KT-p22

должно быть ближе к адаптеру,чем ведомое устройство. Явно устройство задается перемычками,указав устройству его роль (Master/Slave).

Для операций,связанных с обменом данными по шине ATA, предназна­ чены команды,использующие программные режимы PIO (Programmed Input /Output) или блочные режимы DMA (Direct Memory Access). Блочный режим за счет сокращения числа прерываний,которые должен обслужить процессор,в многозадачной системе позволяетповысить производительность дискового обмена. Режимы обмена по каналу DMA могут быть одиночными и множественными. При множественном режиме (Multiword DMA) на сигнал запроса хост отвечает потоком циклов DMA. Если устройство не справляется с этим потоком, оно может приостановить поток, а по готовности к продолжению — возобновить. Множественный режим позволяет развивать более высокую скорость передачи. В режиме Ultra DMA за каждый такт передаются два слова данных,одно по фронту синхронизирующего сигнала, другое по спаду. Это позволяет повысить пропускную способность шины, не увеличивая максимальную частоту переключений сигналов.

В спецификации АТА-133 используется 48-битная адресация сектора ATA-100 - 28-битная), что позволяет адресовать диски объемом до144 петабайт. Кроме того,внедрение режима Multiword DMA Mode 7 позволило увеличить скорость передачи до 133 Мбайт/с.

Спецификация ATAPI (ATA Package Interface) - пакетный интер-

фейс ATA. Для подключения к интерфейсу ATА накопителей CD-ROM, стримеров и ряда других устройств набора регистров и системы команд ATА оказывается недостаточно. Для них существует аппарат- но-программный интерфейс ATAPI (ATA Package Interface - пакетный интерфейс ATA). Устройство ATAPI поддерживает минимальный набор команд ATA, а также 16-байтный командный пакет,который пересылается хост-контроллером в регистр данных устройства. Структура командного пакета аналогична таковой для шины SCSI, что обеспечивает схожесть драйверов одних и тех же устройств, имеющих интерфейсы SCSI и ATAPI.

Шина SATA (Serial ATA) - последовательный интерфейс ATA. Эта шина - продолжение развития интерфейсов накопителей. Переход с параллельной на последовательную технологию позволило уведичить пропускную способность,а также применить различные алгоритмы,что позволило еще улучшить процесс обмена данными с дисковыми накопителями.

Serial ATA 1.0 появился 2001 году. По сравнению с традиционным параллельным интерфейсом ATА шина Serial ATA имеет большую помехозащищенность и мало восприимчива к электромагнитным помехам

благодаря использованию низкоуровневых дифференциальных сигналов. Уровень сигнала измеряется не по отношению к «земле», а по отношению

21

к уровню сигнала в соседнем проводе,то есть как разница сигналов в двух проводниках. Любая наведенная помеха сказывается на обоих сигналах, однако их дифференциальная разница при этом не меняется.

На логическом уровне для передачи данных используется двухэтапное кодирование: исходные 8 бит разбиваются на подгруппы длиной 5 бит и 3 бит. На первом этапе подгруппа 5 бит подвергается кодированию 5bit/6bit, На втором этапе оставшиеся 3 бита подвергаются кодированию 3bit/4bit. В результате чего формируется специальный бинарный контрольный сигнал rd (Running Disparity), который может быть либо отрицательным (rd-), либо положительным (rd+). Сигнал положителен,если количество единиц больше количества нулей в группе закодированных бит. Кроме логического двухэтапного кодирования,при передаче данных используется метод циклического избыточного контроля CRC-32 (Cyclic Redundancy Check).

Другой особенностью интерфейса SAT А является организация взаимодействия между контроллером и диском по принципу «точка-точка» (на одном канале - один диск), скорость передачи при этом 150 Мбайт/с. Спецификацией SATА предусмотрена поддержка технологии горячей замены дисков,то есть подключения и отключения устройств на работающей шине.

Serial ATA II появился в октябре 2002 года. Явным отличием от версии 1.0 является увеличение пропускной способности шины до 300 Мбайт/с. Кроме этого имеется еще несколько нововведений,позволяющих улучшить эффективность работы дисковых накопителей.

1.Введены специальные мосты-умножители, позволяющие подключать

до 15 устройств на один канал SATА.

2.Оптимизацией очередности команд Native Command Queuing (NCQ). Команды выполняются в таком порядке,чтобы сократить до минимума общее время доступа,включающее задержку на поиск и на вращение. Кроме того,возможно динамическое добавление поступивших в процессе обработки команды в нужные позиции очереди. Так же учитывается режим работы диска (например,режим с пониженным уровнем шума).

Вцелом внедрение интерфейса Serial ATA позволило серьезно повысить эффективность подсистемы накопителей в настольных компьюте­ рах и вывести ее на уровень,ранее характерный для профессиональных серверных решений.

1.1.3.Внешние интерфейсы

Классические интерфейсы ввода-вывода

Шина COM (Communication Port) - порт связи. Последовательный

асинхронный порт COM является одним из самых старых интерфейсов персонального компьютера. Контроллер СОМ реализован в современных

22

компьютерах в качестве части интегрированной микросхемы LPC или непосредственно в южном мосту НМСЛ. Обмен по шине осуществляется согласно протоколу RS-232C. Согласно протоколу абоненты шины подразделяются на устройства DTE (Data Terminal Equipment – аппаратура передачи данных)

и устройства DCE (Data Communication Equipment — аппаратура каналов данных). К DTE относятся такие устройства,как принтер,плоттер,мышь и другая периферия. К ВСЕ относится модем.

Для управления потоком данных используются аппаратные или программные средства. Программный протокол XON/XOFF предполагает наличие двунаправленного канала передачи данных. Когда принимающее устройство готово к приему данных,оно посылает в линию символ XON, приняв который, противоположное устройство начинает передачу. Если устройство,принимающее данные,не готово их принять,оно по обратно­ му последовательному каналу посылает символ XOFF. Противоположное устройство,приняв этот символ,приостанавливает передачу. Очевидно,что прием данных без потерь возможен только при наличии буфера в при­ нимающем устройстве, объем которого обеспечивает сохранение данных на время реакции передатчика. Для реализации шины СОМ с программным протоколом достаточно всего трех линий.

В случае аппаратной реализации протокола RTS/CTS используется сигнал CTS, который позволяет остановить передачу данных,если приемник не готов к работе. Передатчик пересылает очередной байт только при включенном состоянии линии CTS. Аппаратный протокол обеспечивает быструю реакцию передатчика на состояние приемника. Однако в шине требуется

наличие всех девяти линий,предусмотренных спецификацией RS-232C. На шине СОМ используются несимметричные передатчики и приемни-

ки: сигнал передается относительно общего провода (земли). Логической единице соответствует уровень напряжения на входе приемника в диапазоне -12...-3В). Логическому нулю соответствует уровень +3...+12В. Шина не имеет гальванической развязки с устройствами,поэтому подключение и отключение устройств должно происходить при обесточенной шине.

Гарантированный обмен данными обеспечивается по кабелю длиной 30 м и более, пиковая пропускная способность зависит от возможностей подключенных к линии устройств и достигает 115-200 бит/с. В настоящее время интерфейс RS-232 заменяется интерфейсом USB и во многих со­ временных системных платах порт СОМ отсутствует.

Шина LPT (Line PrinTer) - интерфейс принтера был утвержден в

1994 году под названием IEEE 1284 - стандартный метод передачи сигналов двунаправленного параллельного периферийного интерфейса для персональных компьютеров». Спецификация определяетследующие режимы передачи данных: в прямом направлении (от ПК к периферии), обратном направлении (от периферии к ПК) - Centronics

23

или двунаправленную передачу данных (Bitronics).

Как правило,режимы работы параллельного порта выбираются сред­ ствами BIOS и могут быть заданы в следующих вариантах:

-SPP — однонаправленный управляемый программно режим;

-Bi-Directional — режим с реверсом канала;

-Fast Centronics — аппаратное управление портом с использованием буфера FIFO;

-ЕРР — аппаратное управление портом с расширением цикла пере дачи;

-ЕСР — аппаратное управление портом с использованием сжатия данных,буферов FIFO и каналов DMA;

-ЕСР+ЕРР — автоматический выбор протокола устройством в за висимости от его возможностей.

Шина LPT объединяет8-битную магистраль передачи данных,5-битную

магистраль сигналов состояния и 4-битную магистраль управляющих сигналов. Электрический интерфейс IEEE1284 предусматривает уровни сигналов до +5,5 В,длину кабеля до 10 метров. В качестве разъема порта обычно используются 36-контактный Centronics или DB-25.

Цикл передачи данных по протоколу Centronics выглядит так:

-происходит запись данных в регистр данных;

-считывается регистр состояния, чтобы проверить принтер на заня тость (BUSY);

-если принтер не занят, производится запись в регистр управления, чтобы установить линию STROBE;

-производится запись в регистр управления, чтобы сбросить линию

STROBE;

-пересылается байт данных.

Таким образом,для вывода одного байта данных требуется четыре служебные операции. В результате полоса пропускания порта ограничена величиной примерно 150 Кбайт в секунду. Такой скорости было достаточно для матричных принтеров,но ее совершенно недостаточно для лазерных, струйных,сублимационных и других современных принтеров.

Главной отличительной чертой ЕРР является выполнение внешней передачи во время одного цикла ввода/вывода. Это позволяет достигать скоростей обмена до 2 Мбайт/с. Важным преимуществом ЕРР служит об­ ращение процессора к периферийному устройству в режиме реального времени, без использования буферизации. Циклы чтения и записи могут чередоваться в произвольном порядке или идти блоками.

Согласно протоколу ЕСР хост-адаптером осуществляется компрессия данных по методу RLE, буферизация FIFO для прямого и обратного каналов, применение каналов DMA и программного ввода-вывода.

В настоящее время возможностей порта LPT явно недостаточно для

24

подключения высокоскоростных печатающих устройств и другой периферии. Поэтому в некоторых современных системных палатах параллельный порт LPT отсутствует.

Скоростные последовательные интерфейсы

Шина USB (Universal Serial Bus) - универсальная последовательная шина разработана в 1996 г. Архитектура интерфейса US В включает три категории компонентов:

-коммуникации;

-устройства;

-хост-контроллеры.

Коммуникации определяют топологию шины (модель соединения хост-контроллера и устройств). В категории устройств различают устройс- тва-хабы (концентраторы) для создания дополнительных точек подключения (до пяти уровней топологии,что в сумме дает до 127 абонентов на шине), и функциональные устройства,которые являются конечным звеном топологии сети USB. Хост-контроллер (корневой концентратор) является ведущим компонентом интерфейса USB, обеспечивая все функции интерфейса. Многие функции контроллера USB возложены на операционную систему: адресация устройств и их конфигурирование,управление энергопотреблением,процессами передачи,устройствами на шине и самой шиной.

USB 2.0 расширяет стандартную спецификацию интерфейса USB - в концентраторе может находиться три функциональных блока: контроллер,

повторитель,транслятор транзакций. Контроллер отвечает за соединения с хостом. Обязанность повторителя — соединять входной и один из вы-

ходных каналов. Транслятор транзакций потребовался для обеспечения совместимости с предыдущими версиями шины. Его суть в том, чтобы обеспечивать максимальную скорость соединения с хостом. Транслятор транзакций буферизирует поступающие с медленного порта кадры,а затем на максимальной скорости передает их хосту,и наоборот,буферизирует по­ лучаемые на максимальной скорости кадры от хоста,передавая его затем устройству USВ на меньшей,приемлемой для него скорости.

Обмен данными по шине USВ осуществляется в трех скоростных режимах:

-Low Speed (низкоскоростной режим) с пропускной способностью до

1,5 Мбит/с;

-Full Speed (полноскоростной режим) с пропускной способностью до 12 Мбит/с;

-High Speed (высокоскоростной режим) с пропускной способностью до 480 Мбит/с.

Обмен данными возможен только между хостом и устройством,и

не допускается напрямую между устройствами на шине.

Физические каналы связи организуются концентраторами и кабелями.

25

Кабель представляетсобой экранированную витую пару. Всего в USB-кaбеле используется 4 провода: два для передачи сигнала и два для подачи напряжения. Для подключения устройств предназначены соединители типа «А» и типа «В». Разъемы типа «А» используются для постоянного подключения к устройствам. Соединители типа «В» используются для частого подключения периферии. Разъем miniUSB типа «В» предназначен для применения на малогабаритных устройствах (мобильные телефоны,фотоаппараты,плееры). Конструктивно разъемы сделаны так,что сначала происходит соединение шины питания,потом шины данных.

Подключаемые устройства,потребляющие небольшой ток (до 500 мА), могут быть запитаны от шины USB. Для увеличения доступной мощности питания на шине устройства могут оснащаться своим собственным блоком питания.

Шина FireWire (i-Link) - создана к концу 1995 года. Стандарт,описывающий шину – 1394а,поэтому еще одно название – IEEE 1394. Ведущую роль в разработке стандарта сыграла компания Apple, которая сразу же сделала ставку на использование этого интерфейса в своих компьютерах. Значительную поддержку интерфейсу IEEE1394 оказала индустрия бытовой электроники,внедрившая его в любительские видеокамеры формата DV. Сегодня любая DV-камера в обязательном порядке оснащается интерфейсом i-Link. В 2000 г. вышла версия протокола 1394а-2000, а в 2004 г. утверждена версия 1394b.

Архитектура интерфейса IEEE1394 подразделяется на несколько уровней. На физическом уровне (Physical Layer) реализованы аппаратные

компоненты,отвечающие за электрический интерфейс и управление физическим каналом. На этом уровне обеспечивается интерфейс организуются следующие процессы:

-интерфейс среды (Media Interface), отвечающий за состояние сигнала, передаваемого по кабелям;

-арбитраж (Arbitration) устройств;

-кодирование/декодирование (Encode/Decode), то есть перевод данных

вэлектрические сигналы и наоборот.

На уровенt канала (Link Layer) обрабатываются уже готовые пакеты

данных. Именно этот уровень отвечает за пересылку данных и обеспечивает следующие процессы:

-прием пакетов (Packet Receiver);

-передача пакетов (Packet Transmitter);

-контроль циклов (Cycle Control), в составе которых проходят пакеты. Физический и канальный уровни реализованы аппаратно. Они пол­

ностью отвечаютза формирование сигнала изданных,формирование данных

из сигнала,прием/передачу в нужное время и в нужное место. В принципе, первых двух уровней достаточно для организации синхронной передаче,

26

когда не требуется контролировать содержание передачи. При асинхронной передаче необходимо подключать к работе дополнительные уровни.

На сетевом уровне (Transaction Layer) происходит проверка получен­ ных данных. Если ошибок не обнаружено (пакеты не потерялись и под­ тверждена их целостность), данные отправляются потребителю. Если обнаружена ошибка,происходит возврат на физический уровень и повторение передачи.

Два любых устройства на шине IEEE1394 образуютмежду собой соеди­ нение типа точка-точка (point-to-point). Кроме того,интерфейс позволяет объединять множество таких устройств и соединений в одну логическую сеть. Для этого на физическом уровне (physical layer) допускается иметь больше одного физического интерфейса на одном устройстве.

Работа интерфейса всякий раз начинается с прохождения сигнала сброса (reset). Причиной для сброса может стать включение питания или физическое изменение конфигурации сети.

На следующем этапе происходит идентификация дерева (Tree ident­ ification). Каждое устройство после включения проверяет, сколько под­ ключенных портов оно имеет — один (leaf) или несколько (branch). Затем определяются родительские (parent) и дочерние (child) устройства (какое к какому подключено). На основе этих данных строится дерево и опреде­ ляется корневое устройство для всего дерева.

Далее каждое из устройств получает свой собственный ID-узел внутри дерева и выясняет,на каких скоростях могут работать его соседи,то есть происходит самоидентификация (Self identification). Для адресации

используется метод 64-битной прямой адресации (48 бит на узел,остальные 16 бит используются дли идентификации шины), что позволяет организо­ вать иерархическую адресацию для 63 узлов на 1023 шинах. Единственное ограничение — между двумя общающимися устройствами должно быть не более 16 сегментов.

По завершении инициализации сети в действие вступает нормальный арбитраж: устройства обмениваются данными,а корневое устройство следит за тем,чтобы они друг другу не мешали. Устройство,которое хочет начать передачу,вначале посылает запрос своему родительскому устройству. Родительское устройство,получив запрос,запрещает передачу всем остальным дочерним абонентам (в один момент обрабатывается только один запрос) и,в свою очередь,передает запрос дальше,своему родительскому устройству,где все повторяется. В итоге запрос доходит до корневого устройства, которое разрешает передачу тому устройству,чей запрос пришел первым. Всем остальным передача запрещается. Таким образом,если два устройства одновременно пошлют запрос на передачу данных,то ответ будет зависеть

от того,чей запрос первым достигнет корневого устройства. Оно выигрывает арбитраж и получает право начать передачу. Проигравшее устройство,не по-

27

лучив разрешения на передачу,вынуждено ждать,пока шина освободится. Процесс арбитража происходитна физическом уровне. После того,как разрешение на передачу данных получено,в дело вступает уровень канала (link layer). Передача данных начинается с запроса готовности приемного устройства. Получив подтверждение готовности,передатчик начинает вещание. Данные идут пакетами,разделенными промежутками (gap). Типичный пакет данных содержит 256 байт,или 2048 бит,из которых 160 бит приходится на заголовок. Таким образом,общая эффективность (то есть доля полезных данных) весьма высока. В заголовок пакета входит информация об отправителе,получателе и CRC. После пакета идет небольшой промежуток (acknowledge gap), после чего получатель должен выслать 8-битовый блок данных,подтверждающий,что пакет получен в целости (ack packet). Потом следует более длинный промежуток,разделяющий пакеты (subaction gap).

Далее цикл повторяется.

Для того чтобы исключить монопольное занятие шины одним устрой­ ством,введены специальные промежутки (fairness interval), в течение которых любое устройство на шине получает возможность передать свои данные. После того как разрешение получено (арбитраж выигран), и порция данных передана, устройство должно ждать начала следующего цикла, прежде чем оно вновь получит возможность передать следующую порцию данных. Заканчивается fairness interval так называемым reset gap, который длиннее subaction gap, и вызывает сброс арбитража всей шины.

Согласно спецификации 1394b используется новый метод арбитра­ жа под названием BOSS (Bus Owner/Supervisor/Selector). Но этот метод

арбитража может работать только в среде 1394Ъ. Если в сети есть хоть одно старое устройство,для арбитража будет применяться старый метод. Принцип работы BOSS предельно прост: устройство,которому требуется переслать данные,постоянно шлет запросы. В результате,когда некое устройство заканчивает передачу,то ждущее устройство оказывается первым, пославшим запрос,и получает права BOSS. Эти права означают,что пока устройство передает данные,оно контролирует шину. Как только передача закончена,то устройство остается с правами BOSS до тех пор,пока кто-то еще не пошлет запрос на передачу. Как только запрос послан,пославшее его устройство приобретает права BOSS.

Шина IЕЕЕ1394а имеет пропускную способность 400 Мбит/с,а 1394b предусмотрено увеличение пропускной способности до 800 Мбит/с.

Электрический интерфейс IЕЕЕ1394 рассчитан на высокие скорости передачи данных и подключение мощных потребителей. В кабеле данные передаются по двум витым парам,каждая из которых отдельно экраниро­ вана. Для надежности дополнительно экранируется и весь кабель. Кроме

двух сигнальных пар,в кабеле предусмотрены две питающие жилы,кото­ рые могут обеспечить любое внешнее устройство током силой до 1,5 А и напряжением до 40 В.

28

В целом можно признать, что интерфейс IEEE1394 прочно занял свою нишу в сфере компьютерной техники,особенно в профессиональных областях: видеообработка,сканеры,цифровая фототехника,внешние нако­ пители и прочие устройства,требовательные к пропускной способности шины и параметрам электропитания. Однако НМСЛ со встроенным интерфейсом FireWire очень редки. Обычно интерфейс реализуется на системных платах с помощью отдельных микросхем или плат расширения.

Беспроводные интерфейсы

Интерфейс IrDA (Infrared Data Association) - система инфракрас-

ной передачи данных. Инфракрасный интерфейс является частным случаем последовательной асинхронной шины СОМ. Применение излучателей и приемников инфракрасного диапазона позволяет осуществлять обмен данными между устройствами в зоне прямой видимости на удалении до нескольких метров. Инфракрасная связь - IR (Infra Red) Connection - безопасна для здоровья,не создает помех в радиочастотном диапазоне и обеспечивает конфиденциальность передачи.

Начиная с 1993 г. ассоциация разработчиков систем инфракрасной передачи данных (Infrared Data Association) утвердила несколько специ­ фикаций протоколов:

-IrDA SIR (Slow Infra Red) — скорость до 115,2 Кбит/с;

-IrDA MIR (Middle Infra Red) — скорость до 1,2 Мбит/с;

-IrDA FIR (Fast Infra Red) — скорость до 4 Мбит/с;

-Sharp ASK — скорость до 57,6 Кбит/с.

Интерфейс IrDA имеет несколько уровней реализации: физический (IrPHY), соединения (IrLAP), мультиплексирования канала (IrMP), контроля потока (TinyTP), эмуляции шины COM (IrCOMM). Принцип работы и протоколы обмена данными полностью совпадают с асинхронным коммуникационным портом,все отличия сводятся к физической реализации магистрали обмена данными. На физическом уровне оптические сигналы рассматриваются приемником как логический ноль, период без импульса рассматривается как логическая единица. Сигналы организованы в структуры,когда каждый асинхронный байт содержит бит начала обмена,информационные биты и столовый бит.

В системных платах инфракрасный порт обычно конфигурируется

на порт COM2. В этом случае на передней панели компьютера монтируется внешний приемопередатчик ИК-диапазона. В настоящее время интерфейс IrDA заменяется беспроводным интерфейсом радиочастотного диапазона

Bluetooth.

Интерфейс Bluetooth (Синезубый) - наиболее распространенный

беспроводной интерфейс в настоящее время для ПК, КПК и мобильных телефонов. Свое название “Bluetooth” интерфейс получил в честь короля

29

Харольда,объединивший в X веке Данию и Норвегию,поэтому основное назначение интерфейса - объединить традиционный настольный компьютер и другие компьютерные и “околокомпьютерные” устройства - компьютерная переферия (устройства ввода, накопители, цифоровые камеры,мобильные телефоны,портативные компьютеры и другие устройства с помощью радиосвязи. Разработка интерфейса началась в 1998 г. усилиями консорциума Bluetooth Special Interest Group Promoters в составе компаний 3Com, Agere Systems, Microsoft, Motorola, Nokia, Ericsson, IBM, Intel и Toshiba.

Пропускная способность канала Bluetooth до 400 Кб/с для версии 1.0 (1999 г.), до 12 Мб/с (2004 г.). Физически устройство Bluetooth представляет собой приемопередатчик,работающих в диапазоне частот 2400-2483,5 МГц. Эти частоты являются свободными от лицензирования в большинстве стран мира. Расстояние,на котором возможно соединение Bluetooth составляет от 10 до 30 метров (при отсутсвии преград).

Основная особенность соединения Bluetooth - возможность организации сети (Piconet) из одновременно работающих устройств в пределах досигаемости сигнала. В одной пикосети может быть только одно ведущее устройство,однако каждое ведомое устройство может одновременно являться ведущим для других устройств и образовывать свою пикосеть. Несколько пикосетей,объединенных таким способом, образуют Scatternet. Однако “падение” одного ведущего устройства (отключение,выход за пределы действия,сбой) вызывает “падение” всей пикосети или Scatternet.

Обязательным условиям объединения пикосетей в сеть Scatternet служит использование разных каналов связи,то есть работа на различных частотах и с различными параметрами Hopping channel. Hopping — это технология регулярной смены частот,определяемая параметрами Hopping sequence. Спецификация предусматривает 10 различных алгоритмов Hopping sequence. Технология Hopping предназначена для борьбы с затуханием радиосигнала и интерференцией соседних каналов.

Автоматическая установка соединения между устройствами Bluetooth находящимися в пределах досягаемости,начинается с поиска других устройств (Device discovery). Для этого посылается запрос, и ответ на него зависит не только от наличия в радиусе связи активных устройств Bluetooth,

но и от режима в котором находятся эти устройства. Еще одной изважных особенностей интерфейса Bluetooth является автоматическое под-

30