5.5 Универсальные последовательные периферийные шины
Шина USB (Universal Serial Bus) - универсальная шина, предназначенная для подключения периферийных устройств. Стандарт разработали семь компаний: Compaq, Digital Equipment, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. USB-шнур представляет собой две скрученные пары: по одной происходит передача данных в каждом направлении, по другой - питание (+5 В). Благодаря встроенным линиям питания, обеспечивающим ток до 500 мА, USB часто позволяет применять устройства без собственного блока питания.
К одному компьютеру можно подсоединить до 127 устройств через цепочку концентраторов (они используют топологию звезда). Причем эти устройства могут быть самыми разными - от клавиатуры с мышью до сканеров и цифровых камер, но все эти устройства для эффективной работы должны иметь в своем распоряжении необходимую им полосу пропускания, а она ограничена 12 мегабитами. То есть сканер с принтером все используют. Не рекомендуется к одному USB-разъему подключать много скоростных устройств, которые предполагается использовать одновременно. Кроме того, манипуляторы мышь и модемы потребляют определенный ток, который поставляется шиной, что тоже снижает количество подключаемых устройств.
Передача данных по шине может осуществляться как в асинхронном, так и в синхронном режиме. В USB обмен информации с быстрыми устройствами идет на скорости 12 Мбит/с, а с медленными - 1,5 Мбит/с. Все подключенные к USB-устройства конфигурируются автоматически (PnP) и допускают Hot-Swap включение/выключение (без перезагрузки или выключения компьютера). Достигается это следующим образом. При подключении кабеля к USB-разъему контроллер чувствует скачок напряжения и подает соответствующий сигнал операционной системе, которая загружает драйвер и и обеспечивает работу устройства на программном уровне. Если драйвер не был установлен, система опознает устройство и самостоятельно ставит необходимые драйвера. При дальнейшем включении/выключении устройства инициализация происходит аналогично. Во время опознавания на экране появляется соответствующее сообщение. Устройство также сообщает информацию о его типе, производителе, назначении и требуемой пропускной способности. Ему назначается уникальный идентификационный номер. Для взаимодействия устройств используется кабель. Существует два вида разъемов: разъем типа А и B. Как правило, устройство подключается к кабелю разъемом B, а другим к USB-порту A. Устройства можно подключать по цепочке, для этого они могут иметь дополнительный порт для подключения кабеля, идущего на следующее устройство, однако это не всегда так. Поэтому существуют специальные USB-хабы, подключаемые к порту USB и делящих его на несколько. Есть хабы с блоком питания, они позволяют обойти ограничение на электрическую нагрузку. Старые компьютеры, не имеющие USB (сейчас USB-контроллер встраивается непосредственно в чипсет), можно оснастить картой типа PCI to USB.
Стандарт был принят в 1995-м году. Производители устройств ждали, пока Microsoft выпустит ОС с поддержкой USB. В 1998-м году фирма Microsoft сделала операционную систему с полноценной поддержкой USB (Windows 98). Теоретически к шине USB можно подключить любое устройство (жесткий диск, систему видеомонтажа). Все определяется максимальной пропускной способностью шины. Ее достаточно только для передачи видео посредственного качества. Жесткий диск будет сильно притормаживать. Единственная область, где ему можно найти применение в качестве второго диска большой емкости в портативном компьютере. В последнее время появилась спецификация USB 2.0, где скорость намного увеличена.
После введения спецификации USB 2.0 появился вопрос о идентификации USB-оборудования потребителями. Принято решение не использовать старый логотип USB 1.1. Вместо этого введено два новых: для стандартного USB и для высокоскоростного. Оба логотипа обозначают, что оборудование прошло испытания на соответствие требованиям работы в USB-системе. Значок "Certified USB" говорит, что сертифицированное устройство отвечает требованиям USB 2.0 и поддерживает обмен данными на низкой (1,5 Мбит/с) и стандартной (12 Мбит/с) скорости. Значок "Certified Hi Speed USB" означает, что такое оборудование будет работать на высокой скорости 480 (Мбит/с).
IEEE 1394 (FireWire - название Apple, iLink - Sony) - стандарт на высокоскоростную последовательную шину, который разработан на основе технологии FireWire фирмами Apple и Texas Instruments. Он также является частью стандарта Serial SCSI. Необходим для передачи высококачественного видео/аудио в реальном времени. Самый традиционный способ создания цифрового видео - снять на аналоговую камеру, затем оцифровать с помощью платы видеомонтажа - довольно прост и дешев, но при этом теряется качество. А можно и снимать в цифровом режиме, но тогда поток нужно как-то передавать в компьютер. Раньше для этого использовался SCSI, но это не самый удобный способ из-за небольшой длины кабеля, терминаторов, невозможности горячего подключения. Можно использовать USB, но ее пропускной способности хватает только на поток, соответствующий самому низкокачественному видео.
Стандарт поддерживает пропускную способность шины на уровнях 100, 200, 400 800 и 1600 Мбит/с. В зависимости от возможностей подключенных устройств одна пара устройств может обмениваться сигналами на одной скорости (например, 100 Мбит/с), в то время как другая на той же шине - на другой (например, 400 Мбит/с). Такие высокие показатели пропускной способности последовательной шины практически исключают необходимость использования параллельных шин (SCSI). Перечислим основные достоинства технологии FireWire.
-Цифровой интерфейс - позволяет передавать данные между цифровыми устройствами (камера и компьютер) без потери качества.
-Тонкий кабель заменяет вместо громоздких проводов.
-Простота в использовании - отсутствие терминаторов, идентификаторов устройств или предварительной установки, возможность переконфигурировать шину без выключения компьютера.
-Гибкая топология, основанная на равноправии устройств.
-Высокая скорость обмена (до 200 Mбайт/с), что дает возможность подключать к шине высокоскоростное оборудование.
-Низкая нагрузка на процессор
-Широкие возможности для интеграции компьютера с бытовой аудио- видеоэлектроникой.
Кабель IEEE 1394 состоит из шести проводов, из них два идет на питание, а две другие пары предназначены для передачи сигнала. Каждая витая пара и весь кабель в целом экранированы.
Рисунок 7 – Конструкция кабеля IEEE 1394
Провода питания рассчитаны на ток до 1,5 А при напряжении от 8 до 40 В, поддерживают работу всей шины, даже когда некоторые устройства выключены, делают ненужными кабели питания во многих устройствах. Недавно фирма Sony разработала более тонкий четырехпроводный кабель, в котором отсутствуют провода питания (AV-разъем), который будет связывать небольшие устройства.
Коннекторы шины IEEE 1394 напоминают разъемы шины USB. Сеть 1394 может включать до 63 узлов, каждый из которых имеет свой 6-разрядный физический идентификационный номер. К каждому узлу можно подключить до 16 устройств. Если этого недостаточно, несколько сетей могут быть соединены между собой мостами. При этом каждая шина идентифицируется отдельным 10-разрядным номером. Таким образом, 16-разрядный адрес позволяет иметь до 64449 узлов в системе, что дает 1031184 устройств.
Конструкция шины проста. Устройства могут подключаться к любому доступному порту (на каждом устройстве обычно 1 - 3 порта). Шина допускает "горячее". Нет также необходимости в каких-либо адресных переключателях, поскольку отсутствуют электронные адреса. Каждый раз, когда узел добавляется или изымается из сети, топология шины автоматически переконфигурируется в соответствии с шинным протоколом. Однако есть ограничения:
-между любыми двумя узлами может существовать не больше 16 сетевых сегментов;
-в результате соединения устройств не должны образовываться петли;
-для поддержки качества сигналов длина стандартного кабеля, соединяющего два узла, не должна превышать 4,5 м.
Интерфейс позволяет осуществлять два типа передачи данных: синхронный и асинхронный. При асинхронном методе получатель подтверждает получение данных, а синхронная передача гарантирует доставку данных в необходимом объеме, что важно для мультимедийных приложений.
Протокол IEEE 1394 реализует три нижних уровня эталонной модели Международной Организации по стандартизации: физический, канальный и сетевой. Кроме того, существует менеджер шины, которому доступны все три уровня. На физическом уровне обеспечивается электрическое и механическое соединение с коннектором, на других уровнях - соединение с прикладной программой.
На физическом уровне осуществляется передача и получение данных, выполняются арбитражные функции - для того чтобы все устройства, подключенные к шине FireWire, имели равные права доступа. На канальном уровне обеспечивается надежная передача данных через физический канал, осуществляется обслуживание двух типов доставки пакетов - синхронного и асинхронного. На сетевом уровне поддерживается асинхронный протокол записи, чтения и блокировки команд, обеспечивая передачу данных от отправителя к получателю и чтение полученных данных. Блокировка объединяет функции команд записи/чтения и производит маршрутизацию данных между отправителем и получателем в обоих направлениях. Менеджер шины обеспечивает общее управление ее конфигурацией, выполняя действия: оптимизацию арбитражной синхронизации, управление потреблением электрической энергии устройствами, подключенными к шине, назначение ведущего устройства в цикле, присвоение идентификатора синхронного канала и уведомление об ошибках.
Чтобы передать данные, устройство сначала запрашивает контроль над физическим уровнем. При асинхронной передаче в пакете, кроме данных, содержатся адреса отправителя и получателя. Если получатель принимает пакет, то подтверждение возвращается отправителю. Для улучшения производительности отправитель может осуществлять до 64 транзакций, не дожидаясь обработки. Если возвращено отрицательное подтверждение, то происходит повторная передача пакета.
В случае синхронной передачи отправитель просит предоставить синхронный канал, имеющий полосу частот, соответствующую его потребностям. Идентификатор синхронного канала передается вместе с данными пакета. Получатель проверяет идентификатор канала и принимает только те данные, которые имеют определенный идентификатор. Количество каналов и полоса частот для каждого зависят от приложения пользователя. Может быть организовано до 64 синхронных каналов.
Шина конфигурируется так: передача кадра начинается во время интервала синхронизации. В начале кадра располагается индикатор начала и далее последовательно во времени следуют синхронные каналы 1, 2 и т. д. На рисунке 6 изображен кадр с двумя синхронными каналами и одним асинхронным.
Оставшееся время в кадре используется для асинхронной передачи. В случае установления для каждого синхронного канала окна в кадре шина гарантирует необходимую для передачи полосу частот и успешную доставку данных.
Стандарт 1394 определяет не только протокол передачи данных, но и общую структуру шины. Древообразная структура всегда имеет корневое устройство, от которого происходит ветвление к логическим узлам, находящимся в других физических устройствах.
Рисунок 8 – Структура кадра сигнала
Корневое устройство отвечает за определенные функции управления и определяется во время инициализации, будучи однажды выбранным, остается таковым на все время подключения к шине.
Интерфейс PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) представляет собой расширение системной шины портативного компьютера. Необходимость создания нового интерфейса вызвана тем, что в notebook нет возможности для установки обычных плат расширения из-за отсутствия слотов, куда карты можно было бы вставить.
С PCMCIA-интерфейсом выпускаются миниатюрные карточки, которые могут содержать модем, сетевую плату, жесткий диск, память и т. д. В 1989 году впервые появились такие карточки, которые устанавливались в специальный внешний разъем. Сначала этот разъем был 16-разрядным, затем - 32, что при частоте 33 МГц дало пропускную способность 132 Мбайт/с. В начале 1995-го стандарт PCMCIA переименовали в PC-Card из-за разнообразия подключаемых к PCMCIA устройств, а не только карты памяти. Карточки вставляются в стандартизированный внешний разъем, которым оборудованы все портативные компьютеры. Существует несколько стандартов для РС-Card. Это соответственно PC-Card Type I (54*85,6*3,3 для подключения памяти SRAM, Flash), Type II (54*85,6*5,5 для устройств ввода-вывода - модемов, сетевых карт) и Type III (54*85,6*10,51 для устройств хранения данных - жесткие диски). Единственное, по сути, их отличие - размеры. Соответственно варьируются и типы исполняемых в виде PC-Card устройств. Эти типы совместимы, то есть в слот Type III можно вставить карту Type I или II, но не наоборот.
Для работы с PC-Card на настольном компьютере нужно приобрести соответствующий адаптер. Карточки применяются не только в персональных компьютерах, но и в цифровых камерах в качестве носителя информации. PC-Card могут работать от 3,3 В и 5 В.
ACPI (Advanced Configuration and Power Interface) - расширенный интерфейс конфигурирования компьютера и управления питанием. В системе с ACPI используется свод стандартов и правил для конфигурирования и работы аппаратных средств - например, для назначения прерываний и ресурсов устройствам на современных шинах (PCI и AGP), для получения информации о работе устройств, для работы дополнительных "энергосберегающих" кнопок и датчиков, или, например, для получения данных об оставшейся в аккумуляторах энергии. Основное условие совместимости системы с ACPI - поддержка ACPI материнской платой и BIOS.
Сложная система, имеющая поддержку ACPI, может оказаться не совсем совместимой и корректно заработать в Windows 2000, XP только лишь в ACPI режиме - или, наоборот, только в традиционной конфигурации. Какой из двух вариантов лучше - для обычной работы компьютера не важно: лишь бы устройства правильно работали. Переход из ACPI в стандартную конфигурацию - это хоть и глобальная, но, обычно, не представляющая опасности операция, которую можно осуществить так: зайти в менеджер устройств, и в разделе Компьютер изменить "драйвер" для единственного.
В смысле управления питанием и режимами работы компьютера стандарт ACPI является развитием стандарта APM (Advanced Power Management). ACPI разрабатывалась, в частности, специально для поддержки технологии OnNow - идеология устройства компьютера, который готов быстро проснутся и приступить к работе в любое время. APM уже не используется в Windows 2000 в системах на основе ACPI.
Windows 2000 имеет два режима сна:
-Режим Hibernate - сброс всех данных из памяти на диск и полное выключение компьютера. При следующем запуске система просто восстанавливает работу там, где ее закончили. Основная ценность режима заключается в том, что компьютер действительно полностью выключается. Hibernate сохраняет все состояние компьютера на диск, включая режим работы всех устройств системы. Основное преимущества Hibernate перед полной остановкой компьютера - скорость восстановления из этого режима, которая составляет буквально десятки секунд. Полная загрузка операционной системы занимает обычно в несколько раз больше времени. Плюс еще и в том, что Hibernate сохраняет вашу систему в том же точно состоянии, в каком вы закончили работу с ней - это просто удобно. Выход из режима Hibernate осуществляется примерно с той же скоростью, что и вход в него - вместо загрузки системы с нуля на текстовом экране с полоской внизу идет прогресс восстановления памяти системы, а потом - еще 5 - 10 секунд на восстановление состояния устройств компьютера.
-Режим Stand by - "ждущий режим" - менее кардинальное действие, полезное, в основном, лишь пользователям портативных компьютеров. Компьютер останавливает жесткий диск, выключает экран и большинство периферийных устройств и как может понижает энергопотребление процессора. Реализация данного режима зависит от аппаратуры. Общая характеристика режима Stand by - компьютер остается работать, а данные находятся в памяти. Настольные системы часто не предоставляют режима Stand by, так как он работает там не очень эффектно - основной вентилятор блока питания остается работать, и компьютер по прежнему нельзя считать спящим хотя бы по уровню шума.
Основное достоинство режима Stand by - вход и выход осуществляется практически мгновенно (основное время, которое на это затрачивается - остановка и раскрутка жестких дисков). Основной недостаток - данные остаются в памяти, процессор продолжает хоть и спать, но работать. В режиме Stand by нельзя полностью отключать питание: данные будут потеряны, и рабочая сессия тоже. Данные, к примеру, можно потерять и простым статическим разрядом или любым другим сбоем, который повредит данные памяти.
