Порти вводу-виводу

Основними засобами комунікації, використовуваними в PC, є послідовні і паралельні порти. До послідовних портів частіше підключаються двонаправлені пристрої, які повинні як передавати інформацію в комп'ютер, так і приймати її. Послідовні порти, паралельні порти, універсальна послідовна шина (Universal Serial Bus— USB), IEEE-1394 (i.Link або FireWire)— все це інтерфейси вводу-виводу.

Паралельні порти звичайно використовуються для підключення принтерів і працюють в однонаправленому режимі, хоча можуть застосовуватися і як двонаправлені. Деякі виробники випускають програми, призначені для організації високошвидкісної передачі даних між комп'ютерами через послідовні або паралельні порти. Версії цих програм передачі файлів були включені ще в DOS версії 6.0 і вище (Interlink) і в Windows 9x. Існують версії мережевих адаптерів, накопичувачів на магнітній стрічці, сканерів, дисководів для гнучких дисків і CD-ROM, які також підключаються до паралельних портів.

Задачі, традиційно виконувані послідовними або паралельними портами, в даний час поступово переходять до портів новіших типів, на зразок USB або IEEE-1394. Проте традиційні порти все ще залишаються одними з найважливіших інтерфейсів вводу-виводу.

Послідовні порти

Асинхронний послідовний інтерфейс — це основний тип інтерфейсу, за допомогою якого здійснюється взаємодія між комп'ютерами. Термін асинхронний означає, що при передачі даних не використовуються ніякі синхронізуючі сигнали і окремі символи можуть передаватися з довільними інтервалами, як, наприклад, при введенні даних з клавіатури.

Кожному символу, передаваному через послідовне з'єднання, повинен передувати стандартний стартовий сигнал, а завершувати його передачу повинен стоповий сигнал. Стартовий сигнал — це нульовий біт, званий стартовим бітом. Він повинен повідомити приймаючий пристрій про те, що наступні вісім бітів є байтом даних. Після символу передаються один або два стопові біти, що сигналізують про закінчення передачі символу. У приймаючому пристрої символи розпізнаються по появі стартових і стопових сигналів, а не по моменту їх передачі. Асинхронний інтерфейс орієнтований на передачу символів (байтів), а при передачі використовується приблизно 20% інформації тільки для ідентифікації кожного символу.

Термін послідовний означає, що передача даних здійснюється по одиночному провіднику, а біти при цьому передаються послідовно, один за іншим. Такий тип зв'язку характерний для телефонної мережі, в якій кожен напрям обслуговує один провідник.

Розташування послідовних портів

Типові системи включають один або два послідовні порти, що розташовуються звично на задній панелі системного блоку. Існують також комп'ютери, створені з врахуванням споживацьких вимог, які містять послідовний порт цифрової камери, розташований на передній панелі. Цей порт використовується для передачі даних з цифрових камер нижчого класу. У сучасних конструкціях системної плати для управління вбудованими послідовними портами цього типу використовується мікросхема Super I/O, розташована на системній плати, або високоінтегрована мікросхема South Bridge.

Для того, щоб збільшити кількість послідовних портів, що є в стандартній системі, необхідно придбати одно- або багатопортову плату або так звану інтерфейсну плату вводу-виводу (multi-I/O card) , що містить один або два послідовних, а також один або два паралельні порти. Послідовні порти старих систем, створених на основі стандартів ISA або VL-Bus, часто підключалися до багатофункціональної плати, що містить інтерфейси жорсткого диска IDE і накопичувача на гнучких дисках.

Зверніть увагу на те, що модеми, розміщені на плати, також включають вбудований послідовний порт. На мал. нижче показаний стандартний 9-контактний роз'єм, використовуваний багатьма сучасними зовнішніми послідовними портами. А також показана первинна версія стандартного 25-контактного роз'єму.

До послідовних портів можна підключити найрізноманітніші пристрої: модеми, плоттери, принтери, сканери, інші комп'ютери, пристрої прочитування штрих-коду або схему управління пристроями. В основному у всіх пристроях, для яких необхідний двонаправлений зв'язок з комп'ютером, використовується послідовний порт RS-232C (Reference Standard number 232 revision С — стандарт обміну номер 232 версії С), що став стандартом, який дозволяє передавати дані між несумісними пристроями.

У офіційних технічних вимогах рекомендується максимальна довжина кабелю не більш 15 м. Обмежуючим чинником є повна ємність кабелю і вхідних контурів інтерфейсу. Максимальна ємність визначена як 2500 пФ. Спеціально розроблені кабелі з малою ємністю, їх довжина може досягати 150 м і більше. Є також драйвери лінії (підсилювачі (репітери)), які дозволяють ще більше збільшити довжину кабелю.

Призначення виводів роз'ємів послідовних портів приведені в табл. 17.1 і 17.2, а відповідність виводів між 9- і 25-контактним роз'ємами — в табл. 17.3.

Таблиця 17.1. Призначення виводів 9-контактного (AT) роз'єму послідовного порту

Вивід	Сигнал	Опис	Тип виводу
1	CD	Виявлення несучого сигналу	Вхід
2	RD	Дані, що приймаються	Вхід
3	TD	Передавані дані	Вихід
4	DTR	Готовність терміналу	Вихід
5	SG	Загальний сигнал	-
6	DSR	Готовність даних до передачі	Вхід
7	RTS	Запит передачі	Вихід
8	CTS	Готовність зовнішнього пристрою до прийому	Вхід
9	RI	Індикатор виклику	Вхід

Таблиця 17.2. Призначення висновків 25-контактного (PC, XT і PS/2) роз'єму послідовного порту

Вивід	Сигнал	Опис	Тип виводу
1	-	Корпус	-
2	TD	Передавані дані	Вихід
3	RD	Дані, що приймаються	Вхід
4	RTS	Запит передачі	Вихід
5	CTS	Готовність зовнішнього пристрою до прийому	Вхід
6	DSR	Готовність даних до передачі	Вхід
7	SG	Загальний сигнал	-
8	CD	Виявлення несучого сигналу	Вхід
9	-	Струмовий вихід передатчика (+)	Вихід
11	-	Струмовий вихід передатчика (-)	Вихід
18	-	Струмовий вхід прийомника (+)	Вхід
20	DTR	Готовність терміналу	Вихід
22	RI	Індикатор виклику	Вхід
25	-	Струмовий вхід прийомника (-)	Вхід

Таблиця 17.3. Відповідність виводів між 9- і 25-контактним роз'ємами

9-контактний роз'єм	25-контактний роз'єм	Сигнал	Опис
1	8	CD	Виявлення несучого сигналу
2	3	RD	Дані, що приймаються
3	2	TD	Передавані дані
4	20	DTR	Готовність терміналу
5	7	SG	Загальний сигнал
6	6	DSR	Готовність даних до передачі
7	4	RTS	Запит передачі
8	5	CIS	Готовність зовнішнього пристрою до прийому
9	22	Rl	Індикатор виклику

CD — Carrier Detect.

DSR — Data Set Ready.

RD — Receive Data.

RTS — Request To Send.

TD — Transmit Data.

CTS — Clear To Send.

DTR — Data Terminal Ready.

Rl — Ring Indicator.

SG — Signal Ground.

Високошвидкісні послідовні порти

При використанні зовнішніх пристроїв RS-232, призначених для роботи з швидкістю вище 115 Кбіт/с (тобто вище за максимальну швидкість мікросхем UART серії 16550 і їх еквівалентів), можна досягти максимальної ефективності, замінивши існуючі послідовні порти платою розширення, що містять одну з мікросхем UART типу 16650,16750 або 16850. Більшість плат підтримує швидкість обміну даними 230 Кбіт/с, 460 Кбіт/с або навіть вище, що має особливе значення при підключенні комп'ютера до швидкодійного зовнішнього пристрою, сполученого з послідовним портом, наприклад до термінального адаптера ISDN. Щоб повною мірою відчути швидкодію зовнішнього модему ISDN (термінального адаптера) необхідно забезпечити роботу послідовного порту із швидкістю передачі, рівною принаймні 230 Кбіт/с.

Багатопортова послідовна плата

Для більшості користувачів досить одного або двох послідовних портів, розташованих на стандартній платі; але бувають ситуації, коли виникає необхідність у використанні додаткових портів. У такому разі можна скористатися багатопортовою платою, яка надає додаткові порти, необхідні для сервісів віддаленого доступу (Remote Access Service — RAS), розрахованих на багато користувачів комп'ютерних систем, що використовують термінали, модемних пулів для ISP, збору даних і т.д.

В тому випадку, якщо потрібно тільки один або два додаткові послідовні порти, можна скористатися стандартною подвійною послідовною платою або багатоінтерфейсною платою вводу-виводу (подвійна послідовна плюс паралельна плата). Але для додавання від чотирьох до восьми портів необхідна вже спеціальна багатопортова плата. Власний роз'єм плати, розташований на задньому кронштейні, підключений до багатошарового кабелю розгалуження; кожна гілка кабелю закінчується стандартним кабельним роз'ємом DB9F RS-232. Кабелі розгалуження розраховані на роботу з мікросхемою UART 16550 або швидшою її версією.

Вбудовані послідовні порти

Вже у середині 1990-х років, починаючи з пізніх моделей 486-х комп'ютерів, замість окремих мікросхем UART почав використовуватися компонент системної плати, що одержав назву Super I/O. Цей компонент, як і багаторежимний паралельний порт, звичайно містить два послідовні порти UART, контроллер гнучких дисків, контроллер клавіатури, іноді пам'ять CMOS; всі ці елементи розташовані в одній крихітній мікросхемі. Проте ця мікросхема працює так, як ніби всі перераховані пристрої були встановлені окремо, а саме: операційна система і виконувані програми взаємодіють з мікросхемами UART як з окремо встановленими модулями на плати адаптера послідовного порту. У сучасних системах функції компоненту Super I/O інтегровані в мікросхему South Bridge. Ця мікросхема з інтегрованим вводом-виводом, як і компонент Super I/O, безпосередньо взаємодіє з програмним забезпеченням.

Конфігурація послідовних портів

Надходження в послідовний порт кожного чергового байта повинне обов'язково "привертати увагу" комп'ютера. Здійснюється це подачею сигналу на лінію запиту переривання (IRQ). У 8-розрядній системній шині ISA передбачено вісім таких ліній, а в 16-розрядній ISA— 16. Звичайно запити IRQ обслуговує мікросхема контроллера переривань типу 8259: у стандартній конфігурації для порту СОМ1 призначена лінія IRQ 4, а для порту COM2 — лінія IRQ 3. Навіть в найсучасніших системах конфігурація СОМ-портів залишилася без змін, що необхідно для сумісності із старими версіями програмного і апаратного забезпечення.

При установці в комп'ютер послідовний порт необхідно налаштувати для використовування конкретної адреси порту вводу-виводу і переривання IRQ. Краще всього при цьому використовувати стандарти, прийняті для послідовних портів.

Якщо ви, окрім стандартних СОМ1 і COM2, встановлюєте ще і додаткові послідовні порти, обов'язково переконайтеся, що вони використовують унікальні номери переривань, що не викликають конфліктів. При установці адаптера послідовних портів перевірте, чи не використовуються переривання IRQ 3 і IRQ 4.

У Windows 9x додана підтримка 128 послідовних портів. Це дозволяє за допомогою багатопортової плати комплектувати і спільно використовувати дані від декількох пристроїв через один роз'єм і одне переривання.

Таблиця 17.4. Стандартні адреси вводу-виводу і переривання для послідовних портів

Ім'я порту	Адреса порту	Переривання
СОМ1	3F8h-3FFh	IRQ 4
COM2	2F8h-2FFh	IRQ 3
COM3	3E8h-3Efh	IRQ 4*
COM4	2E8h-2Efh	IRQ 3*

*Хоча порти COM3 і COM4 можуть спільно з портами СОМ1 і COM2 використовувати переривання IRQ 3 і IRQ 4, не рекомендується конфігурувати порти таким чином. Якщо необхідні додаткові послідовні порти, то краще встановити COM3 на IRQ 5 або IRQ 10, а COM4 — на IRQ 11 (звичайно, якщо ці переривання IRQ не використовуються іншими адаптерами).

Паралельні порти

У паралельних портах для одночасної передачі байта інформації використовується вісім ліній. Цей інтерфейс відрізняється високою швидкодією, часто застосовується для підключення до комп'ютера принтера, а також для з'єднання комп'ютерів. (Адже при цьому швидкість передачі даних значно вища, ніж при з'єднанні через послідовні порти: 4, а не 1 біт за раз.) Істотним недоліком паралельного порту є те, що з’єднувальні дроти не можуть бути дуже довгими. При великій довжині з’єднувального кабелю в нього доводиться вводити проміжні підсилювачі сигналів, оскільки інакше виникає безліч перешкод.

Таблиця 17.5. Стандартний 25-контактний роз'єм паралельного порту

Вивід	Сигнал	Тип виводу
1	Строб (-)	Вихід
2	Дані, битий 0 (+)	Вихід
3	Дані, битий 1 (+)	Вихід
4	Дані, битий 2 (+)	Вихід
5	Дані, битий 3(+)	Вихід
6	Дані, битий 4 (+)	Вихід
7	Дані, битий 5 (+)	Вихід
8	Дані, битий 6 (+)	Вихід
9	Дані, битий 7 (+)	Вихід
10	Підтвердження (-)	Вхід
11	Зайнятість (+)	Вхід
12	Закінчився папір (+)	Вхід
13	Вибір (+)	Вхід
14	Автоматичний перевід рядка (-)	Вихід
15	Помилка (-)	Вхід
16	Ініціалізація принтера (-)	Вихід
17	Вибір входу (-)	Вихід
18	Дані, повернення біта О (-) /Общий	Вхід
19	Дані, повернення біта 1 (-) /Общий	Вхід
20	Дані, повернення біта 2 (-) /Общий	Вхід
21	Дані, повернення біта 3 (-) /Общий	Вхід
22	Дані, повернення біта 4 (-) /Общий	Вхід
23	Дані, повернення біта 5 (-) /Общий	Вхід
24	Дані, повернення біта 6 (-) /Общий	Вхід
25	Дані, повернення біта 7 (-) /Общий	Вхід

Стандарт IEEE 1284

Цей стандарт був остаточно затверджений в березні 1994 року. У ньому визначені фізичні характеристики паралельних портів (режими передачі даних і т.д.).

Крім того, в стандарті IEEE 1284 описаний характер зміни зовнішніх сигналів, що поступають на багаторежимні паралельні порти комп'ютера, тобто на порти, які можуть працювати в 4- і 8-розрядному режимах, а також в режимах ЕРР і ЕСР.

Хоча IEEE 1284 був випущений для стандартизації форм сигналів, за допомогою яких комп'ютер "спілкується" з пристроями, які підключаються, зокрема з принтером, цей стандарт цікавий і для виробників периферійних пристроїв, що підключаються до паралельних портів (дисководів, мережевих адаптерів і ін.).

Оскільки IEEE 1284 призначений тільки для апаратного забезпечення і не містить вимог до програмного забезпечення, що працює з паралельними портами, незабаром був розроблений стандарт, що визначає вимоги до такого програмного забезпечення і направлений на усунення відмінностей між мікросхемами паралельних портів різних виробників. У ньому, зокрема, описана специфікація для підтримки режиму ЕРР через BIOS.

Стандартом IEEE 1284 передбачена вища пропускна здатність з'єднання між комп'ютером і принтером або двома комп'ютерами. Для реалізації цієї можливості стандартний кабель принтера не підходить. Стандартом IEEE 1284 для принтера передбачена вита пара.

У стандарті IEEE 1284 визначений також новий роз'єм. Роз'єм типу А визначений як штирьковий DB25, роз'єм типу В — як Centronics 36. Роз'єм типу С є роз'ємом високої густини. Такі роз'єми (типу С) встановлюються на принтерах Hewlett-Packard. Роз'єми всіх трьох типів показані на мал. 17.3.

Стандарт IEEE 1284 визначає п'ять режимів роботи паралельного порту. Ці режими комбінуються в порти чотирьох типів, як показано в табл. 17.6.

Визначувані стандартом IEEE 1284 режими приведені в табл. 17.7.

Нижче приведений короткий опис вказаних типів і режимів паралельних портів.

Мал. 17.3. Три різні роз'єми, визначені в стандарті IEEE 1284

Таблиця 17.6. Типи портів IEEE 1284

Тип паралельного порту	Режим вводу	Режим виводу	Коментарі
Стандартний паралельний порт	Напівбайтовий	Сумісний	4-бітове введення, 8-бітовий вивід
Двонаправлений	Байтовий	Сумісний	Введення-вивід по 8 біт
Вдосконалений паралельний порт ЕРР)	ЕРР	ЕРР	Введення-вивід по 8 біт
Порт з розширеними можливостями (ЕСР)	ЕСР	ЕСР	Введення-вивід по 8 біт; використовується прямий доступ до пам’яті

Таблиця 17.7. Режими IEEE 1284

Режим паралельного порту	Напрям	Швидкість передачі, Кбайт/с
Напівбайтовий (4 біт)	Тільки ввід	50
Байтовий (8 біт)	Тільки ввід	150
Сумісний	Тільки вивід	150
ЕРР	Введення-вивід	500-2000
ЕСР	Введення-вивід	500-2000

Стандартні паралельні порти

У першому комп'ютері IBM PC існував тільки один паралельний порт, призначений для передачі інформації від комп'ютера до якого-небудь пристрою, наприклад до принтера. Однонаправленість паралельного порту першого PC цілком відповідала його основному призначенню — передачі даних на принтер. Проте у багатьох випадках бажано було мати двонаправлений паралельний порт навіть для принтера (щоб можна було реалізувати зворотний зв'язок, наприклад для принтерів типа PostScript). З однонаправленим паралельним портом здійснити це було неможливо.

Такий тип паралельних портів не призначався для використання вводу, проте за допомогою спеціальних схем (у яких чотири сигнальні лінії можуть бути представлені як 4-розрядне з'єднання) і однонаправленого паралельного порту можна забезпечити 8-розрядний вивід і 4-розрядне ввід. В даний час цей тип портів використовується досить рідко, оскільки в комп'ютерах, випущених після 1993 року, як правило встановлюються паралельні порти на зразок 8-розрядного, ЕРР і ЕСР.

Стандартний паралельний порт забезпечує швидкість передачі даних 50 Кбайт/с, але при використанні різних удосконалень пропускну здатність можна збільшити до 150 Кбайт/с.

Двонаправлені порти (8-розрядні)

Двонаправлений паралельний порт вперше з'явився в 1987 році в комп'ютерах PS/2. Навіть сьогодні в PC-сумісних комп'ютерах можна знайти порти, які звичайно позначаються як паралельні "типа PS/2", "двонаправлені" і "розширені" (extended) паралельні порти. Завдяки такому порту з'явилася можливість організувати двосторонній обмін даними між комп'ютером і різними периферійними пристроями. Для цього використовуються раніше вільні контаки роз'єму паралельного порту, а напрям передачі інформації визначається спеціальним бітом стану.

Двонаправлені порти можуть працювати з 8-розрядним вводом і виводом, використовуючи для цього вісім стандартних ліній передачі даних, пропускна здатність яких при підключенні зовнішніх пристроїв значно вище, ніж для 4-розрядних портів. Швидкість передачі даних при роботі через двонаправлений порт близько 150 Кбайт/с.

Вдосконалений паралельний порт (ЕРР)

ЕРР (Enhanced Parallel Port) — це новий тип паралельного порту, який іноді називають швидкодійним паралельним портом. Він розроблений компаніями Intel, Xircom і Zenith Data Systems і випущений в жовтні 1991 року. Першими пристроями, що пропонують можливості вдосконаленого паралельного порту, були портативні комп'ютери компанії Zenith Data Systems, адаптери компанії Xircom і мікросхема Intel 82360 SL I/O.

ЕРР працює практично на всіх швидкостях, підтримуваних шиною ISA, і пропонує десятикратне збільшення пропускної здатності в порівнянні із звичним паралельним портом. Цей тип портів розроблений спеціально для пристроїв, таких як мережеві адаптери, дисководи і накопичувачі на магнітній стрічці. Вдосконалений паралельний порт відповідає вимогам нового стандарту IEEE 1284 для паралельних портів і передає дані з швидкістю до 2 Мбайт/с.

Після виходу в 1992 році мікросхеми Intel 82360 SLI/O багато виробників почали випускати аналогічні пристрої вводу-виводу, в яких були реалізовані можливості ЕРР. Це породило проблему, що полягає у тому, що процедури роботи ЕРР на мікросхемах різних виробників істотно розрізнялися.

Версія 1.7 порту ЕРР, випущена в березні 1992 року, була першою популярною версією, що визначає вимоги до апаратного забезпечення. Ця версія не підтримує стандарт IEEE 1284. У деякій технічній документації помилково посилаються на "ЕРР версії 1.9" як на якийсь стандарт ЕРР. Запам'ятайте: версії 1.9 ЕРР не існує, а всі специфікації ЕРР, що вийшли після версії 1.7, є частиною стандарту IEEE 1284.

Таким чином, існує два несумісні стандарти: ЕРР версії 1.7 і IEEE 1284. Проте завдяки тому, що вони досить схожі один на одного, стали випускати периферійне устаткування, що підтримує обидва стандарти, але в деяких випадках пристрої для ЕРР 1.7 можуть не працювати з портами IEEE 1284.

Порт з розширеними можливостями (ЕСР)

Інший тип високошвидкісного паралельного порту, названий портом з розширеними можливостями (Enhanced Capabilities Port — ЕСР), розроблений компаніями Microsoft і Hewlett-Packard і випущений в 1992 році. Подібно ЕРР, цей порт володів підвищеною продуктивністю і вимагав для своєї роботи спеціальної логіки пристроїв.

Порт з розширеними можливостями відповідає вимогам стандарту IEEE 1284. Проте, на відміну від ЕРР, він не є портом, спеціально розробленим для підключення пристроїв до PC-сумісних комп'ютерів. Основна мета розробки і випуску цього типу паралельних портів — підтримка "недорогого" підключення високошвидкісних принтерів. Ще однією відмінністю ЕСР від ЕРР є те, що режим роботи першого з них вимагає використання каналу прямого доступу до пам'яті, який ніяк не визначений в ЕРР (що часто приводить до конфліктів, пов'язаних з пристроями, які також використовують прямий доступ до пам'яті). Більшість комп'ютерів, в яких встановлені новітні мікросхеми, може працювати як в режимі ЕСР, так і в ЕРР, проте при взаємодії з пристроями, що підключаються до паралельних портів, режим ЕРР працює краще.

Конфігурація паралельних портів

Паралельні порти відрізняються простішою конфігурацією, ніж послідовні. Навіть в BIOS перших комп'ютерів IBM PC було передбачено три порти LPT. У табл. 17.8 приведені стандартні адреси вводу-виводу і установки переривань для паралельних портів.

Оскільки в BIOS і DOS завжди визначені три паралельні порти, проблеми навіть в старих комп'ютерах виникають рідко. Проте вони можуть з'явитися в системах з шиною ISA через брак апаратних переривань. Для звичного друку порт з апаратним перериванням не є життєво необхідним — в багатьох програмах ця можливість навіть не передбачена. Проте переривання іноді використовуються в програмах: наприклад, при виконанні фонових процесів друку в мережі або інших процесів друку з підкачкою даних (з буфера друку).

При швидкому друці на лазерному принтері також використовуються переривання. Саме тому, якщо ви використовуєте одну з вказаних програм, працювати вона буде дуже повільно (якщо взагалі працюватиме). Єдиний вихід з такої ситуації — використання порту з перериванням. У сучасних комп'ютерах операційні системи MS DOS і Windows 9x/Ме/2000 можуть підтримувати до 128 паралельних портів.

При конфігурації паралельних портів в комп'ютерах з шиною ISA/PCI звичайно переставляють перемички і перемикачі. Враховуючи різноманіття плати, що продається в даний час різними виробниками, необхідно перед конфігурацією ознайомитися з керівництвом по експлуатації, що практично завжди містить корисні відомості про цю процедуру.

Таблиця 17.8. Стандартні адреси вводу-виводу і переривання паралельних портів

Стандартний порт	Альтернативний порт	Введення-вивід	Переривання
LPT1	-	3BCh-3BFh	IRQ 7
LPT1	LPT2	378h-37Ah	IRQ 5
LPT2	LPT3	278h-27Ah	IRQ 5

USB і 1394 (i.Link) FireWire - нові інтерфейси вводу-виводу

В даний час для настільних і портативних комп'ютерів розроблено два високошвидкісні пристрої з послідовною шиною: USB (Universal Serial Bus — універсальна послідовна шина) і IEEE-1394, звана також i.Link або FireWire. Ці високошвидкісні комунікаційні порти відрізняються від стандартних паралельних і послідовних портів, встановлених в більшості сучасних комп'ютерів, ширшими можливостями. Перевага нових портів полягає у тому, що їх можна використовувати як альтернативу SCSI для високошвидкісних з'єднань з периферійними пристроями, а також під'єднувати до них всі типи зовнішніх периферійних пристроїв (тобто в даному випадку зроблена спроба об'єднання пристроїв вводу-виводу).

Новим напрямом в розвитку високошвидкісних периферійних шин є викорисання послідовної архітектури. Для передачі інформації в паралельній архітектурі, де біти передаються одночасно, необхідні лінії, що мають 8, 16 і більше дротів. Можна припустити, що за один і той же час через паралельний канал передається більше даних, ніж через послідовний, проте насправді збільшити пропускну здатність послідовного з'єднання набагато легше, ніж паралельного.

Паралельне з'єднання володіє рядом недоліків, одним з яких є фазовий зсув сигналу, через що довжина паралельних каналів, наприклад SCSI, обмежена (не повинна перевищувати 3 м). Проблема у тому, що, хоча 8- і 16-розрядні дані одночасно пересилаються передавачем, через затримки одні біти прибувають в приймач раніше інших. Отже, чим довше кабель, тим більше час затримки між першим і останнім прибулими бітами на приймальному кінці.

Послідовна шина дозволяє одноразово передавати 1 біт даних. Відсутність затримок при передачі даних дозволяє значно збільшити тактову частоту. Наприклад, максимальна швидкість передачі даних паралельного порту ЕРР/ЕСР досягає 2 Мбайт/с, тоді як порти IEEE-1394 (у яких використовується високошвидкісна послідовна технологія) підтримують швидкість передачі даних, рівну 400 Мбіт/с (близько 50 Мбайт/с), тобто в 25 разів вище. Швидкість передачі даних інтерфейсу USB 2.0 досягає 480 Мбіт/с (близько 60 Мбайт/с)!

Ще одна перевага послідовного способу передачі даних— можливість використання тільки одно- або двохдротяного каналу, тому перешкоди, що виникають при передачі, дуже малі, чого не можна сказати про паралельне з'єднання.

Вартість паралельних кабелів досить висока, оскільки дроти, призначені для паралельної передачі, не тільки використовуються у великій кількості, але і спеціальним чином укладаються, щоб запобігти виникненню перешкод, а це вельми трудомісткий і дорогий процес. Кабелі для послідовної передачі даних, навпаки, дуже дешеві, оскільки складаються з декількох дротів і вимоги до їх екранування набагато нижчі, ніж у використовуваних для паралельних з'єднань.

Саме тому, а також враховуючи вимоги зовнішнього периферійного інтерфейсу Plug and Play і необхідність усунення фізичного нагромадження портів в портативних комп'ютерах, були розроблені ці дві високошвидкісні послідовні шини, використовувані вже сьогодні. Не дивлячись на те що шина IEEE 1394 була спочатку призначена для вузькоспеціалізованого використовування (наприклад, з відеокамерами стандарту DV), зараз вона застосовується і з іншими пристроями на зразок професійних сканерів і зовнішніх жорстких дисків.

Універсальна послідовна шина USB

У USB реалізована можливість підключення великої кількості периферійних пристроїв до комп'ютера. При підключенні пристроїв до USB не потрібно встановлювати плати в роз'єми системної плати і реконфігуріровати систему, крім того, економно використовуються такі важливі системні ресурси, як IRQ (запити переривання). При підключенні периферійного устаткування до персональних комп'ютерів, оснащених шиною USB, його настройка відбувається автоматично, відразу після фізичного підключення, без перезавантаження або установки.

Основним ініціатором розробки стандарту USB виступила Intel. Починаючи з набору мікросхем системної логіки Triton П (82430НХ), в якому стандарт USB був втілений в мікросхемі РПХЗ South Bridge, компанія Intel підтримує цей стандарт у всіх своїх наборах мікросхем системної логіки. Спільно з Intel над створенням універсальної послідовної шини працювало ще сім компаній, серед яких Compaq, Digital, IBM, Microsoft, NEC і Northern Telecom. Ними був створений USB Implement Forum (USB-IF), метою якого є розвиток, підтримка і розповсюдження архітектури USB.

Перша версія USB анонсована в січні 1996 року, а версія 1.1 — у вересні 1998. У цій специфікації детальніше описані концентратори і інші пристрої. Більшість USB-пристроїв повинна бути сумісною із специфікацією 1.1, навіть якщо вони випущені до її офіційної публікації. У новій специфікації USB 2.0 швидкість передачі даних в 40 разів вища, ніж в оригінальній USB 1.0; крім того, забезпечується повна зворотна сумісність пристроїв. Плата розширення PCI (для настільних систем) і плата PC Card Cardbus-сумісних портативних комп'ютерів дозволяють модернізувати комп'ютери ранніх версій, що не мають вбудованих роз'ємів USB. Більшість плат розширення підтримує специфікацію USB 1.1, але деякі з них вже підтримують стандарт USB 2.0.

USB1.1

Універсальна послідовна шина версії 1.1 — це інтерфейс, що працює із швидкістю 12 Мбіт/с (1,5 Мбайт/с) і заснований на простому 4-дротяному з'єднанні. Ця шина підтримує до 127 пристроїв і використовує топологію зірки, побудовану на розширяльних концентраторах, які можуть входити в персональний комп'ютер, будь-який периферійний пристрій USB і навіть бути окремими пристроями. Для таких низькошвидкісних периферійних пристроїв, як клавіатура і миша, в універсальній послідовній шині передбачений "повільніший" підканал, що працює із швидкістю 1,5 Мбіт/с.

У USB використовується кодування даних NRZI (Non Return to Zero Invent). У цьому методі кодування зміна рівня напруги відповідає 0, а його відсутність — 1. NRZI є вельми ефективною схемою кодування даних, оскільки при її використанні не потрібні додаткові сигнали, наприклад синхроімпульси.

Для одночасного підключення декількох пристроїв USВ необхідно використовувати концентратор. За допомогою концентратора до одного порту USB можна підключити клавіатуру, мишу, цифрову камеру, принтер, телефон і т.д. У комп'ютері встановлюється модуль, що назвається кореневим концентратором, — початкова точка для підключення решти пристроїв. Практично всі системні плати мають два, чотири або більше портів USB. Підключаючи декілька концентраторів, можна створити каскадну структуру до п'яти рівнів в глибину. Типовий концентратор показаний на мал. 17.5.

Порада

Для підвищення надійності передачі даних рекомендується використовувати концентратор з власним енергозабезпеченням, підключений в адаптер АС. Концентратори, живлення до яких подається по шині, підключеній до роз'єму USB основного концентратора системи, далеко не завжди можуть забезпечити достатню потужність енергоємним пристроям на зразок оптичної миші.

Максимальна довжина кабелю між двома працюючими на граничній швидкості (12 Мбіт/с) пристроями або пристроєм і концентратором (мал. 17.6) — п'ять метрів.

У кабелі використовується екранована вита пара. Максимальна довжина кабелю для низькошвидкісних (1,5 Мбіт/с) пристроїв при використанні нескрученої пари дротів — три метри. Причому ці відстані зменшуються, якщо використовується тонший дріт.

Швидкість передачі даних, підтримувана стандартом USB 1.1, менше, ніж при передачі даних по FireWire або SCSI, але, не дивлячись на це, такої швидкості цілком достатньо для підключення периферійних пристроїв. Інтерфейс USB 2.0 працює приблизно в 40 разів швидше, ніж USB 1.1; швидкість передачі даних досягає 480 Мбіт/с (або 60 Мбайт/с). Однією з властивостей USB 2.0 є можливість виконання паралельних операцій, що дозволяє пристроям USB 1.1 передавати дані одночасно, не переповнюючи канал шини USB.

Таблиця 17.9. Залежність максимальної довжини кабелю від питомого опору дротів

Товщина	Питомий опір, Ом/м	Довжина (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

Роз'єми USB

Існує два типи роз'ємів (штепселів) USB — А і В, які, на відміну від типового кабелю, під'єднуваного до послідовного або паралельного порту, не прикручуються гвинтами. Штепсель USB (мал. 17.7) вставляється в роз'єм USB на персональному комп'ютері. У табл. 17.10 приведена схема розташування виводів в 4-дротяному роз'ємі USВ.

Роз'єми і гнізда серії А і В

Таблиця 17.10. Схема розташування висновків в роз'ємі USB

Контакт	Сигнал	Примітка
1	VCC	Кабель живлення
2	Дані (-)
3	Дані (+)
4	Загальний	Заземлення кабелю

USB задовольняє вимогам технології Plug and Play компанії Intel, зокрема вимозі гарячого підключення, при якому пристрій може під'єднуватися до комп'ютера без виключення живлення і перезавантаження системи. Потрібно просто підключити пристрій, після чого контроллер USB, встановлений в комп'ютері, самостійно його знайде, а також додасть необхідні для роботи ресурси і драйвери. Компанія Microsoft вже розробила спеціальні драйвери USВ і включила їх в операційні системи Windows 98 і вище. Підтримка універсальної послідовної шини необхідна також і в BIOS; шина USB встановлюється в нових системах, що мають вбудовані порти USB. Існує також плата USB, за допомогою яких можна додати можливості універсальної послідовної шини у вже існуючі комп'ютери. До USB можна підключити такі периферійні пристрої, як модеми, телефони, джойстики, клавіатури і пристрої управління покажчиком (миші).

Цікавою особливістю USB є можливість підведення потужності до всіх пристроїв, що підключаються, через шину. Завдяки підтримці Plug and Play система "опитує" пристрій, що підключається, про його енергетичні потреби і, якщо рівень потужності перевершує допустимий, видає попередження. Це найбільш ефективно для портативних комп'ютерів, місткість батарей яких обмежена.

Завдяки пристроям USB здійснюється самовизначення периферійного устаткування, що значно спрощує його установку. Це означає, що не потрібно встановлювати унікальні адреси для кожного периферійного пристрою — USB робить це автоматично. Причому при підключенні або відключенні пристроїв USB не потрібно вимикати комп'ютер або перезавантажувати систему. Проте повинна бути виконана одна умова: операційна система повинна підтримувати USB. Спочатку Windows 95 і Windows NT 4.0 не підтримували USB, але пізніше підтримка USB була реалізована у версії OSR 2 (OEM Service Release 2) Windows 95 (також званої Windows 95B).

Підтримка USB

Багато систем, випущених ще до того, як у середині 1998 року була представлена операційна система Windows 98, містять заблоковані вбудовані порти USB. Слід помітити, що за зовнішнім виглядом комп'ютера не можна визначити, які системи мають вбудовану підтримку USB. Зокрема, це торкається системної плати формфактора Baby-АТ. Зв'язано це з тим, що дані системи не були оснащені кабельними роз'ємами USB, необхідними для виводу з'єднувачів кореневого концентратора USB з системної плати на задню панель системного блоку.

В тому випадку, якщо підтримка USB відключена в базовій системі вводу-виводу, перезапустіть комп'ютер, відкрийте відповідний екран настройок BIOS і встановіть необхідні параметри USB. Встановіть при необхідності переривання USB. Після перезапуску комп'ютера, який вже "знає" про існування USB, операційна система розпізнає кореневий концентратор USB. Якщо ви використовуєте Windows 98 або новішу операційну систему, драйвери USB будуть встановлені автоматично; у Windows 95 це доведеться зробити вручну.

"Знайдені" порти USB можуть бути використані зразу ж після інсталяції драйверів і перезавантаження комп'ютера (звичайно, за наявності відповідних роз'ємів USB). В тому випадку, якщо системна плата не оснащена роз'ємами USB, слід придбати відповідні кабельні роз'єми. Не забудьте перед цим перевірити конфігурацію висновків роз'єму USB на системній платі. Стандартним є розташування в два ряди по п'ять висновків в кожному.

Одне з найзначніших достоїнств інтерфейсу типа USB полягає у тому, що для обслуговування всіх пристроїв універсальної послідовної шини потрібне тільки одне-єдине переривання. Це означає, що можна приєднати 127 пристроїв і всі вони використовуватимуть одне переривання. У сучасних персональних комп'ютерах так часто не вистачає вільних адрес переривань, що ця, мабуть, найцінніша гідність USB.

В даний час випущено декілька унікальних пристроїв USB: USB-паралельний порт, USB-Ethernet, USB-SCSI, USB-PS/2 (стандартний порт клавіатури і миші) і мости прямого з'єднання USB, дозволяючі напряму підключити дві системи через USB. Пристрої USB-паралельний порт або USB-Ethernet дозволяють підключити периферійне устаткування з інтерфейсом RS232 або Centronics (наприклад, модеми або принтери) до порту USB. Перетворювач USB-Ethernet забезпечує підключення до локальної мережі через порт USВ. Драйвери, що поставляються з цими пристроями перетворення, дозволяють повністю емулювати роботу стандартного пристрою.

USB 2.0

Специфікація USB 2.0 назад сумісна з USB 1.1 і використовує ті ж кабелі, роз'єми і програмне забезпечення, але працює в 40 разів швидше за оригінальну специфікацію версій 1.0 і 1.1. Таке збільшення продуктивності дозволяє використовувати сучаснішу периферію — камери для відеоконференцій, сканери, принтери, пристрої зберігання даних. Для кінцевого користувача USB 2.0 нічим не відрізняється від 1.1, за винятком продуктивності. Всі існуючі пристрої USB 1.1 працюють на меншій швидкості з шиною USB 2.0. Порівняльні дані про продуктивність різних версій USB приведені в табл. 17.11.

Для роботи з високопродуктивними пристроями USB 2.0 необхідний концентратор, що підтримує цю ж версію специфікації USB. Можна використовувати старий концентратор USB 1.1, але збільшення продуктивності пристроїв USB 2.0 досягти не вдасться (максимальна швидкість передачі даних буде обмежена 1,5 Мбайт/с). Пристрої, підключені до концентратора USB 2.0, працюватимуть на максимальній швидкості — близько 60 Мбайт/с для USB 2.0 і 1,5 Мбайт/с для USB 1.1.

Таблиця 17.11. Швидкість передачі даних різних версій USB

Інтерфейс	Мбіт/с	Мбайт/с
USB 1.1 (низька швидкість)	1,5	0,1875
USB 1.1 (висока сюрость)	12	1,5
USB2.0	480	60

Для одночасної спільної роботи пристроїв USB 2.0 і 1.1, підключених до високопродуктивного концентратора USB 2.0, використовується складна система буферизації вхідних даних. Таким чином, кожен пристрій працюватиме на максимально можливій швидкості.

Як визначити, які з пристроїв підтримують стандарт USB 1.1, а які стандарт USB 2.0? В кінці 2000 року організація USB Implementer's Forum (USB-IF), яка являється власником і розробником стандартів USB, представила нові логотипи для виробів, що пройшли сертифікаційні випробування. Стандарт USB 1.1 тепер називається просто "USB", а стандарт USB 2.0 дістав назву "Hi-Speed USB".

IEEE-1394 (FireWire або i.Link)

В кінці 1995 року відділ стандартів Інституту інженерів по електротехніці і електроніці (Institute of Electrical and Electronic Engineers — IEEE ) опублікував стандарт IEEE-1394 (або скорочено 1394). Ці цифри— порядковий номер нового стандарту, який з'явився результатом обширних досліджень у області мультимедійних пристроїв. Його основна перевага полягає у високій швидкості передачі даних. На сьогоднішній день швидкість передачі, підтримувана цим стандартом, досягає 400 Мбіт/с.

Поточна версія стандарту 1394 одержала на даний момент назву 1394а (іноді її називають по року публікації стандарта— 1394а-2000). Стандарт 1394а призначений для вирішення проблем, пов'язаних з сумісністю і багатофункціональністю, які існували в оригінальній версії стандарту 1394. У цьому стандарті використовуються ті ж роз'єми і підтримуються ті ж швидкості передач, що і в оригінальному стандарті 1394.

Пропонований стандарт 1394b, як очікується, підтримуватиме швидкість передачі даних, рівну 1600 Мбіт/с; швидкості передач майбутніх версій цього стандарту зможуть досягти 3200 Мбіт/с. Стандарт 1394b підтримуватиме вищі швидкості, ніж існуючі в даний час стандарти 1394/1394а. Це пов'язано з впровадженням нових мережевих технологій, зокрема скляного і пластикового волоконно-оптичних кабелів і кабелю UTP 5-ї категорії, а також із збільшенням можливої відстані між пристроями, що використовують кабельне з'єднання 5-й категорії, і поліпшенням принципу передачі сигналів. Стандарт 1394b буде назад сумісний з пристроями 1394а.

FireWire — це високошвидкісна локальна послідовна шина, здатна передавати дані із швидкістю 100, 200 і 400 Мбіт/с (12,5, 25 і 50 Мбайт/с), а при роботі з деякими типами файлів — до 1 Гбіт/с. Ця шина використовує простий 6-дротяний кабель, що складається з двох різних пар ліній, призначених для передачі тактових імпульсів і інформації, а також двох ліній живлення. Як і USB, IEEE-1394 повністю підтримує технологію Pug and Play, включаючи можливість гарячого підключення (установка і витягання компонентів без відключення живлення системи). По структурі шина 1394 не так складна, як паралельна шина SCSI, і пристрої, що підключаються до неї, можуть споживати від неї струм до 1,5 А. По продуктивності шина IEEE-1394 перевершує Ultra-Wide SCSI, коштує набагато менше, а під'єднати пристрої до неї набагато простіше.

Шина 1394 побудована на розгалужувальній топології і дозволяє використовувати до 63 вузлів в ланцюжку і під'єднувати при цьому до кожного вузла до 16 пристроїв. Якщо цього недостатньо, то можна додатково підключити до 1023 шинних перемичок, які можуть сполучати більше 64000 вузлів! Крім того, шина 1394 може підтримувати пристрої, побудовані на одній шині, але працюючі на різних швидкостях передачі даних, як і SCSI. Більшість адаптерів 1394 має три вузли, кожний з яких підтримує 16 пристроїв.

Підключити до комп'ютера через шину 1394 можна практично всі пристрої, які можуть працювати з SCSI. Сюди входять всі види дискових накопичувачів, включаючи жорсткі, оптичні, CD- і DVD-ROM. До шини 1394 можуть підключатися цифрові відеокамери, пристрої із записом на магнітну стрічку і багато інших високошвидкісних периферійних пристроїв. Ймовірно, дуже скоро шина 1394 почне широко використовуватися як в настільних, так і в портативних комп'ютерах, а з часом замінить всі інші високошвидкісні шини.

В даний час набори мікросхем системної логіки, підтримуючі шину 1394, вже пропонуються виробниками. З'явилися адаптери PCI, що дозволяють додати підтримку 1394 в існуючі комп'ютери. Також підтримка роботи з цією шиною вбудована в Windows 95/98 і Windows NT/2000/XP. В даний час шина 1394 набула найширше поширення у області цифрових відеопристроїв (камери, відеомагнітофони і т.д.). Подібні пристрої випускають компанії Sony, Panasonic, Sharp, Matsushita і ін. Окрім цифрових відеопристроїв стали з'являтися пристрої обробки відеоданих. Наприклад, компанії Adaptec і Texas Instruments випускають адаптери PCI, що підтримують IEEE-1394.

У табл. 17.12 приведена порівняльна характеристика двох нових технологий— IEEE-1394 і USB.

Таблиця 17.12. Порівняння технологій IEEE-1394 і USB

	IEEE-1394 (i.Link) FireWire	USB 1 .1	USB 2.0
Необхідність основного вузла	Ні	Так	Так
Максимальна кількість пристроїв	63	127	127
Гаряче підключення	Так	Так	Так
Максимальна довжина кабелю між пристроями, м	4,5	5	5
Швидкість передачі, Мбіт/с (Мбайт/с)	400(50)	12(1,5)	480(60)
Можлива швидкість передачі, Мбіт/с (Мбайт/с)	800(100), 1000 (125)	Не визначена	Не визначена
Типові пристрої, що підключаються	Цифрові відеокамери, цифрові відеокамери високої роздільної здатності, HDTV, високошвидкісні пристрої, сканери високої роздільної здатності, електронні музичні інструменти	Клавіатури, миші, джойстики, модеми, цифрові відеокамери низької роздільної здатності, низькошвидкісні пристрої, принтери, сканери низької роздільної здатності	Всі пристрої USB 1.1, а також цифрові відеокамери, цифрові відеокамери високої роздільної здатності, HDTV, високошвидкісні пристрої, сканери високої роздільної здатності

Після появи USB 2.0 швидкості передачі даних IEEE-1394 і USB практично однакові (швидкість передачі даних IEEE -1394 і USB 1.1 відрізняються в 16 разів). Тому обговорювати переваги або недоліки порівнюваних технологій по цьому параметру недоцільно.

Для підключення периферії USB необхідний вузловий пристрій (найчастіше це комп'ютер), тоді як пристрої IEEE-1394 можна підключати напряму. Саме тому технологія IEEE -1394 набула найбільше поширення в цифрових відеопристроях