Национальный исследовательский ядерный университет (мифи)
Кафедра 12
Билет № 15
Структура и классификация интерфейсов по способам соединения модулей,
передачи информации, по режимам обмена данными, топологии.
Их сравнительные характеристики.
2. История появления различных стандартов флэш-карт. «Немеханические
дискеты», «Цифровые кассеты», «Цифровая пленка». Основные типы и
характеристики.
№1
Организация интерфейсов определяется способами передачи информации, способами соединения устройств и режимами обмена информации. Кроме того, организацию интерфейсов определяет то, какие устройства этот интерфейс соединяет.
По функциональным признакам различают следующие интерфейсы.
1. Внутриплатные интерфейсы, объединяющие БИС и СБИС на материнской плате компьютера. Их иногда называют межблочными. 2. Системные (или внутримашинные) интерфейсы, объединяющие в единую систему отдельные модули ЭВМ.
З. Внешние интерфейсы или интерфейсы внешних (периферийных) устройств.
4. Интерфейсы сетей, объединяющие компоненты сети в единое целое. 5. Интерфейсы мультимикропроцессорных систем, которые характерны для ВС со многими МП.
По способам обмена информацией между сопрягаемыми устройствами, способам соединения устройств и режимам обмена информацией интерфейсы подразделяются на:
1) параллельные и последовательные; 2) синхронные и асинхронные; 3) радиальные, магистральные, цепочные и комбинированные; 4) симплексные, дуплексные, полудуплексные.
В общем случае при конструировании интерфейсов могут быть реализованы следующие варианты обмена данными:
1) передача от одного устройства только одному другому (передача «точка-точка»); 2) передача от одного устройства всем другим (трансляционный обмен); 3) передача от одного устройства нескольким произвольно назначаемым устройствам (групповой обмен).
Интерфейсы компьютеров и СВВ обычно реализуют только первый вариант обмена между двумя устройствами.
Параллельным интерфейс является тогда, когда все разряды данных (8, 16, 24,32 или 64 разряда) передаются одновременно. Это относится и к шине адреса — все разряды адреса передаются также одновременно.
Последовательный интерфейс — передает данные, и адреса последовательно бит за битом.
При синхронной передаче данных передатчик поддерживает постоянные интервалы времени между очередными порциями данных в процессе передачи всего сообщения или значительной его части. Приемник независимо или с помощью поступающих от передатчика управляющих сигналов (синхроимпульсов) обеспечивает прием этих данных в темпе их выдачи.
При асинхронной передаче данных также нужен сигнал синхронизации. Но передачу называют асинхронной, если синхронизация передатчика и приемника осуществляется при передаче каждого отдельного кванта информации, а интервал между передачей этих квантов непостоянен, то есть передача осуществляется по мере готовности данных в передатчике.
Существует несколько вариантов соединения сопрягаемых устройств в интерфейсах. Выбор того или иного способа зависит от ряда факторов, в частности, от того какое место занимает сопрягаемое устройств в СВВ.
Радиальное соединение характерно для устройств, находящихся на нижних уровнях иерархии (периферийные устройства, контроллеры). Схема такого соединения приведена на Рис. 1, а.
Такая схема сопряжения требует минимального количества линий управления передачей данных и позволяет сравнительно просто приспособить периферийное устройство к требованиям интерфейса. Однако, наличие индивидуальных шин передачи данных требует значительных затрат на приемно-передающую аппаратуру и линии связи. Поэтому такой вариант сопряжения чаще всего реализуется при использовании последовательных интерфейсов для сравнительно простых ПУ.
Магистральное соединение — характерно для интерфейсов среднего и верхнего рангов системы. Схема такого подключения приведена на Рис. 1, 6. На рисунке приведены следующие компоненты схемы:
Все подчиненные устройства подключены к единой магистрали, которая используется ими в режиме разделения времени. Сигналы на линиях магистрали доступны всем устройствам. Все подчиненные устройства имеют индивидуальные адреса , задаваемые на специальных регистрах устройств.
Особенности магистрального сопряжения. 1. Управление магистралью распределено между центральным устройством и подчиненными устройствами.
2. Центральное устройство разрешает конфликты одновременного обращения нескольких подчиненных устройств к нему.
3. Объем приемно-передающей аппаратуры, кабельных соединений уменьшается, но усложняется схема управления в подчиненных устройствах.
4. Процедура перебора адресов при большом количестве подчиненных устройств достаточно длительна. Вследствие указанных выше недостатков магистрального соединения в реальных магистральных интерфейсах используют элементы радиального интерфейса.
Пример комбинированного магистрально-радиального интерфейса приведен на Рис. 2, а.
Рис. 2. Магистральный и цепочный интерфейсы
В магистральном варианте комбинированного интерфейса:
1. Все виды информации передаются по магистрали.
2. При необходимости связаться с устройством Уi центральное устройство Уц передает ему по индивидуальной линии сигнал «разрешение работы», который разрешает устройству Уi через коммутатор К подключится к магистрали.
3. Таким образом, кроме магистрали каждое устройство Уi соединяется с центральным устройством двумя линиями — линией запроса и линией разрешения. Управляет идентификацией устройств арбитр (АРБ).
Пример магистрально-цепочного интерфейса приведен на Рис. 2, б.
Эта структура широко распространена на практике. Здесь все виды информации передаются также по магистрали, адресация устройств осуществляется так же, как в магистральном интерфейсе, но для ускорения идентификации предусматривается линия управления, соединяющая устройства У1—Уп по принципу цепи. Сигнал выборки (ВБР) подается последовательно на все периферийные устройства. То из периферийных устройств, которое послало на линию требования (ТРБ) свой адрес (А), запрашивая сеанс связи с центральным устройством, блокирует распространение сигнала ВБР и устанавливает связь с центральным устройством. Магистрально-цепочная структура позволяет строить интерфейсы, в которых возможен обмен между фиксированным и произвольно выбираемым устройством, либо между двумя произвольными устройствами. Такой принцип построения интерфейса впервые был использован в ЭВМ IВМ 360 и ЕС ЭВМ.
№2
Начальный этап.
Стандартизация карт памяти началась примерно в 1989 году. Основной побудительной причиной оказалась сложность модификации первых мобильных компьютеров. Естественно, пользователям не нравилось развинчивать дорогой ноутбук отвёрткой или обращаться к специалистам каждый раз, когда требовалось что-то добавить к его конфигурации. Добавлять требовалось часто. Не хватало периферии, а USB тогда еще не было, не хватало места на жёстком диске. В то время объёмы винчестеров исчислялись мегабайтами, этого не хватало. Каждый производитель ноутбуков решал эту проблему по-своему, стандартов не было, большинство решений сводилось к использованию внешних модулей с жёсткими дисками или с флэш-памятью. Все они подходили к ноутбукам только соответствующего производителя, что крайне неудобно для пользователей.
Для решения этих проблем была основана в 1989 году организация CMCIA (Personal Computer Memory Card International Association). Эта ассоциация объединила более сотни компаний и создала международный стандарт карт расширения, получивший название PC - Card. В основе стандарта лежала новая архитектура, названная PCMCIA (Peripheral Component MicroChannel Interconnect Architecture). Она предусматривала «горячее» подключение карт расширения, то есть, чтобы воткнуть карту, не требовалось выключать компьютер. Под эту архитектуру выпускались карты в трёх разных форм-факторах: Type I, Type II и Type III (Рис. 4, 5). Все три форм-фактора имели одинаковую длину и ширину (85,6 х 54,0 мм), но разную толщину и разное количество контактов.
В настоящее время, большинство ноутбуков оснащаются одним слотом Type II и этого хватает. Ноутбуки со слотами PC - Card Type II будут использоваться до тех пор, пока шина PCI не будет окончательно вытеснена более новой PCI - Express, которой соответствует новый стандарт карт расширения – Express Card, имеющий свои, не совместимые с PC - Card форм-факторы и интерфейсы.
В 1995 году появился новый стандарт, PCMCIA 2.1, основой которого была шина Card Bus. Фактически это была 32-разрядная шина PCI с частотой 33 МГц, но адаптированная под форм-фактор PC - Card.
Одновременно с PC - Card появилась тенденция реализовывать карты памяти и съёмные устройства ввода/вывода в одинаковом формате. В результате, некоторые стандарты карт памяти, не отвечающих современным требованиям по миниатюрности, являются достаточно распространёнными, так как в тех же форм-факторах реализовано достаточно много других устройств. В миниатюрные карты памяти устройств ввода/вывода не поместить. Даже если это получится технически, пользоваться такими устройствами будет неудобно.
Таким образом, старые стандарты продолжают жить. Соответствующими слотами оснащены различные мобильные устройства.
Ещё одна тенденция, инициаторами которой явились PC – Card - практика использования карт меньшего размера в слотах для карт большего размера. В самом деле, карту с меньшей длиной и шириной можно подключить через слот PC - Card, используя специальный адаптер, а при одинаковом интерфейсе – простой переходник. Так, в наши дни существуют PC-Card-адаптеры под все распространённые стандарты карт памяти (Рис. 10).
«Немеханические дискеты»
Успех флэш-карт памяти стандарта PC - Card в начале 90-х стал причиной появления нового класса мобильной электроники – мобильных устройств для транспортировки данных.
Ранее эта ниша была занята дискетами (магнитными и оптическими), но их возможностей хватает не всегда. PC - Card стали хорошей альтернативой и, несомненно, вытеснят дискеты. Пока этому препятствует разница в стоимости. Естественно, появлялась необходимость в «немеханических дискетах», идентичных PC - Card, но более компактных.
В 1994 году компанией SanDisk был представлен стандарт флэш-карт «Compact Flash» (Рис. 11). Через год после презентации стандарта была организована ассоциация CFA (Compact Flash Association), развивающая Compact Flash до сих пор.
Кроме компактности, этот стандарт не отличается от PC - Card ничем. Адаптер, позволяющий использовать карты Compact Flash в слотах PC - Card, представляет собой обычный переходник без какой-либо электроники (Рис. 12). Довольно распространённой практикой стало продавать карту Compact Flash сразу вместе с переходником, что почти не сказывается на цене, зато сразу понятно, что под новую карту не нужно отдельного слота в ноутбуке.
Type II оказался востребован для устройств ввода-вывода и жёстких дисков
В 1994 г., вторым конкурентом Compact Flash стал стандарт SSFDC (Solid State Floppy Disk Card) от компании Toshiba . Название стандарта говорит о нацеленности на нишу «немеханических дискет".тЭтот стандарт продвигался под маркетинговым именем «Smart Media».
Причина успеха этого стандарта - дешевизна. По своей сути карты Smart Media был - NAND-чипы флэш-памяти, закатанные в пластик. Если у конкурирующих стандартов контроллер флэш-памяти размещался внутри самой карты, то стандарт SSFDC предполагал, что контроллер – это проблемы производителя кард-ридера. Естественно, что Toshiba не могла гарантировать совместимости карт и контроллеров от разных производителей.
Итак, Smart Media позиционировалась, как «флэш - карта для бедных». Однако, в этой нише крайне трудно конкурировать с CD-RW и DVD-RW дисками, которые на порядок дешевле, чем карты памяти.
Таким образом, можно утверждать, что до 1999 года Compact Flash оставался стандартом по умолчанию для «немеханических дискет».
В 1999 году USB Implementers Forum представил стандарт USB Flash Drive, позиционируя его как очередной вариант замены для магнитных дискет. В этот момент уже было ясно, как будет выглядеть «дискета будущего». Разъёмы USB как раз начинали становиться естественным атрибутом компьютеров, как мобильных, так и настольных.
В апреле 2000 появилась спецификация USB 2.0, обеспечившая беспрецедентное увеличение скорости чтения/записи устройств USB Flash Drive. Флэш-память под USB 2.0, имеющая скорость чтения/записи 60 Мб/с (400 х).
USB-3.0, поддерживает режим энергосбережения, не предусмотренный предыдущими версиями этого протокола.
Важно, что стандарт USB Flash Drive никак не нормировал форм-фактор соответствующих устройств. USB - флэшки должны были корректно подключаться к USB-разъёмам, а всё остальное оставлялось на усмотрение производителя. В результате эти устройства крайне редко имеют форму, которую можно назвать «картой», и картами памяти они остаются только, по сути.
«Цифровые кассеты». Основные типы и характеристики.
В 1997 году для карт памяти и для мобильных устройств началась эпоха мультимедиа.
Впервые в мире, компания Sae Han Information Systems выпустила немеханический аудиоплеер MPMan F10
Плеер имел 32 Мб встроенной флэш-памяти. Чтобы увеличить этот объём до 64 Мб, необходимо было доплатить 69 долларов и отослать его на доработку производителю. Такая ситуация не устраивала пользователей и производителя, что и обусловило выпуск следующей модели – F20 – которая имела слот расширения для карт стандарта Smart Media.
Вторым знаковым событием 1997 года стал представленный компаниями Siemens AG и SanDisk стандарт карт памяти MMC (MultiMediaCard), который с самого начала позиционировался как мультимедийный. В MMC использовалась та же самая, что и у Smart Media, NAND-память от Toshiba, только её разместили в более удобном форм-факторе (24 х 32 х 1.5 мм), кроме того, в отличие от Smart Media, карты MMC имели внутренний контроллер, обеспечивающий лучшую совместимость.
Производители мультимедийного аудиоконтента уже ощущали влияние MP3 - формата на уровень своих доходов. Ими отмечалось, например, что после появления MP3 в студенческих городках продажи CD упали практически до нуля, что явно указывало на использование нелегальных копий аудиоконтента.
В августе 1999 года интересы производителей аудиоконтента отразились на эволюции плееров и карт памяти. Был выпущен стандарт карт памяти, который позволял, при желании, защитить записанный на карту аудиоконтент от нелегального копирования. Стандарт получил название Secure Digital (SD). Основателями стандарта SD являются компании Matsushita Electric, SanDisk и Toshiba. Сопровождением стандарта занимается ассоциация SDA (Secure Digital Association). Ключевой особенностью нового стандарта являлась поддержка защитной системы CPRM/CPPM (Content Protection for Recordable Media and Pre-Recorded Media), в разработке которой, помимо создателей SD, принимала участие компания Intel. Стандарт SD стал самым успешным стандартом карт памяти за всю их историю.
Причиной небывалого успеха SD является, помимо дополнительных функций и его совместимость с MMC. Производители мобильных устройств вполне закономерно предпочитали «толстые» SD-слоты, в которых могли читаться оба типа карт.
MemoryStick хорошо показал себя в тех же нишах, где лидировал формат SD, и гарантированно востребован, поскольку привязан к продукции компании Sony, кроме того его поддерживает компания Samsung. Успех мобильной продукции этих компаний обеспечил успех стандарта у покупателей.
Первая цифровая камера, использующая флэш - карты, появилась в 1996 году, то есть через семь лет после зарождения флэш-карт. Ей стала модель DC-25 от компании Kodak, и в ней использовались карты стандарта Compact Flash.
«Цифровая пленка». Основные типы и характеристики.
Olympus и Fujifilm в 2002 году -название XD-Picture или просто xD. Стандарт с самого начала позиционировался как «цифровая плёнка» и в других нишах не используется. Карты xD не имеют встроенного контроллера, однако это не вызвало проблем с совместимостью, так как эти карты используются только в камерах от тех же Olympus и Fujifilm.
Теоретически карты без контроллеров должны быть дешевле, как это было в случае со Smart Media, но Olympus и Fujifilm сохранили цены на xD достаточно высокими, компенсируя потери на рынке фотоплёнок.
Карты xD имеют небольшой размер – 20,0 х 25,0 х 1,78 мм, низкое энергопотребление. Объём карт первой версии стандарта от 512 Мб до 8 Гб.
Технология «цифровой плёнки» стала требовать совместимости разных форматов карт памяти от цифровых камер с компьютерами. Пока эта проблема решается универсальными кард-ридерами, но в ближайшем будущем необходимость единого стандарта карт памяти может стать очевидной. Наиболее вероятной выглядит перспектива формирования отдельных стандартов для профессиональных и для любительских камер. В первом случае ценность представляет дешёвый мегабайт и высокая скорость записи, а во втором – компактность и низкое энергопотребление. Первый вариант наводит на мысли о USB – Flash Drive, а второй – об одном из дочерних стандартов SD/MMC.