Лекция: Универсальные последовательные периферийные шины

USB (Universal Serial Bus) — универсальная последовательная шина, предназначенная для периферийных устройств.

Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. Для высокоскоростных устройств лучше применять FireWire.

USB-кабель представляет собой две витые пары: по одной паре происходит передача данных в каждом направлении (дифференциальное включение), а другая пара используется для питания периферийного устройства (+5 В). Благодаря встроенным линиям питания, USB позволяет применять устройства без собственного блока питания.

К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств через цепочку концентраторов (они используют топологию «звезда»).

История Стандарт разработали семь компаний: Compaq, Digital Equipment, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Летом 1996 появились первые ПК с портами USB.

Технические характеристики

На самом деле хотя и в теории скорость USB 2.0 может достигать 480Мбит/с, устройства типа жёстких дисков и вообще любых носителей информации в реальности никогда не достигают такой скорости обмена по шине, хотя и могут развивать её.

USB 3.0 — пиковая пропускная способность составляет 4,8 Гбит/с.

IEEE 1394 (FireWire, i-Link) — последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами.

Компания Apple продвигает стандарт под торговой маркой FireWire. Компания Sony — под торговой маркой i.LINK.

История: в 1986г. члены Microcomputer Standards Committee (Комитет по Стандартам Микрокомпьютеров) приняли решение объединить существовавшие в то время различные варианты последовательной шины (Serial Bus).

В 1992 г. разработкой занялась Apple, в 1995 г. был принят стандарт IEEE 1394.

Преимущества

— Цифровой интерфейс — позволяет передавать данные между цифровыми устройствами без потерь информации

— Небольшой размер — тонкий кабель заменяет груду громоздких проводов

— Простота виспользовании — отсутствие терминаторов, идентификаторов устройств или предварительной установки

— Горячее подключение —переконфигурирование шины без выключения ПК

— Небольшая стоимость для конечных пользователей

— Различная скорость передачи— 100, 200, 400 Мбит/с (800, 1600Мбит/с IEEE 1394b)

— Гибкая топология — равноправие устройств, различные конфигурации

— Высокая скорость — обработка мультимедиа-сигнала в реальном времени

— Открытая архитектура — отсутствие необходимости использования специального программного обеспечения

— Наличие питания прямо на шине (маломощные устройства могут обходиться без собственных блоков питания). До полутора ампер и напряжение от 8 до 40 вольт.

— Подключение до 63 устройств.

Шина IEEE 1394может использоваться с:

— Компьютерами

— Аудио и видео мультимедийными устройствами

— Принтерами и сканерами

— Жёсткими дисками, массивами RAID

— Цифровыми видеокамерами и видеомагнитофонами

Организация уcтройств IEEE 1394 – по 3 уровневой схеме – Transaction, Link и Physical, соответствующие трем нижним уровням модели OSI.

Transaction Layer — маршрутизация потоков данных с поддержкой асинхронного протокола записи-чтения. Link Layer — формирует пакеты данных и обеспечивает их доставку. Physical Layer — преобразование цифровой информации в аналоговую для передачи и наоборот, контроль уровня сигнала на шине, управление доступом к шине.

Связь между шиной PCI и Transaction Layer осуществляет Bus Manager. Он назначает вид устройств на шине, номера и типы логических каналов, обнаруживает ошибки.

Данные передаются кадрами длиной 125 мксек. В кадре размещаются временные слоты для каналов. Возможен синхронный и асинхронный режимы работы. Каждый канал может занимать один или несколько временных слотов. Для передачи данных устройство-передатчик просит предоставить синхронный канал требуемой пропускной способности. Если в передаваемом кадре есть требуемое количество временных слотов для данного канала, поступает утвердительный ответ и канал предоставляется.

IEEE 1394a первоначально позиционировался для передачи видеопотоков. Пришёлся по нраву производителям внешних накопителей, обеспечивая высокую пропускную способность для высокоскоростных дисков. Сегодня многие системные платы, а так же почти все современные модели ноутбуков поддерживают этот интерфейс.

Скорость передачи данных — 100, 200 и 400 Мбит/с, длина кабеля до 4,5 м.

IEEE 1394b появляются новые скорости — 800 и 1600 мегабит в сек (возможно 3200 Мбит/сек), увеличивается максимальная длина кабеля до 50, 70 и даже до 100 метров.

Изменились используемые кабели и разъёмы. В 1394b могут применяться даже простые UTP кабели 5 категории, но только на скоростях до 100 Мбит/сек. Для достижения максимальных скоростей на максимальных расстояниях предусмотрено использование оптики (fiber optics), пластмассовой — до 50 м, стеклянной — до 100 м.

Разъёмы FireWire

Существуют три вида разъёмов для FireWire:

Ø 4pin (IEEE 1394a без питания) стоит на ноутбуках и видеокамерах. Два провода для передачи сигнала (информации) и два для приема.

Ø 6pin (IEEE 1394a). Дополнительно два провода для питания.

Ø 9pin (IEEE 1394b). Дополнительные провода для приема и передачи информации.

PCMCIA (середина 90-х) — спецификация на модули расширения, разработана ассоциацией Personal Computer Memory Card International Association. Широко используются в ноутбуках, модули расширения, изготовленные в соответствии с этой спецификацией обычно называются «PC-карты» (PC Card).

Две PC Card типа II. Более толстая карта (красная карта Xircom справа) имеет

размеры, соответствующие карте типа III

Первоначально спецификация PCMCIA разрабатывалась для стандартизации карт расширения памяти и интерфейса для подключения этих карт. Со временем спецификация был доработана и стало возможно использовать PCMCIA для подключения всевозможных периферийных устройств. Через интерфейс PCMCIA подключают сетевые карты, модемы и НЖМД.

В прошлом большинство ноутбуков оснащалось двумя слотами для карт типа II, что позволяло подключить к ноутбуку либо две карты типа II, либо одну карту типа III. По мере того, как из ноутбуков исчезали «старые» медленные интерфейсы ввода-вывода (RS-232, LPT-порт), и нормальным явлением стали встроенные высокопроизводительные интерфейсы (USB, IEEE1394, Ethernet), надобность в PCMCIA стала отпадать и большинство современных ноутбуков оснащается лишь одним слотом типа II.

Типы карт. Все карты PC card имеют размер 85,6 х 54 мм.

Карты типа I (Type I), оснащёны 16-разрядным интерфейсом, использовались только для расширения памяти. Толщина 3,3 мм и разъём с одним рядом контактов.

Карты типа II (Type II) оснащаются 16- и 32-разрядным интерфейсом; два ряда контактов. Толщина 5 мм. Поддерживают устройства ввода-вывода, что позволяет использовать их для подключения периферийных устройств.

Карты типа III поддерживают 16- или 32-разрядный интерфейс, используют четыре ряда контактов. Эти карты имеют толщину 10,5 мм, что позволяет устанавливать на карту стандартные разъёмы внешних интерфейсов и избавиться таким образом от дополнительных кабелей. Например, в карту-модем высотой 10,5 мм можно встроить полноценный телефонный разъём RJ-11, что позволяет подключать её к телефонной сети стандартным кабелем.

Шина CardBus введена в спецификации PCMCIA версии 5.0. Эти 32-разрядные карты PCMCIA были представлены в феврале 1995 г. и стали появляться в ноутбуках начиная с конца 1997 года. Шина CardBus логически и электрически представляет собой полноценную 32-разрядную шину PCI, работающую на частоте 33 МГц, а механические размеры и разъёмы позаимствованы у шины PCMCIA. Устройства CardBus могут поддерживать ПДП, что позволяет устройствам CardBus вести информационный обмен с другими периферийными устройствами или с ОЗУ без использования ЦПУ.

Потомки и наследники PC Card

Интерфейс PCMCIA породил целое поколение карт для хранения информации, использовавших flash-память, которые пытались улучшить характеристика PCMCIA карт типа I: CompactFlash, Miniature Card и SmartMedia. Например, электрическая часть спецификации CompactFlash позаимствована из спецификации PCMCIA, что позволяет подключать карты CompactFlash к шине PCMCIA с помощью простейшего переходника, единственная задача которого — согласовать разъёмы.

Ассоциацией PCMCIA подготовлен новый стандарт, призванный заменить PC card: ExpressCard. Карты расширения стандарта ExpressCard имеют меньший размер, чем PC card, а для подключения периферийных устройств в ExpressCard используются шины PCI Express и USB 2.0.