Técnicas de Acceso a Puertos y Conectores: Optimizando la Comunicación de Datos

Técnicas de Acceso a Puertos: Polling vs. Interrupciones

¿En qué consiste la técnica de acceso a los puertos tipo polling (o sondeo)?

En la técnica de polling, el microprocesador consulta de manera continua a los puertos para verificar si tienen alguna operación pendiente que deba ser atendida.

Ventajas e Inconvenientes del Polling

Ventajas:

• Sencillez de programación.

Inconvenientes:

• El bucle de sondeo puede ejecutarse cientos de miles de veces antes de leer o escribir en el puerto, lo que consume recursos del procesador innecesariamente.

Diferencias entre Polling e Interrupciones Hardware

Polling: El microprocesador pregunta constantemente a los puertos si tienen operaciones pendientes.

Interrupciones Hardware: Los puertos solicitan atención al microprocesador cuando tienen una operación lista.

Función del PIC en las Interrupciones Hardware

El PIC (Programmable Interrupt Controller) gestiona las interrupciones de los puertos:

• Concentra las peticiones de interrupción.
• Habilita/deshabilita interrupciones.
• Establece prioridades entre las diferentes interrupciones.

Proceso de las Interrupciones Hardware

Los microprocesadores poseen líneas de entrada e instrucciones específicas para manejar las interrupciones del hardware. Los dispositivos de E/S notifican al microprocesador cuando necesitan ser atendidos. Este método optimiza el tiempo del microprocesador y permite una reacción en tiempo real. Las interrupciones se emplean más comúnmente en los puertos de entrada.

Balanceo de Señales: Eliminando el Ruido

¿Para qué se emplea el balanceo de las señales?

El balanceo es una técnica que permite eliminar el ruido en una señal. Es especialmente útil cuando se utilizan cables de gran longitud o cuando se transmiten señales de audio de bajo nivel a largas distancias. En estos casos, se hace necesario el uso de una entrada balanceada.

Eliminación del Ruido en Señales Balanceadas

Para eliminar las interferencias, se añade un tercer conductor que porta la misma señal, pero con la polaridad invertida. El ruido afecta a ambos conductores de señal, sumándose a la señal de audio. El dispositivo receptor realiza un proceso llamado "desbalanceado", que consiste en sumar las dos señales recibidas después de invertir una de ellas. Este proceso refuerza la señal original y cancela las interferencias.

Conectores de Audio: Jack

Tipos de Conectores Jack y sus Usos

Los conectores Jack se utilizan en dispositivos para la transmisión de sonido en formato analógico. Son comunes en audio profesional, instrumentos musicales eléctricos y dispositivos portátiles. Existen diferentes tamaños de clavija, como 2.5 mm, 3.5 mm y 6.35 mm.

Señales en un Conector Jack

• Punta: Canal izquierdo (estéreo), positivo (mono balanceado), línea de señal (mono no balanceado).
• Anillo: Canal derecho (estéreo), negativo (mono balanceado), potencia (en fuentes que requieren potencia en mono).
• Aro (o cuerpo): Tierra.
• Anillos aislantes: Separan las diferentes secciones conductoras.

Señal Balanceada en Conectores Jack

Un conector Jack estéreo de 3 pines (punta, anillo y cuerpo) puede transportar una señal balanceada. Para convertir una señal balanceada a no balanceada, se deben puentear el anillo y el cuerpo del conector Jack estéreo.

Conectores Serie: DB9 y Estándar RS-232

Conector DB9 y Norma RS-232

Los conectores DB9 son comúnmente utilizados para la comunicación serie, regidos por el estándar RS-232. Existen dos configuraciones principales:

1. DTE-DCE: Comunicación entre un equipo terminal de datos (DTE) y un equipo de comunicación de datos (DCE).
2. DTE-DTE: Comunicación directa entre dos equipos terminales de datos. En esta configuración, se cruzan los pines de entrada y salida en uno de los equipos.

Estas configuraciones se utilizan para el control de flujo en la comunicación serie.

Características del Estándar RS-232

• Tensión: -12V a +12V.
• Enlace punto a punto.
• Utiliza un único cable referenciado a una masa común.
• Transmisión síncrona y asíncrona.
• Distancias cortas (hasta 15 metros).
• Velocidad de transmisión baja (hasta 20 Kbps).
• Vulnerable a interferencias y ruido.
• Comunicación simplex, half-duplex y full-duplex.
• Señal no balanceada.

Estándares RS-422 y RS-485: Mejoras sobre RS-232

RS-422: Solución para Entornos Ruidosos

El estándar RS-422 se desarrolló para entornos industriales con alto nivel de ruido, donde la señal no balanceada del RS-232 presentaba problemas. Utiliza señal balanceada y una diferencia de tensión menor (4V), lo que permite una mayor velocidad de transmisión.

Características de RS-422:

• Transmisión diferencial full-duplex.
• Utiliza dos hilos referenciados a una masa común.
• Velocidad de transmisión de hasta 10 Mbps.
• Longitud máxima de 1200 metros.
• Configuración de red con un máximo de 32 estaciones de trabajo.
• Mayor inmunidad al ruido eléctrico.

RS-485: Comunicación Multipunto

El estándar RS-485 es una mejora del RS-422 que permite la comunicación multipunto. Admite hasta 32 equipos emisores-receptores en un bus de datos común. Utiliza un tercer estado para evitar colisiones en el canal de comunicación. La comunicación es half-duplex, lo que significa que los dispositivos pueden transmitir y recibir, pero no simultáneamente. Se emplea en topologías de bus o anillo.

Puerto USB: Velocidades y Tipos

Clasificación de los Dispositivos USB

• USB 1.0 (Baja velocidad): Tasa de transferencia de hasta 1.5 Mbps (192 KB/s).
• USB 1.1 (Velocidad completa): Tasa de transferencia de hasta 12 Mbps (1.5 MB/s).
• USB 2.0 (Alta velocidad): Tasa de transferencia de hasta 480 Mbps (60 MB/s).
• USB 3.0 (Súper alta velocidad): Tasa de transferencia de hasta 4.8 Gbps (600 MB/s).

El puerto USB tiene 4 pines de conexión: rojo (alimentación), verde (datos+), blanco (datos-) y negro (tierra).

Cable Null Modem

Un cable null modem se utiliza para la conexión directa entre dos DTE (por ejemplo, dos computadoras). Sigue el estándar RS-232 y permite la comunicación serie entre los dispositivos.

Acceso a Puertos por Interrupción Hardware

La imagen representa el acceso a un dispositivo de E/S mediante la técnica de "Interrupción hardware". En este método, el dispositivo notifica al procesador cuando está listo para una operación, en lugar de que el procesador lo consulte constantemente (como en el polling).

Conversión Serie-Paralelo: UART, USRT y USART

Para la comunicación a través del puerto serie, se requiere una conversión entre datos en serie y en paralelo. Existen tres tipos de dispositivos que realizan esta conversión:

• UART (Receptor/Transmisor Asíncrono Universal): Utilizado en la transmisión serie asíncrona.
• USRT (Receptor/Transmisor Síncrono Universal): Utilizado en la transmisión serie síncrona de alta velocidad.
• USART (Receptor/Transmisor Síncrono/Asíncrono Universal): Permite ambos tipos de comunicación serie.

La estructura de estos dispositivos se divide en secciones de transmisión, recepción y estado/control.

Conector RCA: Audio y Vídeo No Profesional

El conector RCA se utiliza para la transmisión de señales de audio y vídeo en entornos no profesionales. Emplea un cable de dos hilos con un método de transmisión analógico o digital. Los colores rojo y blanco se utilizan para audio, mientras que el amarillo se utiliza para vídeo. También se utiliza para componentes de vídeo YPbPr, con cables de color verde, rojo y azul. El conector RCA es no balanceado.

Chip UART: Funciones y Ubicación

El chip UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) convierte la información entre su forma secuencial y paralela en cada terminal de enlace. Sus funciones principales son:

• Manejar las interrupciones de los dispositivos conectados al puerto serie.
• Convertir los datos en formato paralelo, transmitidos al bus del sistema, a datos en formato serie, para que puedan ser transmitidos a través de los puertos, y viceversa.

Los chips UART residen en la placa base.

Eficiencia del Polling vs. Interrupciones

La técnica de acceso a los puertos por polling es menos eficiente que la de interrupciones hardware. En el polling, el procesador consume tiempo y recursos constantemente en realizar las instrucciones de sondeo, incluso cuando no hay operaciones pendientes. En cambio, con las interrupciones, el procesador solo se ocupa de los dispositivos cuando estos lo solicitan, optimizando el uso de los recursos.