Рассмотрение высокоскоростных периферийных шин

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. РАЗНОВИДНОСТИ СИСТЕМНЫХ ШИН

1.1 Шины ATA/IDE (Integrated Drive Electronics)

2. ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ ПЕРИФЕРИЙНЫЕ ШИНЫ

2.1 USB (Universal Serial Bus)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Объектом для изучения в данном мне задании в виде курсовой работы стали высокоскоростные периферийные шины, о них и будет далее изложено в подробном виде. У многих возникает логичный вопрос: «А что же такое компьютерная шина?». Компьютерная шина - это соединение, служащее для передачи данных между функциональными блоками ПК (персонального компьютера). Если углубиться в историю, она расскажет нам, что шины первых вычислительных машин представляли собой жгуты, а именно пучки соединительных проводов, сигнальных и питания для компактности и удобства обслуживания увязанных вместе. В современных же вычислительных системах термин «шина» используют для любых физических механизмов, которые представляют такую же логическую функциональность, как и параллельные компьютерные шины. Пример шин показан в рисунке (0.1).

Рисунок 0.1 - Компьютерные шины

1. РАЗНОВИДНОСТИ СИСТЕМНЫХ ШИН

Периферийные шины обеспечивают связь центральных устройств машины с внешними устройствами, такими как: дисковые накопители, клавиатура, компьютерная мышь, сканер, принтер, звуковые колонки и так далее. Они являются внешними интерфейсами ЭВМ (электронно-вычислительных машин), так же отличаются большим разнообразием и делятся на виды.

Все шины компьютера можно разделить за их предназначением на несколько типов:

· Шины данных - все шины, которые используются для передачи данных между процессором компьютера и периферией. Для передачи могут использоваться как последовательный, так и параллельный методы, можно передавать от одного до восьми бит за один раз. По размеру данных, которые можно передать за один раз, такие шины делятся на 8, 16, 32, и даже 64 битные;

· Адресные шины - связаны с определенными участками процессора и позволяют записывать и читать данные из оперативной памяти;

· Шины питания - эта шина передает системный тактовый сигнал для синхронизации периферийных устройств, подключенных к компьютеру;

· Шина расширений - позволяет подключать дополнительные компоненты, такие как звуковые карты или ТВ карты;

В то же время, все шины можно разделить на два типа. Это системные шины или внутренние шины компьютера, с помощью которых процессор соединяется с основными компонентами компьютера на материнской плате, такими как память. Второй вид - это шины ввода/вывода, которые предназначены для подключения различных периферийных устройств. Эти шины подключаются к системной шине через мост, который реализован в виде микросхем процессора. Так же к шинам ввода/вывода подключается шина расширений. Именно к этим шинам подключаются такие компоненты компьютера, как сетевая карта, видеокарта, звуковая карта, жесткий диск и другие, они бывают нескольких видов, перечисленных ниже:

· ISA - Industry Standard Architecture;

· EISA - Extended Industry Standard Architecture;

· MCA - Micro Channel Architecture;

· VESA - Video Electronics Standards Association;

· PCI - Peripheral Component Interconnect;

· PCI-E - Peripheral Component Interconnect Express;

· PCMCIA - Personal Computer Memory Card Industry Association (также известна как PC bus);

· AGP - Accelerated Graphics Port;

· SCSI - Small Computer Systems Interface.

· IDE - Integrated Drive Electronics.

1.1 Шины ATA/IDE (Integrated Drive Electronics)

Для общего представления о системных шинах ниже будет приведен пример одной из них. После того, как компания IBM выпустила модель АТ (Advansed Technology), в 1984 году у компаний Compaq и Western Digital возникла идея встроить AT-совместимый контроллер, использующий 16-разрядную шину ISA, непосредственно в электронику жесткого диска. Сказано - сделано. Получилось удачно: цена жесткого диска увеличилась несущественно, зато стоимость всей дисковой подсистемы заметно снизилась. Так и родился на свет интерфейс ATA (AT Attachment - в дословном переводе - «прикрепление к АТ»), который стал широко известен под названием IDE. Так как шина ISA в модели АТ была 16-битной, интерфейс, естественно, получился тоже 16-битным, причем эта разрядность сохранилась до настоящего времени, невзирая на последующие улучшения и добавления. В скором времени, однако, выяснилось, что разные производители умудрялись делать несовместимые между собой диски с интерфейсом ATA. Если такие диски устанавливались в паре master/slave на один канал IDE, то дисковая подсистема просто не работала. Для устранения этих неприятных явлений был принят стандарт ANSI спецификации АТА. «Оригинальный» интерфейс АТА имел следующие возможности:

· Поддержка двух жестких дисков. Один канал делится между двумя устройствами, сконфигурированными как master и slave;

· PIO (Programmed Input/Output - Программируемый ввод/вывод) Modes. Эта технология предназначена для обмена информацией между двумя устройствами ПК. При этом обмен данными осуществляется под управлением центрального процессора.

· DMA Modes (Direct Memory access). Прямой доступ к памяти, режим обмена данными между устройствами компьютера или же между устройством и основной памятью, в котором центральный процессор не принимает участие.

«Оригинальный» интерфейс ATA предназначен только для подключения жестких дисков и не поддерживает такие возможности, как ATAPI - интерфейс для подключения IDE-устройств отличных от жестких дисков, режим передачи block mode и LBA (Logical block addressing). Внешний вид 40-контактного разъема интерфейса ATA показан на рисунке (1.1).

Рисунок 1.1.1 - Пример 40-контакного разъема интерфейса ATA

В скором времени стандарт АТА перестал удовлетворять возросшим потребностям, поскольку вновь выпускаемые жесткие диски требовали большей скорости передачи данных и наличия новых возможностей. Так родился на свет интерфейс АТА-2, который вскоре был также стандартизирован ANSI (Американский национальный институт стандартов). Сохраняя обратную совместимость со стандартом ATA, ATA-2 содержал несколько новых возможностей:

· Более скоростные PIO Modes.

· Более скоростные DMA Modes.

· Block Transfer. ATA-2 включает команды, позволяющие осуществлять обмен в режиме block transfer для повышения производительности;

· Logical Block Addressing (LBA) - механизм адресации и доступа к блоку данных на жестком или оптическом диске, при котором системному контроллеру нет необходимости учитывать геометрию самого жесткого диска (количество цилиндров, сторон (головок), секторов на дорожке). АТА-2 требует поддержки жестким диском протокола передачи LBA. Разумеется, для использования этого протокола необходимо, чтобы его поддерживал также и BIOS;

· Усовершенствованная команда Identify Drive. Увеличен объем информации о характеристиках, которую жесткий диск выдает по системным запросам. периферийный шина интерфейс сигнал

Фирмы-производители в стремлении заполучить всё большую часть рынка начали придумывать красивые названия и обзывать ими интерфейсы своих жестких дисков. На самом деле интерфейсы Fast ATA, Fast ATA-2 и Enhanced IDE базируются на стандарте АТА-2 и являются не более, чем маркетинговыми терминами. Все различие между ними состоит в том, какую часть стандарта и как они поддерживают.

Наибольшую путаницу вызывают названия Fast ATA и Fast ATA-2, принадлежащие перу соответственно Seagate и Quantum. Создается вполне естественное впечатление, что Fast ATA является некоторым улучшением стандарта АТА, тогда как Fast ATA-2 базируется на стандарте АТА-2. Но все, увы, не так просто. На самом деле Fast ATA-2 есть просто другое название стандарта АТА-2, а Fast ATA отличается от него лишь тем, что не поддерживает самые быстрые режимы -- PIO mode 4 и DMA mode 2.

Шины ATA/IDE претерпели еще некоторые изменения, но с основном, все сводилось к тому, что увеличивалась скорость и производительность. Краткий экскурс в историю создания ранних версий системных шин подошел к концу, далее перейду к более современным вариантам.

2. ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ ПЕРИФЕРИЙНЫЕ ШИНЫ

На данный момент высокоскоростных периферийных шин существует 3 вида, изображены они на схеме (2.1).

Схема 2.1 - Высокоскоростные периферийные шины

Эти коммуникационные порты отличаются более широкими возможностями от стандартных параллельных и последовательных. Значительное их преимущество в высокой скорости передачи данных и не только.

2.1 USB (Universal Serial Bus)

USB (Универсальная последовательная шина) - последовательный интерфейс, служащий соединительным звеном между периферийными устройствами и ЭВМ, изображенный на рисунке (2.1.1). Получил широкое распространение, благодаря чему на данный момент является наиболее частым в использовании по сравнению с двумя другими конкурентами.

Рисунок 2.1.1 - последовательный интерфейс USB

Данный интерфейс особенно интересен тем, что позволяет производить не только обмен данными, но и обеспечивать электропитание периферийного устройства. Благодаря сетевой структуре, он даёт возможность подключать большое количество периферии даже к устройству с одним разъемом USB, что показано на рисунке (2.1.2) ниже.

Рисунок 2.1.2 - Разветвитель

Разработка спецификаций USB производится в рамках международной некоммерческой организации USB Implementers Forum (USB-IF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шиной USB. В процессе развития выработано несколько версий спецификаций. Тем не менее разработчикам удалось сохранить высокую степень совместимости оборудования разных поколений. Спецификация интерфейса охватывает беспрецедентно широкий круг вопросов подключения и взаимодействия периферийных устройств с вычислительной системой.

Спецификация USB 1.0 регламентировала два типа разъемов (A и B). Разъём A - на стороне контроллера или концентратора USB, B - на стороне периферийного устройства. В последствии были разработаны миниатюрные разъемы для применения USB в переносных и мобильных устройствах, получившие названия Mini-USB. Последующая версия миниатюрных разъёмов, называемых Micro-USB, была представлена USB-IF 4 января 2007 года. Примеры разъемов представлены в таблице (2.1.1).

Таблица 2.1.1 - Типы разъемов USB

Судя по изложенному выше, можно сделать вывод, что интерфейс USB имеет несколько версий, рассмотрим некоторые из них.

Спецификация USB 2.0 выпущена в апреле 2000 года. Отличается она от USB 1.1 введением режима High-Speed. Для устройств USB 2.0 регламентировано три режима работы:

· Low-Speed, 10-1500 Кбит/c (клавиатуры, мыши, джойстики, геймпады);

· Full-Speed, 0,5-12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства);

· High-Speed, 25-480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации).

Так же помимо версий, хотелось бы отметить функцию USB OTG (On-The-Go). Благодаря ей, устройства сами понимают, что из них при подключении хост, а что периферия. Смартфонам, цифровым фотоаппаратам и прочим мобильным устройствам приходится быть то хостом, то периферией: при подключении к компьютеру фотоаппарат - периферия, а при подключении к фотопринтеру - хост. Ранг устройства определяется кабелем: со стороны хоста замыкаются контакты 4 (ID) и 5 (Ground) в штекере. Со стороны периферии ID никуда не подключается.

Далее речь пойдет о USB 3.0. Окончательная спецификация USB 3.0 появилась в 2008 году. Созданием этой модификации занимались компании: Intel, Microsoft, Hewlett-Packard, Texas Instruments, NEC и NXP Semiconductors.

Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 5 Гбит/с, что на порядок больше скорости, которую может обеспечить USB 2.0. Также версия 3.0 отличается увеличенной с 500 мА до 900 мА силой тока. Таким образом, от одного порта можно запитывать большее количество устройств, а также отпадает необходимость использования внешнего питания для некоторых устройств. В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели обновлённого стандарта физически и функционально совместимы с USB 2.0, причём для однозначной идентификации разъёмы USB 3.0 принято изготавливать из пластика синего цвета (у некоторых производителей -- красного). Кабель USB 2.0 содержит в себе четыре линии -- пару для приёма/передачи данных, плюс и ноль питания, разъём «A» имеет 4 контакта.

Для передачи высокоскоростных SuperSpeed сигналов в USB 3.0 добавлено ещё четыре линии связи (две витые пары) и один контакт сигнальной земли (GND_DRAIN), в результате чего кабель стал гораздо толще. Новые контакты в разъёмах USB 3.0 расположены отдельно от старых в другом контактном ряду.

В октябре 2009 года появилась информация, что корпорация Intel решила отложить внедрение поддержки USB 3.0 в свои чипсеты до 2011 года. Это решение привело к тому, что до 2011 года данный стандарт не стал массовым, так как пользователю было недостаточно просто купить материнскую плату, был необходим дополнительный адаптер либо производитель материнских плат распаивал на них контроллер стороннего производителя.

31 июля 2013 года USB 3.0 Promoter Group объявила о принятии спецификации следующего интерфейса, USB 3.1, скорость передачи которого может достигать 10 Гбит/с. Компактный разъём USB Type-C, используемый с данной версией, является симметричным, позволяя вставлять кабель любой стороной, как это ранее сделала Apple в разъёмах Lightning. Пользователи получили возможность передавать данные со скоростью до 10 Гбит/с. Далее, послевыхода стандарта USB 3.1 организация USB-IF объявила, что режим передачи USB 3.0 со скоростью до 5 Гбит/с (SuperSpeed) теперь будут классифицироваться как USB 3.1 Gen 1, а новый стандарт передачи USB 3.1 со скоростью до 10 Гбит/с (SuperSpeed+) -- как USB 3.1 Gen 2.

В USB 3.1 входит два стандарта:

· SuperSpeed (USB 3.1 Gen 1) со скоростью до 5 Гбит/с, такой же, как и у USB 3.0;

· SuperSpeed+ (USB 3.1 Gen 2) со скоростью до 10 Гбит/с, удвоенная USB 3.0.

В USB 3.1 Gen 2, помимо увеличения скорости до 10 Гбит/с, были снижены издержки кодирования до 3 % переходом на схему кодирования 128b/132b. Так же разработчиками было заявлено, что стандарт USB 3.1 обратно совместим с USB 3.0 и USB 2.0. На практике же первая реализация USB 3.1 в виде IP-блока от Synopsys показала в декабре 2013 года эффективную скорость передачи 7,2 Гбит/с (900 МБ в секунду).

22 сентября 2017 некоммерческая организация USB Implementers Forum (USB-IF) опубликовала спецификацию стандарта USB 3.2, заключительная ревизия для USB 3.x. Новая спецификация предусматривает удвоение максимально возможной скорости передачи данных по сравнению с USB 3.1 Gen 2 -- с 10 до 20 Гбит/с за счёт использования двух линий на 5 Гбит/с или 10 Гбит/с только для разъема USB Type-C по причине его двухсторонних контактов и использования дублирующих выводов как отдельный канал. Были внесены поправки в работу хост-адаптеров для плавного перехода между 2х канальным режимом дублирующих выводов к одноканальному режиму. Современные кабели USB Type-C, имеющиеся в наличии, уже поддерживают такой «двухлинейный» режим, так что покупать новые кабели не придётся. Появление первых коммерческих устройств с поддержкой стандарта USB 3.2 ожидалось не ранее второй половины 2019 года. Спецификации USB 3.2 заменяют стандарты USB 3.0 и USB 3.1; удовлетворяющие им устройства будут включать три стандарта скоростей:

· SuperSpeed USB (USB 3.2 Gen 1) со скоростью до 5 Гбит/с и кодированием 8b/10b, как у USB 3.1 Gen 1 и USB 3.0;

· SuperSpeed+ USB 10Gbps (USB 3.2 Gen 2) со скоростью до 10 Гбит/с и кодированием 128b/132b, как USB 3.1 Gen 2;

· SuperSpeed++ USB 20Gbps (USB 3.2 Gen 2x2) со скоростью до 20 Гбит/с и кодированием 128b/132b по двум линиям, каждая из которых соответствует USB 3.1 Gen 2.

В спецификациях так же прописан вариант с двумя линиями, каждая из которых работает по протоколу USB 3.0:

SuperSpeed+ USB 10Gbps (USB 3.2 Gen 1x2) со скоростью до 10 Гбит/с и кодированием 8b/10b по двум линиям, каждая из которых соответствует USB 3.1 Gen 1.

Спецификация новой версии протокола, USB 4.0 была опубликована 29 августа 2019 года. Новый базовый протокол повышает максимальную скорость до 40 Гбит/с (при использовании совместимых кабелей Type-C), сохраняя обратную совместимость с USB 3.2, USB 2.0 и, опционально, Thunderbolt 3.

FireWire (IEEE 1394)

последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами. Кабель выглядит как две витые пары между собой А-B, разъем показан на рисунке (2.1.2). Максимальное количество портов 4шт.

Рисунок 2.1.2

Операции выполняются асинхронные и изохронные. USB может работать только с одним внешним устройством на порт. С FireWire, поскольку все последовательно подключённые устройства формируют логическую цепь

(со звеньями точка-точка), причём протокол также разрешает использовать физические ветвления. Особенность FireWire - разделение доступной пропускной способности между всеми устройствами. Напрямую в цепь можно подключить до 17 устройств. FireWire представляет собой неплохую альтернативу для подключения в сеть небольшого числа компьютеров, поскольку скорость 400 Мбит/с даже старых адаптеров FireWire превышает скорость 100BaseT для простых сетевых задач.

Thunderbolt

Thunderbolt с английского можно перевести, как «Раскат грома» - это аппаратный интерфейс (рисунок 2.1.3), ранее известный как Light Peak, разработанный компанией Intel в сотрудничестве с Apple. Служит для подключения различных периферийных устройств к компьютеру с максимальными скоростями передачи данных около 10 Гбит/с по медному проводу и 20 Гбит/с при использовании оптического кабеля. Thunderbolt объединяет протоколы PCI Express (PCIe) и DisplayPort (DP) в один последовательный сигнал и предоставляет постоянное напряжение по тому же кабелю.

Рисунок 2.1.3 - Thunderbolt

Контроллеры Thunderbolt мультиплексируют один или более каналов данных от подключённых к ним устройств PCIe или DisplayPort для передачи через один дуплексный канал Thunderbolt, затем демультиплексируют их для использования устройствами PCIe или DP на другом конце. Один порт Thunderbolt поддерживает до шести устройств Thunderbolt, подключаемых через концентраторы (хабы) или цепочкой (daisy chain). Так несколько устройств могут использоваться в качестве мониторов, но их количество не может превышать количества источников сигнала DP.В интерфейсе Thunderbolt версий 1 и 2 используется тот же разъём, что и Mini DisplayPort (рисунок 2.1.4). Активные кабели Thunderbolt содержат специальные интегральные микросхемы внутри корпуса разъёма, так же у кабеля есть пять проводов: один для управления и две однонаправленных пары, одна для входящего и вторая для исходящего трафика. В интерфейсе Thunderbolt 3-й версии используется разъём USB Type-C.

Рисунок 2.1.5 - Mini DisplayPort

Ранее было оговорено, что в интерфейсе Thunderbolt можно использовать как оптоволокно, так и медь, но что из этого лучше? Первоначально технология была задумана как оптическая, но Intel перешёл на электрические соединения, чтобы уменьшить затраты и предоставить до 10 Вт питания для подключённых устройств.

В 2009 году компанией Intel было заявлено, что компания «работает над комбинированием оптоволокна и медных проводов, чтобы Thunderbolt мог использоваться для питания устройств, подключённых к ПК».

В 2010 году Intel сообщила, что первоначальная их цель была в том, чтобы «иметь одну единственную технологию», которая позволила бы иметь «электрические сигналы USB 3.0 и комбинированную передачу питания для USB 3.0 или 4.0». Заявлялось, что разъёмы должны выдерживать по 7 тысяч циклов подключения, кабели имеют столь небольшой радиус изгиба, что могут быть буквально завязаны узлом, и волокно имеет высокую прочность. Ожидалось, что кабели Thunderbolt будут не дороже кабелей HDMI.

В январе 2011 Дэвид Перлматтер из компании Intel рассказал изданию Computerworld, что начальные реализации Thunderbolt будут использовать медные кабели без оптоволокна. «Медная технология вышла очень хорошей, на удивление лучше, чем мы думали.» -- сказал он. Одно из важных преимуществ медного кабеля -- возможность передачи питания. Заключительный стандарт Thunderbolt определяет допустимую нагрузку в 10 Вт на каждый порт.

Intel и её партнёры всё ещё разрабатывают оптические кабели и устройства Thunderbolt. Оптоволокно позволит создавать кабели длиной до десятков метров, но без передачи электропитания. Планируется использование пары волокон диаметром 62,5 микрона и ИК-сигналов с максимальным расстоянием передачи в 100 метров. Преобразование электрического сигнала к оптическому будет встроено в сам кабель, поэтому он будет совместим с нынешними разъёмами в формате MDP, но в будущем Intel надеется встроить оптический трансивер в ПК.

В 2013 году был представлен обновлённый интерфейс Thunderbolt 2. На физическом уровне он идентичен Thunderbolt 1, используются такие же кабели и разъёмы, сохранена обратная совместимость. На логическом уровне была добавлена возможность агрегации каналов, и теперь два отдельных канала 10 Гбит/с могут объединяться в один логический канал со скоростью 20 Гбит/с. Thunderbolt 2 поколения использовался в Apple MacBook Pro Retina конца 2013 года (представлен 22 октября 2013 года).

Intel Thunderbolt 3 (рисунок 2.1.6), появившийся позднее увеличивает максимальную пропускную способность в 2 раза, до 40 Гбит/с (5 ГБ/с), имеет меньшее энергопотребление и позволяет подключать до двух мониторов с

разрешением 4K, либо один с разрешением 5K (вместо одного 4K для более ранних версий стандарта). Новый контроллер будет поддерживать PCIe 3.0 и протоколы HDMI 2.0, DisplayPort 1.2 (до 30 Гц 4K). Thunderbolt 3 представляет собой порт, совместимый с USB 3.1, выполнен с разъёмом USB Type-C. Совместимость с более ранними вариантами интерфейса будет обеспечиваться с помощью переходников.

Рисунок 2.1.6 - Thunderbolt 3

Intel предложит два варианта контроллера Thunderbolt 3 -- один будет использовать PCI Express x4 и предоставит два порта Thunderbolt 3, второй использует PCI Express x2 и имеет лишь один порт Thunderbolt 3. Первый будет использоваться в Mac Pro (2-го поколения) и Retina MacBook Pro, а второй -- в более дешёвых Mac Mini и MacBook Air. Thunderbolt 3 станет частью стандарта USB4, так как компания Intel передала все права на него USB Implementers Forum.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе подробно изложены все типы высокоскоростных периферийных шин, нюансы их использования, а также плюсы и минусы соответственно. Исходя из информации, изученной мной в процессе создания этой работы, могу составить свой небольшой рейтинг, пособие по выбору, если это можно так назвать, хотя судить об этом сложно, так как выбор ограничивается устройством, которым придется пользоваться, так что мой выбор будет конкретно зависеть от устройства, для которого мне понадобится тот или иной интерфейс. Однако, если судить объективно и без привязки к чему либо, для меня легкодоступный и совместимый с большинством устройств USB останется фаворитом, на втором месте, пожалуй, будет Thunderbolt, так как по быстродействию он обходит своего соперника, который расположился на почетном третьем месте - FireWire.

Размещено на Allbest.ru