Последовательный интерфейс является одним из наиболее ранних интерфейсов обмена данными, но, несмотря на это, он до сих пор является одним из самых распространенных. Это обусловлено его относительной простотой в реализации, надежностью, доступностью оборудования. Существенно и то, что программирование последовательного обмена данными довольно легко выполняется с помощью стандартных функций прикладного интерфейса программирования, которые доступны во всех популярных операционных системах, таких как Windows и Linux.
Рисунок 2.1 Последовательный интерфейс
Последовательный интерфейс очень широко используется как в простейших коммуникационных системах, так и в большинстве промышленных систем обмена данными, сбора информации и управления, поскольку при создании надежных распределенных систем управления и контроля стандартам последовательного обмена данными RS-232 и RS-485 реальной альтернативы пока нет.
Основной недостаток последовательного интерфейса — относительно низкая скорость обмена данными по сравнению с другими интерфейсами — в
настоящее время успешно преодолевается в новых аппаратных разработках, а аппаратно-программные методы "виртуализации" позволяют работать практически с любым количеством последовательных интерфейсов в одной системе.
Интерес к последовательному интерфейсу в последнее время не только не ослабевает, но даже возрастает, о чем свидетельствует как огромное количество выпускаемого оборудования (промышленного и лабораторного), работающего с последовательным интерфейсом.
Универсальный внешний последовательный интерфейс — СОМ-порт (Communications Port — коммуникационный порт) присутствует в PC начиная с первых моделей. Этот порт обеспечивает асинхронный обмен по стандарту RS-232C. СОМ-порты реализуются на микросхемах универсальных асинхронных приемопередатчиков. (UART), совместимых с семейством i8250/16450/16550. Они занимают в пространстве ввода-вывода по 8 смежных 8-битных регистров и могут располагаться по стандартным базовым адресам 3F8h (COM1), 2F8h (COM2), 3E8h (COM3), 2E8h (COM4). Порты могут вырабатывать аппаратные прерыванияIRQ4 (обычно используются для СОМ1 и COM3) и IRQ3 (для COM2 и COM4). С внешней стороны порты имеют линии последовательных данных передачи и приема, а также набор сигналов управления и состояния, соответствующий стандарту RS-232C. СОМ-порты имеют внешние разъемы-вгшсм (male — «папа») DB25P или DB9P, выведенные на заднюю панель компьютера.
Рисунок 2.2 Схема ком-портов
Компьютер может иметь до четырех последовательных портов СОМ 1-COM4 (для машин класса AT типично наличие двух портов) с поддержкой на уровне BIOS.
Название порта указывает на его основное назначение — подключение коммуникационного оборудования (например, модема) для связи с другими компьютерами, сетями и периферийными устройствами. К порту могут непосредственно подключаться и периферийные устройств с последовательным интерфейсом: принтеры, плоттеры, терминалы и другие. СОМ-порт широко используется для подключения мыши, а также организации непосредственной связи двух компьютеров. К СОМ-порту подключают и электронные ключ.
Наиболее часто для последовательного порта персональных компьютеров используется стандарт RS-232C. Ранее последовательный порт использовался для подключения терминала, позже для модема или мыши. Сейчас он используется для соединения с источниками бесперебойного питания, для связи с аппаратными средствами разработки встраиваемых вычислительных систем, спутниковыми ресиверами, кассовыми аппаратами, с приборами систем безопасности объектов, а также с многими прочими устройствами.
Все сигналы RS-232C передаются специально выбранными уровнями, обеспечивающими высокую помехоустойчивость связи. Отметим, что данные передаются в инверсном коде (логической единице соответствует низкий уровень, логическому нулю - высокий уровень).
Таблица 2.1 - Порядок обмена по интерфейсу RS-232C
| Наименование | Направление | Описание | Контакт (25-контактный разъем) | Контакт (9-контактный разъем) |
| DCD | IN | Carrie Detect (Определение несущей) | ||
| RXD | IN | Receive Data (Принимаемые данные) | ||
| TXD | OUT | Transmit Data (Передаваемые данные) | ||
| DTR | OUT | Data Terminal Ready (Готовность терминала) | ||
| GND | - | System Ground (Корпус системы) | ||
| DSR | IN | Data Set Ready (Готовность данных) | ||
| RTS | OUT | Request to Send (Запрос на отправку) | ||
| CTS | IN | Clear to Send (Готовность приема) | ||
| RI | IN | Ring Indicator (Индикатор) |
Широко распространённый в IBM PC-совместимых компьютерах, последовательный порт в настоящее время морально устарел (Спецификация PC99 — один из примеров попытки избавиться в современных материнских платах от наследия старых интерфейсов), но ещё нередко присутствует на современных компьютерах и используется в промышленном и узкоспециализированном оборудовании. В настоящее время в IBM PC-совместимых компьютерах практически вытеснен интерфейсом USB.
Существуют стандарты на эмуляцию последовательного порта над USB и над Bluetooth (эта технология в значительной степени и проектировалась как «беспроводной последовательный порт»).
Тем не менее программная эмуляция данного порта широко используется и сегодня. Так, например, практически все мобильные телефоны эмулируют внутри себя классический COM-порт и модем для реализации тетеринга — доступа компьютера в Интернет через GPRS/EDGE/3G оборудование телефона. При этом для физического подключения к компьютеру используется USB, Bluetoothили Wi-Fi.
SATA (Serial ATA) — последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации, как правило, с жёсткими дисками.
SATA является развитием интерфейса ATA (IDE), который после появления SATA был переименован в PATA (Parallel ATA).
Первоначально стандарт SATA предусматривал работу шины на частоте 1,5 ГГц, обеспечивающей пропускную способность приблизительно в 1,2 Гбит/с (150 МБ/с) 20%-я потеря производительности объясняется использованием системы кодирования 8B/10B, при которой на каждые 8 бит полезной информации приходится 2 служебных бита.
Пропускная способность SATA I (SATA/150) незначительно выше пропускной способности шины Ultra ATA (UDMA/133).
Главным преимуществом SATA перед PATA является использование последовательной шины вместо параллельной.
Стандарт SATA II (SATA/300) работает на частоте 3 ГГц, обеспечивает пропускную способность до 2,4 Гбит/с (300 МБ/с).
Рисунок 2.3 Разъёмы SATA на материнской плате
Теоретически SATA I и SATA II устройства должны быть совместимы (как SATA/300 контроллер и SATA/150 устройство, так и SATA/150 контроллер и SATA/300 устройство) за счёт поддержки согласования скоростей (в меньшую сторону), однако для некоторых устройств и контроллеров требуется ручное выставление режима работы (например, на НЖМД фирмы Seagate, поддерживающих SATA/300 для принудительного включения режима SATA/150 предусмотрен специальный джампер).
В настоящий момент стандарт SATA-2.5, дополняющий предыдущие и объединяющий предыдущие стандарты в один документ, уже нет разделения на SATA I и SATA II.
Он предусматривает возможность увеличения скорости работы до 600 Мбит/с (6 ГГц).
Если быть предельно точным, то это плановое ступенчатое продвижение на рынок трех поколений интерфейса Serial ATA — второе должно обеспечить скорость до 300 Мбит/с, а третье, соответственно, — до 600 Мб/с.
Рисунок 2.4Разъём данных SATA
SATA использует 7-контактный разъём вместо 40-контактного разъёма у PATA. Стандарт SATA предусматривает «горячую замену» (Hot-plug) устройств и функцию очереди команд (NCQ).
Для передачи сигнала используется технология LVDS.
SATA-кабель имеет меньшую площадь, за счёт чего уменьшается сопротивление воздуху, обдувающему комплектующие компьютера и улучшается охлаждение системы.
За счёт своей формы он более устойчив к многократному подключению.
Рисунок 2.5 Разъём питания SATA
15-ти контактный питающий шнур SATA так же разработан с учётом многократных подключений. Разъём питания SATA подаёт 3 напряжения питания: +12 В, +5 В и +3,3 В, однако современные устройства могут работать без напряжения +3,3 В, что даёт возможность использовать пассивный переходник с стандартного разъёма питания IDE на SATA.
Стандарт SATA отказался от традиционного для PATA подключения по два устройства на шлейф; каждому устройству полагается отдельный кабель, что снижает задержки при одновременной работе двух устройств на одном кабеле, уменьшает возможные проблемы при сборке (проблема конфликта Slave/Master устройств для SATA отсутствует).
Рисунок 2.6 Логотип eSATA
eSATA (External SATA) — интерфейс подключения внешних устройств.
Характеристики eSATA:
• Требует для подключения два кабеля: шину данных и силовой кабель;
•Максимальная длина кабеля данных — 2 м;
• Средняя практическая скорость передачи данных выше, чем у USB или IEEE 1394;
• Существенно меньше нагружается центральный процессор;
• Назначение: внешнее и внутреннее подключение устройств;
• Обладает встроенными средствами контроля ошибок — ЕСС, так что целостность данных гарантируется;
• Поддерживает режим «горячего включения» (Hot-plug).
Существует еще стандарт SAS (Serial Attached SCSI), который обеспечивает подключение по шине SATA устройств, управляемых набором команд SCSI.
Обладая обратной совместимостью с SATA, он теоретически даёт возможность подключать по этому интерфейсу любые устройства, управляемые набором команд SCSI — не только винчестер, но и сканеры, принтеры и др. По сравнению с SATA, SAS обеспечивает более развитую топологию, позволяя осуществлять параллельное подключение одного устройства по двум или более шинам.