Что такое порт ввода вывода

Порты ввода-вывода

Каждый порт ввода-вывода обслуживают как минимум 3 служебных регистра:

• регистр, содержащий данные (уровни сигналов) на всех линиях порта и используется для записи сигналов в порт;
• регистр, содержащий состояния входов порта, доступен только для чтения, используется при чтении данных из порта;
• регистр направления линий порта: каждая линия порта может быть сконфигурирована как вход или как выход в зависимости от значения бита этого регистра.

Если какая-то линия порта ввода-вывода в схеме не используется, она должна быть определена как выход (соответствующий бит регистра направления должен соответствовать выходу), и ее выходное значение должно быть равно 0.

Большинство линий ввода-вывода могут быть сконфигурированы для выполнения альтернативных функций, обозначенных в назначении выводов микроконтроллера.

Для всех линий портов ввода-вывода, как правило, доступна программная конфигурация входных подтягивающих резисторов. Подтягивающие резисторы осуществляют доопределение потенциалов «брошенных» входов напряжением высокого (Pull-up) или низкого (Pull-down) уровня.

Для обращения к отдельным линиям порта используется маскирование битов.

Входные элементы управления

В качестве входных элементов управления могут использоваться

• другие элементы схемы;
• тумблеры;
• джамперы;
• множественные переключатели;
• кнопки.

Тумблеры предназначены для коммутации цепей управления. Обрабатываемый сигнал с тумблера – потенциальный.

Различают 1-позиционные и 2-позиционные тумблеры:

1-позиционные

2-позиционные

Джамперы , как правило, используются для переключения режима работы, и их состояние проверяется только в момент включения питания микроконтроллера. Установка джампера замыкает 2 вывода, между которыми он установлен.

Множественные переключатели представляют собой набор 1-позиционных тумблеров в миниатюрном формате.

Кнопки предназначены для коммутации цепей управления. Обрабатываемый сигнал с кнопки – импульсный и фиксирует момент нажатия кнопки и момент ее отжатия.

Выходные элементы управления

В качестве выходных элементов управления могут использоваться

• другие элементы схемы;
• элементы индикации (единичные светодиоды или светодиодные сборки, в частности, — 7-сегментные индикаторы).

Единичные светодиоды

7-сегментные индикаторы

Различают 7-сегментные индикаторы с общим анодом и с общим катодом.

При подаче логической единицы на соответствующий сегмент индикатора с общим катодом светодиод сегмента включается. При этом общий вывод сегментов (катод) должен быть соединен с логическим нулем.

При подаче логического нуля на соответствующий сегмент индикатора с общим анодом светодиод сегмента включается. При этом общий вывод (анод) должен быть соединен с логической единицей.

2.2. Порты ввода-вывода

Организация работы. Порт можно определить как точку, через которую осуществляется взаимодействие с каким-либо блоком в системе ввода-вывода, многоразрядный вход или выход устройства. Порт ввода-вывода – это логическая адресуемая единица СВВ, которая характеризуется: адресом, форматом данных и набором операций, которые к этому порту можно применять. Взаимодействие может осуществляться как программным путем, так и аппаратным (порт – разъем устройства). В случае программного взаимодействия совокупность портов нумеруется и представляет собой адресное пространство (т.е. к каждому порту доступ осуществляется по его адресу). Различают порты ввода, вывода и двунаправленные (ввода-вывода). Управление блоками СВВ через порты осуществляется путем записи в них или чтения из них данных. При обращении к порту на линии системного интерфейса выставляется его адрес, который распознается специальным блоком – адресным декодером (или селектором адресов, что то же самое), – расположенным в устройстве, к которому приписан данный порт. Адресный декодер затем инициирует процесс обмена данными (запись или чтение, в зависимости от управляющих сигналов), Надо сказать, что кроме наличия «нужного» адреса на линиях системного интерфейса для начала процесса обмена с устройством необходимы еще определенные значения управляющих сигналов («чтение», «запись», «Chip-Select» и т.п.). Одному и тому же устройству может соответствовать несколько портов, идущих друг за другом (диапазон адресов) или иначе (вразброс по адресному пространству портов), через которые осуществляется доступ к разным механизмам устройства или к различным частям одного механизма (например, один порт представляет собой регистр адреса внутренней памяти устройства, а через другой пересылаются данные).

На рис. 19 ниже изображен пример взаимодействия с устройством через порты. Первый пример иллюстрирует механизм распознавания номеров (адресов) портов, к которым происходит обращение через системный интерфейс.

Рис. 19. Пример аппаратной реализации портов ввода-вывода

По алгоритму обмена различают порты:

1. С программно управляемым (программным) вводом-выводом:

установка и считывание данных определяется только ходом вычислительного процесса. Нет защиты от повторного считывания- записи одного и того же значения на выводе и считывания-записи во время переходного процесса на выводе.

2. Со стробированием:

каждая операция ввода-вывода подтверждается импульсом синхронизации (стробом) со стороны источника сигнала (при выводе – процессор, при вводе – внешнее устройство).

Считывание информации приемником происходит только по стробу, что позволяет защититься от приема данных во время переходного процесса входного сигнала.

3. С полным квитированием. Данный режим чаще всего используется для обмена данными с другой вычислительной системой по параллельной шине. Кроме сигналов синхронизации со стороны передатчика используются сигналы подтверждения (готовности к следующему обмену) со стороны приемника. Это позволяет управлять интенсивностью обмена обеим взаимодействующим сторонам и предотвращает потерю данных, когда одна из них перегружена. Пример порта с квитированием – порт LPT персонального компьютера.

Дискретные порты ввода-вывода. В большинстве современных процессоров для встраиваемых применений поддерживается как независимое управление каждой линией параллельного порта, так и групповое управление всеми разрядами. Так как схемотехника отдельных линий в рамках одного 4-, 8- или 16-разрядного порта одинакова, то дальше будут рассматриваться устройство и функционирование одиночного разряда.

2.2.1 Однонаправленные порты ввода- вывода. Схема однонаправленного порта ввода показана на рис. 20.

Рис. 20. Однонаправленный порт ввода

Внешние данные считываются через вывод порта (ножку микросхемы), проходят через триггер Шмитта (ТШ) или схему защиты от дребезга (СЗД) и по внутреннему сигналу чтения фиксируются в регистре данных, с выхода которого, в свою очередь, данные считываются процессором. ТШ (используется в большинстве процессоров для встроенного применения) имеет гистерезис по уровню входного напряжения и предотвращает многократное переключение входных схем при пологом фронте сигнала или помехах.

СЗД вводит инерционность переключения и отсекает реакцию на короткие по длительности импульсы. Используется для защиты от помех. Ко входу также могут подключаться так называемые «резисторы поддержки» логической «1» (Pull-up) или логического «0» (Pull-down).

Эти резисторы предназначены для переведения входов в устойчивое состояние «0» или «1» и предотвращения произвольных переключений от помех в моменты, когда на них (входы) не подается внешний сигнал, например, неиспользуемых и не подключенных к внешним схемам входов («открытых входов»). Через специальные управляющие регистры «схемы поддержки» могут быть отключены полностью или включены в режим Pull-up или Pull-down.

Все перечисленные блоки: триггер Шмитта, СЗД и «схемы поддержки» – используются для защиты от случайных переключений в результате помех и помогают снизить энергопотребление, которое резко возрастает в момент переключений входных схем.

Порты вывода бывают:

• С двухтактной выходной схемой (комплементарные).

• С однотактной выходной схемой и внутренней нагрузкой.

• С открытым выходом (открытым коллектором или стоком).

Порты вывода с двухтактной выходной схемой. являются самыми распространенными и реализованы, например, в семействах Atmel AVR, Microchip PICmicro, AMD AM186, Motorola HC08, HC11 и многих других.

Рис. 21. Порт вывода с двухтактной схемой

Рассмотрим функционирование данной схемы. Выходные данные записываются в регистр-защелку данных по внутреннему сигналу записи #WR и через простейшую логическую схему управляют выходными транзисторами. Если в регистр записано значение «1», то открыт верхний по схеме транзистор, а нижний закрыт: на выводе порта Vcc (логическая «1»). Если в регистр записано значение «0», то открыт нижний по схеме транзистор, а верхний закрыт: вывод порта соединен с минусовой шиной питания, т.е. там установлен «0».

На схеме верхний регистр управляет сигналом #OE

– «разрешение выходов». Если в регистр записан «0», то схема работает, как было описано выше. Если записана «1», то оба транзистора закрываются и схема переводится в «высокоомное» состояние (Z-состояние). В этом состоянии выходное сопротивление порта очень высокое и он фактически «оторван» от микропроцессора. Это необходимо:

• Если к выходному порту подключены выходы других схем и необходимо делить линии передачи данных с этими устройствами. Например: процессор используется как периферийный контроллер и его выходной порт подключен к периферийной шине другого процессора (мастера), к этой же шине подсоединены еще несколько периферийных контроллеров.

Достоинство: Максимальные значения втекающего (в состоянии «0») и вытекающего (в состоянии «1») тока выхода составляют 2-6мА для каскадов с нормальной нагрузочной способностью (например, Fujitsu MB90) и 5-30мА для каскадов с повышенной нагрузочной способностью (например, PICmicro, AVR).

Встречаются отдельные микросхемы со сверхвысокой нагрузочной способностью – до 60-90мА (например, PIC17). Большой выходной ток позволяет непосредственно с ножки, без схем усиления и согласования сигнала, управлять достаточно мощной нагрузкой: светодиодами, реле, мощным электронным ключом (транзистор, тиристор). Это значительно упрощает схему устройств.

Недостатки: При программировании необходимо управлять дополнительным битовым регистром «разрешение выхода». Значительное энергопотребление и уровень помех при переключении

Порты вывода с однотактной выходной схемой и внутренней нагрузкой применяются, например, в семействе MCS-51. Они имеют более простую внутреннюю схему. Когда в регистр-защелку записано значение «1», транзистор закрыт и на выходе через резистор RL устанавливается Vcc – логическая «1». Когда же в регистр-защелку записан «0», открывается транзистор и соединяет выход с минусовой шиной питания, т.е. там устанавливается «0». При этом резистор RL оказывается подключенным между шинами питания. Во избежание высокого тока через резистор и его перегрева сопротивление делают достаточно высоким 10-100кОм. Высокое сопротивление резистора позволяет непосредственно соединять несколько выходов, не опасаясь их встречного включения, так как если «0» на одном из выходов «подсадит» «1» на другом, то мощность, выделяемая на «подсаженном» резисторе будет мала, он не перегреется и каскад не выйдет из строя.

Рис.22. Порт вывода с однотактной схемой

Достоинства:

• Необходимо управлять только одним регистром.

• Возможность без дополнительных схем организовать подключение на одну внешнюю шину несколько таких выходов. Легко построить квазидвунаправленный порт ввода-вывода (см. ниже).

Малый вытекающий ток (в состоянии «1»), ограниченный резистором RL –сотни мкА.

Порты вывода с открытым выходом (открытым коллектором или стоком) Применяются во многих семействах микропроцессоров, например, AMD Am186 (там это один из режимов порта), PICmicro. Выходной каскад построен по однотактной схеме с внешней нагрузкой. Принцип функционирования аналогичен описанному для однотактного выходного каскада.

Рис. 23. Порт вывода с открытым выходом

Достоинства:

• Внешнее напряжение питания нагрузки Vcc ext может быть иным – большим или меньшим, чем питание микропроцессора. Это может быть удобным для сопряжения схем с различными уровнями логической «1», например, 3,3В и 5В. Если внешнее напряжение достаточно высокое, то можно непосредственно управлять высоковольтной нагрузкой. Например, анонсирован микроконтроллер семейства PICmicro допускающий подключение внешнего напряжения Vcc ext до 15В при питании ядра 2-6В.

• Необходимо управлять только одним регистром.

• Возможность без дополнительных схем организовать подключение на одну внешнюю шину несколько таких выходов. При этом можно подбирать требуемое сопротивление RL, например, стандарт I2C требует чтобы сопротивление было 2.2кОм. Легко построить квазидвунаправленный порт ввода-вывода (см. ниже).

• Требуется внешняя нагрузка.

• Малый вытекающий ток (в состоянии «1»), ограниченный внешним нагрузочным резистором.

Порты ввода и вывода на ПК: типы, использование и характеристики

Порты ввода-вывода были в компьютерах с незапамятных времен, без них не было бы связи с пользователем ни для сбора данных, ни для их передачи обратно. На протяжении всей истории существовали разные типы портов входа и выхода, поэтому мы собрали их все, упорядоченные по типу использования.

Одной из характеристик, выделяющих ПК над другими платформами, является его расширяемость. Благодаря своим портам въезда и выезда. Которые позволяют подключать все виды компонентов и периферийных устройств.

Общие характеристики входных и выходных патрубков

• Часы: Этот сигнал отмечает, как часто выполняется передача данных.
• Данные Контакты: контакты, которые передают информацию с одной стороны на другую, есть контакты приема, отправки и полнодуплексный режим, которые позволяют данным передаваться тем или иным способом. Если на интерфейсе порта есть несколько контактов данных, мы скажем, что это параллельный порт, если их несколько, мы скажем, что это последовательный порт.

Следует уточнить, что тот факт, что порт является последовательным, вовсе не означает, что он медленнее, поскольку объем отправляемых и / или получаемых данных будет зависеть от их тактовой частоты. Интерфейсы ввода-вывода, а также остальная логика в процессорах развивались с течением времени, и то, что, например, ранее было возможно только с широкими параллельными портами, достигло точки, которая стала возможной с последовательными портами.

Порты въезда и выезда, используемые сегодня

Эти порты можно найти на ПК и материнских платах, которые продаются сегодня.

USB-порты ввода и вывода

Порты USB являются абсолютным стандартом для портов ввода и вывода, поскольку они используются множеством периферийных устройств. Однако его происхождение находится за пределами ПК, поскольку это версия, адаптированная для ПК и обновленная на порте SIO 8-битных компьютеров Atari. Порт SIO служил для того, чтобы не вставлять весь компьютер в его дисководы, как это произошло на других 8-битных компьютерах.

Стандарт USB появился в конце 90-х годов с целью замены различных портов на ПК, таких как порт Centronics или LPT1, порт COM и порты PS / 2. Цель, на достижение которой ушли годы из-за быстрого увеличения количества периферийных устройств с этими интерфейсами. Его первая версия имела скорость передачи всего 11 Мбит / с, версия 2.0 улучшилась до 480 Мбит / с, а также стала идеальным портом для передачи видео, таким образом отказавшись от IEEE-1394 или FireWire. Что касается его версии 3.0, он позволяет передавать данные со скоростью порта SATA.

USB существует во многих формах, но новейшим из них является USB-C, который позволяет не только быстро заряжать периферийные устройства и даже целые компьютеры. Но также функционирует как DisplayPort. Глядя на его историю, становится ясно, что термин «универсальный» более чем заслуживает этого.

Порты вывода видео HDMI

Порт HDMI — это абсолютный стандарт видео для телевизоров, это усовершенствованная версия уже заброшенного порта DVI, но с возможностью передачи звука и воспроизведения контента в высоком разрешении с системами защиты авторских прав. HDCP. Впервые он появился, когда было обнаружено, что компонентный кабель не обеспечивает достаточной пропускной способности для Full HD, и как Blu-ray, так и потоковый контент нуждались в каком-либо методе борьбы с пиратством.

Сегодня он развивается с точки зрения своих возможностей и полосы пропускания, позволяя передавать видео 8K и с частотой обновления выше классических 60 Гц.

Порты вывода видео DisplayPort

Другой порт вывода видео — DisplayPort, но, хотя HDMI является стандартом для производителей телевизоров, DisplayPort больше ориентирован на рынок компьютеров, поэтому этот порт редко встречается на телевизорах. Как и HDMI, у него было несколько версий, но он больше предназначен для использования на компьютере из-за таких вещей, как тот факт, что он поддерживает большее количество разрешений в своем стандарте по сравнению с HDMI и предназначен для использования нескольких экранов.

Порты RJ45 или Ethernet

Порт Ethernet на всю жизнь, который позволяет нам подключаться к сети на высокой скорости с нашим ПК, недоступной для любого типа стандарта беспроводной связи. Его постоянство обусловлено его эволюцией: если несколько лет назад мы говорили о соединениях со скоростью 100 Мбит / с, то сегодня у нас уже есть интерфейсы со скоростью 10,000 10 Мбит / с или XNUMX Гбит / с.

Мини-джек 3.5 мм и разъемы TRS

Это порт для подключения динамиков и микрофона. Разъем имеет 2 варианта: первый поддерживает соединения mini-jack с 2 кольцами, каждое из которых соответствует стереоканалу, третье кольцо означает, что микрофон можно использовать. Хотя есть системы, которые разделяют ввод и вывод в двух разных интерфейсах.

Вариантом такого типа подключения являются разъемы TRS, позволяющие подключить несколько динамиков в позиционную систему. Конечно, с ограничениями по полосе пропускания и качеству звука

Порты S / PDIF для цифрового звука

Когда DVD стал популярным, также стал популярным DOLBY Digital, который был первой действительно позиционной системой и, следовательно, требовал гораздо более высокой пропускной способности. Решение? Порт формата цифрового интерфейса S / PDIF или SONY / Phillips. Которая передает звук в цифровом формате через коаксиальный кабель в один порт.

В продвинутых системах с несколькими динамиками, таких как 7.1, используются эти типы разъемов. Которые намного лучше TRS. Не только из-за отсутствия необходимости в таком количестве кабелей, но и для обеспечения более высокого качества звука благодаря более высокой пропускной способности.

Порты PCI Express

Слоты PCI Express — это то место, где мы сегодня подключаем наши видеокарты и диски M.2 NVMe, а также другие периферийные устройства, хотя и менее используемые, требуют этого порта. Разработанный как преемник AGP и классического PCI, это стандарт, который появился в середине 2000-х и развивался до сих пор, когда версия 4.0 уже находится на рынке, версия 5.0 находится на пике запуска, а версия 6.0 уже закончил свой дизайн. Каждое поколение удваивает пропускную способность для связи,

Его особенность по сравнению с другими портами ввода-вывода заключается в том, что он наследует от AGP возможность доступа к Оперативная память системы напрямую. Конечно, с соответствующими механизмами управления. Это ключ к ЦП–GPU / ГРАФИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР связь и возможность более эффективно копировать данные из NVMe SSD.

Порты въезда и выезда, которые перестали существовать

Эти порты больше не видны на ПК, их заменяют порты, которые выполняют ту же задачу, но с более высокой производительностью, лучшим потреблением или и тем, и другим. Хотя сегодня мы можем видеть их использование в некоторых материнских платах.

Порт RS-232 или DB9

Этот порт использовался для связи оборудования в эпоху мини-компьютеров. Особенно терминалы. Он был принят в ПК в первые годы и был портом ввода-вывода, главным образом, для периферийных устройств, таких как клавиатуры, мыши, модемы и т. Д.

Сначала он был заменен портом PS / 2, что касается мышей и клавиатур, высокоскоростные модемы начали использовать более продвинутые порты, такие как ISA, и постепенно они перестали использоваться, пока не были заменены USB. Когда это случилось, это была одна из самых бесполезных частей на ПК.

Порты Centronics

Знаменитый порт принтера, параллельный порт, который впервые появился на графических картах IBM MDA, а затем стал частью материнская плата. Его сняли с продажи, как только появился порт USB, и он стал настолько медленным, что отчаялся. Это 36-контактный параллельный порт, который изначально был разработан для принтеров и сканеров.

Со временем порт Centronics был заменен параллельным портом или портом DE9, который является параллельной версией порта DB9, поэтому он основан на стандарте RS-232. Поскольку оба они известны как порты принтера, их раньше путали, поэтому мы сгруппировали их в одном разделе.

VGA порт

Порт VGA был типичным стандартом для ЭЛТ-дисплеев ПК, и он просуществовал почти 20 лет, но оказался неспособным отображать изображение хорошего качества на ЖК-экране, поэтому его быстро вытеснили такие стандарты, как DVI. HDMI и DisplayPort.

Порт VGA связан с ЭЛТ-мониторами, но также использовался в проекторах. Его исчезновение связано с увеличением использования цифрового видео, что гораздо лучше понять с помощью ЖК-панелей, которые, занимая меньше места, в конечном итоге привели к замене телевизоров и мониторов аналоговыми сигналами.

Порт DVI

Порт DVI был попыткой VESA до DisplayPort запустить преемник VGA. На самом деле HDMI происходит от этого порта, с той разницей, что DVI не поддерживает контент HDCP, он не передает аудио и не развивался по мере развития HDMI. Его можно увидеть по телевизорам и мониторам со второй половины 2000-х годов.

Стандарт DVI имел 3 различных типа соединений: DVI-I мог передавать сигналы в аналоговом и цифровом виде, DVI-D только в цифровом и DVI-A только в аналоговом. Каждый с разной конфигурацией контактов. Эти различия, отсутствующие ни в HDMI, ни в DisplayPort, были одной из причин, по которым DVI не работал дольше.

Порт ввода-вывода

• Ввод-вывод через порты (англ. I/O ports) — схемотехническое решение, организующее взаимодействие процессора и устройств ввода-вывода. Противоположность вводу-выводу через память.

Во многих моделях процессоров ввод-вывод организуется теми же функциями, что и чтение-запись в память — так называемый «ввод-вывод через память». Соответственно, схемотехнически устройства ввода-вывода располагаются на шине памяти, и часть адресов памяти направляются на ввод-вывод. В процессорах Intel, микроконтроллерах AVR и некоторых других существуют отдельные команды для ввода-вывода — IN и OUT — и, соответственно, отдельное адресное пространство: в процессорах Intel — от 000016 до FFFF16.

Порты ввода-вывода создаются в системном оборудовании, которое циклически декодирует управляющие, адресные и контакты данных процессора. Затем порты настраиваются для обеспечения связи с периферийными устройствами ввода-вывода.

Одни порты используются для передачи данных (например, приём данных от клавиатуры или чтение времени системных часов), другие — для управления периферийными устройствами (команда чтения данных с диска). Исходя из этого порт ввода-вывода может быть портом только для ввода, только вывода, а также двунаправленным портом.

Связанные понятия

В информатике бу́фер (англ. buffer), мн. ч. бу́феры — это область памяти, используемая для временного хранения данных при вводе или выводе. Обмен данными (ввод и вывод) может происходить как с внешними устройствами, так и с процессами в пределах компьютера. Буферы могут быть реализованы в аппаратном или программном обеспечении, но подавляющее большинство буферов реализуется в программном обеспечении. Буферы используются, когда существует разница между скоростью получения данных и скоростью их обработки.

Компьютерная ши́на (англ. computer bus) в архитектуре компьютера — подсистема, служащая для передачи данных между функциональными блоками компьютера. В устройстве шины можно различить механический, электрический (физический) и логический (управляющий) уровни.