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) иIEEE-1394, называемая такжеi.Link илиFireWire. Эти высокоскоростные коммуникационные порты отличаются более широкими возможностями от стандартных параллельных и последовательных портов, которые установлены в большинстве современных компьютеров. 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.

В последовательном соединении данные передаются друг за другом, поэтому один бит не сможет "обогнать" другой и скорость передачи может быть значительно увеличена.

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 трудоемкий и дорогостоящий процесс. 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.

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 П (82430HX), в котором стандарт USB был воплощен в микросхеме РПХЗ South Bridge, фирма Intel поддерживает этот стандарт во всех своих наборах 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. На все устройства USB помещается логотип, показанный на рис. 16.4.

¶Рис. 16.4. Логотип устройств 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.

Универсальная последовательная шина версии 1.1 — это интерфейс, работающий со скоростью 12Мбит/с (1,5 Мбайт/с) и основанный на простом 4-проводном соединении. Эта шина поддерживает до 127 подключаемых устройств и использует топологию звезды, построенную на расширяющих концентраторах, которые могут входить в персональный компьютер, любое периферийное устройство USB и даже быть отдельными устройствами. Для таких низкоскоростных периферийных устройств, как клавиатура и мышь, в универсальной последовательной шине предусмотрен более "медленный" подканал, работающий со скоростью 1,5 Мбит/с.

В USB используется кодирование данных NRZI (Non Return to Zero Invent). В этом методе кодирования изменение уровня напряжения соответствует 0, а его отсутствие — 1. NRZI представляет собой весьма эффективную схему кодирования данных, поскольку при ее использовании не нужны дополнительные сигналы, например синхроимпульсы.

Для одновременного подключения нескольких устройств USB необходимо использовать концентратор. С помощью концентратора к одному порту USB можно подключить клавиатуру, мышь, цифровую камеру, принтер, телефон и т.д. В компьютере устанавливается модуль, называемый корневым концентратором, — начальная точка для подключения всех остальных устройств. Практически все системные платы имеют два или четыре порта USB. Подключая несколько концентраторов, можно создать каскадную структуру до пяти уровней в глубину. Типичный концентратор показан на рис. 16.5.

¶Рис. 16.5. Типичный концентратор

Максимальная длина кабеля между двумя работающими на предельной скорости (12 Мбит/с) устройствами или устройством и концентратором (рис. 16.6) — пять метров. В кабеле используется экранированная витая пара (толщина провода— 20). Максимальная длина кабеля для низкоскоростных (1,5 Мбит/с) устройств при использовании нескрученной пары проводов — три метра. Причем эти расстояния уменьшаются, если используется более тонкий провод (табл. 16.8).

Таблица 16.8. Зависимость максимальной длины кабеля от удельного сопротивления проводов

Толщина	Удельное сопротивление, Ом/м	Длина (макс), м
28	0,232	0,81
26	0,145	1,31
24	0,091	2,08
22	0,057	3,33
20	0,036	5,00

¶Рис. 16.6. В персональном компьютере может использоваться несколько концентраторов US B для подключения различных периферийных устройств, причем любое устройство можно подсоединить к любому концентратору

Хотя скорость при передаче данных по USB 1.1 не так велика, как при передаче данных по Fire Wire или SCSI, ее вполне достаточно для подключения периферийного оборудования. USB 2.0 работает на скорости 480 Мбит/с (60 Мбайт/с).

Существует два типа разъемов (штепселей) USB — А и В, которые, в отличие от типичного кабеля, подсоединяемого к последовательному или параллельному порту, не прикручиваются винтами. Штепсель USB (рис. 16.7) вставляется в разъем USB на персональном компьютере. В табл. 16.9 приведена схема расположения выводов в 4-проводном разъеме USB.

Таблица 16.9. Схема расположения выводов в разъеме USB

Контакт	Сигнал	Примечание
1	VCC	Кабель питания
2	Данные (-)
3	Данные (+)
4	Общий	Заземление кабеля

USB удовлетворяет требованиям технологии Plug and Play фирмы Intel, в том числе требованию горячего подключения, при котором устройство может подсоединяться к компьютеру без выключения питания и перезагрузки системы. Нужно просто подключить устройство, после чего контроллер USB, установленный в компьютере, самостоятельно его обнаружит, а также добавит необходимые для работы ресурсы и драйверы. Компания Microsoft уже разработала специальные драйверы USB и включила их в операционные системы Windows 98 и Windows 2000. Поддержка универсальной последовательной шины необходима также и в BIOS; шина USB устанавливается в новых системах, имеющих встроенные порты USB. Существуют также платы USB, с помощью которых можно добавить возможности универсальной последовательной шины в уже существующие компьютеры. К USB можно подключить такие периферийные устройства, как модемы, телефоны, джойстики, клавиатуры и устройства управления указателем (мыши).

¶Рис. 16.7. Штепсель USB можно зафиксировать с помощью пружины в разъеме USB

Интересной особенностью USB является возможность подвода мощности ко всем подключаемым устройствам через шину. Благодаря поддержке Plug and Play система "опрашивает" подключаемое устройство о его энергетических потребностях и, если уровень мощности превосходит допустимый, выдает предупреждение. Это наиболее эффективно для портативных компьютеров, емкость батарей которых ограниченна.

Благодаря устройствам USB осуществляется самоопределение периферийного оборудования, что значительно упрощает его установку. Это означает, что не нужно устанавливать уникальные адреса для каждого периферийного устройства — USB делает это автоматически. Причем при подключении или отключении устройств USB не нужно выключать компьютер или перезагружать систему. Однако должно быть выполнено одно условие: операционная система должна поддерживать USB. Поначалу Windows 95 и Windows NT 4.0 не поддерживали USB, но позже поддержка USB была реализована в версии OSR 2 (OEM Service Release 2) Windows 95 (также называемой Windows 95B). Windows 98/2000 имеют все средства для поддержки USB. Стандарт USB будет широко использоваться и в последующие годы.

Одно из самых значительных достоинств интерфейса типа USB состоит в том, что для обслуживания всех устройств универсальной последовательной шины требуется только одно-единственное прерывание. Это означает, что можно присоединить 127 устройств и все они будут использовать одно прерывание. В современных персональных компьютерах так часто не хватает свободных адресов прерываний, что это, пожалуй, самое ценное достоинство USB.

В настоящее время выпущено несколько уникальных устройств USB —USB-параллельный порт, USB-Ethernet, USB-SCSI, USB-PS/2 (стандартный порт клавиатуры и мыши) и мосты прямого соединения USB, позволяющие напрямую подключить две системы через USB. Устройства USB-параллельный порт или USB-Ethernet позволяют подключить периферийное оборудование с интерфейсом RS232 или Centronics (например, модемы или принтеры) к порту USB. Преобразователь USB-Ethernet обеспечивает подключение к локальной сети через порт USB. Драйверы, поставляемые с этими устройствами преобразования, позволяют полностью эмулировать работу стандартного устройства.