Последовательный порт (COM-порт) RS-232C

Обмен данными в соответствии со спецификацией протокола RS-232 происходит последовательно, методом асинхронной передачи. При этом каждому байту предшествует так называемый старт-бит (всегда имеющий значение логического «0»). Он сигнализирует приемнику о начале пакета. За ним следуют биты данных и (не всегда) бит четности. Завершает посылку стоп-бит, сигнализирующий о начале паузы между пакетами. Для асинхронного режима принято несколько стандартных скоростей обмена. Сегодня актуальными можно считать скорости 9600,19200, 38400, 57600 и 115200 бит/с. Тем самым эти скорости являются стандартными для последовательного порта компьютера, реализованного на интерфейсе RS-232C. Интерфейс использует несимметричные передатчики и приемники, то есть сигнал передается относительно общего провода, высокий уровень соответствует логическому «0», а низкий уровень - логической «1». В компьютерных системах применяют универсальные асинхронные приемопередатчики (UART - Universal Asynchronous Receiver-Transmitter). Микросхема UART обеспечивает поддержку буферов ввода-вывода (FIFO) емкостью по 16 байт, режим прямого доступа к памяти (DMA), все стандартные скорости обмена данными. Спецификацией АТХ предусмотрен разъем СОМ-порта на тыльной стороне системной платы. К последовательному порту могут быть подключены различные манипуляторы (мышь, трекбол), внешние модемы, печатающие устройства (принтеры, плоттеры), инфракрасные приемопередатчики, так называемый «нуль-модемный» кабель для соединения с другим компьютером, электронные ключи, измерительные приборы и т. д. Компьютер имеет четыре последовательных порта (COM1-COM4), каждой паре которых выделяется своя линия запроса прерывания. Для СОМ1/COM3 это линия IRQ 4, для COM2/COM4 - линия IRQ 3. Если к одному из портов подключена мышь, то линию запроса прерывания на нем переназначить нельзя, так как она жестко задана в драйвере устройства. Конфигурирование последовательных портов осуществляется на аппаратном уровне средствами BIOS системной платы, а на программном уровне - динамически, соответствующими приложениями. В период инициализации BIOS проверяет наличие портов по стандартным адресам и присваивает им логические имена (СОМ1-СОМ4). Затем обнаруженным портам назначаются линии запроса прерывания.

Параллельный порт (Интерфейс IEEE1284)

Спецификация IEEE1284 определяет параметры параллельного интерфейса обмена данными с внешними устройствами компьютера. Практически единственным широко распространенным внешним устройством с параллельным интерфейсом до последнего времени являлся принтер. Прочие компоненты (как-то: «электронные ключи», стримеры, сканеры, дисководы ZIP) на самом деле для IEEE1284 «неродные» и работают некорректно. В частности, «электронный ключ» на порту LPT легко эмулируется программными методами, а дисковод ZIP записывает так долго, что пользователь успевает состариться. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать параметры IEEE1284 применительно к принтерам. Однонаправленный параллельный интерфейс для подключения принтеров получил наименование Centronics. Он объединяет спецификацию на параметры сигналов, протоколы взаимодействия и применяемые разъемы. Интерфейс Centronics реализован на современных компьютерах как SPP (Standard Parallel Port - стандартный параллельный порт). Контроллер параллельного интерфейса поддерживает 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов. Обычно поддерживаются три 8-битных регистра в пространстве ввода-вывода и одна линия запроса прерывания. Схемотехника порта LPT базируется на TTL-логике. Скорость обмена не выше 150 Кбайт/с при значительной загрузке процессора. Очевидно, что для современных устройств печати такая скорость совершенно недостаточна. В 1994 г. был принят стандарт IEEE1284, определивший спецификацию портов SPP, ЕРР и ЕСР. Дополнительные режимы ЕРР (Enhanced Parallel Port - улучшенный параллельный порт) и ЕСР (Extended Capability Port - порт с расширенными возможностями) позволили ввести поддержку двунаправленного обмена с аппаратным сжатием данных, использованием буферов FIFO и каналов DMA. Параметры должны обеспечить пропускную способность до 2 Мбит/с при длине кабеля до 10м. Конфигурирование параллельного порта осуществляется средствами BIOS.

Порт PS/2

Названные в честь IBM PS/2 эти разъёмы сегодня широко используются в качестве стандартных интерфейсов для клавиатуры и мыши, но они постепенно уступают место USB.

В персональных компьютерах, начиная с AT, клавиатура подключается через разъем к специальному контроллеру (UPI-Universal Peripheral Interface) на системной плате. В самой клавиатуре имеется микроконтроллер, который соединен последовательным каналом с микросхемой универсального интерфейса периферийных устройств. Данные по каналу передаются пакетами по 11 бит, из которых 8 бит отведено под собственно данные, а остальные - под синхронизирующие и управляющие сигналы. Заметим, что последовательный интерфейс клавиатуры не совместим с последовательным интерфейсом RS-232C. Микросхема содержит собственную оперативную память и ПЗУ. Контроллер, установленный в клавиатуре, при нажатии на клавишу определяет координаты замкнутого контакта в матрице и передает контроллеру так называемый «скан-код». В свою очередь, контроллер преобразует поступивший скан-код и направляет его в процессор. Для этой операции монопольно используется линия запроса прерываний IRQ1. Интерфейс PS/2 отличается от AT только разъемом и контроллером, установленным на системной плате. Интерфейс PS/2 использует однополярный сигнал с уровнем +5 В. Передача данных происходит в синхронном режиме. Так как обычная мышь с последовательным интерфейсом RS-232C является асинхронной и для питания используется двуполярный сигнал, она не совместима с портом PS/2. Попытка подсоединить мышь RS-232C через переходник к порту PS/2 может привести к выходу ее из строя. Таким образом, через переходник к разъему PS/2 можно подключать только клавиатуру, а также те мыши RS-232, которые комплектуются специальным переходником.

Интерфейс IDE (ATA)

За долгую историю развития интерфейса IDE (Integtated Drive Electronics - электроника, интегрированная в накопитель) появилось множество обозначений его стандартов. Начнем с уже далеких 80-х годов, когда фирма IBM выпустила компьютер спецификации AT (Advanced Technology - передовая технология). Винчестер этого компьютера был подсоединен к 16-битной шине ISA и управлялся собственным контроллером. Крупнейший производитель жестких дисков фирма Western Digital предложила управляющую электронику встроить в сам винчестер. Согласованный стандарт на такой интерфейс получил название ATA (AT Attachment - подключение к AT) и обеспечил возможность модернизации путем простой замены (или добавления) жестких дисков. Чуть позднее появилось обозначение этого же интерфейса IDE. Ныне под аббревиатурой IDE часто подразумевают вообще все устройства, совместимые с интерфейсом ATА «сверху вниз»: Fast ATA, EIDE, Ultra ATА и прочие. Спецификация ATА определила, что к одному каналу можно подключать два устройства (Master и Slave). Установила режимы обмена данными РIO (0, 1, 2, 4, 5) и DMA (SW 0, 1. 2 и MW0).

Режим PIO (Programmed Input-Output - программный ввод-вывод) предусматривает участие центрального процессора в обмене данными между диском и оперативной памятью. В режиме DMA (Direct Memory Access - прямой доступ к памяти) устройство напрямую общается с системной памятью, перехватывая управление шиной. Протоколы SW (Single Word - однословный) и MW (Multi Word - многословный) определяют, в каком виде передаются данные. Номера режимов указывают на продолжительность цикла обмена и, тем самым, на скорость передачи данных (например, 1 - 240 нc, 2 - 180 нc). В сокращенном виде обычно это записывают так: SW2 DMA. MW1 DMA, PIO2 и т. д. Особенности 16-битной адресации шины ISA не позволяли поддерживать жесткие диски объемом свыше 528 Мбайт.

Интерфейс ATА не мог обеспечить подключения никаких других устройств, кроме жестких дисков. Между тем появились новые компоненты: дисководы CD-ROM, магнитооптика, стримеры, - каждый из которых оснащался собственным интерфейсом от производителя и обычно требовал подключения к слоту ISA уникальной карты расширения, несовместимой с другими устройствами. К тому же и скорость жестких дисков значительно выросла, и режимы, предусмотренные ATА, уже не удовлетворяли современным требованиям. Так появился стандарт на интерфейс ATА-2, который устанавливал более скоростные протоколы РIO (3 и 4), MW DMA (1 и 2), определял новый режим обмена данными Block transfer (передача блоками) и адресацию дискового пространства LBA (Logical Block Addressing - адресация логическими блоками). Кроме того, были расширены команды идентификации диска, выдающие информацию по системным запросам о характеристиках устройства. Как уже говорилось, интерфейс IDE/ATА даже в самых последних реализациях остается 16-битным. Шина же PCI, к которой подключены IDE-контроллеры чипсета материнской платы, является 32-разрядной. Поэтому контроллер составляет из двух переданных подряд 16-битных пакетов один 32-битный и пересылает его дальше по шине. Ясно, что даже в самом скоростном режиме 16-битный пакет, отправляемый с жесткого диска, тормозит работу системы. Именно поэтому для высокопроизводительных устройств предпочитают диски с интерфейсом SCSI. В 1997 г. был принят очередной стандарт АТА-3, фактически имевший, по сравнению с АТА-2, единственный новый элемент - так называемую технологию S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology - технология самотестирования и анализа). По режимам обмена данными АТА-3 полностью соответствует АТА-2. Существенным шагом вперед в развитии интерфейса стало появление протокола ATAPI (ATA Packet Interface - пакетный интерфейс АТА). Он обеспечивал подключение к каналу IDE компонентов, отличных от жестких дисков. При этом с точки зрения пользователя разницы в доступе к устройствам различного типа не было. Протокол АТАРI требует соответствующей поддержки со стороны BIOS, причем последние версии BIOS могут назначить любое устройство, присоединенное по протоколу ATAPI, загрузочным. Протокол вошел в новый стандарт ATA/ATAPI-4, утвержденный в 1998 г.

Протоколы обмена данными также пополнились новыми стандартами: режимом Ultra DMA mode 2 и режимом коррекции ошибок по контрольной сумме (CRC - Cyclic Redundancy Check). Кроме того, появились многозадачные режимы, то есть режимы параллельного выполнения команд и создания очередей двумя устройствами на одном канале IDE (правда, с существенными ограничениями). Жесткие диски ATA/ATAPI-4 выпускались под обозначением Ultra АТА-33. Достаточно стройную и целостную систему интерфейсов АТА, описанную выше, не преминули запутать конкурирующие между собой производители жестких дисков и других носителей информации. Для того чтобы выделить свою продукцию на рынке, они придумали собственные названия интерфейсов. Первой по этому пути пошла компания Seagate, придумавшая название Fast ATА. На самом деле ее продукт отличается от АТА-2 как раз отсутствием самых быстрых режимов обмена (РIO4 и MW2 DMA). Фирма Quantum «изобрела» название Fast АТА-2 для своего интерфейса, ничем не отличающегося по существу от стандарта АТА-2. Больше всех ситуацию запутала компания Western Digital, придумавшая обозначение EIDE (Enhanced IDE - улучшенный IDE). Этот термин и сейчас достаточно широко применяется в компьютерной индустрии. Если же попытаться определить отличия EIDE от АТА-2, то выясняются удивительные вещи. Оказывается, EIDE целиком включает все спецификации АТА-2 и протокола ATAPI. Таким образом, выражение «жесткий диск с интерфейсом EIDE» по смыслу равнозначно фразе «жесткий диск с интерфейсом АТА-2». Тогда чем же отличается EIDE? Дело в том, что WD придумала хост-адаптер Dual IDE/ATА, позволяющий использовать до четырех устройств. Однако такой адаптер никакого отношения к собственно стандарту на интерфейс IDE не имеет и является для любого компонента IDE/ATА внешним устройством, обеспечивающим обычное функционирование согласно стандартам.

В 1999 г. был принят стандарт ATA/ATAPI-5, а большинство производителей поддержали его реальными продуктами. Протокол Ultra АТА-66 нового стандарта оговаривал режим передачи данных со скоростью до 66 Мбайт/с (спецификация Ultra DMA mode 4). Для подключения таких дисков понадобились новые шлейфы (с чередованием сигнальных проводников и линий, замкнутых на «землю»), имеющие 80 проводников, совместимые, к счастью, с существующими 40-контактными разъемами IDE. Исследования, проводившиеся многими фирмами, позволили еще более расширить полосу пропускания устройств IDE, использующих новый 80-жильный шлейф. Так появилась спецификация АТА/ATAPI-6, определяющая требования к жестким дискам и интерфейсу с пиковой пропускной способностью до 100 Мбайт/с (режим Ultra DMA mode 5). В частности, предусмотрено увеличение LBA с 32 до 64 бит. Поддержка особых режимов передачи потокового видео, меры по уменьшению шумности дисков. Жесткие диски с интерфейсом АТА/ATAPI-6 сейчас представлены достаточно широко и обычно обозначаются продавцами как ATА-100. Возможности дальнейшего совершенствования параллельного интерфейса IDE, несмотря на появление жестких дисков UltraATA-133 практически исчерпаны и потому в качестве перспективного направления рассматривается последовательный интерфейс Serial АТА.

Официальная спецификация на Serial ATA появилась в 2002 году, а годом ранее были представлены первые жесткие диски с новым интерфейсом. Чипсеты на системных платах с поддержкой Serial ATA впервые увидели свет осенью 2002 года. Для прежних системных плат необходимо иметь отдельный контроллер, устанавливаемый в слот PCI, что означает ограничение производительности.

Главное отличие нового интерфейса состоит в принципиально ином - последовательном - способе обмена данными. Данные передаются по восьмижильному кабелю, уровень сигналов составляет 3,3 В. На сегодняшний день реализация интерфейса позволяет достичь пиковой пропускной способности 1,5 Гбит/с (примерно 187 Мбайт/с), однако разработчики обещают в ближайшем времени увеличить этот показатель вдвое. Таким образом, наконец-то полоса пропускания внешнего интерфейса будет соответствовать скорости внутренней передачи данных (между собственно диском и буфером) жестких дисков. Первой летом 2000 г. представила жесткий диск с интерфейсом Serial ATA фирма Seagate.

Развитие интерфейса IDE
Параметры	ATA	ATA-2	ATA-3	ATA/ATAPI-4	ATA/ATAPI-5	ATA/ATAPI-6
Режим работы	PIO 1	PIO 4, DMA 2	PIO 4, DMA 2	PIO 4, DMA 2, UDMA 2	PIO 4, DMA 2, UDMA 4	PIO 4, DMA 2, UDMA 5
Пропускная способность Мбайт/с
Число подключаемых устройств				2 на канал	2 на канал	2 на канал
Число проводников шлейфа
Контроль четности	нет	нет	нет	да	да	да
Дата внедрения

Интерфейс PCI

PCI (Peripheral Component Interconnect) - соединение внешних компонентов. Разработка интерфейса PCI происходило весной 1991 года в недрах корпорации Intel. Перспективные процессоры 80486 и Pentium требовали новой организации взаимодействия с периферийными компонентами. Инженеры Intel решили начать «с нуля» и в результате разработали шину, напрямую не связанную с системной. Так удалось обеспечить независимость интерфейса от конкретного типа процессора и его параллельную работу с несколькими устройствами PCI. Новый интерфейс оказался несовместимым ни с одним из предшествующих (ISA, VESA) и потребовал разработки набора системных микросхем. С целью обеспечить поддержку сторонних производителей Intel сделала архитектуру и спецификации PCI открытыми, поэтому вскоре образовалась группа заинтересованных организаций, создавшая и утвердившая спецификацию версии 2.1. Уточненная и усовершенствованная спецификация получила обозначение 2.2. Интерфейс PCI предусматривает тактовую частоту шины 33 МГц (вариант PCI 2.2 - до 66 МГц, PCI-X - до 133 МГц), что обеспечивает пиковую пропускную способность до 132 Мбайт/с (до 1064 Мбайт/с для 64-разрядных данных на частоте 133 МГц).

Интерфейс обеспечивает поддержку режима Bus Mastering и автоматической конфигурации компонентов при установке (Plug-and-Play). Все слоты PCI на материнской плате сгруппированы в сегменты, число разъемов в сегменте ограничено четырьмя. Если сегментов несколько, они соединяются посредством так называемых мостов (bridge). В настоящее время PCI является самым распространенным интерфейсом. С его помощью подключают к материнской плате устройства расширения: звуковые карты, контроллеры SCSI, модемы, карты видеозахвата, сетевые карты и прочие компоненты.

Длительная популярность PCI объясняется рядом преимуществ, предоставляемых интерфейсом по сравнению с его предшественниками.

· Во-первых, поддерживается синхронный обмен данными формата 32 или 64 бит. При этом используется метод мультиплексирования (передача адресов и данных по очереди по одним линиям), что позволило снизить число контактов в разъемах.

· Во-вторых, предусмотрена установка компонентов с уровнями сигналов 5В или 3,3В. «Ключи» (пластмассовые перемычки) на разъемах исключают установку плат в «чужой» слот. Возможно изготовление универсальных плат расширения, поддерживающих оба уровня сигналов (что сейчас и делает большинство производителей).

Комбинация частот шины 33 МГц или 66 МГц с разрядностью данных предоставляет достаточно широкий диапазон для выбора пропускной способности шины. Заметим, что при частоте 66 МГц допустим уровень сигнала только 3,3В (а устройства на 33 МГц могут выйти из строя на более высокой частоте).

Спецификация PCI требует поддержки компонентами режима Multiple Bus Mastering (многостороннее управление шиной). В таком режиме устройства перехватывают управление шиной и самостоятельно распределяют ее ресурсы. Специальный таймер, имеющийся на устройстве, определяет максимальное время, в течение которого возможен монопольный доступ.

Один канал контроллера PCI поддерживает до четырех слотов расширения. Для удвоения их числа применяется мост между парой контроллеров. Метод передачи данных по шине называют Linear Burst (метод линейных пакетов). То есть, данные при записи-чтении идут единым пакетом, так как адрес для каждого следующего байта автоматически увеличивается на единицу. Таким образом отпадает необходимость передавать адресный блок. Для ускорения передачи применяется кэширование: поддерживаются методы отложенной «write-back» и сквозной «write-through» записи.

Важной особенностью интерфейса PCI является поддержка протокола Plug-and-Play (PnP). Спецификацией 2.2 определены три типа ресурсов: диапазон памяти, диапазон ввода-вывода и так называемое «пространство конфигурации». Последний ресурс содержит три региона: заголовок (не зависит от конкретного типа устройства), блок устройства, пользовательский блок. Заголовок содержит информацию об изготовителе, классе устройства, другие служебные сведения.

В целом интерфейс PCI справлялся с возложенными на него задачами в рамках присущих ему ограничений. Те же задачи, которые он не мог решить (например, передача больших массивов графических данных с высокой скоростью), были ловко переброшены фирмой Intel на плечи других интерфейсов (например, AGP).

До недавнего времени шина PCI использовалась не только для карт расширения, но и соединяла мосты системного чипсета. Однако существенные ограничения по пиковой пропускной способности стали тормозить рост производительности компьютерной системы. В частности, появление жестких дисков спецификации ATА-100, сетевых карт Gigabyte Ethernet, адаптеров SCSI спецификации Ultra 160, требовало увеличения пропускной способности шины PCI в несколько раз. Попытки усовершенствовать шину вылились в принятие спецификации PCI-X.

64-разрядные слоты интерфейса спецификации PCI-X (поддерживающего тактовую частоту до 133 МГц и передачу данных по протоколам DDR и QDR) пока встречаются только на высокопроизводительных серверах и рабочих станциях, так как увеличение ширины шины и ее рабочих частот привело к значительному удорожанию системной платы. Вместе с тем сам принцип параллельной разделяемой шины себя уже изжил.

Таким образом, срок жизни шины PCI на платформе PC постепенно истекает. Ничего необычного в этом нет - похожая история произошла с шиной ISA, которую уже не встретишь на современных системных платах. Очевидно, что переход на новую локальную шину будет происходить постепенно и сравнительно безболезненно для обычного пользователя. В настоящее время основными претендентами являются интерфейс PCI Express (3GIO), разработанный корпорацией Intel, и шина HyperTransport, предлагаемая фирмой AMD. Причем HyperTransport уже поддерживается многими наборами системной логики.