Компьютерные шины

     2.3 Интерфейсы дисковых устройств SCSI

     Системный интерфейс малых ЭВМ SCSI (Small Computer System Interface) регламентирован стандартом IEC 9316, который унифицирует основные уровни для базовых типов периферийных устройств, главным образом различных накопителей типа магнитных дисков. Физически 8-битный интерфейс SCSI представляет собой шину, состоящую из 25 сигнальных цепей. Для обеспечения помехозащищенности каждая сигнальная цепь имеет свой отдельный обратный провод. По типу сигналов различают линейные (Single Ended) и дифференциальные (Differential) версии SCSI. Дифференциальная версия для каждой цепи использует пару проводников, по которым передается парафазный сигнал. Здесь используются специальные дифференциальные приемо-передатчики, что позволяет значительно увеличить суммарную длину кабеля (25 м при 5 МГц). Дифференциальный интерфейс применяется в мощных дисковых системах серверов, но в обычных PC не распространен. В интерфейсе используется логическая адресация всех блоков данных, используется контроль четности и синхронная передача данных. Кроме того, в стандарте определены расширенные команды для устройств прямого доступа, постоянные команды для всех типов устройств, уникальные команды для жестких дисков, оптических дисков и процессоров. Максимальное число подключенных устройств — 8 (в новой версии стандарта — 15). Каждое устройство идентифицируется соответствующим разрядом, размещаемым на линии данных. Максимальная скорость передачи данных в первых версиях стандарта составляла всего лишь 4 Мбайт/с при длине кабеля до 6 м и использовании обычных приемопередатчиков (до 25 м при применении дифференциальных приемопередатчиков). Устойчивая работа шины возможна только при применении специальных согласующих устройств — терминаторов. Они предназначены для «подтягивания» уровня сигналов линий к высокому потенциалу (лог. «0» данных и пассивное состояние управляющих сигналов). Терминаторы служат и для предотвращения отражения сигналов от концов кабеля. SCSI является одной из старых периферийных шин, используемых (с доработками) и поныне. Спецификация стандарта несколько раз пересматривалась в сторону увеличения скоростей обмена. Такие известные фирмы, как, например, LSI Logic и QLogic производят целую серию контроллерных чипов, обслуживающих эту шину.

     IDE

     У интерфейса SCSI, первоначально единственного  интерфейса для жестких дисков, появились  конкуренты. С появлением и развитием  сетевых технологий возникла необходимость в совершенствовании управления процессами обмена на магистрали между жестким диском и основной платой. Результатом изменившихся требований стало появление IDE-устройств. Интерфейс появился в результате переноса контроллера жесткого диска поближе к самому накопителю, то есть он возник в процессе создания устройств со встроенным контроллером — IDE (Integrated Device Electronic). Так в компьютере появились два типа дисковых накопителей — с интерфейсом SCSI и UltraDMA/ATA. Правда, время немного разделило сферы применения старых и новых дисковых протоколов, но борьба продолжается и исход ее пока неясен. SCSI-диски прекрасно справляются с профильными для них «серверными» нагрузками, а IDE-диски в RAID-массивах отлично проявляют себя при работе с линейным чтением-записью. Очевидно, что и те и другие диски имеют свои преимущества и недостатки. Диски с интерфейсом SCSI надежны, быстры, но дороги. К тому же для работы им требуется сравнительно дорогой контроллер. Диски IDE имеют подчас громадную емкость, и стоимость хранения 1 Мбайта данных на этих дисках намного меньше, чем на SCSI-дисках. Но, к сожалению, диски IDE менее надежны, и поэтому для создания отказоустойчивой дисковой подсистемы их приходится объединять в RAID-массивы.

     Ultra DMA/33/66

     Появление очередного стандарта на IDE-интерфейс  вызвано острой необходимостью —  жесткие диски со скоростью вращения шпинделя 7200 об/мин начали выпускаться в заметных объемах, и ожидалось увеличение скорости до 10000 об/мин. (За этими цифрами скрывается скорость доступа к данным, размещенным на диске. Как правило, чем выше скорость вращения, тем меньше время доступа.) Главное отличие нового стандарта — увеличенная скорость обмена. Поскольку длительность каждого сигнала соответственно уменьшается, то резко возрастает угроза влияния высокочастотных помех на сигналы интерфейса. Уже при разработке стандарта UltraDMA/33 был применен метод CRC (Cyclical Redundancy Check — циклический контроль с избыточным кодом) и данные тем самым контролировались по всей цепи их прохождения. CRC сохранился в качестве метода контроля целостности данных в UltraDMA/66, но, с целью повышения помехоустойчивости, пришлось изменить конструкцию кабеля. Реально скорость обмена 66 Mбайт/с будет достигаться только при работе с буфером жесткого диска, считывание данных с диска происходит на меньших скоростях.

     Ultra ATA/100

     В начале 2000 года появились первые сообщения об очередном развитии IDE-интерфейса — Ultra ATA/100. В июне того же года фирма Intel выпустила первый контроллер, поддерживающий новый вариант интерфейса. Он в принципе мало чем отличается от своих предшественников, предназначавшихся для работы с интерфейсом UltraDMA/66. Внутренняя частота синхронизации контроллера устанавливается равной 133 MГц. Есть одно важное обстоятельство: поскольку сигналы записи на диск формируются контроллером, а сигналы чтения с диска собственно диском, то существует различие в частоте сигналов записи и чтения. В результате чтение диска выполняется со скоростью 100 Mбайт/с, в то время как запись только со скоростью 88,9 Mбайт/с. Несимметричность интерфейса, пожалуй, главная особенность нового варианта IDE.

     Способ  физической реализации интерфейса наложил особые требования на скорость передачи и способы синхронизации. Для бескабельных интерфейсов в качестве линий связи используются проводники печатной платы, которые могут быть достаточно легко разведены в различных слоях. Их взаимовлияние, а также воздействие внешних помех на сигналы в линиях связи может быть сведено к минимуму. С точки зрения обыкновенного здравого смысла, параллельный интерфейс всегда быстрее и значительно проще (и следовательно, предпочтительнее), чем последовательный, так как за один период тактового сигнала шины передаются сразу 8, 16, 32 или 64 бит данных. Это наблюдение, бесспорно правильное для бескабельных шин, таких, например, как PCI или AGP, не вполне подходит для кабельных. Дело в том, что при прохождении сигналов по параллельной шине вместе с повышением тактовой частоты растет уровень наводок сигналов шины друг на друга. Вместе с этим снижается защищенность шины от влияния, оказываемого источниками внешних помех на качество передаваемых сигналов. А источников много как в самом компьютере, так и за его пределами и их воздействие сказывается на надежности передачи данных. Возможностей же компенсации помех в кабельной шине меньше, чем в печатной. Повышение частоты синхронизации, скорости обмена и разрядности данных в параллельных кабельных шинах ограничивается допустимым уровнем шума на линиях связи, длиной кабеля, наличием узлов подавления отраженных сигналов. Разработчики параллельных интерфейсов, конечно, принимают меры для снижения ущерба от наводок, но без специальных схем и методов борьбы с шумами дальнейшее развитие кабельных интерфейсов невозможно. Может быть, развитие технологии LVDS поможет сохранению и развитию этой группы шин.

     2.4 Краткая характеристика шины USB

     Популярность  этой сравнительно новой шины растет с каждым днем, что, вероятно, объясняется хорошими скоростными параметрами, простотой установки устройств, удобством «горячего» подключения, невысокой стоимостью, повсеместной поддержкой в компьютерных ОС — все эти плюсы хорошо известны и довольно весомы. Первая версия стандарта шины USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) появилась 15 января 1996 года. В англоязычном варианте его изложение занимает около 300 страниц, а второй версии (USB 2.0) — превышает 650 (в формате pdf). Понятно, что пытаться изложить столь серьезные документы в журнальной статье невозможно. Поэтому ограничимся лишь самой общей характеристикой интерфейса. В начале своего существования шина USB 1.0 предназначалась для подключения только низкоскоростных устройств с небольшой скоростью передачи данных. В режиме низкой скорости к шине предполагалось подключать клавиатуры, мыши и джойстики; матричные принтеры и дигитайзеры; цифровые модемы для обычных телефонных линий и фотокамеры.

     Возможности USB следуют из ее технических характеристик:

     Максимальная  скорость обмена 12 Mбит/с.

     Максимальная  длина кабеля для высокой скорости обмена ~ 5 м.

     Низкая  скорость обмена 1,5 Mбит/с.

     Максимальная  длина кабеля для низкой скорости обмена ~ 3 м.

     Максимальное  количество подключенных устройств — 127.

     Возможно  подключение устройств с различными скоростями обмена.

     Отсутствие  необходимости в установке пользователем  дополнительных элементов, таких, как  терминаторы для SCSI.

     Напряжение  питания для периферийных устройств — 5 В.

     Максимальный  ток потребления на одно устройство — 500 мA (не следует думать, что через USB можно запитать устройства с общим  током потребления 127[500 мA = 63,5 A).

     Наличие двух невысоких скоростей обмена данными ограничивало применяемость  шины, но зато существенно уменьшало количество линий интерфейса и упрощало аппаратную реализацию. С течением времени оказалось, что некоторые свойства, заложенные в спецификации шины, на практике применяются очень редко, другие — требуют ревизии. Так, например, возможность горячей замены периферийного компьютерного оборудования пользователем практически не применяется, так как обновление оборудования — дело нечастое, хотя и удобное. Но вот существовавшие ограничения скорости передачи данных определенно мешали широкому распространению шины. Обнаружившиеся неудобства привели не к гибели стандарта, как можно было предположить, а к появлению его новой редакции — USB 2.0, скорость передачи данных в которой увеличена в десятки раз. Теперь стало возможным подключать электронику с максимальной скоростью обмена до 480 Мбит/с, что позволяет выполнять передачу видеоданных по USB и делает ее прямым конкурентом IEEE-1394 (FireWire). Новая редакция интерфейса предполагает преемственность и возможность подключения к шине ранее разработанных устройств.

     Стандарт  предполагает, что только одно из устройств, подключенных к шине, может быть главным (хостом). Остальные же для  передачи данных друг другу должны сначала переслать их к хосту, а лишь затем эти данные могут  быть переданы к третьему устройству. Хостом мог быть только компьютер. Такое требование не допускало прямой обмен данными между сравнительно простыми устройствами и ограничивало сферу применения стандарта. В результате в 2001 году появилось еще одно изменение стандарта, точнее, его дополнение — USB OTG. Оно разрешало выполнять непосредственный обмен между двумя устройствами без участия в нем компьютера. Теперь допустимы соединения по типу «точка-точка». Стало возможным соединить напрямую, например, принтер и цифровую фотокамеру или МР3-проигрыватель и мобильный телефон. По-прежнему в процессе участвует ведущий и ведомый. Но при работе с компьютером правила остаются прежними. Тот же ведущий в стандартном режиме может выполнять роль только ведомого, то есть устройство становится способным, в зависимости от ситуации, выступать в разных качествах. Те, которые к этому неспособны, остаются только ведомыми.

     Чтобы различать компоненты сети USB по типам, устройства, способные быть ведущими, оснащаются разъемом типа «miniАВ», а  ведомые — «miniB». Соединительный кабель допускает только один вариант соединения в сеть и определяет, кто именно будет в сети ведущим.

     В режиме высокой скорости к шине могут  быть подключены: ISDN-модемы, звуковые колонки (с цифровым входом и встроенным ЦАП), внешние накопители класса Iomega Zip, офисные АТС, лазерные и струйные принтеры, а также сложное измерительное оборудование, перерабатывающее большие объемы данных и требующее высоких скоростей обмена. Сегодня шина USB является, пожалуй, наиболее перспективным стандартом с позиции подключения сложных пользовательских электронных устройств к компьютеру 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     4 КОНЕЦ ЭПОХИ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ШИН ДАННЫХ 

     PCI Express заменила шину PCI, исправно работающую в компьютерной технике. Шина Peripheral Components Interconnect (PCI) в свое время пришла на смену «первому поколению» — шине Industrial Standard Architecture (ISA). Однако на сей раз изменения при переходе на новый стандарт куда большие, чем при переходе от ISA к PCI — они в PCI Express носят не столько количественный, сколько качественный характер и в целом их можно охарактеризовать как «переход от параллельных шин к последовательным», что является сейчас общеиндустриальной тенденцией развития шин передачи данных

     В то время, как процессоры уже не первый год и вполне успешно движутся в направлении параллельных архитектур (SIMD-расширения, суперскалярность, конвейеризация, Hyper-Treading и многоядерность), шины передачи данных не менее успешно переходят на последовательные решения. Причины обоих явлений схожи и довольно просты — необходимо сбалансировано наращивать производительность всех компонентов компьютеров, однако не всякие существующие архитектурные решения способны эффективно масшабироваться.

     Пожалуй, по процессу перехода на последовательные шины несложно проследить основные вехи развития полупроводниковой промышленности. Первыми на последовательную передачу перешли интерфейсы подключения мыши и клавиатуры — высоких скоростей там все равно не требовалось, а схемотехника заметно упростилась. Следующий виток эволюции можно связать с сетевыми решениями — провести параллельную линию данных высокого качества на большое расстояние невозможно, и все технологии передачи данных на большое расстояние были последовательными с самого начала. По мере совершенствования электроники на одном и том же кабеле удавалось получить 1 Мбит/с, 10 Мбит/с, 100 Мбит, а впоследствии и 1–10 Гбит/с. Традиционные параллельные COM и LPT в 1996 потеснил USB, вначале «низкоскоростной» (6 МГц, 12 Мбит/с), а затем и достаточно быстрый Hi-Speed USB (480 Мбит/с, 1999 год). Следующим покачнулся бастион уже сравнительно высокопроизводительных шин — на смену UltraATA/133 пришел чуть более производительный Serial ATA, уже успевший получить к сегодняшнему дню вторую версию. Практически синхронно на последовательную шину переходит один из древнейших интерфейсов — SCSI, наследником которого стал Serial Attached SCSI (SAS),  Шина PCI была очевидным кандидатом на звание «очередной жертвы прогресса» и инициативу Intel легко было предугадать.

     Кстати, помимо PCI в современной компьютерной системе осталось, по большому счету, лишь две параллельных шины — процессорная и шина памяти. С переводом в первой «последовательный вариант» впереди идет AMD с ее удачным HyperTransport (строго говоря — более быстрая параллельная процессорная шина спрятана в сам кристалл процессора, а наружу выходит последовательная шина HyperTransport для связи процессора с «внешним миром»). Вторую же пробовала перевести на новые рельсы компания Rambus. Конечно, надо понимать что в обоих случаях шины не «чисто последовательные» однобитной ширины, а более широкие — от 8 до 16 и даже 32 бит, что, впрочем, не сильно меняет дело — шина возможна и однобитная, просто скорость будет при этом недостаточно высока. Главное — данные передаются в виде пакетов и логический уровень передачи данных четко отделен от физического уровня.