Шины материнской платы, порты персональных компьютеров

Последующие модификации к спецификации USB публикуются в рамках Извещений об инженерных изменениях (англ. Engineering Change Notices — ECN). Самые важные из модификаций ECN представлены в наборе спецификаций USB 2.0 (англ. USB 2.0 specification package, доступном на сайте USB Implementers Forum.

• Mini-B Connector ECN: извещение выпущено в октябре 2000 года.
• Errata, начиная с декабря 2000: извещение выпущено в декабре 2000 года.
• Pull-up/Pull-down Resistors ECN: извещение выпущено в мае 2002 года.
• Errata, начиная с мая 2002: извещение выпущено в мае 2002 года.
• Interface Associations ECN: извещение выпущено в мае 2003 года.
• Были добавлены новые стандарты, позволяющие ассоциировать множество интерфейсов с одной функцией устройства.
• Rounded Chamfer ECN: извещение выпущено в октябре 2003 года.
• Unicode ECN: извещение выпущено в феврале 2005 года.
• Данное ECN специфицирует, что строки закодированы с использованием UTF-16LE.
• Inter-Chip USB Supplement: извещение выпущено в марте 2006 года.
• On-The-Go Supplement 1.3: извещение выпущено в декабре 2006 года.
• USB On-The-Go делает возможным связь двух USB-устройств друг с другом без отдельного USB-хоста. На практике одно из устройств играет роль хоста для другого.

USB 3.0 находится на финальных  стадиях разработки. Созданием USB 3.0 занимаются компании: Intel, Microsoft, Hewlett-Packard, Texas Instruments, NEC и NXP Semiconductors. В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели обновлённого стандарта будут физически и функционально совместимы с USB 2.0. Кабель USB 2.0 содержит в себе четыре линии — пару для приёма/передачи данных, одну — для питания и ещё одну — для заземления. В дополнение к ним USB 3.0 добавляет пять новых линий (в результате чего кабель стал гораздо толще), однако новые контакты расположены параллельно по отношению к старым на другом контактном ряду. Теперь можно будет с лёгкостью определить принадлежность кабеля к той или иной версии стандарта, просто взглянув на его разъём. Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 4,8 Гбит/с — что на порядок больше 480 Мбит/с, которые может обеспечить USB 2.0. USB 3.0 может похвастаться не только более высокой скоростью передачи информации, но и увеличенной силой тока с 500 мА до 900 мА. Отныне пользователь сможет не только подпитывать от одного хаба гораздо большее количество устройств, но и само аппаратное обеспечение, ранее поставлявшееся с отдельными блоками питания, избавится от них.

Финальная спецификация USB 3.0 появилась в 2008 году, а оборудование, поддерживающее новую спецификацию, появится в 2009—2010 годах.

Спецификация 1.0 регламентировала два  типа разъёмов: A — на стороне контроллера или концентратора USB и B — на стороне периферийного устройства. Впоследствии были разработаны миниатюрные разъёмы для применения USB в переносных и мобильных устройствах, получившие название Mini-USB. Новая версия миниатюрных разъёмов, называемых Micro-USB, была представлена USB Implementers Forum 4 января 2007 года.

Размеры разъёмов: USB Тип A — 4x12 мм, USB Тип B — 7x8 мм, USB mini A и USB mini B — 2x7 мм.

Существуют также разъёмы типа Mini-AB и Micro-AB с которыми соединяются соответствующие коннекторы как типа A, так и типа B.

В отличие от многих других стандартных  типов разъёмов, для USB характерны долговечность и механическая прочность.

Сигналы USB передаются по двум проводам четырёхпроводного кабеля.

Хотя пиковая пропускная способность USB 2.0 составляет 480 Мбит/с (60 Мбайт/с), на практике обеспечить пропускную способность, близкую к пиковой, не удаётся. Это  объясняется достаточно большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, шина FireWire хотя и обладает меньшей пиковой пропускной способностью 400 Мбит/с, что на 80 Мбит/с меньше, чем у USB 2.0, в реальности позволяет обеспечить большую пропускную способность для обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4. IEEE 1394

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

• Горячее подключение — возможность переконфигурировать шину без выключения компьютера
• Различная скорость передачи данных — 100, 200 и 400 Мбит/с (800, 1600, 3200 Мбит/с IEEE 1394b)
• Гибкая топология — равноправие устройств, допускающее различные конфигурации (возможность «общения» устройств без компьютера)
• Высокая скорость — возможность обработки мультимедиа-сигнала в реальном времени
• Поддержка изохронного трафика
• Поддержка атомарных операций — сравнение/обмен, атомарное увеличение (операции семейства LOCK — compare/swap, fetch/add и т. д.).
• 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 1394 может использоваться для:

• Создания компьютерной сети.
• Подключения аудио и видео мультимедийных устройств.
• Подключения Принтеров и сканеров.
• Подключения Жёстких дисков, массивов RAID.

Кабель представляет собой 2 витые  пары — А и B, распаянные как A к B, а на другой стороне кабеля как B к A. Также возможен необязательный проводник питания.

Устройство может иметь до 4 портов (разьемов). В одной топологии  может быть до 64 устройств. Максимальная длина пути в топологии — 16. Топология  древовидная, замкнутые петли не допускаются.

При присоединении и отсоединении устройства происходит сброс шины, после которого устройства самостоятельно выбирают из себя главное, пытаясь взвалить это «главенство» на соседа. После  определения главного устройства становится ясна логическая направленность каждого  отрезка кабеля — к главному или же от главного. После этого возможна раздача номеров устройствам. После раздачи номеров возможно исполнение обращений к устройствам.

Во время раздачи номеров  по шине идет трафик пакетов, каждый из которых содержит в себе количество портов на устройстве, а также ориентацию каждого порта — не подключен/к  главному/от главного, а также максимальную скорость каждой связи (2 порта и  отрезок кабеля). Контроллер 1394 принимает  эти пакеты, после чего стек драйверов  строит карту топологии (связей между  устройствами) и скоростей (наихудшая  скорость на пути от контроллера до устройства).

Операции шины делятся на асинхронные  и изохронные.

Асинхронные операции — это запись/чтение 32-битного слова, блока слов, а  также атомарные операции. Асинхронные  операции используют 24-битные адреса в  пределах каждого устройства и 16-битные номера устройств (поддержка межшинных  мостов). Некоторые адреса зарезервированы  под главнейшие управляющие регистры устройств. Асихронные операции поддерживают двухфазное исполнение — запрос, промежуточный  ответ, потом позже окончательный  ответ.

Изохронные операции — это передача пакетов данных в ритме, строго приуроченном к ритму 8 КГц, задаваемому ведущим  устройством шины путем инициации  транзакций «запись в регистр  текущего времени». Вместо адресов  в изохронном трафике используются номера каналов от 0 до 31. Подтверждений  не предусмотрено, изохронные операции есть одностороннее вещание.

Изохронные операции требует выделения  изохронных ресурсов — номера канала и полосы пропускания. Это делается атомарной асинхронной транзакцией  на некие стандартные адреса одного из устройств шины, избранного как  «менеджер изохронных ресурсов».

Внешние дисковые устройства

Существует стандарт SBP-2 — SCSI поверх 1394. Широко используется для подключения внешних корпусов с жесткими дисками к компьютерам — корпус содержит чип моста 1394-ATA. Скорость до примерно 27 МБ/с, что превышает скорость USB 2 как интерфейса к устройствам хранения данных, равную примерно 22 МБ/с.

Поддерживается в ОС семейства Windows c Windows 98 и по сей день (декабрь 2008). Также поддерживается в популярных ОС семейства UNIX.

Интересно, что около 1998 г. содружество компаний, в том числе Microsoft, развивали идею обязательности 1394 для любого компьютера и использования 1394 внутри корпуса, а не только вне него. Существовали даже карты контроллеров с одним из разъемов, направленным внутрь корпуса. Также существовала идея Device Bay, то есть отсека для устройства со встроенным в отсек разъемом 1394 и поддержкой горячей замены.

Все это прослеживается в материалах Microsoft той поры, предназначенных  для разработчиков компьютеров. Можно сделать вывод, что 1394 предлагали как замену ATA, то есть на роль, ныне выполняемую SATA.

Все эти идеи быстро кончились провалом, одна из главных причин — лицензионная политика Apple, требующего выплат за каждый чип контроллера.

 MiniDV видеокамеры

Исторически первое использование  шины. Используется и по сей день как средство копирования фильмов  с MiniDV в файлы. Возможно и копирование с камеры на камеру.

Видеосигнал, идущий по 1394, идет практически  в том же формате, что и хранится на видеоленте. Это упрощает камеру, снижая требования к ней по наличию  памяти.

В ОС Windows подключенная по 1394 камера является устройством DirectShow. Захват видео с  такого устройства возможен в самых  разнообразных приложениях — Adobe Premiere, Ulead Media Studio Pro, Windows Movie Maker. Существует также огромное количество простейших утилит, способных выполнять только этот захват. Возможно также и использование тестового инструмента Filter Graph Editor из свободно распространяемого DirectShow SDK.

Использование 1394 c miniDV положило конец  проприетарным платам видеозахвата.

Нужно обратить внимание на то, что, несмотря на цифровую природу 1394 и miniDV, изохронный трафик не защищен от искажений никак, и в некоторых случаях качество захваченного видео зависит от геометрии  расположения кабеля на рабочем столе.

 Отладчик WinDbg

Интересным свойством контроллеров 1394 является способность читать и  писать произвольные адреса памяти со стороны шины без использования  процессора и ПО. Это проистекает  из богатого набора асинхронных транзакций 1394, а также из ее структуры адресации.

Эта возможность чтения и редактирования памяти через 1394 без помощи процессора послужила причиной использования 1394 в двухмашинном отладчике ядра Windows — WinDbg. Такое использование существенно быстрее последовательного порта, но требует ОС не ниже Windows XP с обеих сторон.

Устройства IEEE 1394 организованы по трехуровневой  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 мкс. В кадре размещаются временные  слоты для каналов. Возможен как  синхронный, так 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 1394

В конце 1995 года IEEE принял стандарт под порядковым номером 1394. В цифровых камерах Sony интерфейс IEEE 1394 появился раньше принятия стандарта и под названием iLink.

Интерфейс первоначально позиционировался для передачи видеопотоков, но пришёлся по нраву и производителям внешних накопителей, обеспечивая высокую пропускную способность для современных высокоскоростных дисков. Сегодня многие системные платы, а также почти все современные модели ноутбуков поддерживают этот интерфейс.

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

 IEEE 1394a

В 2000 году был утверждён стандарт IEEE 1394а. Был проведён ряд усовершенствований, что повысило совместимость устройств.

Было введено время ожидания 1/3 секунды на сброс шины, пока не закончится переходный процесс установки  надёжного подсоединения или  отсоединения устройства.

 IEEE 1394b

В 2002 году появляется стандарт IEEE 1394b c новыми скоростями: S800 — 800 Мбит/с и S1600 — 1600 Мбит/с. Соответствующие устройства обозначаются FireWire 800 или FireWire 1600, в зависимости от максимальной скорости.

Изменились используемые кабели и  разъёмы. Для достижения максимальных скоростей на максимальных расстояниях  предусмотрено использование оптики, пластмассовой — для длины до 50 метров, и стеклянной — для длин до 100 метров.

Несмотря на изменение разъёмов, стандарты остались совместимы, чего можно добиться, используя переходники.

12 декабря 2007 года была представлена спецификация S3200  c максимальной скоростью — 3,2 Гбит/с. Для обозначения данного режима используется также название «beta mode» (схема кодирования 8B10B). Максимальная длина кабеля может достигать 100 метров.