Последовательные шины (USB и IEEE 1394)

Шина SCSI обладает многими полезными для нас свойствами. Шина PCI обладает рядом других полезных свойств. Объединяя лучшие черты каждой из шин и используя накопленный ими опыт, инженеры создали интерфейсы, которые по основным параметрам превосходят все предыдущие до них. Эти интерфейсы в настоящее время появляются на рынке.

Одним из них является универсальная последовательная шина (Universal Serial Bus, USB). Другой стандарт во многом аналогичен первому, но оптимизирован для обеспечения более высоких скоростей передачи данных, в настоящее время этот стандарт называется по имени разработавшего его комитета по стандартам, IEEE 1394. (Фирма Apple Computer, участвовавшая в разработке этого стандарта, дала ему более благозвучное имя "Firewire", но они оформили это название в качестве товарного знака и пока никому не позволяют его использовать.)

У этих двух стандартов, возможно, намного больше общего, чем различий.

Прежде всего, оба они — стандарты последовательного интерфейса. Это означает, что за один такт они передают в канал всего один бит информации. Это кажется медленным, пока вы не узнаете, что в самом медленном режиме скорость передачи составляет 1/2 миллиона бит каждую секунду. В самом быстром режиме скорость передачи превышает тысячу миллионов бит в секунду. Даже если в среднем для передачи одного байта потребуется передать примерно 10 бит, такие скорости впечатляют.

Кроме того, к каждой шине можно подключить целый пучок различных периферийных устройств, начиная с клавиатуры, мыши, "интеллектуального" громкоговорителя или "интеллектуального" микрофона и заканчивая видеокамерой, проигрывателем DVD дисков или жестким диском. Фактически, можно подключать все перечисленные и многие другие устройства одновременно.

И вот тут начинают проявляться различия между этими шинами. Шина USB специально разработана для периферийных устройств, характеризующихся низкой или средней скоростями передачи данных. Например, клавиатура должна посылать в PC несколько бит информации в секунду и получать еще меньшие объемы информации обратно. Она представляет собой типичное медленное устройство. В интеллектуальный (smart) громкоговоритель (под которым я подразумеваю устройство, способное принимать цифровые данные и преобразовывать их в звуки), будет поступать гораздо больше бит в секунду, но нескольких сотен тысяч вполне достаточно. Он представляет собой типичное периферийное устройство со средним быстродействием.

Шина USB позволяет обмениваться информацией с этими устройствами в двух режимах. В медленном режиме она осуществляет связь со скоростью 1,5 Мбит/с. В режиме среднего быстродействия она работает в восемь раз быстрее, и скорость передачи данных составляет 12 Мбит/с. Если преобразовать эти скорости передачи данных в байты в секунду, вы получите величины от 150 до 200 Кб/с (что приблизительно соответствует предельной скорости передачи стандартного последовательного порта) и даже немного выше 1 Мб/с (что близко к предельной скорости передачи параллельного порта в режиме ЕРР).

С другой стороны, интерфейс IEEE 1394 используется для высокоскоростной передачи больших объемов информации. Минимальная скорость передачи данных по этой шине примерно в восемь раз выше, чем максимальная скорость передачи по шине USB. .А предполагаемая максимальная скорость передачи (пока еще достигнутая только в лабораторных условиях, но ожидаемая в настольных системах через несколько лет) может далеко обойти скорость самых быстрых шин SCSI.

Вернемся к тому, что объединяет эти шины: они способны самостоятельно выбирать ширину используемой ими полосы частот. Это означает, что они позволяют любому устройству передавать данные с максимально возможной для него скоростью передачи. Но они оставляют в резерве достаточный запас пропускной способности, чтобы поддерживать обмен данными с другими устройствами на шине. Такое устройство, как видеокамера, которая просто обязана передать все имеющиеся данные на шину, поскольку ей их негде хранить, может запрашивать и должно быть уверено в том, что ему будет предоставлен канал передачи данных достаточной пропускной способности, чтобы успеть передать очередной кадр изображения до того, как будет закончено формирование следующего кадра. Другие устройства, которые могут позволить себе ожидание в.очереди на обслуживание, могут быть вынуждены ждать в этой очереди, но их потребности в скорости передачи данных будут, в конечном счете, учтены, поскольку общая ширина полосы частот (количество бит, передаваемых в секунду) шины достаточна для передачи всей информации.

Стандарт PCMCIA

Устройства, соответствующие первой версии стандарта PCMCIA, задумывались как альтернатива относительно тяжелым и энергоемким приводам флоппи-дисков в портативных компьютерах. "Загадочная" аббревиатура PCMCIA означает не что иное, как Personal Computer Memory Card International Association. Сегодня данный стандарт поддерживают уже более 300 производителей. PCMCIA-устройства размером с обычную кредитную карточку являются альтернативой обычным платам расширения, подключаемым к системной шине. Сегодня в этом стандарте выпускаются модули памяти, модемы и факс-модемы, SCSI-адаптеры, сетевые карты, звуковые карты, винчестеры и т.д. Особой популярностью пользуются PCMCIA-карты флэш-памяти, которые не теряют информацию при выключении питания, обладают высоким быстродействием и могут быть использованы в качестве винчестера без движущихся частей.

Стандарт PCMCIA для связи между PC Card и соответствующим устройством (адаптером или портом) компьютера определяет 68-контактный механический соединитель. На нем выделены 16 разрядов под данные и 26 разрядов под адрес, что позволяет непосредственно адресовать 64Мбайта памяти. Хотя некоторые выводные контакты предназначены для сигналов, необходимых при работе с памятью, эти же контакты могут использоваться и для иных сигналов, рассчитанных на работу с устройствами ввода-вывода. Разумеется, перед этим происходит так называемая переконфигурация выводов.

На стороне модуля. PC Card расположен соединитель-розетка (female), а на стороне компьютера — соединитель-вилка (male). Кроме того, стандарт определяет три различные длины контактов соединителя-вилки. Такое решение легко объяснимо. Поскольку подключение и отключение PC Card может происходить при работающем компьютере (так называемое горячая замена), то для того, чтобы на модуль сначала подавалось напряжение питания, а лишь затем напряжение сигнальных линий, соответствующие контакты выполнены более длинными. Понятно, что при отключении PCMCIA-модуля все происходит в обратном порядке.

Помимо габаритных размеров стандарт PCMCIA предписывает размещение переключателя защиты записи, внутреннего источника тока, марки изготовителя, в случае если таковые имеются. Надо отметить, что "теплолюбивые" PC Cards должны нормально функционировать при температуре от 0 до 55 градусов по Цельсию.

Выбор системной платы

Тип материнской платы определяют прежде всего базовый микропроцессор и системная шина. От типа материнской платы и используемого набора вспомогательных микросхем зависит наличие той или иной локальной шины. Системная плата имеет конечное число не только разъемов расширения, но и установочных мест для строго определенных модулей памяти. Стоит обратить внимание на то, какие разъемы предназначены для модулей памяти (количество выводов, частота шины, другие параметры).

Тип системной платы определяет возможность замены одного микропроцессора на другой, либо обновления только самого микропроцессора, либо всего процессорного модуля (например, с внешней кэш-памятью). Поскольку системные платы типа А11-In-One интегрируют на себе как контроллер жесткого диска, так и видеоадаптер, то в минимальной конфигурации все имеющиеся слоты расширения остаются свободными. Более того, использование встроенных адаптеров позволяет избежать проблем, связанных с совместимостью оборудования разных производителей, а также повысить надежность. Ряд системных плат включают в себя, например, встроенный звуковой модуль и/или сетевую карту и даже в ряде случаев встроенный SCSI-адаптер.

Не стоит приобретать системную (да, впрочем, и любую) плату, если вы увидите на ней соединения, выполненные навесными проводниками. Это говорит о ее низком качестве. Некоторые системные платы поддерживали несколько типов процессоров от разных производителей, например Intel и AMD. Такие платы называли обычно универсальными или наращиваемыми (upgradable).

Среди производителей системных плат типа brand name можно отметить, например, такие компании, как Intel, Micronics, Ivill, ASUSTek. Неплохо зарекомендовали себя подобные изделия от фирм Acer, FIC, DataExpert и других.

Что касается системных плат на базе процессоров Pentium или AMD, то здесь замена процессора на более производительный также выполняется относительно просто. Гнездо ZIF позволяет легко удалить старую и вставить новую микросхему. Единственно на что следует обратить особое внимание, это предельная тактовая частота процессора и верная установка соответствующих перемычек.

Таким образом, фирмы-производители материнских плат можно разбить на три категории:

Первая, так называемые «brand name», к ним относятся:

- ASUS Technology (Тайвань).

    Их отличительные особенности:

    Специальная микросхема аппаратного мониторинга системы,

    Хорошая сервисная поддержка (обновления на сайте и т.д.),

    Использование более качественных элементов,

    Возможность всегда развести прерывания по слотам расширения.

- ABiT (Тайвань).

    Полностью программная настройка всех параметров режим «soft menu»,

    Наличие резервной микросхемы BIOS (Dual BIOS),

- INTEL

    Хорошее качество изготовления, хотя и невысокая скорость.

Продукция указанных фирм отличается высоким качеством изготовления, высокой надежностью и хорошими службами технической поддержки.

Вторая категория – «средний класс»

- Giga Bite GA , Chain Tech, ACORP, и др.

Представители этой категории как правило достаточно высокого качества, недорогие.

К третьей категории относятся фирмы, выпускающие продукцию дешевую и не всегда качественную. Это Lucky Star (Formoza), Tomato Board и т.д.

Накопители

Для хранения программ и данных в IBM PC-совместимых персональных компьютерах используют различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотни или тысячи раз превосходит емкость оперативной памяти. По отношению к компьютеру накопители могут быть внешними и встраиваемыми (внутренними). В первом случае такие устройства имеют собственный корпус и источник питания, что экономит пространство внутри корпуса компьютера и уменьшает нагрузку на его блок питания. Встраиваемые накопители крепятся в специальных монтажных отсеках (drive bays) и позволяют создавать компактные     системы, которые совмещают в системном блоке все необходимые устройства (рис.8).

Сам накопитель можно рассматривать как совокупность носителя и соответствующего привода. В связи с этим различают накопители со сменным и несменным носителями. В зависимости от типа носителя все накопители можно подразделить на накопители на магнитной ленте и дисковые накопители. Накопители на магнитной ленте в свою очередь бывают двух видов: накопители на полудюймовых девятидорожечных лентах, работающие в старт-стопном режиме, и стримеры, работающие в потоковом ('инерционном) режиме. Накопители на магнитной ленте называют также устройствами последовательного доступа, так как обратиться к удаленным фрагментам данных можно только после считывания менее удаленных. Накопители же на дисках, как правило, являются устройствами произвольного доступа, поскольку интересующие данные могут быть получены без обязательного прочтения им предшествующих.

По способу записи и чтения информации на носитель дисковые накопители можно подразделить на магнитные, оптические и магнитооптические. Среди дисковых накопителей можно выделить:

накопители на флоппи-дисках;

накопители на флоптических дисках;

накопители на несменных жестких дисках (винчестеры);

накопители на сменных жестких дисках;

накопители на сменных гибких дисках, использующие эффект Бернулли;

накопители на магнитооптических дисках;

накопители на оптических дисках с однократной записью и
многократным чтением WORM (Write Once Read Many);

накопители на оптических компакт-дисках CD-ROM (Compact
Disk ROM).

Сразу отметим, что мир накопителей со сменным носителем гораздо шире и многообразнее остальных. Появились сменные винчестеры, которые чаще всего используются в портативных компьютерах. Такое многообразие сменных накопителей связано, видимо, с несколькими причинами. Во-первых, каждый пользователь персонального компьютера знает: какова бы ни была емкость винчестера, наступит время, когда он заполнится до отказа. С другой стороны, чисто теоретически емкость накопителя со сменным носителем, вообще говоря, не имеет предела. Во-вторых, довольно остро стоит проблема архивирования и резервного копирования накапливаемой информации. Исторически она решается с использованием сменных носителей. В-третьих, поскольку IBM PC-совместимый компьютер все-таки персональный, то довольно часто требуется определенный уровень защиты используемых данных. Разумеется, сменные носители — наиболее подходящее средство для обеспечения секретности при хранении частной, служебной и иной закрытой информации. В-четвертых, в ряде случаев с помощью сменных носителей вопрос переноса нескольких единиц, десятков и даже сотен мегабайт данных решается довольно просто. Это, конечно, далеко не все имеющиеся причины, и при желании к ним можно добавить еще несколько.

Винчестеры

За редким исключением, практически все IBM PC-совместимые компьютеры имеют в своем составе хотя бы один накопитель на жестких несменных дисках, иначе называемый винчестером. История появления этого устройства такова: В 1973 году на фирме IBM по новой технологии был разработан первый жесткий диск, который мог хранить до 16 Кбайт информации. Поскольку этот диск имел 30 цилиндров (дорожек), каждая из которых была разбита на 30 секторов, то поначалу ему присвоили незамысловатое название — 30/30. По аналогии с автоматическими винтовками, имеющими калибр 30/30, такие жесткие диски получили прозвище "винчестер".

Как устроен винчестер

Итак, накопитель содержит один или несколько дисков (platters), то есть это носитель, который смонтирован на оси-шпинделе, приводимом в движение специальным двигателем (часть привода)(рис. 13). Скорость вращения двигателя для обычных моделей составляет около 5400 об/мин. Понятно, чем выше скорость вращения, тем быстрее считывается информация с диска (разумеется, при постоянной плотности записи), однако пластины носителя при больших оборотах могут физически просто разрушиться. Тем не менее, в современных моделях винчестеров скорость вращения достигает уже 5400, 7200, 10 000 и даже 15 000 об/мин.

Сами диски представляют собой обработанные с высокой точностью керамические или алюминиевые пластины, на которые нанесен специальный магнитный слой (покрытие). Надо отметить, что за последние годы технология изготовления этих деталей ушла далеко вперед.

Количество дисков может быть различным — от одного до пяти и выше, число рабочих поверхностей при этом соответственно в два раза больше, правда не всегда. Иногда наружные поверхности крайних дисков или одного из них не используются для хранения данных, при этом число рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным (рис.9).

Наиболее важной частью любого накопителя являются головки чтения-записи (read-write head). Как правило, они находятся на специальном позиционере, который напоминает рычаг звукоснимателя на проигрывателе грампластинок (тонарм) (рис.10). Это и есть

вращающийся позиционер головок (head actuator). Существуют также линейные позиционеры, по принципу движения, напоминающие тангенсальные тонармы.

Заметим, что в современных винчестерах головки

как бы "летят" на расстоянии доли микрона (обычно около 0,13 мкм) от поверхности дисков, разумеется, не касаясь их. Кстати, в жестких дисках выпуска 1980 года это расстояние составляло 1,4 мкм, в перспективных же моделях ожидается его уменьшение до 0,005 мкм. На первых моделях винчестеров позиционер головок перемещался обычно с помощью шагового двигателя. В настоящее время для этой цели используются преимущественно линейные (типа voice coil, или "звуковая катушка") двигатели, иначе называемые соленоидными. К их преимуществам можно отнести относительно высокую скорость перемещения, практическую нечувствительность к изменениям температуры и положениям привода. Кроме того, при использовании соленоидных двигателей реализуется автоматическая парковка головок записи-чтения при отключении питания винчестера. В отличие от накопителей с шаговым двигателем не требуется периодическое переформатирование поверхности носителя.

Кроме выщеперечисленного, внутри любого винчестера находится печатная плата с электронными компонентами, которые необходимы для нормального функционирования устройства привода. Так, например, электроника расшифровывает команды контроллера жесткого диска, стабилизирует скорость вращения двигателя, генерирует сигналы для головок записи и усиливает их от головок чтения и т.п. В настоящее время в ряде винчестеров применяются даже цифровые, сигнальные процессоры DSP (Digital Signal Processor).

Непременными компонентами большинства винчестеров являются специальные внутренние фильтры. По понятным причинам, большое значение для работы жесткого диска имеет чистота окружающего воздуха, поскольку грязь или пыль могут вызвать соударение головки с диском; что однозначно приведет к выходу его из строя (рис. 11). Габаритные размеры современных винчестеров характеризуются так называемым форм-фактором. Как правило, форм-фактор указывает горизонтальный и вертикальный размеры винчестера. В настоящее время горизонтальный размер жесткого диска может быть определен одним из следующих значений:. 1,8; 2,5; 3,5 дюйма (действительный размер корпуса винчестера, разумеется, чуть больше). Вертикальный размер характеризуется обычно такими параметрами, как Full Height (FH), Half-Height (HH), Third-Height (или Low-Profile, LP). Винчестеры "полной" высоты имеют вертикальный размер более 3,25 дюйма (82,5 мм), "половинной" — 1,63 дюйма и "низкопрофильные" — около 1 дюйма. Необходимо помнить, что для установки привода, имеющего меньший форм-фактор, чем монтажный отсек в системном блоке, придется использовать специальные крепления.