Інтерфейси ПК: суміш авангарду і ретро

1. Класичні зовнішні інтерфейси: послідовний і паралельний
2. Інтерфейси нового покоління - IEEE-1394 (FireWire) і USB
3. Інтерфейси підключення внутрішніх пристроїв і жорстких дисків

Микола Прокоф'єв

Класичні зовнішні інтерфейси: послідовний і паралельний

Інтерфейси нового покоління - IEEE-1394 (FireWire) і USB

Інтерфейси підключення внутрішніх пристроїв і жорстких дисків

Перехідний період у інтерфейсів персонального комп'ютера затягнувся. Він триває вже не один, не два і навіть не три роки, а на «шокову терапію» ніхто не наважується. Стратегія інтерфейсної «оксамитової революції» привела до того, що сьогодні на системних платах спостерігається жахливе нагромадження прогресивних і морально застарілих інтерфейсних рішень. Деякі з досі використовуваних інтерфейсів успадковані персональними комп'ютерами від своїх «прабатьків» - міні-ЕОМ, які були в ходу задовго до появи IBM PC XT / AT. Саме тому частина використовуваних в сучасних ПК інтерфейсів вдвічі старше їх самих. Як могла утворитися така суміш і чим викликане таке неадекватне «довгожительство»?

В даний час кожен комп'ютер має безліч вбудованих інтерфейсів для підключення периферійних пристроїв. У цьому списку можна відзначити послідовні і паралельний порти, роз'єм клавіатури і миші і ін. При цьому деякі з них створені десятиліття тому і не відповідають сучасним вимогам продуктивності, простоти налаштування і стабільності (безконфліктності). Однак навіть самий критикований інтерфейс не може бути «поганим» в філософському сенсі. Кожен інтерфейс створювався під певні завдання і, як правило, прекрасно з ними справлявся. Недоліки застарілого (або legacy - від англ. «Успадкований») інтерфейсу починають проявлятися лише при спробах вийти за рамки його кола завдань. Якщо все працює добре і досить швидко, то навіщо ж воду мутити? Скажімо, паралельний порт не дарма в побуті називають принтерним. Він і не зобов'язаний демонструвати чудеса продуктивності при роботі зі швидкісними зовнішніми накопичувачами - це не його єпархія. Кому потрібна швидкість обміну - нехай встановлює интерфейсную карту з контролером USB 2.0 або FireWire.

Та й взагалі, на сьогоднішній день повноцінних систем legacy-free (тобто без застарілих інтерфейсів) в роздрібному продажі майже не зустрінеш. Вони поки живуть тільки на виставках і лабораторіях провідних виробників. Процес зрозумілий. Здебільшого він пояснюється моральною непідготовленістю користувачів списати в утиль своє периферійне устаткування. І, як наслідок, неготовністю виробників обладнання надійно перекрити кисень legacy-системам. Очевидно, що до тих пір, поки абсолютно весь перелік периферійного обладнання не буде мати підтримку USB, ні про яке масове відмову користувачів від звичних інтерфейсів не може бути й мови. Крім того, вкрай важливо, щоб новомодні пристрої працювали принаймні не гірше за своїх попередників.

Класичні зовнішні інтерфейси: послідовний і паралельний

Насправді вже з середини 80-х стало очевидно, що успадковані персональними системами послідовний (RS-232С) і паралельний (Centronics) порти не забезпечують достатню для підключення периферії швидкість, за винятком найпростіших пристроїв типу миші, принтера та інших, нечутливих до смуги пропускання. В результаті розвитку прийнятої в 1969 році специфікації з'явилися стандарти RS-422/485, що використовують балансовий метод передачі і збільшене за рахунок цього граничну відстань передачі з 25 до 1100 м. Розвиток технологій паралельного інтерфейсу призвело до прийняття стандарту IEEE-1284 (ECP / EPP) , що підтримує значно більшу швидкість передачі даних і використовує буферизацию даних. Крім того, ECP-режим дозволяв в разі підтримки пристроєм упаковки-розпакування даних за алгоритмом RLE здійснювати передачу даних зі стисненням «на льоту», що давало можливість збільшити в 2-50 разів фактичну швидкість передачі даних. Паралельний порт з режимом ECP використовувався в основному для підключення принтерів і сканерів. Однак всі ці поліпшення носили, скоріше, косметичний характер і упиралися в глуху стіну обмеженої кількості пристроїв на порт за схемою «один пристрій на кожен порт». Це обмеження, а також прийнятність ширини смуг пропускання для існуючих тоді завдань привели до появи великої кількості зовнішніх пристроїв зі своїми контролерами (як правило, ISA, рідше PCI), що дозволяють обійти зазначені обмеження. Але це теж не було виходом із ситуації. Кардинальний вихід напрошувався тільки один - розробка з нуля нового інтерфейсу підключення периферійних пристроїв, що підтримує Plug-and-Play, більшу кількість пристроїв на порт і їх «гаряче» підключення.

Однак, незважаючи на всі зазначені недоліки, послідовний (COM) і паралельний (LPT) інтерфейси ціле десятиліття вірно несли свою службу. І обмеження «один порт - один пристрій» не викликало різкого роздратування, оскільки для потреб звичайного користувача двох послідовних і одного паралельного інтерфейсів вистачало з запасом. До того ж поява інтерфейсу PS / 2 дозволило звільнити один послідовний порт для підключення додаткового пристрою.

Інтерфейси нового покоління - IEEE-1394 (FireWire) і USB

У 1986 році компанія Apple розгорнула роботи зі створення нового інтерфейсу, і в 1990 році випустила перше технічний опис шини FireWire (IEEE-1394). До моменту прийняття стандарту гранична швидкість передачі даних по шині досягла 400 Мбіт / с. Основною перевагою нового інтерфейсу стала можливість (вперше в області) в реальному масштабі часу передати відеоряд з високою роздільною здатністю, про що раніше без використання спеціальних досить дорогих інтерфейсних карт навіть мріяти не доводилося. Для порівняння в табл. 1 наведені ширини смуг пропускання для найбільш поширених інтерфейсів.

Шина FireWire (IEEE -1394) здатна самостійно забезпечувати харчуванням пристроїв для підключення (напруга до 40 В при струмі до 1,5 А) і дозволяє виробляти їх гаряче підключення. Використовуваний роз'єм має 6 контактів: дві кручені пари для передачі даних та живлення. Для пристроїв з власним блоком живлення (наприклад, відеокамер) можливе застосування 4-контактного роз'єму. Теоретично можливе підключення до 63 пристроїв на єдиний порт з максимальною кількістю проміжних вузлів між пристроями, рівним 16, що неминуче накладає додаткові обмеження на топологію підключення. Передача даних в IEEE-1394 може відбуватися як в асинхронному, так і в синхронному режимі із заданою гарантованою швидкістю передачі даних для кожного пристрою (за умови невиходу сумарної швидкості за межі смуги пропускання шини), що важливо для передачі даних в реальному масштабі часу. На практиці це означає, що завжди можна зарезервувати «коридор» (наприклад, між комп'ютером і відеокамерою), який залишиться в повному розпорядженні користувача незалежно від рівня навантаження на шину з боку інших пристроїв. Якщо дайте йому працювати в синхронному режимі, воно резервує для себе певне місце в кадрі даних (довжина кадру дорівнює 125 мс). Для цього робочий квант часу передачі ділиться на зарезервовані ділянки, і «незамовлені» ділянки використовуються для менш пріоритетною асинхронноїпередачі. Інтерфейс FireWire уже кілька років застосовується як в професійних, так і в побутових цифрових відео / телекамери, магнітофонах і фотоапаратах. Існує і гігабітний варіант IEEE-1394.2, в якому використовується оптоволоконний кабель.

Незважаючи на очевидні переваги нового інтерфейсу, підтримка FireWire вперше з'явилася в складі операційної системи (природно, це була Mac OS) тільки в квітні 1997 року (порівняльні характеристики дані в табл. 2 ). На цю подію давно чекали виробники різноманітних плат розширення, призначених головним чином для підключення цифрових відеокамер - інших FireWire-пристроїв в цей час практично не існувало. Масова поява периферії з інтерфейсом FireWire почалося в 1999 році, коли він став стандартним компонентом всіх професійних комп'ютерів Power Macintosh G3 і G4, а з осені - споживчих систем iMac DV. Комп'ютери iMac DV мають два зовнішніх 6-контактних FireWire-роз'єму (харчування пристроїв потужністю до 6 Вт), а професійні станції Power Mac G4 - цілих три (харчування пристроїв потужністю до 15 Вт), один з яких - внутрішній. Слідуючи давній традиції, Apple не вказує компанію - виробника контролерів для своїх систем, хоча відомо, що більше 90% сучасного ринку FireWire-чіпсетів належить компанії Texas Instruments. А оскільки частка Apple серед постачальників FireWire-комп'ютерів більш ніж вагома (вже продано кілька мільйонів таких систем), «вирахувати» таємничого постачальника нескладно.

Стандарт USB - нині головний і єдиний конкурент шини FireWire - відносно молодий. Однак це не завадило йому істотно потіснити свого супротивника на ринку периферійних пристроїв, не посягаючи тільки на специфічний (і відносно невеликий) сегмент пристроїв, для яких можливість резервування смуги пропускання є життєво необхідною. Специфікація периферійної шини USB розроблена лідерами комп'ютерної і телекомунікаційної промисловості - Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC - для підключення комп'ютерної периферії поза корпусом машини по стандарту Plug-and-Play. В результаті відпадає необхідність в установці додаткових плат у слоти розширення і переконфігуруванні системи. Персональні комп'ютери, що мають шину USB, дозволяють підключати периферійні пристрої і здійснювати їх автоматичне конфігурування відразу ж після фізичного підключення пристрою до машини. При цьому немає необхідності перезавантажувати або вимикати комп'ютер, а також запускати програми установки і конфігурації. USB-кабель містить 4 провідника: дві кручені пари, харчування 5 В і загальний провід. Таким чином, пристрої поділяють одну сигнальну лінію. Для корекції одиночних помилок на лінії використовується циклічний CRC-код. Крім загального каналу шириною в 12 Мбіт / с в USB є так званий подканал шириною в 1,5 Мбіт / с для повільних пристроїв, таких як клавіатура, миша, джойстик, перо і т.д. Це дозволяє знизити вартість повільних USB-портів в цих пристроях, оскільки більш висока швидкість для таких пристроїв не потрібна. Шина USB дозволяє одночасно підключати послідовно до 127 пристроїв, або концентраторів (тобто пристроїв, через кожне з яких підключається ще кілька). До таких пристроїв відносяться: телефони, модеми, клавіатури, миші, пристрої читання CD-ROM, джойстики, стрічкові і дискові накопичувачі, сканери і принтери. Пропускна здатність в 12 Мбіт / с дозволяє підключати через USB все сучасні периферійні пристрої, включаючи апаратуру для обробки відеоданих формату MPEG-2, рукавички для управління віртуальними об'єктами і дигітайзери. Крім того, з огляду на що очікується великого зростання в області інтеграції комп'ютерів і телефонії шина USB може виступати в якості інтерфейсу для підключення пристроїв цифровий мережі з інтегрованими послугами (ISDN) і цифрових пристроїв Private Branch eXchange (PBX), дозволяють підключати велику кількість телефонів до невеликої кількості ліній зв'язку.

USB версії 2.0 має значно більшу пропускну здатність (до 480 Мбіт / с). Для сумісності з USB 1.1 новий порт здатний працювати в декількох режимах. При підключенні тільки високошвидкісних пристроїв шина працює в режимі USB 2.0, а якщо підключено пристрій, який не здатний працювати на такій швидкості, шина знижує робочу частоту до прийнятної для даного пристрою. Незважаючи на деяку «млявість» нашого ринку, на заході USB з успіхом замінює і послідовний RS-232C-порт, і паралельний IEEE 1284. Зручність універсальної шини очевидно. Завдяки USB велика різноманітність портів на задній стінці нашого персонального комп'ютера скоро піде в минуле.

З метою створення режиму максимального сприяння появі нових USB-пристроїв розробники стандарту зробили безпрецедентний хід. Використання USB вільно від авторського гонорару, тобто творці специфікації дозволяють всім бажаючим розробляти на її основі продукцію без будь-якої плати за це. Розробники специфікації шини підписали угоду про відсутність будь-якого судового переслідування за будь-якого включеному в угоду пункту в межах специфікації. Зворотний договір є копією цієї угоди з можливістю для будь-якого, хто впроваджує шину USB, підписати цей договір і повернути його в адміністрацію USB-IF для внесення запису про те, що угода прочитане і зрозуміле. Зворотний договір доступний кожному (членам USB-IF чи ні) для роз'яснення ліцензійної угоди на USB. Це призвело до справжнього буму USB-пристроїв.

Необхідно віддавати собі звіт в тому, що до широкого впровадження USB 2.0 при впроваджених контролерах USB1.1 обмежувати швидкість обміну персонального комп'ютера із зовнішнім світом жалюгідними півтора мегабайтами в секунду неможливо ні розумним, ні виправданим. Тому доведеться трохи почекати - хоча б до літа. Ближче до літа з'являться комерційно доступні плати з підтримкою USB 2.0 ( «сирі» екземпляри, хоча і рідко, зустрічаються в продажу вже зараз). Однак ряд компаній вже представили периферійні пристрої, сумісні зі стандартом USB 2.0. Але це не означає, що через рік можна буде викинути наші заслужені «багатопортові» материнські плати, купити нову, яка підтримує тільки USB-інтерфейс, і повноцінно працювати. Задуматися про це нам доведеться ще не дуже скоро. Це викликано насамперед високою вартістю нового обладнання. Але з часом ціни стануть цілком прийнятними і придбання системи legacy-free (тобто системи, що не використовує для підключення периферійних пристроїв інтерфейсів, відмінних від USB) стане цілком реальним. З іншого боку, намічається тенденція переведення всіх пристроїв на USB може призвести до відмирання звичних нам з вами слотів розширення ISA / PCI. Це призведе до мініатюризації персональних комп'ютерів до розмірів сучасних ноутбуків. У що перетворяться нинішні ноутбуки - передбачати не візьмуся, але вважаю, що через 5-8 років нікого не вдасться здивувати ноутбуком розміром з сучасний мобільний телефон, які реалізують функції стенографіста і керованим голосом. Очевидно поки одне: інтерфейс USB після довгих років підготовки дозволив здійснити давню мрію користувачів про гарячому підключенні периферійного обладнання, причому зробив це легко, елегантно і з мінімальними фінансовими витратами для користувачів. Фактично витрат і не треба було - просто в конфігурацію комп'ютера була включена підтримка нового інтерфейсу на тих же правах, що й інтерфейсу ATA. Надалі швидкість передачі даних через цей інтерфейс буде рости, а разом з тим буде розширюватися і список пристроїв, що підключаються. А потім настане такий момент, коли, дивлячись на задню кришку комп'ютера, ми не побачимо ніяких інших роз'ємів, крім USB. І це буде кінець історії інтерфейсів, успадкованих нами від найпершої IBM PC XT і її попередників.

Інтерфейси підключення внутрішніх пристроїв і жорстких дисків

Рівно вісім років тому в моєму домі з'явився перший комп'ютер (486DX2-66 з 1х CD-приводом, що підключається через інтерфейсну карту). Вже тоді для підключення жорстких дисків використовувався інтерфейс АТА, а також інтерфейси ISA і VESA-local bus для підключення внутрішніх пристроїв. Минуло вісім років. Інтерфейс ISA практично в незмінному вигляді присутня в мільйонах комп'ютерів. Спроба поліпшення шини ISA (VESA Local Bus) благополучно провалилася. 32-розрядна шина PCI (існує і 64-розрядна модифікація) з успіхом зайняла заслужене місце в якості основної шини підключення внутрішніх пристроїв. Останні роки співвідношення слотів розширення ISA до PCI неухильно змінювалося на користь останніх, і ряд новітніх моделей материнських плат вже не має слотів ISA.

Інтерфейс підключення жорстких дисків АТА за минулі роки поступово розвивався, забезпечуючи все більші швидкості передачі даних і дозволяючи підключати всі більший набір пристроїв. Перша версія стандарту АТА була затверджена в 1994 році національним комітетом по стандартам інформаційних технологій (NCITS). Стандарт ATA-1 визначав 16-бітний шинний інтерфейс для обміну інформацією між вінчестерами і контролерами на системній шині. Він дозволив привести існуючі на той час на ринку IDE вінчестери до взаємної сумісності. Тим, хто мав з ними справу ще на початку 90-х, пам'ятні випадки неможливості спільної роботи двох вінчестерів від різних виробників. Поява єдиного офіційного стандарту вирішило проблеми з несумісністю різних моделей. Остання версія інтерфейсу АТА-6 була прийнята менше року тому і підтримується більшістю нових материнських плат.

КомпьютерПресс 5'2001