Михаил ГукАппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия
От автора
Книга «Интерфейсы ПК. Справочник», вышедшая следом за первым изданием энциклопедии «Аппаратные средства IBM PC» (1998 г.), была благосклонно принята читателями и даже выпущена «пиратами» на компакт-диске (правда, без указания автора и, естественно, без его уведомления). Работа над вторым изданием энциклопедии породила гору материала, который не помещался в книгу разумного размера, — так созрела идея новой книги об интерфейсах, которая сейчас перед вами. В нее вошли все «обрезки» «слишком большой энциклопедии» и ряд новых материалов. Эта книга адресована специалистам, которые уже знают общее устройство компьютера и имеют представление о взаимодействии его составляющих, но нуждаются в справочной информации для разработки собственной аппаратуры и программного обеспечения, тесно связанного с «железом». Название «Аппаратные интерфейсы ПК» определяет круг освещаемых вопросов — от ножек интерфейсных разъемов до программной модели интерфейсных адаптеров.
Книга начинается с глав, посвященных универсальным внешним интерфейсам, начиная с долгожителей — портов LPT и СОМ — и кончая современными шинами USB, Fire Wire, SCSI и беспроводными интерфейсами IrDA и Bluetooth. Далее идет «погружение в недра» системного блока ПК — интерфейсы шин расширения с особо детальным описанием шин PCI и ISA, самых интересных на сегодняшний день (шину ISA списывать рано, она еще послужит во встраиваемых компьютерах в обычном виде или в виде PC/104). В главе, посвященной интерфейсам электронной памяти, подробно рассматриваются модули динамической памяти всех современных типов, а также микросхемы статической и энергонезависимой памяти (флэш, EEPROM), с которыми часто приходится иметь дело. Далее в книге описываются специализированные интерфейсы периферийных устройств — клавиатуры, мыши, дисплея (как традиционного, так и плоских панелей), принтеров, аудио- и видеоинтерфейсы, игровой порт. Отдельная глава посвящена интерфейсам устройств хранения — НГМД, ATA (включая новый интерфейс Serial ATA), а также интерфейсам твердотельных устройств хранения (различным флэш-картам). Из интерфейсов компьютерных сетей основное внимание уделяется технологии Ethernet, практически вытеснившей все остальные из локальных сетей и ведущей наступление и в глобальных приложениях. Также рассматривается интерфейс обычной аналоговой телефонной линии, через которую большинство домашних пользователей подключается к Сети. В главе о вспомогательных последовательных интерфейсах рассматриваются все вариации на тему I²C, а также интерфейсы SPI, MII и JTAG. Отдельная глава посвящена архитектурному окружению, в котором интерфейсы и их адаптеры (контроллеры) существуют в IBM PC-совместимом компьютере (пространство памяти, пространство ввода-вывода, прерывания), и нюансам, связанным с различными режимами работы процессоров x86. В этой же главе описываются сервисы и модули расширения BIOS, а также способы загрузки ПО, позволяющие собирать специализированные бездисковые контроллеры на базе универсальных компонентов. Как обычно, книгу завершает тема правильного питания и электробезопасности. Для удобства восприятия в книге принята система текстовых выделений. Курсивом выделены ключевые слова (например, первый раз встречающиеся определения), а также названия состояний, в которых могут пребывать некоторые объекты. В названиях электрических сигналов, например
CSO##INSWDRАХВведение
Толковый словарь по вычислительным системам определяет понятие интерфейс (interface) как границу раздела двух систем, устройств или программ; элементы соединения и вспомогательные схемы управления, используемые для соединения устройств. Эта книга посвящена интерфейсам, позволяющим подключать к персональным (и не только) компьютерам разнообразные периферийные устройства (ПУ) и их контроллеры, а также соединять отдельные подсистемы компьютера. Рассмотрим вкратце основные свойства интерфейсов.
По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на параллельные и последовательные. В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно. В PC традиционно используется параллельный интерфейс Centronics, реализуемый LPT-портами, шины ATA, SCSI и все шины расширения. В последовательном интерфейсе биты передаются друг за другом, обычно по одной (возможно, и двухпроводной) линии. Эта линия может быть как однонаправленной (например, в RS-232C, реализуемой СОМ-портом, шине Fire Wire, SPI, JTAG), так и двунаправленной (USB, I²C).
При рассмотрении интерфейсов важным параметром является пропускная способность. Технический прогресс приводит к неуклонному росту объемов передаваемой информации. Если раньше матричные принтеры, печатающие в символьном режиме, могли обходиться и СОМ-портом с невысокой пропускной способностью, то современным лазерным принтерам при высоком разрешении не хватает производительности даже самых быстрых LPT-портов. То же касается и сканеров. А передача «живого» видео, даже с применением компрессии, требует ранее немыслимой пропускной способности.
Вполне очевидно, что при одинаковом быстродействии приемопередающих цепей и пропускной способности соединительных линий по скорости передачи параллельный интерфейс должен превосходить последовательный. Однако повышение производительности за счет увеличения тактовой частоты передачи данных упирается в волновые свойства соединительных кабелей. В случае параллельного интерфейса начинают сказываться задержки сигналов при их прохождении по линиям кабеля и, что самое неприятное, задержки в разных линиях интерфейса могут быть различными вследствие неидентичности проводов и контактов разъемов. Для надежной передачи данных временные диаграммы обмена строятся с учетом возможного разброса времени прохождения сигналов, что является одним из факторов, сдерживающих рост пропускной способности параллельных интерфейсов. В последовательных интерфейсах, конечно же, есть свои проблемы повышения производительности, но поскольку в них используется меньшее число линий (в пределе — одна), повышение пропускной способности линий связи обходится дешевле.
Для повышения пропускной способности параллельных интерфейсов с середины 90-х годов стали применять двойную синхронизацию DDR (Dual Data Rate). Ее идея заключается в выравнивании частот переключения информационных сигнальных линий и линий стробирования (синхронизации). В «классическом» варианте данные информационных линий воспринимались только по одному перепаду (фронту или спаду) синхросигнала, что удваивает частоту переключения линии синхросигнала относительно линий данных. При двойной синхронизации данные воспринимаются и по фронту, и по спаду, так что частота смены состояний всех линий выравнивается, что при одних и тех же физических параметрах кабеля и интерфейсных схем позволяет удвоить пропускную способность. Волна этих модернизаций началась с интерфейса ATA (режимы UltraDMA) и прошла уже и по SCSI (UltraISO и выше), и по памяти (DDR SDRAM), и по системной шине процессоров (Pentium 4).
Немаловажен для интерфейса контроль достоверности передачи данных, который, увы, имеется далеко не везде. «Ветераном» контроля является шина SCSI с ее битом паритета (который незадачливые пользователи иногда норовят отключить, «чтоб не сбоило»); контроль паритета применяется и в последовательных интерфейсах, и в шине PCI. Шина ISA в этом плане беззащитна, как и ее «потомок» — интерфейс ATA, в котором до UltraDMA контроля достоверности не было. В новых интерфейсах контролю достоверности уделяется серьезное внимание, поскольку они, как правило, рассчитываются на экстремальные условия работы (высокие частоты, большие расстояния и помехи). Контроль достоверности может производиться и на более высоких протокольных уровнях (контроль целостности пакетов и их полей), но на аппаратном уровне он работает, естественно, быстрее.
Для интерфейса, соединяющего (физически или логически) два устройства, различают три возможных режима обмена — дуплексный, полудуплексный и симплексный. Дуплексный режим позволяет по одному каналу связи одновременно передавать информацию в обоих направлениях. Он может быть асимметричным, если значения пропускной способности в направлениях «туда» и «обратно» существенно различаются, или симметричным. Полудуплексный режим позволяет передавать информацию «туда» и «обратно» поочередно, при этом интерфейс имеет средства переключения направления канала. Симплексный (односторонний) режим предусматривает только одно направление передачи информации (во встречном направлении передаются то