Об их видах и типах

Персональный компьютер, начиная с первой своей вариации, обладал средствами связи с окружающим его миром, а точнее с невстроенными в корпус самого системного блока устройствами (клавиатура и мышка, к примеру), различной перифирийной техникой (всех ее представителей можно перечислять не поддающееся никакому счету количество времени, поэтому сейчам ограничусь упоминанием лишь принтера, сканера, ну и, допустим, колонок, микрофона и веб-камеры) и, естественно, с другими компьютерами. В этой статье я расскажу о всех более или менее известных интерфейсах, помогающих компьютеру обмениваться информацией с нужной техникой.

Заглянем в ваши документы

Наидревнейший из рассматриваемых нами сегодня - COM-порт, первая часть названия которого является сокращением английского слова communication. На заре своего существования COM-порт выпускался в вариации "DIN-8", имевшей 8 контактных штырьков и "DB-31", а позднее стали выпускаться 25-штырьковая "DB-25" и 9-штырьковая "DB-9", причем последяя получила наибольшее из своих предшественниц распространение. Максимальная скорость передачи данных по последовательному порту составляет 115 кб/с. Когда-то давно посредством COM-порта к компьютеру подключались почти все устройства, в том числе сканеры, модемы и мыши. В настоящее время данный порт вытеснен (не только из использования, но и с "бортов" некоторых материнских плат) такими преемниками современной IT-индустрии, как USB и FireWire. О них ниже. У меня, к примеру, до сих пор где-то пылиться COM"овский модем. С помощью порта, с названия которого начинается этот абзац, можно также соединить между собой два ПК. Для этого применяется специальный кабель, называемый нуль-модемным.

Далее речь пойдет об LPT-порте, первая часть названия которого есть ни что иное, как аббревиатура из трех английский слов - line printer transfer. Текущий предмет нашего разговора также именуется как параллельный. Он является однонаправленным, то есть данные передаются только от компьютера к устройству. Однонаправленным, да не совсем. Дело в том, что из 25 контактов 8 отводятся непосредственно для передачи данных, а 4 - для получения информации о состоянии устройства. LPT-порт может работать в одном из следующих режимов:

• Standart Parallel Port (SPP). Стандартный, как следует из названия, режим работы параллельного порта; Следующие вариации расширяют функциональность параллельного порта:
• Nibble Mode. Режим, позволяющий работать LPT-порту в дуплексном (от ПК к устройству и наоборот) и одновременно SPP способе работы;
• Byte Mode. Очень малораспространенный режим передачи данных по параллельному порту;
• Enhanced Parallel Port (EPP). Добавленный функционал обеспечивает двунаправленность и скорость передачи данных, равную 2 мб/с;
• Extended Cababilities Port (ECP). Появилась возможность аппаратного сжатия данных, использования режима DMA, добавлен буфер;

Помимо принтеров к LPT-порту можно подключать сканеры и прочее оборудование, системы телесигнализации и телеуправления, а также другие компьютеры по топологии "Звезда", применяя селектор.

Порты шины USB впервые были обнаружены в составе компьютера в 1996 году и до настоящего времени успели достаточно широко эволюционировать, нарастив несколько ответвлений от первоначального стандарта. На сегодняшний день существуют четыре версии данной шины.

Первая, самая древняя, получила индекс "1.1". USB 1.1 ограничена длиной соединительного кабеля в 5 м, но при такой длине скорость обмена данными ощутимо падает, а при 3-х метровом кабеле составляет 12 Мб/с. К шине можно подключить до 127 устройств, сделав это посредством концентраторов (которые также считаются устройствами). USB (любой версии) кабель состоит из двук пар проводов, по одной из которых передаются данные, а на вторую подается напряжение величиной в 5 V, поэтому маломощные USB-устройства могут запитываться прямо от шины. При этом необходимость в использовании отдельного адаптера питания отпадает.

Следующей версией стала USB 2.0, отличающаяся от предшественницы незначительными изменениями в протоколе передачи данных, а также увеличенной предельной скоростью. У данного интерфейса есть способность передачи данных на трех различных скоростных режимах: Low-Speed, 10 - 1500 кб/с (подойдет для устройств вроде мышей или клавиатур), Full-Speed, 0,5 -12 Мб/с (предназначена для органиизации связи с аудио- и видеоаппаратурой) и Hi-Speed, 25-480 Мб/с (ориентирована на подключение внешних дисковых накопителей).

Еще один тип универсальной последовательной шины - USB On-The-Go (или OTG), разработанный для создания связи между двумя какими-либо устройства без использования ПК. Типичный пример применения USB OTG - соединение по USB принтера и цифровой фотокамеры. Возможно, у вас возник вопрос: "Почему нельзя сделать то же самое с помощью "простой" USB?". Объясняю. Спецификация интерфейса USB подразумевает, что первое (в качестве него выступает ПК) из двух устройств, учавствующих в передаче данных, берет себе статус "Master" ("Главный"), а второму остается стать "Slave" ("Раб"). По все той же спецификации любое устройство, не являющееся компьютером, носит статус "Slave", то есть, вернемся к нашему примеру, принтер и ЦФК (будучи оба "слейвами") никак не смогут общаться. А вот спецификация On-The-Go позволяет стать "мастером" не только ПК, но и вообще любому устройству и дать ему возможность с легкостью совершить обмен данными с другим устройством, становящимся "Рабом" (OTG позволяет им "договориться", кто кем будет).

И последний на данный момент интерфейс - USB Wireless. Он, как следует из названия, беспроводной. В спецификации сказано, что Wireless обеспечивает 480 Мб/с на расстоянии 3 м и 110 Мб/с на 10 м. В любом конкретном случае скорость может быть и ниже - не известно, сквозь какие стены придется пройти сигналу.

Следущим после USB свет увидел стандарт IEEE 1394, также называемый FireWire. Изначально шина предназначалась для передачи видеопотока, но благодаря своим прекрасным скоростным характеристикам была облюбована производителями всевозможных устройств. Firewire превосходит USB по некоторым параметрам, а именно по длине соединительного кабеля (но только при использовании оптоволоконного) и скорости соединения (опять-таки при использовании оптоволокна). Рассмотрим характеристики IEEE 1394: занимающий немного пространства узкий соединительный провод, способный передавать не только данные, но и запитывать подключенное на другом конце устройство; вся подключенная аппаратура равноправна (то есть никаких тебе "Master", никаких тебе "Slave", что, безусловно, упрощает участь пользователя), поэтому строительство сети любой топологии не является очень сложной задачей; шину можно конфигурировать, что называется, в реальном времени, то есть для вступления изменений в силу выключать компьютер не требуется (а попробуйте-ка тоже самое сделать скажем, с COM-портом: можете спалите не только подключенное к нему устройство, но и сам порт); ну и, наконец, одновременно к одному Firewire можно подключить до 63 устройств. Как я уже сказал, максимальная скорость передачи данных достигается при использовании оптоволоконного кабеля: пласстмассовый может быть длиной не более 50 м, стеклянный - достигать 100 м. Метраж обычного провода не должен превышать 4,5 м. Интерфейс Firewire IEEE 1394a способен достигать 100, 200 или 400 Мб/с, а IEEE 1394b (Firewire 800 и Firewire 1600) 800 кб/с и 1600 кб/с. И в завершение разговора об интерфейсе Firewire скажу пару слов о видах разъемов (то есть гнезда и штекера). Они бывают трех видов: 4-контактные (это IEEE 1394a, только без подачи питания), 6-контактный (IEEE 1394a) и 9-контактный (IEEE 1394b)

Компьютерная ши́на (от англ. computer bus, bidirectional universal switch — двунаправленный универсальный коммутатор) — в архитектуре компьютера подсистема, которая передаёт данные между функциональными блоками компьютера. Обычно шина управляется драйвером. В отличие от связи точка-точка, к шине можно подключить несколько устройств по одному набору проводников. Каждая шина определяет свой набор коннекторов (соединений) для физического подключения устройств, карт и кабелей.

 Современные компьютерные шины используют как параллельные, так и последовательные соединения и могут иметь параллельные (multidrop) и цепные (daisy chain) топологии. В случае USB и некоторых других шин могут также использоваться хабы (концентраторы).

История

Первое поколение

Ранние компьютерные шины были группой проводников, подключающей компьютерную память и периферию к процессору. Почти всегда для памяти и периферии использовались разные шины, с разным способом доступа, задержками, протоколами.

Одним из первых усовершенствований стало использование прерываний. До их внедрения компьютеры выполняли операции ввода-вывода в цикле ожидания готовности периферийного устройства. Это было бесполезной тратой времени для программ, которые могли делать другие задачи. Также, если программа пыталась выполнить другие задачи, она могла проверить состояние устройства слишком поздно и потерять данные. Поэтому инженеры дали возможность периферии прерывать процессор. Прерывания имели приоритет, так как процессор может выполнять только код для одного прерывания в один момент времени, а также некоторые устройства требовали меньших задержек, чем другие.

Первые миникомпьютерные шины представляли пассивные объединительные платы, подключенные к контактам микропроцессора. Память и другие устройства подключались к шине с использованием тех же контактов адреса и данных, что и процессор. Все контакты были подключены параллельно. В некоторых случаях, например в IBM PC, необходимы дополнительные инструкции процессора для генерации сигналов, чтобы шина была настоящей шиной ввода-вывода.

Во многих микроконтроллерах и встраиваемых системах шины ввода-вывода до сих пор не существует. Процесс передачи контролируется ЦПУ, который в большинстве случаев читает и пишет информацию в устройства, так, как будто они являются блоками памяти. Все устройства используют общий источник тактового сигнала. Периферия может запросить обработку информации путём подачи сигналов на специальные контакты ЦПУ, используя какие-либо формы прерываний. Например, контроллер жёсткого диска уведомит процессор о готовности новой порции данных для чтения, после чего процессор должен считать их из области памяти, соответствующей контроллеру. Почти все ранние компьютеры были построены по таким принципам, начиная от Altair с шиной S-100, заканчивая IBM PC в 1980‑х.

Второе поколение

Компьютерные шины «второго поколения», например NuBus решали некоторые из вышеперечисленных проблем. Они обычно разделяли компьютер на две «части», процессор и память в одной и различные устройства в другой. Между частями устанавливался специальный контроллер шин (bus controller). Такая архитектура позволила увеличивать скорость процессора без влияния на шину, разгрузить процессор от задач управления шиной. При помощи контроллера устройства на шине могли взаимодействовать друг с другом без вмешательства центрального процессора. Новые шины имели лучшую производительность, но также требовали более сложных карт расширения. Проблемы скорости часто решались увеличением разрядности шины данных, с 8-ми битных шин первого поколения до 16 или 32-х битных шин во втором поколении. Также появилась программная настройка устройств для упрощения подключения новых устройств, ныне стандартизованная как Plug-n-play.

Увеличивающееся число внешних устройств стало применять собственные шины. Когда были изобретены приводы дисков, они присоединялись к машине при помощи карты, подключаемой к шине. Из-за этого компьютеры имели много слотов расширения. Но в 1980‑х и 1990‑х были изобретены новые шины SCSI и IDE решившие эту проблему и оставив большую часть разъёмов расширения в новых системах пустыми. В наше время типичная машина поддерживает около пяти различных шин.

Шины стали разделять на внутренние (local bus) и внешние (external bus). Первые разработаны для подключения внутренних устройств, таких как видеоадаптеры и звуковые платы, а вторые предназначались для подключения внешних устройств, например, сканеров. IDE является внешней шиной по своему предназначению, но почти всегда используется внутри компьютера.

Третье поколение

Шины «третьего поколения» обычно позволяют использовать как большие скорости, необходимые для памяти, видеокарт и межпроцессорного взаимодействия, так и небольшие при работе с медленными устройствами, например, приводами дисков. Также они стремятся к большей гибкости в терминах физических подключений, позволяя использовать себя и как внутренние и как внешние шины, например для объединения компьютеров. Это приводит к сложным проблемам при удовлетворении различных требований, так что большая часть работ по данным шинам связана с программным обеспечением, а не с самой аппаратурой. В общем, шины третьего поколения больше похожи на компьютерные сети, чем на изначальные идеи шин, с большими накладными расходами, чем у ранних систем. Также они позволяют использовать шину нескольким устройствам одновременно.

Примеры внутренних компьютерных шин

Параллельные

• Проприетарная ASUS Media Bus, использовалась на некоторых материнских платах ASUS с Socket 7 и представляла собой шину ISA в специфическом разьеме, размещенном в одну линию с разьемом шины PCI.
• CAMAC для измерительных систем (instrumentation systems)
• VESA Local Bus или VLB или VL-bus, использовалась в основном на материнских платах для 80486 процессоров и была подключена непосредственно к выводам микропроцессора. Однако встречалась и реализация этой шины в сочетании с ЦПУ IBM BL3 (аналог i386SX) и ранними Pentium
• VMEbus, VERSAmodule Eurocard bus
• STD Bus для 8-ми и 16-ти битных микропроцессорных систем
• Unibus
• Q-Bus

• 1-Wire
• HyperTransport
• I²C
• PCI Express или PCIe
• Serial Peripheral Interface Bus или шина SPI
• USB, Universal Serial Bus, чаще используется как внешняя
• FireWire, i.Link, IEEE 1394, чаще используется как внешняя

• Advanced Technology Attachment или ATA (также известна, как PATA, IDE, EIDE, ATAPI) — шина для подключения дисковой и ленточной периферии.
• SATA, Serial ATA — современный вариант ATA
• USB, Universal Serial Bus, используется для множества внешних устройств
• HIPPI HIgh Performance Parallel Interface
• IEEE-488, GPIB (General-Purpose Instrumentation Bus), HPIB, (Hewlett-Packard Instrumentation Bus)

Примеры универсальных компьютерных шин

• Futurebus
• InfiniBand
• QuickRing
• SCI