منافذ الإدخال / الإخراج

منافذ الإدخال / الإخراج

I/O Ports

مقدمة

تعرضنا في الفصل السابق للروابط Interfaces التي تستخدمها أجهزة الكمبيوتر لتتصل بأجهزة تخزين الكتل البيانية ، مثل مشغلات الأقراص الصلبة ومشغلات ال CD-ROM فقد صمت روابط ال SCSI وروابط ال IDE لتناول كمبيات كبيرة من الكتل البيانية ولكن أجهزة الكمبيوتر تتصل أيضاً بأجهزة أخري منخفضة السرعة ، مثل أجهزة ال Modems وال Printeras لذلك يحتاج جهاز الكمبيوتر للربط بهذه الأجهزة إلي روابط أخري مستقلة مختلفة عن روابط ال SCSI أو روابط ال IDE.

لقد أطلق علي الروابط التي تختص بربط الوحدات الطرفية بأجهزة الكمبيوتر "المنافذ" Ports ، فقد كان بأجهزة الكمبيوتر الأولي منافذ توازي Parallel ports وهي لتوصيل وحدات طرفيه مثل الطابعات بأجهزة الكمبيوتر ومنافذ أخري تسمي منافذ التوالي Serial Ports وهي لتوصيل وحدات طرفيه مثل ال Modem بأجهزة الكمبيوتر ، ومع ذلك يوجد اليوم تطبيقات أخري لهذه المنافذ ، مثل مشغلات ال CD-ROM أو مشغلات ال Tape التي توصل بمنفذ التوازي ، ومثل البرامج Software التي تستخدم لربط جهازين كمبيوتر بواسطة كابل توالي Serial Cable.

بالإضافة إلي ذلك ، فإنه يوجد الآن رابطين I/O جديدين الأول يسمي Universal Serial Bus وهو معروف بالاختصار USB والثاني يسمي IEEE 1934 (Fire Ware) حيث يقدم هذين الرابطين سرعة أعلي ومرونة أكثر في التعامل مع الأجهزة ، في هذا الفصل سوف نتناول هذه الروابط الأربعة وتطبيقات استخدامهم.

منافذ التوالي Serial Ports :

أن منفذ التوالي ، هو رابط توالي يقوم بتوصيل جهاز ال I/O بجهاز الكمبيوتر ، وهذا الرابط ثنائي الاتجاه Bidirectional وهو أيضاً لا تزامني Asynchronous ، من أمثلة الأجهزة التي يقوم بتوصيلها هذا المنفذ بجهاز الكمبيوتر ، الموديم ، الطابعة، أجهزة التأشير Pointing Devices ( مثل الماوس) وأجهزة الكمبيوتر الأخري (في حالة الشبكات) ومعني أن المنفذ ثنائي الاتجاه ، أنه يسمح بنقل البيانات من /إلي الجهاز الطرفي Peripheral Devices ، ومعني لا تزامني أنه لا توجد إشارة توقيت Timing Signal للاتصال بين الكمبيوتر وجهاز ال I/O يمكن للكمبيوتر وجهاز ال I/O أن يتبادلا البيانات في أي وقت يشاءان.

معني الاصطلاح Serial Port أن الكمبيوتر والجهاز الموصل به ، تجري الاتصالات بينهما بحيث يتم نقل 1bit في اللحظة الواحدة ( أي تنقل البيانات bit by bit) وهذا عكس ما يتم في منافذ التوازي Parallel Ports أو ناقلة النظام System Bus ، حيث يتم نقل البيانات 32bit , 16 bit , 8 bit في اللحظة الواحدة يحدث في اتصالات التوالي وقفات بحيث وقفه كل 8 bit أي كل واحد بايت.

اتصالات التوالي Serial Communications :

لكي يتم الاتصال بين الكمبيوتر والوحدة الطرفية من خلال توصيل توالي لا تزامني ، يجب علي كل منهما أن يكون عنده القدرة علي تحديد اللحظة التي سيرسل فيها أحدهما للآخر واحد بايت ، لأنه من الممكن للأجهزة أن تسئ فهم الضوضاء التي علي التوصيل فتعتبرها بيانات ، لذلك علي الجهاز مرسل البيانات بتوليد إشارة منطقة تسمي Start Bit هذا ال Bit يكون بقيمة 1 كما يتضح في شكل (6-4) عندئذ يقوم الجهاز بإرسال البايت الفعلي ثم يتبعه ب Bit يسمي bit الإيقاف Stop Bit يتعامل جهاز الاستقبال مع الإشارات التي بين Bit البدء و Bit الإيقاف علي أنها بيانات ، ويقوم بإهمال أي إشارات تقع بين Bit الإيقاف وbit البدء التالي.

تمكن هذه الآلية كل من الكمبيوتر والجهاز المتصل به من نقل البيانات في أي وقت ولكنها تقلل من الكفاءة الكلية للرابط ، لأن كل 10 bit يتم نقلها ، منهم فقط 8 bits بيانات فعلية و 2 Bits خارج البيانات الفعلية مما يمثل 20% من البيانات الكلية المنقولة.

مكونات منفذ التوالي Serial Port Components :

معظم أجهزة الكمبيوتر الشخصية يكون بها منفذان توالي يطلق عليهما أما COM Ports أو Serial Ports ، وهي متكاملة أي مبنية علي اللوحة الأم داخل رقاقة حاكم ال I/O الفائق Super I/O Controller Chip تحتوي هذه الرقاقة أيضاً علي حاكم الأقراص المرنة وكذلك روابط منافذ التوازي ، وقد حلت هذه الرقاقة محل عناصر منفصلة كانت هلي الموجودة في التصميمات القديمة للوحة الأم ، وكان أهم هذه العناصر المنفصلة رقاقة يطلق عليها المستقبل/ المرسل اللاتزامني العام Universal Asynchronous Receiver / Transmitter وهو معروف بالاختصار UART ، هذا العنصر مسئول عن تحويل نقل البيانات بالتوازي من ناقلة النظام إلي نقلها توالي خلا منفذ التوالي.

وقد كانت رقاقة ال UART المستخدمة في الماضي هي الرقاقة 16550 وقد تم صنعها بواسطة National Semiconductor وهي رقاقة كانت أكثر كفاءة عن الرقاقات المقابلة الأخري ، فهي تحتوي علي وحدات وسيطة بسعة تخزينية قدرها 16-byte Buffers تعمل هذه ال Buffers بمبدأ أول من يدخل إليها هو أول من يخرج منها ، ومعروف هذا المبدأ بالاصطلاح FIFO وهي اختصار First Input First Output ، أما النظم الأقدم كانت تستخدم الرقاقة NS 16450 أو الرقاقة 8250.

اليوم ليس في أجهزة الكمبيوتر الحالية رقاقة UART مستقلة ، إنما وظيفة ال UART أصبحت متكاملة داخل رقاقة ال Super I/O وجميع رقاقات ال Super I/O تتمتع بال FIFO Buffering الذي كان موجوداً في رقاقات ال UART القديمة ( NS 16550 مثلاً) ومع ذلك متاح الآن رقاقات UART مستقلة متقدمة جداً تتميز بالأداء الأفضل عما سبق وذلك لامتلاكها لوحدات وسيطة ذات سعة تخزينية أكبر عن ما كانت عليه رقاقات ال NS 16550 ، فمثلاً رقاقات ال Ns 16750 بها Buffers سعتها 64 bytes ورقاقة ال Ns 16950 بها Buffers سعتها 128 bytes ، بينما كانت الرقاقة القديمة NS 16550 بها Buffers سعتها 32 bytes فقط.

وصلات منفذ التوالي Serial Port Connectors :

لكي تتمكن الأجهزة الخارجية من الاتصال بالكمبيوتر عبر منافذ التوالي ، فإن اللوحة الأم لجهاز الكمبيوتر بها وصلتان Connectors يتصلان بالمنافذ الفيزيائية المركبة بخلفية الكمبيوتر (وصلات التوالي) أجهزة الكمبيوتر الشخصية الحالية تستخدم وصلات من النوع D-shell Connector يطلق علي هذه الوصلات الخاصة بمنفذي التوالي DB-9 ، وقد كان في بعض أجهزة الكمبيوتر أحد الوصلتين هي DB-9 والأخري هي DB-25 وتستخدم ال DB-25 نفس النوع D-shell Connector فيما عدا أنه أكبر حيث به طرف 25 طرف . شكل (6-2) يبين هاتين الوصلتين.

معظم عناصر توصيف منفذ التوالي لجهاز الكمبيوتر الشخصي قد تم تعريفها عن طريق معيار معروف بالاسم RS-232 ، وهو اختصار Recommended Standard 232 ولكن قد تغير الاسم بعد ذلك إلي EIA 232 وذلك عندما قدمت مؤسسة Electronic Industries Associations المعروفة باختصار EIA مقترحاته بخصوص تعريف عناصر توصيف منفذ التوالي ، في عام 1991 قامت هذه المؤسسة بنشر الإصدار الأخير لمعيار توصيف منفذ التوالي ، وبذلك تعدل الاسم إلي EIA 232-E فيما يلي المواصفات التي وضعها هذا المعيار لمنفذ التوالي:

1- الوصلات التي تستخدمها منافذ التوالي من النوع DB-9 والنوع DB-25.

2- تعريف أطراف الوصلات.

3- الإشارات التي تحملها الأطراف.

4- جهود الإشارات.

5- توقيتات الإشارات.

6- بروتوكول تبادل المعلومات بين الكمبيوتر والأجهزة المتصلة به.

بلغة المعيار EIA 232 يطلق علي الكمبيوتر المصطلح DTE وهي اختصار Data Terminal Equipment لل IDE وصله ذرك Male Connector في العادة تكون من النوع DB-9 بينما ال DCE له وصلة نتايه Female Connector (في العادة DB-25 إذا كان الجهاز موديم) ومع ذلك فإن كل ناحية توصيل يمكن أن تستخدم إما BD-9 أو DB-25 الكابل الواصل بين ال IDE وال DCE أسلاكه ممتدة باستقامة بمعني أن الطرف الذي في ناحية يوصل بالطرف الآخر المناظر بالناحية الأخري عن طريق أحد أسلاك الكابل ، حدد المعيار بأن يكون الطول الأقصي لكابل التوالي هو 50 قدماً ، ومع ذلك ممكن أن يمتد حتي 500 قدم في حالات خاصة ، يبين الجدول الآتي تعريف أطراف الوصلة DB-9 بال IDE.

معظم أجهزة الكمبيوتر الحالية تشتمل علي منفذين توالي ذي وصلات من النوع Male DB-9 وهاتين الوصلتين مثبتتين بخلفية جهاز الكمبيوتر (Back oe The Case) ويطلق علي منفذي هاتين الوصلتين الأسماء COM1 و COM2 ومع ذلك من داخل الجهاز يمكنك استخدام منافذ توالي أخري مثل COM3 و COM4 ومثل أي أجهزة طرفيه لجهاز الكمبيوتر فإن منافذ التوالي تستخدم أيضاً موارد النظام System Resources مثل طلبات المقاطعة IRQs وعناوين منافذ الإدخال / الإخراج I/O Port Addresses .

عندما يصل الكمبيوتر إشارة من خلال منفذ من منافذ التوالي فإن المنفذ يستخدم إشارة طلب مقاطعه IRQ ليلفت انتباه المعالج ، والموارد المخصصة لمنافذ التوالي وهي الموضحة بالجدول التالي قد تم توحيدها معيارياً لجميع أجهزة الكمبيوتر تقريباً.

وكما تري من الجدول فإن Com1 و Com3 يستخدم كلاهما IRQ4 بينما COM2 و COM4 كلاهما يستخدم IRQ3 وهذا معناه أنك إذا استخدمت هذا الوضع الافتراضي ووصلت أجهزة بمنافذ تستخدم نفس ال IRQ فإن ذلك يتسبب في حدوث تعارض Conflict وذلك ما يجب تجنب حدوثه.

منافذ التوازي Parallel Ports :

تختلف منافذ التوازي عن منافذ التوالي في أن منافذ التوازي تستخدم ثمانية أطراف لنقل البيانات بدلاً من طرف واحد ، معني ذلك أن منفذ التوازي ينقل 8bits في اللحظة الواحدة بينما منفذ التوالي ينقل bit واحد في اللحظة الواحدة أي أن النقل يتم بأسلوب Bit By Bit ويعني هذا أن الوقت الذي يحتاجه منفذ التوازي لنقل واحد بايت كامل ينقل فيه منفذ التوالي واحد Bit فقط ، وبالتالي فيعتبر رابط منفذ التوازي Serial Port Interface ، والعيب الأساسي في رابط منفذ التوازي هو كونه يحتوي علي ثمانية أسلاك (خطوط) لنقل البيانات وباعتبار أن هذه البيانات تكون في صورة إشارات كهربيه فإنه قد تسبب تداخل (تأثير) مع إشارات الأسلاك المجاورة ، ولذلك يجب أن لا يزيد طول الثمانية خطوط الخاصة بنقل البيانات عن ستة أقدام (حوالي 2 متر) ومع ذلك فقد طرأت تطورات كثيرة علي رابط منفذ التوازي بحيث أصبح يمكن أن يكون طول كابلات نقل البيانات أكول وكذلك أصبح رابط منفذ التوازي يسمح بنقل البيانات في اتجاهين من الكمبيوتر إلي الجهاز الطرفي أو العكس بعد أن كان لا يسمح إلا بنقل البيانات في اتجاه واحد من الكمبيوتر إلي الجهاز الطرفي فقط.

في الماضي كان رابط منفذ التوازي لا يستخدم إلا مع الطابعات Printers ولكن الآن أصبح هناك أجهزة تخزين البيانات الخارجية وأجهزة الماسحات الضوئية Scanners وكذلك اتصال جهاز الكمبيوتر مع آخر ، يدعم BIOS النظام الكمبيوتر بثلاث منافذ توازي يطلق عليها الاسم LPT Ports ، وهذا المنافذ لها وصلات من النوع Femal DB-25 ويتم تثبيت هذه الوصلات خلف الكمبيوتر ، ويتم توصيل هذه الوصلة برقاقة منافذ ال I/O (Super I/O Chip) الموجودة علي اللوحة الأم Motherboard ، حيث تدعم هذه الرقاقة روابط منافذ التوالي وروابط مشغلات الأقراص المرنة Floppy Drive Interfaces والجدول الآتي يبين تعريف أطراف وصلة منفذ التوازي.

يمكنك أن تضيف منفذ LTP ثاني أو ثالث للكمبيوتر وذلك بتركيب كارتة امتداد Expansion Card بمجري الناقل Bus Slot ، ومع ذلك فليس هناك حاجة لإضافة منافذ LTP لن معظم المشغلات التي تستخدم رابط منفذ توازي ، فإن هذا الرابط يمد الكمبيوتر بمنفذ توازي يمكنك استخدامه لتوصيل طابعه مثلاً أو أي جهاز آخر ، شكل (6-3) يبين ثلاث أنواع من الوصلات المستخدمة في توصيلات منافذ التوازي.

وتعتمد الأنواع الثلاثة علي المعيار IEEE 1284 النوع الأول هو 1284 Type A وهو يشتمل علي 25 طرف (DB-25) هو الأكثر شيوعاً ، تستخدم منافذ التوازي موارد النظام التي تم توحيدها مع أغلب أجهزة الكمبيوتر ، والوضع الافتراضي هو أن المنفذ LPT1 يستخدم أشارة طلب المقاطعة IRQ7 وعناوين منافذ ال I/O محصورة من 3BCH إلي 3BFH ، ومعظم الأجهة الطرفية تتفادي هذا الوضع الافتراضي تجنباً لحدوث تعارض ، وإذا كان المنفذ LPT2 موجوداً بالكمبيوتر فإنه يستخدم IRQ5 وعناوين منافذ I/O من 378h إلي 37Ah بينما LPT3 يستخدم IRQ5 وعناوين منافذ I/O من 278h إلي 27Ah .

ناقل التوالي العام Universal Serial Bus :

يعتبر ناقل التوالي العام USB هو رابط جديد نسبياً تم تدعيم أجهزة الكمبيوتر الحالية به ليقوم بنقل البيانات من / إلي الأجهزة الطرفية ذات السرعات بدءاً من المنخفضة حتي المتوسطة ، ويمكن استخدامه لتوصيل أجهزة متنوعة مختلفة بدءاً من لوحة المفاتيح والفأرة إلي الكاميرا والتليفون ، يمكن لهذا الناقل نقل البيانات بمعدل قد يصل إلي 1.5 ميجا بايت / ثانية وكذلك يمكنه التعامل مع 127 نوع من الأجهزة الطرفية تقريباً ، والاستخدام الأساسي لهذا الناقل هو لتقديم مقدرة Plug And Play للأجهزة الخارجية ، فيمكنك أيضاً توصيل أجهزة ال USB علي الساخن Hot Plug دون إعادة بدء تشغيل الكمبيوتر Restart فيتعرف نظام التشغيل أوتوماتيكياً علي هذه الأجهزة ثم يقوم بتثبيت برامج التشغيل الخاصة به Drivers ولأن ال USB هو منفذ توالي فإنه ينقل البيانات عن طريق خط واحد Byte By Byte ومع ذلك فهذا الناقل أسرع من منفذ التوالي المعياري (العادي) في نقل البيانات ، وبرغم أن رابط منفذ التوازي سريع بسبب أنه ينقل 8 Bit في اللحظة الواحدة إلا أن هناك صعوبة في تسريعه ، كذلك تميز منفذ التوالي بعدم تأثر خط البيانات من تداخل الخطوط المجاورة وهي المشكلة التي يعاني منها رابط منفذ التوازي ، ويتميز أيضاً رابط منفذ التوالي بإمكانية تسريعه دون التأثير علي إشارة البيانات المنقولة ، شكل (6-4) يبين نوعين من وصلات ال USB النوع الأول هو ِA-Male Connector والنوع الثاني هو B-Male Connector .