Толковый словарь по вычислительным системам
Введение
Толковый словарь по вычислительным системам определя- ет понятие интерфейс (interface) как границу раздела двух систем, устройств или программ; элементы соединения и вспомогательные схемы управления, используемые для со- единения устройств. Эта книга посвящена интерфейсам, по- зволяющим подключать к персональным (и не только) ком- пьютерам разнообразные периферийные устройства (ПУ) и их контроллеры.
По способу передачи информации интерфейсы подразделя- ются на параллельные и последовательные. В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллель- но идущим проводам одновременно. В PC традиционно ис- пользуется параллельный интерфейс Centronics, реализуемый LPT-портами. В последовательном интерфейсе биты переда- ются друг за другом, обычно по одной линии. СОМ-порты PC обеспечивают последовательный интерфейс в соответ- ствии со стандартом RS-232C.
При рассмотрении интерфейсов важным параметром явля- ется пропускная способность. Технический прогресс приво- дит к неуклонному росту объемов передаваемой информа- ции. Если раньше матричные принтеры, печатающие в символьном режиме, могли обходиться и СОМ-портом с невысокой пропускной способностью, то современным ла- зерным принтерам при высоком разрешении не хватает и производительности самых быстрых LPT-портов. То же ка- сается и сканеров. А передача "живого" видео, даже с при- менением компрессии, требует немыслимой ранее пропуск- ной способности.
Вполне очевидно, что при одинаковых быстродействии при- емопередающих цепей и пропускной способности соедини- тельных линий по скорости передачи параллельный интер- фейс должен превосходить последовательный. Однако
повышение производительности за счет увеличения такто- вой частоты передачи данных упирается в волновые свой- ства соединительных кабелей. В случае параллельного ин- терфейса начинают сказываться задержки сигналов при их прохождении по линиям кабеля, и, что самое неприятное, задержки в разных линиях интерфейса могут быть различ- ными вследствие неидентичности проводов и контактов разъемов.
Для надежной передачи данных временные диа- граммы обмена строятся с учетом возможного разброса времени прохождения сигналов, что является одним из фак- торов, сдерживающих рост пропускной способности парал- лельных интерфейсов. В последовательных интерфейсах, конечно же, есть свои проблемы повышения производитель- ности, но, поскольку в них используется меньшее число ли- ний (в пределе - одна), повышение пропускной способнос- ти линий связи обходится дешевле. Может, кто-нибудь еще помнит интерфейс канала ЕС ЭВМ (два пучка коаксиаль- ных кабелей толщиной в руку) и видел кабель USB - эти интерфейсы (параллельный и последовательный) имеют при- мерно одинаковую пропускную способность.
Для интерфейса, соединяющего (физически или логически) два устройства, различают три возможных режима обмена - дуплексный, полудуплексный и симплексный. Дуплексный режим позволяет по одному каналу связи одновременно пе- редавать информацию в обоих направлениях. Он может быть асимметричным, если пропускная способность в направле- ниях "туда" и "обратно" имеет существенно различающие- ся значения, или симметричным. Полудуплексный режим позволяет передавать информацию "туда" и "обратно" по- очередно, при этом интерфейс имеет средства переключения направления канала. Симплексный (односторонний) режим предусматривает только одно направление передачи инфор- мации (во встречном направлении передаются только вспо- могательные сигналы интерфейса).
Другим немаловажным параметром интерфейса является допустимое удаление соединяемых устройств. Оно ограни- чивается как частотными свойствами кабелей, так и помехо- защищенностью интерфейсов. Часть помех возникает от со- седних линий интерфейса - это перекрестные помехи,
защитой от которых может быть применение витых пар про- водов для каждой линии. Другая часть помех вызывается искажением уровней сигналов.
С появлением шин USB и FireWire в качестве характерис- тики интерфейса стала фигурировать и топология соедине- ния. Для интерфейсов RS-232C и Cenbronics практически все- гда применялась двухточечная топология PC - устройство (или PC - PC).
Исключениями из этого правила являются различные устройства безопасности и защиты данных {Security devices), которые подключаются к СОМ- или LPT- портам, но имеют разъем для подключения внешнего уст- ройства. Но поскольку эти устройства для традиционной периферии прозрачны, можно считать, что они не наруша- ют общего правила. Аналогично обстоит дело и с адаптера- ми локальных сетей (например, Paraport) и внешних диско- вых накопителей (lomega Zip), подключаемых к LPT-портам. Хотя разрабатываемые стандарты для параллельного порта (IEEE 1284.3) и предусматривают соединение устройств в цепочку {Daisy Chain) или через мультиплексоры, широко- го распространения такие способы подключения пока не получили. К другому классу исключений относится постро- ение моноканала на СОМ-портах, которое несколько лет назад применялось в "любительских" локальных сетях, но было вытеснено существенно более эффективной и подеше- вевшей технологией Ethernet. Интерфейсные шины USB и FireWire реализуют древовидную топологию, в которой внеш- ние устройства могут быть как оконечными, так и промежу- точными (разветвителями). Эта топология позволяет под- ключать множество устройств к одному порту USB или FireWire.
Важным свойством интерфейса, на которое часто не обра- щают внимания, является гальваническая развязка, а точнее - ее отсутствие. "Схемные земли" устройств, соединяемых интерфейсом с СОМ- или LPT-портом PC, оказываются свя- занными со схемной землей компьютера (а через интерфейс- ный кабель и между собой). Если между ними до подклю- чения интерфейса была разность потенциалов, то по общему проводу интерфейса потечет уравнивающий ток, что плохо по целому ряду причин. Падение напряжения на общем про-
воде, вызванное протеканием этого тока, приводит к смеще- нию уровней сигналов, а протекание переменного тока при- водит к сложению полезного сигнала с переменной состав- ляющей помехи. К этим помехам особенно чувствительны ТТЛ-интерфейсы; в то же время в RS-232C смещение и по- меху в пределах 2 В поглотит зона нечувствительности.
В случае обрыва общего провода или плохого контакта, а го- раздо чаще - при подключении и отключении интерфейсов без выключения питания устройств разность потенциалов прикладывается к сигнальным цепям, а протекание уравни- вающих токов через них часто приводит к пиротехническим эффектам. Откуда берется эта разность потенциалов, объяс- нить нетрудно (см. приложение Г). Из рассматриваемых интерфейсов гальваническую развязку устройств обеспечи- вают только MIDI (одностороннюю с напряжением изоля- ции до 100 В) и шина FireWire (полную с напряжением изо- ляции до 500 В).
Внутренние интерфейсы
Вышеприведенные рассуждения относились в основном к внешним интерфейсам - соединяющим отдельные устрой- ства, удаленные друг от друга на заметное расстояние. Но интерес представляют и внутренние интерфейсы, предназ- наченные для быстрой связи на короткие расстояния. Стан- дартизованные шины расширения ввода/вывода обеспечива- ют расширяемость PC, который никогда не замыкался на выполнении сугубо вычислительных задач. Эти шины пре- доставляют более широкие возможности для взаимодействия процессора с аппаратурой, не скованные жесткими ограни- чениями внешних интерфейсов. Шины расширения ввода/ вывода реализуются в виде слотов (щелевых разъемов) на системной плате компьютера. К ним относятся:
ISA-8 и ISA-16 - традиционные универсальные слоты подключения периферийных адаптеров, не требующих вы- соких скоростей обмена (раньше ISA была единственной шиной расширения).
т EISA - дорогая (по стоимости и системной платы, и плат расширения) 32-битная шина средней производительно- сти, применяемая в основном для подключения контрол-
леров дисков и адаптеров локальных сетей в серверах. В настоящее время вытесняется шиной PCI, хотя и при- меняется в серверах, где необходимо установить множе- ство плат расширения (системную плату, у которой сло- тов PCI больше, чем 4, найти довольно трудно, а для шины EISA 6-8 слотов - явление обычное).
МСА - шина компьютеров PS/2, до сих пор применяе- мая и в некоторых серверах.
Производительность - сред- няя. Адаптеры для шины МСА не получили широкого распространения.
VLB - быстродействующая 32- или 64-битная локальная шина процессора, применявшаяся в среднем поколении системных плат для процессора 486. Используется для подключения контроллеров дисков, графических адапте- ров и контроллеров локальных сетей в паре со слотом ISA/EISA. С процессорами последующих поколений не применяется.
PCI - самая распространенная высокопроизводитель- ная 32/64-битная шина, применяемая в компьютерах на процессорах 486 и старше, а также на "неинтеловских" платформах. Используется для подключения адаптеров дисков, контроллеров SCSI, графических, коммуникаци- онных и других адаптеров. На системной плате чаще всего устанавливают 3 или 4 слота PCI.
" AGP - магастральный интерфейс подключения интеллек- туальных графических адаптеров, применяемый в новых системных платах для процессоров шестого поколения.
PC Card, он же PCMCIA - слот расширения блокнот- ных компьютеров, который в принципе может присут- ствовать и в компьютерах настольного исполнения (встре- чать на практике не доводилось). Предназначен для подключения периферии к блокнотным PC.
За универсальность и производительность внутренних шин расширения приходится расплачиваться более замысловатой реализацией интерфейсных схем и сложностями при обес- печении совместимости с другим установленным в компью- тер оборудованием. Здесь ошибки могут приводить к поте- ре (хорошо, если временной) работоспособности компьютера.
Недаром серьезные производители компьютеров гарантиру- ют работоспособность своих изделий только при установке сертифицированных (ими или независимыми лаборатория- ми) карт расширения. При использовании внешних интер- фейсов неприятности в случае ошибок чаще всего имеют отношение только к подключаемому устройству. Хотя и здесь случаются всякие "чудеса", часть из которых описана в при- ложении Г.
Своеобразное положение занимает шина SCSI - интерфейс- ная шина системного уровня, предназначенная для подклю- чения широкого спектра ПУ, требующих высокой скорости обмена данными.Конструктивно эта шина реализуется лен- точным кабелем-шлейфом, соединяющим внутренние и вне- шние устройства с хост-адаптером компьютера. По функци- ональным возможностям и производительности за этой шиной "гонится" похожая по конструкции шина АТА, ко- торая из специализированного интерфейса дисковых нако- пителей выросла до вполне универсального интерфейса ATAPI, логически родственного SCSI. Однако, в отличие от SCSI, АТА конструктивно является сугубо внутренней, а по функциональным возможностям (количеству подключаемых устройств, обеспечению многозадачности) шину SCSI ей, похоже, не догнать.
На этом мы закончим краткий обзор интерфейсов и перей- дем к их детальному описанию.
