ОРГАНИЗАЦИЯ ВВОДА/ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИНАХ И СИСТЕМАХ

Типы интерфейсов

В этой главе речь идет об основных интерфейсах ввода-вывода современных персональных компьютеров. Основными средствами коммуникации, используемыми в PC, являются последовательные и параллельные порты.

К последовательным портам чаще подключаются двунаправленные устройства, которые должны как передавать информацию в компьютер, так и принимать ее. Последовательные порты, параллельные порты, универсальная последовательная шина (Universal Serial Bus — USB), IEEE-1394 (i.Link или FireWire) — все это интерфейсы ввода вывода. SCSI и IDE — это тоже интерфейсы ввода-вывода.

Параллельные порты обычно используются для подключения принтеров и работают в однонаправленном режиме, хотя могут применяться и как двунаправленные. Существуют версии сетевых адаптеров, накопителей на магнитной ленте, сканеров, дисководов для гибких дисков и CD-ROM, которые также подключаются к параллельным портам. Задачи, традиционно выполняемые последовательными или параллельными портами, в настоящее время постепенно переходят к портам более новых типов, вроде USB или IEEE-1394. Тем не менее традиционные порты все еще остаются одними из самых важных интерфейсов ввода-вывода.

Последовательные порты

Асинхронный последовательный интерфейс — это основной тип интерфейса, с помощью которого осуществляется взаимодействие между компьютерами. Термин асинхронный означает, что при передаче данных не используются никакие синхронизирующие сигналы и отдельные символы могут передаваться с произвольными интервалами, как, например, при вводе данных с клавиатуры.

Термин последовательный означает, что передача данных осуществляется по одиночному проводнику, а биты при этом передаются последовательно, один за другим. Такой тип связи характерен для телефонной сети, в которой каждое направление обслуживает один проводник. Типичные системы включают в себя один или два последовательных порта, располагаемых обычно на задней панели системного блока. В современных конструкциях системных плат для управления встроенными последовательными портами этого типа используется микросхема Super I/O, расположенная на системной плате, или высокоинтегрированная микросхема SouthBridge.

Параллельные порты

В параллельных портах для одновременной передачи байта информации используется восемь линий. Этот интерфейс отличается высоким быстродействием, часто применяется для подключения к компьютеру принтера, а также для соединения компьютеров. (Ведь при этом скорость передачи данных значительно выше, чем при соединении через последовательные порты: 4, а не 1 бит за раз). Существенным недостатком параллельного порта является то, что соединительные провода не могут быть слишком длинными. При большой длине соединительного кабеля в него приходится вводить промежуточные усилители сигналов, так как в противном случае возникает множество помех.

Стандарт IEEE 1284

Этот стандарт был окончательно утвержден в марте 1994 года. В нем определены физические характеристики параллельных портов (режимы передачи данных и т.д.). Кроме того, в стандарте ШЕЕ 1284 описан характер изменения внешних сигналов, поступающих на многорежимные параллельные порты компьютера, т.е. на порты, которые могут работать в 4- и 8-разрядном режимах, а также в режимах ЕРР и ЕСР. Хотя IEEE 1284 был выпущен для стандартизации форм сигналов, с помощью которых компьютер “общается” с подключаемыми устройствами, в частности с принтером, этот стандарт интересен и для производителей периферийных устройств, подключаемых к параллельным портам (дисководов, сетевых адаптеров и др.).

Поскольку ШЕЕ 1284 предназначен только для аппаратного обеспечения и не содержит требований к программному обеспечению, работающему с параллельными портами, вскоре был разработан стандарт, определяющий требования к такому программному обеспечению и направленный на устранение различий между микросхемами параллельных портов разных производителей. В нем, в частности, описана спецификация для поддержки режима ЕРР через BIOS. Стандартом ШЕЕ 1284 предусмотрена более высокая пропускная способность соединения между компьютером и принтером или двумя компьютерами. Для реализации этой возможности стандартный кабель принтера не подходит. Стандартом IEEE 1284 для принтера предусмотрена витая пара.

В стандарте ШЕЕ 1284 определен также новый разъем. Разъем типа А определен как штыревой DB25, разъем типа В — как Centronics 36. Разъем типа С является разъемом высокой плотности. Такие разъемы (типа С) устанавливаются на принтерах Hewlett-Packard. Стандартные параллельные порты. В первом компьютере IBM PC существовал только один параллельный порт, предназначенный для передачи информации от компьютера к какому-либо устройству, например к принтеру. Однонаправленность параллельного порта первого PC вполне соответствовала его основному назначению — передаче данных на принтер. Однако во многих случаях желательно было иметь двунаправленный параллельный порт даже для принтера (чтобы можно было реализовать обратную связь, например для принтеров типа PostScript). С однонаправленным параллельным портом осуществить это было невозможно. Такой тип параллельных портов не предназначался для использования в качестве ввода, однако с помощью специальных схем (в которых четыре сигнальные линии могут быть представлены как 4-разрядное соединение) и

однонаправленного параллельного порта можно обеспечить 8- разрядный вывод и 4-разрядный ввод. В настоящее время этот тип портов используется довольно редко, так как в компьютерах, выпущенных после 1993 года, как правило, устанавливаются параллельные порты наподобие 8-разрядного, ЕРР и ЕСР. Стандартный параллельный порт обеспечивает скорость передачи данных 50 Кбайт/с, но при использовании различных

усовершенствований пропускную способность можно увеличить до 150 Кбайт/с.

USB и 1394 (i.Link) FireWire — новые интерфейсы ввода- вывода

В настоящее время для настольных и портативных компьютеров разработано два высокоскоростных устройства с последовательной шиной: USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) и ШЕЕ-1394, называемая также i.Link или FireWire. Эти высокоскоростные коммуникационные порты отличаются от стандартных параллельных и последовательных портов,

установленных в большинстве современных компьютеров, более

широкими возможностями. Преимущество новых портов состоит в том, что их можно использовать как альтернативу SCSI для высокоскоростных соединений с периферийными устройствами, а также подсоединять к ним все типы внешних периферийных устройств (т.е. в данном случае предпринята попытка объединения устройств ввода-вывода).

Новым направлением в развитии высокоскоростных периферийных шин является использование последовательной архитектуры. Для передачи информации в параллельной архитектуре, где биты передаются одновременно, необходимы линии, имеющие 8, 16 и более проводов. Можно предположить, что за одно и то же время через параллельный канал передается больше данных, чем через последовательный, однако на самом деле увеличить пропускную способность последовательного соединения намного легче, чем параллельного. Параллельное соединение обладает рядом недостатков, одним из которых является фазовый сдвиг сигнала, из-за чего длина параллельных каналов, например SCSI, ограничена (не должна превышать 3 м). Проблема в том, что, хотя 8- и 16-разрядные данные одновременно пересылаются передатчиком, из-за задержек одни биты прибывают в приемник раньше других. Следовательно, чем длиннее кабель, тем больше время задержки между первым и последним прибывшими битами на приемном конце.

Последовательная шина позволяет единовременно передавать 1 бит данных. Отсутствие задержек при передаче данных позволяет значительно увеличить тактовую частоту. Напри мер, максимальная скорость передачи данных параллельного порта ЕРР/ЕСР достигает 2 Мбайт/с, в то время как порты IEEE-1394 (в которых используется высокоскоростная последовательная технология) поддерживают скорость передачи данных, равную 400 Мбит/с (около 50 Мбайт/с), т.е. в 25 раз выше.

Еще одно преимущество последовательного способа передачи данных — возможность использования только одно- или двухпроводного канала, поэтому помехи, возникающие при передаче, очень малы, чего нельзя сказать о параллельном соединении. Стоимость параллельных кабелей довольно высока, поскольку провода, предназначенные для параллельной передачи, не только используются в большом количестве, но и специальным образом укладываются, чтобы предотвратить возникновение помех, а это весьма трудно. Кабели для последовательной передачи данных, напротив, очень дешевые, так как состоят из нескольких проводов и требования к их экранированию намного ниже, чем у используемых для параллельных соединений. Именно поэтому, а также учитывая требования внешнего периферийного интерфейса Plug and Play и необходимость устранения физического нагромождения портов в портативных компьютерах, были разработаны эти две высокоскоростные последовательные шины, используемые уже сегодня. Несмотря на то что шина ШЕЕ 1394 была изначально предназначена для узкоспециализированного использования (например, с видеокамерами стандарта DV), в настоящий момент она применяется и с другими устройствами наподобие профессиональных сканеров и внешних жестких дисков.

Универсальная последовательная шина USB

В USB реализована возможность подключения большого количества периферийных устройств к компьютеру. При подключении устройств к USB не нужно устанавливать платы в разъемы системной платы и реконфигурировать систему; кроме того, экономно используются такие важные системные ресурсы, как IRQ (запросы прерывания). При подключении периферийного оборудования к персональным компьютерам, оснащенным шиной USB, его настройка происходит автоматически, сразу после физического подключения, без перезагрузки или установки. Основным инициатором разработки стандарта USB выступила Intel. Начиная с набора микросхем системной логики Triton II (82430НХ), в котором стандарт USB был воплощен в микросхеме РПХЗ South Bridge, компания Intel поддерживает этот стандарт во всех своих на борах микросхем системной логики. Совместно с Intel над созданием универсальной последовательной шины работало еще семь компаний, среди которых Compaq, Digital, IBM, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Ими был создан USB Implement Forum (USB-IF), целью которого является развитие, поддержка и распространение архитектуры USB.

Первая версия USB анонсирована в январе 1996 года, а версия 1.1 — в сентябре 1998. В этой спецификации более подробно описаны концентраторы и другие устройства. Большинство USB-устройств должны быть совместимы со спецификацией 1.1, даже если они выпущены до ее официального опубликования. В появившейся относительно недавно спецификации USB 2.0 скорость передачи данных в 40 раз выше, чем в оригинальной USB 1.0, кроме того, обеспечивается полная обратная совместимость устройств. Платы расширения PCI (для настольных систем) и платы PC Card Cardbus совместимых портативных компьютеров позволяют модернизировать компьютеры ранних версий, не имеющие встроенных разъемов USB. Большинство плат расширения поддерживают спецификацию USB 2.0,

IEEE-1394 (FireWire или i.Link)

В конце 1995 года отдел стандартов Института инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers — IEEE) опубликовал стандарт IEEE- 1394 (или сокращенно 1394). Эти цифры — порядковый номер нового стандарта, который явился результатом обширных исследований в области мультимедийных устройств. Его основное преимущество заключается в высокой скорости передачи данных. На сегодняшний день скорость передачи, поддерживаемая этим стандартом, достигает 400 Мбит/с. Текущая версия стандарта 1394 получила на данный момент название 1394а (иногда ее называют по году опубликования стандарта — 1394а- 2000). Стандарт 1394а предназначен для решения проблем, связанных с совместимостью и многофункциональностью, которые существовали в оригинальной версии стандарта 1394. В этом стандарте используются те же разъемы и поддерживаются те же скорости передач, что и в оригинальном стандарте 1394. Предлагаемый стандарт 1394b, как ожидается, будет поддерживать скорость передачи данных, равную 1 600 Мбит/с; скорости передач будущих версий этого стандарта смогут достичь 3 200 Мбит/с. Стандарт 1394b будет поддерживать более высокие скорости, чем существующие в настоящее время стандарты 1394/1394а. Это связано с внедрением новых сетевых технологий, в частности стеклянного и пластикового волоконно-оптических кабелей и кабеля UTP 5-й категории, а также с увеличением возможного расстояния между устройствами, использующими кабельное соединение 5-й категории, и улучшением принципа передачи сигналов. Стандарт 1394b будет обратно совместим с устройствами 1394а.

FireWire — это высокоскоростная локальная последовательная шина, способная передавать данные со скоростью 100, 200 и 400 Мбит/с (12,5, 25 и 50 Мбайт/с), а при работе с некоторыми типами файлов — до 1 Гбит/с. Эта шина использует простой 6-проводной кабель, со стоящий из двух различных пар линий, предназначенных для передачи тактовых импульсов и информации, а также двух линий питания. Как и USB, IEEE-1394 полностью поддерживает технологию Plug-and-Play, включая возможность горячего подключения (установка и извлечение компонентов без отключения питания системы). По структуре шина 1394 не так сложна, как параллельная шина SCSI, и устройства, подключаемые к ней, могут потреблять от нее ток до 1,5 А. По производительности шина IEEE-1394 превосходит Ultra-Wide SCSI, стоит гораздо меньше, а подсоединить устройства к ней намного проще. На рис. 17.10 показаны компоненты разъемов шины 1394. Шина 1394 построена на разветвляющейся топологии и позволяет использовать до 63 узлов в цепочке и подсоединять при этом к каждому узлу до 16 устройств. Если этого недостаточно, то можно дополнительно подключить до 1 023 шинных перемычек, которые могут соединять более 64 000 узлов! Кроме того, шина 1394 может поддерживать устройства, построенные на одной шине, но работающие на разных скоростях передачи данных, как и SCSI. Большинство адаптеров 1394 имеют три узла, каждый из которых поддерживает 16 устройств. Подключить к компьютеру через шину 1394 можно практически все устройства, которые могут работать со SCSI. Сюда входят все виды дисковых накопителей, включая жесткие, оптические, CD- и DVD-ROM. К шине 1394 могут подключаться цифровые видеокамеры, устройства с записью на магнитную ленту и многие другие высокоскоростные периферийные устройства. Вероятно, очень скоро шина 1394 начнет широко использоваться как в настольных, так и в портативных компьютерах, а с течением времени заменит все другие высокоскоростные шины. В настоящее время наборы микросхем системной логики, поддерживающие шину 1394, уже предлагаются производителями. Появились адаптеры PCI, позволяющие добавить поддержку 1394 в существующие компьютеры. В настоящее время шина 1394 получила наиболее широкое распространение в области цифровых видеоустройств (камеры, видеомагнитофоны и т.д.). Подобные устройства выпускают компании Sony, Panasonic, Sharp, Matsushita и др. Кроме цифровых видеоустройств стали появляться устройства обработки видеоданных. Например, компании Adaptec и Texas Instruments выпускают адаптеры PCI, поддерживающие IEEE-1394. После появления USB 2.0 скорости передачи данных IEEE-1394 и USB практически одинаковы (скорость передачи данных IEEE-1394 и USB 1.1 отличаются в 16 раз). Поэтому обсуждать преимущества или недостатки сравниваемых технологий по этому параметру нецелесообразно.

Для подключения периферии USB необходимо узловое устройство (чаще всего это компьютер), в то время как устройства IEEE-1394 можно подключать напрямую. Именно поэтому технология IEEE-1394 получила наибольшее распространение в цифровых видеоустройствах.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >