Интерфейсы подключения периферийных устройств.
Интерфейс (англ. interface) — это совокупность линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил (протокола) обмена. Все множество интерфейсов для периферийных устройств можно разбить на 5 групп:
1) Интерфейсы для подключения накопителей информации;
2) Универсальные интерфейсы;
3) Интерфейсы для подключения видеоадаптеров;
4) Интерфейсы для ноутбуков;
5) Интерфейсы для мониторов
Рассмотрим каждую из этих групп в отдельности.
1) Среди интерфейсов для накопителей информации можно выделить ATA, IDE, SATA, SCSI, SAS.
ATA (англ. Advanced Technology Attachment — присоединение по передовой технологии) — параллельный интерфейс подключения накопителей (жёстких дисков и оптических приводов) к компьютеру. В 1990-е годы был стандартом на платформе IBM PC; в настоящее время вытесняется своим последователем — SATA и с его появлением получил название PATA (Parallel ATA).
Первоначальная версия стандарта была разработана в 1986 году фирмой WesternDigitalи по маркетинговым соображениям получила названиеIDE(англ.IntegratedDriveElectronics— «электроника, встроенная в привод»). Оно подчеркивало важное нововведение: контроллер привода располагается в нём самом, а не в виде отдельной платы расширения, как в предшествующем стандартеST-506 и существовавших тогда интерфейсахSCSIиST-412. Это позволило улучшить характеристики накопителей (за счёт меньшего расстояния до контроллера), упростить управление им (так как контроллер каналаIDEабстрагировался от деталей работы привода) и удешевить производство (контроллер привода мог быть рассчитан только на «свой» привод, а не на все возможные; контроллер канала же вообще становился стандартным
В стандарте 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 (masterиslave), но в каждый момент времени может работать лишь одно устройство.
SATA(англ.SerialATA) — последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации.SATAявляется развитием параллельного интерфейсаATA(IDE), который после появленияSATAбыл переименован вPATA(ParallelATA).
Первоначально стандарт SATAпредусматривал работу шины на частоте 1,5 ГГц, обеспечивающей пропускную способность приблизительно в 1,2 Гбит/с (150 МБ/с). (20%-я потеря производительности объясняется использованием системы кодирования 8B/10B, при которой на каждые 8 бит полезной информации приходится 2 служебных бита). Пропускная способностьSATA/150 незначительно выше пропускной способности шиныUltraATA(UDMA/133). Главным преимуществомSATAпередPATAявляется 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 счёт большей помехоустойчивости кабеля. Это достигается меньшим числом проводников и объединением информационных проводников в две витые пары, экранированные заземлёнными проводниками. В дальнейшием были выпущены новые стандартыSATA–SATARevision2.x(до 3 Гбит/с) и SATA Revision 3.x (до 6 Гбит/с), совместимые сSATA1.x (в меньшую сторону).
SCSI (англ. 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. Раньше имел неофициальное название Shugart Computer Systems Interface в честь создателя Алана Ф. Шугарта. Теоретически возможен выпуск устройства любого типа на шине SCSI.
После стандартизации в 1986 году SCSI начал широко применяться в компьютерах AppleMacintosh, Sun Microsystems. В компьютерах, совместимых с IBM PC, SCSI не пользуется такой популярностью в связи со своей сложностью и сравнительно высокой стоимостью и применяется преимущественно в серверах.
SCSI широко применяется на серверах, высокопроизводительных рабочих станциях; RAID-массивы на серверах часто строятся на жёстких дисках со SCSI-интерфейсом (однако, в серверах нижнего ценового диапазона всё чаще применяются RAID-массивы на основе SATA). В настоящее время устройства на шине SAS постепенно вытесняют устаревшую шину SCSI.
Serial Attached SCSI (SAS) — компьютерный интерфейс, разработанный для обмена данными с такими устройствами, как жёсткие диски, накопители на оптическом диске и т. д. SAS использует последовательный интерфейс для работы с непосредственно подключаемыми накопителями (англ. Direct Attached Storage (DAS) devices). SAS разработан для замены параллельного интерфейса SCSI и позволяет достичь более высокой пропускной способности, чем SCSI; в то же время SAS совместим с интерфейсом SATA. Хотя SAS использует последовательный интерфейс в отличие от параллельного интерфейса, используемого традиционным SCSI, для управления SAS-устройствами по-прежнему используются команды SCSI. Протокол SAS разработан и поддерживается комитетом T10. Текущую рабочую версию спецификации SAS можно скачать с его сайта. SAS поддерживает передачу информации со скоростью до 3 Гбит/с; ожидается, что к 2010 году скорость передачи достигнет 10 Гбит/с. Благодаря уменьшенному разъему SAS обеспечивает полное двухпортовое подключение как для 3,5-дюймовых, так и для 2,5-дюймовых дисковых накопителей (раньше эта функция была доступна только для 3,5-дюймовых дисковых накопителей с интерфейсом Fibre Channel).
2) Универсальные интерфейсы.
IEEE 1284 (порт принтера, параллельный порт, англ. Line Print Terminal, LPT) — международный стандарт параллельного интерфейса для подключения периферийных устройств персонального компьютера.
В основном используется для подключения к компьютеру принтера, сканера и других внешних устройств (часто использовался для подключения внешних устройств хранения данных), однако может применяться и для других целей (организация связи между двумя компьютерами, подключение каких-либо механизмов телесигнализации и телеуправления).
В основе данного стандарта лежит интерфейс Centronics и его расширенные версии (ECP, EPP). Название «LPT» образовано от наименования стандартного устройства принтера «LPT1» (Line Printer Terminal или Line PrinTer) в операционных системах семейства MS-DOS.
USB(англ.UniversalSerialBus— «универсальная последовательная шина») — последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике. СимволомUSBявляются четыре геометрические фигуры: большой круг, малый круг, треугольник, квадрат.
Для подключения периферийных устройств к шине USBиспользуется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питанияUSBпозволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шиныUSB, не должна превышать 500 мА).
К одному контроллеру шины USBможно подсоединить до 127 устройств по топологии «звезда», в том числе и концентраторы. На одной шинеUSBможет быть до 127 устройств и до 5 уровней каскадирования хабов, не считая корневого.
В настоящее время наиболее широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB2.0. Уже появились первые устройства с поддержкой интерфейсаUSB3.0, обеспечивающего теоретическую пропускную способность 480 Мбит/с.
IEEE 1394 (FireWire, i-Link) — последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами.
Интерфейс широко используется для подключения внешних дисковых устройств, для создания сети поверх 1394 и для подключения Mini–DVвидеокамер.
3) Интерфейсы для подключения видеоадаптеров прошли путь от шина ISAдоPCI–Express2.0.
ISA (от англ. Industry Standard Architecture, ISA bus) — 8- или 16-разрядная шина ввода/вывода IBM PC-совместимых компьютеров. Служит для подключения плат расширения стандарта ISA. Конструктивно выполняется в виде 62-х или 98-контактного разъёма на материнской плате. Впервые шина ISAпоявилась на компьютерахIBMPC/XTв 1981 году. Это была 8-разрядная шина с частотой до 8 МГц и скоростью передачи данных до 4 МБайт/с (передача каждого байта требовала минимум двух тактов шины). С появлением материнских плат формата ATX шина ISA перестала широко использоваться в компьютерах.
PCI (англ. Peripheral component interconnect, дословно — взаимосвязь периферийных компонентов) — шина ввода/вывода для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера.
Стандарт на шину PCI определяет:
- физические параметры (например, разъёмы и разводку сигнальных линий);
- электрические параметры (например, напряжения);
- логическую модель (например, типы циклов шины, адресацию на шине).
AGP (от англ. Accelerated Graphics Port, ускоренный графический порт) — разработанная в 1997 году компанией Intel. Основной задачей разработчиков было увеличение производительности и уменьшение стоимости видеокарты, за счёт уменьшения количества встроенной видеопамяти.
Основными отличиями AGPотPCIявляются:
· работа на тактовой частоте 66 МГц;
· увеличенная пропускная способность;
· режим работы с памятью DMA и DME;
· разделение запросов на операцию и передачу данных;
· возможность использования видеокарт с бо́льшим энергопотреблением, нежели PCI
PCI Express, или PCIe, или PCI-E (также известная как 3GIO for 3rd Generation I/O) – компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных.
В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных общую шину, PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда, устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором.
Разработка стандарта PCI Express была начата фирмой Intel после отказа от шины InfiniBand. Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в июле 2002 года.
Шина PCI Express нацелена на использование только в качестве локальной шины. Так как программная модель PCI Express во многом унаследована от PCI, то существующие системы и контроллеры могут быть доработаны для использования шины PCI Express заменой только физического уровня, без доработки программного обеспечения. Высокая пиковая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин AGP и тем более PCI и PCI-X, ожидается, что PCI Express заменит эти шины в персональных компьютерах.
Для подключения устройства PCI Express используется двунаправленное последовательное соединение типа точка-точка, называемое lane; это резко отличается от PCI, в которой все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной двунаправленной шине.
Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link, и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (x2, x4, x8, x12, x16 и x32) двунаправленных последовательных соединений lane. Каждое устройство должно поддерживать соединение x1.
Использование подобного подхода имеет следующие преимущества:
· карта PCI Express помещается и корректно работает в любом слоте той же или большей пропускной способности (например, карта x1 будет работать в слотах x4 и x16);
· слот большего физического размера может использовать не все lane’ы (например, к слоту x16 можно подвести линии передачи информации, соответствующие x1 или x8, и всё это будет нормально функционировать; однако, при этом необходимо подключить все линии «питание» и «земля», необходимые для слота x16).
В обоих случаях, на шине PCI Express будет использовать максимальное количество lane’ов доступных как для карты, так и для слота. Однако это не позволяет устройству работать в слоте, предназначенном для карт с меньшей пропускной способностью шины PCI Express (например, карта x4 физически не поместится в слот x1, несмотря на то, что она могла бы работать в слоте x4 с использованием только одного lane).
PCI Express пересылает всю управляющую информацию, включая прерывания, через те же линии, что используются для передачи данных.
Группа PCI-SIG выпустила спецификацию PCI Express 2.0 15 января 2007 года. Основным нововведением стала увеличенная вдвое пропускная способность – 5 Гбит/с. PCI Express 2.0 используется во всех современных материнских платах.
4) Интерфейсы для ноутбуков.
PCMCIA – спецификация на модули расширения, разработана ассоциацией PCMCIA (англ. Personal Computer Memory Card International Association). Широко используются в ноутбуках, модули расширения, изготовленные в соответствии с этой спецификацией обычно называются «PC-карты» (англ. PC Card). Все карты PC card имеют размер 85,6 мм в длину и 54 мм в ширину.
Интерфейс PCMCIA породил целое поколение карт для хранения информации, использовавших flash-память: CompactFlash, Miniature Card и SmartMedia. Например, электрическая часть спецификации CompactFlash позаимствована из спецификации PCMCIA, что позволяет подключать карты CompactFlash к шине PCMCIA с помощью простейшего переходника, единственная задача которого — согласовать разъёмы.
Ассоциацией PCMCIA подготовлен новый стандарт, призванный заменить PC Card: ExpressCard. Карты расширения стандарта ExpressCard имеют меньший размер, чем PCCard. Для подключения периферийных устройств в ExpressCard используются шины PCI Express и USB 2.0.
5) Интерфейсы для мониторов.
D-subminiature, или D-sub — название электрического разъёма, применяемого, в частности, в компьютерной технике. Название «субминиатюрный» было уместно тогда, когда эти разъёмы только появились, в наше же время эти разъёмы относятся к числу наибольших по размерам из используемых в компьютерах сигнальных разъёмов.
Наиболее широко разъёмы D-sub применяются для передачи данных по последовательному интерфейсу RS-232, хотя стандарт рекомендует, но не обязывает использовать для этих целей разъёмы D-sub. Первоначально в RS-232 использовались DB25, но, поскольку многие приложения использовали лишь часть предусмотренных стандартом контактов, стало возможно применять для этих целей 9-штырьковые разъёмы DE9.
Digital Visual Interface, сокр. DVI (англ. цифровой видеоинтерфейс) — стандарт на интерфейс и соответствующий разъём, предназначенный для передачи видеоизображения на цифровые устройства отображения, такие как жидкокристаллические мониторы и проекторы. Разработан консорциумом Digital Display Working Group.
Предыдущие стандарты видеоразъёмов, например, VGA — аналоговые и изначально были предназначены для мониторов на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ). Они передают сигнал построчно, при этом изменение напряжения означает изменение яркости. Для устройств на ЭЛТ это было нужно для изменения интенсивности луча электронов.
Сущестует три вида DVI:
· DVI-A — только аналоговая передача.
· DVI-I — аналоговая и цифровая передача.
· DVI-D — только цифровая передача.
High-Definition Multimedia Interface (HDMI) — мультимедийный интерфейс высокой чёткости, позволяет передавать цифровые видеоданные высокого разрешения и многоканальные цифровые аудиосигналы с защитой от копирования (HDCP).
Разъём HDMI обеспечивает цифровое DVI-соединение нескольких устройств с помощью соответствующих кабелей. Основное различие между HDMI и DVI состоит в том, что разъём HDMI меньше по размеру, интерфейс оснащён технологией защиты от копирования HDCP (High Bandwidth Digital Copy Protection), а также поддерживает передачу многоканальных цифровых аудиосигналов. Является современной (на 2009 год) заменой аналоговых стандартов подключения, таких как SCART или RCA.
Основными разработчиками и производителями решений с поддержкой HDMI являются компании Intel, AMD, nVidia, Panasonic, Analog Devices, Texas Instruments, Broadcom, Silicon Image, STMicroelectronics, NXP Semiconductors, Analogix Semiconductor, Gennum, MStar Semiconductor, Parade Technologies, RedMere Technology, TranSwitch и Zoran.
Самыми современными версиями данного стандарта являются HDMI 1.4 (выпущен 22 мая 2009) , в котором добавлена поддержка разрешения 2Kх4K (3840×2160 на 24/25/30Гц и 4096×2160 на 24Гц) и HDMI 1.4a(4 марта 2010) с улучшенной поддержкой стереоизображения.
Первый в мире кабель HDMI 1.4, выпущенный компанией Cablesson 22 июня 2009 года.
Все периферийные устройства подключаются к компьютеру по средствам проводов (кроме плат расширения), часто называемых «кабелями» или «шлейфами».
Подключение внутренних периферийных устройств
К внутренним периферийным устройствам можно отнести все устройства, находящиеся внутри корпуса компьютера и подключаемых к материнской плате. Например, жёсткий диск (винчестер), дисководы и т.д. присоединяются шлейфами.
Таблица 1. Кабели внутренних периферийных устройств
 Звуковой |
 винчестер |
 SCSI — винчестер |
 дисковод |
 ATA — устройства |
 Serial ATA — диски |
Подключение внешних периферийных устройств
К внешним периферийным устройствам можно отнести все устройства, находящиеся вне корпуса компьютера и подключаемых через порты (в основном находящиеся на задней стенке корпуса). Все внешние устройства подключаются кабелями, например: монитор, принтер, сканер и т.д.
3. Контроллеры и интерфейсы
Контроллер – устройство, управляющее работой некоторого другого устройства (внешнего или внутреннего).
Контроллер прерываний используется для реализации механизма прерываний, используемого для обеспечения своевременного обслуживания устройств компьютера со стороны процессора. Для этого устройство (например, клавиатура, контроллер HDD, сетевой адаптер) имеет свою линию запроса на прерывание и номер прерывания, обозначаемые IRQ n (Interrupt ReQuest).
Контроллер прерываний выполняет следующие функции:
• приём запросов прерываний от устройств, требующих обслуживания со стороны ЦП;
• учёт приоритетов запросов в случае одновременного поступления нескольких запросов;
• маскирование (запрет) запросов на основе данных от процессора (только для маскируемых запросов);
• выдача процессору запроса прерывания и кода устройства, которое сделало запрос.
После получения кода устройства процессор находит в памяти и выполняет соответствующую программу обработки прерывания. В дальнейшем механизм прерываний будет рассмотрен подробнее.
Контроллер прямого доступа к памяти (ПДП) обеспечивает обмен данными между оперативной памятью и внешними устройствами (ВУ), например с жёстким диском, без участия центрального процессора. Контроллер ПДП, таким образом, замещает процессор и выполняет прямую пересылку данных между ОП и ВУ.
Процессор программирует контроллер для обмена, для чего задаёт:
• направление передачи (чтение/запись11);
• начальный адрес блока данных в ОП;
• адрес внешнего устройства;
• размер блока данных (количество слов).
Пересылка данных может выполняться в одном из режимов:
• блочная передача: контроллер ПДП монополизирует шину на всё время пересылки блока данных, при этом для ЦП шина недоступна;
• одиночная передача: контроллер ПДП после завершения передачи каждого слова освобождает шину минимум на один цикл, в течение которого шина доступна ЦП, но после обнаружения сигнала запроса от ВУ контроллер ПДП выполняет захват шины для очередной передачи;
• передача по требованию: осуществляется так же, как и блочная передача, но с выполнением дополнительной проверки наличия сигнала запроса ПДП от ВУ, и в случае его отсутствия, передача приостанавливается до момента появления данного сигнала.
Очевидно, что режимы различаются по времени передачи и эффективностью использования процессора. Процессор во время операций ПДП имеет возможность продолжать работу, при условии, что установленный режим обмена не занимает всей пропускной способности системной шины.
Для обозначения прямого доступа к памяти часто используется сокращение DMA от Direct Memory Access. Существуют более производительные разновидности – Ultra DMA. Обмен посредством ПДП меньше загружает процессор, а скорость обмена с использованием ПДП может быть выше, чем посредством процессора (так называемого программируемого обмена или PIO – Programmable Input/Output), поскольку процессор может выделить для обмена только часть всего времени работы.
Также ПДП может осуществляться так называемыми каналами или процессорами ввода/вывода. Они, в отличие от контроллера ПДП, сами выполняют программы ввода-вывода из ОП по указанию ЦП. В дальнейшем механизм прямого доступа к памяти будет рассмотрен подробнее.
Интерфейс аппаратный (Interface) – средство сопряжения двух систем или подсистем, в котором все конструктивные, электрические и логические параметры предварительно согласованы или стандартизованы.
Физически аппаратный интерфейс реализуется обычно в виде разъёма. Основными разновидностями интерфейсов компьютера являются последовательный и параллельный интерфейс.
Последовательный интерфейс – сопряжение, через которое информация передаётся по одному биту за один такт передачи. Примером стандартного последовательного интерфейса может служить интерфейс RS 232, предназначенный для подключения к компьютеру относительно медленных периферийных устройств (модем, мышь). В настоящее время последовательный тип интерфейса используется и для подключения к компьютеру устройств среднего быстродействия, например, накопители на жёстких магнитных дисках (SATA), внешние накопители, сканеры (USB) и т.д.
Параллельный интерфейс – сопряжение, через которое за один такт передаётся два и более бита информации (обычно по одному байту). Примером стандартного параллельного интерфейса является Centronics, используемый для подключения принтера.
