paralelas podem vir embutidas em muitos produtos, é comum encontrar uma quantidade de portas paralelas no PC misteriosamente maior do que você pensa existir. Antes de incluir uma porta paralela no seu sistema, é sempre bom verificar a quantidade e os endereços básicos das portas já instaladas. Isso pode ser feito por meio do DEBUG ou usando um programa comercial de informação de status SINAIS E CONEXÕES DA PORTA PARALELA Dos 25 contactos de um conector de porta paralela, 19 são usados para a função aparentemente trivial de transferir dados. A tabela abaixo mostra onde cada conexão recebe o conector de porta paralela no padrão IBM. QUADRO Conectores de 25 Função Conectores de 25 Função Pinos Pinos 1 Estrobo 16 Inicialização da imp. 2 Bit de dados 0 17 Selecção de entrada 3 Bit de dados 1 18 Terra IspGaya EI1 16/20

17 4 Bit de dados 2 19 Terra 5 Bit de dados 3 20 Terra 6 Bit de dados 4 21 Terra 7 Bit de dados 5 22 Terra 8 Bit de dados 6 23 Terra 9 Bit de dados 7 24 Terra 10 Confirmação 25 Terra 11 Ocupada 12 Fim de papel 13 Selecção 14 Avanço automático 15 Erro 3.8. LINHAS DE DADOS As informações a serem enviadas à impressora e depois transferidas ao papel são primeiro carregadas em oito linhas de dados, uma para cada bit de um byte de código ASCII. Os sinais têm a voltagem TTL comum, ou seja, cinco volts indicam o dígito um e zero volt indica o zero lógico LINHA DE ESTROBO Não basta carregar bits em linhas de dados para indicar à impressora que o caracter deve ser impresso. Os bits de dados estão sempre mudando, e não há garantias no sistema de que todos os oito surgirão simultaneamente no valor correcto. É preciso haver algum meio de sinalizar que o computador acabou de carregar os bits nas linhas de dados e que um caracter pode ser impresso. A linha de estrobo serve exactamente para isso. O sinal de estrobo do sistema paralelo da IBM é negativo. Quando os bits de dados não estão prontos, ele passa para o estado alto. Quando um byte de dados deve ser transmitido, ele passa ao nível baixo. O sincronismo entre os sinais de dados e o sinal de estrobo é muito importante. Todas as linhas de dados devem ter seu valor correcto antes que o sinal de estrobo seja activado, de modo que os circuitos da impressora tenha tempo suficiente para assegurar valores correctos. É necessário cerca de meio microssegundo. O sinal deve durar um microssegundo (tempo suficiente para a impressora notar que ele está lá), e os sinais de dados devem continuar mais um ponto (outro meio microssegundo) depois do término do sinal de estrobo. A superposição ajuda a prevenir erros LINHA OCUPADA Esse processo de dados-estrobo-dados aloca no mínimo dois microssegundos para cada caracter. Nessa velocidade, a interface paralela poderia jogar caracteres por segundo em alguma impressora fraca sem defesas. A impressora precisa de uma forma para dizer ao computador que está ocupada jogando um caracter no papel. O sinal busy, enviado da impressora ao computador, faz exactamente isso. Esse é um sinal de freio. O sinal de ocupada permanece alto até que a impressora se prepare para receber o próximo byte de dados LINHA DE CONFIRMAÇÃO IspGaya EI1 17/20

18 Quando a linha ocupada está com um sinal negativo (ela diz não envie dados), outra linha de porta paralela é usada para o controle de fluxo positivo. A linha de confirmação transmite um sinal da impressora ao seu computador, indicando que o caracter anterior foi recebido correctamente e enviado ao papel, e que a impressora está pronta para o próximo caracter. Normalmente, a passagem desse pulso para negativo dura cerca de oito microssegundos FEEDBACK DA IMPRESSORA A interface paralela faz mais do que simplesmente transferir dados. As linhas dedicadas ao circuito paralelo são usadas pela impressora para sinalizar vários aspectos de sua condição ao computador. Os sinais dizem ao computador que a impressora está pronta, esperando e é capaz de fazer seu trabalho. Com efeito, eles oferecem ao computador a possibilidade de testar remotamente o status da impressora SELEÇÃO A linha select (selecção) indica que a impressora está seleccionada, isso quer dizer que está em condição on-line, pronta para receber informações. A linha de selecção atua exactamente como a luz online no painel frontal da impressora. Mas, em vez de ser visível aos seus olhos, ela é registrada por meio da porta paralela. A linha de selecção sobe (quando passa para o nível lógico um) quando a impressora está on-line. Se a linha de selecção não subir, a porta paralela não transmitirá dados FIM DO PAPEL O problema mais comum encontrado durante a impressão a falta de papel. Quando isso acontece, a maior parte das impressoras emitem o sinal de ocupada o que efectivamente interrompe o envio de dados do computador ERRO Outro sinal, fault (erro), é usado para se descobrir outros problemas da impressora. Esse sinal indica ao computador que algo saiu errado sem indicar exactamente o que aconteceu. Não há fios suficientes em um cabo para indicar exactamente todos os problemas possíveis na impressora. Quando algo sai errado, algumas impressoras se defendem melhor, activando todos os sinalizadores. Ocupada, selecção e erro passam para seus estados de advertência CONTROLE DO COMPUTADOR No esquema de porta paralela da IBM, três outros sinais são usados para controlar vários aspectos da impressor apor meio de conexões de portas fixas. Estas inicializam a impressora, passam-na para uma condição on-line (a impressora permite uma mudança controlada remotamente) e controlam o avanço de linha. Computador e impressora são dois organismos separados que podem crescer e mudar independentes um do outro. IspGaya EI1 18/20

19 SELEÇÃO DA ENTRADA Algumas impressoras podem ser ligadas e desligadas por meio dos computadores. O sinal usado para comandar a chave chama-se select input (selecção da entrada) pela IBM. Quando esse sinal é baixo, as impressoras aceitam dados; quando é alto, não aceitam. Muitas impressoras permitem que você anule esse controle por meio de uma DIP switch que faz com que a máquina sempre mantenha essa linha em estado baixo AVANÇO AUTOMÁTICO XT O retorno de cabeçote à posição inicial pode ser algo confuso. Algumas impressoras pressupõem que o carriage return deva avançar o papel automaticamente ao início da próxima linha; outras pensam que o carriage return simplesmente desvia o cabeçote para o início da linha sendo impressa actualmente. A maior parte das impressoras oferece uma escolha uma DIP switch determina como a impressora reagirá aos carriage returns. O sinal auto feed XT (avanço automático XT) dá ao computador o direito de escolha. Mantendo esse sinal baixo, a impressora deve avançar uma linha automaticamente quando detectar um carriage return. Em nível alto, um caracter de avanço de linha deverá ser emitido para levar o papel à linha seguinte DESEMPENHO DA PORTA PARALELA A velocidade operacional máxima de uma porta paralela é determinada por diversos factores. O cabo em si define o limite superior das frequências que podem ser usadas para os sinais. No entanto, desde que tenha menos que cerca de 3 metros de extensão, os efeitos do cabo sobre os dados através de uma porta paralela são mínimos. Em vez disso, o desempenho de uma porta paralela costuma ser controlada por valores escolhidos arbitrariamente para pulsação das linhas de estrobo e de confirmação, usadas no controle de fluxo da porta paralela normal. Quando o sincronismo do sistema é definido para gerar os tamanhos mínimos desses sinais, um ciclo de transmissão de caracter completo exige cerca de 10 microssegundos suficientes para mover bytes por segundo, ou seja, bits por segundo. Os caracteres enviados precisam vir de algum lugar, e têm de ir para algum outro lugar. O trabalho adicional de processamento nos dois lados da conexão atrasa muito o fluxo paralelo contínuo de informações. O computador, por exemplo, deve receber um sinal de confirmação, depois passar por uma rotina BIOS para entendê-lo, então carregar o próximo caracter na porta paralela e, finalmente, enviar o sinal de estrobo pela porta. Mesmo que a impressora seja equipada com seu próprio buffer, ela deve passar pelo ritual electrónico equivalente toda vez que um caracter for recebido. A velocidade da porta paralela varia com a potência do microprocessador do computador. Quanto mais veloz, mais cedo terminará o trabalho adicional exigido. Como o uso de portas paralelas com controle de bus, as transferências de dados par a porta paralela podem ser feitas pelo controlador de DMA (direct memory access acesso directo à memória) sem intervenção do microprocessador. Com um sistema veloz de DMA, o throughput de dados pode alcançar o limite. Mais importante do que o throughput de dados para a porta paralela é a liberação do microprocessador do trabalho pesado que é o controle paralelo. Passando as responsabilidades para o sistema DMA, o microprocessador ganha muito mais folga em sua largura de banda, como resultado, o desempenho geral do sistema melhora, sobretudo em um ambiente multiusuário ou multitarefa. IspGaya EI1 19/20

20 BIBLIOGRAFIA HARDWARE PARA PROFISSIONAIS ANTÓNIO SAMPAIO - FCA EDITORA IspGaya EI1 20/20

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