Модемы и их устройство

КЕМЕРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Городской классический лицей

РЕФЕРАТ

ПО ТЕМЕ:

 

"Модемы и их устройство"

Выполнил: ученик 11 кл. "Г"

Пустовит С.С.

Кемерово 1999

1. Введение

В последнее время модемы становятся неотъемлемой частью компьютера. Установив модем на свой компьютер, вы фактически открываете для себя новый мир. Ваш компьютер превращается из обособленного компьютера в звено глобальной сети. Модем позволит вам, не выходя из дома, получить доступ к базам данных, которые могут быть удалены от вас на многие тысячи километров, разместить сообщение на BBS (электронной доске объявлений), доступной другим пользователям, скопировать с той же BBS интересующие вас файлы, интегрировать домашний компьютер в сеть вашего офиса, при этом (не считая низкой скорости обмена данными) создаётся полное ощущение работы в сети офиса. Кроме того, воспользовавшись глобальными сетями (RelCom, FidoNet) можно принимать и посылать электронные письма не только внутри города, но фактически в любой конец земного шара. Глобальные сети дают возможность не только обмениваться почтой, но и участвовать во всевозможных конференциях, получать новости практически по любой интересующей вас тематике. Существует три основных способа соединения компьютеров для обмена информацией:

- непосредственная связь, через асинхронный порт;

- связь с использованием модема;

- связь через локальные сети.

В реферате рассматривается первые два типа соединений - непосредственное и соединение через модем.

 2. Последовательный асинхронный адаптер

Практически каждый компьютер оборудован хотя бы одним последовательным асинхронным адаптером. Обычно он представляет собой отдельную плату или же расположен прямо на материнской плате компьютера. Его полное название - RS-232-C. Каждый асинхронный адаптер обычно содержит несколько портов, через которые к компьютеру можно подключать внешние устройства. Каждому такому порту соответствует несколько регистров, через которые программа получает к нему доступ, и определенная линия IRQ (линия запроса прерывания) для сигнализации компьютеру об изменении состояния порта. Каждому порту присваивается логическое имя (COM1,COM2 и т.д.).

 Интерфейс RS-232-C разработан ассоциацией электронной промышленности (EIA) как стандарт для соединения компьютеров и различных последовательных периферийных устройств. Компьютер IBM PC поддерживает интерфейс RS-232-C не в полной мере; скорее разъём, обозначенный на корпусе компьютера как порт последовательной передачи данных, содержит некоторые из сигналов, входящих в интерфейс RS-232-C и имеющих соответствующие этому стандарту уровни напряжения.

 В настоящее время порт последовательной передачи данных используется очень широко. Вот далеко не полный список применений:

- подключение мыши;

- подключение графопостроителей, сканеров, принтеров, дигитайзеров;

- связь двух компьютеров через порты последовательной передачи данных с использованием специального кабеля и таких программ, как FastWire II или Norton Commander;

- подключение модемов для передачи данных по телефонным линиям;

- подключение к сети персональных компьютеров.

Последовательная передача данных означает, что данные передаются по единственной линии. При этом биты байта данных передаются по очереди с использованием одного провода. Для синхронизации группе битов данных обычно предшествует специальный стартовый бит, после группы битов следуют бит проверки на чётность и один или два стоповых бита. Иногда бит проверки на четность может отсутствовать.

Использование бита чётности, стартовых и стоповых битов определяют формат передачи данных. Очевидно, что передатчик и приемник должны использовать один и тот же формат данных, иначе обмен не возможен.

 Другая важная характеристика - скорость передачи данных. Она также должна быть одинаковой для передатчика и приемника. Скорость передачи данных обычно измеряется в бодах (по фамилии французского изобретателя телеграфного аппарата Emile Baudot - Э.Бодо). Боды определяют количество передаваемых битов в секунду. При этом учитываются и старт/стопные биты, а также бит чётности.

 



Компьютер может быть оснащен одним или двумя портами последовательной передачи данных. Эти порты расположены либо на материнской плате, либо на отдельной плате, вставляемой в слоты расширения материнской платы. Бывают также платы, содержащие четыре или восемь портов последовательной передачи данных. Их часто используют для подключения нескольких компьютеров или терминалов к одному, центральному компьютеру. Эти платы имеют название "мультипорт".

В основе последовательного порта передачи данных лежит микросхема INTEL 8250 или её современные аналоги – INTEL 16450,16550,16550A. Эта микросхема является универсальным асинхронным приемопередатчиком (UART - Universal Asynchronous Receiver Transmitter). Микросхема содержит несколько внутренних регистров, доступных через команды ввода/вывода.

 Микросхема 8250 содержит регистры передатчика и приёмника данных. При передаче байта он записывается в буферный регистр передатчика, откуда затем переписывается в сдвиговый регистр передатчика. Байт "выдвигается" из сдвигового регистра по битам.

Программа имеет доступ только к буферным регистрам, копирование информации в сдвиговые регистры и процесс сдвига выполняется микросхемой UART автоматически. К внешним устройствам асинхронный последовательный порт подключается через специальный разъём. Существует два стандарта на разъёмы интерфейса RS-232-C — это DB-25 и DB-9. Первый имеет 25, а второй 9 выводов.

Разводка разъёма DB25

 

Номер п/п	Контакт	Назначение контакта (со стороны компьютера)	Вход или выход
1	Защитное заземление	Frame Ground, FG	—
2	Передаваемые данные	Transmitted Data, TD	Выход
3	Принимаемые данные	Received Data, RD	Вход
4	Запрос для передачи	Request to send, RTS	Выход
5	Сброс для передачи	Clear to Send,CTS	Вход
6	Готовность данных	Data Set Ready,DSR	Вход
7	Сигнальное заземление	Signal Ground,SG	—
8	Детектор принимаемого сигнала	Data Carrier Detect,DCD	Вход
9-19	Не используются	Data Terminal Ready, DTR	Выход
20	Готовность выхода данных
21	Не используется
22	Индикатор вызова	Ring Indicator,RI	Вход
23-25	Не используются

Интерфейс RS-232-C определяет обмен между устройствами двух типов: DTE (Data Terminal Equipment - терминальное устройство) и DCE (Data Communication Equipment - устройство связи). В большинстве случаев, но не всегда, компьютер является терминальным устройством. Модемы, принтеры, графопостроители всегда являются устройствами связи.

Сигналы интерфейса RS-232-C

Входы TD и RD используются устройствами DTE и DCE по-разному. Устройство DTE использует вход TD для передачи данных, а вход RD для приема данных. И наоборот, устройство DCE использует вход TD для приема, а вход RD для передачи данных. Поэтому для соединения терминального устройства и устройства связи выводы их разъемов необходимо соединить напрямую.

Подтверждение связи

Рассмотрим процесс подтверждения связи между компьютером и модемом. В начале сеанса связи компьютер должен удостоверится, что модем может произвести вызов (находится в рабочем состоянии). Затем, после вызова абонента, модем должен сообщить компьютеру, что он произвел соединение с удаленной системой. Подробнее это происходит следующим образом.

Компьютер подает сигнал по линии DTR, чтобы показать модему, что он готов к проведению сеанса связи. В ответ модем подает сигнал по линии DSR. Когда модем произвел соединение с другим, удаленным модемом, он подает сигнал по линии DCD, чтобы сообщить об этом компьютеру.

Если напряжение на линии DTR падает, это сообщает модему, что компьютер не может далее продолжать сеанс связи, например из-за того, что выключено питание компьютера. В этом случае модем прервет связь. Если напряжение на линии DCD падает, это сообщает компьютеру, что модем потерял связь и не может больше продолжать соединение. В этом случае эти сигналы дают ответ на наличие связи между модемом и компьютером.

Существует более высокий уровень, который используется для управления скоростью обмена данными, но он также реализуется аппаратно. Практически управление скоростью обмена данными (управление потоком) необходимо, если производится передача больших объёмов данных с высокой скоростью. Когда одна система пытается передать данные с большей скоростью, чем они могут быть обработаны принимающей системой, результатом может стать потеря части передаваемых данных. Чтобы предотвратить передачу большего числа данных, чем то, которое может быть обработано, используют управление связью, называемое "управление потоком".

Стандарт RS-232-C определяет возможность управления потоком только для полудуплексного соединения, при котором в каждый момент времени данные могут передаваться только в одну сторону.

Фактически этот механизм используется и для дуплексных соединений, когда данные передаются по линии связи одновременно в двух направлениях.

Управление потоком

В полудуплексных соединениях устройство DTE подает сигнал RTS, когда оно желает передать данные. DCE отвечает сигналом по линии CTS, когда оно готово, и DTE начинает передачу данных. До тех пор, пока оба сигнала RTS и CTS не примут активное состояние, только DCE может передавать данные.

При дуплексных соединениях сигналы RTS/CTS имеют значения противоположные тем, которые они имели для полудуплексных соединений.

Когда DTE может принять данные, он подает сигнал по линии RTS. Если при этом DCE готово для принятия данных, оно возвращает сигнал CTS. Если напряжение на линиях RTS и CTS падает, то это сообщает передающей системе, что получающая система не готова для приема данных.

Однако на практике не все так просто. Соединить компьютер и модем не составляет труда, т.к. интерфейс RS-232-C как раз для этого и предназначен. Но если вы захотите связать вместе два компьютера при помощи такого же кабеля, который вы использовали для связи модема и компьютера, то у вас возникнут проблемы. Для соединения двух терминальных устройств - двух компьютеров - как минимум необходимо перекрестное соединение линий TR и RD. Однако часто этого недостаточно, т.к. для устройств DTE и DCE функции, выполняемые линиями DSR, DTR, DCD, CTS, RTS асимметричны.

Устройство DTE подает сигнал DTR и ожидает получения сигналов DSR и DCD. В свою очередь, устройство DCE подает сигналы DSR, DCD и ожидает получения сигнала DTR. Таким образом, если соединить вместе два устройства DTE кабелем, который вы использовали для соединения устройств DTE и DCE, то они не смогут договориться друг с другом.

Теперь перейдем к сигналам RTS и CTS управления потоком данных. Иногда для соединения двух устройств DTE эти линии соединяют вместе на каждом конце кабеля. В результате получаем то, что другое устройство всегда готово для получения данных. Поэтому, если при большой скорости передачи принимающее устройство не успевает принимать и обрабатывать данные, возможна потеря данных.

Чтобы решить все эти проблемы для соединения двух устройств типа DTE используется специальный кабель, в обиходе называемый нуль-модемом.

Технические параметры интерфейса RS-232-C

При передаче данных на большие расстояния без использования специальной аппаратуры из-за помех, наводимых электромагнитными полями, возможно возникновение ошибок. Вследствие этого накладываются ограничения на длину соединительного кабеля между устройствами DTR-DTR и DTR-DCE.

Официальное ограничение по длине для соединительного кабеля по стандарту RS-232-C составляет 15,24 метра. Однако на практике это расстояние может быть значительно больше. Оно непосредственно зависит от скорости передачи данных.

110бод - 1524м / 914,4м 300бод - 1524м / 914,4м

1200бод - 914,4м / 914,4м 2400бод - 304,8м / 152,4м 4800бод - 304,8м / 76,2м 9600бод - 76,2м / 76,2м

Первое значение - скорость передачи в бодах, второе - максимальная длина для экранированного кабеля, третье - максимальная длина для неэкранированного кабеля.

Уровни напряжения на линиях разъёма составляют для логического нуля -15..-3 вольта, для логической единицы +3..+15 вольт. Промежуток от -3 до +3 вольт соответствует неопределенному значению.



Порты асинхронного адаптера

На этапе инициализации системы, модуль POST BIOS тестирует имеющиеся асинхронные порты RS-232-C и инициализирует их. В зависимости от версии BIOS инициализируются первые два или четыре порта. Их базовые адреса располагаются в области данных BIOS начиная с адреса 0000:0400h.

Первый адаптер COM1 имеет базовый адрес 3F8h и занимает диапазон адресов от 3F8h до 3FFh. Второй адаптер COM2 имеет базовый адрес 2F8h и занимает адреса 2F8h..2FFh.

Асинхронные адаптеры могут вырабатывать прерывания: COM1,COM3 - IRQ4 COM2,COM4 - IRQ3

Имеется 7 основных регистров для управления портами:

 

а) Регистр данных.

Регистр данных расположен непосредственно по базовому адресу порта RS-232-C и используется для обмена данными и для задания скорости обмена. Для передачи данных в этот регистр необходимо записать передаваемый байт данных. После приема данных от внешнего устройства принятый байт можно прочитать из этого же регистра.

В зависимости от состояния старшего бита управляющего регистра (расположенного по адресу base_adr+3, где base_adr соответствует базовому адресу порта RS-232-C) назначение этого регистра может изменяться. Если старший бит равен нулю, регистр используется для записи передаваемых данных. Если же старший бит равен единице, регистр используется для ввода значения младшего байта делителя частоты тактового генератора. Изменяя содержимое делителя, можно изменять скорость передачи данных. Старший байт делителя записывается в регистр управления прерываниями по адресу base_adr+1.

Максимальная скорость обмена информацией, которую можно достичь при использовании асинхронного адаптера, достигает 115200 бод, что примерно соответствует 14 Кбайт в секунду.

б) Регистр управления прерываниями.

Этот регистр используется либо для управления прерываниями от асинхронного адаптера, либо (после вывода в управляющий регистр байта с установленным в 1 старшим битом) для вывода значения старшего байта делителя частоты тактового генератора.

в) Регистр идентификации прерывания.

 

итывая его содержимое, программа может определить причину прерывания.

г) Управляющий регистр.

Управляющий регистр доступен по записи и чтению. Он управляет различными характеристиками UART: скоростью передачи данных, контролем четности, передачей сигнала BREAK, длиной передаваемых слов (символов).

д) Регистр управления модемом.

Регистр управления модемом управляет состоянием выходных линий DTR, RTS и линий, специфических для модемов - OUT1 и OUT2, а также запуском диагностики при соединенных вместе входе и выходе асинхронного адаптера.

е) Регистр состояния линии.

Регистр состояния линии определяет причину ошибок, которые могут возникнуть при передаче данных между компьютером и микросхемой UART.

ж) Регистр состояния модема.

Регистр состояния модема определяет состояние управляющих сигналов, передаваемых модемом асинхронному порту компьютера.

Инициализация асинхронного адаптера

Первое, что должна сделать программа, работающая с асинхронным адаптером, – установить формат и скорость передачи данных. После загрузки операционной системы для асинхронных адаптеров устанавливается скорость 2400 бод, не выполняется проверка на четность, используются один стоповый и восьмибитовая длина передаваемого символа. Можно изменить этот режим командой MS-DOS MODE.

Выполнив ввод из управляющего регистра, программа может получить текущий режим адаптера. Для установки нового режима измените нужные вам поля и запишите новый байт режима обратно в управляющий регистр.

Если вам надо задать новое значение скорости обмена данными, перед записью байта режима установите старший бит этого байта в 1, при этом регистр данных и управляющий регистр используются для задания скорости обмена. Затем последовательно двумя командами ввода загрузите делитель частоты тактового генератора. Младший байт запишите в регистр данных, а старший - в регистр управления прерываниями.

Перед началом работы необходимо также проинициализировать регистр управления прерываниями, даже если в вашей программе не используются прерывания от асинхронного адаптера. Для этого сначала надо перевести регистр данных и регистр управления прерываниями в обычный режим, записав ноль в старший бит управляющего регистра. Затем можно устанавливать регистр управления прерываниями. Если прерывания вам не нужны, запишите в этот порт нулевое значение.

Современные микросхемы UART

Фактически микросхема UART 8250 в её исходном виде использовалась только в старых моделях компьютеров IBM PC. Современные микросхемы - UART 16450, 16550, 16550A изготовленные по новой технологии, позволяют достичь более высокой скорости обмена данными, а также обладают новыми аппаратными возможностями.

Основные возможности различных микросхем UART:

- 8250 (8250-B): использовался на первых моделях IBM PC;

- 16450 (8250-A): эта микросхема имеет большую производительность по сравнению с 8250. Фактически это 8250, но изготовленный с использованием новой технологии. Микросхема дополнена регистром расширения (scratch register). Устранены ошибки в регистре разрешения прерываний и добавлена возможность перевода линии OUT2 в высокоимпедансное состояние во время проведения тестов, когда выход данных замкнут на вход.

- 16550: фактически соответствует 16450. Добавлена возможность внутренней буферизации передаваемых и принимаемых данных. Буфера выполнены по схеме FIFO (First In First OUT - первый вошёл, первым вышел) или, другими словами в виде очереди. При использовании буферизации возможно заметно уменьшить число прерываний, вырабатываемых асинхронным портом. Однако из-за ошибки в микросхеме эту возможность лучше не использовать - можно потерять отдельные символы. В общем случае микросхема 16550 более быстрая, чем 16450. Дополнительно 16550 дает возможность использовать несколько каналов прямого доступа (DMA channels).

- 16550A (16550AN) Соответствует 16550, исправлены ошибки реализации FIFO. Эта микросхема дает возможность использования программисту нескольких каналов прямого доступа. 16550А, как правило, используется в компьютерах с процессорами 80386/486 и в компьютерах с RISC-архитектурой. Если вы хотите работать на скоростях больших, чем 9600 бод, желательно использовать именно эту микросхему.

3.Типы модемов

В настоящее время выпускается огромное количество всевозможных модемов, начиная от простейших, обеспечивающих скорость передачи около 300 бит/сек, до сложных факс-модемных плат, позволяющих вам послать с вашего компьютера факс или звуковое письмо в любую точку мира.

В реферате будет рассказано только о так называемых hayes-совместимых модемов. Эти модемы поддерживают разработанный фирмой Hayes набор АТ-команд управления модемами. В настоящее время такие модемы широко используются во всем мире для связи персональных компьютеров IBM PC/XT/AT, PS/2 через телефонные линии.

Аппаратно модемы выполнены либо как отдельная плата, вставляемая в слот на материнской плате компьютера, либо в виде отдельного корпуса с блоком питания, который подключается к последовательному асинхронному порту компьютера. Первый из низ называется внутренним модемом, а второй - внешним.

Типичный модем содержит следующие компоненты: специализированный микропроцессор, управляющий работой модема, оперативную память, хранящую значения регистров модема и буферизующие входную/выходную информацию, постоянную память, динамик, позволяющий выполнять звуковой контроль связи, а также другие вспомогательные элементы (трансформатор, резисторы, конденсаторы, разъёмы). Если у вас достаточно современный модем, то он, скорее всего, дополнительно содержит электрически перепрограммируемую постоянную память, в которой может быть сохранена конфигурация модема даже при выключении питания.

Чтобы модемы могли обмениваться друг с другом информацией, надо, чтобы они использовали одинаковые способы передачи данных по телефонным линиям. Для разработки стандартов передачи данных был создан специальный международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (CCITT) и приняты следующие рекомендации:

CCITT V.21 - 300 bps. Модем, регламентированный данной рекомендацией, предназначен для передачи данных по выделенным и коммутируемым линиям. Он работает в асинхронном дуплексном режиме. Для передачи и приема данных используется способ частотной модуляции.

CCITT V.22 - 1200 bps. Модем, работающий в соответствии с данной рекомендацией, использует асинхронно-синхронный дуплексный режим передачи. Асинхронно-синхронный режим означает, что компьютер передает модему данные в асинхронном режиме. Модем удаляет из потока данных компьютера стартовые и стоповые биты. И уже в синхронном виде передает их удаленному компьютеру. Для модуляции передаваемого сигнала применяется метод дифференциальной фазовой модуляции.

CCITT V.22bis - 2400 bps. Дуплексный модем, со скоростью передачи данных 2400 bps. При передаче со скоростью 2400 bps используется метод квадратурной модуляции, а при скорости 1200 - метод дифференциальной фазовой модуляции. На скорости 1200 bps модем CCITT V.22bis совместим с CCITT V.22.

CCITT V.23 - 600/1200 bps. Асинхронный модем, использующий метод частотной модуляции. Модем может работать в дуплексном режиме со скоростью передачи данных по прямому каналу - 600/1200 bps, а по обратной - только 75 bps. Этот стандарт не совместим с CCITT V.21, V.22, V.22bis.

Bell 103 - 300 bps, Bell 212A - 1200 bps. Bell - это американский стандарт, не совместимый со стандартами CCITT.