Тема 1.2. Интерфейсы ввода вывода

Интерфейс— совокупность сигнальных линий (образующих шину), объединенных по назначению. Имеет жестко заданные электрические параметры и протоколы обмена данными. Шина интерфейса обслуживается контроллерами и служебными устройствами, а также программной оболочкой через драйверы операционной системы. Используемые в настоящее время шины отличаются по разрядности, способу передачи сигнала (последовательные или параллельные), пропускной способности, количеству и типу поддерживаемых устройств, а также протоколу работы.

Интерфейсы персонального компьютера имеют строгую иерархическую структуру, называемую шинной архитектурой. По ключевым параметрам шинной архитектуры все персональные компьютеры класса IBM PC совместимы между собой. То есть любые компоненты могут быть установлены в любые компьютеры, имеющие открытую шинную архитектуру.

ОТКРЫТАЯ АРХИТЕКТУРА — важнейший принцип построения компьютеров класса IBM PC, согласно которому спецификации интерфейсов доступны для всех производителей. Принцип открытой архитектуры обусловил широкое распространение персональных компьютеров, удобство сборки и модернизации, универсальность, огромный выбор компонентов, сравнительно низкие цены на комплектующие.

Если процессор – это сердце персонального компьютера, то шины – это артерии и вены по которым текут электрические сигналы. Строго говоря, это каналы связи, применяемые для организации взаимодействия между устройствами компьютера. Разъемы, куда вставляются платы расширения это интерфейсы (слоты, разъемы), с их помощью осуществляется подключение к шинам, которых, зачастую, вообще не видно на материнских платах.

Существует три основных показателя работы шины. Это тактовая частота, разрядность и скорость передачи данных.

Тактовая частота

Работа любого цифрового компьютера зависит от тактовой частоты, которую определяет кварцевый резонатор. Он представляет собой оловянный контейнер в который помещен кристалл кварца. Под воздействием электрического напряжения в кристалле возникают колебания электрического тока. Вот эта самая частота колебания и называется тактовой частотой. Все изменения логических сигналов в любой микросхеме компьютера происходят через определенные интервалы, которые называются тактами. Наименьшей единицей измерения времени для большинства логических устройств компьютера есть такт или еще по другому – период тактовой частоты. Проще говоря – на каждую операцию требуется минимум один такт (хотя некоторые современные устройства успевают выполнить несколько операций за один такт). Тактовая частота, применительно к персональным компьютерам, измеряется в МГц, где Герц – это одно колебание в секунду, соответственно 1 МГц – миллион колебаний в секунду. Теоретически, если системная шина Вашего компьютера работает на частоте в 100 МГц, то значит она может выполнять до 100 000 000 операций в секунду. Существуют так называемые пустые такты (циклы ожидания), когда устройство находится в процессе ожидания ответа от какого либо другого устройства. Так, например, организована работа оперативной памяти и процессора (СPU), тактовая частота которого значительно выше тактовой частоты ОЗУ.

Разрядность

Шина состоит из нескольких каналов для передачи электрических сигналов. Если говорят, что шина тридцатидвухразрядная, то это означает, что она способна передавать электрические сигналы по тридцати двум каналам одновременно. Здесь есть одна фишка. Дело в том, что шина любой заявленной разрядности (8, 16, 32, 64) имеет, на самом деле, большее количество каналов. То есть, если взять ту же тридцатидвухразрядную шину, то для передачи собственно данных выделено 32 канала, а дополнительные каналы предназначены для передачи специфической информации.

Скорость передачи данных

Название этого параметра говорит само за себя. Он высчитывается по формуле:

тактовая частота * разрядность = скорость передачи данных

Но полученное число не является реальным. В жизни на шины влияет куча всевозможных факторов: неэффективная проводимость материалов, помехи, недостатки конструкции и сборки а также многое другое. По некоторым данным, разность между теоретической скоростью передачи данных и практической может составлять до 25%.

За работой каждой шины следят специально для этого предназначенные контроллеры. Они входят в состав набора системной логики (чипсет).

Основной на материнской плате считается системная шина FSB (Front Side Bus). По этой шине передаются данные между процессором и оперативной памятью, а также между процессором и остальными устройствами персонального компьютера. Если используется 64 разрядный процессор, а тактовая частота системной шины 100 МГц, то скорость передачи данных будет равна 800 Мбайт/сек.

Кроме системной шины на материнской плате есть еще шины ввода/вывода, которые отличаются друг от друга по архитектуре. Перечислим некоторые из них:

П орт PS/2.Системный (использует ресурсы мат. Платы) Разработан для мыши и клавиатуры .Имеет разъем mini din (6 pin). Называется системным, т.к. использует ресурсы материнской платы.

Один из наиболее древних интерфейсов в персональном компьютере - это параллельный интерфейс, или так называемый интерфейс принтера (LPT-порт). Термин "параллельный интерфейс" означает, что данные от компьютера к ПУ передаются не побитно, а в виде машинных слов - байтов. Для каждого разряда байта в кабеле интерфейса предназначен отдельный провод. Кроме того, параллельно данным передается различная служебная информация. Для параллельного интерфейса на корпусе компьютера установлен 25-контактный разъем DB-25S. Длина простого кабеля не должна превосходить 5 м, а экранированного - 12 м. Максимальная скорость передачи данных по параллельному интерфейсу лежит в диапазоне от 120 до 200 Кбайт/с. В 1994 г. был принят стандарт IEEE 1284(ЕРР, ЕСР), который определил расширенные возможности параллельного порта. В современном компьютере параллельный порт теперь может работать в нескольких режимах – AT или SPP (Standart Parallel Port) — стандартный параллельный порт, ЕРР (Enhanced Parallel Port) – усовершенствованный параллельный порт и ЕСР (Extended Capability Port) – параллельный порт с расширенными возможностями.

Последовательный интерфейс используется для связи двух устройств между собой. Данные в одну сторону передаются по одному проводу с помощью последовательности битов. Для соединения со стороны компьютера используется интерфейс, называемый СОМ-портом (COMmunication port, коммуникационный порт). Этот порт обеспечивает асинхронный обмен данными. Программное обеспечение СОМ-порта позволяет работать с несколькими протоколами, среди которых наиболее распространен протокол (последовательный интерфейс) RS-232. Также употребляется термин "Serial". Интерфейс RS-232 появился в эпоху первых вычислительных машин, где применялся для связи между процессорным блоком и терминалами. В ПК используется его упрощенная версия - асинхронный последовательный интерфейс RS-232C. Он также появился в ПК с самого начала и использовался для подключения самых разнообразных устройств – мышей, принтеров, плоттеров, а также для соединения компьютеров друг с другом. Однако в настоящее время он применяется почти исключительно для подключения модема.

По последовательному интерфейсу данные передаются по одному проводу, что означает передачу байта в виде последовательности отдельных битов. Для синхронизации битов в байте (группы битов) используются синхронизирующие биты — вначале идет стартовый бит, потом группа битов данных, которых может быть от 5 до 8, а заканчивает серию один или два стоповых бита.

В таблице приведены основные характеристики наиболее распространенных интерфейсов ПК.

Название, разрядность	Назначение	Пределы скорости	Дальность	Перспективы
IEEE 1284(ЕРР, ЕСР), 8 бит	Подключение принтеров, плоттеров, сканеров и других внешних устройств	2 Мбайт/с	1-10 м	Отказаться от использования, перейти на USB
SCSI, 8/16 бит	Подключение любых внутренних и внешних устройств	10-20-40-80-160-320 Мбайт/с	До 6-12-25 м	Переход на Serial SCSI
USB 1.0-1.1	Подключение внешних устройств	1,5-12 Мбит/с (до 1 Мбайт/с)	25 м	Переход на USB 2.0
USB 2.0	Подключение внешних устройств	1,5-12-480 Мбит/с (до 24 Мбайт/с)	30 м	Переход к единому интерфейсу
Fire Wire(IEEE 1394)	Подключение внешних устройств	100-200-400 Mбит/с	Сегмент - 4,5 м Общая длина кабеля – не более 72 м	Переход на 4 Гбит/с

Универсальная последовательная шина (USB – Universal Serial Bus) обеспечивает большую скорость обмена данными между компьютером и периферийным устройством по сравнению со стандартными портами ввода-вывода (последовательный - COM и параллельный - LPT). Максимальная пропускная способность USB 1.1 составляет 12 Мбит/с, а для наиболее распространенного сегодня стандарта USB 2.0 – 480 Мбит/с, что в значительной степени превышает возможность последовательной передачи СОM-порта. Для поддержки низкоскоростных устройств предусмотрен режим передачи со скоростью 1,5 Мбит/с. Согласно спецификации USB-шина может одновременно обслуживать до 127 устройств, что более чем достаточно для самого изощренного пользователя. Подключать и отключать такое огромное многообразие периферии можно в горячем режиме, не выключая и не перезагружая компьютер. Способ доступа к шине напоминает звездную топологию с использованием концентратора (Hub). Именно к такому устройству разветвления подключается основная масса периферийных устройств. Достаточно подключить хаб к одному из двух (иногда, четырех) разъёмов компьютера, так называемому корневому концентратору (Root Hub), чтобы избавиться от мнимой нехватки USB-портов.

USB-интерфейс является одним из наиболее перспективных интерфейсов ПК. Уже сегодня значительная часть периферийных устройств “общается” с компьютером с его помощью, а многие ноутбуки располагают исключительно USB-портами

Как ни была бы быстра и удобна шина USB, а все же существовали устройства, которым обеспе­чиваемой этим стандартом скорости было явно маловато. Именно под видеокамеры и был создан стандарт FireWire, , называемый также IEEE1394, обеспечивший передачу данных со скоростью до 50 Мбайт/с. Его разработчиком является фирма Apple. После решения Apple открыть стандарт и сотрудничества с заинтересованными фирмами в 1990 году вышло техническое описание этой шины в виде стандарта IEEE1394

Сегодня контроллеры FireWire устанавливаются в материнскую плату дополнительно, в виде отдельной платы для разъема PCI.

ATA/133 (Parallel ATA, UltraDMA/133 или E-IDE)

I DE/ATA(Integrated Device Electronics) или (Integrated Drive Electronics) - встроенная электроника накопителей/AT Attachment - подключение к AT) предназначается для подключения накопителей, в частности, жестких дисков и приводов CD, DVD. Поддерживает 2 режима работы: Master - ведущий и Slave - ведомый. Встроен в системную плату. Реализован 2-мя разъемами: Primary - первичный, Secondary - вторичный, IDE I и IDE II соответственно. Таким образом, возможно подключение до 4-х устройств к интерфейсу IDE. Пиковая пропускная способность достигает 100 Мбайт/с (по протоколу Ultra DMA-100). Поддерживается режим LBA (Logical Block Address - логическая адресация блоков), позволяющая подключать к системе накопители большой емкости (свыше 528 Мбайт). Также интерфейс поддерживает PIO (Programmed Input-Output - программный ввод-вывод) и режим DMA (Direct Memory Access - прямой доступ к памяти). Стандарт DMA предусматривает прямое обращение к данным, находящимся в системной памяти со стороны устройства, минуя процессор. Во-первых, это ускоряет процесс обращения к информации. А во-вторых, снижает нагрузку на центральный процессор, которому и без того хлопот хватает.

Для подключения накопителей, отличных от винчестеров, принят протокол ATAPI (ATA Packet Interface - пакетный интерфейс ATA), поддерживаемый программно в BIOS (Basic Input-Output System - базовая система ввода-вывода; записывается в материнскую плату на заводе-изготовителе и хранится в постоянной памяти).

Подключение DVD-привода: красная полоска на шлейфе должна всегда находиться рядом с разъёмом питания.

Интерфейс IDE будет вытесняться более предпочтительным Serial-ATA.

О сновные преимущества Serial ATA включают:

• уменьшено количество контактов разъема (до 7 вместо 40 и снижено напряжение сигнала (до 500 мВ, сравнительно с 5 В для РАТА);

• меньший, более удобный для проводки кабель, длиной до 1 м;

• улучшены возможности обнаружения и коррекции ошибок Первое поколение (известное как SATA/150 или SATA появилось на рынке в середине 2002 г. и поддерживало скорость: передачи данных до 1,5 Гбит/с.

С ледующая версия (SATA 3,0 Гбит/с) также использует cxeму 8В/10В, поэтому максимальная скорость передачи составляв 2,4 Гбит/с или 300 Мбайт/с. Однако сегодняшние устройства НЖМД не поддерживают таких скоростей, поэтому реальное быстродействие системы ограничено возможностями дисковод-Спецификацию 3,0 Гбит/с часто называют «Serial ATA II-(«SATA II»), а также SATA 3.0 или SATA/300, продолжая лини-АТА/100, АТА/133 и SATA/150.

Питание накопителям SATA может обеспечиваться двумя способами: через классическую вилку Molex...или с помощью специального кабеля питания