Лекция 4.
Интерфейсы современных компьютеров
1. Интерфейсы для подключения накопителей на жестких дисках.
Одним из важнейших устройств, входящих в состав современного компьютера, являются дисковые накопители: жесткие диски (винчестеры) и CD-ROM и их производные (СD-R/RW, DVD и пр.). В настоящее время одним из распространенных способов подключения НЖМД является использование различных варианты интерфейса IDE (Integrated Device Electronics - устройство с интегрированным контроллером). Существует еще один вариант дискового интерфейса - SCSI, но он, по причине высокой стоимости и определенной трудоемкости конфигурации отдельных устройств, больше ориентирован на рынок серверов и рабочих станций.
Практически любая системная плата имеет два канала IDE-контроллера, интегрированных в чипсет - первичный (Primary) и вторичный (Secondary), каждый из которых представляет собой, по сути, отдельный контроллер, имеющий собственный разъем на плате и отдельный шлейф с двумя оконечными разъемами, к которому можно подключить один или два накопителя. Причем для обеспечения взаимной совместимости устройств, работающих на одном шлейфе, одно из них должно работать в режиме Master (ведущий), а другое - в режиме Slave (ведомый), и эти режимы устанавливаются перемычками непосредственно на самом устройстве.
Интерфейсы ата
Параллельный 16-разрядный интерфейс АТА (Advanced Technology Attachment), называемый также IDE, появился на свет в далеком 1989 году совместными усилиями компаний Western Digital и Compaq. Сама идея нового интерфейса была проста и изящна: было предложено интегрировать хорошо отработанную к тому времени 16-разрядную шину ISA, непосредственно в электронику жесткого диска, в результате чего при незначительном увеличении стоимости самого жесткого диска существенно снижалась стоимость всей дисковой подсистемы компьютера. Кроме этого, благодаря использованию стандартной шины, достигалась взаимная совместимость жестких дисков различных производителей. Для подключения жесткого диска к контроллеру использовался ленточный 40-жильный кабель с тремя плоскими разъемами, один из которых подключается к соответствующему разъему на системной плате, а два других - к дисководам.
Использовались два способа передачи данных: РIO (Processor Input Output) - через центральный процессор и DMA (Direct Memory Access) - путем прямого доступа к памяти. Пропускная способность шины ATA составляла менее 3 Мбайт/с, что не всегда позволяло использовать все возможности жестких дисков, но очень скоро стал очевиден второй главный минус этого интерфейса: ограничение величиной 504 Мбайт предельной емкости винчестеров.
Достаточно существенные недостатки интерфейса АТА привели к созданию в 1996 году нового варианта интерфейса АТА-2, который был, впрочем, как и все последующие реинкарнации стандарта АТА, полностью обратно совместим с предшественником. Новый интерфейс получил более скоростные режимы программного ввода/вывода (PIO Mode 3 и 4) и MultiWord DMA Mode 1 и 2. Повышение производительности достигалось в основном введением механизмов блочной передачи данных (режим, позволяющий передавать несколько команд чтения/записи за одно прерывание) и логической адресации блоков (LBA - Logical Block Address), что позволило расширить максимальный объем поддерживаемых дисков до 8,4 Гбайт, плюс увеличить скорости обмена вплоть до 16,7 Мбайт/с.
В 1997 году появился еще один, неофициальный вариант интерфейса АТА-3, который, правда, не добавил новых, более быстрых режимов передачи данных, но, благодаря новой технологии самоконтроля и предотвращении сбоев в дисковой подсистеме S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology), в значительной мере позволил повысить надежность хранения данных на жестком диске.
А тем временем значительно возросла популярность лазерных носителей информации CD-ROM, дисководы которых, хотя и имели разъемы идентичные разъемам винчестеров, не могли быть подключены к контролерам АТА. Для разрешения этой проблемы на основе интерфейса ATA был создан новый стандарт ATAPI (ATA Packet Interface). В результате появления ATAPI, появилась возможность подключать дисководы CD-ROM непосредственно к тому же шлейфу, к которому подключен и винчестер - пакетный режим передачи данных, реализованный в протоколе ATAPI. Еще одним важным достоинством использования ATAPI-устройств является возможность назначать их в качестве загрузочных, что даже сегодня трудно переоценить.
Ultra ATA/33
Новая версия интерфейса стала известна как Ultra ATA/33 (он же Ultra DMA, он же ATA-33, он же DMA-33, а официальное название - ATA/ATAPI-4). Ultra ATA/33 использует режима DMA Mode 3, обеспечивающего скорость передачи данных 33,3 МВ/сек. Для обеспечения надежной передачи данных по все тому же 40-жильному кабелю используются специальные схемы контроля целостности данных и коррекции ошибок по циклически избыточному коду (CRC), при этом сохраняется обратная совместимость с предыдущими стандартами - АТА и АТА-2.
Ultra ATA/66
Следующим шагом в развитии семейства интерфейсов АТА стал интерфейс Ultra ATA/66 (АТА66, ATA/ATAPI-5), разработанный компанией Quantum в 1999 году и позволяющий осуществлять передачу данных уже со скоростью 66 Мбайт/с.
Ultra ATA/100
Летом 2000 года по инициативе фирмы Quantum появился очередной стандарт Ultra ATA/100 (АТА100, ATA/ATAPI-6), обеспечивающий стабильную передачу данных по 80-жильному кабелю со скоростью 100 Мбайт/с
Ultra ATA/133
В конце лета 2001 года известный производитель жестких дисков, фирма Maxtor, представила спецификацию на новый интерфейс Ultra ATA/133, позиционируемый ею как переходное решение между постепенно устаревающим Ultra ATA/100 и перспективным, но пока еще не готовым к массовому использованию Serial ATA. Планка пропускной способности при этом возросла на треть и достигла 133 Мбайт/с.
Наибольший же интерес представляет еще одна инновация Maxtor - BigDrive, за счет увеличения разрядности адресной шины до 48 бит позволяющий преодолеть барьер емкости IDE-дисков в 137 Гбайт. Производители винчестеров и системных чипсетов, сосредоточившиеся на подготовке к переходу на Serial ATA и не пожелавшие распылять свои силы, не очень активно откликнулись на инициативу Maxtor, разве что VIA и Ali в своих новых южных мостах VT8233A и M1535D+ соответственно поддержали Ultra ATA/133, да компании Promise и HighPoint выпустили новые контроллеры, поддерживающие новый стандарт.
Serial ATA
В качестве замены АТА всей компьютерной индустрией безоговорочно принят новый стандарт Serial ATA. Он будет поддерживать все накопители, включая винчестеры, CD, DVD, флоппи-дисководы и другие подобные устройства при подключении их к системным платам. Как следует из названия, в Serial ATA вместо передачи данных в параллельном режиме по многожильному кабелю используется принцип последовательной передачи данных. В самом начале 2002 года была анонсирована первая спецификация Serial ATA. Первое поколение Serial ATA имело пропускную способность 1,5 Гбит/с, затем скорости возрасли до 3 Гбит/с во второй спецификации и позднее до 6 Гбит/с, при этом сохраняется обратная совместимость с Serial ATA первой версии.
Интерфейс предназначен для подключения внутренних устройств, поэтому максимальная длина кабеля относительно невелика - 1 метр, тем не менее, это в 2 раза больше, чем у параллельного АТА интерфейса (45 см). Всего кабель состоит из 7 жил: две дифференциальные пары для передачи и для приема и три общих (заземляющих) провода. Контроллер Serial ATA рассчитан на подключение 2 устройств по схеме point-to-point, то есть каждое из них подключается отдельным кабелем и обмен информацией происходит параллельно. Кроме этого, Serial ATA позволяет осуществлять замену накопителей в "горячем" режиме. Не менее важно и снижение питающих напряжения с нынешних 5 В до 3,3 В. Кроме того, Serial ATA будет обладает средствами исправления ошибок (по ECC), что гарантирует целостность передаваемых по кабелю данных. Изменения архитектуры Serial ATA лежат только в области физического интерфейса, а по регистрам и программному обеспечению он полностью совместим с параллельным ATA. Поэтому нет необходимости менять драйверы, да и архитектура Serial ATA полностью прозрачна для ныне существующих BIOS-ов и операционных систем. Для совместимости с ныне существующим оборудованием (системные платы и жесткие диски) выпускаются специальные адаптеры-переходники с интерфейса IDE на интерфейс Serial ATA и наоборот. В целом последовательный интерфейс Serial ATA рассчитан на те же сферы применения, что и параллельный АТА - персональные компьютеры любого уровня и ноутбуки, а так же в серверах начального уровня.
Конфигурирование ATA устройств ….
USB
Всего каких-то десять лет назад заднюю панель системного блока любого ПК «украшало» множество разнообразных разъемов. В то далекое время, когда компьютерная техника только начинала свое развитие, для каждого устройства существовал особый интерфейс подключения: COM-порт – для мыши, DIN-разъем – для клавиатуры, параллельный порт – для принтера...
С появлением USB (Universal Serial Bus) все стало намного проще. На этот интерфейс перешли фото- и видеокамеры, клавиатуры, МФУ и масса других периферийных устройств. Но не все USB одинаковы: различия в стандартах, скоростях передачи данных и даже в форм-факторах разъемов способны посеять основательную неразбериху у пользователей.