Последовательный порт (DB9)

Схема цоколевки 

Последовательный порт (DB25)

Схема цоколевки

Интерфейс IEEE1284

Спецификация IEEE1284 определяет параметры параллельного интерфейса обмена данными с внешними устройствами компьютера. Практически единственным широко распространенным внешним устройством с параллельным интерфейсом до последнего времени являлся принтер. Прочие компоненты (как-то: «электронные ключи», стримеры, сканеры, дисководы ZIP) на самом деле для IEEE1284 «неродные» и работают, надо сказать, отвратительно. В частности, «электронный ключ» на порту LPT легко эмулируется программными методами, а дисковод ZIP записывает так долго, что пользователь успевает состариться. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать параметры IEEE1284 применительно к принтерам. Однонаправленный параллельный интерфейс для подключения принтеров получил наименование Centronics. Он объединяет спецификацию на параметры сигналов, протоколы взаимодействия и применяемые разъемы. Интерфейс Centronics реализован на современных компьютерах как SPP (Standard Parallel Port - стандартный параллельный порт). В качестве разъема применяется DB-25S, обычно размещаемый на отдельной планке. Контроллер параллельного интерфейса поддерживает 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов. Обычно поддерживаются три 8-битных регистра в пространстве ввода-вывода и одна линия запроса прерывания. Схе-мотехника порта LPT базируется на TTL-логике. Скорость обмена не выше 150 Кбайт/с при значительной загрузке процессора. Очевидно, что для современных устройств печати такая скорость совершенно недостаточна. В 1994 г. был принят стандарт IEEE1284, определивший спецификацию портов SPP, ЕРР и ЕСР. Дополнительные режимы ЕРР (Enhanced Parallel Port - улучшенный параллельный порт) и ЕСР (Extended Capability Port - порт с расширенными возможностями) позволили ввести поддержку двунаправленного обмена с аппаратным сжатием данных, использованием буферов FIFO и каналов DMA. В качестве разъемов спецификацией определены Тип A (DB-25), Тип В (Centronics) и тип С (компактный 36-контактный). Требования к кабелям также ужесточены: перевитые провода, экранирование и другие параметры должны обеспечить пропускную способность до 2 Мбит/с при длине кабеля до 10м. Однако надо следить за тем, чтобы кабель, идущий в комплекте с принтером или приобретаемый отдельно, соответствовал спецификации и был маркирован «IEEE Std 1284-1994 

Compliant». Конфигурирование параллельного порта осуществляется средствами BIOS.

Параллельный порт(LPT)

Схема цоколевки

Параллельный порт на принтере (разъем Centronics)

Схема цоколевки

Интерфейс USB

Специалисты, в свое время немало помучившиеся с распределением прерываний, адресов и каналов DMA для модема, мыши, «навороченного» джойстика на СОМ-портах, наверное, полнее всего ощутили преимущества последовательного интерфейса USB. С его появлением постепенно уходят в прошлое оставшиеся со времен первых IBM PC реликты, связанные с архитектурой шины ISA: COM и LPT-порты, интерфейс подключения FDD. Чипсеты материнских плат, в которых отсутствует явная поддержка шины ISA, ныне занимают львиную долю рынка. Практически все современные чипсеты поддерживают интерфейс USB, в том числе новой спецификации 2.0. Архитектурой USB предусмотрена топология так называемой «звезды». То есть в системе должен быть корневой (ведущий) концентратор, к которому подключаются периферийные концентраторы, а к последним — устройства USB. Корневой концентратор расположен в одной из микросхем системного набора (обычно в «южном мосту»). Периферийные концентраторы могут подключаться друг к другу, образуя каскады. Всего через один корневой концентратор может быть подключено до 127 устройств (концентраторов и устройств USВ). Однако, учитывая относительно невысокую пропускную способность шины версии 1.0 (до 12 Мбит в секунду), что с учетом служебных расходов составит около 1 Мбайт в секунду, — оптимальным числом следует считать 4-5 устройств. При этом рекомендуется более скоростные устройства подключать ближе к корневому концентратору. Проблема низкой пропускной способности снимается с внедрением спецификации интерфейса USB 2.0, чья пиковая производительность достигает 480 Мбит/с. Такого значения вполне хватает для типичных USB-устройств: принтеров, офисных сканеров, цифровых фотокамер, джойстиков и прочих. Но все же для внешних накопителей, сканеров высокого класса, цифровых видеокамер требуется более скоростной интерфейс: IEEE 1394 или SCSI.

Спецификация USВ определяет две части интерфейса: внутреннюю и внешнюю. Внутренняя часть делится на аппаратную (собственно корневой концентратор и контроллер USB) и программную (драйверы контроллера, шины, концентратора, клиентов). Внешнюю часть представляют устройства (концентраторы и компоненты) USB. Для обеспечения корректной работы все устройства делятся на классы: принтеры, сканеры, накопители и т. д. Классы устройств и особенности их функционирования подробно описаны в спецификации USВ. При отклонении от этих требований могут возникнуть проблемы с загрузкой драйверов и подключением устройств. Напротив, точное следование спецификации позволяет создавать драйверы для любых устройств сторонним производителям программного обеспечения. Разделение устройств на классы происходит не по их целевому назначению, а по единому способу взаимодействия с шиной USВ. Поэтому драйвер класса принтеров определяет не его разрешение или цветность, а способ передачи (односторонний или двунаправленный) и форматирования данных, порядок инициализации при подключении. Данные по шине USB передаются в различных форматах. Самый простой способ заключается в передаче потока байтов с маркером. При этом маркер путешествует в направлении корневого концентратора от устройства к устройству, а данные передаются при наличии свободной полосы пропускания. Гарантированную полосу пропускания обеспечивает изохронный формат. В этом случае опрос синхронных устройств производится с частотой, требуемой для полосы пропускания. Также производится синхронизация тактовых частот приемника и передатчика. Изохронный режим чаще всего применяют для подключения звуковых устройств, которым требуется постоянная полоса пропускания. Формат прерываний применяют для устройств, работающих в реальном масштабе времени до наступления требуемого события. Опрос таких устройств происходит с фиксированной частотой, а передача данных осуществляется при получении сигнала о произошедшем событии. Формат управления является специфическим и служит для конфигурирования и управления концентраторами и устройствами. Все устройства USB соединяются между собой четырехжильным кабелем. По одной паре передаются данные, по другой — электропитание, которое автоматически подключается устройством при необходимости. На концах кабеля монтируются разъемы типов «А» и «В». С помощью разъема «А» устройство подключают к концентратору. Разъем типа «В» устанавливают на концентраторы для связи с другим концентратором и на устройства, от которых кабель должен отключаться (например, сканеры). В духе современной тенденции к упрощению пользования компьютером реализована процедура подключения периферии к шине USB. Все происходит «в горячем режиме». Подключенное в свободный порт устройство вызывает перепад напряжения в цепи. Контроллер немедленно направляет запрос на этот порт. Присоединенное устройство принимает запрос и посылает пакет с данными о классе, затем ему присваивается уникальный идентификационный номер. Далее происходит автоматическая загрузка и активация драйвера устройства, его конфигурирование и, тем самым, окончательное подключение. Все. устройство готово к работе! Точно так же происходит инициализация уже подсоединенного и включаемого в сеть устройства.

Графическое обозначение

Схема цоколевки

Интерфейс SCSI

Стало уже традицией сравнивать интерфейс SCSI (читается - «скази») исключительно с интерфейсом IDE. На самом деле такое сравнение не совсем корректно: SCSI, в отличие от IDE, позволяет подключать не только носители информации. Часто забывают, что SCSI является универсальным интерфейсом и до появления IEEE1394 ему практически не было альтернативы в работе с высокоскоростными устройствами. К тому же и монополия IDE на рынке жестких дисков относится к области мифов - реальная доля SCSI-устройств составляет 25-27%. Обычно преимуществами IDE называют более низкую стоимость и производительность, якобы достигшую уровня SCSI. Если же сравнить изделия для этих интерфейсов по критерию «стоимость-эффективность», то SCSI выглядит явным лидером. Конечно, выбор SCSI со стороны пользователя обусловлен, прежде всего, характером задач, которые призвана решать компьютерная система. Если предполагается профессиональная работа с видео, трехмерной графикой, большими массивами данных, оцифровка изображений, то альтернативой SCSI могут быть только интерфейсы, присутствующие на существенно более дорогих рабочих станциях. Сегодня максимальная (теоретическая) скорость передачи информации по шине IDE составляет 133 Мбайт/с (протокол Ultra ATA-133), для нового интерфейса Serial ATA - до 150 Мбайт/с. Спецификацией Ultra320 SCSI предусмотрена скорость обмена до 320 Мбайт/с. Реальные преимущества SCSI особенно заметны в многозадачных операционных системах и при обработке непрерывных потоков данных (например, видео). Многие известные производители (в частности, Iwill) выпускают материнские платы со встроенными контроллерами SCSI. Но все же большинство покупателей предпочитает платы расширения, которые обеспечивают возможность последующей модернизации. В обоих случаях для инициализации требуется собственная система SCSI BIOS. На материнских платах со встроенным контроллером она обычно присутствует в системной BIOS в качестве дополнения. На платах расширения помещают собственную микросхему BIOS. Возможен и вариант (в самых дешевых системах) отсутствия BIOS и обеспечения поддержки интерфейса исключительно драйверами операционной системы. Такие операции, как форматирование жесткого диска, возможны только через «родной» BIOS того хост-адаптера, который будет работать с данным диском. Дело в том, что разные контроллеры могут использовать различные схемы трансляции логических адресов секторов жесткого диска в физические.

Стандартные функции SCSI BIOS весьма похожи на функции системной BIOS:    настройка конфигурации адаптера;

• проверка поверхности жестких дисков;
• форматирование на низком уровне;
• настройка параметров инициализации устройств;
• задание номера загрузочного устройства;
•  выбор загрузочного устройства и пр.

Для запоминания и хранения конфигурации SCSI-устройств служит микросхема флэш-памяти (функциональный аналог CMOS системной платы). В системе SCSI взаимодействие между устройствами осуществляется по принципу «отправитель-адресат». Отправитель инициирует запрос и, дождавшись ответа от адресата, начинает обмен данными. Каждое устройство в цепочке имеет уникальный идентификационный (ID) номер в диапазоне от 0 до 7 (в последних спецификациях от 0 до 31), который выставляется специальным переключателем, перемычкой или присваивается автоматически (в современных устройствах). Причем номер 7 по умолчанию присвоен SCSI хост-адаптеру. В свою очередь, устройства, входящие в компонент, имеющий ID, получают номер логического устройства - Logical Unit Number (LUN). Например, при подключении массива из нескольких жестких дисков он получит собственный ID, а каждый жесткий диск - собственный LUN. Таким способом можно выстраивать цепочки до 256 устройств. Хотя в реальных задачах такие конструкции вряд ли потребуются. Данные по шине SCSI передаются в синхронном или асинхронном режимах. В асинхронном режиме адресат подтверждает получение каждого байта, в синхронном - только пакета данных. Начиная со спецификации SCSI-2 появились сценарии, когда весь набор процедур обмена формируется в один пакет и передается целиком. Также возможно независимое выполнение команд устройством. Например, стримеру дается команда на перемотку, и затем он отключается от шины до окончания процесса. В настоящее время действуют несколько спецификаций SCSI, различающихся шириной шины, тактовой частотой, физическим типом интерфейса подключения. Самый первый вариант (SCSI-1) имел 8-битную шину, данные по которой передавались со скоростью 5 Мбайт/с. Последний на момент написания книги вариант, Ultra320 SCSI, позволяет передавать данные на скорости 320 Мбайт/с. Сейчас практически все устройства SCSI выпускаются в соответствии со спецификацией LVD (Low Voltage Differential), предусматривающей использование сигналов низкого потенциала. Для согласования LVD с «высоковольтными» устройствами обычно применяют активные терминаторы. При этом сохраняется совместимость по принципу «снизу вверх». Необходимым элементом любой SСSI-цепочки являются терминаторы - устройства, обеспечивающие согласование уровней сигналов в цепи, уменьшающие помехи и затухание. Они должны присутствовать на начальном (SCSI хост-адаптере) и конечном устройствах в цепочке. Каждое устройство должно обеспечивать включение/отключение терминатора. Терминаторы бывают внутренние, внешние, переключаемые и автоматические. Обычно внутренние терминаторы применяют на жестких дисках и сканерах, внешние выглядят как сборки резисторов на панельках (встречаются на CD-ROM дисководах) или как корпус с вилкой для подсоединения к выходному разъему устройства. Переключение терминаторов осуществляется перемычками, переключателями или просто изъятием их из цепи (для внешнего исполнения). В современных устройствах в большинстве случаев обеспечивается автоматическое переключение терминаторов. Сегодня большинство терминаторов активные, так как требуется высокая помехоустойчивость на высоких скоростях обмена данными. Пассивные терминаторы лучше не применять в одной цепочке с активными или ставить такие устройства на проходе. Важное место в правильной установке SCSI-устройств занимают разъемы. Пожалуй, это один из самых запутанных разделов интерфейса. Здесь утвердились такие понятия, как narrow (узкий) и wide (широкий), low-density (низкой плотности) и high-density (высокой плотности) разъемы. Понятия «узкий» и «широкий» относятся к ширине шины (8 или 16 бит). Шлейф «wide» физически как раз уже, чем «narrow». Термин Low (High) density обозначает плотность размещения контактов на разъеме. Самым первым разъемом для подключения внутренних 8-битных SCSI- устройств служил 50-контактный разъем «narrow, low-density». Он встречается до сих пор на некоторых адаптерах. Более современным вариантом является 68-контактный разъем «wide, high-density» для 16-битной шины. К сожалению, различие стандартов на уровень и формат сигналов, электрические характеристики устройств SCSI в разных спецификациях интерфейса существенно затрудняют подключение компонентов разного поколения. Хотя в принципе задача эта решаема в подавляющем большинстве случаев.

Существующие разьемы SCSI

• SCSI External Centronics 50 (Differential)
• SCSI External Centronics 50 (Single-ended)SCSI External D-Sub
• SCSI-II External Hi D-Sub (Differential)
• SCSI-II External Hi D-Sub (Single-ended)