![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Как подключаются периферийные устройства
К периферии, подключаемой через промежуточные интерфейсы, относится большинство устройств хранения (дисковые, ленточные), устройств ввода-вывода (клавиатуры, мыши, принтеры, плоттеры), ряд коммуникационных (внешние модемы). Традиционный подход к организации подключения заключался в том, что для каждого такого ПУ к шине расширения подключался свой контроллер интерфейса, к которому подключалось свое устройство — одно, в лучшем случае — небольшая группа устройств. Именно так устроен LPT-порт — адаптер интерфейса, к которому подключается принтер (подключение цепочки устройств к нему придумали с опозданием). Также и к COM-порту можно подключить или модем, или мышь, или другое устройство (одно). Диски ATA можно подключать к контроллеру всего по 1-2 на канал, устройства SCSI — до 7 или 15 — рекорд множественности традиционных подключений. Для взаимодействия с ПУ процессор обращается к регистрам контроллера, «представляющего интересы» подключенных к нему устройств. 1 Контроллер отличается от адаптера более высоким уровнем «интеллекта» 3. Как передается информация
· Дискретная информация, отображающая процесс конечным числом значений. Элементарная единица дискретной информации — 1 бит, который может принимать лишь одно из двух логических значений: 0 (истина, «да») или 1 (ложь, «нет»). Одним битом, к примеру, можно отобразить состояние кнопки «мыши»: нажата или нет. Дискретная двоичная информация является «родной» для большинства компьютеров, поскольку ее проще всего получать, обрабатывать, хранить и передавать. Цифровая информация, представляющая собой последовательность (набор) чисел, имеющих ограниченную разрядность (и, соответственно, конечное число возможных значений). Пример — оцифрованный звук, представляющий собой последовательность отсчетов мгновенных значений давления, берущихся через равные интервалы времени. Дискретную и цифровую информацию не всегда корректно различают (и не всегда это требуется), поскольку «выглядит» она похоже: в двоичной системе и та и другая представляет собой наборы ноликов и единичек. Важным отличием цифровых данных является осмысленность сравнения значений по условиям «больше-меньше». Цифровая информация является особым видом дискретной. Для передачи данных по различным интерфейсам наиболее существенно разделение на аналоговые (непрерывные) и дискретные. Для того чтобы передавать данные, их нужно представить в виде сигнала — физического процесса (электрического, оптического, электромагнитного, хотя возможны и другие). Сигналы могут быть различных типов: аналоговые (непрерывные), дискретные, цифровые. Заметим, что тип сигнала может и не соответствовать типу передаваемых данных. Так, например, аналоговый сигнал телефонного модема несет дискретные (цифровые) данные. Тип и природа используемого сигнала определяется требованиями к интерфейсу: дальность связи, скорость передачи данных, надежность, достоверность, безопасность, стоимость, удобство подключения, энергопотребление и другими.
На первый взгляд, организация параллельного интерфейса проще и нагляднее (не надо выстраивать биты в очередь на передачу и собирать байты из принятой последовательности бит). Также, на первый взгляд, параллельный интерфейс обеспечивает более быструю передачу данных, поскольку биты передаются сразу пачками. Очевидный недостаток параллельного интерфейса — большое количество проводов и контактов разъемов в соединительном кабеле (по крайней мере, по одному на каждый бит). Отсюда громоздкость и дороговизна кабелей и интерфейсных цепей устройств, с которой мирятся ради вожделенной скорости. У последовательного интерфейса приемопередающие узлы функционально сложнее, зато кабели и разъемы гораздо проще и дешевле. Понятно, что на большие расстояния тянуть многопроводные кабели параллельных интерфейсов неразумно (и невозможно), здесь гораздо уместнее последовательные интерфейсы. Cкорость передачи данных. Очевидно, что она равна числу бит, передаваемых за квант времени, деленному на длительность кванта. Для простоты можно оперировать тактовой частотой интерфейса — величиной, обратной длительности кванта. Это понятие естественно для синхронных интерфейсов, у которых имеется сигнал синхронизации (clock), который определяет возможные моменты возникновения всех событий (смены состояния). Для асинхронных интерфейсов можно пользоваться эквивалентной тактовой частотой — величиной, обратной минимальной длительности одного состояния интерфейса. Теперь можно сказать, что максимальная (пиковая) скорость передачи данных равна произведению тактовой частоты на разрядность интерфейса. У последовательного интерфейса разрядность 1 бит, у параллельного — столько, сколько имеется параллельных сигнальных цепей для передачи битов данных. Остаются вопросы о достижимой тактовой частоте и разрядности. И для последовательного, и для параллельного интерфейсов максимальная тактовая частота определяется достижимым (при разумной цене и затратах энергии) быстродействием приемопередающих цепей устройств и частотными свойствами кабелей. Здесь уже проглядывают выгоды последовательного интерфейса: для него затраты на построение высокоскоростных элементов не приходится умножать на разрядность интерфейса, как это приходится делать для параллельного. В параллельном интерфейсе есть явление перекоса (skew), существенно влияющее на достижимый предел тактовой частоты. Суть его в том, что сигналы, одновременно переданные на одной стороне интерфейсного кабеля, доходят до другого конца не одновременно из-за отклонений характеристик цепей. На время прохождения влияет длина проводов, свойства изоляции, соединительных элементов и т.п. Очевидно, что перекос (разница во времени прибытия) сигналов разных битов должен быть явно меньше кванта времени, иначе биты будут искажаться (путаться с одноименными битами предшествующих и последующих посылок). Вполне понятно, что перекос ограничивает и допустимую длину интерфейсных кабелей: при одной и той же относительной погрешности скорости распространения сигналов на большей длине набегает и больший перекос. Перекос сдерживает и увеличение разрядности интерфейса: чем больше используется параллельных цепей, тем труднее добиться их идентичности. Из-за этого даже приходится «широкий» (многоразрядный) интерфейс разбивать на несколько «узких» групп, для каждой из которых используются свои управляющие сигналы. В 90-х годах в схемотехнике приемопередающих узлов стали осваиваться частоты в сотни МГц и выше, т.е. длительность кванта стала измеряться единицами и долями наносекунд. Достичь соизмеримо малого перекоса можно лишь в пределах жестких компактных конструкций (печатная плата), а для связи отдельных устройств кабелями длиной в десятки сантиметров пришлось остановиться на частотах до десятков МГц. Для того чтобы ориентироваться в числах, отметим, что за 1 наносекунду сигнал пробегает по электрическому проводнику порядка 20-25 сантиметров. В последовательном интерфейсе явление перекоса отсутствует, так что повышать тактовую частоту можно вплоть до предела возможностей приемопередающих цепей. Конечно, есть ограничения и по частотным свойствам кабеля, но изготовить хороший кабель для одной сигнальной цепи гораздо проще, чем для группы цепей, да еще и с высокими требованиями к идентичности. А когда электрический кабель уже «не тянет» требуемую частоту и дальность, можно перейти на оптический, у которого есть в этом плане огромные еще не освоенные «запасы прочности». Устраивать же параллельный оптический интерфейс — слишком дорогое удовольствие.2 Вышеприведенные соображения объясняют тенденцию перехода на последовательный способ передачи данных. В таблице 1 приведены сравнительные характеристики параллельных интерфейсов, ныне используемых для подключения периферийных устройств. Для полноты описания достижений параллельного способа передачи стоит упомянуть параллельные шины подключения процессоров и памяти, разрядность которых достигает 128 бит, а скорость передачи данных — нескольких Гбайт/с. Однако такие характеристики достигаются лишь на совсем коротких дистанциях (десяток сантиметров, а то и меньше). У последовательного способа в данную таблицу не попали сетевые интерфейсы (Ethernet 10/100/1000/10000 Мбит/с, технологии передач глобальных сетей ATM, SONET, SDH), впечатляющие сочетанием гигабитных скоростей и расстоянием (сотни метров — десятки и сотни километров). При сравнении скоростей параллельных интерфейсов, выражаемых мегабайтами в секунду, и последовательных с их мегабитами в секунду есть нюансы, о которых речь пойдет позже. Пока что можно ориентировочно мегабиты в се кунду делить на 10 (а не на 8), чтобы получать мегабайты в секунду.
1 Бывают и не 8-битные байты2 В 10-гигабитной версии технологии Ethernet есть параллельно-последовательный вариант Таблица 1. Сравнение параллельных и последовательных интерфейсов
Продолжая разговор об интерфейсах, обсудим, какими способами можно передавать информацию (интерфейсными сигналами) между устройствами. 5. Сигналы и среда передачи
Инфракрасный порт — стандартный IrDA и его фирменные предшественники HP-SIR и ASK IR — уже долгие годы используются для беспроводного подключения периферии (принтеров и других устройств) к компьютерам. Особенно эффектно это подключение выглядит с малогабаритными устройствами, размеры которых соизмеримы (а то и меньше) размеров кабелей и разъемов традиционных интерфейсов. Порт IrDA имеет направленные излучатели и приемники с углом охвата 15-30° и дальность действия порядка 1 м, так что для соединения устройств их нужно должным образом приблизить друг к другу и сориентировать. Безусловным лидером по показателю «Эль-Эф» является проводная оптическая связь, где световые импульсы инфракрасного диапазона передаются по оптоволокну, стеклянному или пластиковому. Стеклянное волокно в основном используется в телекоммуникациях, где требуется дальность связи, измеряемая сотнями метров и десятками (и даже сотнями) километров. Определенные типы волокна при подходящей длине волны обеспечивают прохождение сигнала с допустимым затуханием и сохранением формы, дает возможность достигать гигабитных скоростей в сочетании с километровыми расстояниями. Резервом повышения пропускной способности оптической линии является возможность волнового мультиплексирования: по одному волокну может распространяться множество оптических сигналов с различными длинами волн, не мешая друг другу. Аналогичное частотное уплотнение в электрических кабелях имеет куда более скромные возможности. Недостаток стеклянной оптики — дороговизна оконечных устройств (приемопередатчиков) и соединительной аппаратуры, сам же кабель может быть и дешевле медного. В интерфейсах, не требующих больших расстояний (до десятков метров), с успехом используется пластиковое волокно, для которого и кабели, и разъемы существенно дешевле. Пример оптического интерфейса в современном персональном компьютере — Toslink, оптическая версия цифрового аудиоинтерфейса S/PDIF. В серверах можно встретить интерфейс Fibre Channel (FCAL), с помощью которого подключают устройства хранения данных, которые могут быть удалены от компьютера хоть на километры при скорости передачи порядка 1 Гбит/с. Говоря об оптических интерфейсах, следует отметить, что они обеспечивают полную гальваническую развязку соединяемых устройств. Это означает, что схемы этих устройств не имеют электрической связи друг с другом, их «схемные земли» могут находиться под существенно различающимся потенциалом (хоть до тысяч и даже миллионов вольт). Кроме того, оптический интерфейс нечувствителен к электромагнитным наводкам. В ряде случаев эти свойства играют решающую роль, например, при соединении оборудования на энергетических объектах, в производственных помещениях с сильными источниками помех и т.п. В аудиотехнике гальваническая развязка позволяет избавиться от наводок (помех), приводящих к возникновению фона. Некоторые электрические интерфейсы (например, FireWire) также обладают гальванической развязкой, но параметры этой развязки скромнее (она распространяется только на низкие частоты, да и допустимая разность потенциалов не более 500 В, а в дешевых вариантах — 60 В). Конечно, гальваническую развязку обеспечивают и любые беспроводные интерфейсы, но в условиях сильных помех радиоинтерфейсы скорее всего не обеспечат высокой скорости и надежности передачи. Проводные оптические интерфейсы — наиболее защищенные от несанкционированного подключения. Съем информации без механического вмешательства в кабельное хозяйство практически невозможен, при необходимости можно организовать мониторинг состояния линии и своевременно засечь попытку подключения.
6. Организация и топология интерфейсов
Топология определяет конфигурацию связей между соединяемыми устройствами: двухточечная, шинная, радиальная, смешанная, цепочечная. Двухточечная топология, или выделенный интерфейс — самая простая связь, в которой участвуют только два устройства. Каждое из устройств «знает», что на противоположном конце интерфейса может быть лишь одно устройство, и задачи адресации не возникает. В случае подчиненных отношений в таком интерфейсе не возникает и задачи арбитража. Двухточечный интерфейс с подчиненным устройством будет иметь самый простой протокол. Пример — LPT-порт компьютера в стандартном варианте, к которому подключено лишь одно устройство (принтер). Шинная топология — объединение нескольких устройств на одной шине. Шина в данном контексте — совокупность сигнальных линий, соединяющих несколько устройств. Все устройства для обмена информацией пользуются одними и теми же линиями шины, они одновременно «слышат» друг друга. Для успешного обмена на время транзакции только одно устройство на шине может быть ведущим (задатчиком, инициатором); если на шине присутствует более одного устройства, претендующего на роль задатчика, то должен быть реализован протокол и механизм арбитража — передачи права на управление шиной. Арбитраж может выполняться централизовано специальным выделенным узлом-арбитром шины или распределенно, когда эта функция выполняется всеми потенциальными задатчиками. Арбитраж может быть как простым, так и приоритетным, с различными механизмами управления приоритетом узлов. Пример шин с централизованным арбитражом — PCI, ISA; с распределенным арбитражом — SCSI, FireWire. Если шиной управляет лишь одно устройство (хост), то арбитраж не нужен; примеры — шины ATA, USB. Шинные соединения обеспечивают удешевление и конструктивное упрощение, что особенно заметно в параллельных интерфейсах с большим числом сигнальных линий. Однако это достигается ценой усложнения протокола и повышения уязвимости, поскольку отказ одного устройства (или линии связи) может парализовать работу всей шины. Радиальная (звездообразная) топология — способ соединения более двух узлов, при котором к каждому периферийному узлу от центрального идет свой набор интерфейсных линий. Как правило, центральный узел является и единственным ведущим устройством, так что из интерфейсного протокола исключается задача арбитража. Задача адресации решается исключительно средствами центрального узла (звезду можно рассматривать как совокупность двухточечных соединений), что также упрощает протокол. Кроме упрощения протокола, радиальная топология имеет ряд преимуществ: высокая живучесть (отказ одного из периферийных устройств или его линий связи не влияет на остальные); наибольшая дальность связи (для двухточечных соединений легче обеспечивается согласование с линией, нагрузки на передатчики минимальны). Однако при большом числе сигнальных линий радиальные интерфейсы оказываются слишком дороги, так что радиальная топология преимущественно используется в последовательных интерфейсах. Пример радиальной топологии — новый интерфейс Serial ATA. Цепочечная топология (daisy chain1) — соединение устройств друг за другом, при котором каждое устройство имеет пару разъемов подключения и транслирует интерфейсные сигналы с одного на другой. За физической цепочечной топологией может стоять различная логическая организация. Например, в случае подключения внешних устройств SCSI, цепочка обеспечивает шинное соединение, но с заранее неопределенным числом абонентов, т.е. все узлы одновременно подключаются к одному набору сигнальных линий. Иной случай — подключение к LPT-порту цепочки устройств, например, сканера, за ним — внешнего винчестера, и, наконец, обычного принтера. Здесь внутренняя логика интерфейсной части «проходных» устройств (стандарт IEEE 1284.3) обеспечивает трансляцию сигналов с одного разъема на другой избирательно, под управлением специального протокола выбора устройства. В результате после отработки этого протокола устанавливается двухточечная связь между хостом и одним из устройств цепочки и обмен между этой парой устройств ведется так, как будто мы имеем лишь одно устройство, подключенное к порту компьютера. В ряде интерфейсов наблюдается смесь топологий; так, например, в шине PCI большинство сигнальных линий идут шиной, но часть сигналов к каждому устройству (слоту) подходит радиально от центрального устройства (моста). Шина USB физически (внешне) использует древовидную топологию (соединение звезд, в центре которых находятся хабы USB), но логически хабы обеспечивают связь всех устройств в шину с единственным задатчиком — хост-контроллером.
|