2. Интерфейсы периферийных устройств

Рассмотрим наиболее распространенные интерфейсы перифе­рийных устройств.

Интерфейс IDE

IDE (Integrated Device Electronics)  интерфейс устройств со встроенным контроллером (рис. 2.16, 2.17). При создании этого ин­терфейса разработчики ориентировались на подключение дискового накопителя. За счет минимального удаления контролера от диска существенно повышается быстродействие.

Интерфейс EIDE имеет первичный и вторичный каналы, к каж­дому из которых можно подключить два устройства, т. е. всего их может быть четыре. Это может быть жесткий диск, CD-ROM или переключатель дисков.

Физически интерфейс IDE реализован с помощью плоского 40-жильного кабеля, на котором могут быть разъемы для подключе­ния одного или двух устройств (см. рис. 2.17, табл. 2.4). Общая длина кабеля не должна превышать 45 см, причем между разъемами должно быть расстояние не менее 15 см.

Таблица 2.4. Разъем параллельного интерфейса АТА

Контакт	Назначение	Контакт	Назначение	Контакт	Назначение	Контакт	Назначение
1	Сброс	2	Земля	3	Данные 7	4	Данные 8
5	Данные 6	6	Данные 9	7	Данные 5	8	Данные 10
9	Данные 4	10	Данные 11	11	Данные 3	12	Данные 12
13	Данные 2	14	Данные 13	15	Данные 1	16	Данные 14
17	Данные 0	18	Данные 15	19	Земля	20	Key
21	DDRQ	22	Земля	23	I/O запись	24	Земля
25	I/O чтение	26	Земля	27	IOC HRDY	28	Cable Select
29	DDACK	30	Земля	31	IRQ	32	Не используется
33	Адрес 1	34	GPIO_DMA66_ Detect	35	Адрес 0	36	Адрес 2
37	Chip Select 1Р	38	Chip Select 3P	39	Активен	40	Земля

Существует несколько разновидностей интерфейса IDE, совместимых снизу вверх друг с другом.

Спецификация Enhanced IDE. В целях развития возможностей интерфейса IDE компанией Western Digital была предложена его расширенная спецификация Enhanced IDE (синонимы: E-IDE, Fast ATA, ATA-2 и Fast ATA-2), которая обрела затем статус американ­ского стандарта ANSI под названием АТА-2 (рис. 2.18, табл. 2.5). Она содержит ряд нововведений: поддержку IDE-накопителей ем­костью свыше 504 Мбайт, поддержку в системе нескольких контроллеров IDE и подключение к одному контроллеру до четы­рех устройств, а также поддержку периферийных устройств, отлич­ных от жестких дисков (приводов CD-ROM, CD-R и DVD-ROM, накопителей LS-120 и ZIP, магнитооптики, стримеров и т. п.). Рас­ширение спецификации IDE для поддержки иных типов накопи­телей с интерфейсом IDE называют также ATAPI (ATA Packed Interface). В Enhanced IDE также введены элементы распараллеливания операций обмена и контроля за целостностью данных при передаче.

Таблица 2.5. Характеристики IDE/АТА интерфейсов

Спецификация	АТА-1	АТА-2	АТА-3	АТА/АТАРI-4	ATA/ATAPI-5	ATA/ATAPI-6	ATA/ATAPI-7
Синонимы	ATA, IDE	EIDE, Fast ATA, Fast IDE, Ultra ATA	EIDE	АТА-4, Ultra ATA/33	АТА-5, Ultra ATA/66	АТА-6, Ultra ATA/100	АТА-7, Ultra ATA/133
Пропускная способ­ность, Мбайт/с	3,3-8,3	11,1-16,6	16	16,7-33,3	44,4-66,7	100	133-150
Количество соединений	2	2	2	2 на один кабель	2 на один кабель	2 на один кабель	1 на один кабель
Характеристики кабеля	40 контактов	40 контактов	40 контактов	40 контактов	40 контактов, 80-жильный	40 контактов, 80-жильный	7 контактов
Новые свойства		28-битовая ад­ресация логиче­ских блоков (LBA)	S.M.A.R.T.	Интерфейс ATAPI, поддержка CD-ROM, стримеров и пр.	80- жильный кабель	48-битовая LBA	SATA 1.0, поддержка длинных логических / физических блоков
Максимальный размер диска	137 Гбайт (128GiBi)					144Пбайт (128 PiBi)
Контроль no CRC	Нет	Нет	Нет	Есть	Есть	Есть
Дата выпуска	1981	1994	1996	1997	1999	2000	2003
Стандарт ANSI	ХЗ.221-1994	ХЗ.279-1996	ХЗ.298-1997	NCITS 317-1998	NCITS 340-2000	NCITS 361 -2002	NCITS 397-2005

В спецификацию интерфейса Enhanced IDE добавлена поддерж­ка режимов PIO Mode 3 и 4, а также режимы DMA Single Word Mode 2 и Multi Word DMA Mode 1 и 2. Максимальная скорость передачи данных по шине в режиме PIO Mode 3 составляет 11,1 Мбайт/с, а в режимах PIO Mode 4 и Single Word DMA Mode 2  16,7 Мбайт/с. Режим Multi Word DMA Mode 2 позволяет получить пиковую скорость обмена свыше 20 Мбайт/с.

Следующим шагом в развитии интерфейса IDE/ATA явился стандарт Ultra ATA (он же Ultra DMA, АТА-33, DMA-33, АТА-3). Ultra ATA является стандартом де-факто использования быстрого режима DMA  mode 3, обеспечивающего скорость передачи дан­ных 33,3 Мбайт/с. Для обеспечения надежной передачи данных по все тому же кабелю используются специальные схемы контроля и коррекции ошибок, при этом сохраняется обратная совместимость с предыдущими стандартами  АТА и АТА-2.

Наконец  интерфейсы Ultra ATA/66, Ultra ATA/100, Ultra ATA/I33, позволяющие осуществлять передачу данных со скоростя­ми 66, 100 и 133150 Мбайт/с соответственно.

Последовательный интерфейс Serial АТА (SATA). Основные преимущества Serial ATA по сравнению с Parallel ATA (PATA):

• уменьшено количество контактов разъема (до 7 вместо 40);

• снижено напряжение сигнала (до 500 мВ сравнительно с 5 В для РАТА);

• меньший, более удобный для проводки кабель дойной до 1 м;

• улучшены возможности обнаружения и коррекции ошибок.

Первое поколение (известно как SATA/150 или SATA.1) появи­лось на рынке в середине 2002 г. и поддерживало скорость передачи данных до 1,5 Гбит/с. SATA.1 использует схему кодирования 8В/10В на физическом уровне, которая имеет эффективность, равную 80%, что приводит к реальной скорости в 1,2 Гбит/с или 150 Мбайт/с.

Следующая версия (SATA 3,0 Гбит/с) также использует схему 8В/10В, поэтому максимальная скорость передачи составляет 2,4 Гбит/с или 300 Мбайт/с. Однако сегодняшние устройства НЖМД не поддерживают таких скоростей, поэтому реальное быст­родействие системы ограничено возможностями дисковода. Специ­фикацию 3,0 Гбит/с часто называют «Serial ATA II» («SATA II»), а также SATA 3.0 или SATA/300, продолжая линию АТА/100, АТА/133 и SATA/150.

Интерфейс SCSI

Интерфейс SCSI был разработан в конце 1970-х гг. организаци­ей Shugart Associates. Первоначально известный под названием SASI (Shugart Associates System Interface), он после стандартизации в 1986 г. уже под именем SCSI (читается «скази») стал одним из про­мышленных стандартов для подключения периферийных уст­ройств  винчестеров, стримеров, сменных жестких и магнитооп­тических дисков, сканеров, CD-ROM и CD-R, DVD-ROM и т. п. К шине SCSI можно подключить до восьми устройств, включая ос­новной контроллер SCSI (или хост-адаптер).

Интерфейс SCSI является параллельным (рис. 2.19) и физиче­ски представляет собой плоский кабель с 25-, 50-, 68-контактными разъемами для подключения периферийных устройств. Шина SCSI содержит восемь линий данных, сопровождаемых линией контроля четности, и девять управляющих линий. Стандарт SCSI определяет два способа передачи сигналов: однополярный, или асимметричный (Single ended), и дифференциальный (Differential). В первом случае имеется один провод с нулевым потенциалом («земля»), относи­тельно которого передаются сигналы по линиям данных с уровнями сигналов, соответствующими ТТЛ-логике. При дифференциальной передаче сигнала для каждой линии данных выделено два провода, и сигнал на этой линии получается вычитанием потенциалов на их выходах. При этом достигается лучшая помехозащищенность, что позволяет увеличить длину кабеля.

Для интерфейса SCSI необходимо наличие терминаторов (согласующих сопротивлений, которые поглощают сигналы на кон­цах кабеля и препятствуют образованию эха).

Устройства SCSI также соединяются в виде цепочки (daisy chain), причем каждое устройство SCSI имеет свой адрес (SCSI ID) в диапазоне от 0 до 7 (или от 0 до 15). В качестве адреса платы кон­троллера обычно используется наибольшее значение SCSI ID  7(15), адрес загрузочного диска SCSI ID равен 0, а второго дис­ка  1. Обмен между устройствами на магистрали SCSI определяет­ся нормированным списком команд (Common Command Set, CCS). Программное обеспечение для интерфейса SCSI не оперирует фи­зическими характеристиками накопителя (т. е. числом цилиндров, головок и т. д.), а имеет дело только с логическими блоками дан­ных, поэтому в одной SCSI-цепочке могут быть размещены, напри­мер, сканер, жесткий диск и накопитель CD-R.

Опрос устройств производится контроллером SCSI сразу после включения питания. При этом для устройств SCSI реализовано автоконфигурирование устройств (Plug-and-play) по протоколу SCAM (SCSI Configured AutoMagically), в котором значения SCSI ID выде­ляются автоматически. Для стандартизированного управления SCSI-устройствами наиболее широко применяется программный интерфейс ASPI (Advanced SCSI Programming Interface).

Характеристики SCSI. Существует более десятка различных версий интерфейса SCSI. Наиболее существенные из них  SCSI-1, Fast SCSI, Fast Wide SCSI, Ultra SCSI, Ultra 2 SCSI.

Основными характеристиками шины SCSI являются:

• ширина  8 или 16 бит («narrow» или «wide»):

• частота, с которой тактируется шина;

• физический тип интерфейса (однополярный, дифференциальный, оптика).

На скорость влияют в основном два первых параметра. Обычно они записываются в виде приставок к слову SCSI (табл. 2.6).

Максимальную скорость передачи устройствоконтроллер мож­но подсчитать, взяв частоту шины, а в случае наличия «Wide» умно­жить ее на 2 (например, FastSCSI  10 Мбайт/с, Ultra2WideSCSI  80 Мбайт/с).

Последовательные интерфейсы SCSI. Четыре недавние версии SCSI, а именно SSA (Serial Storage Architecture), FC-AL и Serial Attached SCSI (SAS), отошли от традиционного параллельного стандарта SCSI и ориентированы на передачу данных по последователь­ным коммуникациям (см. табл. 2.6). Основные преимущества по­следовательного интерфейса  большие скорости передачи данных; «горячее» включение-выключение; лучшая помехозащищенность.

Таблица 2.6. Версии (поколения) интерфейса SCSI

Тип шины	Макс, скорость, Мбайт/с	Ширина шины (раз­рядность)	Максимальная длина связи (в зависимо­сти от типа сигналов), м			Максималь­ное количество подключений
			SE	LVD	HVD
SCSI-1	5	8 (узкий)	6	-	25	8
Fast SCSI	10	8	3	-	25	8
Fast Wide SCSI	20	16 (широкий)	3	-	25	16
Ultra SCSI	20	8	1.5	-	25	8
Ultra SCSI	20	8	3	-	-	4
Wide Ultra SCSI	40	16	-	-	25	16
Wide Ultra SCSI	40	16	1.5	-	-	8
Wide Ultra SCSI	40	16	3	-	-	4
Uttra2 SCSI	40	8	Не опреде­лена для скорости выше Ultra	12	25	8
Wide Uttra2 SCSI	80	16	-	12	25	16
UltraЗ SCSI or Ultra 160 SCSI	160	16		12	Не опреде­лена для скорости выше Ultra2	16
UltraЗ2О SCSI	320	16	-	12	-	16
SSA	40	1	25			96(192)
SSA 40	80	1	25			96(192)
FC-AL 1Gb	100	1	500-3000			127
FC-AL 2Gb	200	1	500-3000			127
FC-AL 4Gb	400	1	500-3000			127
SAS 3 Gbit/s	300	1	6			16 256
Fibre Channel	2000	Не опреде­лена	10 000-100 000			Не опреде­лено

Терминаторы, разъемы. По типу сигналов различают линейные (Single Ended) и дифференциальные (Differential) версии SCSI, их кабели и разъемы идентичны, но электрической совместимости уст­ройств между ними нет (табл. 2.7).

Таблица 2.7. Разъемы интерфейса SCSI

Общий вид	Характеристики
Внутренние
	Low-Density 50-pin - подключение внутренних narrow-устройств - HDD, CD-ROM, CD-R, МО, ZIP (схо­ден с разъемом IDE, только на 50 контактов)
	High-Density 68-pin - подключение внутренних wide-устройств, в основном HDD
Внешние
	DB-25 - подключение внешних медленных устройств, в основном сканеров, lOmega Zip Plus, наиболее рас­пространен для Macintosh (сходен с разъемом модема)
	Low-Density 50-pin или Centronics 50-pin - внешнее подключение сканеров, стриммеров, обычно SCSI-1
	High-Density 50-pin или Micro DB50, Mini DB50 - стан­дартный внешний narrow-разъем
	High-Density 68-pin или Micro DB68, Mini DB68 - стан­дартный внешний wide-разъем
	High-Density 68-pin или Micro Centronics - для внешне­го подключения SCSI-устройств

Дифференциальная версия для каждого сигнала использует ви­тую пару проводников и специальные приемопередатчики, при этом становится допустимой большая суммарная длина кабеля, сохраняя высокую частоту обмена. Дифференциальный интерфейс применя­ется в мощных дисковых системах серверов, но в обычных ПК не распространен.

В линейной версии сигнал должен идти по своему одному про­воднику, скрученному (или, по крайней мере, отдельному от друго­го в плоском шлейфе) с нулевым (обратным) проводом.

SCSI-устройства соединяются кабелями в цепочку, на крайних устройствах подключаются терминаторы. Часто одним из крайних устройств является хост-адаптер. Он может иметь для каждого кана­ла как внутренний разъем, так и внешний.

По электрическим свойствам различают следующие типы терминаторов:

• пассивные (SCSI-1) с сопротивлением 132 Ом (обычные резисторы). Эти терминаторы не подходят для высокоскоростных режимов SCSI-2;

• активные (110 Ом)  специальные терминаторы для обеспечения работы на частоте 10 МГц в SCSI-2;

• FPT (Forced Perfect Terminator)  улучшенный вариант активных терминаторов с ограничителями выбросов.

Активные терминаторы требуют питания, для этого имеются специальные линии интерфейса TERMPWR.

Кабели. Ассортимент кабелей SCSI довольно широк (табл. 2.8). Основные стандартизированные кабели:

• А-кабель: стандартный для 8-битового интерфейса SCSI, 50-проводный внутренний шлейф (разъемы IDC-50) или внешний экранированный (разъемы Centronics-50);

• В-кабель: 16-битовый расширитель SCSI-2, распространения не получил;

• Р-кабель: 16-битовый SCSI-2/3, 68-проводный с улучшенны­ми миниатюрными экранированными разъемами, универсальными для внутренних и внешних кабелей 8-, 16- и 32-битовых версий SCSI (в 8-битовом варианте контакты 15, 3139, 6568 не используются); разъемы для внешнего подключения выглядят как миниатюрный вариант Centronics с плоскими контактами, внутренние имеют штырьковые контакты;

• Q-кабель: 68-проводное расширение до 32 бит, используется в паре с Р-кабелем;

• кабель с разъемами D-25P: 8-битовый, стандартный для Macintosh, используется на некоторых внешних устройствах (Iomega ZIP-Drive).

Таблица 2.8.Скорость передачи данных, длина и типы кабелей SCSI-1, SCSI-2

Ширина, бит	Скорость передачи, Мбайт/с, тип шины			Тип кабеля
	Обычный	Fast	Ultra
8 (Narrow)	5	10	20	А
16 (Wide)	10	20	40	Р
32 (Wide)	20	40	80	A+P+Q
Максимальная длина кабеля, м	6	3	1,5	Линейный

Возможны различные вариации кабелей-переходников. Назначение контактов разъемов на примере распространенного А-кабеля приведено в табл. 2.9.

Таблица 2.9. Разъемы А-кабеля SCSI

Контакт разъема	Сигнал	Контакт разъема	Сигнал
1	GND	26	DB0#
2	GND	27	DB1#
3	GND	28	DB2#
4	GND	29	DB3#
5	GND	30	DB4#
6	GND	31	DB5#
7	GND	32	DB6#
8	GND	33	DB7#
9	GND	34	DBParity#
10	GND	35	GND
11	GND	36	GND
12	GND/Reserved	37	Reserved
13	Open	38	TERMPWR
14	Reserved	39	Reserved
15	GND	40	GND
16	GND	41	ATN#
17	GND	42	GND
18	GND	43	BSY#
19	GND	44	ACK#
20	GND	45	RST#
21	GND	46	MSG#
22	GND	47	SEL#
23	GND	48	C/D#
24	GND	49	REQ#
25	GND	50	l/0#

Шина. Как и в шине PCI, в шине SCSI предполагается возмож­ность обмена информацией между любой парой устройств. Конечно, чаще всего обмен производится между хост-адаптером и периферий­ными устройствами. Копирование данных между устройствами мо­жет производиться без выхода на системную шину компьютера. Здесь большие возможности имеют интеллектуальные хост-адаптеры со встроенной кэш-памятью. В каждом обмене по шине принимает участие его инициатор (Initiator) и целевое устройство (Target). В табл. 2.10 приводится назначение сигналов шины.

Таблица 2.10. Назначение сигналов шины SCSI

Сигнал	Источник: I=Initiator, T=Target	Назначение
DBx#	-	Инверсная шина данных с битами паритета
TERMPWR	-	Питание терминаторов
ATN#	I	Внимание
BSY#	l,T	Шина занята
REQ#	T	Запрос на пересылку данных
ACK#	I	Ответ на REQ»
RST#	l,T	Сброс
MSG#	T	Target передает сообщение
SEL#	I/T	Выбор (Select) целевого устройства инициатором или Reselect инициатора целевым устройством
C/D#	T	Управление (0) / данные (1) на шине
l/0#	T	Направление передачи относительно инициатора или фаза Selection (1)/ Resetection (0)

Параметры конфигурирования SCSI-устройств. Все устройства на шине должны быть согласованно сконфигурированы. Для них требуется программно или с помощью перемычек (джамперов) уста­новить следующие основные параметры.

Идентификатор устройства  SCSI ID  адрес 07 (или 015), уникальный для каждого устройства на шине. Обычно хост-адаптеру, который должен иметь высший приоритет, назнача­ется ID 7. Заводское назначение идентификаторов устройств приве­дено в табл. 2.11, хотя оно и не является обязательным. Устройства адресуются позиционным кодом (хотя ID задается 34-битовым кодом), что обеспечивает совместимость адресации 8- и 16-битовых устройств на одной шине. Номер SCSI ID обычно устанавливается с помощью перемычек (хотя в SCSI существуют и новые стандарты, аналогичные Plug-and-Play, не требующие перемычек).

Таблица 2.11. Заводская установка идентификаторов устройств

SCSI ID	Устройство
7	Хост-адаптер
6	Накопитель на магнитных дисках
5	-
4	Ленточный или R/W-оптический накопитель
3	CD-ROM
2	Сканер, принтер
1	НЖМД, поддерживаемый BIOS хост-адаптера
0	НЖМД, поддерживаемый BIOS хост-адаптера

Контроль паритета  SCSI Parity. Если хотя бы одно устройство на шине не поддерживает контроль паритета, он должен быть отключен на всех устройствах данной шины. Контроль парите­та, особенно для дисковых устройств, является средством защиты от искажения данных при передаче.

Включение терминаторов  Termination. Активные терминаторы могут включаться одним джампером или даже управ­ляться программным сигналом. Терминаторы должны быть включе­ны только на крайних устройствах в цепочке.

Питание терминаторов  TerminatorPower. Питание терминаторов джампером или программно должно быть включено хотя бы на одном устройстве, когда используются активные терминаторы.

Согласование скорости синхронного обмена  SCSI Synchronous Negotiation. Режим синхронного обмена, обеспечивающий высокую производительность, включается по взаимному согласованию устройств. Однако если хоть одно устройство на шине его не поддерживает, согласование на хост-адаптере необхо­димо запретить. При этом если обмен будет инициирован синхрон­ным устройством, хост поддержит этот режим.

Старт по команде  Start on Command, или задержанный старт  Delayed Start. При включении этой опции запуск двигателя устройства выполняется только по команде от хост-адаптера, что позволяет снизить пик нагрузки блока питания в момент включе­ния. Хост будет запускать устройства последовательно.

Разрешение отключения  Enable Disconnection. Вы­бор этой опции позволяет устройствам отключаться от шины при неготовности данных, что весьма эффективно используется в мно­гозадачном режиме при нескольких периферийных устройствах на шине.

Хост-адаптер. Хост-адаптер SCSI является важнейшим узлом интерфейса, определяющим производительность подсистемы SCSI-устройств. Существует широкий спектр адаптеров, начиная от про­стейших, к которым можно подключать только устройства, не кри­тичные к производительности.

Конфигурирование SCSI хост-адаптеров с точки зрения шины SCSI не отличается от конфигурирования других устройств (см. ра­нее). Для современных адаптеров вместо джамперов используется программное конфигурирование. Утилита конфигурирования обыч­но входит в расширение BIOS (на плате адаптера), и приглашение к ее исполнению выводится на экран при инициализации во время POST.