Порты ввода и вывода, распиновка разъёмов

Общая информация

Порт — это физический интерфейс на компьютере, через который подключаются устройства ввода и вывода, позволяя им взаимодействовать с системой. Порты также служат интерфейсом для соединения двух компьютеров друг с другом. Программно порты могут быть настроены как входные или выходные. Существуют два основных типа портов: последовательные и параллельные. Последовательные порты передают и принимают информацию по одному биту через пару проводов. Параллельные порты, напротив, передают несколько бит одновременно через набор проводов. Последовательные порты обычно применяются для подключения таких устройств, как модемы, цифровые камеры и т.д. Параллельные порты, в свою очередь, используются для подключения принтеров, сканеров, CD-приводов и внешних жестких дисков.

Последовательные порты

Последовательный порт представляет собой физический интерфейс связи, через который данные передаются по одному биту за раз. Эти порты используются для подключения таких устройств, как мыши, клавиатуры и модемы к компьютеру. Некоторые из наиболее популярных стандартов для последовательных интерфейсов включают RS-232C, PS/2, FireWire и USB.

Порт RS-232C

RS-232 является одним из старейших и самых известных стандартов последовательных интерфейсов, одобренных Ассоциацией электронной промышленности (EIA). Этот стандарт был разработан для соединения оборудования терминала данных (DTE) с оборудованием передачи данных (DCE). Вариант стандарта RS-232 — RS-232C — наиболее актуален в компьютерной сфере. RS-232C часто используется для подключения модемов и других устройств связи к компьютеру, при этом компьютер выступает в роли DTE, а подключенное устройство — DCE.

Стандарт RS-232C предусматривает наличие 25 коммуникационных линий между DTE и DCE, поэтому стандартный разъем RS-232C представляет собой 25-контактный коннектор (DB-25). Для использования в персональных компьютерах.

Не все из 25 контактов необходимы, поэтому в большинстве персональных компьютеров используется 9-контактный разъем (DE-9).

Максимальная допустимая длина кабеля для интерфейса RS-232C составляет 15 метров при скорости передачи данных 20 000 битам в секунду (бит/с). С увеличением длины кабеля скорость передачи снижается. Стандарты RS-422 и RS-423 обеспечивают более высокие скорости передачи, чем RS-232C, и поддерживают более длинные кабели. Тем не менее, RS-232C остается самым широко используемым последовательным портом.

Распиновка RS-232C

1. DCD (Обнаружение несущего сигнала) — Используется для определения наличия сигнала от устройства связи, сигнализирующего о готовности к передаче данных.
2. RD (Прием данных) — Принимает данные, поступающие от удаленного устройства на компьютер.
3. TD (Передача данных) — Передает данные с компьютера на удаленное устройство.
4. DTR (Готовность терминала данных) — Сигнализирует о готовности компьютера к установлению связи.
5. GND (Заземление) — Общий провод (земля) для обеспечения нормального функционирования электрических схем.
6. DSR (Готовность набора данных) — Показывает, что подключенное оборудование связи готово к передаче данных.
7. RTS (Запрос на передачу) — Используется для запроса разрешения на отправку данных.
8. CTS (Очистка для передачи) — Сигнализирует, что канал связи свободен и данные могут быть переданы.
9. RI (Индикатор вызова) — Используется для индикации поступления входящего звонка или сигнала.

FireWire

FireWire — это интерфейс, специфицированный стандартом IEEE 1394. Этот высокоскоростной последовательный стандарт используется для подключения графических и видеоустройств, таких как цифровые камеры и видеокамеры, к компьютеру. FireWire позволяет соединять до 63 устройств в циклической топологии и поддерживает функции plug-and-play и горячей замены. Существует две версии: FireWire 400 и FireWire 800.

FireWire 400 представлен в виде оборудования с шестиконтактными и четырёхконтактными разъёмами, поддерживая скорость передачи данных 100, 200 и 400 Мбит/с. Четырёхконтактные разъёмы в основном используются в бытовой электронике, тогда как шестиконтактные чаще применяются в компьютерах.

FireWire 800 базируется на стандарте IEEE 1394b и обеспечивает скорость передачи данных до 786,432 Мбит/с. Эта версия использует девятиточечное соединение.

Распиновка FireWire

4-контактный разъем

1. Pin 1 (TPB-) — Дифференциальный сигнал витой пары B. Цвет провода — красный.
2. Pin 2 (TPB+) — Дифференциальный сигнал витой пары B. Цвет провода — зеленый.
3. Pin 3 (TPA-) — Дифференциальный сигнал витой пары A. Цвет провода — оранжевый.
4. Pin 4 (TPA+) — Дифференциальный сигнал витой пары A. Цвет провода — синий.

6-контактный разъем

1. Pin 1 (Power) — Питание, не регулируемое постоянное напряжение 30 В при отсутствии нагрузки. Цвет провода — белый.
2. Pin 2 (Ground) — Заземление для питания и экранировки кабеля. Цвет провода — черный.
3. Pin 3 (TPB-) — Дифференциальный сигнал витой пары B. Цвет провода — красный.
4. Pin 4 (TPB+) — Дифференциальный сигнал витой пары B. Цвет провода — зеленый.
5. Pin 5 (TPA-) — Дифференциальный сигнал витой пары A. Цвет провода — оранжевый.
6. Pin 6 (TPA+) — Дифференциальный сигнал витой пары A. Цвет провода — синий.

9-контактный разъем (FireWire 800)

1. Pin 1 (TPB-) — Дифференциальный сигнал витой пары B. Цвет провода — красный.
2. Pin 2 (TPB+) — Дифференциальный сигнал витой пары B. Цвет провода — зеленый.
3. Pin 3 (TPA-) — Дифференциальный сигнал витой пары A. Цвет провода — оранжевый.
4. Pin 4 (TPA+) — Дифференциальный сигнал витой пары A. Цвет провода — синий.
5. Pin 5 (A shield) — Экранирование сигнала A.
6. Pin 6 (Ground) — Заземление для питания и экранировки кабеля. Цвет провода — черный.
7. Pin 7 — Не используется.
8. Pin 8 (Power) — Питание, не регулируемое постоянное напряжение 30 В при отсутствии нагрузки. Цвет провода — белый.
9. Pin 9 (B shield) — Экранирование сигнала B.

Универсальная последовательная шина (USB)

Порт USB впервые был представлен в 1997 году и предназначен для подключения таких устройств, как принтеры, мыши, сканеры, цифровые камеры и внешние накопители к компьютеру. Существует несколько версий стандарта USB, включая 0.9, 1.0, 1.1, 2.0, 3.0, 4.0 причем USB 4.0 является самой последней на момент создания этого текста. Также существует беспроводная реализация USB, известная как Wireless USB, которая использует радиочастотный спектр для передачи данных.

Через USB-порт можно подключить до 127 устройств. Он поддерживает две скорости передачи данных — 1,5 Мбит/с (низкая скорость) и 12 Мбит/с (полная скорость). Большинство устройств USB 2.0 поддерживают скорость передачи данных до 480 Мбит/с (высокая скорость). USB соединение состоит из четырех проводов и представлено в двух основных стандартах: тип A и тип B. Также доступны уменьшенные версии разъемов USB, такие как Mini-A и Mini-B.

Распиновка USB-разъёма

Type-A

1. Pin 1 (V) — Питание (4.75-5.25 В). Этот контакт обеспечивает питание подключенным устройствам.
2. Pin 2 (Data — / D-) — Отрицательный контакт данных. Используется для передачи данных.
3. Pin 3 (Data + / D+) — Положительный контакт данных. Используется для передачи данных.
4. Pin 4 (GND) — Заземление. Обеспечивает возвратный путь для питания.

Внешняя оболочка (Shell Shield) — Экранирование.

Type-B

1. Pin 1 (V) — Питание (4.75-5.25 В). Этот контакт обеспечивает питание подключенным устройствам.
2. Pin 2 (Data — / D-) — Отрицательный контакт данных. Используется для передачи данных.
3. Pin 3 (Data + / D+) — Положительный контакт данных. Используется для передачи данных.
4. Pin 4 (GND) — Заземление. Обеспечивает возвратный путь для питания.

Внешняя оболочка (Shell Shield) — Экранирование.

Mini-A

1. Pin 1 (V) — Питание (4,4-5,25 В). Этот контакт обеспечивает питание подключенным устройствам.
2. Pin 2 (Data — / D-) — Отрицательная линия данных. Используется для передачи данных от устройства.
3. Pin 3 (Data + / D+) — Положительная линия данных. Используется для передачи данных к устройству.
4. Pin 4 (ID) — Контакт идентификации. Используется для определения типа подключенного устройства (например, для OTG).
5. Pin 5 (GND) — Заземление. Обеспечивает возвратный путь для электрического питания.

Внешняя оболочка (Shell Shield) — Экранирование.

Mini-B

1. Pin 1 (V) — Питание (4,4-5,25 В). Этот контакт обеспечивает питание подключенным устройствам.
2. Pin 2 (Data — / D-) — Отрицательная линия данных. Используется для передачи данных от устройства.
3. Pin 3 (Data + / D+) — Положительная линия данных. Используется для передачи данных к устройству.
4. Pin 4 (ID) — Контакт идентификации. Используется для определения типа подключенного устройства (например, для OTG).
5. Pin 5 (GND) — Заземление. Обеспечивает возвратный путь для электрического питания.

Внешняя оболочка (Shell Shield) — Экранирование.

PS/2 Разъем

PS/2 разъемы используются для подключения клавиатуры и мыши к персональному компьютеру. Разъемы PS/2 для мыши и клавиатуры имеют схожую конструкцию, однако разъем клавиатуры PS/2 отличается наличием выхода с открытым коллектором. Разъемы PS/2 заменили ранее использовавшиеся разъемы DE-9 для мыши и пятиконтактные DIN-разъемы для клавиатуры.

Распиновка PS/2

1. + DATA – Линия передачи данных.
2. Reserved – Зарезервировано (не используется).
3. GND – Земля (общий провод).
4. V (+5VDC) – Питание +5 В постоянного тока.
5. + CLK – Линия синхронизации (тактовый сигнал).
6. Reserved – Зарезервировано (не используется).

IEEE-488

IEEE-488 — это стандарт параллельной шины малого радиуса действия, широко используемый в приложениях для тестирования и измерений. Он также известен как шина общего интерфейса (GPIB). Стандарт IEEE-488 описывает 24-проводное соединение, которое позволяет передавать восемь бит данных одновременно. Помимо линий передачи данных, предусмотрены восемь управляющих сигналов и восемь линий заземления. Максимальная скорость передачи данных составляет 1 МБ/с в оригинальной версии стандарта и около 8 МБ/с в модернизированной версии (HS-488).

Распиновка IEEE-488

1. Data I/O1 – Линия передачи данных 1.
2. Data I/O2 – Линия передачи данных 2.
3. Data I/O3 – Линия передачи данных 3.
4. Data I/O4 – Линия передачи данных 4.
5. EOI (End or Identity) – Конец передачи или идентификация.
6. DAV (Data Valid) – Указатель на валидность данных.
7. NRFD (Not Ready for Data) – Не готов к приему данных.
8. NDAC (Not Data Accepted) – Данные не приняты.
9. IFC (Interface Clear) – Сброс интерфейса.
10. SRQ (Service Request) – Запрос на обслуживание.
11. ATN (Attention) – Сигнал внимания.
12. Shield Ground – Экран заземления.
13. Data I/O5 – Линия передачи данных 5.
14. Data I/O6 – Линия передачи данных 6.
15. Data I/O7 – Линия передачи данных 7.
16. Data I/O8 – Линия передачи данных 8.
17. REN (Remote Enable) – Удаленное управление.
18. P/O Twisted Pair with 6 – Параллельный провод (витая пара) с линией 6.
19. P/O Twisted Pair with 7 – Параллельный провод (витая пара) с линией 7.
20. P/O Twisted Pair with 8 – Параллельный провод (витая пара) с линией 8.
21. P/O Twisted Pair with 9 – Параллельный провод (витая пара) с линией 9.
22. P/O Twisted Pair with 10 – Параллельный провод (витая пара) с линией 10.
23. P/O Twisted Pair with 11 – Параллельный провод (витая пара) с линией 11.
24. Signal Ground – Сигнальное заземление.

Small Computer System Interface (SCSI)

SCSI (Small Computer System Interface) — это широко используемый стандарт для подключения персональных компьютеров и периферийных устройств. Он разработан и утвержден Американским национальным институтом стандартов (ANSI). Существует множество вариантов стандарта SCSI, и некоторые из них могут быть несовместимы друг с другом. Среди версий SCSI можно выделить такие, как SCSI-1, SCSI-2, Wide SCSI, Fast SCSI, Fast Wide SCSI, Ultra SCSI, SCSI-3, Ultra SCSI-2 и Wide Ultra SCSI-2. Детальное описание всех этих интерфейсов выходит за рамки данного материала.

IEEE-1284

IEEE-1284 — это стандарт, определяющий двунаправленную параллельную связь между компьютерами и периферийными устройствами. Максимальная скорость передачи данных по этому стандарту составляет 4 МБ/с. Он поддерживает три типа разъемов:

• DB-25 (тип A) — для подключения к хосту (компьютеру).
• Centronics 36-pin (тип B) — для подключения к принтеру или другому устройству.
• Mini Centronics 36-pin (тип C) — уменьшенный вариант разъема для подключения устройств.

Устройства, соответствующие стандарту IEEE 1284-I, используют разъемы IEEE 1284-A и IEEE 1284-B, в то время как устройства IEEE 1284-II используют разъемы IEEE-1284-C. Однако разъем типа C не получил широкой популярности.

Внутренние шины

Входные/выходные порты используются для подключения компьютера к внешним устройствам. Стандарты ввода-вывода, описанные в предыдущих разделах, относятся к стандартам внешних шин. Помимо них, компьютеры имеют и внутренние шины, которые обеспечивают передачу адресных, данных и управляющих сигналов между центральным процессором (CPU), кэш-памятью, SRAM, DRAM, дисковыми накопителями, слотами расширения и другими внутренними устройствами.

Существует три основных типа внутренних шин:

• Локальная шина (Local Bus) – обеспечивает высокоскоростное соединение между процессором и памятью или графическим процессором.
• Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) – используется для подключения периферийных устройств и компонентов.
• Шина ISA (Industry Standard Architecture) – более старая архитектура, применяемая для подключения медленных устройств.

Локальная шина

Локальная шина соединяет микропроцессор с кэш-памятью, основной памятью, сопроцессором и контроллером шины PCI. Она состоит из трех компонентов: шины данных, шины адреса и шины управления. Локальная шина также называется основной шиной (Primary Bus).

Ее отличительной особенностью является высокая пропускная способность, которую невозможно достичь при использовании шин с разъемами расширения.

Шина PCI

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) — это стандарт интерфейса для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера. Разработанная в 1992 году компанией Intel, она стала основой для подключения таких устройств, как жесткие диски, звуковые карты и сетевые адаптеры. Первоначально шина PCI имела 32-разрядную архитектуру и работала на частоте 33 МГц, обеспечивая пропускную способность до 133 МБ/с.

Существуют различные версии и расширения шины PCI, включая:

• PCI 2.2
• PCI 2.3
• PCI 3.0
• PCI-X
• PCI-X 2.0
• Mini PCI
• CardBus
• CompactPCI
• PC/104-Plus

С развитием технологий шина PCI была постепенно вытеснена более современным стандартом — PCI Express (PCIe), который обеспечивает более высокую скорость передачи данных и улучшенную производительность. PCIe использует последовательную передачу данных и поддерживает различные конфигурации линий (×1, ×4, ×8, ×16), что позволяет достигать значительно большей пропускной способности по сравнению с традиционной шиной PCI.

На сегодняшний день шина PCI практически не используется в современных компьютерах и была полностью заменена на PCI Express, обеспечивающую более высокую производительность и гибкость в подключении периферийных устройств.

Шина ISA

Шина ISA (Industry Standard Architecture) — это стандартная шина для IBM-совместимых компьютеров. Она была доступна в версиях с разрядностью 8 бит и 16 бит. Шина ISA использовалась для подключения периферийных устройств, таких как модемы, звуковые карты и адаптеры ввода-вывода.

Для решения проблемы низкой пропускной способности шины ISA была разработана локальная шина VESA (VESA Local Bus). Она работала параллельно с шиной ISA, предоставляя высокоскоростной канал для операций с памятью (memory-mapped I/O) и прямого доступа к памяти (DMA). При этом шина ISA продолжала обрабатывать прерывания и операции портов ввода-вывода (port-mapped I/O).

Со временем как шина ISA, так и шина VESA были полностью вытеснены шиной PCI, которая обеспечивала более высокую производительность и универсальность. На сегодняшний день шина ISA практически не используется в современных компьютерах и считается устаревшей.