Взаимодействие устройств. Шины. Интерфейсы ввода/вывода

Взаимодействие устройств. Шины. Интерфейсы ввода/вывода

Самые первые ЭВМ для управления имели большие пульты, терминалы. В настоящее время существует всем известный ряд устройств ввода информации (клавиатура, мышь, сканер, джойстик, сенсорный экран) и устройств вывода информации (монитор, принтер). Помимо названного оборудования практически любое устройство оснащено интерфейсами, позволяющими соединить его с другими устройствами: USB, FireWire, Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth.

Каждое из названных устройств и интерфейсов проходит свой путь эволюции, но общая тенденция увеличения скорости обработки информации свойственна практически всем устройствам.

Если проанализировать приблизительные скорости работы современных устройств, то можно получить следующие числовые значения:

Как видно из таблицы, все устройства и интерфейсы работают на очень сильно различающихся скоростях. Но надо помнить, что все в рамках работы вычислительной системы

1) может возникнуть необходимость взаимодействия различных устройств с различными скоростями.

2) Главным управляющим элементом является процессор, скорость работы которого намного выше, чем у большинства перечисленных устройств и интерфейсов.

Вопросы организации оптимального взаимодействия между комплектующими вычислительной системы ложится на компьютерную шину.

Шина в терминах информационных технологий служит для передачи данных между отдельными функциональными блоками компьютера и представляет собой совокупность сигнальных линий (линии данных, линии адреса и управляющие сигналы), которые имеют определенные электрические характеристики и протоколы передачи информации.

Шины могут различаться (или характеризоваться) следующими параметрами:

· разрядностью,

· способом передачи сигнала (последовательные или параллельные, синхронные или асинхронные),

· пропускной способностью,

· количеством и типами поддерживаемых устройств,

· протоколом работы,

• назначением (внутренняя или интерфейс c внешним устройством).

Рассмотрим некоторые, наиболее принципиальные характеристики.

Виды связей устройств

По возможности передавать в каком-либо направлении связь бывает

• Симплексная: передача информации возможна только в одном направлении в любой момент времени. Примером данного вида связи является практически не используемая сейчас пейджинговая связь, предоставляющая возможность послать сообщение в одностороннем порядке, без получения ответа. В вычислительной технике практически не используется.
• Полудуплексная: передача информации возможна в обоих направлениях, но только в одном направлении в любой момент времени. Пример данного вида связи – рации: каждое устройство может в любой момент времени либо передавать, либо слушать, но не одновременно. Именно полудуплексная связь применялась для организации первых сетей. И именно в этом режиме работали первые шины, поддерживающие взаимодействие устройств вычислительной системы.
• Дуплексная: передача информации возможна в обоих направлениях в любой момент времени. Примером может служить телефонная связь, дающая возможность и говорить и слушать одновременно. Данный режим является предпочтительнее как для сетей, так и для интерфейсов ввода/вывода информации.

Способы взаимодействия устройств

Обмен информацией вычислительной системе происходит по следующей схеме:

• одно устройство выполняет активную роль: чаще всего этим устройством является процессор;
• второе устройство является исполнителем
• используется принцип квитирования (запроса - ответа): каждый управляющий сигнал активного устройства, подтверждается сигналом исполнителя.

Можно выделить следующие способы взаимодействия устройств.

Программно-управляемый ввод-вывод

Ввод-вывод по прерываниям

Прямой доступ к памяти

Каждый способ придерживается указанной схемы обмена информацией; у каждого есть свои преимущества и недостатки. Рассмотрим подробнее каждый из них.

Ввод-вывод по прерываниям

Ввод/вывод по прерываниям пришел на смену программно-управляемому вводу/выводу, который нерационально тратил время на опрос устройств, которые не готовы к обмену. Ввод/вывод по прерываниям предполагает, что процессор приостанавливает выполнение своей основной задачи только в том случае, если возникает запрос от самого внешнего устройства на обмен данными.

Алгоритм ввода/вывода по прерыванию заключается в следующем:

• Ввод/вывод инициируется внешним устройством, генерирующим сигнал прерывания.
• Процессор останавливает выполнение выполняемой программы и начинает обработку прерывания:
• Сохраняет адрес текущей выполняемой команды программы в стеке
• Сохранить в стеке текущее значение регистра состояния процессора (флагов)
• Определяет начальный адрес программы обработки прерывания по таблице векторов прерываний (Interrupt Descriptor Table, IDT)
• Выполняет программу обработки прерывания
• Восстанавливает прежнее состояние процессора, возвращая из стека регистр состояния процессора и адрес выполняемой команды прерванной программы.

Возможна ситуация, когда несколько устройств одновременно заявляют о намерении обмена с процессором (то есть инициируют прерывания). Для регулирования таких ситуаций прерываниям присваивается определённый приоритет; при одновременной подаче сигнала прерывания процессор будет обслуживать прерывание с более высоким уровнем приоритета. Одновременно обрабатывается одно прерывание.

Для регулирования вопросов арбитража прерываний в архитектуру вычислительной системы введен контроллер прерываний.

Контроллер прерываний принимает запросы на прерывания от различных устройств (на рисунке IRQ - Interrupt Request) и сохраняет факт запроса в специальном регистре – регистре запросов прерываний.

Контроллер прерываний имеет функцию маскирования прерываний: процессор может запретить реагировать на прерывания тех или иных устройств через настройки регистра маски. Каждый разряд регистра маски разрешает или запрещает прерывание от соответствующего разряду устройства.

В случае, если обратились несколько устройств, и всем им разрешены прерывания, система арбитража определяет, какой запрос процессор должен обслуживать первым.

Таким образом, контроллер принимает запросы на прерывания от всех присоединенных устройств, но дает запрос процессору на обслуживание единственного прерывания. Процессор, по мере завершения очередной выполняемой команды отвечает разрешением на обслуживание данного прерывания, и обслуживает его.

Ранее функции контроллера прерываний выполняли специализированные микросхемы на материнской плате; в настоящее время контроллер прерывания вынесен на Южный мост.

Для определения адреса программы, обрабатывающей прерывание, используется таблица векторов прерываний (Interrupt Descriptor Table, IDT). В таблице представлены номера некоторых (таблица приводится не полностью) прерываний.

Как видно из таблицы, некоторые прерывания генерируются самим процессором при определенных обстоятельства, например, ошибка деления на ноль. Прерывания от внешних устройств – это IRQ (Interrupt ReQuest) - аппаратные прерывания, которые генерируются устройствами, подключенными к компьютеру. К примеру, IRQ №0 генерируется PIT (таймер с программируемым интервалом), IRQ 1 генерируется при нажатии клавиши на клавиатуре.

Прямой доступ к памяти

Данный режим обмена данными предполагает взаимодействие между устройствами или между устройством и оперативной памятью без участия центрального процессора. То есть в данном режиме процессор не тратит свои ресурсы на обеспечение обмена.

Одно устройство принимает на себя активную роль, управляющего обменом, другое – пассивную, поддерживая обмен. При взаимодействии устройства с оперативной памятью пассивную роль принимает память.

Но для организации обмена устройствам нужно захватить шину, чтобы передавать по ней данные. При этом необходимо иметь гарантию, что в это время шина не используется процессором для решения задачи процессора, то есть надо организовать арбитраж шины. Арбитраж шины и управление обменом в режиме прямого доступа к памяти производится с помощью DMA-контроллера (Direct Memory Access).

Центральный процессор программирует контроллер прямого доступа к памяти, но не управляет обменом.

Взаимодействие устройства и памяти начинается с запроса устройства на доступ к памяти. Данный запрос принимается контроллером DMA и переадресуется процессору. В случае, если процессор не использует шину, он дает разрешение на захват шины устройством. Контроллер сообщает устройству, что обмен возможен, после чего производится обмен.

В настоящее время в вычислительных системах используется как прямой доступ к памяти, так и ввод/вывод по прерываниям.

Эволюция общей шины.

Можно выделить три поколения развития шин, обеспечивающих обмен между компонентами вычислительной системы.

Первое поколение

Первое поколение шин определяется как группа проводников, подключающей компьютерную память и периферию к процессору. Ввод-вывод осуществлялся в цикле ожидания готовности периферийного устройства процессором.

Шина была общая для всех устройств; всё оборудование на шине передавало информацию на одной скорости и использовало один источник синхросигнала. Увеличение скорости процессора автоматически увеличивало скорость работы всех устройств.

При установке любого устройства требовалось произвести настройку его параметров; специальными переключателями задавались

· адреса памяти,

· адреса ввода-вывода,

· приоритетов и

• номеров прерываний.

Усовершенствованием шин первого поколения было введение прерываний.

Примером шины первого поколения может служить шина ISA (Industry Standard Architecture), устанавливаемая на персональные компьютеры с 1981 года.

Разъем ISA состоял из 62 контактов:

· 8-разрядная шина данных,

· 20 -разрядная шина адреса,

· 6 линий прерывания,

· управляющие линии для чтения-записи памяти и устройств ввода/вывода,

· тактовые и синхронизирующие линии,

· 3 канала линий управления прямым доступом к памяти,

· линии управления регенерацией памяти,

· линия проверки канала,

• и питание для внешних устройств

ISA работала на частоте до 8 МГц и передавала данные со скоростью до 4 МБайт/с (при частоте работы процессоров ~4,7 МГц). Инициатором обмена могли выступать только процессор и контроллер DMA.

Усовершенствованием шины ISA было

· Удвоение разрядности данных (удвоение пропускной способности)

· Добавление четырех разряда адреса;

· Увеличилось число линий запросов прерываний (IRQ) и запросов прямого доступа к памяти (DMA).

• Любое подключенное к ней устройство могло инициировать операцию обмена данными

В 1993 году Intel и Microsoft разработали ISA PnP (Plug and Play), которая позволяла операционной системе самой определять назначаемое прерывание для устройства, тем самым исключая ручную настройку устанавливаемых устройств.

Второе поколение

Основным отличием шин второго поколения была изоляция процессора и памяти на собственной высокоскоростной шине. Между получившимися шинами был установлен специальный контроллер шин (bus controller).

Но все внешние устройства по-прежнему работали на одной скорости.

Во втором поколении шины разделили на внутренние (localbus) для подключения внутренних устройств, таких как видеоадаптеры и звуковые платы (примеры, PCI, PCI-Express), и внешние (externalbus) для подключения внешних устройств, например, сканеров (пример, USB, FireWire).

Данное разделение было несколько условно. Например, IDE является внешней шиной по своему предназначению, но почти всегда используется внутри компьютера.

Шины второго поколения увеличили скорость за счет увеличения разрядности шины данных (с 8-ми разрядов до 16 или 32 разрядов) и имели программную настройку для упрощения подключения новых устройств (Plug-n-play).

Примером шины второго поколения может служить шина PCI (Peripheral Component Interconnect), выпущенная в 1992 году. Характеристики PCI:

· Параллельная передача данных

· Введение северного и южного моста, связь между ними

· Тактовая частота 33 МГц,

· Разрядность 32 или 64 бита

• Теоретически, пропускная способность шины 133 Мбайт/с, но пропускная способность шины делится между всеми устройствами

В то время тактовая частота процессоров составляла порядка ~ 50-60 МГц. Таким образом, PCI вполне соответствовала быстродействию системы в целом.

С увеличением частоты работы процессора и скорости работы всех прочих компонент, PCI развивалась. Основным направлением развития было увеличение пропускной способности за счет увеличения частоты шины.

В частности была реализация AGP (скоростного интерфейса видеоплаты) как частного случая PCI 2.0. при отсутствии арбитража интерфейса: к AGP допускалось подключение только одного устройства – видеоплаты.

Пределом PCI можно назвать PCI 2.1 66 МГц, обеспечивающей пропускную способность 266 Мбайт/с. Дальнейшее увеличение частоты было затруднительно в силу параллельной природы данного интерфейса. Кроме того, к этому моменту были созданы отдельные интерфейсы для процессора с памятью, для дисков внешней памяти. В настоящее время PCI используется только для модемов, сетевых и звуковых плат, но постепенно вытесняется PCI-Express.

Третье поколение

Шины третьего поколения (примером является внутренняя шина PCI-Express) архитектурно похожи на компьютерные сети, чем на изначальные идеи шин, что сопровождается большими накладными расходами, по сравнению с предыдущими поколениями.

Шины третьего поколения позволяют использовать как большие скорости, необходимые для памяти, видеокарт и межпроцессорного взаимодействия, так и небольшие при работе с медленными устройствами, например, приводами дисков.

Шины третьего поколения позволяют использовать шину нескольким устройствам одновременно.

Для достижения возможности одновременной передачи информации через одну шину различным устройствам на различных скоростях PCI-Express была реализована как пакетная сеть с топологией типа звезда. Устройства PCI-Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами. Каждое устройство напрямую связано с коммутатором соединением типа точка-точка.

Коммутатор (подробнее данное устройство описывается в рамках сетевых технологий) позволяет одновременно передавать через себя несколько потоков данных.

PCI-Express является последовательным интерфейсом, что позволяет передавать данные на высокой частоте. В первой версии PCI-Express при частоте передачи 2,5 ГГц по одной линии можно передавать данные на скорости 2500 МГц / 10 * 8 = 250 * 8 Мбит/сек = 250 Мбайт/сек для каждого устройства в одном направлении. Причиной деления на 10 является избыточное кодирование для передачи 8 бит данных десятью битами информации: при этом каждый байт перекодируется в соответствии с определенной схемой во избежание передачи подряд идущих нулей или единиц.

Но PCI-Express позволяет устройствам одновременно передавать в двух направлениях. Таким образом, максимальная пропускная способность удваивается.

Шина PCI Express может использовать несколько таких последовательных соединений типа точка-точка, (для данного интерфейса они называются линиями), конструктивно соединенных в один интерфейс: x1 (одна линия), x2 (две линии), x4 (четыре линии), x8 (восемь линий), x12 (двенадцать линий), x16 (16 линий), x32 (32 линии). То есть соединение между картами PCI-Express может быть обеспечено как одной (1x), так и несколькими (2x, 4x, 8x, 12x, 16x, 32x) линиями.

Если слот PCI Express имеет приставку x16 (PCI Express x16), это означает, что он 16-канальный. В такой слот может быть установлена карта как PCI Express x1, так и PCI Express x16.

Шиной PCI Express поддерживается:

• горячая замена карт;
• гарантированная полоса пропускания (QoS);
• управление энергопотреблением;
• контроль целостности передаваемых данных.

Последующие версии PCI-Express удваивали частоту, и, соответственно, пропускную способность шины. В 2017 году вышла очередная версия - PCI Express 4.0.

Скорость компьютерных шин в настоящее время определяют в гигатранзакциях в секунду. За одну транзакцию передаётся один передаваемый элемент. Для расчёта реальной пропускной способности передаваемых данных (ее значение ниже скорости передачи) одной линии шины необходимо учесть кодировку передаваемой информации. Как видно из таблицы данные передаются с избыточностью: 8 бит передаются 10 битами или 128 бит передаются 130 битами. Причина избыточности – исключить передачу большого количества идущих подряд нулей и единиц, затрудняющих распознавание со стороны приемника.

Чипсет

Как видно из эволюции шин вычислительных систем, начиная со второго поколения, шина перестала быть общей для всех устройств: сначала была выделена шина для взаимодействия «процессор-память», далее появились внутренние и внешние шины для подключения внутренних и внешних устройств.

Логику взаимодействия всех комплектующих материнской платы персонального компьютера осуществляет чипсет – набор микросхем системной логики.

Чаще чипсет состоит из пары микросхем – так называемых Северного и Южного мостов. Северный мост обеспечивает связь между высокоскоростными компонентами вычислительной системы (процессор, оперативная память, видеоплата). Южный мост – связывает Северный мост со всеми прочими компонентами, работающими на меньших скоростях.

Как видно из рисунка, за несколько десятков лет для связи различных типов устройств было разработано множество видов шин. Некоторые из них меняли свое исходное предназначение, перемещаясь вниз по скоростной иерархии.

Для процессора разрабатывались высокоскоростные шины, например, FSB, DMI, HyperTransport и QPI.

Примером внутренних шин служат PCI и PCI-Express. Причем в последнее время PCI-Express все больше вытесняет шину PCI.

Примерами внешних интерфейсов для связи с накопителями могут быть IDE и SATA (современные накопители уже н оснащают интерфейсом IDE).

Также разработаны внешние интерфейсы для связи с периферийными устройствами, например FireWire или USB.

Перечисленные интерфейсы относятся к наиболее популярным в настоящее время, но это лишь малая часть общего количества разработанных интерфейсов. Например, для медленных устройств, таких как BIOS, существуют низкоскоростные интерфейсы.

Высокоскоростные шины.

Рассмотрим кратко наиболее известные высокоскоростные шины, которые используются для связи процессора с чипсетом или для внутрипроцессорных взаимодействий.

FSB (Front Site Bus)

FSB – параллельная шина - разрабатывалась компанией Intel для связи процессора с северным мостом. Частота шины соответствовала частоте процессора, и возрастала с 50 МГц в начале 1990-х годов, до 400 МГц в конце 2000-х. Пропускная способность шины менялась с 400 Мбит/с до 12800 Мбит/с.

Шина FSB использовалась в процессорах типа Celeron, Pentium, Core 2 до 2008 года. На данный момент вытеснена шинами QPI и Hyper Transport.

HyperTransport

HyperTransport (HT) — это универсальная двунаправленная последовательно/параллельная компьютерная шина типа точка-точка с высокой пропускной способностью и малыми задержками. Рабочая частота от 200 МГц до 3,2 ГГц. Ширина шины, от 2-х до 32 бит. 32-битная шина в двунаправленном режиме способна обеспечить пропускную способность до 51 200 Мбайт/с.

HP является разработкой AMD. Конкурент AMD - компания Intel - купила права на использование HyperTransport, так как некоторые технологии передачи в их собственных шинах могли идти вразрез с патентами конкурента.

HyperTransport может использоваться

• для связи процессора с северным мостом;
• для соединения ядер процессора между собой;
• в специализированном сетевом и телекоммуникационном оборудовании, а именно – применяется в качестве внутренней шины в маршрутизаторах и коммутаторах Cisco;
• для связи между микросхемами чипсета.

В отличии от многих технологий, разделяющих шину между устройствами в технологии HyperTransport каждое устройство получает свой собственный канал ввода-вывода.

По способу передачи данных HyperTransport является последовательной. Скорость передачи (как и у любой шины) зависит от ширины шины и частоты её функционирования. Максимальная частота определяется версией шины. Разрядность шины может быть 2, 4, 8, 16, или 32 бита в каждом направлении. При инициализации присоединенные устройства (получая свой канал ввода/вывода) автоматически распознают разрядность шины.

Hyper Transport использует технологию удвоенной скорости передачи данных (double data rate), передавая два бита информации за один такт и увеличивая, таким образом, скорость передачи данных.

HyperTransport может работать в двух режимах: Posted и Non—Posted. Режим Posted передает пакет данных требуемому устройству, обеспечивая максимальную скорость передачи данных. Режим Non—Posted подразумевает не только передачу данных устройству, но и получение подтверждения о успешной записи. Скорость работы при этом понижается, но исключает возникновение ошибок передачи. Режим Non—Posted используется преимущественно в серверных, научных, высокоточных машинах.

HyperTransport, кроме передачи самих данных, может использоваться для передачи прерывания, служебных, системных и конфигурационных сообщений. А также поддерживает энергосберегающие режимы.

На физическом уровне HyperTransport несовместима ни с одной из существующих шин. Для соединения HyperTransport с существующими шинами созданы специальные мосты, преобразующие сигналы. Таким образом, HyperTransport взаимодействовать с PCI-Express, AGP, PCI, PCI-X, IEEE-1394, USB 2.0, Gigabit Ethernet, и т.д.

Периферийные шины

На ранних этапах развития персональных компьютеров каждому внешнему подключаемому устройству предназначался свой разъем:

· LPT – принтер, сканнер

· COM – мышь, модем, джойстик

• PS/2 – клавиатура

Соответственно, каждому разъему требовался свой контроллер на материнской плате; и место для физического подключения, что было нерационально как с архитектурных позиций, так и по причинам физического подключения устройств.

Ситуация изменилась с появлением универсального интерфейса внешних устройств - Universal Serial Bus.

USB Universal Serial Bus

Универсальная шина USB разрабатывалась в 1995 году и появилась в 1996 году.

USB – последовательный интерфейс, реализованный на четырёхпроводном кабеле: два провода используются для приёма и передачи данных, два провода — для питания периферийного устройства.

В первой версии USB 1.0 существовал в двух вариантах:

• в низкоскоростном варианте скорость - 1.5 Мб/с, максимальная длина кабеля - 3 метра.
• в высокоскоростном варианте скорость -12 Мб/с, максимальная длина кабеля - 5 метров.

Интерфейс USB соединяет так называемое хост-устройство (host) и другое устройство.

Хост – это устройство, которое обладает полноценным портом USB и специальным программным обеспечением (в частности, драйверами),позволяющими осуществлять работу с подключаемыми USB-устройствами.

В качестве хоста выступает USB-контроллер, который, как правило, интегрирован в микросхему южного моста, но может быть реализован в отдельном корпусе.

К одному порту USB можно подключать несколько устройств; для этого используются специальные устройства-разветвители - хабы (hub, кабельный концентратор). Точки подключения называются портами хаба. Возможно соединение нескольких хабов. Таким образом, USB-шина имеет древовидную топологию, концентратор самого верхнего уровня называется корневым (root hub). Он встроен в USB-контроллер и подключен непосредственно к хосту.

В интерфейсе USB используется термин "функция" для подключаемых USB-устройств, выполняющих какую-либо специфическую функцию. Примерами функций являются USB- мыши, планшеты, световое перо, клавиатура, сканер, принтер, звуковые колонки и т.д.

Иначе говоря - USB функции - устройства, передающие или принимающие информацию по шине. Каждая функция при подключении предоставляет свою конфигурационную информацию (возможности устройства и требования к ресурсам). В начале работы функция должна быть сконфигурирована хостом: ей выделяется полоса в канале.

Классически функции представляют собой отдельные устройства с кабелем, подключаемым к порту хаба. Но физически в одном корпусе может быть несколько функций со встроенным хабом.

Кабели USB имеют физически разные наконечники:«к устройству» (Тип B) и «к хосту» (Тип A). Существуют USB-устройства без кабеля, они имеют встроенный в корпус наконечником «к хосту». А манипулятор «мышь» имеет неразъёмное встраивание кабеля в устройство.

Данные интерфейса USB передаются в виде пакетов.

Несомненными преимуществами USB перед существующими на тот момент интерфейсами внешних устройств было:

• Горячее подключение устройств, подразумевающее, что новое USB устройство может быть подключено к включенному компьютеру в любой момент времени, и это не нарушает работу системы (стоит принять во внимание, что данное утверждение не было справедливым для прочих существующих на тот момент устройств и интерфейсом);
• При обнаружении устройства компьютер автоматически опрашивает его для получения информации о его возможностях и требованиях;
• Драйвер подключенного USB устройства загружается автоматически при подключении; при отключении - драйвер автоматически выгружается;
• USB устройство не использует джемперов, не вызывает конфликтов прерываний;
• USB хабы позволяют подключать к одной шине большое количество устройств (до 127 устройств);
• низкая стоимость USB устройств.

Несмотря на весь предоставляемый USB функционал с 1996 по 1999 годы этот интерфейс не пользовался особой популярностью: выпускались ПК с портами USB, к которым нечего было подключать. Выпускавшиеся в эти же года USB манипуляторы типа мышь, клавиатура, джойстик проигрывали по качеству работы манипуляторам, работавшим по порту PS/2 и Game Port. Кроме того эти манипуляторы не работали в MS-DOS. (http://www.softelectro.ru/usb.html)

Популярность UBS интерфейс получил в 1999 году в связи с разработкой первого USB флеш-накопителя (объёмом 8Мб).

В 2000 году разрабатывается USB 2.0 обеспечивающий скорость соединения 480 Мбит/с и полную преемственность с устройствами USB 1.0.

USB 3.0 или USB Super Speed появился в 2008 году и принес следующие нововведения:

• Пять дополнительных контактов, четыре из которых обеспечивают дополнительные линии связи;
• Увеличение максимальной пропускной способности с 480 МБит/с до 5 Гбит/с; на практике реальная скорость составляет порядка ~3Гбит/cек;
• Увеличение максимального тока с 500 мА до 900 мА;
• Хаб USB 3.0 организует индивидуальный виртуальный канал до каждого устройства, а не транслирует все передаваемые данные всем подключенным к контроллеру устройствам, следовательно хаб USB 3.0 по сути свитчем (switch).

Недостаток USB 3.0 - снижение максимальной длины SuperSpeed кабеля до 3 метров.

В 2013 году вышел SuperSpeed USB 10Gbps (USB 3.1 Gen 2) со скоростью до 10 Гбит/с. На практике первая реализация USB 3.1 показала эффективную скорость передачи 7.2 Гбит/с.

FireWire

Практически одновременно с USB разрабатывался интерфейс внешних устройств FireWire, иное название - шина IEEE 1394 или i-Link.

FireWire был выпущен раньше, чем USB - в 1995 году. И уже на момент появления имел ряд преимуществ перед USB.

• Имел скорость на два порядка превосходящую USB -400 Мбит/сек против 12 Мбит/сек у USB. FireWire поддерживал различные скорости передачи данных — 100, 200 и 400 Мбит/с в стандарте IEEE 1394/1394a. В дальнейшем скорость была увеличена дополнительно 800 и 1600 Мбит/с в стандарте IEEE 1394b и 3200 Мбит/с в спецификации S3200.
• В силу специфики архитектуры меньше нагружал процессор компьютера

Помимо перечисленных качеств FireWire также характеризовался:

• Горячим подключением устройств без потери передаваемых данных.
• Гибкой топологией, которая автоматически создавалась при подключении новых устройств; при этом не требовалось централизованное управление: узлы равноправны и обращаются друг к другу напрямую.
• Допускалась одновременная передача информации на разных скоростях между разными устройствами.
• Передача данных в синхронном режиме и асинхронном.
• Было реализовано автоматическое конфигурирование устройств (аналогично Plug&Play для Windows).
• Поддерживалась открытая архитектура — отсутствие необходимости использования специального программного обеспечения.
• Позволял подключать до 63 устройств.
• Обеспечивал подачу электропитания на периферийное устройство (что позволяла маломощным устройствам обходиться без собственных блоков питания): до 1,5 А и напряжение от 8 до 40 вольт.

Механизм соединения был следующий:

• При отсоединении или подключении к шине нового оборудования происходит полный сброс шины
• По завершении сброса начинается построение нового логического дерева: каждое устройство определяет, что к нему подсоединено; выстраивается обновленная иерархия шины
• Все устройства делятся по отношению к друг другу на родительские и дочерние; одно из них выбирается основным («корневым»).
• Корневое устройство до следующего сброса шины играет роль арбитра.

Процесс выстраивания дерева занимал десятые доли секунды.

Шину IEEE 1394 предполагалось использовать для:

• создания компьютерной сети: сетевая технология Ethernet до 1995 года обеспечивала скорость до 10 Мбит/сек, после 1995 года Fast Ethernet позволил передавать на скорости 100 Мбит/сек; сети исходно обеспечивали до 400 Мбит/сек, проигрывая только в размере сети (длина кабеля имела ограничения в 4,5 метра);
• подключения аудио- и видео­устройств: одним из основных применений была высокоскоростная передача с видеокамер;
• подключения принтеров и сканеров;
• подключения жёстких дисков, массивов RAID.

Примерно в 1998 году содружество компаний (в том числе Microsoft), внедряли идею обязательного включения FireWire в любой выпускаемый компьютер. Существовали даже карты контроллеров с одним разъёмом, направленным вовнутрь корпуса.

Таким образом, FireWire позиционировался как универсальный внешний интерфейс, пригодный как для работы с мультимедиа, так и для работы с накопителями данных, и прочими периферийными устройствами. По своим возможностям FireWire мог заменить и PATA, и USB.

В 2008 году ассоциация IEEE 1394 анонсировала новый стандарт S3200, рассчитанный на скорость 3,2 Гбит/с c длиной кабеля до 100 м.

Но, хотя часть оборудования (особенно ноутбуки), выпускаемого до 2010 года, были оснащены портом FireWIre, данный интерфейс не получил всестороннего признания, и в настоящее время практически не используется. Одной из главных причин была лицензионная политика компании Apple, требующей выплат за каждый чип контроллера.

Взаимодействие устройств. Шины. Интерфейсы ввода/вывода

Самые первые ЭВМ для управления имели большие пульты, терминалы. В настоящее время существует всем известный ряд устройств ввода информации (клавиатура, мышь, сканер, джойстик, сенсорный экран) и устройств вывода информации (монитор, принтер). Помимо названного оборудования практически любое устройство оснащено интерфейсами, позволяющими соединить его с другими устройствами: USB, FireWire, Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth.

Каждое из названных устройств и интерфейсов проходит свой путь эволюции, но общая тенденция увеличения скорости обработки информации свойственна практически всем устройствам.

Если проанализировать приблизительные скорости работы современных устройств, то можно получить следующие числовые значения:

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: