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#, символ «#» указывает на инверсность (низкий уровень сигнала отвечает активному состоянию). Названия команд, регистров и битов имеют иной вид — например, INSW (команда процессора), DR (регистр данных), АХ (регистр процессора). Подробные оглавление и предметный указатель помогут быстро найти необходимую информацию.

Я благодарен любознательным и внимательным читателям, присылающим свои замечания, вопросы и отзывы о моих книгах. Пользуясь случаем, еще раз обращаюсь к читателям — пишите письма! С вашей помощью исправляются многие ошибки, и я стараюсь поддерживать свои книги на личном сайте по адресуобновляя списки замеченных опечаток и публикуя статьи на смежные темы.

Как и все предыдущие, эта книга не смогла бы появиться без информационной поддержки коллектива RUSNet , обеспечивающего доступ к Сети в ЦНИИ РТК — «базовом лагере» автора. После выпуска второго издания «Энциклопедии» я снова погрузился в инженерную деятельность в НПО РТК. Это несколько притормаживает работу над книгами, но обогащает практический опыт, что выливается в дополнительные разъяснения актуальных вопросов.

Свои замечания и пожелания присылайте на адрес [e-mail] (автор) или [e-mail] (издательство «Питер», редакция компьютерной литературы). Информацию по всем книгам можно получить на сайте издательства «Питер» www.piter.com.

Михаил Гук

Введение

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 только вспомогательные сигналы интерфейса).

Другим немаловажным параметром интерфейса является допустимое удаление соединяемых устройств. Оно ограничивается как частотными свойствами кабелей, так и помехозащищенностью интерфейсов. Часть помех возникает от соседних линий интерфейса — это перекрестные помехи, защитой от которых может быть применение витых пар проводов для каждой линии. Другая часть помех вызывается искажением уровней сигналов.

С появлением шин USB и Fire Wire в качестве характеристики интерфейса стала фигурировать и топология соединения. Для интерфейсов RS-232C и Centronics практически всегда применялась двухточечная топология PC — устройство (или PC — PC). Исключениями из этого правила являются различные устройства безопасности и защиты данных (Security devices), которые подключаются к COM- или LPT-портам, но имеют разъем для подключения внешнего устройства. Однако эти устройства для традиционной периферии прозрачны, поэтому можно считать, что они не нарушают общего правила. Аналогично обстоит дело и с адаптерами локальных сетей (например, Paraport) и внешних дисковых накопителей (Iomega Zip), подключаемых к LPT-портам. Хотя разрабатываемые стандарты для параллельного порта (IEEE 1284.3) и предусматривают соединение устройств в цепочку (Daisy Chain) или через мультиплексоры, широкого распространения такие способы подключения пока не получили. К другому классу исключений относится построение моноканала на СОМ-портах, которое несколько лет назад применялись в «любительских» локальных сетях, но было вытеснено существенно более эффективной и подешевевшей технологией Ethernet. Интерфейсные шины USB и Fire Wire реализуют древовидную топологию, в которой внешние устройства могут быть как оконечными, так и промежуточными (разветвителями). Эта топология позволяет подключать множество устройств к одному порту USB или Fire Wire.