Стандартные цифровые интерфейсы.
В параллельном интерфейсе одновременно передается сразу несколько бит информации (например, 5,7 или 8 бит), причем, каждый передается по своей отдельной линии связи (проводу). Главное достоинство параллельных интерфейсов в высокой скорости передачи. Используются они, как правило, для передачи данных внутри компьютера. Примером могут быть внутренние шины компьютера (точнее, шины адреса и данных). Параллельные интерфейсы часто применяются для связи с быстродействующими устройствами при условии, что длина линий связи между устройством и компьютером не превысит 2-3 метров.
Последовательный интерфейс передает информацию бит за битом, для чего требуется только одна линия связи1. Для контроля и управления передаваемыми данными, при передаче информационных битов к ним добавляется группа служебных битов.
Параллельный интерфейс — для каждого бита передаваемой группы имеется своя сигнальная линия (обычно с двоичным представлением), и все биты группы передаются одновременно за один квант времени, то есть продвигаются по интерфейсным линиям параллельно. Примеры: параллельный порт подключения принтера (LPT-порт, 8 бит), интерфейс ATA/ATAPI (16 бит), SCSI (8 или 16 бит), шина PCI (32 или 64 бита). ¦ Последовательный интерфейс — используется лишь одна сигнальная линия, и биты группы передаются друг за другом по очереди; на каждый из них отводится свой квант времени (битовый интервал). Примеры: последовательный коммуникационный порт (СОМ-порт), последовательные шины USB и FireWire, интерфейсы локальных и глобальных сетей. На первый взгляд, организация параллельного интерфейса проще и нагляднее (не надо выстраивать биты в очередь на передачу и собирать байты из принятой последовательности битов). Также, на первый взгляд, параллельный интерфейс обеспечивает более быструю передачу данных, поскольку биты передаются сразу пачками. Очевидный недостаток параллельного интерфейса — большое количество проводов и контактов разъемов в соединительном кабеле (по крайней мере, по одному на каждый бит). Отсюда громоздкость и дороговизна кабелей и интерфейсных цепей устройств, но с этим мирятся ради вожделенной скорости. У последовательного интерфейса приемно-передающие узлы функционально сложнее, зато кабели и разъемы гораздо проще и дешевле. Понятно, что на большие расстояния тянуть многопроводные кабели параллельных интерфейсов неразумно (и невозможно), здесь гораздо уместнее последовательные интерфейсы. Эти рассуждения были основополагающими при выборе типа интерфейса примерно до начала 1990-х годов. Тогда выбор был прост: на ближних расстояниях (максимум — до пары десятков метров) при требованиях к высокой скорости использовали параллельные интерфейсы, а на дальних расстояниях или в случае неприемлемости параллельных кабелей — последовательные, жертвуя скоростью передачи. Теперь поточнее разберемся со скоростью передачи данных. Очевидно, что она равна числу бит, передаваемых за квант времени, деленному на длительность кванта. Для простоты можно оперировать тактовой частотой интерфейса — величиной, обратной длительности кванта. Это понятие естественно для синхронных интерфейсов, у которых имеется сигнал синхронизации (clock), определяющий возможные моменты возникновения всех событий (смены состояния). Для асинхронных интерфейсов можно пользоваться эквивалентной 1 Бывают и не 8-битные байты. тактовой частотой — величиной, обратной минимальной длительности одного состояния интерфейса. Теперь можно сказать, что максимальная (пиковая) скорость передачи данных равна произведению тактовой частоты на разрядность интерфейса. У последовательного интерфейса разрядность 1 бит, у параллельного — столько, сколько имеется параллельных сигнальных цепей для передачи битов данных. Остаются вопросы о достижимых тактовой частоте и разрядности. И для последовательного, и для параллельного интерфейсов максимальная тактовая частота определяется достижимым (при разумных цене и затратах энергии) быстродействием приемопередающих цепей устройств и частотными свойствами кабелей. Здесь уже проглядывают преимущества последовательного интерфейса: для него затраты на построение высокоскоростных элементов не приходится умножать на разрядность интерфейса, как в случае параллельного интерфейса. В параллельном интерфейсе есть явление перекоса (skew), существенно влияющее на достижимый предел тактовой частоты. Суть его в том, что сигналы, одновременно переданные с одного конца интерфейсного кабеля, доходят до другого конца не одновременно из-за отклонений характеристик цепей. На время прохождения влияют длина проводов, свойства изоляции, соединительных элементов и т. п. Очевидно, что перекос (разница во времени прибытия) сигналов разных битов должен быть явно меньше кванта времени, иначе биты будут искажаться (путаться с одноименными битами предшествующих и последующих посылок). Вполне понятно, что перекос ограничивает и допустимую длину интерфейсных кабелей: при одной и той же относительной погрешности скорости распространения сигналов на большей длине «набегает» и больший перекос. Перекос сдерживает и увеличение разрядности интерфейса: чем больше параллельных цепей, тем труднее добиться их идентичности. Из-за этого даже приходится «широкий» (многоразрядный) интерфейс разбивать на несколько «узких» групп и для каждой группы использовать свои управляющие сигналы. В 90-х годах в схемотехнике приемно-передающих узлов стали осваиваться частоты в сотни мегагерц и выше, то есть длительность кванта стала измеряться единицами и долями наносекунд. Достичь соизмеримо малого перекоса можно лишь в пределах жестких компактных конструкций (печатная плата), а для связи отдельных устройств кабелями длиной в десятки сантиметров пришлось остановиться на частотах до десятков мегагерц. Для того чтобы ориентироваться в числах, отметим, что за 1 наносекунду сигнал пробегает по электрическому проводнику порядка 20-25 сантиметров. Для повышения пропускной способности параллельных интерфейсов с середины 90-х годов стали применять двойную синхронизацию (Dual Data Rate, DDR). Ее идея заключается в выравнивании частот переключения информационных сигнальных линий и линий стробирования (синхронизации). В «классическом» варианте данные информационных линий воспринимаются только по одному перепаду (фронту или спаду) синхросигнала, что удваивает частоту переключения линии синхросигнала относительно линий данных. При двойной синхронизации данные воспринимаются и по фронту, и по спаду, так что частота смены состояний всех линий выравнивается, что при одних и тех же физических параметрах кабеля и интерфейсных схем позволяет удвоить пропускную способность. Волна этих модернизаций началась с интерфейса АТА (режимы U1- traDMA) и прошла уже и по SCSI (Ultral60 и выше), и по памяти (DDR SDRAM). Кроме того, на высоких частотах применяется синхронизация от источника данных (source synchronous transfer): сигнал синхронизации, по которому определяются моменты переключения или действительности данных, вырабатывается самим источником данных. Это позволяет точнее совмещать по времени данные и синхронизирующие импульсы, поскольку они распространяются по интерфейсу параллельно в одном направлении. Альтернатива — синхронизация от общего источника (common clock) — не выдерживает высоких частот переключения, поскольку здесь в разных (географически) точках временные соотношения между сигналами данных и синхронизации будут различными. Повышение частоты переключений интерфейсных сигналов, как правило, сопровождается понижением уровней сигналов, формируемых интерфейсными схемами. Эта тенденция объясняется энергетическими соображениями: повышение частоты означает уменьшение времени, отводимого на переключения сигналов. Чем больше амплитуда сигнала, тем большие требуются скорость нарастания сигнала и, следовательно, выходной ток передатчика. Повышение выходного тока (импульсного!) нежелательно по разным причинам: большие перекрестные помехи в параллельном интерфейсе, необходимость применения мощных выходных формирователей, повышенное тепловыделение. Тенденцию снижения напряжения можно проследить на примере порта AGP (3,3/1,5/0,8 В), шин PCI/PCI-X (5/3,3/1,5 В), SCSI, шин памяти и процессоров. В последовательном интерфейсе явление перекоса отсутствует, так что повышать тактовую частоту можно вплоть до предела возможностей приемнопере- дающих цепей. Конечно, есть ограничения и по частотным свойствам кабеля, но изготовить хороший кабель для одной сигнальной цепи гораздо проще, чем для группы цепей, да еще и с высокими требованиями к идентичности. А когда электрический кабель уже «не тянет» требуемые частоту и дальность, можно перейти на оптический, у которого есть в этом плане огромные, еще не освоенные «запасы прочности».
В истории развития шин расширения или системных шин, принято выделять три основных этапа – три поколения. В свою очередь, каждое поколение включает в себя достаточно большое количество разнообразных модификаций, ответвлений и специфи-каций. Во вступительной части я отвечу на два основных вопроса: «С чего всѐ нача-лось?» и «Как это было?». Год 1981-й, компания IBM выпускает в продажу первый массовый персональ-ный компьютер IBM PC, основанный на процессоре i8088. Именно в состав этого ком-пьютера входил первый представитель первого поколения системных шин: шина ISA (Industry Standard Architecture). Она имела 62 контакта, 8 из которых использовались для передачи данных, 20 - для передачи адреса, а остальные - для управляющих сигна-лов и питания. Пропускная способность шины составляла 1,2Мбай/сек, а тактовая час-тота – 4,77МГц. Так было положено начало первому поколению шин расширения. Через три года (1984 г.) в компьютерах IBM PC/AT (Advanced Technology) появляется шестнадцати-разрядная версия шины ISA – шина ISA16, полностью совместимая с восьмиразрядной версией. Затем, стремление компании IBM монополизировать рынок приводит к расколу на два конкурирующих стандарта. MCA (Micro Channel Architecture) – закрытый стан-дарт, разработанный IBM с целью вытеснить конкурентов, не совместимый с ISA. И «ответный удар» группы компаний (Compaq, Epson, Hewllett-Packard, NEC) - ISA-совместимая шина EISA (Extended ISA). Разрядность шин была поднята до 32 бит. Про-пускная способность MCA составила 20Мбайт/сек, а EISA – 33 Мбайт/сек. И возможно компьютерный мир так и жил бы по двум конкурирующим стандар-там, но в расстановку сил вмешалась Intel, которая в 1992 г. перевела мир шин расши-рения во второе поколение, представив спецификацию 1.0 новой шины – шину PCI (Pe-ripheral Components Interconnect), которая была 32х разрядной, работала на частоте 33 МГц и имела пропускную способность 133Мбайт/сек. Кроме этого Intel запатентовала PCI и сделал стандарт общедоступным, а также основала консорциум PCI-SIG (PCI Special Interest Group) для дальнейшего продвижения и развития шины. Всѐ это послу-жило причиной быстрого замещения шины ISA шиной PCI и последующего бурного развития последней. Однако, в своей основе все последующие спецификации PCI, а также различные ответвления (например,GP), носили экстенсивный характер. Производительность воз-росла за счѐт увеличения тактовой частоты и разрядности. Качественные попытки улучшения были сделаны в шинах PCI-X, которые использовали технологии DDR (Double Data Rate) и QDR (Quadra Data Rate), но особой популярности они не сниска-ли. Дальнейший «разгон» параллельных шин по частоте влечѐт за собой усложне-ние механизмов синхронизации, а увеличение разрядности – удорожание и усложнение разводки проводников на печатной плате. К тому же, стремительное развитие компо- нентов компьютеров поставило крест на улучшении шин путѐм простого увеличения частоты и разрядности. Индустрии требовался качественно новый подход к проектиро-ванию шин расширения. Результатом поиска этого «качественно нового подхода» стал переход на шины расширения третьего поколения. Новатором в этой области стала PCI-SIG, которая предложила архитектуру шины PCI Express (PCIe). Что же нового было внесено в разработку шин расширения? Собственно, идеи, в рамках общей тенденции проектирования различных интерфейсов, не были новыми, а вот для шин расширения – это был качественный скачѐк вперѐд, причѐм более значи-мый, чем при переходе от ISA к PCI. Если взглянуть на тенденции развития всевозможных интерфейсов (рисунок 1), то нетрудно проследить путь, по которому идѐт «шиностроение». Рис. 1. Переход с параллельных на последовательные шины данных Конечно, имеется в виду отказ от параллельных архитектур и переход к после-довательным. Сначала свои позиции сдаѐт LPT, «свергнутый» USB, затем, мы избавля-емся от раскидистых шлейфов IDE интерфейсов, заменѐнных аккуратными и тонень-кими SATA. Кроме того, «параллельность» теряет один из самых древнейших интер-фейсов SCSI, становясь Serial Attached SCSI (SAS). И вот пробил час PCI. Повсеместный переход с параллельных на последовательные интерфейсы обу-словлен рядом значительных преимуществ последних. Да, организовать работу уст-ройств с параллельными интерфейсами значительно проще, грубо говоря, всегда из-вестно от какого контакта чего ожидать. Да, процессору из-за своей внутренней орга-низации в принципе удобнее обрабатывать параллельные данные. Но, далее идѐт много различных «но», которые делают последовательные интерфейсы более «привлекатель-ными» для разработчиков. Прежде всего, их большой масштабируемый потенциал на высоких частотах. Для параллельных интерфейсов повышение частот чревато неоправ-данно-высоким повышением латентности. Кроме того, последовательные интерфейсы физически меньше, откуда следует, что при использовании параллельных шин на пе-чатной плате нужно «развести» гораздо больше проводников, общая длина которых должна быть в пределах определѐнной погрешности одинаковой. Естественно, это не значит, что при изготовлении проводников для последовательных интерфейсов не тре-буется выдерживать равенство длин, но «аккуратно» развести плату гораздо проще с их меньшим количеством. Компактное размещение проводников в параллельных шинах приводит к увеличению паразитных ѐмкостей, что опять же говорит за использование последовательных интерфейсов, где свободного пространства больше и ѐмкости можно уменьшить. Помимо этого, в различных последовательных интерфейсах (и PCIe не яв-ляется исключением) реализована технология LVDS (low-voltage differential signaling), которая позволяет уменьшать шумы и искажения в линиях, осуществлять контроль сигнала на электрическом уровне, а также, как следует из названия, работать с низкими значениями напряжения. Логичным возражением против использования последовательных интерфейсов является сложность работы с передаваемой информацией, что, в общем-то, достаточно справедливо, так как информация передаѐтся блоками, без дробления на данные, адреса и служебную информацию (речь идѐт о физическом уровне). Это, в свою очередь, тре-бует реализацию более интеллектуальных контроллеров последовательных шин. Но, из чисто финансовых соображений, реализация «на кремнии» предпочтительнее для раз-работчиков, чем разводка большого числа проводников и золоченых контактов. Таким образом, из всего выше сказанного преимущества последовательных ин-терфейсов становятся очевидными. По факту, последними «непокоренными вершина-ми» для последовательных архитектур до недавнего времени оставались шины памяти и процессорные шины. «Бастион» последних пошатнулся ещѐ при выходе Hyper Trans-port (процессорная шина для AMD) и был окончательно разрушен QPI (Quick Path In-terconnect), которую использует Intel в своих самых производительных решениях на архитектуре Nehalem (процессоры Core i7). Очевидно, руководствуясь схожими доводами, PCI-SIG предложили архитекту-ру новой шины. Шины, которая на данный момент полностью соответствует требова-ниям скоростных периферийных устройств. Шины, которая является безусловным стандартом для подключения плат расширения в современных персональных компью-терах. Шины, которая и по сей день находится в развитии, демонстрируя свои огром-ные возможности и мощный потенциал. Речь, конечно, идѐт о шине расширения третьего поколения – шине PCI Express. Интерфейс PCI Express был предложен в 2002 г. Разработчикам удалось собрать воедино преимущества последовательной архитектуры построения шин, наработок в области создания ЛВС (Локальные Вычислительные Сети) на Ethernet, а также присое-динить к этому опыт предыдущих поколений. В итоге мы получили прекрасно масшта-бируемый, помехозащищѐнный, высокочастотный и высокоскоростной интерфейс, ко-торый на момент подготовки данного материала развит до версии 2.1. В PCI Express используется дифференциальная передача сигналов по симплекс-ным каналам в два направления на частоте 5ГГц со скоростью 4Гбит/сек на канал. При этом обеспечивается помехозащищѐнное кодирование, пакетная передача данных, ра-бота с трафиком, а также полная совместимость с более ранними спецификациями PCI Express и программная совместимость с PCI. Стоит отметить, что в разработке находится новая спецификация 3.0, появление которой ожидается во второй половине 2010 года. Новая спецификация несѐт в себе очередное увеличение пропускной способности, частоты и добавления новых типов связей для передачи информации. При этом разработчиками заявлена полная совмес-тимость с предыдущей спецификацией.
USB, FireWire, eSATA или Gigabit Ethernet? Каждый интерфейс имеет свои сильные стороны, которые детально описаны ниже. Правильный выбор зависит от того, поддерживает ли ваш компьютер соответствующий интерфейс, а также от того, для каких целей вы собираетесь использовать накопитель. Сначала, посмотрите на соединения на Вашем компьютере.
USB USB 2.0 - стандартное периферийное соединение для большинства компьютеров, работающих на Windows. Максимальная скорость передачи данных по этому интерфейсу составляет 480 Мб/с. Средние скорости передачи данных, обычно от 10 до 30 МБ/с, разнятся в зависимости от многих факторов, включая тип устройства, данные, которые передаются, и скорость компьютерной системы. Если ваш порт USB более ранней версии: например, USB 1.0 или 1.1, к нему можно подключить накопитель с интерфейсом USB 2.0, но скорость передачи данных при этом будет определяться самым медленным из двух интерфейсов. Если Вы не знаете версии USB портов Вашего компьютера, обратитесь за справкой к документации Вашего компьютера или обратитесь к производителю.
FireWire
FireWire, также известная как IEEE 1394, - это стандарт соединения высокой производительности для персональных компьютеров и потребительской электроники. Он предполагает использование одноранговой архитектуры, в рамках которой периферийные устройства способны самостоятельно разрешать конфликты на шине и определять, которое из них может лучшим образом управлять передачей данных. Существуют две разновидности интерфейса FireWire: FireWire 400, также известный под названием IEEE 1394a, способен передавать большие объемы данных между компьютерами и периферийными устройствами со скоростью до 400 Мб/с. Этот интерфейс, отличающийся более высокой пропускной способностью, большей длиной кабеля и повышенной нагрузочной способностью шины питания, подходит для жестких дисков, цифрового видеооборудования, профессиональной аудиотехники, цифровых фотоаппаратов высшего класса и домашних развлекательных устройств. FireWire 800, также известный под названием IEEE 1394b, обладает скоростью, достаточной для передачи многопоточного несжатого цифрового видео и высококачественного цифрового звука без шумов. Он позволяет использовать кабели большой длины и конфигурации, не поддерживаемые интерфейсом USB.
eSATA Интерфейс SATA весьма эффективно работает со внешними накопителями, а кабель и разъем внешнего порта SATA (eSATA) позволяют быстро и надежно подключать внешние накопители. Этот интерфейс, имеющий скорость передачи данных до 3 Гб/с, пригоден для жестких дисков, домашних сетей, работы с цифровым видео и домашних развлекательных устройств, таких как телеприставки и персональные видеомагнитофоны. Кабели и разъемы SATA и eSATA не являются взаимозаменяемыми. Это важный момент, так как кабели и разъемы eSATA рассчитаны на 5000 подключений/отключений, а кабели и разъемы для встраиваемых накопителей SATA — всего на 50. Для того, чтобы подключить внешний накопитель с интерфейсом eSATA, требуется установить в компьютер PCI-карту контроллера SATA.
Ethernet — это стандартный метод подключения компьютеров к локальной сети при помощи специального кабеля. Среди внешних накопителей этот интерфейс чаще всего используется в сетевых хранилищах данных (NAS), предусматривающих совместный доступ пользователей сети к хранящимся в них файлам.
Интерфейс Gigabit Ethernet, имеющий скорость передачи данных 1000 Мб/с — это новейший и самый скоростной из стандартов Ethernet, пришедший на смену стандартам Fast Ethernet (100 Мб/с) и Ethernet (10 Мб/с). В числе преимуществ Gigabit Ethernet — более высокая скорость, поддержка функций контроля качества услуг (QoS), обеспечивающих плавную передачу аудио- и видеоинформации, а также совместимость с сетями стандартов Ethernet и Fast Ethernet.
|
