Интерфейсы ПК: смесь авангарда и ретро

Заметки о legacy-портах, а также о USB 1.1/2.0, IEEE-1394 и других

Николай Прокофьев

Классические внешние интерфейсы: последовательный и параллельный

Интерфейсы нового поколения — IEEE-1394 (FireWire) и USB

Интерфейсы подключения внутренних устройств и жестких дисков

Переходный период у интерфейсов персонального компьютера затянулся. Он длится уже не один, не два и даже не три года, а на «шоковую терапию» никто не решается. Стратегия интерфейсной «бархатной революции» привела к тому, что сегодня на системных платах наблюдается чудовищное нагромождение прогрессивных и морально устаревших интерфейсных решений. Некоторые из до сих пор используемых интерфейсов унаследованы персональными компьютерами от своих «праотцев» — мини-ЭВМ, которые были в ходу задолго до появления IBM PC XT/AT. Именно поэтому часть используемых в современных ПК интерфейсов вдвое старше их самих. Как могла образоваться такая смесь и чем вызвано такое неадекватное «долгожительство»?

В настоящее время каждый компьютер имеет множество встроенных интерфейсов для подключения периферийных устройств. В этом списке можно отметить последовательные и параллельный порты, разъемы клавиатуры и мыши и др. При этом некоторые из них созданы десятилетия назад и не отвечают современным требованиям производительности, простоты настройки и стабильности (бесконфликтности). Однако даже самый критикуемый интерфейс не может быть «плохим» в общефилософском смысле. Каждый интерфейс создавался под определенные задачи и, как правило, прекрасно с ними справлялся. Недостатки устаревшего (или legacy — от англ. «унаследованный») интерфейса начинают проявляться лишь при попытках выйти за рамки его круга задач. Если все работает хорошо и достаточно быстро, то зачем же воду мутить? Скажем, параллельный порт не зря в обиходе называют принтерным. Он и не обязан демонстрировать чудеса производительности при работе со скоростными внешними накопителями — это не его епархия. Кому нужна скорость обмена — пусть устанавливает интерфейсную карту с контроллером USB 2.0 или FireWire.

Да и вообще, на сегодняшний день полноценных систем legacy-free (то есть без устаревших интерфейсов) в розничной продаже почти не встретишь. Они пока обитают только на выставках и лабораториях ведущих производителей. Процесс понятный. По большей части он объясняется моральной неподготовленностью пользователей списать в утиль свое периферийное оборудование. И, как следствие, неготовностью производителей оборудования надежно перекрыть кислород legacy-системам. Очевидно, что до тех пор, пока абсолютно весь перечень периферийного оборудования не будет обладать поддержкой USB, ни о каком массовом отказе пользователей от привычных интерфейсов не может быть и речи. Кроме того, крайне важно, чтобы новомодные устройства работали по крайней мере не хуже своих предшественников.

Классические внешние интерфейсы: последовательный и параллельный

На самом деле уже с середины 80-х стало очевидно, что унаследованные персональными системами последовательный (RS-232С) и параллельный (Centronics) порты не обеспечивают достаточную для подключения периферии скорость, за исключением простейших устройств типа мыши, принтера и других, нечувствительных к полосе пропускания. В результате развития принятой в 1969 году спецификации появились стандарты RS-422/485, использующие балансный метод передачи и увеличенное за счет этого предельное расстояние передачи с 25 до 1100 м. Развитие технологий параллельного интерфейса привело к принятию стандарта IEEE-1284 (ECP/EPP), поддерживающего значительно большую скорость передачи данных и использующего буферизацию данных. Кроме того, ECP-режим позволял в случае поддержки устройством упаковки-распаковки данных по алгоритму RLE осуществлять передачу данных со сжатием «на лету», что давало возможность увеличить в 2-50 раз фактическую скорость передачи данных. Параллельный порт с режимом ECP использовался в основном для подключения принтеров и сканеров. Однако все эти улучшения носили, скорее, косметический характер и упирались в глухую стену ограниченного количества устройств на порт по схеме «одно устройство на каждый порт». Это ограничение, а также приемлемость ширины полос пропускания для существующих тогда задач привели к появлению большого количества внешних устройств со своими контроллерами (как правило, ISA, реже PCI), позволяющими обойти указанные ограничения. Но это тоже не было выходом из ситуации. Кардинальный выход напрашивался только один — разработка с нуля нового интерфейса подключения периферийных устройств, поддерживающего Plug-and-Play, большее количество устройств на порт и их «горячее» подключение.

Однако, несмотря на все указанные недостатки, последовательный (COM) и параллельный (LPT) интерфейсы целое десятилетие верно несли свою службу. И ограничение «один порт — одно устройство» не вызывало резкого раздражения, поскольку для нужд обычного пользователя двух последовательных и одного параллельного интерфейсов хватало с запасом. К тому же появление интерфейса PS/2 позволило освободить один последовательный порт для подключения дополнительного устройства.

Интерфейсы нового поколения — IEEE-1394 (FireWire) и USB

В 1986 году компания Apple развернула работы по созданию нового интерфейса, и в 1990 году выпустила первое техническое описание шины FireWire (IEEE-1394). К моменту принятия стандарта предельная скорость передачи данных по шине достигла 400 Мбит/с. Основным преимуществом нового интерфейса стала возможность (впервые в области) в реальном масштабе времени передать видеоряд высокого разрешения, о чем ранее без использования специальных весьма дорогостоящих интерфейсных карт даже мечтать не приходилось. Для сравнения в табл. 1 приведены ширины полос пропускания для наиболее распространенных интерфейсов.

Шина FireWire (IEEE –1394) способна самостоятельно обеспечивать питанием подключаемые устройства (напряжение до 40 В при токе до 1,5 А) и позволяет производить их горячее подключение. Используемый разъем имеет 6 контактов: две витые пары для передачи данных и питание. Для устройств с собственным блоком питания (например, видеокамер) возможно применение 4-контактного разъема. Теоретически возможно подключение до 63 устройств на единственный порт с максимальным количеством промежуточных узлов между взаимодействующими устройствами, равным 16, что неизбежно накладывает дополнительные ограничения на топологию подключения. Передача данных в IEEE-1394 может происходить как в асинхронном, так и в синхронном режиме с заданной гарантированной скоростью передачи данных для каждого устройства (при условии невыхода суммарной скорости за пределы полосы пропускания шины), что важно для передачи данных в реальном масштабе времени. На практике это означает, что всегда можно зарезервировать «коридор» (например, между компьютером и видеокамерой), который останется в полном распоряжении пользователя независимо от уровня нагрузки на шину со стороны остальных устройств. Если устройство должно работать в синхронном режиме, оно резервирует для себя определенное место в кадре данных (длина кадра равна 125 мс). Для этого рабочий квант времени передачи делится на зарезервированные участки, и «незаказанные» участки используются для менее приоритетной асинхронной передачи. Интерфейс FireWire уже несколько лет применяется как в профессиональных, так и в бытовых цифровых видео/телекамерах, магнитофонах и фотоаппаратах. Существует и гигабитный вариант IEEE-1394.2, в котором используется оптоволоконный соединительный кабель.

Несмотря на очевидные преимущества нового интерфейса, поддержка FireWire впервые появилась в составе операционной системы (естественно, это была Mac OS) только в апреле 1997 года (сравнительные характеристики даны в табл. 2). Этого события давно ожидали производители разнообразных плат расширения, предназначенных главным образом для подключения цифровых видеокамер — других FireWire-устройств в это время практически не существовало. Массовое появление периферии с интерфейсом FireWire началось в 1999 году, когда он стал стандартным компонентом всех профессиональных компьютеров Power Macintosh G3 и G4, а с осени — потребительских систем iMac DV. Компьютеры iMac DV имеют два внешних 6-контактных FireWire-разъема (питание устройств мощностью до 6 Вт), а профессиональные станции Power Mac G4 — целых три (питание устройств мощностью до 15 Вт), один из которых — внутренний. Следуя давней традиции, Apple не указывает компанию — производителя контроллеров для своих систем, хотя известно, что более 90% современного рынка FireWire-чипсетов принадлежит компании Texas Instruments. А поскольку доля Apple среди поставщиков FireWire-компьютеров более чем весома (уже продано несколько миллионов таких систем), «вычислить» таинственного поставщика несложно.

Стандарт USB — ныне главный и единственный конкурент шины FireWire — относительно молод. Однако это не помешало ему существенно потеснить своего противника на рынке периферийных устройств, не посягая только на специфический (и относительно небольшой) сегмент устройств, для которых возможность резервирования полосы пропускания является жизненно необходимой. Спецификация периферийной шины USB разработана лидерами компьютерной и телекоммуникационной промышленности — Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC — для подключения компьютерной периферии вне корпуса машины по стандарту Plug-and-Play. В результате отпадает необходимость в установке дополнительных плат в слоты расширения и переконфигурировании системы. Персональные компьютеры, имеющие шину USB, позволяют подключать периферийные устройства и осуществлять их автоматическое конфигурирование сразу же после физического подключения устройства к машине. При этом нет необходимости перезагружать или выключать компьютер, а также запускать программы установки и конфигурирования. USB-кабель содержит 4 проводника: две витые пары, питание 5 В и общий провод. Таким образом, устройства разделяют одну сигнальную линию. Для коррекции одиночных ошибок на линии используется циклический CRC-код. Помимо общего канала шириной в 12 Мбит/с в USB имеется так называемый подканал шириной в 1,5 Мбит/с для медленных устройств, таких как клавиатура, мышь, джойстик, перо и т.д. Это позволяет снизить стоимость медленных USB-портов в этих устройствах, поскольку более высокая скорость для таких устройств не нужна. Шина USB позволяет одновременно подключать последовательно до 127 устройств, или концентраторов (то есть устройств, через каждое из которых подключается еще несколько). К таким устройствам относятся: телефоны, модемы, клавиатуры, мыши, устройства чтения CD-ROM, джойстики, ленточные и дисковые накопители, сканеры и принтеры. Пропускная способность в 12 Мбит/с позволяет подключать через USB все современные периферийные устройства, включая аппаратуру для обработки видеоданных формата MPEG-2, перчатки для управления виртуальными объектами и дигитайзеры. Кроме того, ввиду ожидающегося большого роста в области интеграции компьютеров и телефонии шина USB может выступать в качестве интерфейса для подключения устройств цифровой сети с интегрированными услугами (ISDN) и цифровых устройств Private Branch eXchange (PBX), позволяющих подключать большое количество телефонов к небольшому количеству линий связи.

USB версии 2.0 обладает значительно большей пропускной способностью (до 480 Мбит/с). Для совместимости с USB 1.1 новый порт способен работать в нескольких режимах. При подключении только высокоскоростных устройств шина работает в режиме USB 2.0, а если подключено устройство, не способное работать на такой скорости, шина снижает рабочую частоту до приемлемой для данного устройства. Несмотря на некоторую «вялость» нашего рынка, на западе USB с успехом заменяет и последовательный RS-232C-порт, и параллельный IEEE 1284. Удобство универсальной шины очевидно. Благодаря USB большое разнообразие портов на задней стенке нашего персонального компьютера скоро уйдет в прошлое.

В целях создания режима максимального благоприятствования появлению новых USB-устройств разработчики стандарта предприняли беспрецедентный ход. Использование USB свободно от авторского гонорара, то есть создатели спецификации разрешают всем желающим разрабатывать на ее основе продукцию без какой-либо платы за это. Разработчики спецификации шины подписали соглашение об отсутствии всякого судебного преследования по любому включенному в соглашение пункту в пределах спецификации. Обратный договор является копией этого соглашения с возможностью для любого, кто внедряет шину USB, подписать этот договор и вернуть его в администрацию USB-IF для внесения записи о том, что соглашение прочитано и понято. Обратный договор доступен каждому (членам USB-IF или нет) для разъяснения лицензионного соглашения на USB. Это привело к настоящему буму USB-устройств.

Необходимо отдавать себе отчет в том, что до широкого внедрения USB 2.0 при внедренных контроллерах USB1.1 ограничивать скорость обмена персонального компьютера с внешним миром жалкими полутора мегабайтами в секунду не представляется ни разумным, ни оправданным. Поэтому придется немного подождать — хотя бы до лета. Ближе к лету появятся коммерчески доступные платы с поддержкой USB 2.0 ( «сырые» экземпляры, хотя и редко, встречаются в продаже уже сейчас). Однако ряд компаний уже представили периферийные устройства, совместимые со стандартом USB 2.0. Но это не значит, что через год можно будет выкинуть наши заслуженные «многопортовые» материнские платы, купить новую, поддерживающую только USB-интерфейс, и полноценно работать. Задуматься об этом нам придется еще не очень скоро. Это вызвано прежде всего высокой стоимостью нового оборудования. Но со временем цены станут вполне приемлемыми и приобретение системы legacy-free (то есть системы, не использующей для подключения периферийных устройств интерфейсов, отличных от USB) станет вполне реальным. С другой стороны, намечающаяся тенденция перевода всех устройств на USB может привести к отмиранию привычных нам с вами слотов расширения ISA/PCI. Это приведет к миниатюризации персональных компьютеров до размеров современных ноутбуков. Во что превратятся нынешние ноутбуки — предсказывать не возьмусь, но полагаю, что через 5-8 лет никого не удастся удивить ноутбуком размером с современный мобильный телефон, реализующим функции стенографиста и управляемым голосом. Очевидно пока одно: интерфейс USB после долгих лет подготовки позволил осуществить давнюю мечту пользователей о горячем подключении периферийного оборудования, причем сделал это легко, элегантно и с минимальными финансовыми затратами для пользователей. Фактически затрат и не потребовалось — просто в конфигурацию компьютера была включена поддержка нового интерфейса на тех же правах, что и интерфейса ATA. В дальнейшем скорость передачи данных через этот интерфейс будет расти, а вместе с тем будет расширяться и список подключаемых устройств. А затем наступит такой момент, когда, глядя на заднюю крышку компьютера, мы не увидим никаких других разъемов, кроме USB. И это будет конец истории интерфейсов, унаследованных нами от самой первой IBM PC XT и ее предшественников.

Интерфейсы подключения внутренних устройств и жестких дисков

Ровно восемь лет назад в моем доме появился первый компьютер (486DX2-66 с 1х CD-приводом, подключаемым через интерфейсную карту). Уже тогда для подключения жестких дисков использовался интерфейс АТА, а также интерфейсы ISA и VESA-local bus для подключения внутренних устройств. Прошло восемь лет. Интерфейс ISA практически в неизмененном виде присутствует в миллионах компьютеров. Попытка улучшения шины ISA (VESA Local Bus) благополучно провалилась. 32-разрядная шина PCI (существует и 64-разрядная модификация) с успехом заняла заслуженное место в качестве основной шины подключения внутренних устройств. Последние годы соотношение слотов расширения ISA к PCI неуклонно изменялось в пользу последних, и ряд новейших моделей материнских плат уже не имеет слотов ISA.

Интерфейс подключения жестких дисков АТА за прошедшие годы постепенно развивался, обеспечивая все большие скорости передачи данных и позволяя подключать все больший набор устройств. Первая версия стандарта АТА была утверждена в 1994 году национальным комитетом по стандартам информационных технологий (NCITS). Стандарт ATA-1 определял 16-битный шинный интерфейс для обмена информацией между винчестерами и контроллерами на системной шине. Он позволил привести существовавшие к тому времени на рынке IDE винчестеры к взаимной совместимости. Тем, кто имел с ними дело еще в начале 90-х, памятны случаи невозможности совместной работы двух винчестеров от разных производителей. Появление единого официального стандарта решило проблемы с несовместимостью различных моделей. Последняя версия интерфейса АТА-6 была принята менее года назад и поддерживается большинством новых материнских плат.

КомпьютерПресс 5'2001