Теоретическая часть. Разнообразие периферийных устройств способствовало появлению у современных персональных компьютеров большого количества периферийных портов

Разнообразие периферийных устройств способствовало появлению у современных персональных компьютеров большого количества периферийных портов. Тенденции развития направлены на увеличение скорости передачи данных по интерфейсному соединению, а также на унификацию способов подключения устройств.

Унификация интерфейсов несет в себе много преимуществ как производителям, так и пользователям. К тому же современные стандарты позволяют подключать устройства через повторители (repeater) и концентраторы (hub), что резко сокращает количество проводов на столе пользователя. Следует отметить, что существуют однонаправленные (симплексные) интерфейсы (данные передаются в одну сторону) и двунаправленные (дуплексные) - обмен в обе стороны. Когда устройства проводят двусторонний обмен данными по очереди, разделяя одну сигнальную линию, то интерфейс называется полудуплексным. Помимо этого передача может идти последовательно (побитно) и параллельно по нескольким линиям группами битов: тетрадами (nibble), байтами или словами.

При всем богатстве выбора интерфейсов (АТА, SCSI, USB, 1394, Fibre Channel, LPT, PC Card), которые встречаются у устройств внешней памяти (как дисковых, так и ленточных), в большинстве случаев выбирать пока приходится между двумя основными - АТА (IDE) и SCSI.

Интерфейс АТА (IDE)

Интерфейс появился в результате переноса контроллера жесткого диска ближе к накопителю, то есть создания устройств со встроенным контроллером — IDE (Integrated Drive Electronics). Стандартный для AT контроллер жесткого диска был перенесен на плату электроники накопителя с сохранением регистровой модели.

Устройства IDE имеют ряд преимуществ перед устройствами с отдельным контроллером:

За счет минимального удаления контроллера от диска удается существенно повысить быстродействие.

Снимается проблема совместимости накопителей и контроллеров по физическим форматам записи.

Упрощается схемотехника адаптера и подключение устройств к шине компьютера.

В настоящее время в качестве официального названия интерфейса устройств IDE, ориентированного на подключение к шинам ISA и родственным им, применяют аббревиатуру ATA (AT Attachment — средства подключения к компьютеру AT).

Для устройств, логически отличающихся от жестких дисков - оптических, магнитооптических, ленточных и любых других, - в 1996 году была принята спецификация ATAPI. Это пакетное расширение интерфейса, которое позволяет передавать по шине ATA устройству блоки командной информации, структура которых позаимствована из SCSI.

В спецификации АТА фигурируют следующие компоненты:

Хост-адаптер — средства сопряжения интерфейса АТА с системной шиной. Простейший адаптер ATA содержит только буферы сигналов шины дешифратор зоны адресов. Все регистры и схемы кодирования размещены в самом устройстве IDE. Шина ATA требует выделения системных ресурсов – обязательно двух областей портов ввода/вывода и линии прерывания, и дополнительно может использоваться канал DMA. Также адаптеры ATA часто размещают на звуковых картах в качестве легкого средства подключения накопителей CD – ROM.

Кроме “классических” адаптеров подключения устройств с интерфейсом ATA к шине компьютера AT, существуют и гибридные адаптеры для подключения ATA HDD к шинам XT и MCA или, например, к LPT порту. Хостом будем называть компьютер с хост-адаптером интерфейса АТА.

Кабель-шлейф с двумя или тремя IDC-разъемами. В стандартном кабеле одноименные контакты всех разъемов соединяются вместе. Спецификация требует использования плоского многожильного кабеля (Flat cable stranded 28 AWG) типа ЗМ 3365-40 с 40 контактами или эквивалентного, возможно применение и экранированного кабеля (Flat cable stranded 28 AWG ЗМ 3517-40 shielded) с 80 контактами. Длина кабеля не должна превышать 0,46 м (18"), допустимая емкость проводников не более 35 пФ.

Ведущее устройство (Master), в спецификации АТА официально называемое Device-0 (устройство-0).

Ведомое устройство (Slave), в спецификации официально называемое Device-1 (устройство-1).

Если к шине АТА подключено одно устройство, оно должно быть ведущим. Если подключены два устройства, одно должно быть ведущим, другое — ведомым. О своей роли (ведущее или ведомое) устройства обычно «узнают» с помощью предварительно установленных конфигурационных джамперов. В редких случаях, когда применяется «кабельная выборка» CS роль устройства определяется его положением на специальном кабеле-шлейфе.

Оба подключенных устройства воспринимают команды от хост-адаптера одновременно. Однако исполнять команду будет лишь выбранное устройство.

Подключение устройств осуществляется 40- или 80-жильным кабелем, тактовая частота 16.5 МГц (половина частоты PCI), контроллер расположен в южном мосту (в случае ATA-100 может использоваться внешний контроллер).

Соответственно, пропускная способность в режиме PIO Mode 4 - 16.5 Мб/с, в режиме Ultra DMA33 - 33 Мб/с, Ultra DMA66 - 66 Мб/с (работа по обоим фронтам тактирующего сигнала и используется 80-жильный кабель, в котором сигнальные провода экранированы друг от друга заземленными, что позволило существенно улучшить временные параметры сигнала), Ultra DMA100 - 100 Мб/с, UltraDMA133 - до 133 Мбайт/с. Тут, как обычно, максимальная пропускная способность недостижима, и в любом случае скорость передачи ограничивается скоростью линейного чтения с диска. Единственный случай, когда скорость может приближаться к максимальной - если данные берутся непосредственно из буфера винчестера.

Интерфейс АТА (IDE) является самым массовым, у него есть ряд достоинств, но есть и недостатки, в ряде случаев делающие его применение нежелательным.

Плюсы АТА:

• Низкая цена устройств и кабелей, отсутствие потребности в терминаторах.

• Легкость конфигурирования устройства (у современных устройств достаточно указать его положение одним джампером).

• Относительно высокая скорость передачи данных.

• Высокая эффективность в простых конфигурациях (при отсутствии потребности в одновременной работе с двумя устройствами на одной шине).

Минусы АТА:

• Малое количество подключаемых устройств. К одной шине могут подключаться не более двух устройств, типовое количество шин — 2, максимальное — 4 (предел — 8 устройств в компьютере).

• Используется только для подключения внутренних устройств (правда, в их число могут входить и съемные винчестеры).

• Ассортимент устройств меньше, чем для SCSI, правда, все устройства широкого применения (винчестеры, НМОД, Zip, приводы CD и DVD, CD-рекордеры) существуют и с интерфейсом ATA/ATAPI.

• Низкая эффективность использования шины при работе многозадачных систем с несколькими устройствами. На время исполнения команды (до готовности к передаче данных) одно устройство блокирует шину, не позволяя даже дать задание другому. Средства многозадачности, описанные в АТА-4, гораздо слабее, чем в SCSI, и реально практически не используются.

• Незащищенность от ошибок передачи по шине. Контроль передач выполняется только в режимах UltraDMA, его поддержка применяется далеко не всегда (из-за несовершенства драйверов и незнания пользователей).

Новый интерфейс АТА133 имеет максимальную пропускную способность 133 Мбайт/с, но он не поддержан производителями и не стандартизирован.

Конечно, для многих современных дисков интерфейса АТА100 более чем достаточно, чтобы реализовать их скоростные возможности. И в этом смысле может быть не совсем понятно, зачем потребовался интерфейс АТА133. Ответить на этот вопрос можно так: дело здесь не в увеличившейся пропускной способности, а в максимально возможном объеме жесткого диска. Стандарт АТА100 допускает использование максимального объема жесткого диска до 137 Гбайт, что связано с 28-битной адресацией сектора. Современные диски вплотную подошли к этому пределу, поэтому дальнейшее увеличение емкости дисков просто невозможно в стандарте АТА100. В стандарте же АТА133 (и в этом его главное преимущество) используется 48-битная адресация сектора, что позволяет адресовать диски с невероятно большим объемом — 144 Пбайт (петабайт).

Интерфейс Serial ATA

Параллельный интерфейс ATA достиг пропускной способности 100 Мбайт/с в режиме
UltraDMA Mode 5.

Есть несколько способов повысить пропускную способность интерфейса: увеличить разрядность шины данных, или увеличить тактовую частоту передачи, или сделать и то и другое сразу. Однако практическая реализация таких способов наталкивается на непреодолимые (в настоящий момент) проблемы, поскольку увеличение разрядности шины данных (то есть когда передача становится все более «параллельной») накладывает жесткие ограничения на максимальную частоту передачи. Это вызывает сложности синхронизации, возникновение паразитных модуляционных сигналов при одновременном переключении сигналов в соседних проводах, интерференцию сигналов на высоких частотах и т.д. Поэтому для реализации большей пропускной способности был выбран путь последовательной передачи данных: разрядность шины данных свели к минимуму и повысили тактовую частоту передачи.

Для повышения пропускной способности интерфейса и был создан последовательный интерфейс Serial ATA.

Новый стандарт, в котором реализован метод последовательной передачи данных, получил название Serial АТА (Serialized AT Attachment). В этом стандарте версии 1.0 предусмотрена максимальная пропускная способность 155 Мбайт/с, а об ограничениях на размеры дисков можно просто забыть на ближайшие лет десять. Конечно, цифра 150 Мбайт/с не слишком впечатляет по сравнению со 133 Мбайт/с в стандарте РАТА133. Стандарт Serial АТА имеет весьма высокие потенциальные возможности, а в следующих версиях Serial АТА предусматривается удвоение скорости передачи, то есть сначала 300 Мбайт/с, а затем и 600 Мбайт/с. Учитывая, что на сегодняшний момент скорость чтения жестких дисков составляет порядка 50-60 Мбайт/с, это очень неплохой задел на будущее.

Правда, здесь нужно сделать одну оговорку. Сегодняшняя PCI-шина в обычных настольных ПК (не серверный вариант) является 32-битной и 33-мегагерцевой, а ее максимальная пропускная способность составляет 133 Мбайт/с. Следовательно, если контроллеры Serial АТА будут реализовываться как PCI-устройства, то все их преимущества сведутся на нет самой PCI-шиной. Поэтому, параллельно с разработкой нового стандарта SATA ведутся работы и по разработке новой универсальной шины PCI-Express.

Стандарт SATA150 подразумевает последовательную передачу данных, а потому в новых кабелях всего четыре провода. Одна пара работает на передачу, а другая — на прием, то есть реализуется полнодуплексный режим передачи.

В отличие от традиционного стандарта Parallel АТА, где длина кабеля не превышала 80 см, в стандарте SATA 1.0 размер кабеля может достигать 1 м, а ширина разъема всего 8 мм. Другой особенностью стандарта SATA является организация взаимодействия между контроллером и диском по принципу «точка-точка» (peer-to-peer).

В стандарте SATA к одному контроллеру каждый жесткий диск подключается своим кабелем, поэтому каждому устройству стандарта SATA предоставляется вся полоса пропускания целиком. Программно хост видит множество устройств, подключенных к контроллеру, как набор каналов ATA, у каждого из которых имеется единственное ведущее устройство.

Предусмотрена поддержка технологи hot swap (использование дисков с горячей заменой).

Стало возможным отключение и подключение дисков на ходу, при работающем компьютере. Новый винчестер автоматически определяется операционной системой (начиная с. Windows 98SE).

Serial АТА полностью программно совместим с Parallel АТА.

Также SATA отличается малым энергопотреблением — всего 250 мВ, в отличие от стандартных 5B y IDE. У нового интерфейса есть и еще одно преимущество - очень высокая помехозащищенность и невосприятие внешних электромагнитных полей.

Интерфейс SCSI

SCSI (Small Computer System Interface) – интерфейс системного уровня стандартизированный ANSI, в отличие от других интерфейсов, представляет собой шину: сигнальные выводы множества устройств – абонентов соединяются друг с другом “один в один”. В отличие от “жестких” шин расширения, SCSI – шина реализуется в виде кабельного шлейфа.

Интерфейс SCSI используется как во внутренних устройствах, так и во внешних. Интересно отметить, что, по сути, контроллер SCSI позволяет не просто соединить устройства, а формирует своеобразную универсальную шину на системном уровне. Это позволяет устройствам производить обмен друг с другом, минуя центральный процессор. SCSI-интерфейс позволяет подключать одновременно до 15 устройств к одному контроллеру (Fast Wide SCSI, Wide Ultra SCSI, Wide Ultra2 SCSI, Ultra3 SCSI) внутреннего и внешнего исполнения. Каждое подключенное устройство получает свой номер.

Одно из них — хост-адаптер (Host Adapter) связывает шину SCSI с системной шиной компьютера, семь других свободны для периферии. К шине могут подключаться дисковые внутренние и внешние накопители (винчестеры, сменные винчестеры, CD-ROM, магнитооптические диски и др.), стримеры, сканеры и другое оборудование, применяемое не только для IBM PC.

Каждое устройство, подключенное к шине, имеет свой идентификатор SCSI ID, который передается позиционным кодом по 8-битной шине данных (отсюда и ограничение на количество устройств на шине). Устройство (ID) может иметь до 8 подустройств со своими LUN (Logical Unit Number — логический номер устройства). Любое устройство может инициировать обмен с другим целевым устройством (Target). Режим обмена по SCSI-шине может быть асинхронным или более производительным — синхронным с согласованием скорости (Synchronous Negotiation), передача данных контролируются по паритету.

У интерфейса SCSI самый главный недостаток — более высокая цена как на устройства, так и на адаптеры и аксессуары (кабели и терминаторы).

Плюсы SCSI:

• Большое число устройств, которые можно подключить: до 7 устройств к одной узкой (или гибридной) шине контроллера и до 15 к широкой. Контроллер может быть 2-, 3-канальным, контроллеров может быть установлено несколько.

• Используется для подключения и внутренних, и внешних устройств.

• Высокая скорость передачи данных по шине — у распространенных современных устройств и контроллеров Wide Ultra2 SCSI — 80 Мбайт/с, у «продвинутых» Ultra3 — 160 Мбайт/с, в ближайшее время ожидается 320 Мбайт/с.

• Высокая эффективность использования шины в многозадачных системах: на время выполнения команды (пока данные к передаче не готовы) устройство не занимает шину, освобождая ее для обмена контроллера с другими устройствами.

• Высокая эффективность работы устройств в многозадачных системах: поддержка очередей и цепочек команд.

• Широкий ассортимент подключаемых устройств, выпускаемых как для IBM PC-совместимых компьютеров, так и для других платформ.

Минусы SCSI:

• Высокая цена устройств и контроллеров, усугубляемая ценой кабелей и терминаторов.

• Сложность конфигурирования (установка большого числа конфигурационных джамперов, правильная установка терминаторов).