Набор стандартов для физического подключения и передачи данных между компьютерами и периферийными

Обновлено: 07.07.2024

При создании вычислительных сетей разработчикам пришлось решать множество самых разных задач, связанных с кодированием и синхронизацией электрических (оптических) сигналов, выбором конфигурации физических и логических связей, разработкой схем адресации устройств, созданием различных способов коммутации , мультиплексированием и демультиплексированием потоков данных, совместным использованием передающей среды. В данной лекции мы сформулируем все эти задачи, причем в той последовательности, в которой они возникали в процессе развития и совершенствования сетевых технологий .

Начнем с наиболее простого случая непосредственного соединения двух устройств физическим каналом, такое соединение называется связью "точка-точка" ( point-to-point ).

Связь компьютера с периферийными устройствами

Частным случаем связи " точка-точка " является соединение компьютера с периферийным устройством. Поскольку механизмы взаимодействия компьютеров в сети многое позаимствовали у схемы взаимодействия компьютера с периферийными устройствами , начнем рассматривать принципы работы сети с этого "досетевого" случая.

Для обмена данными компьютер и периферийное устройство (ПУ) оснащены внешними интерфейсами или портами (рис. 3.1). В данном случае к понятию "интерфейс" относятся:

электрический разъем ;
набор проводов, соединяющих устройства;
совокупность правил обмена информацией по этим проводам.

Со стороны компьютера логикой передачи сигналов на внешний интерфейс управляют:

контроллер ПУ — аппаратный блок, часто реализуемый в виде отдельной платы;
драйвер ПУ – программа, управляющая контроллером периферийного устройства .

Со стороны ПУ интерфейс чаще всего реализуется аппаратным устройством управления ПУ, хотя встречаются и программно-управляемые периферийные устройства .

Обмен данными между ПУ и компьютером, как правило, является двунаправленным . Так, например, даже принтер, который представляет собой устройство вывода информации, возвращает в компьютер данные о своем состоянии.

Таким образом, по каналу, связывающему внешние интерфейсы , передается следующая информация :

данные, поступающие от контроллера на ПУ, например байты текста, который нужно распечатать на бумаге;
команды управления, которые контроллер передает на устройство управления ПУ; в ответ на них оно выполняет специальные действия, например переводит головку диска на соответствующую дорожку или же выталкивает из принтера лист бумаги;
данные, возвращаемые устройством управления ПУ в ответ на запрос от контроллера , например данные о готовности к выполнению операции.

Рассмотрим последовательность действий, которые выполняются в том случае, когда некоторому приложению требуется напечатать текст на принтере. Со стороны компьютера в выполнении этой операции принимает участие, кроме уже названных контроллера , драйвера и приложения, еще один важнейший компонент — операционная система . Поскольку все операции ввода-вывода являются привилегированными, все приложения при выполнении операций с периферийными устройствами используют ОС как арбитра. Итак, последовательность действий такова:

Приложение обращается с запросом на выполнение операции печати к операционной системе. В запросе указываются: адрес данных в оперативной памяти, идентифицирующая информация принтера и операция, которую требуется выполнить.
Получив запрос, операционная система анализирует его, решает, может ли он быть выполнен, и если решение положительное, то запускает соответствующий драйвер , передавая ему в качестве параметров адрес выводимых данных. Дальнейшие действия, относящиеся к операции ввода-вывода , со стороны компьютера реализуются совместно драйвером и контроллером принтера.
Драйвер передает команды и данные контроллеру , который помещает их в свой внутренний буфер. Пусть, например, драйвер загружает значение некоторого байта в буфер контроллера ПУ.
Контроллер перемещает данные из внутреннего буфера во внешний порт .
Контроллер начинает последовательно передавать биты в линию связи , представляя каждый бит соответствующим электрическим сигналом. Чтобы сообщить устройству управления принтера о том, что начинается передача байта, перед передачей первого бита данных контроллер формирует стартовый сигнал специфической формы, а после передачи последнего информационного бита — стоповый сигнал. Эти сигналы синхронизируют передачу байта. Кроме информационных бит, контроллер может передавать бит контроля четности для повышения достоверности обмена.
Устройство управления принтера , обнаружив на соответствующей линии стартовый бит, выполняет подготовительные действия и начинает принимать информационные биты, формируя из них байт в своем приемном буфере. Если передача сопровождается битом четности , то выполняется проверка корректности передачи: при правильно выполненной передаче в соответствующем регистре устройства управления принтера устанавливается признак завершения приема информации. Наконец, принятый байт обрабатывается принтером — выполняется соответствующая команда или печатается символ.

Рис. 3.1. Связь компьютера с периферийным устройством.

Обязанности между драйвером и контроллером могут распределяться по-разному, но чаще всего контроллер поддерживает набор простых команд, служащих для управления периферийным устройством , а на драйвер обычно возлагаются наиболее сложные функции реализации обмена. Например, контроллер принтера может поддерживать такие элементарные команды, как " Печать символа", " Перевод строки ", " Возврат каретки " и т. п.

Драйвер же принтера с помощью этих команд реализует печать строк символов, разделение документа на страницы и другие более высокоуровневые операции (например, подсчет контрольной суммы последовательности передаваемых байтов, анализ состояния периферийного устройства , проверка правильности выполнения команды). Драйвер , задавая ту или иную последовательность команд, определяет тем самым логику работы периферийного устройства . Для одного и того же контроллера можно разработать различные драйверы , которые с помощью одного и того же набора доступных команд будут реализовывать разные алгоритмы управления одним и тем же ПУ.

Помогите другим пользователям — будьте первым, кто поделится своим мнением об этой презентации.

Аннотация к презентации

Содержание

Интерфейсы жестких дисков

Слайд 2

Интерфейсом накопителей называется набор электроники, обеспечивающий обмен информацией между контроллером устройства (кеш-буфером) и компьютером.

Слайд 3

ATA (Advanced Technology Attachment)

ATA— параллельный интерфейс подключения накопителей (жёстких дисков и оптических дисководов) к компьютеру созданный во второй половине 80-х годов прошлого века. В 1990-е годы был стандартом на платформе IBM PC; в настоящее время вытесняется своим последователем — SATA и с его появлением получил название PATA (Parallel ATA) Стандарт непрерывно развивался, и последняя его версия — Ultra ATA/133 — обладает теоретической скоростью передачи данных около 133 Мб/с. На один разъем PATA можно подключить два устройства (жесткие диски и/или оптические приводы). Шлейфы ATA (IDE): 40-проводной сверху, 80-проводной с кабельной выборкой снизу

Слайд 4

Интерфейс ATA

Для подключения жёстких дисков с интерфейсом PATA обычно используется 40-проводный кабель (именуемый также шлейфом). Каждый шлейф обычно имеет два или три разъёма, один из которых подключается к разъёму контроллера на материнской плате (в более старых компьютерах этот контроллер размещался на отдельной плате расширения), а один или два других подключаются к дискам. Иногда встречаются шлейфы IDE, позволяющие подключение трёх дисков к одному IDE каналу, но в этом случае один из дисков работает в режиме read-only. Долгое время шлейф ATA содержал 40 проводников, но с введением режима Ultra DMA/66 (UDMA4) появилась его 80-проводная версия. Это было сделано для уменьшения ёмкостной связи между проводниками. Ёмкостная связь является проблемой при высоких скоростях передачи, поэтому данное нововведение было необходимо для обеспечения нормальной работы установленной спецификацией UDMA4 скорости передачи 66 МБ/с (мегабайт в секунду). Хотя число проводников удвоилось, число контактов осталось прежним, как и внешний вид разъёмов.

Слайд 5

SATA ( Serial Advanced Technology Attachment)

SATA – разновидность интерфейса компьютерной шины, предназначенный для подключения к шине устройств, жёстких дисков, оптических приводов, SSD накопителей и других. Был разработан и представлен в 2003 году, как замена ныне устаревшему интерфейсу ATAтакже известный как IDE. В 2008 году, более 90% новых настольных компьютеров использовали для подключения периферии SATA разъём. PATA всё ещё можно приобрести, но продаются они лишь для сохранения совместимости со старыми дисками и материнскими платами. Коннектор SATA и разъёмы на материнской плате

Слайд 6

Ревизии SATA

Слайд 7

SATA 2 (SATA300). Стандарт SATA 2 увеличивал пропускную способность в двое, до 300 МБ/с (2,4 Гбит/с), и позволяет работать на частоте 3 ГГц. Стандартны SATA и SATA 2 совместимы между собой, однако для некоторых моделей необходимо вручную устанавливать режимы, переставляя джамперы.

Слайд 8

SATA 3, хотя по требованию спецификаций правильно называть SATA 6Gb/s. Этот стандарт в двое увеличил скорость передачи данных до 6 Гбит/с (600 МБ/с). Также к положительным нововведениям относится функция программного управления NCQ и команды для непрерывной передачи данных для процесса с высоким приоритетом. Хоть интерфейс и был представлен в 2009 году, особой популярностью у производителей он пока не пользуется и в магазинах встречает не так часто.

Слайд 9

eSATA (External SATA)

eSATA — интерфейс подключения внешних устройств, поддерживающий режим «горячей замены». Был создан несколько позже SATA (в середине 2004). Основные особенности eSATA: Разъёмы — менее хрупкие, и конструктивно рассчитаны на большее число подключений чем SATA, но физически несовместимы с обычными SATA, добавлено экранирование разъема. Требует для подключения два провода: шину данных и кабель питания. В новых спецификациях планируется отказаться от отдельного кабеля питания для выносных eSATA-устройств. Сигнально SATA и eSATA совместимы, но используют разные уровни сигнала. Слева разъем SATA, справа - eSATA

Слайд 10

SCSI (SmallComputerSystemInterface)

SCSI («скази») — представляет собой набор стандартов для физического подключения и передачи данных между компьютерами и периферийными устройствами. SCSI стандарты определяют команды, протоколы и электрические и оптические интерфейсы. Разработан для объединения на одной шине различных по своему назначению устройств, таких как жёсткие диски, накопители на магнитооптических дисках, приводы CD, DVD, стримеры, сканеры, принтеры и т. д. SCSI широко применяется на серверах, высокопроизводительных рабочих станциях. три стандарта электрической организации параллельного интерфейса SCSI

Слайд 11

Параллельный интерфейс SCSI

Параллельный интерфейс SCSI является исторически первым и самым известным. Существует три стандарта электрической организации параллельного интерфейса SCSI: SE (single-ended) — асимметричный SCSI, для передачи каждого сигнала используется отдельный проводник. LVD (low-voltage-differential) — интерфейс дифференциальной шины низкого напряжения, сигналы положительной и отрицательной полярности идут по разным физическим проводам — витой паре. На один сигнал приходится по одной витой паре проводников. HVD (high-voltage-differential) — интерфейс дифференциальной шины высокого напряжения, отличается от LVD повышенным напряжением и специальными приемопередатчиками.

Слайд 12

SAS (SerialAttached SCSI)

SAS— компьютерный интерфейс, разработанный для обмена данными с такими устройствами, как жёсткие диски и ленточные накопители. SAS использует последовательный интерфейс для работы с непосредственно подключаемыми накопителями. SAS разработан для замены параллельного интерфейса SCSI и позволяет достичь более высокой пропускной способности, чем SCSI; в то же время SAS обратно совместим с интерфейсом SATA: устройства 3Гбит/с и 6Гбит/с SATA могут быть подключены к контроллеру SAS, но устройства SAS нельзя подключить к контроллеру SATA. Хотя SAS использует последовательный интерфейс в отличие от параллельного интерфейса, используемого традиционным SCSI, для управления SAS-устройствами по-прежнему используются команды SCSI.

Слайд 13

Сравнение SAS и параллельного SCSI

SAS SAS использует последовательный протокол передачи данных между несколькими устройствами, и, таким образом, использует меньшее количество сигнальных линий. SAS использует соединения точка-точка — каждое устройство соединено с контроллером выделенным каналом. В отличие от SCSI, SAS не нуждается в терминации шины пользователем. SAS поддерживает большое количество устройств (> 16384), в то время как интерфейс SCSI поддерживает 8, 16, или 32 устройства на шине. SAS обеспечивает более высокую пропускную способность (1.5, 3.0 или 6.0 Гбит/с). контроллеры SAS могут поддерживать подключение устройств с интерфейсом SATА. SCSI Интерфейс SCSI использует общую шину. Таким образом, все устройства подключены к одной шине, и с контроллером одновременно может работать только одно устройство. В SCSI имеется проблема, связанная с тем, что время распространения сигнала по разным линиям, составляющим параллельный интерфейс, может отличаться. Интерфейс SAS лишён этого недостатка.

Слайд 14

Интерфейс FibreChannel (волоконный канал)

FibreChannel- высокоскоростной последовательный интерфейс передачи данных, который используется в устройствах хранения данных. В современных системах используется модификация FC-AL (FibreChannelArbitratedLoop) по названию основной топологии сети передачи данных - петля с арбитражным доступом. Основным преимуществом этого интерфейса является высокая скорость передачи данных (1-4 Гбит/c) и большое расстояние соединения (до 10 км). Жесткие диски с интерфейсом FC-AL используются в высокопроизводительных устройствах хранения данных. Поскольку интерфейс FC-AL используется для передачи данных как между устройством хранения и сервером или рабочей станцией, так и внутри устройства хранения, то нет необходимости преобразовывать данные из одного стандарта в другой. Это также является преимуществом FibreChannel перед другими интерфейсами передачи данных.

65 мм стандарт магнитооптических дисков, который позволял записать 1 Гб данных, – это
доступно за смс
65 мм стандарт магнитооптических дисков, который позволял записать 80 минут цифрового аудио либо 140 Мб данных, – это
доступно за смс
Адресуемой единицей информации основной памяти IBM PC является
доступно за смс
В зависимости от количества используемых в команде операндов различаются одно-, двух-, трех-, четырехадресные и ___ команды
доступно за смс
В трехадресных командах два адреса указывают, где находятся исходные операнды, а третий -
доступно за смс
В четырехадресных командах три адреса используются для указания исходных операндов и результата, а четвертый -
доступно за смс

Активными, излучающими свет являются
доступно за смс
В запоминающих мониторах после однократной прорисовки изображение держится на экране в течение нескольких
доступно за смс
В плазменной панели элемент изображения образуется в результате газового разряда, который
доступно за смс
В светодиодной матрице вертикально и горизонтально расположенные проводники образуют координатную сетку; на пересечении проводников находятся элементы изображения -
доступно за смс
В цветных мониторах в качестве основных цветов применяются красный (Red),
доступно за смс
Величина, обратная интервалу между отсчетами, – это
доступно за смс
Верны ли определения? А) Активными, излучающими свет являются жидкокристаллические мониторы В) Активными, излучающими свет являются гелиодисплеи Подберите правильный ответ
доступно за смс
Верны ли определения? А) Для связи монитора с микропроцессорным комплектом служит эмиссия поля В) Для связи монитора с микропроцессорным комплектом служит адаптер Подберите правильный ответ
доступно за смс
Верны ли определения? А) Одним из самых популярных стандартов для передачи и воспроизведения звука был и остается MP3 В) Одним из самых популярных стандартов для передачи и воспроизведения звука был и остается WMA Подберите правильный ответ
доступно за смс
Верны ли определения? А) Пассивными мониторами являются гелиодисплеи В) Пассивными мониторами являются жидкокристаллические мониторы Подберите правильный ответ
доступно за смс
Верны ли определения? А) По длительности хранения информации на экране выделяют регенерируемые мониторы В) По длительности хранения информации на экране выделяют запоминающие мониторы Подберите правильный ответ
доступно за смс
Верны ли определения? А) Полиграфическая CMYK использует добавление к системе CMY (Cyan, Magenta, Yellow) розового (Pink) цвета В) Полиграфическая CMYK использует добавление к системе CMY (Cyan, Magenta, Yellow) синего (Blue) цвета Подберите правильный ответ
доступно за смс
Верны ли определения? А) Посторонний источник света не нужен для работы с жидкокристаллическим монитором В) Посторонний источник света не нужен для работы с дисплеем с эмиссией полем Подберите правильный ответ
доступно за смс
Верны ли определения? А) При визуализации быстропротекающих динамических процессов незаменимы регенерируемые мониторы В) Изображение после однократной прорисовки держится на экране недолго, доли секунды, постепенно угасая, в регенерируемых мониторах Подберите правильный ответ
доступно за смс
Верны ли определения? А) Размер ячейки бистабильной ЖК-структуры составляет примерно 1 мкм В) Размер ячейки бистабильной ЖК-структуры составляет примерно 100 мкм Подберите правильный ответ
доступно за смс
Верны ли определения? А) Разрешающая способность монитора – это максимальное количество строк на экране и количество точек в строке В) Эмиссия поля – это максимальное количество строк на экране и количество точек в строке Подберите правильный ответ
доступно за смс
Верны ли определения? А) Растровая развертка – это набор сплошных горизонтальных линий, заполняющих весь экран В) Разрешающая способность – это набор сплошных горизонтальных линий, заполняющих весь экран Подберите правильный ответ
доступно за смс
Для рисования сложных фигур с помощью сплошных линий разной формы используется
доступно за смс
Для связи монитора с микропроцессорным комплектом служит
доступно за смс
Дополнительная (альтернативная) система CMY предполагает смешение цветов
доступно за смс
Изображение после однократной прорисовки держится на экране недолго, доли секунды, постепенно угасая, в ___ мониторах
доступно за смс
Изображение создается за счет свечения люминофора, возбуждаемого потоком электронов в
доступно за смс
Как отражающие, так и оснащенные подсветкой дисплеи можно изготавливать на основе ___ структур
доступно за смс

Вроде мы слышали, что USB 3.0 — это круче, чем USB 2.0. Но чем именно — знают не все. А тут еще появляются какие-то форматы Gen 1, Gen 2, маркировки Superspeed. Разбираемся, что значат все эти маркировки и чем они отличаются друг от друга. Спойлер: версий USB всего четыре.

USB 2.0

Когда-то было слово только USB 1.0. Сейчас это уже практически архаика, которую даже на старых устройствах почти не встретить. Еще 20 лет назад на смену первопроходцу USB 1.0 пришел улучшенный USB 2.0. Как и первая версия, эта спецификация использует два вида проводов. По витой паре идет передача данных, а по второму типу провода — питание устройства, от которого и идет передача информации. Но такой тип подключения подходил только для устройств с малым потреблением тока. Для принтеров и другой офисной техники использовались свои блоки питания.

USB версии 2.0 могут работать в трех режимах:

Low-speed, 10–1500 Кбит/c (клавиатуры, геймпады, мыши)
Full-speed, 0,5–12 Мбит/с (аудио и видеоустройства)
High-speed, 25–480 Мбит/с (видеоустройства, устройства для хранения данных)

USB 3.0

Стандарт USB 3.0 появился в 2008 году и до сих пор используется во многих устройствах. Скорость передачи данных выросла с 480 Мбит/с до 5 Гбит/с. Помимо скорости передачи данных, USB 3.0 отличается от версии 2.0 и силой тока. В отличие от более ранней версии, которая выдавала 500 мА, USB 3.0 способен отдавать до 4.5 Вт (5 В, 900 мА).

Новое поколение USB обратно совместима с предыдущими версиями. То есть USB 3.0 может работать и с разъемами USB 2.0 и даже 1.1. Но в этом случае буду ограничения по скорости. Подключив USB 3.0 к устройству с USB 2.0 скорость, вы получите не больше 480 Мбит/с — стандарт для версии 2.0. И наоборот, кабель 2.0 не станет более скоростным, если подключить его в устройство с USB 3.0. Это связано с количеством проводов, используемых в конкретной технологии. В версии USB 2.0 всего 4 провода, тогда как у USB 3.0 их 8.

Если вы хотите получить скорость передачи, заявленную стандартом USB 3.0, оба устройства и кабель должны быть именно версии 3.0.

USB 3.1

В 2013 году появляется версия USB 3.1 с максимальной заявленной скорость передачи данных до 10 Гбит/с, выходной мощностью до 100 Вт (20 В, 5 А). С появлением USB 3.1 произошла революция в маркировках всех стандартов. Но с ней мы разберемся чуть позже. А пока запомним главное: пропускная способность USB 3.1 увеличилась вдвое по сравнению с версией 3.0. И одновременно с обновленным стандартом появился и принципиально новый разъем — USB type-С. Он навсегда решил проблему неправильного подключения кабеля, так как стал симметричным и универсальным, и теперь все равно, какой стороной подключать провод к устройству.

USB 3.2

В 2017 году появилась информация о новой версии — USB 3.2. Она получила сразу два канала (больше проводов богу проводов) по 10 Гбит/с в каждую сторону и суммарную скорость в 20 Гбит/с. Стандарт USB 3.2 также обратно совместим с режимами USB 3.1, 3.0 и ниже. Поддерживается типом подключения USB-C на более современных гаджетах.

Типы разъемов

Версий разъемов USB несколько, и для каждого есть свое предназначение.

type-А — клавиатуры, флешки, мышии т. п.
type-B — офисная техника (принтеры, сканеры) и т. п.
mini type-B — кардридеры, модемы, цифровые камеры и т. п.
micro type-B — была наиболее распространенной в последние годы . Большинство смартфонов использовали именно этот тип подключения, пока не появился type-C. До сих пор остается довольно актуальным.
type-C — наиболее актуальный и перспективный разъем, полностью симметричный и двухсторонний. Появился одновременно со стандартом USB 3.1 и актуален для более поздних версий стандартов USB.

Superspeed, Gen или как разобраться в маркировках стандартов USB

Как только в типах стандартов появилась USB 3.1, привычная цифровая маркировка изменилась и здорово запуталась. Вполне понятный и простой USB 3.0 автоматически превратился в USB 3.1 Gen 1 и ему была присвоена маркировка SuperSpeed. А непосредственно сам USB 3.1 стал называться USB 3.1 Gen 2 с маркировкой SuperSpeed +.

Но и это уже потеряло свою актуальность с выходом стандарта USB 3.2. Он получил название USB 3.2 Gen 2×2 и маркировку SuperSpeed ++. В итоге маркировка всех предшествующих стандартов опять меняется. Теперь USB 3.0, она же USB 3.1 Gen 1, превращается задним числом в USB 3.2 Gen 1 с прежней маркировкой SuperSpeed. А USB 3.1, ставшая USB 3.1 Gen 2, тоже поднялась до USB 3.2 Gen 2. При этом конструктивно все стандарты остались прежними — изменяются только названия. Если вы уже запутались во всех этих цифрах и маркировках, таблица ниже поможет внести ясность в актуальных названиях.

Если еще более кратко, то сейчас опознать стандарты USB можно так:

USB 3.0 — это USB 3.2 Gen 1, он же Superspeed
USB 3.1 — это USB 3.2 Gen 2, он же Superspeed+
USB 3.2 — это USB 3.2 Gen 2x2, он же Superspeed++

Читайте также: