Основы проектирования приборов и систем. Лекции

Всего в разъеме USB 3.0 Micro-B имеется десять контактов. Кроме стандартных контактов VBUS, D-, D+, GND, SSTX-, SSTX+, GND_DRAIN, SSRX- и SSRX+, есть еще один специфический контакт ID,

предназначенный для идентификации режима OTG.

Гнездовой разъем USB 3.0 Micro-AB будет использоваться только в устройствах, поддерживающих стандарт OTG (On-The-Go), как и разъем USB 2.0 Micro-AB. В гнездовой разъем USB 3.0 Micro-AB можно будет вставлять штепсельные разъемы USB 3.0 Micro-B, USB 3.0 Micro-A, USB 2.0 Micro-B и USB 2.0 Micro- A. А вот гнездовой разъем USB 2.0 Micro-AB будет совместим только со штепсельными разъемами USB 2.0 Micro-B и USB 2.0 Micro-A.

Стандарт OTG предоставляет возможность создавать устройства, способные взаимодействовать друг с другом через интерфейс USB без посредничества компьютера. Стандарт OTG позволяет одному устройству выступать в роли как хоста, так и периферии. Стандарт OTG способен преобразить мир мобильной техники: цифровые камеры будут подключаться к карманным компьютерам, сотовые телефоны начнут обмениваться данными по USB-кабелям и т.п.

Сучетом разнообразия разъемов USB 3.0 будут предлагаться следующие типы USB-кабелей: USB 3.0 типа А (штепсель) - USB 3.0 типа А (штепсель);

USB 3.0 типа А (штепсель) - USB 3.0 типа В (штепсель); USB 3.0 типа А (штепсель) - USB 3.0 Micro-B (штепсель); USB 3.0 Micro-A (штепсель) - USB 3.0 Micro-B (штепсель); USB 3.0 Micro-A (штепсель) - USB 3.0 типа В (штепсель);

кабель, жестко связанный с устройством с одного конца и штепсельным разъемом USB 3.0 Micro-A

сдругого конца;

кабель, жестко связанный с устройством с одного конца и штепсельным разъемом USB 3.0 Powered- B с другого конца;

кабель, жестко связанный с устройством или присоединяемый к нему с помощью фирменного (нестандартного) разъема с одного конца и штепсельным разъемом USB 3.0 типа А с другого конца.

Лекция 11

1) Интерфейсы для подключения внешних накопителей информации.

Для подключения внешних накопителей к компьютерам используются различные типы интерфейсов. Исторически первым из них является MFM.

В 90-е годы XX века стандартом на платформе IBM PC был интерфейс ATA (Advanced Technology Attachment - присоединение по передовой технологии) - параллельный интерфейс подключения накопителей (жёстких дисков и оптических приводов) к компьютеру (см. рис. 45). В настоящее время заменяется интерфейсом SATA (Serial ATA последовательный ATA ). Разные версии ATA известны под синонимами IDE, EIDE, UDMA, ATAPI. После введения в 2003 году стандарта SATA, традиционный ATA стали именовать PATA (Parallel ATA параллельный ATA ), имея в виду способ передачи данных по 40-жильному кабелю.

Рисунок 45 Разъемы ATA-контроллера на материнской плате

Предварительное название интерфейса было PC/AT Attachment (соединение с PC/AT), так как он предназначался для подсоединения к 16-битной шине ISA, известной как шина AT. В окончательной версии название переделали в AT Attachment.

Первоначальная версия стандарта была разработана в 1986 году фирмой Western Digital и по маркетинговым соображениям получила название IDE (Integrated Drive Electronics - электроника, встроенная в привод). Оно подчеркивало важное нововведение: контроллер привода располагается в нём самом, а не в виде отдельной платы расширения. Это позволило улучшить характеристики накопителей (за счёт меньшего расстояния до контроллера), упростить управление и удешевить производство, так как контроллер становился стандартным.

Встандарте АТА определён интерфейс между контроллером и накопителем, а также передаваемые по нему команды.

Интерфейс имеет 8 регистров, занимающих 8 адресов в пространстве ввода-вывода. Ширина шины данных составляет 16 бит. Количество каналов, присутствующих в системе, может быть больше 2. Главное, чтобы адреса каналов не пересекались с адресами других устройств ввода-вывода. К каждому каналу можно подключить 2 устройства (master и slave), но в каждый момент времени может работать лишь одно устройство. Сначала блок головок устанавливается позиционером на требуемую дорожку (Cylinder), после этого выбирается требуемая головка (Head), а затем считывается информация из требуемого сектора (Sector).

Стандарт EIDE (Enhanced IDE - расширенный IDE), появившийся вслед за IDE, позволял использование приводов ёмкостью, превышающей 528 МБ, до 8,4 ГБ.

Поначалу этот интерфейс использовался с жёсткими дисками, но затем стандарт был расширен для работы и с другими устройствами, в основном - использующими сменные носители. К числу таких устройств относятся приводы CD-ROM и DVD-ROM, ленточные накопители, а также дискеты большой ёмкости ZIP и магнитооптические диски LS-120/240. Кроме того, на шину подключали даже FDD. Этот расширенный стандарт получил название ATAPI (Advanced Technology Attachment Packet Interface - пакетный интерфейс периферийных устройств для АТ-совместимых компьютеров), в связи с чем полное наименование стандарта выглядит как ATA/ATAPI.

Первоначально для подключения накопителя на CD-ROM было необходимо устанавливать отдельную плату расширения, специфичную для конкретного производителя, например для Panasonic.

Другим важным этапом в развитии ATA стал переход от режима PIO (Programmed input/output -

программный ввод/вывод) к режиму DMA (Direct memory Access - прямой доступ к памяти или ПДП). При использовании PIO считыванием данных с диска управлял центральный процессор компьютера (CPU - central processing unit), что приводило к повышенной нагрузке на процессор и замедлению работы. Введение DMA существенно снизило затраты процессорного времени на операции с диском. В данной технологии потоком данных управляет сам накопитель, считывая данные в память или из памяти почти без участия CPU, который выдаёт лишь команды на выполнение того или иного действия.

Вдальнейшем развитии стандарта ATA в стандарте АТА-3 был введён дополнительный режим UltraDMA2 (UDMA/33). В этом режиме данные передаются и по переднему, и по заднему фронту сигнала.

Это вдвое увеличивает скорость передачи данных по интерфейсу. Также введена проверка на чётность CRC

(Cyclic redundancy code циклический избыточный код или контрольная сумма ), что повышает надёжность передачи информации.

Для подключения накопителей на жёстких дисках с интерфейсом PATA обычно используется 40проводный кабель, именуемый также шлейфом (см. рис. 46). Назначение контактов в разъеме Parallel ATA приведено в таблице 6. Каждый шлейф обычно имеет два или три разъёма, один из которых подключается к разъёму контроллера на материнской плате (в более старых компьютерах этот контроллер размещался на отдельной плате расширения), а один или два других подключаются к накопителям. Встречаются шлейфы IDE, позволяющие подключение трёх дисков к одному IDE каналу, но в этом случае один из дисков работает в режиме read-only.

Рисунок 46 Шлейфы ATA: сверху - 40-проводный кабель, снизу - 80-проводный кабель

Таблица 6. Назначение контактов в разъеме Parallel ATA

заземления, чередующиеся с информационными проводниками. Такое чередование проводников уменьшает ёмкостную связь между ними, сокращая взаимные наводки. Данное нововведение было необходимо для обеспечения нормальной работы установленной спецификацией UDMA4 скорости передачи 66 МБ/с. Более быстрые режимы UDMA5 и UDMA6 также требуют 80-проводного кабеля.

Хотя число проводников удвоилось, число контактов осталось прежним, как и внешний вид разъёмов. У 80-проводных кабелей разъёмы обычно имеют различную расцветку (синий, серый и чёрный), в отличие от 40-проводных, где обычно все разъёмы одного цвета (чаще чёрные). Синий разъём предназначен для подключения к контроллеру, чёрный - к ведущему устройству, серый - к ведомому.

Стандарт ATA всегда устанавливал максимальную длину кабеля равной 46 см. Стандарт ATA описывает только плоские кабели с конкретными характеристиками полного и ёмкостного сопротивлений. Это не означает, что другие кабели не будут работать, но к использованию нестандартных кабелей следует относиться с осторожностью.

Если к одному шлейфу подключены два устройства, одно из них обычно называется ведущим (master), а другое ведомым (slave).

Настройка, именуемая cable select (выбор, определяемый кабелем), применяется с ATA-5. Если привод установлен в режим cable select, он автоматически устанавливается как ведущий или ведомый в зависимости от своего местоположения на шлейфе и исключает необходимость переставлять перемычки на дисках при любых переподключениях. Для обеспечения возможности определения этого местоположения шлейф должен быть с кабельной выборкой. У такого шлейфа контакт 28 CSEL (Cable Select кабельная выборка ) не подключен к одному из разъёмов (серого цвета, обычно средний). Контроллер заземляет этот контакт.

Если привод видит, что контакт заземлён (то есть на нём логический 0), он устанавливается как ведущий, в противном случае (высокоимпедансное состояние) - как ведомый.

В80-проводном кабеле ведущее устройство всегда находится в конце шлейфа. Кабельная выборка сделана в самом разъёме путём исключения данного контакта.

Вприведенной таблице 7 представлены названия версий стандарта ATA, и поддерживаемые ими режимы и скорость передачи.

Таблица 7. Названия версий стандарта ATA

Интерфейс SATA (Serial ATA) это последовательный шинный для передачи данных (см. рис. 47). SATA был разработан компанией Intel. SATA обеспечивает пропускную способность до 1,6 Гбит/с.

Рисунок 47 Разъёмы SATA на материнской плате

Первоначально стандарт SATA предусматривал работу шины на частоте 1,5 ГГц, обеспечивающей пропускную способность приблизительно в 1,2 Гбит/с (150 МБ/с). Пропускная способность SATA/150 незначительно выше пропускной способности шины Ultra ATA (UDMA/133). Главным преимуществом SATA перед PATA является использование последовательной шины вместо параллельной. Несмотря на то, что последовательный способ обмена принципиально медленнее параллельного, в данном случае это компенсируется возможностью работы на более высоких частотах за счет большей помехоустойчивости кабеля. Это достигается меньшим числом проводников и объединением информационных проводников в две экранированные витые пары.

Стандарт SATA/300 работает на частоте 3 ГГц, обеспечивает пропускную способность до 2,4 Гбит/с (300 МБ/с). Часто стандарт SATA/300 называют SATA II или SATA 3.0.

Стандарт SATA/600 предусматривает возможность передачи данных на скорости до 600 МБ/с (6 ГГц). В числе улучшений SATA Revision 3.0 по сравнению с предыдущей версией спецификации, помимо более высокой скорости, можно отметить улучшенное управление питанием. Также сохранена совместимость, как на уровне разъемов и кабелей SATA, так и на уровне протоколов обмена.

SATA устройства используют два разъёма: 7-контактный для подключения шины данных (см. рис. 48) и 15-контактный для подключения питания (см. рис. 49). Стандарт SATA предусматривает возможность использовать вместо 15-контактного разъёма питания стандартный 4-контактный разъём Molex. Назначение контактов в разъемах питания и данных SATA приведено на рисунке 50.

В стандарте SATA каждому устройству полагается отдельный кабель. Стандарт SATA предусматривает горячую замену устройств.

Рисунок 48 Разъём данных SATA

Рисунок 49 Разъём питания SATA

G - заземление (Ground); R зарезервировано;

D1+, D1 , D2+, D2 - два канала передачи данных (от контроллера к устройству и от устройства к контроллеру, соответственно). Для передачи сигнала используется технология LVDS, провода каждой пары (D1+, D1 и D2+, D2 ) являются экранированными витыми парами.

Рисунок 50 Назначение контактов в разъемах питания и данных SATA

Интерфейс eSATA (External SATA) интерфейс подключения внешних устройств, поддерживающий режим горячей замены (Hot-plug). Был создан в середине 2004 года.

Основные особенности интерфейса eSATA:

разъёмы менее хрупкие и конструктивно рассчитаны на большее число подключений (~9000); требует для подключения два провода: шину данных и кабель питания; ограничен по длине кабеля данных (~ 2 м);

средняя практическая скорость передачи данных выше, чем у USB; существенно меньше нагружается центральный процессор.

Интерфейс SCSI (Small Computer System Interface) интерфейс, разработанный для объединения на одной шине различных по своему назначению устройств, таких как жёсткие диски, накопители на магнитооптических дисках, приводы CD, DVD, стримеры, сканеры, принтеры и т. д.

После стандартизации в 1986 году SCSI начал широко применяться в компьютерах Apple Macintosh, Sun Microsystems. В компьютерах, совместимых с IBM PC, SCSI не пользуется популярностью в связи со своей сложностью и сравнительно высокой стоимостью и применяется преимущественно в серверах.

широко применяется на серверах, высокопроизводительных рабочих станциях. RAID-массивы на серверах часто строятся на жёстких дисках со SCSI-интерфейсом. В настоящее время устройства на шине SAS постепенно вытесняют устаревшую шину SCSI.

Существует три стандарта SCSI:

SE (single-ended) - ассиметричный SCSI, для передачи каждого сигнала используется отдельный проводник;

LVD (low-voltage-differential) - интерфейс дифференциальной шины низкого напряжения, сигналы положительной и отрицательной полярности идут по разным физическим проводам - витой паре. На один сигнал приходится по одной витой паре проводников;

HVD (high-voltage-differential) - интерфейс дифференциальной шины высокого напряжения, отличается от LVD повышенным напряжением и специальными приемопередатчиками.

В отличие от IDE, интерфейс SCSI позволяет подключать к одному каналу до 16 различных устройств, которые могут работать одновременно.

Существует несколько модификаций интерфейса SCSI - их основные характеристики приведены в таблице 8.

Таблица 8. Модификации интерфейсов SCSI

Характерной особенностью интерфейса SCSI является абсолютная совместимость снизу вверх, то есть контроллер и подключенное устройство могут поддерживать разные модификации, использоваться всегда будет менее скоростная (см. рис. 51).

Рисунок 51 Совместимость интерфейсов SCSI

Со стороны адаптера кабель всегда терминирован, а со стороны внешних устройств используются либо специальные внешние терминаторы, устанавливаемые в разъем на кабеле, либо встроенные в устройство. Терминироваться должен последний разъем на кабеле, то есть к нему обязательно должно быть подключено либо устройство со встроенным терминатором, либо терминатор.

Накопители с интерфейсом SCSI более надежны, поскольку изначально предназначены для применения в особо ответственных местах.

Интерфейс SAS (Serial Attached SCSI) обеспечивает подключение по физическому интерфейсу, аналогичному SATA, устройств, управляемых набором команд SCSI. Обладая обратной совместимостью с SATA, он даёт возможность подключать по этому интерфейсу любые устройства, управляемые набором

команд SCSI не только НЖМД, но и сканеры, принтеры и др. По сравнению с SATA, SAS обеспечивает более развитую топологию, позволяя осуществлять параллельное подключение одного устройства по двум или более каналам. Также поддерживаются расширители шины, позволяющие подключить несколько SAS устройств к одному порту.

Существуют платы, позволяющие подключать устройства SATA к IDE-контроллерам и наоборот (см. рис. 52). Такие устройства требуют питания (5 или 12 В) и подключаются к разъемам IDE.

Рисунок 52 Контроллер SATA на IDE

Лекция 12

1.1.1.1 Системные интерфейсы локальных сетей

1) Базовые понятия.

Локальная вычислительная сеть ЛВС (LAN - Local Area Network) это совокупность компьютеров и других средств вычислительной техники (активного сетевого оборудования, принтеров, сканеров и т.п.), объединенных с помощью кабелей и сетевых адаптеров и работающих под управлением сетевой операционной системы. Вычислительные сети создаются для того, чтобы группа пользователей могла совместно задействовать одни и те же ресурсы: файлы, принтеры, модемы, процессоры и т.п. Каждый компьютер в сети оснащается сетевым адаптером, адаптеры соединяются с помощью сетевых кабелей и тем самым связывают компьютеры в единую сеть. Компьютер, подключенный к вычислительной сети, называется рабочей станцией или сервером, в зависимости от выполняемых им функций. Эффективно эксплуатировать мощности ЛВС позволяет применение технологии «клиент/сервер». В этом случае приложение делится на две части: клиентскую и серверную. Один или несколько наиболее мощных компьютеров сети конфигурируются как серверы приложений, на них выполняются серверные части приложений. Клиентские части выполняются на рабочих станциях. Именно на рабочих станциях формируются запросы к серверам приложений и обрабатываются полученные результаты.

Различают сети с одним или несколькими выделенными серверами и сети без выделенных серверов,

называемые одноранговыми сетями.

Всетях с выделенным сервером именно ресурсы сервера, чаще всего дисковая память, доступны всем пользователям. Серверы, разделяемым ресурсом которых является дисковая память, называются файлсерверами. Сервер обслуживает все рабочие станции. Файловый сервер обычно используется только администратором сети и не предназначен для решения прикладных задач. Поэтому он может быть оснащен недорогим, возможно монохромным дисплеем. Однако файловые серверы почти всегда содержат несколько быстродействующих накопителей или даже RAID-массив. Сервер должен быть высоконадежным, поскольку выход его из строя приведет к остановке работы всей сети. На файловом сервере устанавливается сетевая операционная система.

На рабочих станциях устанавливается обычная операционная система, например, Windows. Рабочая станция - это рабочее место пользователя. Ресурсы файл-сервера разделяются всеми пользователями. В качестве рабочей станции может использоваться компьютер практически любой конфигурации.

Водноранговых сетях любой компьютер может быть и файловым сервером, и рабочей станцией одновременно. Любой пользователь сети имеет возможность использовать все данные, хранящиеся на других компьютерах сети, и устройства, подключенные к ним. Основной недостаток работы одноранговой сети заключается в значительном увеличении времени решения прикладных задач. Это связано с тем, что каждый компьютер сети отрабатывает все запросы, идущие к нему со стороны других пользователей.

Затраты на организацию одноранговых вычислительных сетей относительно небольшие. Однако при увеличении числа рабочих станций эффективность их использования резко уменьшается. Пороговое значение числа рабочих станций составляет 25-30. Поэтому одноранговые сети используются только для относительно небольших рабочих групп.

2) Эталонная модель OSI.

В сети производится множество операций, обеспечивающих передачу данных от компьютера к компьютеру. Пользователя не интересует, как именно это происходит, ему необходим доступ к приложению или компьютерному ресурсу, расположенному в другом компьютере сети. В действительности же вся передаваемая информация проходит много этапов обработки.

Прежде всего, она разбивается на блоки, каждый из которых снабжается управляющей информацией. Полученные блоки оформляются в виде сетевых пакетов, потом эти пакеты кодируются, передаются с помощью электрических или световых сигналов по сети в соответствии с выбранным методом доступа, затем из принятых пакетов вновь восстанавливаются заключенные в них блоки данных, блоки соединяются в данные, которые и становятся доступны другому приложению.

Часть из указанных процедур реализуется программно, часть аппаратно, какие-то операции выполняются как программами, так и аппаратурой.

Упорядочить все выполняемые процедуры, разделить их на уровни и подуровни, взаимодействующие между собой, призваны модели сетей. Эти модели позволяют правильно организовать взаимодействие как абонентам внутри одной сети, так и самым разным сетям на различных уровнях. В настоящее время наибольшее распространение получила эталонная модель обмена информацией OSI (Open System Interconnection взаимодействие открытых систем ), которая лежит в основе сетевых технологий и представлена на рисунке 53. Эта модель разделяет работающее оборудование и процессы, проходящие при объединении компьютерных сетей согласно логике их работы. Каждый из уровней выполняет свою

специфическую функцию, тем самым облегчая проектирование и понимание всей системы в целом. При сетевом обмене сообщаются соответствующие уровни двух компьютеров. Делается это не напрямую, а путем запроса на обслуживание у нижележащего. Уровни могут иметь одинаковую реализацию (сеть на основе Windows), а могут и разную (UNIX). Самое главное то, что они идентично работают, демонстрируя полное взаимопонимание. В целом это напоминает почтовую переписку.

Рисунок 53 Эталонная модель OSI

Как уровень, принимающий запрос понимает, что от него требуется? Ему помогает дополнительная информация, называемая заголовком и помещаемая перед той информацией, которую следует передать. В некоторых случаях добавляется еще и концевик. Таким образом, короткое сообщение, пройдя сверху вниз все уровни, может увеличиться в несколько раз.

Компьютер-адресат разбирает сообщение, снимая заголовки и концевики, при этом каждый из уровней снимает свой заголовок и передает данные выше (см. рис. 54).

Рисунок 54 Эталонная модель OSI и сетевая коммуникация

На каждом из уровней единицы информации называются по-разному. На физическом уровне мельчайшая единица - бит. На канальном уровне информация объединена во фреймы (информационные пакеты или кадры). На сетевом уровне мы говорим о дейтаграммах. На транспортном уровне единицей измерения является сегмент. Прикладные уровни обмениваются сообщениями.

Физический уровень (Physical Layer) самый нижний уровень модели, который отвечает за кодирование передаваемой информации в уровни сигналов, принятые в используемой среде передачи, и обратное декодирование.

Физический уровень (рис. 55) определяет механические и электрические параметры среды передачи, интерфейсных плат, соединителей, способы помещения информации в среду передачи и извлечения ее оттуда. Спецификации физического уровня определяют тип разъема и назначение ножек, уровни сигналов, скорость передачи и т.д. Примеры спецификаций физического уровня - RS-232, RS-485.