Доклад архи. Интерфейсы для подключения дополнительного оборудования
 Скачать 46.25 Kb.
|
|
Министерство образования и науки РК Алматинский Технологический Университет Доклад на тему: «Интерфейсы для подключения дополнительного оборудования» Подготовил: Кудайберген Ернар Группа ВТиПО 22-2 Проверила: Черикбаева Л.Ш. Введение Толковый словарь по вычислительным системам определяет понятие интерфейс, как границу раздела двух систем, устройств или программ; элементы соединения и вспомогательные схемы управления, используемые для соединения устройств. Также интерфейсы позволяют подключать к персональным (и не только) компьютерам разнообразные периферийные устройства и их контроллеры. По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на параллельные и последовательные. В первом случае все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим, параллельно идущим проводам одновременно. В ПК (персональном компьютере) традиционно используется параллельный интерфейс Centronics, который осуществляется LPT-портами. В последовательном же интерфейсе биты передаются друг за другом, обычно по одной линии. Этот интерфейс в ПК обеспечивают COM-порты в соответствии со стандартом RS-232C. Интерфейс RS-232C широко распространен в различных ПУ (периферийных устройствах) и терминалах. Широко используется последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных. К внешним интерфейсам кроме портов относятся шины. В современных компьютерах все большее значение приобретают внешние шины, которые необходимы для подключения различных устройств: например, внешних жестких дисков, CD-, DVD-устройств, сканеров, принтеров, цифровых камер и прочего. 1. О интерфейсах компьютера и их назначении 1.1 Что такое интерфейс компьютера Принтеры, модемы и другое периферийное оборудование подключается к компьютеру через стандартизированные интерфейсы, иногда называемые портами. В зависимости от способа передачи информации (параллельного или последовательного) между сопрягаемыми устройствами различают параллельные и последовательные интерфейсы. Интерфейс - совокупность возможностей, способов и методов одновременного взаимодействия двух систем (любых, а не обязательно являющихся вычислительными или информационными), устройств или программ для обмена информацией между ними, определённая их характеристиками, характеристиками соединения, сигналов обмена и т.п. В случае, если одна из взаимодействующих систем - человек, чаще говорят лишь о второй системе, то есть об интерфейсе той системы, с которой человек взаимодействует в режиме одновременности. Интерфейсы в вычислительной технике Интерфейсы являются основой взаимодействия всех современных информационных систем. Если интерфейс какого-либо объекта (персонального компьютера, программы, функции) не изменяется (стабилен, стандартизирован), это даёт возможность модифицировать сам объект, не перестраивая принципы его взаимодействия с другими объектами (так, например, научившись работать с одной программой под Windows, пользователь с большей лёгкостью освоит и другие - потому, что они имеют однотипные элементы интерфейса). В вычислительной системе взаимодействие может осуществляться на пользовательском, программном и аппаратном уровнях. Соответственно, согласно этому, интерфейсы могут существовать как: 1.Способвзаимодействияфизическихустройств - способ взаимодействия физических устройств. Чаще всего речь идёт о компьютерных портах. 2.Способвзаимодействиявиртуальныхустройств - набор стандартных библиотечных методов, которые программист может использовать для доступа к функциональности другой программы. 3.Способвзаимодействиячеловек-машина - совокупность средств, при помощи которыхпользователь взаимодействует с различными программами и устройствами [12] 1.2История развития внешних интерфейсов компьютера Устройства сбора и обработки информации, подключаемые к персональным компьютерам (ПК), постоянно развиваются и усложняются вслед за ростом возможностей компьютеров, системного и прикладного программного обеспечения. При этом речь идет не только о развитии функциональной части этих устройств. Рост требований ко всему устройству вызывает рост требований и к интерфейсу. Наблюдая за изменениями интерфейсной части, обеспечивающей связь устройства с компьютером, мы также видим лавинообразное нарастание сложности. IT-индустрии никогда не удавалось наладить отношения со стандартизацией. Каждый производитель техники старался перетянуть одеяло на себя - выпустить очередной эксклюзивный интерфейс, внедрить новую технологию защиты. В результате они ограничивали не только сферы применения, но и удобство использования своих устройств. Ситуация начала меняться только в 90-х годах прошлого века. Лучшие технические умы разных компаний стали объединяться в альянсы и вместе работать над новыми открытыми (и не очень) стандартами. Сейчас кажется, что такая обыденная вещь, как прямоугольный разъем USB, была с нами всегда. Что может быть проще? Распаковал купленную флэшку, подключил ее к компьютеру - и все, можно начинать работу. Операционная система сама определит устройство и автоматически подберет необходимые драйвера. Так вот, чтобы прийти к этому более-менее единому стандарту, индустрии потребовалось не одно десятилетие. Каких-то 20-25 лет назад перед приобретением, скажем, нового принтера покупатель должен был два раза подумать и сверить спецификации. Не стоит также забывать, что даже сейчас наравне с USB используется как минимум один популярный стандарт - FireWire. Мечты о стопроцентной совместимости между устройствами от разных производителей все еще остаются мечтами. Однако некоторый прогресс виден невооруженным глазом. Уже сейчас внутри любого компьютера есть стандартизированные компоненты. Взять, к примеру, единую для всех шину PCI Express от PCI SIG или тот же разъем USB. Развитие компьютерной индустрии в начале 90-х годов шло скачками. Рынок встал с колен, пользователи определились в своих желаниях, производители продолжали шлифовать технологии. Стало понятно, что существующие спецификации периферийных шин нужно дорабатывать. Покупатели не желали мириться с трудностями, возникающими при подключении дополнительных устройств. Нужен был новый тип интерфейсов - шины с поддержкой автоконфигурации. На внедрение этой технологии понадобилось несколько лет. Подумать только, все это время установка в систему нового устройства требовала от хозяина ПК весьма сложных манипуляций с настройками. Вместе с платами расширения продавались специальные установочные диски, некоторые железки «радовали» своей мудреной системой джамперов. Далеко не у всех получалось справиться с неподатливой периферией. Эпоха стандартизации хоть отчасти, но наступила. USB полностью заменил все «лишние» порты на задней панели компьютеров. По нему сейчас подключают всю возможную периферию, от миниатюрных «флэшек» до больших внешних накопителей. FireWire, в свою очередь, пользуется популярностью среди профессионалов - его высокая пропускная способность приходится очень кстати в звукозаписывающих студиях и видеолабораториях. Для того чтобы прийти к единым стандартам подключения периферии, производителям компьютеров понадобилось без малого 35 лет. К счастью, смутные времена давно позади. [12] 1.3 Назначение внешних интерфейсов компьютера USB Разъёмы Universal Serial Bus (USB) предназначены для подключения к компьютеру таких внешних периферийных устройств, как мышь, клавиатура, портативный жёсткий диск, цифровая камера, VoIP-телефон (Skype) или принтер. Теоретически, к одному host-контроллеру USB можно подключить до 127 устройств. [8, 111] IEEE-1394 / FireWire / i. Link Под официальным названием IEEE-1394 скрывается последовательный интерфейс, повсеместно использующийся для цифровых видеокамер, внешних жёстких дисков и различных сетевых устройств. Его также называют FireWire (от Apple) и i. Link (от Sony). [8, 112] Тюльпан»(Cinch/RCA): композитный видео, аудио, HDTV Разъёмы «тюльпан» используются в паре с коаксиальными кабелями для многих электронных сигналов. Обычно вилки «тюльпан» используют цветовое кодирование, которое приведено в следующей таблице.
PS/2 Названные в честь «старушки» IBM PS/2 эти разъёмы сегодня широко используются в качестве стандартных интерфейсов для клавиатуры и мыши, но они постепенно уступают место USB. Сегодня распространена следующая схема цветового кодирования. - Фиолетовый: клавиатура - Зелёный: мышь Кроме того, сегодня весьма часто можно встретить гнёзда PS/2 нейтрального цвета, как для мыши, так и для клавиатуры. Перепутать разъёмы для клавиатуры и мыши на материнской плате вполне возможно, но никакого вреда это не принесёт. Если вы так сделаете, то быстро обнаружите ошибку: не будет работать ни клавиатура, ни мышь. Многие ПК даже не загрузятся, если мышь и клавиатура подключены неправильно. Исправить ошибку очень просто: поменяйте местами вилки, и всё заработает! [8, 113] VGA ПК достаточно давно использует 15-контактный интерфейс Mini-D-Sub для подключения монитора (HD15). С помощью правильного переходника можно подключить такой монитор и к выходу DVI-I (DVI-integrated) графической карты. Интерфейс VGA передаёт сигналы красного, зелёного и синего цветов, а также информацию о горизонтальной (H-Sync) и вертикальной (V-Sync) синхронизациях. DVI DVI является интерфейсом монитора, разработанным, главным образом, для цифровых сигналов. Чтобы не требовалось переводить цифровые сигналы графической карты в аналоговые, а затем выполнять обратное преобразование в дисплее. Поскольку переход с аналоговой на цифровую графику протекает медленно, разработчики графического оборудования позволяют использовать параллельно обе технологии. Кроме того, современные графические карты легко справятся с двумя мониторами. [8, 114] RJ45 для LAN и ISDN В сетях чаще всего используются разъёмы для витой пары. На данный момент 100-Мбит/с Ethernet уступает место гигабитному Ethernet (он работает на скоростях до 1 Гбит/с). Но все они используют вилки RJ45. Кабели Ethernet можно разделить на два вида. Классический патч-кабель, который используется для подключения компьютера к концентратору или коммутатору. Кабель с перекрёстной обжимкой, который используется для соединения между собой двух компьютеров. Bluetooth Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как персональные компьютеры (настольные, карманные, ноутбуки), мобильные телефоны, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, бесплатной, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 10 метров друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях. [8, 356] 2. Современные внешние интерфейсы 2.1 Подробный обзор внешних интерфейсов USB Специалисты, в свое время немало помучившиеся с распределением прерываний, адресов и каналов DMA для модема, мыши, «навороченного» джойстика на СОМ-портах, наверное, полнее всего ощутили преимущества последовательного интерфейса USB. С его появлением постепенно уходят в прошлое оставшиеся со времен первых IBM PC реликты, связанные с архитектурой шины ISA: COM и LPT-порты, интерфейс подключения FDD. Чипсеты материнских плат, в которых отсутствует явная поддержка шины ISA, ныне занимают львиную долю рынка. Практически все современные чипсеты поддерживают интерфейс USB, в том числе новой спецификации 2.0. Архитектурой USB предусмотрена топология так называемой «звезды». То есть в системе должен быть корневой (ведущий) концентратор, к которому подключаются периферийные концентраторы, а к последним - устройства USB. Корневой концентратор расположен в одной из микросхем системного набора (обычно в «южном мосту»). Периферийные концентраторы могут подключаться друг к другу, образуя каскады. Всего через один корневой концентратор может быть подключено до 127 устройств (концентраторов и устройств USВ). Однако, учитывая относительно невысокую пропускную способность шины версии 1.0 (до 12 Мбит в секунду), что с учетом служебных расходов составит около 1 Мбайт в секунду, - оптимальным числом следует считать 4-5 устройств. При этом рекомендуется более скоростные устройства подключать ближе к корневому концентратору. Проблема низкой пропускной способности снимается с внедрением спецификации интерфейса USB 2.0, чья пиковая производительность достигает 480 Мбит/с. Такого значения вполне хватает для типичных USB-устройств: принтеров, офисных сканеров, цифровых фотокамер, джойстиков и прочих. Но все же для внешних накопителей, сканеров высокого класса, цифровых видеокамер требуется более скоростной интерфейс: IEEE 1394 или SCSI. Спецификация USВ определяет две части интерфейса: внутреннюю и внешнюю. Внутренняя часть делится на аппаратную (собственно корневой концентратор и контроллер USB) и программную (драйверы контроллера, шины, концентратора, клиентов). Внешнюю часть представляют устройства (концентраторы и компоненты) USB. Для обеспечения корректной работы все устройства делятся на классы: принтеры, сканеры, накопители и т.д. Классы устройств и особенности их функционирования подробно описаны в спецификации USВ. При отклонении от этих требований могут возникнуть проблемы с загрузкой драйверов и подключением устройств. Напротив, точное следование спецификации позволяет создавать драйверы для любых устройств сторонним производителям программного обеспечения. Разделение устройств на классы происходит не по их целевому назначению, а по единому способу взаимодействия с шиной USВ. Поэтому драйвер класса принтеров определяет не его разрешение или цветность, а способ передачи (односторонний или двунаправленный) и форматирования данных, порядок инициализации при подключении. Данные по шине USB передаются в различных форматах. Самый простой способ заключается в передаче потока байтов с маркером. При этом маркер путешествует в направлении корневого концентратора от устройства к устройству, а данные передаются при наличии свободной полосы пропускания. Гарантированную полосу пропускания обеспечивает изохронный формат. В этом случае опрос синхронных устройств производится с частотой, требуемой для полосы пропускания. Также производится синхронизация тактовых частот приемника и передатчика. Изохронный режим чаще всего применяют для подключения звуковых устройств, которым требуется постоянная полоса пропускания. [4, 299] Формат прерываний применяют для устройств, работающих в реальном масштабе времени до наступления требуемого события. Опрос таких устройств происходит с фиксированной частотой, а передача данных осуществляется при получении сигнала о произошедшем событии. Формат управления является специфическим и служит для конфигурирования и управления концентраторами и устройствами. Все устройства USB соединяются между собой четырехжильным кабелем. По одной паре передаются данные, по другой - электропитание, которое автоматически подключается устройством при необходимости. На концах кабеля монтируются разъемы типов «А» и «В». С помощью разъема «А» устройство подключают к концентратору. Разъем типа «В» устанавливают на концентраторы для связи с другим концентратором и на устройства, от которых кабель должен отключаться (например, сканеры). В духе современной тенденции к упрощению пользования компьютером реализована процедура подключения периферии к шине USB. Все происходит «в горячем режиме». Подключенное в свободный порт устройство вызывает перепад напряжения в цепи. Контроллер немедленно направляет запрос на этот порт. Присоединенное устройство принимает запрос и посылает пакет с данными о классе, затем ему присваивается уникальный идентификационный номер. Далее происходит автоматическая загрузка и активация драйвера устройства, его конфигурирование и, тем самым, окончательное подключение. Все. устройство готово к работе! Точно так же происходит инициализация уже подсоединенного и включаемого в сеть устройства. [8, 347] Адаптер USB/PS2 Данный адаптер, как можно догадаться, используется для поключения USB-клавиатуры и USB-мыши к компьютеру, у которого нет USB-портов (или они все заняты). [8, 122] IEEE-1394 / FireWire / i. Link Под официальным названием IEEE-1394 скрывается последовательный интерфейс, повсеместно использующийся для цифровых видеокамер, внешних жёстких дисков и различных сетевых устройств. Его также называют FireWire (от Apple) и i. Link (от Sony). На данный момент 400-Мбит/с стандарт IEEE-1394 сменяется 800-Мбит/с IEEE-1394b (также известным как FireWire-800). Обычно устройства FireWire подключаются через 6-контактную вилку, которая обеспечивает питание. У 4-контактной вилки питание не подводится. Устройства FireWire-800, с другой стороны, используют 9-контактные кабели и разъёмы. [8, 123] «Тюльпан»(Cinch/RCA): композитный видео, аудио, HDTV Цветовую кодировку можно только приветствовать: жёлтый для видео (FBAS), белый и красный «тюльпаны» для аналогового звука, а также три «тюльпана» (красный, синий, зелёный) для компонентного выхода HDTV [8, 124] Интерфейс SCSI Стало уже традицией сравнивать интерфейс SCSI (читается - «скази») исключительно с интерфейсом IDE. На самом деле такое сравнение не совсем корректно: SCSI, в отличие от IDE, позволяет подключать не только носители информации. Часто забывают, что SCSI является универсальным интерфейсом, и до появления IEEE1394 ему практически не было альтернативы в работе с высокоскоростными устройствами. К тому же и монополия IDE на рынке жестких дисков относится к области мифов - реальная доля SCSI-устройств составляет 25-27%. Обычно преимуществами IDE называют более низкую стоимость и производительность, якобы достигшую уровня SCSI. Если же сравнить изделия для этих интерфейсов по критерию «стоимость-эффективность», то SCSI выглядит явным лидером. Конечно, выбор SCSI со стороны пользователя обусловлен, прежде всего, характером задач, которые призвана решать компьютерная система. Если предполагается профессиональная работа с видео, трехмерной графикой, большими массивами данных, оцифровка изображений, то альтернативой SCSI могут быть только интерфейсы, присутствующие на существенно более дорогих рабочих станциях. Сегодня максимальная (теоретическая) скорость передачи информации по шине IDE составляет 133 Мбайт/с (протокол Ultra ATA-133), для нового интерфейса Serial ATA - до 150 Мбайт/с. Спецификацией Ultra320 SCSI предусмотрена скорость обмена до 320 Мбайт/с. Реальные преимущества SCSI особенно заметны в многозадачных операционных системах и при обработке непрерывных потоков данных (например, видео). Многие известные производители (в частности, Iwill) выпускают материнские платы со встроенными контроллерами SCSI. Но все же большинство покупателей предпочитает платы расширения, которые обеспечивают возможность последующей модернизации. В обоих случаях для инициализации требуется собственная система SCSI BIOS. На материнских платах со встроенным контроллером она обычно присутствует в системной BIOS в качестве дополнения. На платах расширения помещают собственную микросхему BIOS. Возможен и вариант (в самых дешевых системах) отсутствия BIOS и обеспечения поддержки интерфейса исключительно драйверами операционной системы. Такие операции, как форматирование жесткого диска, возможны только через «родной» BIOS того хост-адаптера, который будет работать с данным диском. Дело в том, что разные контроллеры могут использовать различные схемы трансляции логических адресов секторов жесткого диска в физические. Стандартные функции SCSI BIOS весьма похожи на функции системной BIOS: - настройка конфигурации адаптера; - проверка поверхности жестких дисков; - форматирование на низком уровне; - настройка параметров инициализации устройств; - задание номера загрузочного устройства; - выбор загрузочного устройства и пр. Для запоминания и хранения конфигурации SCSI-устройств служит микросхема флэш-памяти (функциональный аналог CMOS системной платы). В системе SCSI взаимодействие между устройствами осуществляется по принципу «отправитель-адресат». Отправитель инициирует запрос и, дождавшись ответа от адресата, начинает обмен данными. Каждое устройство в цепочке имеет уникальный идентификационный (ID) номер в диапазоне от 0 до 7 (в последних спецификациях от 0 до 31), который выставляется специальным переключателем, перемычкой или присваивается автоматически (в современных устройствах). Причем номер 7 по умолчанию присвоен SCSI хост-адаптеру. В свою очередь, устройства, входящие в компонент, имеющий ID, получают номер логического устройства - Logical Unit Number (LUN). Например, при подключении массива из нескольких жестких дисков он получит собственный ID, а каждый жесткий диск - собственный LUN. Таким способом можно выстраивать цепочки до 256 устройств. Хотя в реальных задачах такие конструкции вряд ли потребуются. Данные по шине SCSI передаются в синхронном или асинхронном режимах. В асинхронном режиме адресат подтверждает получение каждого байта, в синхронном - только пакета данных. Начиная со спецификации SCSI-2 появились сценарии, когда весь набор процедур обмена формируется в один пакет и передается целиком. Также возможно независимое выполнение команд устройством. Например, стримеру дается команда на перемотку, и затем он отключается от шины до окончания процесса. В настоящее время действуют несколько спецификаций SCSI, различающихся шириной шины, тактовой частотой, физическим типом интерфейса подключения. [13] Самый первый вариант (SCSI-1) имел 8-битную шину, данные по которой передавались со скоростью 5 Мбайт/с. Последний на момент написания книги вариант, Ultra320 SCSI, позволяет передавать данные на скорости 320 Мбайт/с. Сейчас практически все устройства SCSI выпускаются в соответствии со спецификацией LVD (Low Voltage Differential), предусматривающей использование сигналов низкого потенциала. Для согласования LVD с «высоковольтными» устройствами обычно применяют активные терминаторы. При этом сохраняется совместимость по принципу «снизу вверх». Необходимым элементом любой SСSI-цепочки являются терминаторы - устройства, обеспечивающие согласование уровней сигналов в цепи, уменьшающие помехи и затухание. Они должны присутствовать на начальном (SCSI хост-адаптере) и конечном устройствах в цепочке. Каждое устройство должно обеспечивать включение / отключение терминатора. Терминаторы бывают внутренние, внешние, переключаемые и автоматические. Обычно внутренние терминаторы применяют на жестких дисках и сканерах, внешние выглядят как сборки резисторов на панельках (встречаются на CD-ROM дисководах) или как корпус с вилкой для подсоединения к выходному разъему устройства. Переключение терминаторов осуществляется перемычками, переключателями или просто изъятием их из цепи (для внешнего исполнения). В современных устройствах в большинстве случаев обеспечивается автоматическое переключение терминаторов. Сегодня большинство терминаторов активные, так как требуется высокая помехоустойчивость на высоких скоростях обмена данными. Пассивные терминаторы лучше не применять в одной цепочке с активными или ставить такие устройства на проходе. Важное место в правильной установке SCSI-устройств занимают разъемы. Пожалуй, это один из самых запутанных разделов интерфейса. Здесь утвердились такие понятия, как narrow (узкий) и wide (широкий), low-density (низкой плотности) и high-density (высокой плотности) разъемы. Понятия «узкий» и «широкий» относятся к ширине шины (8 или 16 бит). Шлейф «wide» физически как раз уже, чем «narrow». Термин Low (High) density обозначает плотность размещения контактов на разъеме. Самым первым разъемом для подключения внутренних 8-битных SCSI - устройств служил 50-контактный разъем «narrow, low-density». Он встречается до сих пор на некоторых адаптерах. Более современным вариантом является 68-контактный разъем «wide, high-density» для 16-битной шины. К сожалению, различие стандартов на уровень и формат сигналов, электрические характеристики устройств SCSI в разных спецификациях интерфейса существенно затрудняют подключение компонентов разного поколения. Хотя в принципе задача эта решаема в подавляющем большинстве случаев. [11] Bluetooth Единичная Bluetooth-система состоит из модуля, обеспечивающего радиосвязь, и присоединенного к нему хоста, в качестве которого может выступать компьютер или любое периферийное устройство. Bluetooth-модули обычно встраивают в устройство, подключают через доступный порт либо PC-карту. Поскольку все модули с точки зрения сети физически и функционально равноценны, от природы хоста можно абстрагироваться. Модуль состоит из менеджера соединений (link manager), контроллера соединений и приемопередатчика с антенной. Модули могут как соединяться по схеме «точка - точка», так и обеспечивать многоточечные соединения. Два связанных по радио модуля образуют пиконет (piconet). Причем один из модулей играет роль ведущего (master), второй - ведомого (slave). В пиконете не может быть больше восьми модулей: адрес активного участника пиконета, используемый для идентификации, является трехбитным. Уникальный адрес могут иметь семь ведомых модулей (ведущий не имеет адреса), а нулевой адрес зарезервирован для широковещательных (broadcast) сообщений. Для объединения больше восьми устройств в спецификацию введено понятие скэттернет (scatternet, рассеянная сеть). Скэттернет формируется из нескольких независимых пиконетов. Установить связь с модулем, подключенным к другому пиконету, может любой модуль сети, в том числе и ведущий. Оптимальный радиус действия модуля - до 10 м. Диапазон рабочих частот 2,402-2,483 ГГц. Коммуникационный канал Bluetooth имеет пиковую пропускную способность 721 Кбит/с. Для уменьшения потерь и обеспечения совместимости пиконетов частота в Bluetooth перестраивается скачкообразно (1600 скачков/с). Канал разделен на временные слоты (интервалы) длиной 625 мс (время между скачками), в каждый из них устройство может передавать информационный пакет. Для полнодуплексной передачи используется схема TDD (Time-Division Duplex, дуплексный режим с разделением времени). По четным значениям таймера начинает передавать ведущее устройство, по нечетным ведомое. Помимо полезных данных пакет содержит код доступа и заголовок. Имеется три вида пакетов: предназначенные только для голоса (обычно 64 Кбайт/с), только для данных и комбинированные. Для передачи разных пакетов предусмотрены два типа связей: асинхронная ACL (Asynchronous Connection-Less) и синхронная SCO (Synchronous Connection-Oriented). Разные пары ведущий-ведомый в пределах «пиконета» могут использовать различные типы связи. Более того, тип связи может по мере необходимости безо всяких ограничений меняться в течение сеанса связи. [8, 158] 2.2 Интерфейсы нового поколения На самом деле уже с середины 80-х стало очевидно, что унаследованные персональными системами последовательный (RS-232С) и параллельный (Centronics) порты не обеспечивают достаточную для подключения периферии скорость, за исключением простейших устройств типа мыши, принтера и других, нечувствительных к полосе пропускания. В результате развития принятой в 1969 году спецификации появились стандарты RS-422/485, использующие балансный метод передачи и увеличенное за счет этого предельное расстояние передачи с 25 до 1100 м. Развитие технологий параллельного интерфейса привело к принятию стандарта IEEE-1284 (ECP/EPP), поддерживающего значительно большую скорость передачи данных и использующего буферизацию данных. Кроме того, ECP-режим позволял в случае поддержки устройством упаковки-распаковки данных по алгоритму RLE осуществлять передачу данных со сжатием «на лету», что давало возможность увеличить в 2-50 раз фактическую скорость передачи данных. Параллельный порт с режимом ECP использовался в основном для подключения принтеров и сканеров. Однако все эти улучшения носили, скорее, косметический характер и упирались в глухую стену ограниченного количества устройств на порт по схеме «одно устройство на каждый порт». Это ограничение, а также приемлемость ширины полос пропускания для существующих тогда задач привели к появлению большого количества внешних устройств со своими контроллерами (как правило, ISA, реже PCI), позволяющими обойти указанные ограничения. Но это тоже не было выходом из ситуации. Кардинальный выход напрашивался только один - разработка с нуля нового интерфейса подключения периферийных устройств, поддерживающего Plug-and-Play, большее количество устройств на порт и их «горячее» подключение. [12] Однако, несмотря на все указанные недостатки, последовательный (COM) и параллельный (LPT) интерфейсы целое десятилетие верно несли свою службу. И ограничение «один порт - одно устройство» не вызывало резкого раздражения, поскольку для нужд обычного пользователя двух последовательных и одного параллельного интерфейсов хватало с запасом. К тому же появление интерфейса PS/2 позволило освободить один последовательный порт для подключения дополнительного устройства. FireWire В 1986 году компания Apple развернула работы по созданию нового интерфейса, и в 1990 году выпустила первое техническое описание шины FireWire (IEEE-1394). К моменту принятия стандарта предельная скорость передачи данных по шине достигла 400 Мбит/с. Основным преимуществом нового интерфейса стала возможность (впервые в области) в реальном масштабе времени передать видеоряд высокого разрешения, о чем ранее без использования специальных весьма дорогостоящих интерфейсных карт даже мечтать не приходилось. Шина FireWire (IEEE -1394) способна самостоятельно обеспечивать питанием подключаемые устройства (напряжение до 40 В при токе до 1,5 А) и позволяет производить их горячее подключение. Используемый разъем имеет 6 контактов: две витые пары для передачи данных и питание. Для устройств с собственным блоком питания (например, видеокамер) возможно применение 4-контактного разъема. Теоретически возможно подключение до 63 устройств на единственный порт с максимальным количеством промежуточных узлов между взаимодействующими устройствами, равным 16, что неизбежно накладывает дополнительные ограничения на топологию подключения. Передача данных в IEEE-1394 может происходить как в асинхронном, так и в синхронном режиме с заданной гарантированной скоростью передачи данных для каждого устройства (при условии невыхода суммарной скорости за пределы полосы пропускания шины), что важно для передачи данных в реальном масштабе времени. На практике это означает, что всегда можно зарезервировать «коридор» (например, между компьютером и видеокамерой), который останется в полном распоряжении пользователя независимо от уровня нагрузки на шину со стороны остальных устройств. Если устройство должно работать в синхронном режиме, оно резервирует для себя определенное место в кадре данных (длина кадра равна 125 мс). Для этого рабочий квант времени передачи делится на зарезервированные участки, и «незаказанные» участки используются для менее приоритетной асинхронной передачи. Интерфейс FireWire уже несколько лет применяется как в профессиональных, так и в бытовых цифровых видео / телекамерах, магнитофонах и фотоаппаратах. Существует и гигабитный вариант IEEE-1394.2, в котором используется оптоволоконный соединительный кабель. Несмотря на очевидные преимущества нового интерфейса, поддержка FireWire впервые появилась в составе операционной системы (естественно, это была Mac OS) только в апреле 1997 года. Этого события давно ожидали производители разнообразных плат расширения, предназначенных главным образом для подключения цифровых видеокамер - других FireWire-устройств в это время практически не существовало. Массовое появление периферии с интерфейсом FireWire началось в 1999 году, когда он стал стандартным компонентом всех профессиональных компьютеров Power Macintosh G3 и G4, а с осени - потребительских систем iMac DV. Компьютеры iMac DV имеют два внешних 6-контактных FireWire-разъема (питание устройств мощностью до 6 Вт), а профессиональные станции Power Mac G4 - целых три (питание устройств мощностью до 15 Вт), один из которых - внутренний. Следуя давней традиции, Apple не указывает компанию - производителя контроллеров для своих систем, хотя известно, что более 90% современного рынка FireWire-чипсетов принадлежит компании Texas Instruments. А поскольку доля Apple среди поставщиков FireWire-компьютеров более чем весома (уже продано несколько миллионов таких систем), «вычислить» таинственного поставщика несложно [1, 4-6] USB Стандарт USB - ныне главный и единственный конкурент шины FireWire - относительно молод. Однако это не помешало ему существенно потеснить своего противника на рынке периферийных устройств, не посягая только на специфический (и относительно небольшой) сегмент устройств, для которых возможность резервирования полосы пропускания является жизненно необходимой. Спецификация периферийной шины USB разработана лидерами компьютерной и телекоммуникационной промышленности - Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC - для подключения компьютерной периферии вне корпуса машины по стандарту Plug-and-Play. В результате отпадает необходимость в установке дополнительных плат в слоты расширения и переконфигурировании системы. Персональные компьютеры, имеющие шину USB, позволяют подключать периферийные устройства и осуществлять их автоматическое конфигурирование сразу же после физического подключения устройства к машине. При этом нет необходимости перезагружать или выключать компьютер, а также запускать программы установки и конфигурирования. USB-кабель содержит 4 проводника: две витые пары, питание 5 В и общий провод. Таким образом, устройства разделяют одну сигнальную линию. Для коррекции одиночных ошибок на линии используется циклический CRC-код. Помимо общего канала шириной в 12 Мбит/с в USB имеется так называемый подканал шириной в 1,5 Мбит/с для медленных устройств, таких как клавиатура, мышь, джойстик, перо и т.д. Это позволяет снизить стоимость медленных USB-портов в этих устройствах, поскольку более высокая скорость для таких устройств не нужна. Шина USB позволяет одновременно подключать последовательно до 127 устройств, или концентраторов (то есть устройств, через каждое из которых подключается еще несколько). К таким устройствам относятся: телефоны, модемы, клавиатуры, мыши, устройства чтения CD-ROM, джойстики, ленточные и дисковые накопители, сканеры и принтеры. Пропускная способность в 12 Мбит/с позволяет подключать через USB все современные периферийные устройства, включая аппаратуру для обработки видеоданных формата MPEG-2, перчатки для управления виртуальными объектами и дигитайзеры. Кроме того, ввиду ожидающегося большого роста в области интеграции компьютеров и телефонии шина USB может выступать в качестве интерфейса для подключения устройств цифровой сети с интегрированными услугами (ISDN) и цифровых устройств Private Branch eXchange (PBX), позволяющих подключать большое количество телефонов к небольшому количеству линий связи. [9, 223-226] USB 2.0 USB версии 2.0 обладает значительно большей пропускной способностью (до 480 Мбит/с). Для совместимости с USB 1.1 новый порт способен работать в нескольких режимах. При подключении только высокоскоростных устройств шина работает в режиме USB 2.0, а если подключено устройство, не способное работать на такой скорости, шина снижает рабочую частоту до приемлемой для данного устройства. Несмотря на некоторую «вялость» нашего рынка, на западе USB с успехом заменяет и последовательный RS-232C-порт, и параллельный IEEE 1284. Удобство универсальной шины очевидно. Благодаря USB большое разнообразие портов на задней стенке нашего персонального компьютера скоро уйдет в прошлое. В целях создания режима максимального благоприятствования появлению новых USB-устройств разработчики стандарта предприняли беспрецедентный ход. Использование USB свободно от авторского гонорара, то есть создатели спецификации разрешают всем желающим разрабатывать на ее основе продукцию без какой-либо платы за это. Разработчики спецификации шины подписали соглашение об отсутствии всякого судебного преследования по любому включенному в соглашение пункту в пределах спецификации. Обратный договор является копией этого соглашения с возможностью для любого, кто внедряет шину USB, подписать этот договор и вернуть его в администрацию USB-IF для внесения записи о том, что соглашение прочитано и понято. Обратный договор доступен каждому (членам USB-IF или нет) для разъяснения лицензионного соглашения на USB. Это привело к настоящему буму USB-устройств. Необходимо отдавать себе отчет в том, что до широкого внедрения USB 2.0 при внедренных контроллерах USB1.1 ограничивать скорость обмена персонального компьютера с внешним миром жалкими полутора мегабайтами в секунду не представляется ни разумным, ни оправданным. Поэтому придется немного подождать - хотя бы до лета. Ближе к лету появятся коммерчески доступные платы с поддержкой USB 2.0 («сырые» экземпляры, хотя и редко, встречаются в продаже уже сейчас). Однако ряд компаний уже представили периферийные устройства, совместимые со стандартом USB 2.0. Но это не значит, что через год можно будет выкинуть наши заслуженные «многопортовые» материнские платы, купить новую, поддерживающую только USB-интерфейс, и полноценно работать. Задуматься об этом нам придется еще не очень скоро. Это вызвано прежде всего высокой стоимостью нового оборудования. Но со временем цены станут вполне приемлемыми и приобретение системы legacy-free (то есть системы, не использующей для подключения периферийных устройств интерфейсов, отличных от USB) станет вполне реальным. С другой стороны, намечающаяся тенденция перевода всех устройств на USB может привести к отмиранию привычных нам с вами слотов расширения ISA/PCI. Это приведет к миниатюризации персональных компьютеров до размеров современных ноутбуков. Во что превратятся нынешние ноутбуки - предсказывать не возьмусь, но полагаю, что через 5-8 лет никого не удастся удивить ноутбуком размером с современный мобильный телефон, реализующим функции стенографиста и управляемым голосом. Очевидно пока одно: интерфейс USB после долгих лет подготовки позволил осуществить давнюю мечту пользователей о горячем подключении периферийного оборудования, причем сделал это легко, элегантно и с минимальными финансовыми затратами для пользователей. Фактически затрат и не потребовалось - просто в конфигурацию компьютера была включена поддержка нового интерфейса на тех же правах, что и интерфейса ATA. В дальнейшем скорость передачи данных через этот интерфейс будет расти, а вместе с тем будет расширяться и список подключаемых устройств. А затем наступит такой момент, когда, глядя на заднюю крышку компьютера, мы не увидим никаких других разъемов, кроме USB. И это будет конец истории интерфейсов, унаследованных нами от самой первой IBM PC XT и ее предшественников. [3, 310-312] USB 3.0 В 2000 году стандарт USB получил ещё одно обновление: появилась версия USB 2.0, которая увеличила пропускную способность в 40 раз - до 480 Мбит/с в высокоскоростном режиме. К счастью, шина USB 2.0 была по-прежнему совместима с USB 1.1, что было довольно важно для поддержки USB-брелоков первого поколения, которые изначально строились на стандарте USB 1.1 с пропускной способностью 12 Мбит/с. После своего широкого внедрения USB 2.0 удалось полностью заменить последовательный и параллельный интерфейсы - этот факт наиболее заметен, если посмотреть на последние материнские платы. Только немногие продукты по-прежнему содержат параллельный и последовательный порты, поскольку они уже не требуются для потребительской периферии. USB Implementers Forum финализировал спецификации стандарта USB 3.0 в конце 2008 года. Как и можно было ожидать, новый стандарт увеличил пропускную способность, хотя прирост не такой значительный, как 40-кратное увеличение скорости при переходе от USB 1.1 на USB 2.0. В любом случае, 10-кратное повышение пропускной способности можно приветствовать. USB 3.0 поддерживает максимальную скорость передачи 5 Гбит/с. [3, 315-317] Заключение Проблема усложнения интерфейсной части внешних устройств во многом определяется переходом с операционной системы (ОС) типа CPM или MS-DOS на OC типа Windows или Linux. Современные ОС обеспечивают программисту и пользователю возможность адекватной работы с сетевыми ресурсами, мощные графические средства, безопасность многозадачного подхода к программированию. Но за эти и другие ставшие привычными удобства приходится расплачиваться утратой способности пользовательской программы обрабатывать сигналы в реальном времени. Даже на уровне драйвера ядра такие возможности сильно ограничены, не говоря уже о неоправданном возрастании сложности, а значит и стоимости программирования при перенесении функциональности прикладной задачи на уровень ядра ОС. Эти обстоятельства привели к тому, что любое современное внешнее устройство, предназначенное для связи с реальным миром, в интерфейсной части содержит средства обработки и буферизации данных. Часто в качестве такого средства выступает цифровой сигнальный процессор (DSP), как дешевая реализация мощного вычислителя со встроенными интерфейсными средствами. Еще одна важная причина усложнения интерфейсной части внешних устройств заключается в том, что конкурентоспособность изделия в огромной степени зависит от удобства его применения конечным потребителем. Последнее десятилетие в развитии методов подключения устройств к компьютерам наблюдается четкая тенденция к упрощению действий пользователя, необходимых для аппаратного и программного встраивания той или иной «периферии» в вычислительную систему. Сегодня кажется совершенно естественным, что при наращивании функциональности компьютера новой аппаратурой не требуются разборка его корпуса, выключение питания, перезагрузка ОС. Список литературы 1. Грановский Ю.В. Аппаратная поддержка мультимедиа [Текст] / Грановский Ю.В. - Москва: Компьютер пресс вып. 2, 2010. - 20 с. 2. Дейтел Г. Введение в операционные системы. В двух томах [Текст] / Дейтел Г. - Москва: Мир, 2012. - 123 с. 3. Ершова А.П. Основы информатики и вычислительной техники [Текст] / Ершова А.П. - Москва: Просвещение, 1988 г. - 416 с. 4. Коржинский С. Работа над компьютером [Текс] / Коржинский С. - Санкт-Петербург: СПб. 2010. - 388 с. 5. Косарева В.П., Еремина Л.В. Экономическая информатика [Текст] / Косарева В.П., Еремина Л.В. - Москва: Финансы и статистика 2011. - 253 с. 6. Першиков В.И., Савинков В.М. Толковый словарь по информатике [Текст] / Першиков В.И., Савинков В.М. - Москва: Финансы и статистика, 2012. - 329 c. 7. Поспелов М. Информатика: Энциклопедический словарь для начинающих [Текст] / Поспелов М. - Москва: Педагогика-Пресс, 2013. - 352 с. 8. Симонович С.В. Информатика: Базовый курс [Текст] / Симонович С.В. - Санкт-Петербург: СПб, 2011. - 640 с. 9. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователей [Текст] / Фигурнов В.Э. - Москва: Книжный мир, 2010. - 456 с. 10. Якубайтис Э.А. Информационные сети и системы [Текст] / Якубайтис Э.А. - Волгоград: Справочная книга. - М.: Финансы и статистика, 2012 11. Архитектура компьютера (http://www.inf1.info/book/export/html/44) |