Комп'ютерні інтерфейсні технології

Організація передавання даних комп 'ютером та його інтерфейси. Шини введення-виведення РСІ, РСІ-Х, Future I/O, NGIO. Передавання даних через послідовний порт RS-232C. Використання пара-лельного порту. Шина USB. Шина Firewire.
7.1. Організація передавання даних комп'ютером та його інтерфейси
Спосіб організації та параметри передавання даних комп'ютером визначають числові та якісні характеристики доступу користувача до комп'ютерної мережі. В цьому розділі ми розглянемо комп'ютерні інтерфейсні технології, тобто технології, які використовують для при-єднання периферійних пристроїв та організації невеликих мереж у безпосередньому оточенні комп'ютера (завдовжки від кількох до десятка метрів).
На підставі розгляду способів передавання даних з комп'ютера та його інтерфейсів можна визначити різні підходи до організації передавання:
передавання даних з використанням спеціальної адаптерної плати, яку приєднують
до роз'єднувача розширення комп'ютера;
використання послідовного порту, виконаного згідно зі стандартом RS-232C;
через паралельний принтерний порт.
через інші наявні інтерфейсні порти.
Бурхливий розвиток інтерфейсних технологій останнім часом привів до появи нових інтерфейсних портів, що підтримують технології USB або Fire Wire. У сучасних комп'ютерах відмовилися від послідовного та паралельного портів, замінивши їх портами USB (Firewire). Комп'ютери без застарілих типів портів (legacy free PC) мають простіше внутрішнє компону-вання і значно ліпші параметри передавання. Незважаючи на це, наявність широкої бази ком-п'ютерів з послідовними та паралельними портами спонукають до вивчення цих технологій.
7.2. Шини введення-виведення РСІ, РСІ-Х, Future I/O, NGIO, System I/O
В архітектурі комп'ютера введення-виведення даних через адаптери, приєднані до роз'єднувачів, розширення відбувається за посередництвом внутрішньої шини введення-виведення. Ця шина приєднана до системної шини комп'ютера, і від її характеристик значно залежать параметри передавання даних через адаптер.
Архітектури шин уведення-виведення мають деяку історію. Наприклад, у наявних сьогодні комп'ютерів-можна виявити шиниі (та відповідні-роз'єднувачі) архітектур ISA, EISA, PCI. Найновішою з них є шина РСІ, яка набула масового поширення з середини 90-х років.
Шину РСІ (Peripheral Component Interconnect) використовують для сполучення системної внутрішньої шини комп'ютера з периферійними пристроями. Вона реалізує паралельне передавання інформації. Ширина шини 32 біти, отже, за один раз відбувається передавання 4 байтів. Шина стандарту РСІ 2.0 працює з частотою 33 МГц. Тому максимальна теоретична швидкість передавання по такій шині - 132 Мбайт/с (в EISA максимум - 33 Мбайт/с). На різних стадіях передавання провідники шини використовують для передавання команд та даних.
У шинах ISA та EISA запит від периферійного пристрою на обслуговування повинен пройти міст, шину пам'яті, кеш шини, локальну шину процесора. Шина РСІ сполучена з локальною шиною процесора через спеціальний міст напряму. Це дає змогу одночасно виконувати декілька операцій, наприклад, читання пам'яті процесором та роботу пристрою з кешем моста. Це також забезпечило незалежність шини РСІ від типу процесора (тому РСІ працюють, наприк-лад, у комп'ютерах Macintosh та з процесорами Alpha).
У шині РСІ передавання адрес і даних відбувається в різних циклах. Однак завдяки підтримці пакетного передавання та режиму володіння шиною передавання значно прискорене. Перед початком такого передавання передавач та приймач домовляються про обсяги переда-вання, а потім передавання відбувається безперервним потоком, який не можуть перервати інші пристрої.
Шина РСІ підтримує автоматичне конфігурування, Plug-and-Play, прямий доступ до пам'яті, перевіряння даних на парність.
На відміну від ISA, у якій кожен периферійний пристрій повинен користуватися окремим перериванням, РСІ дає змогу пристроям застосовувати одне переривання. В ISA реалізоване переривання за фронтом (edge-triggered interrupt), тоді як у РСІ - переривання за рівнем (level-triggered interrupt). У разі переривання за рівнем ПК відстежує рівень напруги на лінії переривань (а їх у РСІ чотири). Якщо рівень напруги змінився, наприклад, з 5 В до 0 - то це означає, що один з пристроїв, приєднаних до лінії, виставляє переривання. Після цього процесор опитує всі пристрої, приєднані до лінії, та визначає джерело переривання і передає керування програмі опрацювання переривань. Якщо після обслуговування переривання стан лінії відновився, то система починає виконувати інші функції, інакше процес опитування поновлюється. Таким способом можна швидко опрацювати переривання від кількох пристроїв або чергу переривань від одного пристрою. В ISA, де про наявність переривання сигналізують імпульси по призна-чених для кожного пристрою лініях, можливе було "випадання" переривань; якщо процесор опрацьовує одне переривання, то ще один імпульс на лінії непомічений.
Недоліком шини РСІ є невелика кількість роз'єднувачів периферійних пристроїв, які можна приєднати до неї. Причина цього полягає в обмеженнях навантаження шини. Кожен пристрій, приєднаний до шини, генерує та керований електричними сигналами. Якщо таких пристроїв багато, то розкид можливих значень струму й напруги на шині стає значним і може призвести до виходу з ладу мікросхем. Тому кількість пристроїв на шині РСІ обмежена десятьма; контролер РСІ на материнській платі теж є одним з них. Кожен слот РСІ вважають двома пери-ферійними пристроями (він може підтримувати два пристрої РСІ на одному адаптері). (Крім того, є пристрої РСІ, інтегровані на материнській платі ПК, наприклад, контролери дисків IDE). Отже, максимальна кількість роз'єднувачів РСІ на одній шині - три. Нестача роз'єднувачів РСІ особливо відчутна для серверних вирішень, адже вони, як звичайно, працюють з великою кількістю твердих дисків та іншої периферії. Тому в серверах уводять додаткові шини РСІ, використовуючи спеціальні мости (див. Д.11.1).
Поява гігагерцових процесорів, що працюють з шиною пам'яті завширшки 64 біти, з одного боку, а також поява гігабітових локальних мереж, з іншого, привели до того, що шина введення-виведення РСІ стала вузьким місцем. Максимальна швидкість передавання для 64-розрядної шини РСІ частоти 66 МГц сягає 533 Мбайт за секунду, що недостатньо для сучасних застосувань. Можливість захоплення шини одним з пристроїв створює небезпеку блокування інших пристроїв. Крім того, шина РСІ не підтримує заміни адаптерів у гарячому режимі (за винятком специфікації Hot Plug PCI, розробленої фірмою Compaq), що необхідно для серверів, які працюють постійно. Загальна довжина шини, особливо на високих частотах, обмежена 90 см, що також недостатньо.
Недоліки РСІ та значне збільшення параметрів продуктивності периферійних пристроїв спонукають інженерів розробляти нові архітектури шин уведення-виведення. Як звичайно, ці архітектури вже грунтуються на технологіях комутації. Як приклад, розглянемо декілька таких архітектур.
Шина РСІ-Х. Специфікацію РСІ-Х запропонували фірми Compaq, IBM, HP 1998 p. Ця технологія працює на шині РСІ та вводить у ній деякі поліпшення, завдяки яким швидкість передавання суттєво збільшується (за частоти 133 МГц, ширини шини 64 біт швидкість становить ЮббМбайт/с).
У попередній шині РСІ декодування отриманого сигналу приймачем відбувалося під час того ж циклу шини, що й передавання. Це створювало жорсткі вимого щодо часу декоду-вання та було перешкодою до збільшення тактової частоти шини. В технології РСІ-Х для декодування виділено окремий цикл шини, який незначно збільшує загальний час передавання.
У РСІ-Х до складу кожної трансакції передавання введена нова атрибутивна фаза, під час якої у 36-бітовому полі відбувається передавання даних про обсяг трансакції, її ініціатора, порядок проходження тощо.
Незважаючи на значне збільшення швидкості передавання, специфікація РСІ-Х є тим-часовою, її повинні замінити специфікації на базі комутованих структур.
Шина Future I/O. Специфікацію Future I/O запропонували Compaq, IBM, HP 1999 p. як архітектуру шини, яка повинна замінити РСІ. На відміну від РСІ, де периферійні пристрої розподіляють перепускну здатність шини між собою, локальна шина Future I/O ґрунтується на комутованій структурі з прямими сполученнями між пристроями. Приєднання нових пристроїв у такій структурі суттєво не впливає на продуктивність наявних сполучень. Планують, що почат-кова перепускна здатність нової шини буде 1 Гбайт для кожного сполучення.
Запропоновані три варіанти використання Future I/O:
сполучення між інтегрованими схемами та платами, встановленими на стійку. Використано паралельний кабель. Загальна довжина сполучення до 10 м. Застосовують для сполучення кластера процесорів, інших пристроїв;
сполучення між серверами в серверних кімнатах. Відстань від 10 до 300 м. Використовують оптичні та мідні кабелі;
сполучення на відстань понад 300 м. Досягають завдяки ускладненню контролерів передавання.
Шина Next Generation I/O (NGIO). Шину NGIO запропонували фірми Intel, Hitachi, NEC, Sun та ін. Як і Future I/O, вона використовує принцип комутації і має всі переваги, властиві комутованим системам.
Крім того, ця шина використовує канальну архітектуру, яку раніше застосовували тільки в головних комп'ютерах (мейнфреймах). Центральним елементом такої архітектури є головний канальний адаптер (Host Channel Adapter (HCA)). 3 одного боку, він пов'язаний з контролером пам'яті, а з іншого, - з комутатором (рис. 11.1). НСА реалізує функції прямого доступу до пам'яті. До комутатора приєднані цільові канальні адаптери (Target Channel Adapter (TCA)) та контролери введення-виведення. Кожен з них відповідає за взаємодію з одним периферійним пристроєм. НСА та ТСА можна приєднувати до інших канальних адаптерів або до комутаторів. Архітектура NGІО дає змогу різним адаптерам та гостам взаємодіяти один з одним. Комутатори забезпечують прозоре передавання. Процесори та ОС звільнені від функцій організації передавання. А контролер наділений інтелектуальними функціями. Він контролює процес переда-вання, має власний адресний простір і звертається до пам'яті не безпосередньо, а використо
вуючи повідомлення. Передавання даних по кожному каналу відбувається невеликими комірками. В кожному сполученні комірки передаються зі швидкістю до 2.5 Гбіт/с. Максимальна довжина каналу - до 17 м. Сьогодні шина NGIO відома також як PCI Express.
Шина System I/O. Розробники NGIO та Future I/O домовилися про об'єднання запропонованих специфікацій у единому стандарті System I/O. Нова специфікація повинна охороняти найліпші здобутки обох архітектур.
7.3. Передавання даних через послідовний порт стандарту RS-232C
Стандарти інтерфейсів фізичного рівня для передавання на коротку відстань, для приєднання терміналів, різних пристроїв тощо становлять окрему групу.
Ці стандарти класифікують як інтерфейси, окреслюючи цим той факт, що вони описують набір сигналів на межі між терміналом та комп 'ютером, модемом та комп'ютером тощо.
Передавання даних через послідовний порт стандарту RS-232C використовує двопро-водову лінію зв'язку, двополярні сигнали амплітудою 25 В. Стандарт розроблено за часів слабкого використання інтегрованих мікросхем. Максимальна швидкість передавання даних -20 000 біт/с, однак реальна швидкість залежить від відстані передавання. Стандарт RS-232C розроблено ще 1969 р. Американською асоціацією електронної промисловості (American Electronics Industries Association (AEIA, або EIA)), тому його інколи позначають як ЕІА RS-232C. 1TU розробив комплекс аналогічних стандартів V.24 (механічні характеристики) і V.28 (електричні характеристики), які за функціями відповідають ЕІА RS-232C.
У поліпшених стандартах RS-422, RS-423 враховано рівні сигналів інтегрованих мікросхем, призначені для передавання даних на більші відстані і з більшою швидкістю.
Стандарт RS-422 регламентує роботу симетричної ланки зв'язку та використання коаксіальних кабелів. Передавання інформації виконується на відстань до 1220 м зі швидкістю до ЮМбіт/с.
Стандарт RS-423 за можливостями посідає проміжне становище між RS-232C та RS-422. Він описує використання двопроводової несиметричної лінії зв'язку. Максимальна довжина лінії 1220 м. Середня швидкість передавання 3 Кбіт/с. За максимальної швидкості 300 Кбіт/с довжина лінії не перевищує 12.2 м.
Незважаючи на те, що інтерфейси RS-423/422 забезпечують ліпші характеристики передавання і були плановані для заміни RS-232C, вони не набули широкого використання.
7.4. Використання паралельного порту для передавання даних
Паралельний порт стандарту Centronics застосовують, як звичайно, для приєднання принтера, стримера та інших периферійних пристроїв. Теоретична максимальна швидкість передавання даних через цей порт - 500 Кбіт/с, реально - не більше 200 Кбіт/с. Довжина кабелю - не більше 3 м. Буфер має ємність 64 байт. Отже, передавання через паралельний порт, незважаючи на обмеження, більш ніж удвічі швидше, ніж через послідовний.
У 1992 p. IEEE затверджено швидкісний стандарт передавання даних через паралельний порт (стандарт ЕРР), який дає змогу передавати дані через двонапрямлений порт Fast Centronics зі швидкістю 2 Мбіт/с. У цьому разі використовують DMA - прямий доступ до пам'яті. Пізніше з'явився стандарт ЕСР (Zippy), який також використовує порт Fast Centronics, однак інший алгоритм стиснення.
На практиці використання паралельних портів для передавання даних у комп'ютерних мережах поширене мало (головно для прямого сполучення комп'ютерів).
7.5. Шина USB
USB (Universal Serial Bus) - нова послідовна шина для приєднання периферійних пристроїв до комп'ютера.
Чому використали не паралельний, а послідовний канал? Для суттєвого збільшення швидкості передавання по паралельному каналу треба використовувати велику киіькість дротів (8,16, 32, 64). Якщо довжина дротів достатньо велика (більше кількох метрів),
то суттєвими стають розбіжності у часі надходження імпульсів до одержувача.
Потрібно застосовувати механізми узгодження моментів надходження імпульсів. Крім того, передавання у сусідніх дротах генерує завади (порівняйте з NEXT). Виникає потреба скручувати дроти для зменшення завад, що для такої кількості складно. Послідовний канал має значно більші резерви щодо збільшення швидкості.
Стандарт USB розроблено фірмою Intel (уперше його підтримку реалізовано у чіпсеті Triton II - 82430НХ), його підтримують усі пізніші чіпсети цієї фірми. Одночасно з Intel над стандартом працювали IBM, Compaq, Digital, Microsoft, NEC, Northern Telecom; вони сформували консорціум USB Implement Forum, який займається розвитком USB.
Шина USB дає змогу приєднувати, налаштовувати, використовувати пристрої під час роботи госта. Розподіл перепускної здатності шини планується гостом та реалізується шляхом розсилання маркерів.
У мережі USB є три типи пристроїв гост (точніше, контролер USB госта) керує передаванням;
концентратор організовує приєднання інших концентраторів та пристроїв;
функція — відповідає певному кінцевому пристрою, приєднаному до мережі з чітко визначеною прикладною функцією (насправді в одному пристрої може бути реалізовано і декілька різних функцій).
Мережа має топологію дерева, у корені якого розташований гост-контролер, гілками є концентратори, а листям - функції. Звичайно гост-контролер інтегрований з кореневим концентратором (Root hub), що забезпечує декілька портів (найчастіше - два) для приєднання пристроїв. Логічно пристрій, приєднаний до будь-якого концентратора USB і правильно сконфігурований, можна трактувати як приєднаний безпосередньо до госта-контролера.
Функції відображають пристрої, здатні приймати та передавати інформацію по шині, реагувати на керівну інформацію. Вони можуть бути суміщені з концентратором. Перед використанням функція повинна бути сконфігурована -для неї треба виділити частину смуги перепускання та обрати параметри налаштування.
Кабельний концентратор має декілька портів. У кожного концентратора є висхідний порт (Upstream port), призначений для приєднання до госта або концентратора верхнього рівня, та низхідні порти (downstream ports), призначені для приєднання концентраторів нижнього рівня та функцій. Концентратор розпізнає приєднання та від'єднання пристрою від порту, може керувати живленням та обмежувати струм, що споживає порт. Концентратор ізолює високо-швидкісні сегменти від низькошвидкісних.
Усім процесом передавання керує контролер. Він опитує приєднані пристрої, визначає пріоритети передавання, планує та дозволяє передавання. Отже, у мережі USB реалізовано певну модифікацію методу доступу з опитуванням.
Інтерфейс USB 1.0 працює зі швидкістю 12 Мбіт/с. Підтримуваними є два окремі канали передавання — високо- та низькошвидкісний. Швидкість передавання у низькошвидкісному каналі - 1.5 Мбіт/с. Версія USB 2.0 працює зі швидкістю, в 40 разів більшою, тобто близько 500 Мбіт/с для швидкісного каналу.
Роз'єднувач USB має чотири контакти: перший - VCC (живлення); другий - дані (D-); третій - дані (D+); четвертий - заземлення (порівняйте з симетричним передаванням).
Використовують два типи роз'єднувачів. Роз'єднувач типу A (Upstream Connector) застосовують для приєднання до концентраторів. Вилки встановлюють на кабелях, не від'єднаних від пристроїв (клавіатура, мишка), а гнізда - на низхідних портах. Роз'єднувач типу В (Downstream Connector) встановлюють на пристроях, у яких з'єднувальні кабелі від'єднувані (принтеpax, сканерах): вилку - на з'єднувальному кабелі, а гніздо - на пристрої. Протилежна частина кабелю має вилку роз'єднувача А. Роз'єднувачі типу А та В розрізняють механічно, що не допускає петлевих сполучень концентраторів. Конструкція роз'єднувачів забезпечує пізніше сполучення і швидше від'єднання сигнальних ліній порівняно з лініями живлення.
Шина USB дає змогу приєднувати до 127 пристроїв. Пристрої можна приєднувати та від'єднувати без вимкнення комп'ютера, всі приєднані пристрої використовують один номер переривання.
Живлення приєднаних пристроїв також відбувається через USB. Є змога керувати енергоспоживанням приєднуваних пристроїв. Водночас через USB живляться тільки пристрої з малим енергоспоживанням. Інші пристрої мають власні джерела живлення.
Повніше мережу USB розглянуто в Д. 11.3.
7.6. Технологія Firewire
Шина Firewire призначена для швидкісного обміну інформацією між розташованими близько (до 4.5 м) пристроями. Одночасно передавання відбувається по двох лініях (швидкісній та повільній). Швидкості передавання 100,200,400 Мбіт/с досягають завдяки стисненню. Розроблено стандарт ІЕЕЕ-1394Ь, який працює зі швидкостями до 800 або 1600 Мбіт/с.
Firewire — це послідовна швидкісна шина. Передавання в ній повністю цифрове, синхронне, а також багатоканальне, тобто один пристрій може одночасно підтримувати зв'язок з кількома'іншими. Firewire може забезпечувати гарантовану смугу перепускання. Вона використовує мультиплексне квантування за часом і є різновидом системи з розподілом часу.
Головна сфера застосування Firewire - інтегрування побутової мультимедійної апаратури між собою та ПК (система може працювати і без ПК). З використанням Firewire приєднують такі типи пристроїв: ПК, аудіо- та відеопристрої, принтери та сканери, тверді диски та їхні масиви, цифрові відеокамери та магнітофони. З використанням Firewire можна сполучати розташовані близько комп'ютери в локальну мережу.
Робота над прообразом мережі Firewire почалася ще 1988 р. в компанії Apple Computer. У 1990 p. розпочато розробку відкритого стандарту. Для цього вирішили використати напра-цювання стандарту Apple. Було сформовано робочу групу з Apple Computer, Texas Instruments, Molex, Western Digital. Пізніше до цього колективу приєдналися IBM, Sony, Sun, Intel, Microsoft та інші провідні фірми. У грудні 1995 р. стандарт Firewire IEEE 1394-1995 нарешті схвалили. Цей стандарт відомий ще як ІЕС 1883.
Стандарт IEEE 1394 має три частини: перша описує 400 мегабітову шину, друга -гігабітову, третя - мости, що сполучають шини Firewire.
Окремий сегмент мережі IEEE 1394 (шина) складається з вузлів (до 63). Кожен вузол має один або декілька портів, до яких можуть приєднуватися інші вузли. Окремі шини об'єднують мостами, формуючи більші за розміром мережі. Максимальна кількість об'єднаних таким способом шин- 1023. Обмеження: між парою вузлів може бути не більше 16 сегментів, унаслідок сполучення шин не повинні формуватися петлі, довжина кабелю, що сполучає два вузли, не перевищує 4.5 м.
Логічна структура Firewire має деревоподібну форму. Один з пристроїв є кореневим. Якщо цей пристрій - ПК, то він може містити міст між шинами IEEE 1394 та РСІ і виконувати додаткові функції з керування шиною.
Firewire використовує чотири- або шестижильний кабель (рис. 11.2,11.3), у якому є дві сигнальні пари та одна пара живлення. По одному з дротів подається живлення (VP), а інший
- це земля (VG). Дві скручені пари (ТРА та ТРВ) використовують для передавання даних та сигналу синхронізації. По першій парі передається NRZ-сигнал даних, а по другій - строб-сигнал, який змінює свій стан, якщо два сусідні NRZ-біти виявилися однаковими. Кожна скручена пара та весь кабель екрановані. Дроти живлення розраховані на струм до 1.5 А та напругу від 8 до 40 В.
Детальніше робота шини Firewire описана у Д. 11.4. ·

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать