منفذ متوازي

بدأ آن وانغ وروبرت هوارد وبرينتيس روبنسون تطوير طابعة منخفضة التكلفة في شركة سينترونيكس ، وهي شركة تابعة لمختبرات وانغ متخصصة في إنتاج أجهزة طرفية حاسوبية . اعتمدت الطابعة على مبدأ الطباعة النقطية ، حيث يتكون رأس الطباعة من صف رأسي من سبعة دبابيس معدنية متصلة بملفات لولبية . عند تزويد الملفات اللولبية بالطاقة، يندفع الدبوس للأمام ليضرب الورق ويترك نقطة. ولإنتاج حرف كامل ، يتلقى رأس الطباعة الطاقة لدبابيس محددة لإنشاء نمط رأسي واحد، ثم يتحرك رأس الطباعة إلى اليمين مسافة صغيرة، وتتكرر العملية. في تصميمهم الأصلي، كان الحرف النموذجي يُطبع على شكل مصفوفة من سبعة دبابيس ارتفاعًا وخمسة عرضًا، بينما استخدمت نماذج "A" رأس طباعة بتسعة دبابيس، وشكّلت أحرفًا مكونة من تسعة في سبعة نقاط. ^{[ 2 ]}

بقيَتْ مشكلةُ إرسال بيانات ASCII إلى الطابعة. فبينما يقوم المنفذ التسلسلي بذلك بأقل عدد من الدبابيس والأسلاك، إلا أنه يتطلب من الجهاز تخزين البيانات مؤقتًا عند وصولها بتًا بتًا، ثم تحويلها مرة أخرى إلى قيم متعددة البتات. أما المنفذ المتوازي فيُبسّط هذه العملية؛ إذ تُعرض قيمة ASCII كاملةً على الدبابيس بشكلها الكامل. بالإضافة إلى دبابيس البيانات الثمانية، احتاج النظام أيضًا إلى دبابيس تحكم متنوعة، فضلًا عن نقاط تأريض كهربائية. ولحسن الحظ، كان لدى وانغ مخزون فائض من 20,000 موصل شريطي دقيق من نوع Amphenol ذي 36 دبوسًا، كانت تُستخدم في الأصل في إحدى آلات الحاسبة الأولى للشركة. لم تتطلب الواجهة سوى 21 دبوسًا من هذه الدبابيس، أما الباقي فكان مؤرضًا أو غير موصول. وقد أصبح هذا الموصل مرتبطًا ارتباطًا وثيقًا بشركة Centronics لدرجة أنه يُعرف الآن باسم" موصل سينترونيكس ". ^{[ 3 ]}

تم إصدار طابعة Centronics Model 101، المزودة بهذا الموصل، عام 1970. [ 3 ^{] كان الجهاز} المضيف يرسل أحرف ASCII إلى الطابعة باستخدام سبعة من أصل ثمانية دبابيس بيانات، رافعًا جهدها إلى +5 فولت لتمثيل الرقم 1. وعندما تصبح البيانات جاهزة، كان الجهاز المضيف يخفض جهد دبوس STROBE إلى 0 فولت. تستجيب الطابعة برفع جهد خط BUSY ، وطباعة الحرف، ثم إعادة جهد BUSY إلى مستوى منخفض. بعد ذلك، يمكن للجهاز المضيف إرسال حرف آخر. تتسبب أحرف التحكم في البيانات في إجراءات أخرى، مثل CR. EOFكما يمكن للجهاز المضيف ضبط الطابعة لبدء سطر جديد تلقائيًا عن طريق رفع جهد خط AUTOFEED ، والحفاظ عليه عند هذا المستوى. كان على الجهاز المضيف مراقبة خط BUSY بعناية لضمان عدم إرسال البيانات إلى الطابعة بسرعة كبيرة، خاصةً مع العمليات ذات الوقت المتغير مثل تغذية الورق. ^{[ 2 ] [ 4 ]}

سرعان ما أصبح جانب الطابعة من واجهة التوصيل معيارًا صناعيًا فعليًا ، لكن الشركات المصنعة استخدمت موصلات متنوعة على جانب النظام، مما استدعى استخدام أنواع مختلفة من الكابلات. على سبيل المثال، استخدمت شركة NCR موصل الشريط الصغير ذو 36 سنًا في كلا طرفي التوصيل، بينما استخدمت أنظمة VAX المبكرة موصل DC-37 ، واستخدمت شركة Texas Instruments موصل حافة البطاقة ذو 25 سنًا، واستخدمت شركة Data General موصل الشريط الصغير ذو 50 سنًا. عندما طبقت شركة IBM واجهة التوصيل المتوازية على جهاز IBM PC ، استخدمت موصل DB-25F في طرف واجهة التوصيل المتصل بالكمبيوتر، مما أدى إلى إنشاء كابل التوصيل المتوازي المألوف حاليًا، والذي يحتوي على موصل DB25M في أحد طرفيه وموصل شريط صغير ذو 36 سنًا في الطرف الآخر.

نظريًا، كان بإمكان منفذ سينترونيكس نقل البيانات بسرعة تصل إلى 75,000 حرف في الثانية. كان هذا أسرع بكثير من الطابعة، التي بلغ متوسط ​​نقلها حوالي 160 حرفًا في الثانية، مما يعني أن المنفذ كان يقضي معظم وقته في وضع الخمول. كان الأداء يُحدد بمدى سرعة استجابة الجهاز المضيف لإشارة "مشغول" (BUSY) الصادرة من الطابعة والتي تطلب المزيد من البيانات. ولتحسين الأداء، بدأت الطابعات في دمج مخازن مؤقتة لتمكين الجهاز المضيف من إرسال البيانات إليها بسرعة أكبر، على شكل دفعات. لم يُقلل هذا (أو يُزيل) التأخيرات الناتجة عن انتظار وصول الحرف التالي من الجهاز المضيف فحسب، بل سمح أيضًا للجهاز المضيف بتنفيذ عمليات أخرى دون التأثير على الأداء. كما تم تحسين الأداء بشكل أكبر باستخدام المخزن المؤقت لتخزين عدة أسطر ثم الطباعة في كلا الاتجاهين، مما أدى إلى إزالة التأخير أثناء عودة رأس الطباعة إلى الجانب الأيسر من الصفحة. أدت هذه التغييرات إلى مضاعفة أداء الطابعة التي لم يطرأ عليها أي تغيير، كما هو الحال في طرازات سينترونيكس مثل 102 و308. ^{[ 4 ]}

أصدرت شركة IBM جهاز الكمبيوتر الشخصي IBM عام 1981، والذي تضمن نسخة معدلة من واجهة Centronics، حيث اقتصر استخدام هذا الجهاز على طابعات تحمل شعار IBM ( التي كانت تحمل علامة Epson التجارية ) . ^{[ 5 ]} قامت IBM بتوحيد كابل التوصيل المتوازي بموصل DB25F في جانب الكمبيوتر وموصل Centronics ذي 36 سنًا في جانب الطابعة. وسرعان ما طرحت الشركات المصنعة طابعات متوافقة مع كل من واجهة Centronics القياسية وواجهة IBM.

صُمم محول الطابعة المتوازي الأصلي من IBM لأجهزة IBM PC لعام 1981 لدعم خاصية ثنائية الاتجاه محدودة، بثمانية خطوط لإخراج البيانات وأربعة خطوط لإدخالها. سمح هذا باستخدام المنفذ لأغراض أخرى، وليس فقط للإخراج إلى الطابعة. تحقق ذلك من خلال السماح للأجهزة على طرفي الكابل بالكتابة إلى خطوط البيانات، مما استلزم أن تكون منافذ الجهاز المضيف ثنائية الاتجاه. لم تُستخدم هذه الميزة كثيرًا، وتمت إزالتها في الإصدارات اللاحقة من الجهاز. بعد سنوات، في عام 1987، أعادت IBM تقديم واجهة ثنائية الاتجاه مع سلسلة IBM PS/2 ، حيث كان بالإمكان تفعيلها أو تعطيلها لضمان التوافق مع التطبيقات المصممة مسبقًا بحيث لا تتوقع أن يكون منفذ الطابعة ثنائي الاتجاه.

مع توسع سوق الطابعات، ظهرت أنواع جديدة من آليات الطباعة. غالبًا ما دعمت هذه الآليات ميزات جديدة وحالات خطأ لم يكن بالإمكان تمثيلها عبر منافذ الحالة القليلة نسبيًا في المنفذ الحالي. ورغم أن حل IBM كان يدعم ذلك، إلا أن تنفيذه لم يكن سهلًا، ولم يكن مدعومًا في ذلك الوقت. أدى هذا إلى نظام Bi-Tronics، الذي قدمته HP في طابعتها LaserJet 4Si في أبريل 1993. ^{[ 6 ]} استخدم هذا النظام أربعة منافذ حالة موجودة، هي ERROR وSELECT وPE وBUSY، لتمثيل نصف بايت ، باستخدام عمليتي نقل لإرسال قيمة 8 بت. يُشار إلى وضع Bi-Tronics، المعروف الآن بوضع نصف البايت، برفع مستوى خط SELECT في الجهاز المضيف، ويتم نقل البيانات عندما يُخفض مستوى خط AUTOFEED في الجهاز المضيف. حسّنت تغييرات أخرى في بروتوكولات المصافحة الأداء، ليصل إلى 400,000 بت في الثانية للطابعة، وحوالي 50,000 بت في الثانية للطابعة المضيفة. ^{[ 7 ]} تتمثل الميزة الرئيسية لنظام Bi-Tronics في أنه يمكن تشغيله بالكامل بواسطة البرامج في المضيف، ويستخدم أجهزة غير معدلة - جميع الدبابيس المستخدمة لنقل البيانات مرة أخرى إلى المضيف كانت بالفعل خطوط طابعة إلى مضيف.

تطلّب إدخال أجهزة جديدة مثل الماسحات الضوئية والطابعات متعددة الوظائف أداءً أعلى بكثير مما تستطيع قنوات الاتصال الخلفية من نوع Bi-Tronics أو IBM تحمّله. وقد شاع استخدام معيارين آخرين لهذه الأغراض. يُشبه منفذ النقل المتوازي المُحسّن (EPP)، الذي طوّرته شركة Zenith Electronics ، وضع البايت من IBM من حيث المفهوم، ولكنه يُغيّر تفاصيل عملية المصافحة للسماح بسرعة تصل إلى 2 ميجابايت/ثانية. ^{[ 8 ]} أما منفذ القدرة الموسّعة (ECP) فهو في الأساس منفذ جديد تمامًا في نفس الهيكل المادي، يُضيف أيضًا إمكانية الوصول المباشر إلى الذاكرة استنادًا إلى ISA وتشفير طول التشغيل لضغط البيانات، وهو أمر مفيد بشكل خاص عند نقل الصور البسيطة مثل الفاكسات أو الصور الممسوحة ضوئيًا بالأبيض والأسود. يوفر ECP أداءً يصل إلى 2.5 ميجابايت/ثانية (20 ميجابت/ثانية) في كلا الاتجاهين. ^{[ 9 ]}

تُجمع كل هذه التحسينات كجزء من معيار IEEE 1284. تضمن الإصدار الأول عام 1994 وضع Centronics الأصلي ("وضع التوافق")، ووضعي النصف بايت والبايت، بالإضافة إلى تغيير في آلية المصافحة التي كانت شائعة الاستخدام آنذاك؛ إذ كان تطبيق Centronics الأصلي يتطلب تبديل حالة مؤشر BUSY مع كل تغيير في أي سطر من البيانات (التبديل حسب السطر)، بينما يتطلب معيار IEEE 1284 تبديل حالة مؤشر BUSY مع كل حرف مُستلم (التبديل حسب الحرف). هذا يقلل من عدد مرات تبديل حالة مؤشر BUSY وما ينتج عنها من انقطاعات على كلا الجانبين. وفي تحديث عام 1997، تم توحيد رموز حالة الطابعة. وفي عام 2000، أُضيف وضعا EPP وECP إلى المعيار، بالإضافة إلى عدة أنواع من الموصلات والكابلات، وطريقة لتوصيل ما يصل إلى ثمانية أجهزة على التوالي من منفذ واحد. ^{[ 9 ]}

قد تستخدم بعض أنظمة الاستضافة أو خوادم الطباعة إشارة نبضية ذات جهد منخفض نسبيًا أو تبديل سريع. قد تتسبب أي من هذه المشكلات في عدم الطباعة أو الطباعة المتقطعة، أو فقدان الأحرف أو تكرارها، أو طباعة بيانات غير مفهومة. قد تحتوي بعض طرازات الطابعات على مفتاح أو إعداد لتحديد حالة الانشغال لكل حرف؛ بينما قد تتطلب طرازات أخرى محولًا للتوافق.

قدمت شركة داتا برودكتس تطبيقًا مختلفًا تمامًا للواجهة المتوازية لطابعاتها. استخدمت هذه الواجهة موصل DC-37 على جانب الجهاز المضيف وموصلًا ذا 50 سنًا على جانب الطابعة - إما DD-50 (يُشار إليه أحيانًا خطأً باسم "DB50") أو موصل M-50 ذو الشكل المكعب؛ وكان يُشار إلى M-50 أيضًا باسم وينشستر. ^{[ 10 ] [ 11 ]} كانت واجهة داتا برودكتس المتوازية متوفرة بخط قصير للاتصالات التي تصل إلى 15 مترًا (50 قدمًا) وبخط طويل يستخدم الإشارات التفاضلية للاتصالات التي تصل إلى 150 مترًا (500 قدم) . وُجدت واجهة داتا برودكتس في العديد من أنظمة الحواسيب المركزية حتى تسعينيات القرن الماضي، وقدمها العديد من مصنعي الطابعات كخيار إضافي.  

صُممت مجموعة واسعة من الأجهزة للعمل عبر منفذ متوازي. كانت معظم هذه الأجهزة أحادية الاتجاه، أي أنها تستجيب فقط للمعلومات المُرسلة من الحاسوب. مع ذلك، تمكنت بعض الأجهزة، مثل محركات أقراص Zip، من العمل في وضع ثنائي الاتجاه. كما اعتمدت الطابعات لاحقًا نظام ثنائي الاتجاه، مما أتاح إرسال معلومات تقارير الحالة المختلفة.

كانت معظم الأنظمة المتوافقة مع أجهزة الكمبيوتر الشخصية في الثمانينيات والتسعينيات تحتوي على منفذ واحد إلى ثلاثة منافذ، مع تعريف واجهات الاتصال على النحو التالي:

• المنفذ المتوازي المنطقي 1: منفذ الإدخال/الإخراج من 0x3BC إلى 0x3BF، IRQ 7 (عادةً في محولات الرسومات أحادية اللون)
• المنفذ المتوازي المنطقي 2: منفذ الإدخال/الإخراج من 0x378 إلى 0x37F، IRQ 7 (بطاقات إدخال/إخراج مخصصة أو باستخدام وحدة تحكم مدمجة في اللوحة الأم)
• المنفذ المتوازي المنطقي 3: منفذ الإدخال/الإخراج من 0x278 إلى 0x27F، IRQ 5 (بطاقات إدخال/إخراج مخصصة أو باستخدام وحدة تحكم مدمجة في اللوحة الأم)

إذا لم يكن هناك منفذ طابعة عند العنوان 0x3BC، يصبح المنفذ الثاني في الصف (0x378) هو المنفذ المنطقي المتوازي 1، ويصبح 0x278 هو المنفذ المنطقي المتوازي 2 لنظام الإدخال والإخراج الأساسي (BIOS). في بعض الأحيان، يتم توصيل منافذ الطابعة بوصلات لمشاركة مقاطعة واحدة على الرغم من امتلاكها عناوين إدخال/إخراج خاصة بها (أي لا يمكن استخدام سوى منفذ واحد في كل مرة). في بعض الحالات، يدعم نظام الإدخال والإخراج الأساسي منفذ طابعة رابعًا أيضًا، ولكن يختلف عنوانه الأساسي اختلافًا كبيرًا بين الشركات المصنعة. نظرًا لأن الإدخال المحجوز لمنفذ الطابعة المنطقي الرابع في منطقة بيانات نظام الإدخال والإخراج الأساسي (BDA) مشترك مع استخدامات أخرى على أجهزة PS/2 ومع بطاقات الرسومات المتوافقة مع S3، فإنه يتطلب عادةً برامج تشغيل خاصة في معظم البيئات. في نظام DR-DOS 7.02، يمكن تغيير تعيينات منافذ نظام الإدخال والإخراج الأساسي وتجاوزها باستخدام توجيهات LPT1 و LPT2 و LPT3 (و LPT4 اختياريًا ) في ملف CONFIG.SYS .

تُتيح أنظمة DOS منافذ الطباعة المتوازية المنطقية التي يكتشفها BIOS تحت أسماء أجهزة مثل LPT1 و LPT2 و LPT3 (التي تُقابل منافذ الطباعة المتوازية المنطقية 1 و2 و3 على التوالي). وتُشتق هذه الأسماء من مصطلحات مثل Line Print Terminal و Local Print Terminal (وكلاهما يُختصر إلى LPT ) أو Line Printer. وقد استُخدمت اصطلاحات تسمية مماثلة في أنظمة ITS و DEC ، وكذلك في CP/M و86- DOS ( LST ).

في نظام DOS ، كان بالإمكان الوصول إلى الطابعات المتوازية مباشرةً عبر سطر الأوامر . على سبيل المثال، كان الأمر " " يُعيد توجيه محتويات ملف AUTOEXEC.BAT إلى منفذ الطابعة. كما كان جهاز PRN متاحًا كاسم بديل لـ LPT1. تسمح بعض أنظمة التشغيل (مثل Multiuser DOS ) بتغيير هذا التعيين الثابت بطرق مختلفة. تستخدم بعض إصدارات DOS ملحقات برامج التشغيل المُدمجة التي يوفرها MODE، أو يمكن للمستخدمين تغيير التعيين داخليًا عبر توجيه CONFIG.SYS PRN =n (كما هو الحال في DR-DOS 7.02 والإصدارات الأحدث). يوفر DR-DOS 7.02 أيضًا دعمًا مدمجًا اختياريًا لـ LPT4 إذا كان BIOS الأساسي يدعمه.TYPE C:\AUTOEXEC.BAT > LPT1:

تُعدّ أسماء الملفات والمجلدات PRN، إلى جانب CON وAUX وبعض الأسماء الأخرى، غير صالحة في نظامي DOS وويندوز، حتى في ويندوز XP والإصدارات الأحدث. وتؤثر هذه الأسماء غير الصالحة أيضًا على ويندوز 95 و 98 ، اللذين كانا يعانيان من ثغرة أمنية في مسار الملفات في نظام MS-DOS، حيث تتسبب في تعطل الكمبيوتر إذا كتب المستخدم "C:\CON\CON" أو "C:\PRN\PRN" أو "C:\AUX\AUX" في شريط عناوين مستكشف ويندوز أو عبر أمر التشغيل. وقد أصدرت مايكروسوفت تحديثًا لإصلاح هذه المشكلة، إلا أن عمليات التثبيت الجديدة لويندوز 95 و98 لا تتضمن هذا التحديث، وستظل هذه المشكلة قائمة.

كان هناك أمر خاص يُسمى " PRINT" لتحقيق نفس النتيجة. ولا يزال نظام التشغيل مايكروسوفت ويندوز يشير إلى المنافذ بهذه الطريقة في كثير من الحالات، على الرغم من أن هذا الأمر غالبًا ما يكون مخفيًا إلى حد ما.

في أنظمة SCO UNIX و Linux ، يتوفر المنفذ المتوازي الأول عبر نظام الملفات /dev/lp0. ويمكن لأجهزة بيئة التطوير المتكاملة (IDE) في Linux استخدام برنامج تشغيل paride (بيئة التطوير المتكاملة للمنفذ المتوازي). ^{[ 14 ]}

تقليديًا، كانت أنظمة IBM PC تخصص منافذها المتوازية الثلاثة الأولى وفقًا للتكوين الموضح في الجدول أدناه (إذا كانت جميع منافذ الطابعة الثلاثة موجودة).

في حال وجود منفذ غير مستخدم، يتم رفع عناوين المنافذ الأخرى. (على سبيل المثال، إذا لم يكن المنفذ 0x3BC موجودًا، فسيصبح المنفذ 0x378 هو أول منفذ متوازي منطقي). ^{[ 18 ]} يدعم عادةً عنوان القاعدة 0x3BC منافذ الطابعات على محولات العرض MDA و Hercules ، بينما نادرًا ما تسمح منافذ الطابعات التي توفرها شريحة اللوحة الأم أو البطاقات الإضافية بتكوينها على هذا العنوان. لذلك، في حال عدم وجود محول عرض أحادي اللون، فإن التعيين الشائع لأول منفذ متوازي منطقي (وبالتالي أيضًا لبرنامج تشغيل جهاز LPT1 DOS المقابل) هو 0x378، على الرغم من أن القيمة الافتراضية لا تزال 0x3BC (وسيختارها BIOS إذا اكتشف منفذ طابعة على هذا العنوان). عادةً ما تكون خطوط IRQ قابلة للتكوين في الجهاز أيضًا. يجب تجنب تعيين نفس المقاطعة لأكثر من منفذ طابعة، حيث سيؤدي ذلك عادةً إلى عمل أحد المنافذ المقابلة في وضع الاستقصاء فقط. يمكن تحديد عناوين المنافذ المخصصة للفتحة عن طريق قراءة منطقة بيانات BIOS (BDA) في 0000h:0408h.

ربط البتات بالدبابيس للمنفذ المتوازي القياسي (SPP):

يشير الرمز ~ إلى عكس البت في الأجهزة.

في إصدارات ويندوز التي لم تستخدم نواة ويندوز NT (وكذلك DOS وبعض أنظمة التشغيل الأخرى)، كان بإمكان البرامج الوصول إلى المنفذ المتوازي باستخدام أوامر روتينية بسيطة مثل `outportb()` و`inportb()`. أما في أنظمة تشغيل مثل ويندوز NT ويونكس ( مثل NetBSD و FreeBSD و Solaris و 386 BSD وغيرها)، فيتم تشغيل المعالج الدقيق ضمن حلقة أمان منفصلة، ​​ويُحظر الوصول إلى المنفذ المتوازي إلا باستخدام برنامج التشغيل المطلوب. يُحسّن هذا من الأمان ويُسهّل عملية إدارة التنازع على الجهاز. في لينكس، يُمكن استخدام `inb()` و`outb()` عند تشغيل عملية بصلاحيات المستخدم الجذر (root) واستخدام الأمر `ioperm()` للسماح بالوصول إلى عنوانها الأساسي ؛ أو بدلاً من ذلك، يسمح `ppdev` بالوصول المشترك، ويمكن استخدامه من مساحة المستخدم إذا تم تعيين الأذونات المناسبة.

تتوفر مكتبة libieee1284، وهي مكتبة متعددة المنصات للوصول إلى المنافذ المتوازية، في العديد من توزيعات لينكس، وتوفر واجهة مجردة للمنافذ المتوازية للنظام. تتم إدارة الوصول وفق تسلسل فتح-حجز-تحرير-إغلاق، مما يسمح بالوصول المتزامن في مساحة المستخدم.