Основные интерфейсы, применяемые в компьютерной технике

• Введение
• 1. Основные понятия, применяемые при описании интерфейсов
• 1.1 Классификация интерфейсов
• 2. Обзор применяемых интерфейсов по их характеристикам и области применения
• 2.1 Интерфейс IDE
• 2.2 Интерфейс IEEE-1394 (FireWire, i. LINK)
• 2.3 Интерфейс HDMI 1.4
• 2.4 Интерфейс SATA
• Заключение
• Список используемой литературы

Введение

Создание современных средств вычислительной техники связано с задачей объединения в один комплекс различных блоков ВМ, устройств хранения и отображения информации, аппаратуры данных и непосредственно ЭВМ. Эта задача возлагается на унифицированные системы сопряжения — интерфейсы. Под интерфейсом понимают совокупность схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов вычислительной системы. Интерфейс обеспечивает взаимосвязь между составными функциональными блоками или устройствами системы.

Основным назначением интерфейса является унификация внутрисистемных и межсистемных связей и устройств сопряжения с целью эффективной реализации прогрессивных методов проектирования функциональных элементов вычислительной системы.

1. Основные понятия, применяемые при описании интерфейсов

Вычислительная машина содержит помимо процессора (процессоров) и основной памяти, образующих ее ядро, многочисленные и разнообразные по выполняемым функциям и принципам действия периферийные устройства (ПУ), предназначенные для хранения больших бъемов информации (внешние запоминающие устройства) и для ввода в ЭВМ и вывода из нее информации, в том числе для ее регистрации и отображения (устройства ввода-вывода). Передача информации с периферийного устройства в ядро ЭВМ (память или процессор) называется операцией ввода, а передача из ядра ЭВМ в периферийное устройство — операцией вывода. Производительность и эффективность использования ЭВМ определяется не только возможностями ее процессора и характеристиками основной памяти, но в очень большой степени составом ее ПУ, их техническими данными и способом организации их совместной работы с ядром (процессором и основной памятью) ЭВМ. Связь устройств ЭВМ друг с другом осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами. Интерфейс — представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов, предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами. [1] От характеристик интерфейсов во многом зависят производительность и надежность вычислительной машины. При разработке систем ввода-вывода должны быть решены следующие проблемы.

Во-первых, должна быть обеспечена возможность реализации машин с переменным составом оборудования (машин с переменной конфигурацией), в первую очередь с различным набором периферийных устройств, с тем чтобы пользователь мог выбирать состав оборудования (конфигурацию) машины в соответствии с ее назначением, легко дополнять машину новыми устройствами.

Во-вторых, для эффективного и высокопроизводительного использования оборудования ЭВМ должны реализовываться параллельная во времени работа процессора над программой и выполнение периферийными устройствами процедур ввода-вывода.

В-третьих, необходимо упростить для пользователя и стандартизовать программирование операций ввода-вывода, обеспечит независимость программирования ввода-вывода от особенностей того или иного периферийного устройства.

В-четвертых, необходимо обеспечить автоматическое распознавание и реакцию ядра ЭВМ на многообразие ситуаций, возникающих в ПУ (готовность устройства, отсутствие носителя, различные нарушения нормальной работы и др.). [2].

Создание современных средств вычислительной техники связано с задачей объединения в единый комплекс различных блоков ЭВМ, устройств хранения и отображения информации, измерительных приборов, устройств для связи с объектом (УСО), аппаратуры передачи данных и непосредственно ЭВМ. Эта задача возлагается на унифицированные системы сопряжения — интерфейсы. Термин «интерфейс» обычно трактуется как синоним слова «сопряжения» и понимается как совокупность схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов устройства, системы. Нередко это определение используется для обозначения составных компонентов интерфейса. В одних случаях под интерфейсом понимают программные средства, обеспечивающие взаимодействие программ операционной системы, в других — устройства сопряжения, обеспечивающие взаимосвязь между составными функциональными блоками или устройствами системы. Для акцентирования внимания на комплексном характере интерфейса используются термины «интерфейсная система», «программный интерфейс», «физический интерфейс», «аппаратный интерфейс», и т. п. [3].

Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматических системах сбора и обработки информации при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов. [4].

Структурная схема интерфейса показана на рис 1.

Рисунок 1 — Структурная схема интерфейса: ФБ — функциональный блок; К — контроллер, функциональный блок; К — контроллер; УБ — управляющий блок; ИБ — интерфейсный блок.

Средства интерфейса обеспечивают совместную работу независимых разнородных функциональных блоков системы. Условно ИБ можно разделить на две части: часть, обращенная к ФБ и учитывающая его специфику, и часть, поддерживающая взаимодействие с другими устройствами в рамках требований интерфейса. [5].

Качество стандарта на интерфейс может быть оценено соотношением, устанавливаемым между ограничениями на реализацию интерфейса и устройств сопряжения и возможностями варьирования тех или иных технических характеристик интерфейса с целью наиболее эффективного приспособления его к конкретной системе. Слишком жесткая регламентация условий совместимости ограничивает область применения интерфейса или же вызывает неоптимальное его использование. Однако при этом упрощается задача проектирования устройств сопряжения. В противоположном случае увеличивается вероятность несовместимости интерфейсного оборудования, разрабатываемого различными производителями.

Жесткая зависимость интерфейсов от архитектурных особенностей ЭВМ является одной из причин, препятствующих унификации многочисленных модификаций интерфейсов. Однако на определенном этапе развития технологии тенденция сохранения интерфейса снижает эффективность использования средств ВТ и возможность внедрения новых принципов построения ЭВМ и систем на их основе.

Опыт показывает, что унификация и стандартизация наиболее широко применяемых интерфейсов дают значительный экономический эффект. Этот эффект достигается в сфере производства (сокращение номенклатуры изделий, увеличение объемов партий изделий и пр.), при проектировании и эксплуатации систем. [6].

Современные темпы развития микроэлектронной технологии, а также тенденции и практика построения микропроцессорных систем в настоящее время определили следующие направления развития интерфейсов:

1. Дальнейшее повышение уровня унификации интерфейсного оборудования и стандартизации условий совместимости существующих наиболее распространенных интерфейсов на основе обобщения опыта их широкого использования. Это совершенствование направлено на создание новых стандартных интерфейсов или на повышение уровня стандартизации существующих.

2. Модернизация и расширение функциональных возможностей существующих интерфейсов без нарушения условий совместимости благодаря новейшим достижениям в микроэлектронной технологии и технологии разработки средств передачи информации. Основная цель этого направления-удлинение сроков морального старения стандартных интерфейсов и расширение области их применения.

3. Создание принципиально новых интерфейсов и разработка требований на их унификацию и стандартизацию. Эта тенденция обусловлена в первую очередь разработкой систем с параллельной распределенной обработкой информации на основе качественно новых принципов организации вычислительного процесса, а также интегрированных распределенных систем. [7].

1.1 Классификация интерфейсов

В настоящее время не существует достаточно полной объективной классификации интерфейсов. Имеющиеся классификации основываются, как правило, на одном классификационном признаке или же строятся для одного класса интерфейсов. Определенным обобщением этих классификаций является стандарт на классификационные признаки интерфейсов (ГОСТ 26.016−81), включающий четыре признака классификации:

способ соединения компонентов системы (магистральный, радиальный, цепочечный, смешанный);

При магистральном способе имеются коллективные шины, к которым подключены все устройства системы. Характерно, что сигналы шины доступны всем устройствам, но в каждый момент времени только два устройства могут обмениваться данными (1:

1). Возможны также широковещательные операции (1: М).

В системе с радиальной структурой имеется центральное устройство (контроллер или концентратор), связанный с каждым из абонентов индивидуальной группой однонаправленных линий.

При цепочечной структуре каждое устройство связано не более чем с двумя другими. Частным случаем цепочечной структуры является кольцевая.

способ передачи информации (параллельный, последовательный, параллельно — последовательный);

принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный);

режим обмена информацией (симплексный; полудуплексный; дуплексный и мультиплексный режим обмена). Для случая связи двух абонентов в симплексном режиме лишь один из двух абонентов может инициировать в любой момент времени передачу информации по интерфейсу Для случая связи двух абонентов в полудуплексном режиме любой абонент может начать передачу информации другому, если линия связи интерфейса при этом оказывается свободной. Для случая связи двух абонентов в дуплексном режиме каждый абонент может начать передачу информации другому в произвольный момент времени. В случае связи нескольких абонентов в мультиплексном режиме в каждый момент времени связь может быть осуществлена между парой абонентов в любом, но единственном направлении от одного из абонентов к другому.

Указанные признаки позволяют характеризовать только определенные аспекты организации интерфейсов. Более полная характеристика и систематизация интерфейсов могут быть выполнены при условии классификации по нескольким совокупностям признаков:

области распространения (функциональному назначению);

логической и функциональной организации;

физической реализации.

В соответствии с первой совокупностью признаков интерфейсы можно разделить на следующие основные классы:

машинные (или системные);

периферийного оборудования;

мульти микропроцессорных систем;

распределенных ВС (вычислительных локальных сетей, распределенных систем управления).

Машинные интерфейсы предназначены для организации связей между составными компонентами ЭВМ, ВК, ВС, т. е. непосредственно для их построения и связи с внешней средой.

Интерфейсы периферийного оборудования выполняют функции сопряжения процессоров, контроллеров с УВВ, измерительными приборами, исполнительными механизмами, аппаратурой передачи данных (АПД) и внешними запоминающими устройствами (ВЗУ). Интерфейсы периферийного оборудования представляют самый большой класс систем сопряжения, что объясняется широкой номенклатурой и разнообразием периферийного оборудования. По своему функциональному назначению эти интерфейсы могут быть разделены на группы интерфейсов радиальной структуры (обеспечивающие схему сопряжения «точка-точка») и магистральной структуры (обеспечивающие схему «многоточечного» подключения).

Системы сопряжения первой группы составляют в основном так называемые малые интерфейсы, применяемые для сопряжения исполнительных механизмов ввода-вывода с контроллерами. К этим интерфейсам относятся: системы сопряжения с параллельной передачей информации, предназначенные для подключения стандартной периферии, системы сопряжения для подключения устройств, размещенных на большом удалении друг от друга.

Интерфейсы второй группы используются как самостоятельно, так и в качестве системотехнического дополнения, расширяющего функциональные возможности ЭВМ на уровне связи с объектом управления. К ним относятся магистральные интерфейсы программно-модульных систем типов IEC 625−1. Эти интерфейсы обеспечивают сопряжение программируемых контроллеров и ЭВМ с широким спектром цифровых измерительных приборов, преобразователей информации, генераторов, датчиков, пультов оператора. В вычислительных системах к такого рода интерфейсам относятся SCSI, USB.

Интерфейсы мульти микропроцессорных систем представляют собой в основном магистральные системы сопряжения, ориентированные на объединение в единый комплекс нескольких процессоров, модулей оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), контроллеров.

ВЗУ, ограниченно размещенных в пространстве. В группу интерфейсов мульти микропроцессорных систем входят в основном внутри блочные, процеcсорно-независимые системы сопряжения. Характерным их отличием от обычных магистральных интерфейсов является техническая реализация функций селекции и координации, что позволяет подключать к ним один или несколько процессоров как обычные УВВ. Этот класс интерфейсов отличают высокая пропускная способность и минимальное время доступа процессора к общей ОЗУ.

Данный класс систем сопряжения может быть разделен на две крупные группы в соответствии со структурой шин адреса и данных: с раздельными и мультиплексными шинами. Как правило, эти интерфейсы представляют собой внутри блочную систему сопряжения магистральной структуры с высокой пропускной способностью.

Интерфейсы распределенных ВС предназначены для интеграции средств обработки информации, размещенных на значительном расстоянии и ориентированы на использование в системах различного функционального назначения. Обычно это системы сопряжения с бит — последовательной передачей информации магистральной или кольцевой структуры. Этот класс интерфейсов в зависимости от назначения разделяется на группы интерфейсов:

локальных сетей (с длиной магистрали от десятков метров до нескольких километров);

распределенных систем управления;

территориально и географически распределенных сетей ЭВМ (с длиной линии более десяти километров).

По конструктивному исполнению интерфейс могут быть разделены на четыре категории:

межблочные, обеспечивающие взаимодействие компонентов на уровне прибора, автономного устройства, блока, стойки, шкафа:

внутри блочные, обеспечивающие взаимодействие на уровне плат, субблоков;

внутри платные, обеспечивающие взаимосвязь между интегральными схемами (СИС, БИС, СБИС) на печатной плате;

внутри корпусные, обеспечивающие взаимодействие компонентов внутри СБИС.

Межблочное сопряжение реализуется на уровне следующих конструктивных средств:

коаксиального и оптоволоконного кабеля; многожильного плоского кабеля (шлейфа); многожильного кабеля на основе витой пары проводов. Внутри блочное сопряжение печатных плат, субблоков выполняется печатным способом или накруткой витой парой проводов внутри блока, стойки, шкафа. Ряд интерфейсов может быть реализован комбинацией внутри блочного и межблочного исполнений. Внутри платное сопряжение реализуется печатным способом, внутри корпусное — методами микроэлектронной технологии. [8].

интерфейс компьютерная техника.

2. Обзор применяемых интерфейсов по их характеристикам и области применения

Прежде чем приступить к обзору интерфейсов, узнаем, какие виды современных интерфейсов бывают:

1) Командный интерфейс. Командный интерфейс называется так по тому, что в этом виде интерфейса человек подает «команды» компьютеру, а компьютер их выполняет и выдает результат человеку. Командный интерфейс реализован в виде пакетной технологии и технологии командной строки.

2) WIMP — интерфейс (Window — окно, Image — образ, Menu — меню, Pointer — указатель). Характерной особенностью этого вида интерфейса является то, что диалог с пользователем ведется не с помощью команд, а с помощью графических образов — меню, окон, других элементов. Хотя и в этом интерфейсе подаются команды машине, но это делается «опосредственно», через графические образы. Этот вид интерфейса реализован на двух уровнях технологий: простой графический интерфейс и «чистый» WIMP — интерфейс.

3) SILK — интерфейс (Speech — речь, Image — образ, Language — язык, Knowlege — знание). Этот вид интерфейса наиболее приближен к обычной, человеческой форме общения. В рамках этого интерфейса идет обычный «разговор» человека и компьютера. При этом компьютер находит для себя команды, анализируя человеческую речь и находя в ней ключевые фразы. Результат выполнения команд он также преобразует в понятную человеку форму. Этот вид интерфейса наиболее требователен к аппаратным ресурсам компьютера, и поэтому его применяют в основном для военных целей. [9].

2.1 Интерфейс IDE

Основной интерфейс, используемый для подключения жесткого диска к современному PC, называется IDE (Integrated Drive Electronics). Фактически он представляет собой связь между системной платой и электроникой или контроллером, встроенными в накопитель. Этот интерфейс постоянно развивается — на сегодняшний день создано несколько модификаций. Интерфейс IDE, широко используемый в запоминающих устройствах современных компьютеров, разрабатывался как интерфейс жесткого диска. Однако сейчас он используется для поддержки не только жестких дисков, но и многих других устройств, например накопителей на магнитной ленте, CD/DVD-ROM, дисководов Zip и др. В этой главе подробно обсуждается функционирование интерфейса IDE.

IDE — это обобщенный термин, который может быть отнесен практически к любому жесткому диску со встроенным контроллером; названия ATA и Serial ATA относятся к определенным типам интерфейсов IDE. Поскольку АТА является наиболее распространенной формой IDE, эти термины довольно часто используются поочередно, что с технической точки зрения неправильно. То, что пользователи обычно называют IDE, правильнее называть интерфейсом ATA [10].

Основная функция контроллера накопителя, или интерфейса, — передача данных из системы в накопитель и обратно. От типа интерфейса зависит, с какой скоростью будут осуществляться эти операции, что во многом определяет общую производительность компьютера. Приводимые в технической литературе статистические данные не всегда точно отражают истинное положение дел.

Интерфейс IDE ATA является 16-разрядным параллельным интерфейсом, т. е. по кабелю интерфейса одновременно передается 16 бит. В начале 2001 года был официально представлен новый интерфейс, получивший название Serial ATA. Serial ATA (SATA) единовременно передает по кабелю не более одного бита данных, что позволяет значительно уменьшить сечение и длину используемого кабеля за счет повышения частоты передачи данных. SATA представляет со бой совершенно новую конструкцию физического интерфейса, сохранившую при этом программную совместимость с параллельным интерфейсом ATA. Название АТА, встречающееся на страницах этой книги, относится к параллельной версии интерфейса, а название SATA — к интерфейсу Serial ATA. Поскольку в накопителе IDE контроллер встроенный, его можно подключать непосредственно к разъему на плате адаптера или на системной плате. Это существенно упрощает установку жесткого диска, так как не нужно подсоединять отдельные кабели для подачи питания, сигналов управления и т. п. Кроме того, при объединении контроллера и жесткого диска сокращается общее количество элементов в устройстве, уменьшается длина соединительных проводов, а в результате повышается надежность, устойчивость к шумам и быстродействие системы по сравнению с тем, когда автономный контроллер подключается к жесткому диску с помощью длинных кабелей.

Объединяя контроллер (в том числе и входящий в его состав шифратор/дешифратор) с жестким диском, удается существенно повысить надежность воспроизведения данных по сравнению с системами, в которых используются автономные контроллеры. Происходит это потому, что кодирование данных и их преобразование из цифровой формы в аналоговую (и наоборот) осуществляется непосредственно в жестком диске при меньшем уровне внешних помех. В результате аналоговые сигналы, временные параметры которых весьма критичны, не передаются по плоским кабелям, где они могли бы «набрать» помех; кроме того, при пере даче сигналов по кабелям могут возникнуть непредсказуемые задержки их распространения. В конечном счете совмещение контроллера и жесткого диска в едином блоке позволило повысить тактовую частоту шифратора/дешифратора, плотность размещения данных на носи теле и общее быстродействие системы.

Объединение контроллера и жесткого диска освободило разработчиков от необходимости строго следовать стандартам, что было неизбежно при использовании прежних интерфейсов. Взаимно согласованная и «подогнанная» пара «жесткий диск-контроллер» обладает гораздо большим быстродействием по сравнению с прежними комбинациями автономных устройств. Разъем IDE на системной плате во многих компьютерах представляет собой просто «усеченный» разъем шины расширения. В стандартном варианте ATA IDE используются разъемы с 40 контактами из возможных 98, имеющихся в разъеме 16-разрядной шины ISA. Из всего набора сигнальных линий шины к разъему IDE подведены только те, которые необходимы для работы стандартного контроллера жесткого диска компьютеров XT и AT. На пример, для контроллера жесткого диска в компьютере AT нужна линия IRQ 14, поэтому на разъем IDE системной платы AT выведена только эта линия IRQ. На разъем системной платы компьютера XT выведена только линия IRQ 5, к которой и подключен контроллер. Обратите внимание, что даже если интерфейс ATA подключен к микросхеме South Bridge и работает на частоте шины PCI, то все равно разводка и назначение контактов не изменяются.

Когда говорят о накопителях IDE, то обычно имеют в виду вариант ATA IDE, получивший наибольшее распространение. Однако существуют и другие разновидности накопителей IDE для других шин. Например, в некоторых компьютерах PS/2 устанавливаются жесткие диски, предназначенные для работы с шиной MCA и подключаемые непосредственно к разъ ему расширения (через адаптер). Существуют также накопители IDE, предназначенные для 8 — разрядной шины ISA, но они не получили широкого распространения. В большинстве IBM — совместимых компьютеров с шинами ISA и EISA устанавливаются 16-разрядные накопители ATA IDE. На сегодняшний день интерфейс ATA IDE является самым распространенным.

Главное достоинство накопителей IDE — их дешевизна. Поскольку для них не нужен от дельный контроллер, количество кабелей и разъемов, необходимых для подключения жестко го диска, оказывается существенно меньшим, чем в стандартном варианте жесткого диска с автономным контроллером. А это не может не сказаться на стоимости таких устройств. Кроме того, эти устройства более надежны, поскольку контроллер встроен в жесткий диск. В результате шифратор/дешифратор расположен в непосредственной близости от носителя. И так как аналоговый сигнал проходит очень короткую «дистанцию», он менее чувствителен к внешним шумам и помехам. [11].

Еще одно достоинство накопителей IDE — быстродействие. Но, как это ни странно, к данному классу относятся не только жесткие диски с максимальной производительностью, но и едва ли не самые «медленные» устройства. Это иллюстрация того, что многое зависит от конкретной реализации одной и той же технической идеи. Дать общую оценку производительности всех дисков IDE невозможно, поскольку каждая модель уникальна. Однако высококачественные устройства обладают быстродействием, равным или превосходящим аналогичный параметр для жестких дисков прочих типов (правда, при работе в автономном компьютере и под управлением однозадачной операционной системы).

Существует три основные разновидности интерфейса IDE, рассчитанные на взаимодействие с тремя стандартными шинами:

Serial AT Attachment (SATA);

параллельный AT Attachment (ATA) IDE (16-разрядная шина ISA);

XT IDE (8-разрядная шина ISA);

MCA IDE (16-разрядная шина MCA).

В настоящее время из всех перечисленных типов используются только версии ATA. Уже появились более быстрые и мощные версии интерфейсов ATA и Serial ATA; в частности, улучшенные варианты ATA получили название ATA-2 и далее. Иногда эти версии называют также EIDE (Enhanced IDE), Fast-ATA, Ultra-ATA или Ultra-DMA. Несмотря на все возможности последней версии ATA-6, в целом интерфейс Serial ATA демонстрирует большую производительность и функциональность. В большинстве новых компьютеров разъем ATA установлен непосредственно на систем ной плате. Если его нет, то для подключения к компьютеру накопителя ATA IDE можно использовать дополнительную плату адаптера. Обычно на такой переходной плате нет ничего, кроме двух разъемов (98-контактного печатного разъема шины и 40-контактного разъема IDE) и набора проводников. Эти платы не являются контроллерами, так как последние уже встроены в жесткие диски. Правда, на некоторых из них монтируются дополнительные устройства, например специализированная ROM BIOS или кэш-память. [12].

2.2 Интерфейс IEEE-1394 (FireWire, i. LINK)

IEEE-1394, FireWire и i. LINK — это три названия одного и того же высокоскоростного цифрового последовательного интерфейса, который служит для передачи любых видов цифровой информации.

IEEE-1394 — обозначение стандарта интерфейса, принятое американским Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). FireWire — зарегистрированный товарный знак фирмы Apple, принимавшей активное участие в его разработке. Название FireWire («огненный провод») принадлежит фирме Apple и может использоваться только для описания ее изделий, а по отношению к таким устройствам на PC принято употреблять термин IEEE-1394, то есть непосредственно название стандарта. i. LINK — торговый знак и логотип для обозначения упрощенной шины соединения по интерфейсу IEEE-1394 между бытовыми цифровыми устройствами фирмы Sony (это четырех проводной вариант FireWire — без проводов питания). [13].

Основные характеристики IEEE-1394:

Небольшой тонкий кабель для последовательной передачи сигналов обещает полностью заменить в недалеком будущем груду громоздких проводов.

Простой в использовании интерфейс исключает необходимость в дополнительной настройке, установке терминаторов и идентификационных номеров устройств.

Подключение в горячем режиме позволяет избежать задержек, связанных с перезагрузкой компьютера (пользователи могут подключать и отключать любые IEEE-1394-устройства, когда шина находится в активном состоянии, — они немедленно автоматически распознаются и включаются в систему).

Недорогие контроллеры обеспечивают гарантированную передачу критичных по времени данных и снижают требования к дорогостоящим буферным устройствам.

Расширяемая архитектура позволяет совместно использовать подключенные к шине устройства с пропускной способностью в 100, 200, 400 и 800 Мбит/с.

Гибкая топология соединений (звездой или разветвленным деревом) и равноправие устройств позволяют упростить подключение для обмена данными между устройствами.

Открытая архитектура означает отсутствие необходимости использования специального программного обеспечения. Управление последовательной шиной включает:

автоматическое конфигурирование с полной оптимизацией произвольного распределения временных соотношений;

гарантии адекватной электрической мощности для всех устройств, подключенных к шине; назначение главного IEEE-1394-устройства в цикле;

назначение изохронного канала идентификации (ID) и выдачу сообщений о возникающих ошибках. Важно отметить, что по интерфейсу IEEE-1394 возможны два типа передачи данных: асинхронный и изохронный. Асинхронная передача реализуется по традиционному компьютерному интерфейсу загрузки и сохранения данных в определенной области памяти. Запросы на данные направляются по соответствующему адресу с обратным подтверждением. Но в дополнение к традиционной архитектуре, которая расширяется в процессе развития технологий памяти, IEEE-1394 имеет уникальный изохронный канал передачи. Изохронные каналы обеспечивают гарантированную передачу данных с предопределенной скоростью. Это особенно важно для обмена мультимедийными данными в реальном масштабе времени, поскольку подавать такие данные необходимо в строго определенные интервалы. Использование изохронного механизма, реализованного в IEEE-1394, не требует дорогих буферных устройств. Подобно тому, как это происходит в компьютерных сетях, возможности IEEE-1394 определяются не одним лишь физическим устройством, но и протоколами высокого уровня. Поэтому с общим ростом возможностей компьютерных технологий будут обеспечиваться всё большие скорости и расстояния передачи, внедряться альтернативные подходы (в том числе и беспроводные), то есть функциональные возможности IEEE-1394 будут расширяться в соответствии с новыми применениями. Возможно, наиболее важным фактором для использования IEEE-1394 в качестве единого цифрового интерфейса для бытовой электронной техники является то, что он предоставляет возможность напрямую подключать устройства друг к другу. Это позволяет, например, производить перезапись с источника на приемник без помощи компьютера (например, переписывать видео с видеокамеры на магнитофон) или совместно использовать одно устройство несколькими компьютерами без какой-либо специальной поддержки. [14].

Область применения IEEE-1394:

Интерфейс IEEE-1394 разрабатывался для того, чтобы обеспечить высокоскоростной доступ, главным образом к устройствам хранения информации, таким как жесткие диски, приводы CD и DVD. При этом планировалось сделать данный интерфейс универсальным и оснастить им по возможности также устройства ввода — сканеры, цифровые фото — и видеокамеры, и другую аудиовизуальную аппаратуру. Однако его превосходные характеристики — гибкость и простота использования, наряду со способностью при необходимости предоставлять при передаче приоритет тем данным, для которых синхронизация по времени является критичным фактором, оказались оптимальными для передачи цифрового видео и до сих пор практически не имеют в этой области альтернативы (во всяком случае, для непрофессиональных применений). И первыми аппаратными решениями для этого интерфейса стали именно платы для работы с цифровым видео.

Этот стандарт позволяет объединять аппаратные и программные средства для передачи потоков данных 100, 200, 400 Мбит/с, а в последней реализации интерфейса и до 800 Мбит/с. Добавим, что связь между устройствами с интерфейсом IEEE-1394 может включаться и выключаться непосредственно на время их работы (так называемое горячее подключение) без отключения питания и перезагрузки.

Фирма Sony одной из первых осознала преимущества стандарта IEEE-1394 (быстрая передача данных, масштабируемость, обработка в реальном времени, простота подключения и низкая стоимость) и активно начала разработку интегральных схем для этого стандарта. Вслед за цифровыми видеокамерами специалисты Sony перешли к разработке решений для персональных компьютеров, цифровых видеомагнитофонов и цифровых приемников спутникового телевидения (STB, Set Top Box), а также для жестких дисков и дисководов CD-ROM и DVD-ROM. Все эти изделия значительно расширяют возможности подключения аудио — и видеоаппаратуры к персональным компьютерам и в недалеком будущем послужат для создания единой домашней аудиовизуальной сети.

Аудио — и видеооборудование (проигрыватели цифровых CD-, MD-, VideoCD — и DVD-дисков, цифровые STB и Digital VHS) уже сейчас можно интегрировать с компьютерами и таким образом управлять ими. Из этого оборудования можно составлять системы — простым соединением устройств друг с другом с помощью одного кабеля. После этого при помощи персонального компьютера, выступающего в качестве контроллера, можно производить следующие операции: записывать с CD-проигрывателя на мини-диск, запоминать цифровые радиопередачи, принятые через STB, вводить цифровое видео в персональный компьютер для последующего монтажа и редактирования. Разумеется, при этом сохраняется возможность и прямого обмена данными между аудио — и видеооборудованием без использования компьютера или, напротив, обмена данными между двумя компьютерами безотносительно к аудио или видео, как в локальных сетях на базе традиционных Ethernet-технологий.

Недавно корпорация NEC объявила о разработке чипа, предназначенного для поддержки аппаратной маршрутизации между двумя сетями на базе IEEE-1394 и для обеспечения их взаимодействия в будущих широкополосных домашних мультимедиа-сетях стандарта IEEE-1394. Этот двухпортовый чип оснащен также микропрограммным ПО, которое осуществляет автоматическую конфигурацию сети и позволяет устанавливать соединения с другими сетевыми устройствами, в том числе с устройствами мобильной связи. Таким образом, домашняя сеть может быть расширена за пределы конкретного дома на расстояние до одного километра.

Тем временем фирма Sony продолжает развивать концепцию домашней сети, основанной на стандарте IEEE-1394, и собирается поддерживать разработки, имеющие практическую направленность, выпуском еще более емких, высокоскоростных, компактных компонентов с низким энергопотреблением для широкого диапазона применений и последующей интеграции в системные чипсеты. Сегодня Sony демонстрирует новые образцы бытовой электроники, способные образовывать домашнюю сеть на базе i. Link. Вся эта архитектура носит гордое название Home Audio/Video Interoperability (HAVi). Похоже, усилиями Sony скоро мы действительно будем жить если не в цифровом доме, то по крайней мере в цифровой квартире.

Однако стандарт IEEE-1394, все больше привлекающий внимание не только изготовителей аудио — и видеоустройств, но и разработчиков оборудования для персональных компьютеров, без сомнения, вскоре станет новым сетевым стандартом, приближающим грядущую цифровую эпоху.

В вышедшей осенью 2000 года операционной системе Microsoft Windows Millennium Edition впервые появилась встроенная поддержка локальных сетей на базе контроллеров IEEE-1394. Такая сеть имеет скорость передачи данных в четыре раза большую, чем Fast Ethernet, и очень удобна для дома или малого офиса. Единственное неудобство при построении такой сети заключается в малой предельной длине одного сегмента (длина кабеля до 4,2 м). Для устранения подобного недостатка выпускаются усилители сигнала — репитеры, а также размножители-концентраторы на несколько портов (до 27).

С интерфейсом IEEE-1394 в последнее время активно конкурирует новый USB-интерфейс (версии 2.0), который обеспечивает передачу данных со скоростью до 480 Мбит/с против старых 12 Мбит/с, то есть в 40 раз быстрее существующего USB-стандарта!

Шина USB получила широкое распространение благодаря своей дешевизне и мощной поддержке в виде контроллера, встраиваемого непосредственно в чипсеты для материнских плат. При этом заявлялось, что высокоскоростной USB 2.0 также будет реализован в виде встроенного в чипсет контроллера (Intel ICH3). Однако фирма Microsoft объявила о приоритетности поддержки интерфейса IEEE-1394, а не USB 2.0, и, кроме того, асинхронность передачи по USB не позволяет ему всерьез конкурировать с FireWire в области цифрового видео.

Таким образом, IEEE-1394 остается международным стандартом недорогого интерфейса, который позволяет объединять всевозможные цифровые устройства для развлечений, коммуникации и вычислительную технику в бытовой мультимедийный цифровой комплекс.

Иными словами, все IEEE-1394-устройства, такие как цифровые фото — и видеокамеры, DVD-устройства и другие приборы, прекрасно стыкуются как с персональными компьютерами, оснащенными подобным интерфейсом (его поддерживают и Maс, и PC-компьютеры), так и между собой. Это означает, что теперь пользователи могут передавать, обрабатывать и сохранять данные (в том числе изображения, звук и видео) с высокой скоростью и практически без ухудшения качества.

Все эти отличительные особенности IEEE-1394 делают его наиболее привлекательным универсальным цифровым интерфейсом будущего. [15].

2.3 Интерфейс HDMI 1.4

High-Definition Multimedia Interface (HDMI) — интерфейс для мультимедиа высокой чёткости, позволяющий передавать цифровые видеоданные высокого разрешения и многоканальные цифровые аудиосигналы с защитой от копирования [16].

Интерфейс HDMI 1.4 является одним из главных компонентов в домашней системе для реализации 3D и HD форматов.

Разъём HDMI обеспечивает цифровое DVI-соединение нескольких устройств с помощью соответствующих кабелей. Основное различие между HDMI и DVI состоит в том, что разъём HDMI меньше по размеру, а также поддерживает передачу многоканальных цифровых аудиосигналов. Является заменой аналоговых стандартов подключения, таких как SCART или RCA.

Главной особенность его является возможность через один кабель передавать помимо видеоизображения высокого разрешения (Full HD — 1920Ч1080), еще и высококачественную многоканально-записанную аудио информацию (Dolby Digital, DTS, Dolby HD, DTS-HD и т. д.).

Такой интерфейс в высоком разрешении поддерживает 3D формат, имеющий поочередность кадров и использование для просмотров активные LCD очки. Интерфейсы HDMI версий 1.3 и 1.4 способны передать информацию со скоростью десять целых и две десятых гигабит за секунду (всего 340 МГц). Только такая скорость еще не главная особенность при поддержке 3D технологии, так как для передачи сигнала Full HD 3D нужна скорость 6,75 гигабит за секунду. Вышеуказанный интерфейс стандартизуется распределением входов и выходов домашних 3D систем и перечнем обязательных 3D форматов. Они должны реализоваться в дисплее, источнике сигналов и ретрансляторе для того, чтобы «обеспечивать между ними функциональную связь и позволять при приемах и передаче 3D контентов содействовать на одном 3D языке». Такие методы описываются организацией HDMI Licensing, LLC.

Blu-ray плееры, HDTV и различные потребительские технологии в наше время характеризуются большими возможностями подключения к сети Интернета и доступом к веб-контенту. Сетевое подключение можно легко выполнить через интерфейс Ethernet, а также с помощью беспроводного способа через встроенную антенну Wi-Fi и дополнительный адаптер USB. Благодаря интерфейсу HDMI 1.4 можно использовать третью методику подключения к Интернету, которая представляется двухсторонним каналом передачи информации со скорость до ста мегабит за секунду.

Когда в доме среди развлекательных систем есть в наличии несколько устройств, необходимых для работы в сети, то не всегда можно подключить их индивидуально в эту сеть. Интерфейс при подключении к сети только одного устройства, может распределить трафик между другими устройствами по HDMI 1.4 кабелю одновременно с аудио и видео сигналами. Контент, полученный одним устройством через Ethernet интерфейс из сети, может пройти распределение между остальными благодаря версии интерфейса HDMI 1.4 при поддержке Ethernet канала. Поэтому необходимо чтобы каждое устройство поддерживало Ethernet канал. В таких случаях можно использовать вышеуказанный кабель при поддержке Ethernet канала.

Одним из популярных доработок новой версии HDMI 1.4 является возвратный аудиоканал. Он может оказаться самой полезной функцией. С помощью данного интерфейса передается цифровой аудиосигнал, имеющий обратное направление из телевизора в аудио и видео ресивер. [17].

Благодаря данному интерфейсу множество современных HDTV могут предавать цифровые аудио сигналы из телевизора в аудиосистемы домашних центров развлечения. Такая технология нужна тем потребителям, которые используют для приема телепрограмм встроенный в телевизор тюнер и хотят отправить уже готовый аудиосигнал во внешнюю систему звука для отличного звуковоспроизведения. По мере увеличения количества телевизоров, которые получают видео по запросу и используют другие потоковые приложения типа медиа, возрастает потребность отправлять выделенные телевизором аудиосигналы опять в видео и аудио ресивер. При наличии такого интерфейса не нужно иметь отдельный цифровой аудиокабель. Данный аудиоканал может поддерживать посылаемый через S/PDIF аудиосигнал в формате DTS, Dolby Digital, PCM.

Формат 4K значительно превосходит 1080p. Им предусмотрено разрешение 4096 на 2160 пикселей, что намного превышает разрешение 1920 на 1080. Сейчас 4K зачастую применяется в основном для систем профессионального цифрового кино. Существует много ориентированных на пользователя 4K проекционных систем имеющих высокий класс. Поэтому скоро будет выпускаться техника в больших количествах, поддерживающая формат четыре K. Интерфейс в свою очередь поддерживает 4096 на 2160 при 24 герц и 3840 на 2160 при частоте 24 герц, 25 или 30 герц.

Специализация интерфейса 1.3 была основой для введения мини-соединителей HDMI. Вместе с тем появился и микро-соединитель, который разработанный для использования с портативным устройством по типу мобильного телефона, медиаплеера и цифровой камеры. Корпус микроразъема намного меньше (примерно в два раза) и заметно отличается от мини HDMI. Он имеет выводы в количестве 19 штук и способен поддержать функции версии 1.4 Такая спецификация позволяет определять соединения автомобильной системы, предназначенной для пользования видео HD в транспорте. Когда создавался автомобильный вариант интерфейса 1.4, то производители учитывали особенности транспортного средства в виде нагрева, шума и вибрации.

Благодаря новому соединителю HDMI микро можно подключить цифровую камеру к HDTV. Сейчас уже интерфейс HDMI 1.4 может поддерживать ряд новых цветовых пространств, являющихся специфическими для цифровых фотокамер, таких как AdobeYCC601, AdobeRGB, sYCC601. Данная поддержка форматов может обеспечить соответствие отображаемых на экране HDTV картинок с темы, что были сняты на камеру.

Из всего этого можно сделать выводы, что такая спецификация как HDMI 1.4 имеет ряд возможностей. Но в данном случае ситуация может быть немного запутанной. Это объясняется тем, что нет никакой гарантии наличия поддержки данного интерфейса во всех устройствах. Только изобретатели могут решить какую новую функцию включать. Покупая новую технику, нужно проверять наличие необходимой функциональной поддержки.

На основе старой версии HDMI будет работать вся техника поддерживающая спецификации нового интерфейса. При обновлении нескольких компонентов системы, невозможно будет пользоваться новейшими функциями интерфейса 1.4 (таких как Ethernet и обратный аудиоканал). По-другому сказать при покупке новых ресиверов с возвратными аудиоканалами не всегда можно рассчитывать на то, что такая функция будет работать в данном оборудовании.

Согласно данных HDMI Licensing, LLC прежние HDMI устройства можно модернизировать до версий 1.4 заменяя программную прошивку по той причине, что новым функциональным возможностям необходим новый чип HDMI. Исключения тоже есть и связанные они с 3D воспроизведениями. Компания Sony выпустила в свет прошивку обновленного типа для PlayStation 3, которая поддерживает 3D воспроизведение. Это реально благодаря возможности видеовыхода в PS3 программный и выходу графической карты компьютеров, в отличие от аппаратных (чиповых) в Blu-Ray плеерах. Как заявили кабельные и спутниковые провайдеры — запланирована поддержка 3D технологии через телевизионные приставки. Этого можно достигнуть с помощью обновления прошивки.

Для нужного расширения функциональных возможностей вышеуказанного необходимы усовершенствованные кабели, и должны они иметь подходящую маркировку. Категория 1 или стандартный HDMI-кабель может поддерживать семьсот двадцать p /1080i и обеспечивает скорость до 2,25 гигабит за секунду. HDMI-кабель, который считается высокоскоростным, относится ко второй категории с разрешением 1080р и выше может работать на скорости до 10,2 гигабит за одну секунду. Все вышеуказанные кабели могут поддерживать новую функцию HDMI 1.4, за исключением Ethernet канала. Чтобы воспроизводить 3D и 4K видео, необходимо иметь высокоскоростной HDMI-кабель. Нужно не забывать о том, что для приобретенных интерфейсов 1.4, поддерживающих Ethernet каналы, необходимо и новые типы кабелей. Хотя стандартные и высокоскоростные кабели HDMI и Ethernet канал и имеют подобную характеристику для видеосигналов, все равно к ним добавляется поддержка Ethernet до ста мегабит за одну секунду. Уже существует стандартный нового образца автомобильный кабель HDMI. Новым кабелям HDMI необходима специальная маркировка. [18].

2.4 Интерфейс SATA

SATA (англ. Serial ATA) — последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. SATA является развитием параллельного интерфейса ATA (IDE), который после появления SATA был переименован в PATA (Parallel ATA).

Данный интерфейс наиболее популярен для современных жестких дисков и оптических приводов домашнего использования. Обеспечивает высокую скорость передачи данных. Также этот интерфейс применяется при подключении внутренних жестких дисков к мультимедиа проигрывателям. [19].

В первой версии стандарта Serial ATA (SATA 1.0) предусмотрена максимальная пропускная способность 150 Мбайт/с, а об ограничениях на размеры дисков можно просто забыть на ближайшие лет десять. В следующих версиях SATA предусматривается удвоение скорости передачи, то есть сначала будет 300, а затем и 600 Мбайт/с.

Как уже отмечалось, стандарт SATA подразумевает последовательную передачу данных, а потому в кабелях передачи данных используются всего две дифференциальные пары. Одна из них работает на передачу, а другая — на прием. Всего же в кабеле SATA допускается (опционально) использование семи проводников, три из которых «земля». Максимальная длина кабеля при этом составляет 1 м.

По сравнению с традиционным параллельным интерфейсом интерфейс Serial ATA имеет большую помехозащищенность и мало восприимчив к электромагнитным помехам благодаря использованию низкоуровневых дифференциальных сигналов. Уровень сигнала измеряется не по отношению к «земле», а по отношению к уровню сигнала в соседнем проводе, то есть как разница сигналов в двух проводниках. Любая наведенная помеха сказывается на обоих сигналах, однако их дифференциальная разница при этом не меняется.

Прежде всего, кабель у нового интерфейса принципиально отличается от прежнего 40 — или 80-жильного широкого плоского: количество сигнальных проводов кабеля сокращено до четырех (есть еще и земля), и до метра увеличена его допустимая длина. Это способствует более компактной упаковке и лучшим условиям охлаждения внутри корпуса компьютера, удешевляет конструкцию. Тут компактные семиконтактные разъемы соединяются узким уплощенным кабелем шириной примерно 8 мм и толщиной около 2 мм. Внутри кабеля Serial ATA находятся 2 пары сигнальных проводов (одна пара на прием, другая — на передачу), отделенных тремя жилами общего провода («земли»). На разъеме, расположенном на дисках и материнских платах, три «земляных» контакта выступают чуть дальше сигнальных контактов, чтобы облегчить «горячее» подключение (предусмотрено «горячее» подключение накопителей по Serial ATA без специальных адаптеров).

Еще одно преимущество Serial ATA — большая полоса пропускания, чем у Parallel ATA. Первая версия интерфейса Serial ATA обладает пропускной способностью до 1,5 Гбит/с (это около 150 Мбайт/с для полезных данных против 100−130 Мбайт/с у параллельного интерфейса). Однако в дальнейшем второе и третье поколение Serial ATA (примерно через 3 и 6 лет) увеличат скорость до 3 и 6 Гбит/с соответственно.

Существует несколько способов повысить пропускную способность интерфейса: увеличить или разрядность шины данных, или тактовую частоту передачи, или и то и другое сразу. Увеличение разрядности шины данных (то есть когда передача становится все более «параллельной») налагает 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, то есть разрядность шины данных свели к минимуму и повысили тактовую частоту передачи. Именно в этом заключается принципиальное отличие нового интерфейса Serial ATA от интерфейса PATA.

Кроме того, поскольку к каждому кабелю Serial ATA может быть подключен только один накопитель (к параллельным можно подключать два накопителя одновременно), то запас скорости интерфейса сейчас кажется очень большим.

Действительно, если нынешние IDE-винчестеры со скоростью чтения полезных данных с пластин до 50 Мбайт/с практически насытили интерфейс UltraATA/100 (два таких диска на одном IDE-шлейфе уже не могут сосуществовать без теоретической потери скорости, поскольку реально UltraATA/100 дает примерно 90 Мбайт/с потоковой пропускной способности) и подступили вплотную к пределу интерфейса UltraATA/133, то добираться до 150 Мбайт/с одиночным дискам придется еще очень долго (по прикидкам — примерно лет 5, а то и больше), то есть даже первой версии Serial ATA обеспечена долгая жизнь. К тому же соседство на одном шлейфе больше не будет мешать дискам в силу устранения латентностей шины IDE на переключение между соседними устройствами, что также должно повысить скорость работы дисков в компьютерах при грамотной реализации контроллеров на системных платах.

Улучшено и электрическое обрамление интерфейса: теперь вместо более 20 пятивольтовых линий (а пятивольтовые сигналы в современных системах нередко требуют усложнения и удорожания схемотехники, поскольку большинство нынешних цифровых микросхем уже работают при более низких напряжениях питания) используются всего две дифференциальные линии с перепадом уровня всего 0,5 вольт, а это отлично согласуется с современными интегрированными решениями.

Еще одной важной особенностью Serial ATA является то, что изменения архитектуры интерфейса лежат только в области физического интерфейса, а по регистрам и программному обеспечению он будет полностью совместим с нынешним параллельным ATA. Поэтому не будет необходимости кардинально менять драйверы. Более того, в некоторых случай новых драйверов для Serial ATA вообще не потребуется (!): архитектура Serial ATA прозрачна для BIOS и операционной системы. Кроме того, Serial ATA (в отличие от параллельных ATA) обладает средствами исправления ошибок (по ECC), и целостность передаваемых по кабелю данных будет гарантироваться. [20].