Контроллеры. Порты ввода-вывода

Firewire. Преимущества: Горячее подключение — возможность переконфигурировать шину без выключения компьютера. Различная скорость передачи данных — 100, 200 и 400 Мбит/с в стандарте IEEE 1394/1394a, дополнительно 800 и 1600 Мбит/с в стандарте IEEE 1394b и 3200 Мбит/с в спецификации S3200. Гибкая топология — равноправие устройств, допускающее различные конфигурации (возможность «общения» устройств без компьютера). Высокая скорость — возможность обработки мультимедиа-сигнала в реальном времени. Поддержка изохронного трафика. Поддержка атомарных операций — сравнение/обмен, атомарное увеличение (операции семейства LOCK — compare/swap, fetch/add и т. д.). Открытая архитектура — отсутствие необходимости использования специального программного обеспечения. Наличие питания прямо на шине (маломощные устройства могут обходиться без собственных блоков питания). До полутора Ампер и напряжение от 8 до 40 Вольт. Подключение до 63 устройств.

Существует стандарт SBP-2 — SCSI поверх 1394. Широко используется для подключения внешних корпусов с жесткими дисками к компьютерам — корпус содержит чип моста 1394-ATA. Скорость до примерно 27 МБ/с, что превышает скорость USB 2.0 как интерфейса к устройствам хранения данных, равную примерно 22 МБ/с. Поддерживается в ОС семейства Windows c Windows 98 и по сей день (октябрь 2009). Также поддерживается в популярных ОС семейства UNIX. Интересно, что около 1998 г. содружество компаний, в том числе Microsoft, развивали идею обязательности 1394 для любого компьютера и использования 1394 внутри корпуса, а не только вне него. Существовали даже карты контроллеров с одним из разъемов, направленным внутрь корпуса. Также существовала идея Device Bay, то есть отсека для устройства со встроенным в отсек разъемом 1394 и поддержкой горячей замены. Все это прослеживается в материалах Microsoft той поры, предназначенных для разработчиков компьютеров. Можно сделать вывод, что 1394 предлагали как замену ATA, то есть на роль, ныне выполняемую SATA. Все эти идеи быстро кончились провалом, одна из главных причин — лицензионная политика Apple, требующего выплат за каждый чип контроллера. MiniDV видеокамеры. Исторически первое использование шины. Используется и по сей день как средство копирования фильмов с MiniDV в файлы. Возможно и копирование с камеры на камеру. Видеосигнал, идущий по 1394, идет практически в том же формате, что и хранится на видеоленте. Это упрощает камеру, снижая требования к ней по наличию памяти. В ОС Windows подключенная по 1394 камера является устройством DirectShow. Захват видео с такого устройства возможен в самых разнообразных приложениях — Adobe Premiere, Ulead Media Studio Pro, Windows Movie Maker. Существует также огромное количество простейших утилит, способных выполнять только этот захват. Возможно также и использование тестового инструмента Filter Graph Editor из свободно распространяемого DirectShow SDK. Использование 1394 c miniDV положило конец проприетарным платам видеозахвата. Нужно обратить внимание на то, что, несмотря на цифровую природу 1394 и miniDV, изохронный трафик не защищен от искажений никак, и в некоторых случаях качество захваченного видео зависит от геометрии расположения кабеля на рабочем столе. Интересным свойством контроллеров 1394 является способность читать и писать произвольные адреса памяти со стороны шины без использования процессора и ПО. Это проистекает из богатого набора асинхронных транзакций 1394, а также из ее структуры адресации. Эта возможность чтения и редактирования памяти через 1394 без помощи процессора послужила причиной использования 1394 в двухмашинном отладчике ядра Windows — WinDbg. Такое использование существенно быстрее последовательного порта, но требует ОС не ниже Windows XP с обеих сторон. Организация устройств IEEE 1394. Устройства IEEE 1394 организованы по трехуровневой схеме — Transaction, Link и Physical, соответствующие трем нижним уровням модели OSI. Transaction Layer — маршрутизация потоков данных с поддержкой асинхронного протокола записи-чтения.

Link Layer — формирует пакеты данных и обеспечивает их доставку. Physical Layer — преобразование цифровой информации в аналоговую для передачи и наоборот, контроль уровня сигнала на шине, управление доступом к шине. Связь между шиной PCI и Transaction Layer осуществляет Bus Manager. Он назначает вид устройств на шине, номера и типы логических каналов, обнаруживает ошибки. Данные передаются кадрами длиной 125 мкс. В кадре размещаются временные слоты для каналов. Возможен как синхронный, так и асинхронный режимы работы. Каждый канал может занимать один или несколько временных слотов. Для передачи данных устройство-передатчик просит предоставить синхронный канал требуемой пропускной способности. Если в передаваемом кадре есть требуемое количество временных слотов для данного канала, поступает утвердительный ответ и канал предоставляется. Спецификации FireWire 1. IEEE 1394 В конце 1995 года IEEE принял стандарт под порядковым номером 1394. В цифровых камерах Sony интерфейс IEEE 1394 появился раньше принятия стандарта и под названием iLink. Интерфейс первоначально позиционировался для передачи видеопотоков, но пришёлся по нраву и производителям внешних накопителей, обеспечивая высокую пропускную способность для современных высокоскоростных дисков. Сегодня многие системные платы, а также почти все современные модели ноутбуков поддерживают этот интерфейс. Скорость передачи данных — 100, 200 и 400 Мбит/с, длина кабеля до 4,5 м. 2. IEEE 1394a В 2000 году был утверждён стандарт IEEE 1394а. Был проведён ряд усовершенствований, что повысило совместимость устройств. Было введено время ожидания 1/3 секунды на сброс шины, пока не закончится переходный процесс установки надёжного подсоединения или отсоединения устройства. 3. IEEE 1394b В 2002 году появляется стандарт IEEE 1394b с новыми скоростями: S800 — 800 Мбит/с и S1600 — 1600 Мбит/с. Соответствующие устройства обозначаются FireWire 800 или FireWire 1600, в зависимости от максимальной скорости. Изменились используемые кабели и разъёмы. Для достижения максимальных скоростей на максимальных расстояниях предусмотрено использование оптики, пластмассовой — для длины до 50 метров, и стеклянной — для длины до 100 метров. Несмотря на изменение разъёмов, стандарты остались совместимы, что позволяет использовать переходники. 12 декабря 2007 года была представлена спецификация S3200 [2] с максимальной скоростью — 3,2 Гбит/с. Для обозначения данного режима используется также название «beta mode» (схема кодирования 8B10B (англ.)). Максимальная длина кабеля может достигать 100 метров. 4. IEEE 1394.1 В 2004 году увидел свет стандарт IEEE 1394.1. Этот стандарт был принят для возможности построения крупномасштабных сетей и резко увеличивает количество подключаемых устройств до гигантского числа — 64 449. 5. IEEE 1394c Появившийся в 2006 году стандарт 1394c позволяет использовать кабель Cat 5e от Ethernet. Возможно использовать параллельно с Gigabit Ethernet, то есть использовать две логические и друг от друга не зависящие сети на одном кабеле. Максимальная заявленная длина — 100 м, Максимальная скорость соответствует S800 — 800 Мбит/с. Существуют четыре (до IEEE 1394c — три) вида разъёмов для FireWire: 4pin (IEEE 1394a без питания) стоит на ноутбуках и видеокамерах. Два провода для передачи сигнала (информации) и два для приема. 6pin (IEEE 1394a). Дополнительно два провода для питания. 9pin (IEEE 1394b). Дополнительные провода для приёма и передачи информации. RJ-45 (IEEE 1394c).

USB Кабель USB состоит из 4 медных проводников — 2 проводника питания и 2 проводника данных в витой паре, и заземленной оплётки/экрана. Кабели USB ориентированы, то есть имеют физически разные наконечники «к устройству» и «к хосту». Возможна реализация USB устройства без кабеля, со встроенным в корпус наконечником «к хосту». Возможно и неразъёмное встраивание кабеля в устройство, как в мышь (стандарт запрещает это для устройств full и high speed, но производители его нарушают). Существуют (хотя и запрещены стандартом) и пассивные USB удлинители, имеющие разъемы «от хоста» и «к хосту». Шина строго ориентирована, имеет понятие «главное устройство» (хост, он же USB контроллер, обычно встроен в микросхему южного моста на материнской плате) и «периферийные устройства». Шина имеет древовидную топологию, поскольку периферийным устройством может быть разветвитель (hub), в свою очередь имеющий несколько нисходящих разъемов «от хоста». Разветвитель есть сложное электронное устройство, пассивных разветвителей не бывает. Соединение 2 компьютеров — или 2 периферийных устройств — пассивным USB кабелем невозможно. Существуют активные USB кабели для соединения 2 компьютеров, но они включают в себя сложную электронику, эмулирующую Ethernet адаптер, и требуют установки драйверов с обеих сторон. Устройства могут быть запитаны от шины, но могут и требовать внешний источник питания. Поддерживается и «спячка» устройств и разветвителей по команде с шины со снятием основного питания при сохранении дежурного питания и пробуждением по команде с шины. USB поддерживает «горячее» подключение и отключение устройств. На логическом уровне устройство USB поддерживает транзакции приема и передачи данных. Каждый пакет каждой транзакции содержит в себе номер оконечной точки (endpoint) на устройстве. При подключении устройства драйверы в ядре ОС читают с устройства список оконечных точек и создают управляющие структуры данных для общения с каждой оконечной точкой устройства. Совокупность оконечной точки и структур данных в ядре ОС называется каналом (pipe). Оконечные точки, а значит, и каналы, относятся к одному из 4 классов — поточный (bulk), управляющий (control), изохронный (isoch) и прерывание (interrupt). Низкоскоростные устройства, такие, как мышь, не могут иметь изохронные и поточные каналы. Управляющий канал предназначен для обмена с устройством короткими пакетами «вопрос-ответ». Любое устройство имеет управляющий канал 0, который позволяет программному обеспечению ОС прочитать краткую информацию об устройстве, в том числе коды производителя и модели, используемые для выбора драйвера, и список других оконечных точек. Канал прерывания позволяет доставлять короткие пакеты и в том, и в другом направлении, без получения на них ответа/подтверждения, но с гарантией времени доставки — пакет будет доставлен не позже, чем через N миллисекунд. Например, используется в устройствах ввода человеком (клавиатуры/мыши/джойстики). Изохронный канал позволяет доставлять пакеты без гарантии доставки и без ответов/подтверждений, но с гарантированной скоростью доставки в N пакетов на один период шины (1 КГц у low и full speed, 8 КГц у high speed). Используется для передачи аудио- и видеоинформации. Поточный канал дает гарантию доставки каждого пакета, поддерживает автоматическую приостановку передачи данных по нежеланию устройства (переполнение или опустошение буфера), но не дает гарантий скорости и задержки доставки. Используется, например, в принтерах и сканерах. Время шины делится на периоды, в начале периода контроллер передает всей шине пакет «начало периода». Далее в течение периода передаются пакеты прерываний, потом изохронные в требуемом количестве, в оставшееся время в периоде передаются управляющие пакеты и в последнюю очередь поточные. Активной стороной шины всегда является контроллер, передача пакета данных от устройства к контроллеру реализована как короткий вопрос контроллера и длинный, содержащий данные, ответ устройства. Расписание движения пакетов для каждого периода шины создается совместным усилием аппаратуры контроллера и ПО драйвера, для этого многие контроллеры используют крайне сложный DMA со сложной DMA-программой, формируемой драйвером. Размер пакета для оконечной точки есть вшитая в таблицу оконечных точек устройства константа, изменению не подлежит. Он выбирается разработчиком устройства из числа тех, что поддерживаются стандартом USB. В USB два режима передачи данных: режим с высокой пропускной способностью (Full-Speed) — 12 Мбит/с режим с низкой пропускной способностью (Low-Speed) — 1,5 Мбит/с максимальная длина кабеля для режима с высокой пропускной способностью — 3 м максимальная длина кабеля для режима с низкой пропускной способностью — 5 м максимальное количество подключённых устройств (включая размножители) — 127 возможно подключение устройств, работающих в режимах с различной пропускной способностью к одному контроллеру USB напряжение питания для периферийных устройств — 5 В максимальный ток, потребляемый периферийным устройством — 500 мА Для устройств USB 2.0 регламентировано три режима работы: Low-speed, 10—1500 Кбит/c (используется для интерактивных устройств: клавиатуры, мыши, джойстики) Full-speed, 0,5—12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства) Hi-speed, 25—480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации).

Дата добавления: 2014-01-20