Аппаратный порт

В среде Интернета порт — это значение, используемое на уровне транспортного уровня для различения нескольких приложений, которые могут одновременно подключаться к одному хосту.

Хотя большинство портов назначаются произвольно, некоторым портам по соглашению закреплены определённые универсальные приложения или службы. IANA регулирует назначение портов с номерами от 0 до 1023 (ранее только от 0 до 255). Например, служба удалённого подключения telnet, используемая в Интернете, закреплена за портом 23. Существует таблица назначенных портов в этом диапазоне, называемая Selected Port Assignments.

Порты с номерами в диапазоне от 1024 до 65535 могут регистрироваться по согласованию с IANA, производителями программного обеспечения и другими организациями. Например, порт 1352 закреплён за системой Lotus Notes.

Классическим примером последовательного порта является RS-232, который использует от 3 до 25 проводов и соединяет компьютеры или микроконтроллеры с широким спектром периферийных устройств, от терминалов до принтеров, модемов и мышей. Интерфейс между RS-232 и микропроцессором обычно реализуется через интегральную схему 82C50.

Оригинальный RS-232 использовал D-разъём на 25 контактов, однако большинство из них не применялось, и поэтому IBM с момента выпуска PS/2 внедрила более компактный разъём всего на 6 контактов, который применяется и по сей день. В Европе стандарт RS-422, изначально немецкий, также широко используется в промышленности.

Одним из недостатков ранних последовательных портов была их низкая скорость по сравнению с параллельными портами, однако с развитием технологий появились высокоскоростные последовательные порты, что повысило их привлекательность: они требуют меньше проводки и отличаются лучшей экранировкой. Они дешевле за счёт использования витой пары, поэтому RS-232 и даже множество параллельных портов вытесняются новыми последовательными — USB, Firewire, Serial ATA.

Последовательные порты предназначены для связи компьютера с принтером, мышью или модемом, однако порт USB служит для подключения любого типа периферийных устройств: от мышей до внешних жёстких дисков и Bluetooth-устройств. Порты sATA (Serial ATA) выполняют ту же функцию, что и IDE (к ним подключаются дисковод, жёсткий диск, CD/DVD-приводы), но обеспечивают большую скорость передачи данных. Сетевой порт может быть как последовательным, так и параллельным.

Порты могут использоваться для подключения плат расширения: звуковых, графических, сетевых и других устройств. Слот PCI всё ещё широко применяется — большинство компонентов выпускается в этом формате. Среди слотов PCI отдельно выделяют PCI-Express. К компонентам, используемым с такими слотами, относятся:

• ТВ-тюнеры;
• RAID-контроллеры;
• сетевые карты (проводные и беспроводные);
• звуковые карты.

PCI Express^[1][2] — новое развитие шины PCI, использующее современные стандарты программирования и передачи данных, но при этом основанное на более быстрой последовательной коммуникации по сравнению с PCI и AGP. В спецификации PCIe 3.0 реализован ряд оптимизаций для повышения качества сигнала и целостности данных, включая контроль передачи и приёма файлов, улучшения PLL, восстановление тактового сигнала и совершенствование каналов, что обеспечивает совместимость с существующими топологиями^[3]. (Ранее был известен как 3GIO — Third Generation I/O.) Инициатор стандарта — корпорация Intel, начавшая работу в рамках проекта Arapahoe после отказа от Infiniband. Скорость передачи 16× (8 ГБ/c); стандарт особенно востребован для графических карт.

К этим портам подключаются планки оперативной памяти (RAM). Порты памяти — это гнёзда или отсеки, в которые можно устанавливать новые модули памяти ради увеличения ёмкости системы. Ёмкость современных слотов может варьироваться от 256 МБ до 64 ГБ и выше (показатели растут ежегодно). Следует учитывать, что RAM — энергозависимая память, при внезапном отключении питания вся записанная информация теряется. Оперативная память соединяется с ЦП по высокоскоростной шине. Таким образом, обмен данными между памятью и процессором происходит примерно в 1000 раз быстрее, чем с жёстким диском.

Соединения в этом случае осуществляются без проводов — по каналу между передатчиком и приёмником через электромагнитные волны.

USB-порт^[4][5][6] позволяет подключать до 127 устройств и давно стал стандартом для современных компьютеров, имеющих обычно не менее четырёх портов USB 3.0 (у старых моделей может встречаться только USB 1.1). USB-порты также интегрируются в мобильные устройства — здесь используют мини- и микро-USB.

Интерфейс реализует концепцию plug and play — достаточно подключить устройство (при включённом компьютере), чтобы оно было распознано и установлено автоматически, если операционная система содержит нужный драйвер.

USB обеспечивает высокую скорость передачи данных: для USB 1.1 — до 12 Мбит/с, для USB 2.0 — до 480 Мбит/с (60 МБ/с), а для USB 3.0 (SuperSpeed USB) — до 4,8 Гбит/с (600 МБ/с). Обычные последовательные и параллельные порты редко превышают 1 Мбит/с. Порты USB 3.0 обратно совместимы с устройствами USB 2.0 и 1.1.

По кабелю USB передаются не только данные, но и питание для внешних устройств. Максимальная мощность — 2,5 Вт. Устройства делятся на маломощные (до 100 мА) и высокомощные (до 500 мА); более мощные устройства требуют отдельного питания. При использовании хаба с собственным питанием устройства не потребляют ток от порта. Длина кабеля не должна превышать 5 м, а сам кабель должен соответствовать стандарту (для версий 1.1 и 2.0 одинаково).

Вычислительная техника рассматривает ввод/вывод (E/В) как обмен информацией между системой обработки данных (например, компьютер) и внешними субъектами: людьми или другими вычислительными системами. Ввод — сигналы или данные, поступающие в систему; вывод — сигналы, покидающие её.

Периферийное устройство — электронный компонент, обеспечивающий передачу информации к/от компьютера. Например, мышь и клавиатура — устройства ввода, монитор и принтер — устройства вывода. Аппараты связи между компьютерами обычно работают и на ввод, и на вывод.

В архитектуре ПК процессор и основная память образуют «мозг» компьютера; с этой точки зрения всё, что поступает в систему, считается входом, а что покидает — выходом.

Основная задача — подключение как можно большего количества устройств, несмотря на их специфику и отличия от процессора, к примеру:

• Обычно имеют меньшую скорость по сравнению с процессором.
• Длину слова данных.
• Использование собственных кодов представления данных.

Интерфейс E/В необходим при управлении устройствами процессором. Он должен реализовать логическую функцию — интерпретацию адреса, назначенного устройству процессором. Handshaking реализуется через специальные сигналы (BUSY, READY, WAIT и др.), и процессор взаимодействует с устройством E/В через интерфейс. Для поддержки различных форматов интерфейс может преобразовывать данные из последовательной в параллельную форму и обратно. Устройства E/В обмениваются данными с процессором через прерывания, после чего процессор выполняет соответствующую обработку.

Компьютеры с E/В, отображаемыми в памяти, напрямую обращаются к устройствам через определённые области памяти, используя тот же язык ассемблера, что и для обращения к памяти.

Современные операционные системы и языки программирования предоставляют абстракции E/В, разделяя понятия и вводя новые примитивы. Так, большинство систем реализует для приложений понятие файла. Языки C, C++ и ОС семейства Unix традиционно трактуют файлы и устройства как потоки данных, которые можно читать, писать или модифицировать (stream). Стандартная библиотека C предоставляет функции для работы со струями ввода-вывода.

Сегодня для соединения процессора с различными периферийными устройствами используются различные интерфейсы и контроллеры, зачастую индивидуальные для каждого устройства. Иногда устройства могут быть соединены напрямую с основной памятью, минуя процессор; для этого применяются специализированные устройства — контроллеры DMA (контроллеры прямого доступа к памяти).

К их основным характеристикам относятся:

• Несколько ассоциированных портов (портом называется объект, к которому можно обратиться по определённому адресу; он не обязательно является физическим устройством хранения — чаще всего это регистры).
• Наличие специализированной схемы для согласования форматов сигналов и скоростей между процессором и устройствами E/В.
• Передача данных осуществляется по шине данных.
• Работа требует применения программного обеспечения, исполняемого процессором при каждом обращении к периферийному устройству.
• В высокопроизводительных компьютерах используются более сложные контроллеры — отдельные процессоры, выполняющие только функции E/В, так называемые каналы или IOP (Input/Output Processor).