5257

81

устройств, таких как клавиатура и мышь.

Интерфейс USB имеет встроенные линии электропитания, благодаря чему позволяет использовать устройства без собственного источника питания или одновременно с обменом данными подзаряжать аккумуляторы оконечных устройств, например телефонов.

Все три стандарта USB (1.0, 2.0 и 3.0) совместимы снизу-вверх, то есть устройства, предназначенные для USB 1.0, будут работать с интерфейсом USB 2.0, соответственно, устройства, предназначенные для USB 2.0, будут работать с

USB 3.0.

Порт IEEE 1394 & FireWire (в спецификации Apple). IEEE 1394 или

FireWire (для компьютеров платформы Apple), – это последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами. Благодаря невысокой цене и большой скорости передачи данных эта шина становится новым стандартом шины ввода-вывода для персонального компьютера. Её изменяемая архитектура и одноранговая топология делают FireWire идеальным вариантом для подключения устройств обработки аудио- и видеоинформации. Эта шина также подходит для работы мультимедийных приложений в реальном времени. Сегодня различают два стандарта – IEEE 1394a, IEEE 1394b. Они различаются по скорости обмена: 60 Мбайт/с и 120 Мбайт/с. Впервые появились на материнских платах для Pentium III. Количество их ограничивается: 1 – 2 портами на плате (устанавливается не на всех системных платах). Предназначена для подключения высокоскоростных периферийных устройств, таких как внешние жёсткие диски, цифровые видеокамеры, сканеры, музыкальные синтезаторы и другие. Особенно востребована мультимедийными ПК.

Основные технические характеристики шины следующие: максимальная скорость передачи данных изменяется от 400 Мбит/с, у IEEE 1394a, до 3,2 Гбит/с, у IEEE 1394b; максимальная длина связи между двумя устройствами изменяется от 4,5 метров, у IEEE 1394a, до 100 метров, у IEEE 1394b и старше.

Стандарт IEEE 1394 (Institute of Electrical and Electronic Engineers) принят в

1995 году. На продукции других компаний этот порт называются по другому: у

Sony – iLINK, у Yamaha – mLAN; у Texas Instruments – Lynx, у Creative – SB1394. Несмотря на разные названия, тот же IEEE 1394, работающий по одному и тому же протоколу.

Рассмотренные порты ввода-вывода являются встроенными (стационарные) в системные платы и их количество определяется производителем и возможно-

82

стями, заложенными в чипсетах. В заключение обзора портов обратим внимание на следующие преимущества последних двух типов портов USB, IEEE 1394:

высокая скорость обмена информацией, что даёт возможность эффективно работать с различными компонентами ПК;

поддержку "горячей замены" и "горячей установки" устройств, без настройки и конфигурирования системы;

низкое энергопотребление (5 В) и поддержку функций энергосбережения;

не требуют дополнительного электропитания для большинства малогабаритных устройств (цифровые фотокамеры, flash-память, МР3 проигрыватели и т.п.). Запитываются, заземляются и даже заряжаются от самого порта;

наличие USB портов практически на всех периферийных устройствах, портативных компьютерах (КПК, ноутбуках, планшетных ПК) и смартфонах и других;

длина соединительного кабеля: от 3 – до 5 метров (у USB портов), от 4.5 метров до 100 метров (у IEEE 1394);

малогабаритные и др.

5.6. Беспроводные интерфейсы

Использованием только проводных подключений периферийных устройств к компьютеру не ограничились. Учёные активно работали и в области беспроводных технологий. Так были разработаны и утверждены следующие стандарты беспроводной связи, часть из которых можно отнести и к области стандартов локальных компьютерных сетей.

IrDA (Infrared Data Association) – инфракрасный порт (ИК-порт), в качестве среды передачи данных используется инфракрасный диапазон световых волн. Аппаратная реализация IrDA выполнена в виде связанной пары элементов, состоящих из излучателя, в виде инфракрасного светодиода, и приёмника, в виде фотодиода расположенных на каждой из сторон линии связи. Наличие и передатчика и приёмника на каждом из взаимодействующих устройств является необходимым для использования протоколов гарантированной доставки данных.

ИК-портами оснащались некоторые мобильные телефоны, ряд ноутбуков и карманных компьютеров, а также часть принтеров и цифровых фотоаппаратов. Также использовались для подключения клавиатуры и мышки в настольных ПК,

83

чтобы уменьшить проводную связь.

Эта технология была особо популярна в конце 1990-х начале 2000-х годов. В данное время практически вытеснена более современными способами связи, такими как Wi-Fi и Bluetooth. Основные причины отказа от IrDA были:

низкие скорости передачи: от 2,4 Кбит/с до 1 Мбит/с (в редких случаях 3 – 5 Мбит/с);

ограниченная дальность действия и необходимость прямой видимости для связи пары приемник-передатчик. Поэтому используется, как правило, в пределах одного помещения;

отсутствие инфракрасного порта в настольных ПК в стандартной конфигурации. Для использования IrDA необходимо подключение к компьютеру ИК-адаптера посредством USB (или СОМ-порта) и др.

Следует отметить и достоинства IrDA:

не требует проводов (их и так достаточно на рабочем столе);

нечувствителен к электромагнитным помехам (устойчивая передача данных особенно в сложных производственных условиях);

в отличие от радиосвязи, не требует лицензирования в соответствующих инспекциях и органах надзора;

не вреден для здоровья, в отличие от радиоканала.

Bluetooth (в переводе "голубой зуб") – это технология беспроводной связи, обеспечивающая соединение различных устройств, прежде всего персонального компьютера с КПК, сотовым телефоном, ноутбуком, принтером, цифровым фотоаппаратом, наушниками и между собой. Первой к разработке Bluetooth приступила компания Ericsson в 1994 г. Затем в 1998 г. была образована рабочая группа, куда вошли такие известные фирмы, как IBM, Intel, Nokia и др. Результатом работы группы стал международный стандарт IEEE 802.15.1. Последняя известная на сегодня спецификация имеет стандарт Bluetooth 4.0.

Для соединения через интерфейс Bluetooth устройства должны поддерживать Bluetooth технологию и при необходимости оснащаться соответствующими драйверами или программами. Для Bluetooth, в отличие от IrDA, не требуется прямой видимости между устройствами, а на дальность связи накладывают ограничения лишь мощность передатчика и конструкция антенны. Так при использовании специализированной направленной антенны с помощью Bluetooth можно передать информацию на расстояние до 1 км. Обычно данная технология

84

обеспечивает взаимодействие устройств в пределах 10 – 100 метров.

Не поддерживается соединение Bluetooth устройств через такие разъёмы персонального компьютера, как PCI, последовательные порты COM, PC Card и другие интерфейсы.

Преимущества стандарта Bluetooth:

низкое энергопотребление;

средняя скорость обмена (порядка 3 – 5 Мбит/с);

возможность использования многоточечного соединения, которое позволяет одно Bluetooth-устройство связать с множеством других устройств одновременно;

поддержка встроенных на материнской плате Bluetooth-адаптеров или внешних, присоединённых через порт USB;

диапазон рабочих частот в границах 2,4 – 2,48 Ггц, который не требует лицензирования;

способность «обходить» препятствия: для соединения устройств не требуется прямая видимость между ними (в этом состоит главное преимущество Bluetooth перед своим предшественником – инфракрасной передачей данных).

Wi-Fi (Wireless Fidelity) – беспроводной интерфейс связи, созданный в 1991 году компанией NCR Corporation/AT&T. Wi-Fi основывается на стандарте IEEE 802.11 и используется, как для связи с периферийными устройствами, так и для организации локальных сетей. Wi-Fi, в переводе на русский, означает "беспроводная надёжность". Данный интерфейс позволяет соединять два компьютера или компьютер и периферийное устройство напрямую по технологии точкаточка либо организовывать сеть с использованием точки доступа, к которой одновременно могут подключаться несколько устройств. Максимальная скорость передачи данных зависит от используемой версии стандарта IEEE 802.11, но на практике имеет скорости значительно ниже, чем теоретически заявленные параметры. Ограничения на скорость накладываются наличием препятствий на пути распространения сигнала, расстоянием между источником сигнала и приемником и другими факторами (например, радиопомехами).

Пропускная способность Wi-Fi сильно меняется в зависимости от версии стандарта. На практике средняя пропускная способность, как правило, будет в 2 – 3 и более раза меньше заявленной максимальной пропускной способности канала (см. таблица 5.2).

85

Как видно из проведённого обзора, используемые в компьютерах порты вво- да-вывода обновляются довольно интенсивно, особенно в части повышения скорости обмена между всеми устройствами ПК. Так, вместо низкоскоростных параллельного (LPT) и последовательного (COM) портов появилась USB – универсальная последовательная шина, которая является наиболее распространённой. Она значительно превосходит их по скорости и универсальности применения и постоянно развивается. На всех современных системных платах установлено от 6 до 14 портов USB 2-го и 3-го поколений.

Совершенствуются и беспроводные технологии. В конечном счёте информационные технологии постоянно выходят на новые этапы своего развития.

Таблица 5.2 – Заявленная и фактическая скорости передачи данных Wi-Fi

5.7. Интерфейсы для подключения дисковых устройств

По настоящему компьютер стал персональным только с появлением в системном блоке жёсткого диска – HDD (Hard Disk Drive). IBM представила жёсткий диск для мини-ЭВМ, а затем и для ПК в 1973 г с кодовым названием Winchester (винчестер). Необычное название связи с тем, что размеры и обозначение первого жёсткого диска «30/30» случайно совпали с калибром популярной американской винтовки. HDD являются носителями с прямым методом доступа, что обеспечивает высокую скорость доступа к данным (файлам).

Для того чтобы обмениваться данными с микропроцессором, оперативной памятью и другими компонентами ПК, жёсткий диск подключён к материнской плате специальным шлейфом, по которому передаются данные и команды управления диском. Этот шлейф подключается к разъёму на материнской плате,

86

который и является выводом локальной шины (интерфейса). Рассмотрим различные интерфейсы подключения жёстких дисков.

Различают HDD, главным образом, по типу подключения (интерфейсу) к материнской плате. Физически интерфейс представлен особым разъёмом, который имеет разные размеры и количество контактов. Это привело соответственно к различным типам интерфейсов, каждый из которых применяет свой подход к передачи информации по локальной шине.

В компьютерных технологиях на данный момент известны два проводных способа передачи информации как от внутренних, так и от периферийных устройств – параллельный и последовательный. Ранее уже отмечалось, что намечается постепенный переход на применение последовательного варианта, который упрощает конструкцию материнской платы. Это происходит за счёт уменьшения габаритных размеров разъёмов и соответственно меньшего количества проводящих каналов.

Длительное время подключение всех дисковых устройств (винчестера, CD-, DVD ROM) к материнской плате осуществлялось только по технологии параллельного способа соединения. Сегодня его называют как PATA (Parallel

Advanced Technology Attachment). С 2001 года начал внедряться новый интер-

фейс Serial ATA (SATA). Новый Serial ATA, как следует из названия, является последовательным.

Название PATA появилось в литературе относительно недавно (с 2003 года) в связи с появлением на рынке винчестеров другого типа SATA. До этого все они имели единый интерфейс АТА (Advanced Technology Attachment), который развивался прежде всего в плане увеличения скорости передачи данных по локальной шине, преимущественно за счёт расширения разрядности шины.

IDE/АТА. Первоначально все интерфейсы для подключения винчестера назывались как IDE (Integrated Drive Electronics). IDE был разработан фирмой

Western Digital (США) в 1986 г. Интерфейс состоит из аппаратной и программной частей. Затем появился новый усовершенствованный вариант – EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics). В этот же период национальным институ-

том стандартизации США (ANSI) была разработана и принята серия стандартов для подключения дисковых устройств IBM совместимых компьютеров, который стал называться АТА. Названия указанных стандартов используются как синонимы для интерфейсов IDE и EIDE. Термины IDE/ATA и ATA/IDE имеют аналогичный смысл. ATA характеризует техническое исполнение жёсткого диска (HDD) с контроллером, интегрированным в систему самого жёсткого диска. Су-

87

ществует несколько версий АТА, разработанных комитетом стандартов. Наиболее известны такие названия, как ATA и ATAPI. Интерфейс АТА не предназначен для внешних подключений и не поддерживает шлейфы длиной более 60 см. Применялись 40-контактные шлейфы и более новые – 80-контактные. На рынке присутствовали четыре основных стандарта IDE-дисков – АТА/33, АТА/66, АТА/100 и АТА/133. Дробь числа показывает максимальную пропускную способность данных в мегабайтах в секунду.

ATAPI (ATA Packet Interface) предназначался для подключения CD и DVD

дисководов. Один канал АТА может поддерживать до двух дисковых устройств: первый (главный) обозначается – "master", второй – "slave". Установка приоритетов дисковых устройств осуществлялась пользователем посредством специальных перемычек на винчестере.

Существует несколько стандартов интерфейса PATA, отличающиеся скоростью передачи данных, режимами работы и другими особенностями. Ниже приведены основные ревизии интерфейса PATA (см. рисунок 5.3).

Таблица 5.3 – Скоростные характеристики интерфейса PATA

Фактическая скорость работы шины гораздо ниже теоретической. Если к шине подключено два жёстких диска, то пропускная способность будет делиться между ними.

SATA. Принципиальная разница между IDE/АTA (PATA) и новым SATA, в том что Serial АTA является последовательным, а предыдущие (PATA) имели параллельный интерфейс. Главным основанием для перехода с параллельного на последовательный интерфейс (кроме увеличения скорости передачи данных) можно считать отказ от использования многожильного 80-контактного шлейфа.

88

В SATA применяется более тонкий и компактный кабель длиной до 1 м, что упрощает доступ к различным элементам компьютера. Благодаря такому решению оптимизируется компоновка устройств на материнской плате и, что также важно, улучшается вентиляция и теплообмен внутри корпуса ПК. Отдельным кабелем на жёсткий диск подаётся питание.

У интерфейса SATA есть ещё одно преимущество – возможность горячего подключения устройств, что снижает риск случайного повреждения данных на HDD и упрощает процесс сборки компьютерной системы. На современных материнских платах предлагается от 4 до 8 интерфейсов стандартов SATA 2.0 –3.0.

Существует три основных стандарта интерфейса SATA. Их основные параметры приведены в таблице 5.4.

Таблица 5.4 – Скоростные характеристики интерфейса SATA

В настоящее время ведутся разработки нового стандарта SATA 4.0, предполагаемая теоретическая скорость обмена достигнет 12 Гбит/с.

SCSI. SCSI (Small Computer System Interface) высокоскоростной интерфейс для подключения прежде всего винчестеров, а также для устройств, с помощью которых идёт передача больших объёмов информации (приводы DVD и BlueRay, сканеры, принтеры). SCSI был разработан в начале 1970-х годов для миниЭВМ, а затем перешли на серверный рынок. Основной задачей того времени было (да и остаётся сегодня) увеличение скорости обмена информации между периферийными устройствами. Первые интерфейсы SCSI обеспечивали скорость обмена до 160 Мбайт/с. SCSI стал стандартным интерфейсом для серверов. SCSI-привода работают со скоростью от 10000 до 15000 об./мин, которые быстрее винчестеров стандарта PATA и SATA как минимум в два раза. И хотя по стоимости SCSI обходился существенно дороже IDE, но большие затраты компенсировались высокой пропускной способностью, а также поддержкой большего количества устройств на одном канале, увеличенной длиной кабелей (до 12

89

м), поддержкой нескольких внешних устройств и многозадачностью. Для подключения SCSI-устройств на материнской плате должен иметься специальный разъём. Необходимо заметить, что для массового потребителя этот разъём не рассчитан и на обычных материнских платах отсутствует.

Обычная шина SCSI может нести на себе до 8 устройств, а широкая (wide) – до 16. Сам SCSI-контроллер занимает один адрес, а остальные 15 оставляет для подключаемых устройств. Существует множество различных вариантов SCSI.

Главное преимущество SCSI выражается термином high-end, то есть самые быстрые, самые объёмистые жёсткие диски имеют интерфейс SCSI.

Развитие интерфейса как SCSI продолжалось до 2005 г. и закончилось выпуском для профессиональных жёстких дисков Ultra320 SCSI (SCSI 3.0). Дальнейший период развития этого направления плавно перешёл в следующий этап раз-

вития под названием SAS (Serial Attached SCSI 2.0).

SAS. Как уже не раз отмечалось, основной характеристикой любого интерфейса является скорость обмена данными. По существу, SAS продолжил линейный ряд SCSI интерфейса и отличается от него повышенным напряжением питания и дальнейшим развитием скоростных характеристик. Первое поколение SAS появилось со скоростью передачи данных 3 Гбит/с ещё в 2004 году и пришло на рынок в 2005 – 2006 годах. Спустя пять лет, то есть в 2010 году, был представлен SAS-2 (6 Гбит/с) – устройства с его поддержкой поступили в продажу в 2010 году. И в конце 2012 года предложены первые разработки SAS-3 со скоростью передачи уже 12 Гбит/с. Сегодня (2014 г.) на рынке имеются материнские платы

иустройства с поддержкой SAS третьего поколения. Напомним, что раньше контроллеры SCSI редко встраивались в материнскую плату, так как были достаточно дорогостоящие.

Вбольшинстве случаев устройства с интерфейсом SAS подключаются посредством плат расширения по шине PCI или PCI Express. Имеются также специальные устройства для соединения, например 16-портовый SAS-коммутатор LSI SAS6160. С его помощью многочисленные серверы можно подключить к одной или нескольким независимым внешним системам хранения данных (СХД), используя при этом высочайшую пропускную способность. Суммарная же пропускная способность такого коммутатора достигает фантастических 384 Гбит/с. Коммутатор LSI SAS6160 поддерживает до 1000 адресов устройств SAS

иSATA.

Особенности интерфейсов SCSI и SAS:

90

шина SCSI была общая, позволяющая подключать до 16 устройств, и все устройства делили между собой пропускную способность шины; а SAS использует топологию точка-точка и, следовательно, каждое устройство подключается своей линией связи и получает всю пропускную способность шины;

поддержка дисковых устройств со скоростью вращения 10 000 и 15 000 об./мин;

версия SAS 3.0, обладает пропускной способностью – 12 Гбит/с, а SCSI достигла максимума в 6 Гбит/с;

оба интерфейса поддерживают длину кабеля 10 – 12 м;

с помощью внешнего кабеля и расширителя портов можно подключить до 255 устройств;

версия SAS 3.0 поддерживает твёрдотельные диски – SSD.

Спецификации интерфейса SAS разрабатывает технический комитет T10 Международного комитета по ИТ-стандартам, или INCITS (International

Committee for Information Technology Standards)17.

6.Микропроцессоры

6.1.Архитектура и параметры процессоров

Микропроцессор (МП, процессор) или более полно ЦПУ (CPU – central processing unit) является центральным компонентом компьютера. Это компонент, который прямо или косвенно управляет всем происходящим в компьютерной системе.

Каждый микропроцессор имеет определённое число элементов памяти, называемых регистрами, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления.

Регистры памяти используются для временного хранения выполняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации микропроцессора. В АЛУ производится арифметическая и логическая обработка данных. Устройство управления вырабатывает необходимые управляющие сигналы для внутренней работы микропроцессора и связи микропроцессора с другими компонентами компьютера через процессорную шины.

Существует несколько направлений в производстве микропроцессоров. Они различаются принципами построения архитектуры процессора. Наиболее рас-

17 www.incits.org