14.5 Другие связные интерфейсы



==1027

PC104/ISA, которая разбиралась в начале, - параллельная многоточечная шина с функционально различными наборами сигналов: линиями ПДП, адреса, стробирующими сигналами, задающими направление и последовательность фаз обмена ( плюс линии управления прямым доступом и прерываниями ). Шина была придумана более 30 лет тому назад и в настоящее время вытеснена из персональных компьютеров более современными PCI и PCIe ^{42 43} .

Но область использования параллельных шин выходит далеко за пределы материнских плат компьютеров. Параллельная передача данных, следующая в русле концепции архитектуры PC104 «адрес-данные-строб», используется в массе электронных устройств: ЖК-мониторах, видеопроцессорах, АЦП и ЦАПах. Межкомпонентные интерфейсы такого рода часто обходятся без сложных методов адресации, поэтому правильнее называть их связями. Настоящие параллельные шины часто выходят за пределы устройства, обеспечивая связь с внешними источниками данных, например, дисковыми накопителями, ленточными библиотеками и измерительным оборудованием. В таком качестве выступают интерфейсы SCSI и GPIB.

Кроме того, постоянно набирают популярность последовательные шины и линии связи. В их число входят как самые простые и медленные ( RS232 или «COM»-порт ), так и быстрые USB и Firewire. Через последовательные шины данные передаются побитно, вместо одновременной передачи многоразрядными параллельными словами, из чего можно было бы сделать вывод о меньше общей скорости. На самом деле быстрые последовательные протоколы выигрывают в скорости за счёт низковольтовых дифференциальных сигналов, позволяющих радикально увеличить частоту. Хорошим примером служит эволюция 16-разрядной шины ATA ( называемой также PATA или IDE ) в последовательную SATA. Параллельный интерфейс для подключения дисковых накопителей через плоский шлейф на 40 проводов работает медленнее , чем современный SATA, в узком кабеле которого всего две дифференциальные последовательные линии. Скорость передачи по SATA доходит до 6 гигабит в секунду, тогда как по PATA только 1 гигабит в секунду.

Более высокая скорость при последовательной передаче? Как такое возможно? Дифференциальные низковольтовые сигналы помогают, конечно, но есть два дополнительных фактора.

1. Все такого рода связи организованы в виде «точка-точка» ( один драйвер на одной стороне и один приёмник на другой ), а PATA - построен по «многоточечной» схеме ( один драйвер где-то на шине и несколько приёмников, разбросанных на ней же ).
2. В отличие от многопроводной шины, последовательная линия не имеет скольжения фронтов ( разброс во временах задержки между стробирующим фронтом и данных на отдельных линиях ).

[* См. §10.8.2.C . Фактор скольжения фронта отсутствует только в последовательной линии с «самосинхронизацией», например, для кодировки Manchester-II или современного варианта 8b/10b. Но передача тактового сигнала в данных требует дополнительной пропускной способности шины. А как только появляется отдельная линия данных и отдельная линия тактирования ( пусть даже и дифференциальные ), как немедленно во весь рост встают проблемы дрожания и скольжения фронтов, времён установки и удержания и т.д. ].

Указанные факторы оказывают реальное воздействие на скорости передачи, измеряемые гигабитами в секунду. На то есть причины.

1. На таких частотах линии связи являются электрически длинными ( по проводнику на плате электрический сигнал проходит примерно 20 cm за 1ns ) и должны рассматриваться в качестве линий передачи ( см. Приложение _H ). На такой линии любые промежуточные отводы ( их называют «stub» ) выглядят как области рассогласования и являются источниками отражений сигнала. А вот соединение точка-точка боковых отводов не имеет по определению и обеспечивает хорошее согласование.
2. Неизбежный в параллельных интерфейсах относительный сдвиг фронтов однозначно определяет максимальную частоту тактирования данных ( проблема хорошо видна на «глазковой диаграмме», см. рис. 14.33 ). А в последовательных линиях тактовый сигнал восстанавливается непосредственно из потока данных. В итоге преимущества хорошего согласования и отсутствие проблем со скольжением фронтов перевешивают преимущества параллельной передачи.

Переход от параллельных связей и многоточечных конфигураций к последовательным соединениям точка-точка идёт повсеместно: в компьютерных шинах ( PCI → PCIe ), в дисковых интерфейсах ( ATA → SATA, SCSI → SAS ), сетевых соединениях ( многоточечный коаксиал → точка-точка витая пара ), приборных шинах ( GPIB → USB ). В дополнение к улучшению параметров, стоимость самих последовательных кабелей ниже, а соединители компактнее.



==1028

Отметим, что видимое отсутствие линий адресации в последовательных интерфейсах, никак не мешает им передавать адрес в потоке данных, т.е. иметь логическую адресацию ). В качестве примеров таких шин можно назвать USB, FireWire, SAS и eSATA .

Наконец, последовательные интерфейсы часто используют для внутриплатного и внутриприборного общения. SPI , I2C и JTAG - примеры именно такого рода.

В табл. 14.3 суммируются параметры наиболее распространённых шин данных и линий связи. В следующей главе они сами и примеры их использования будут рассмотрены подробнее.

Table 14.3 Common Buses and Data Links3 Par/Ser PP/MDb Mb/s (max)d Devices per ch Address bits max (m) Hot swap? Used for Comments comouter internal PC104/ISA P8,16 MD - 20, 24 - N peripheral cards original IBM PC/XT (ISA), in PC104 format PCI P32.64 MD 1000, 2000 - 32 - N peripheral cards obsolescent PCIe P1,2,4,8,16 PP 4000 per "lane" 1 - - N graphic & peripheral cards multiple serial unidirectional lanese IDE/PATA P16 MD 1000 2 2 0.45 N hard disk and optical drives obsolescent SATA S PP 1500, 3000, 6000 1 - 1 Y hard disk, ssd, & optical drives hot-swap; also external: eSATA SCSI P8/16 MD 320, 2500 8/16 - 12 note f hard disk and tape storage ultra2/ultra-320; also external SAS S PP 3000, 6000 4 - 8 Y hard diskdrives "serial attached SCSI" comouter oerioheral (external) 4-20mA S PP 110 baud few - 10k Y slow devices, "legacy” "current loop," robust in noisy environments RS-232C S PP 0.1 1 - -30 Y instruments, computer port "COM" ports; USB-to-serial adapters RS-485 S MD 0.1, 10 32 - 1000, 10k Y process control see graph, end Chapter 12 parallel (printer) P8 PP 2.5 1 - 10 Y printers; obsolete original printer port; USB-to-parallel adapters GPIB P8 MD 8 15 - 20 Y test/measurement insts fat cable! SCSI P8,16 MD 320, 2500 8/16 - 12 N hard disk and tape storage ultra2 / ultra-320; also internal eSATA S PP 3000 15 - 2 Y hard disk and optical drives hot swap; external SATA Firewire S MD 480,800,(3200) 63 64 10 Y disk storage, live video full duplex, repeater topology, IEEE-1394 USB 1.1 S PP 12 127 11 5 Y computer perhiperals half-duplex, tiered star topology USB 2.0 S PP 400 127 12 5 Y ...including hard drives, etc USB 3.0 S PP 4800 127 - 3 Y ...including solid-state drives full-duplex on added SuperSpeed pairs Ethernet S PP 10, 100, 1000 1 48 100h Y computer network original coax was multi-drop WiFi S PP 6 to 54, to 600' 1 48 180 Y wireless ethernet IEEE 802.11a, g, n Bluetooth S PP 1, 2, 3 8 48 10 Y wireless perhiperals range: 1m at 1mW to 100m at 100mW Zigbee S MD 0.045, 0.25 240 i 64 30 Y small nearby wireless devices 15-hop mesh network, IEEE 802.15.4 CAN S MD 1.0, 0.01 64 note k 1k, 40 Y auto, factory floor, lab 8-byte payload per packet LIN S MD 0.02 16 note I 40 Y automobile one wire, sub-network under CAN inter-chip parallel0 P4,8,16 MD to 3000 NA - - - general purpose, fast LVDS S PP to 6000 NA - - - IC to IC, backplane, fast l2C / SMBus S MD 0.01,0.1,0.41,3.4 112 7 - - IC to IC, addressable 2-wire bidirectional, with handshake and adr SPI S MD >20S 1 - - - simple IC to IC 4-wire, full-duplex, no handshake, no address JTAG S PP -100 many 7 - Y diagnostic, program loading IEEE 1149.1 1-wire S MD 0.1 many 64 100 Y sensors Dallas; power and data on one line! Notes: (a) there are more! these are commonly used, and likely to endure, (b) PP= point-to-point, MD = multidrop, (c) generic, no standards, (d) assumes no overhead. (e) PCIe uses multiple parallel "lanes" of unidirectional serial links; the number of lanes is written "Xn": Xf, X2, X4, X8, Xf6. Each lane accommodates 4 or 6 Gb/s. (f) yes for SCA-2 connectors, (g) chip dependent, no established standard, (h) fOObase-Tx. (i) four 64-QAM spatial streams, 40 MHz channel width. (j) up to 65534 is possible, (k) with DeviceNet protocol layer. (I) communication initiated by master.



==1028