3.3.7. U / I kanal i vanjske jedinice

U / I kanal (I / O Port) su priključci i ULAZNO / IZLAZNI sklopovi koji omogućavaju povezivanje računala s različitim vanjskih uređajima posredstvom za to predviđenih priključaka-konektora-sučelja ili s uređajima unutar kućišta sustava ukomponiranima na matičnoj ploči ili na kartici koja se umeće u slot. Većina novijih matičnih ploča posjeduje dodatne priključke koji omogućavaju njihovo spajanje za vanjske konektore ugrađene na limenim nosačima (bracket) na stražnjoj strani računala ili s posebnim izvedbama pročelja fizičke veličine FDD ili CD uređaja, koja se ugrađuju u pročelje kućišta računala, a koja sadrže konektore za spajanje USB uređaja, mikrofona, slušalica, utora za umetanje memorijskih kartica i sličnih uređaja, ili pak za neku posve drugačiju namjenu kao što je regulacija vrtnje ventilatora CPU hladila. Svaki od uređaja komunicira s računalom preko elektroničkih logičkih sklopova koji uređaj povezuju s jednom od sabirnica sustava, a o samom načinu odvijanja komunikacije vode brigu programske rutine ukomponirane kao sastavni dio BIOS-a i dio raspoloživih mogućnosti chipset-a matične ploče koji koristi zapise u BIOS-u, a u konačnici o mogućnostima operativnog sustava.

Dakle, logički sklopovi U / I kanala su u suštini elektronička vrata koja će pod nadzorom mikroprocesora omogućiti jednosmjerni ili dvosmjerni protok podataka između uređaja i mikroprocesora, memorije, diska ili nekog drugog sklopa računala preko sabirnice sustava. Logički sklopovi U / I kanala sastavni su dio sklopova matične ploče za uređaje koji se na njoj nalaze i za priključke opće namjene kao tipkovnica, disketni i diskovni uređaj, standardni paralelni i serijski priključak i slično.

Elektronički logički sklopovi U / I kanala dodatnih uređaja mogu se realizirati u sklopu samog dodatnog uređaja npr. U / I kanal mrežne kartice ukomponiran na samoj kartici kao strogo namjenski integrirani krug (čip) koji dio zadaća CPU preuzima na sebe. Način komunikacije sa svakom vrstom uređaja nije isti. Također se može zahtijevati da računalo ostvaruje komunikaciju s više uređaja iste vrste. No samo s jednim uređajem računalo može istovremeno raditi i razmjenjivati komande i podatke preko sabirnice. Zato svaki od kanala mora imati svoju zasebnu ADRESU po kojoj se prepoznaje a skupina više njih imati će istu zadaću i opsluživati će ih ista programska rutina npr. za dva kanala predviđena za serijsku komunikaciju svaki će imati na raspolaganju 4 različite moguće adrese od kojih mu se samo jedna može dodijeliti a opsluživati će ih ista BIOS programska rutina.

Tri su osnovna načina prijenosa podataka putem U / I kanala:

          1.) PARALELNI - PIO 
              (Programmed Input/Output)

          2.) SERIJSKI -- UART 
              (Universal Asynchronous Transceiver)

          3.) SERIJSKI -- USB
              (Universal Serial Bus)

PARALELNI PRIJENOS PODATAKA ukazuje na JEDNOVREMENI prijenos bit-ova preko više komunikacijskih vodova. Sklopovi su standardizirani i direktno su povezani sa sve tri sabirnice. Sklop ima svoj registar (privremenu memoriju) koji ima svoju adresu pa mikroprocesor lako na njega prenese podatke. Vanjski uređaji koji se priključuju na sklop za paralelni prijenos mogu biti različiti (pisač, ZIP drive i drugo) te se za svakog od njih vrši programiranje PIO posebno izrađenim programom prema vrsti uređaja koji se učitava u radnu memoriju računala i izvršava prije početka prijenosa podataka. Na taj način PIO postaje specifično SUČELJE (INTERFACE) između računala i priključenog uređaja.

Slika 3.3.22 Načelna shema osam bit-nog paralelnog prijenosa.

Načelo paralelnog prijenosa prikazano je na slici 3.3.22 na kojoj je značajno uočiti dvosmjerni protok podataka. U PIO postoje predajni i prijemni elektronički sklopovi koji se izmjenično uključuju (HALF-DUPLEX) ili se za istovremeni prijenos u oba smjera koriste dva PIO (FULL-DUPLEX).

Pojam voda za prijenos podrazumijeva dva vodiča, što znači da za ovakav prijenos treba 16 vodiča za prijenos podataka. No, kako je je jedan od vodiča voda uzemljen ukupni broj vodiča za prijenos pada na 9 jer je vodič uzemljenja zajednički za sve vodove. U raznim kombinacijama upravljanja tijekom prijenosa ukupni broj potrebitih vodiča može biti najviše 24. Vrlo često se u jednom kućištu integriranog sklopa nalaze dva PIO istih svojstava.

Prikazani sustav paralelnog prijenosa podataka razvila je tvrtka CENTRONICS, pa se često tako i naziva. Kako bit-ovi prolaze istovremeno prijenos je brži od serijskog prijenosa, ali je neprikladan za udaljene veze zbog velikog broja vodiča u spojnom kabelu. Efikasan je do duljina kabela od 10 m.

Uz pisač, vrlo česti uređaji koji se na PIO priključuju su A/D i D/A pretvornici signala, Odnosno pretvorba analognog signala u digitalni i obratno. A/D pretvornici obično su sastavni dijelovi mjernih sustava koji prate neki proces, a kojima računalo služi za pohranu i obradu izmjerenih procesnih veličina. D/A pretvornici obično daju izlazni signal, kao posljedicu analize u računalu, koji upravlja nekim ventilom ili motorom i u tom smislu radi se o automatskoj kontroli procesa. U svakodnevnoj praksi raširena je primjena D/A pretvornika u glazbenim CD uređajima i upravo kvaliteta ove pretvorbe određuje klasu, kakvoću i cijenu navedenih glazbenih uređaja.

Primjer IX

Načelo rada analogno/digitalnog pretvornika.

A/D pretvornik ne pretvara u digitalni oblik cjelokupan analogni signal već samo uzorke u vremenu (slika 3.3.23).

Slika 3.3.23 Uzorkovanje analognog signala u vremenu.

Gustoća uzorkovanja odrediti će kvalitetu 'praćenja' oblika analognog signala. Između dva uzorkovanja vrši se pretvorba veličine uzorka u binarnu kombinaciju. To znači da će se za 8 bit-ne binarne kombinacije veličini uzorka moći pridružiti jedna od 256 binarnih kombinacija. Povećani broj bit-a u kombinaciji omogućiti će finije 'praćenje' veličine uzorka - razlučivost. Veća gustoća uzorkovanja i veća razlučivost usložavaju izradu A/D pretvornika.

SERIJSKI PRIJENOS PODATAKA već se dugo primjenjuje u računalnoj tehnici i najčešće se koristi RS 232c standard za serijsko sučelje (interface). Elektronički sklopovi serijskog sučelja imaju i prijemni i predajni dio, ali je komunikacija izmjenična (HALF-DUPLEX). Za komunikaciju je potrebit najmanje jedan vod (dva vodiča). Podaci se prenose impuls po impuls te je stoga komunikacija vrlo spora.

Da bi se podaci sa sabirnice mogli redoslijedno poslati preko serijskog sučelja u sklopu sučelja obvezno su ugrađeni registri posmaka koji omogućavaju pretvorbu paralelnog prihvata u serijsko odašiljanje i obratno (slika 3.3.24).

Slika 3.3.24 Načelo rada serijskog prijenosa podataka.

Između dva serijska priključka na dva računala ožičenje serijske komunikacije ostvarilo bi se prema slijedećoj slici.

Slika 3.3.25 Ožičenje serijske komunikacije između dva računala.

Za izmjenu podatka koriste se priključci TX i RX, u osnovi nuždan uvjet da se ostvari komunikacija. DTR i DSR su signali koji se koriste prilikom uspostavljanja komunikacije i stalno su aktivni za vrijeme odvijanja komunikacije. Ako jedan od njih izostane komunikacija se prekida. DTR signal šalje uređaj koji želi uspostaviti komunikaciju, a DSR je odgovor pozvanog da je komunikacija moguća te je po njegovom prijemu komunikacija uspostavljena. RTS je izlazni signal koji se drugom uređaju šalje da se spremi za prihvat podataka te se potom očekuje potvrda u vidu ulaza CTS signala kao obavijest drugog uređaja da se prijenos podataka može otpočeti. Ova dva signala rukuju (handshake) izmjenom podataka po uspostavljenoj komunikaciji. DCD je signal koji se uobičajeno koristi u modemskim komunikacijama. Odašilje ga uređaj s kojim je uspostavljena komunikacija te mu se potom vraća. Svojom neprekinutošću ukazuje na održavanje komunikacije. Za DCD signal može se koristiti DTR ili RTS signal. U modemskim komunikacijama koristi se još RI ulaz na kojem se pojavljuje signal kada se ustanovi signal zvona telefona (B.B.S. komunikacija).

Svi navedeni signali mogu se posebnim uređajem prenijeti na daljinu preko postojeće PTT mreže, dizajniranim upravo za tu namjenu, nazvanim MODEM (MOdulacija-DEModulacija). Kako PTT klasični vodovi i centrale koje nemaju dodatnu opremu nisu predviđeni za prijenos digitalnog signala, modem ih u postupku odašiljanja pretvara u izmjenični signal po načelu promjenjive frekvencije a u postupku prijema ponovo u digitalni (slika 3.3.26).

Slika 3.3.26 Postupak pretvorbe signala u modemskoj komunikaciji.

Navedeno u praksi znači da gdje je god moguća govorna komunikacija, bez obzira na udaljenost telefonskog aparata od centrale, moguća je modemska komunikacija, koja će se u slučaju kvalitetnije veze odvijati većom brzinom i s manje grešaka. Prilikom inicijalnog spajanja modem će s pristupnim uređajem u PTT centrali 'dogovoriti' optimalnu brzinu komunikacije. Naravno, frekvencije signala koje modem koristi spadaju u govorno područje, koje klasična centrala može proslijediti. Više o modemu opisano je u poglavlju 3.6.5.

Kako računala imaju isti raspored pinova konektora za serijsko sučelje nije moguće spojiti direktno prvi pin (kontakt u priključku) jednog na prvi pin drugog, jer bi se predajnik jednog uređaja priključio na predajnik drugog uređaja. Stoga se veza između računala mora obaviti kabelom kojemu su vodovi 'ukršteni' kako je prikazano na slici 3.3.25. No ako se serijski priključak računala spaja s modemom ili pisačem, ovo križanje nije potrebno jer je u priključku tih uređaja predviđena zamjena vodova.

Stoga treba razlikovati:

         MODEM KABEL = neukršteni vodovi za vezu s modemom.
         NULL-MODEM KABEL = ukršteni vodovi za vezu između računala.

Sama komunikacija odvija se prijenosom blokova podataka, obično veličine nekoliko kB kojima se pridodaju oznake početka i kraja bloka i kontrolni zbrojevi na grešku (CRC).

Kako moderni modemi u postupku predaje koriste njima svojstvene protokole kao XMODEM, ZMODEM i slične te vrše i sažimanje podataka pred slanje na PTT vod povećava se brzina prijenosa podataka ali ne i brzina komunikacije. No sama brzina komunikacije između serijskog priključka i modema može biti višestruko puta veća. Brzina komunikacije između modema još nije prekoračila granicu od 100'000 BOD-a, te ovaj način prijenosa podataka spada u najsporije. Daleko učinkovitija komunikacija ostvaruje se povezivanjem računala u MREŽNE sustave tipa ETHERNET, TOKEN RING i slične, a za povezivanje lokalne kućne infrastrukture u mrežni sustav ADSL kao rješenje je svestraniji i učinkovitiji.

Ako se na serijski priključak uključi miš, posebnom programskom potporom omogućava se preko jednog od izlaznih signalnih vodova napajanje elektronike miša držeći taj signalni vod stalno otvoren. Preko ulaznih vodova dobivaju se informacije o okomitom i vodoravnom pomicanju miša i stanju prekidača, koje njegova programska potpora (mouse driver) pretvara u odgovarajuće podatke za izvršavanje zadaće i prikaz na monitoru. Komunikacija između miša i računala u ovom slučaju je jednosmjerna (SIMPLEX).

USB (Universal Serial Bus) predstavlja napredno tehnološko rješenje spajanja vanjskih uređaja s računalom. Cilj USB tehnologije jest rasterećivanje glavne sabirnice računala od posebnih kartica za proširenje, kao i olakšavanje umetanja i odvajanja vanjskih uređaja i njihovo automatskog prepoznavanje (plug-and-play) bez potrebe za ponovnim pokretanjem računala (reboot). Podaci se razmjenjuju serijski, i tijekom razvoja prihvaćene su naredne inačice:

Naziv standarda Boja sučelja Brzina prijenosa USB 1.0 bijela 1.50 Mbps USB 1.1 bijela 12.00 Mbps USB 2.0 crna 480.00 Mbps USB 3.0 plava 4'800.00 Mbps USB 3.1 & 3.2 crvena 10'000.00 Mbps

USB je asimetričnog dizajna, i sastoji se od kontrolera-poslužitelja i mnogostrukih jedinica koje je uključuju na poslužitelj kao grane preko posebnih uređaja (hub) i tako stvaraju stablasti oblik. Kod USB-a moguće je imati 5 nivoa grananja po svakom kontroleru-poslužitelju, te je moguće priključiti 127 uređaja umanjeno za broj hub-ova koji su priključeni na isti USB poslužitelj. Trenutno postoje četiri standarda konektora USB-a:

Standardni USB konektor - tip A i tip B Mini USB konektor - Zastarjelo za USB 3.x Mikro USB konektor - Zastarjelo za USB 3.x Full duplex USB konektor - tip C simetrični

Standardni konektor definiraju dva tipa izvedbe: ' A ' standard za računalo i ' B ' standard za uređaj. Vrlo važan je 'domet' ove komunikacije između uređaja koji iznosi 5 m, odnosno to je najveća dopuštena duljina kabla. Ako se uporabi duži kabel od navedenog, moguće će se ostvariti konekcija i USB uređaj će se ispravno prikazati računalu, ali neće biti ispravne komunikacije. Uporaba dužeg komunikacijskog kabla od navedene vrijednosti nema smisla. Ako se uporabi USB-HUB između USB uređaja i računala može se povećati navedena udaljenost. Bolje rješenje su USB-UTP adapteri (USB Extender) koji omogućavaju komunikaciju do 45 m između računala i uređaja. Ovi adapteri napajaju se preko USB konektora računala. Izvor napajanja je 5 V preko USB konektora, a potrošnja ovisi o vrsti uređaja.

USB 3.0 standard predviđa i uporabu optičkih niti (full-duplex) što podrazumijeva i veće komunikacijske udaljenosti između uređaja. USB 3.1 standard ima dvije značajne novine: konektor je fizički potpuno drugačiji i simetričan te je svejedno kako se priključuje i predviđa uporabu adaptera za priključivanje starijih uređaja, a brzina komunikacije je veća zbog korištenja drugačije sheme kodiranja signala (128b/132b umjesto 8b/10b) koja je kompatibilna sa starijom shemom te električki prihvaća starije uređaje. USB konektor ' tip C ' je puno lakše uključiti u uređaj jer je fizički simetričan.

Osim USB standarda utemeljen je i IEEE 1394 protokol kojeg podržavaju 'FireWire' uređaji (Apple) ili 'i.Link' uređaji (Sony). Jedan je od nadolazećih sabirničkih protokola. Razlika između 'i.Link' i 'FireWire' je što 'i.Link' nema vodove za napajanje uređaja preko sabirnice. Cilj protokola je omogućiti je vrlo brzu i jeftinu komunikaciju koja je laka za korištenje. Protokol je također vrlo skalabilan, omogućuje 'asynchronous' i 'synchronous' primjenu, dozvolu za pristupom golemoj količini memorijski mapiranog adresnog prostora i možda najvažnije Peer-to-Peer (P2P) vezu. Podržane brzine prijenosa su 100 Mbps, 200 Mbps i 400 Mbps, a radi se na specifikaciji koja će omogućiti brzine prijenosa od 800 Mbps, 1600 Mbps i 3200 Mbps. 'Domet' ove komunikacije između uređaja iznosi 10 m, ali se kao u prethodnom slučaju može povećati adapterima. Izvor napajanje je od 30 V. USB i IEEE 1394 su duplex komunikacije.

Osim asimetrične, od vrlo velikog je značaja brza serijska sinkrona komunikacija koju koriste PCI-Express uređaji bez koje je brz rad suvremenih računalnih sustava nezamisliv. Prijenosom što većih skupina impulsa što kraćeg trajanja i kvalitetnom sinkronizacijom ostvaruju se veće brzine prijenosa podataka.