Основные элементы системной платы показаны на рис. 5, где цифрами обозначены:
1) Разъем для микропроцессора.
2) Слоты для модулей оперативной памяти.
3) Интерфейсы шины PCI.
4) Микросхема системной логики (чипсет, 4.1 – северный мост, а 4.2 – южный мост).
5) Интерфейсы для подключения жестких дисков.
6) Блок портов ввода/вывода.
7) Интерфейс шины АGP для подключения видеоадаптера.
 |
В общем случае под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных компонентов в системах. Применительно к персональным компьютерам к стандартным интерфейсам относятся все порты ввода/вывода, различные слоты расширения системной платы (PCI, AGP) и другие разъемы, используемые для подключения различных устройств в единое целое.
Порт PS/2 – шестиконтактный разъем, используемый для подключения клавиатуры и ручного манипулятора. Эти разъемы подключены к единому контроллеру.
| Вилка (устанавливается на кабеле) | Розетка (устанавливается на корпусе системного блока) |
| 
|
Последовательный СОМ-порт (RS-232) – данный порт используется для подключения модема. Ранее использовался и для подключения ручного манипулятора («мыши»). Порт стандартизирован в двух вариантах 9 (DB9) и 25-контактный (DB25). Последний вариант практически не реализуется в современных системных блоках. Для асинхронного режима принято несколько стандартных скоростей обмена: 9600, 19200, 38400, 57600 и 115200 бит/с.
| Вилка (устанавливается на корпусе системного блока) | Розетка (устанавливается на кабеле) |
| 
|
| 
|
Параллельный порт (LPT) – этот порт изначально разрабатывался как интерфейс для подключения принтера. Также может быть использован для подключения сканера или плоттера, имеющего соответствующий интерфейс. Скорость обмена не выше 150 Кбайт/с при значительной загрузке процессора. В 1994 г. был принят стандарт IEEE1284, определивший спецификацию портов SPP, ЕРР и ЕСР. Дополнительные режимы ЕРР (Enhanced Parallel Port – улучшенный параллельный порт) и ЕСР (Extended Capability Port – порт с расширенными возможностями) позволили ввести поддержку двунаправленного обмена с аппаратным сжатием данных (устанавливается программой Setup BIOS). В качестве разъемов спецификацией определены Тип A (DB-25), Тип В (Centronics) и тип С (компактный 36-контактный).
| Вилка (устанавливается на кабеле) | Розетка (устанавливается на корпусе системного блока) |
|
|
|
Видеовыход ( 15-контактный разъем) – используется для подключения VGA/SVGA монитора к системному блоку, а именно, к видеоадаптеру. В случае интегрированного в системную плату видеоадаптера видеовыход размещается на стандартной панели, как показано на рис. 5.
Разъем для подключения к локальной сети (RJ-45) – восьмиконтактный интерфейс для подключения компьютера к локальной сети. В случае интегрированного в системную плату сетевого адаптера интерфейс RJ-45 размещается на стандартной панели интерфейсов (как на рис. 5). Другой вариант – размещается на установленном сетевом адаптере.
MIDI/GAME порт – используется для подключения мультимедийных игровых устройств, например, синтезатора и игрового манипулятора «джойстика».
В архитектуре современных персональных компьютеров все большее значение приобретают внешние шины, служащие для подключения различных устройств, таких как внешние накопители flash-памяти и накопители на жестких магнитных дисках, CD/DVD-устройства, сканеры, принтеры, цифровые камеры и др. Основными требованиями к таким шинам и их интерфейсам заключаются в высоком быстродействии, компактности интерфейса и удобстве коммутации устройств пользователем.
В современных ПК к таким внешним шинам и интерфейсам относятся: USB, FireWire, IrDA, Bluetooth. Последние два интерфейса относятся к классу беспроводных интерфейсов.
Шина и интерфейс USB. Архитектура шины USB представляет собой классическую топологию «звезда» с последовательной передачей данных, в соответствии с которой в системе должен быть корневой (ведущий) концентратор USB, к которому подключаются периферийные концентраторы USB (рис. 6, внешний концентратор на 4 порта USB), а непосредственно к ним подключаются периферийные устройства с интерфейсом USB. Периферийные концентраторы могут подключаться друг к другу, образуя каскады.
Корневой концентратор расположен в одной из микросхем системной логики (как правило, это южный мост чипсета). Всего через один корневой концентратор USB может быть подключено до 127 устройств (концентраторов и устройств USВ). Однако, учитывая относительно невысокую пропускную способность шины USВ версии 1.1 (до 12 Мбит/c), что с учетом служебных расходов составляет 1 Мбайт/c, оптимальным является подключение 4 – 5 низкоскоростных устройств (клавиатура, манипулятор, сканер).
Проблема низкой пропускной способности частично решена версией интерфейса USB 2.0, в соответствии с которой пиковая пропускная способность увеличена до 480 Мбит/с (60 Мбайт/c). Этого было вполне достаточно для работы типичных USB-устройств: принтеров, офисных сканеров, цифровых фотокамер, джойстиков и др (более скоростные устройства должны подключаться ближе к корневому концентратору).
Все устройства USB соединяются между собой четырехжильным кабелем (рис. 7).
По одной паре передаются данные, по другой – электропитание, которое автоматически подключается устройством при необходимости. На концах кабеля монтируются разъемы типов «А» и «В». С помощью разъема «А» устройство подключают к концентратору. Разъем типа «В» устанавливают на концентраторы для связи с другим концентратором и на устройства, от которых кабель должен отключаться (например, сканеры).
| Вилка типа «А» (устанавливается на кабеле) | Розетка типа «А» (устанавливается на корпусе системного блока) | Вилка типа «В» (устанавливается на кабеле) | Розетка типа «В» (устанавливается на корпусе периферийного устройства) |
| 
| 
| 
|
Спецификация USВ определяет две части интерфейса: внутреннюю и внешнюю. Внутренняя часть делится на аппаратную (собственно корневой концентратор и контроллер USB) и программную (драйверы контроллера, шины, концентратора, клиентов). Внешнюю часть представляют устройства (концентраторы и компоненты) USB. Для обеспечения корректной работы все устройства делятся на классы: принтеры, сканеры, накопители и т. д. Разделение устройств на классы происходит не по их целевому назначению, а по единому способу взаимодействия с шиной USВ. Поэтому драйвер класса принтеров определяет не его разрешение или цветность, а способ передачи (односторонний или двунаправленный) данных, порядок инициализации при подключении. Также спецификация USВ предусматривает интерфейс mini-USB.
В интерфейсе USB реализована процедура подключения периферии к шине «в горячем режиме», т.е. без отключения питания системного блока. Подключенное в свободный порт устройство вызывает перепад напряжения в цепи. Контроллер немедленно направляет запрос на этот порт. Присоединенное устройство принимает запрос и посылает пакет с данными о классе устройства, после чего устройству присваивается уникальный идентификационный номер. Далее происходит автоматическая загрузка и активация драйвера устройства, его конфигурирование и, тем самым, окончательное подключение устройства. Точно так же происходит инициализация уже подсоединенного и включаемого в сеть устройства (например, модема).
В конце 2008 года USB Implementers Forum завершил разработку спецификации стандарта USB 3.0. Новый стандарт увеличил пропускную способность, хотя прирост не такой значительный, как 40-кратное увеличение скорости при переходе от USB 1.1 на USB 2.0, а только 10 повышение пропускной способности. USB 3.0 поддерживает максимальную скорость передачи 5 Гбит/с.
Реальная пропускная способность USB-устройств обычно оказывается гораздо ниже, чем максимальная скорость, заявленная стандартом USB, и зависит от целого ряда переменных факторов, включая служебные. На практике пропускная способность составляет 35-30 Мбайт/с для USB 2.0, 400 Мбайт/с и выше для USB 3.0.
В отличие от второй версии, где данные передаются только в одну сторону в ходе одной операции, USB 3.0 поддерживает одновременное считывание и запись. Достигнута такая функциональность благодаря добавлению четырёх новых линий к разъёму предшествующего интерфейса: две для передачи данных и две – для приёма. Общее количество линий увеличено до 8 (в USB 2.0 - 5). Общее количество подключаемых устройств в USB 3.0 осталось прежним.
В USB увеличен максимальный ток на шине с 500 мА до 900 мА. Это позволит потребляющим большую мощность устройствам получать питание от компьютера, а USB-хабы будут поддерживать больше соединений. Кроме того, имеющая аккумуляторы электроника будет заряжаться быстрее. В USB 3.0 внесены изменения в протокол опроса, благодаря чему контроллер не станет беспрерывно обращаться к подключённому устройству в ожидании передачи данных и тратить зря энергию. Вместо этого сами устройства будут посылать сигнал, когда инициирована операция передачи.
Несмотря на то, что SuperSpeed USB основан на новом аппаратном обеспечении и разводке кабелей, стандарт разработан с учётом обратной совместимости с предшественником. Это повлияло на конструкцию нового разъёма, объединяющего шину третьей версии и Hi-Speed USB. К примеру, при наличии ПК с USB 3.0, соответствующего кабеля и оснащённой усовершенствованным интерфейсом камеры скорость обмена информацией между ними будет приближаться к 500 Мб/с. Однако заменив камеру на модель с USB 2.0 скорость снизится до до 480 Мбит/с.
Интерфейс IEEE1394 (FireWire). Конкурентом интерфейса USB 2.0 на сегодняшний день является последовательный цифровой интерфейс FireWire, называемый также IEEE1394 (iLink – торговая марка Sony). Этот интерфейс, рассматривающийся по началу как скоростной вариант интерфейса SCSI, был предложен компанией Apple. В начале 90-х годов вышло техническое описание этого интерфейса в виде стандарта IEEE 1394 (Institute of Electrical and Electronic Engineers – института инженеров по электротехнике и электронике).
Спецификация интерфейса IEEE1394 предусматривает последовательную передачу данных со скоростями 100, 200, 400, 800 Мбит/с (последнее значение не стандартизировано). Выбор последовательного интерфейса обусловлен необходимостью связать удаленные внешние устройства, работающие с различными скоростями. В этом случае обеспечивается их работа по одной линии, отсутствие громоздких кабелей и шлейфов, габаритных разъемов. Появление последовательных интерфейсов IEEE1394 и USB привело к вытеснению параллельных интерфейсов для подключения внешних устройств.
Топология интерфейса IEEE1394 «древовидная», при этом система адресации обеспечивает подключение до 63 устройств в одной сети. Для связи между сетями существуют мосты, для объединения ветвей в один узел – концентраторы. Повторители служат для усиления сигналов при длине соединения более 4.5 метров. Всего может быть связано до 1024 сетей по 63 устройства в каждой. Все устройства IEEE1394 соединяются между собой шестижильным экранированным кабелем, имеющим две пары сигнальных и пару питающих проводников. Подключение осуществляется с помощью стандартной пары «вилка – розетка» (рис. 8-9). Корневое устройство интерфейса выполняет функции управления шиной. Первоначально такие устройства разрабатывались в виде плат расширения (рис. 9), в дальнейшем поддержка IEEE1394 стала реализовываться в наборе системной логики (чипсете) системной платы.
Автоматическая конфигурация интерфейса IEEE1394 происходит после включения питания, отсоединения или подключения устройства. При изменении конфигурации подается сигнал сброса и производится новая идентификация дерева.
Как и USB, шина IEEE 1394 обеспечивает возможность переконфигурации аппаратных средств компьютера без его выключения. В соответствии с принятым стандартом IEEE1394 существует два варианта разъемов и кабелей (рис. 10)
Первый вариант с 6-контактным разъемом IEEE1394 предусматривает не только передачу данных, но и подачу электропитания на подключенные к соответствующему контроллеру ПК устройства IEEE1394. При этом общий ток ограничен величиной 1.5 А.
Второй вариант с 4-контактным разъемом IEEE1394 рассчитан только на передачу данных. В этом случае подключаемые устройства должны иметь автономные источники питания. Интерфейс IEEE1394, используемый для подключения различного видео и аудио оборудования (телевизоры, видеомагнитофоны, видеокамеры и т. д.), осуществляющего передачу данных в цифровом коде, широко известен под названием iLink (торговая марка Sony).
Интерфейс Bluetooth относится к перспективным беспроводным интерфейсам передачи данных. Этот интерфейс активно разрабатывается и продвигается консорциумом Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG).
Технология Bluetooth разрабатывалась для построения беспроводных персональных сетей (WPAN, Wireless Personal Area Network). В 2001 году был принят стандарт IEEE 802.15.1, описывающий технологию построения таких сетей, а в 2002 году технология получила развитие в стандарте IEEE 802.15.3 (протокол связи для беспроводных частных сетей).
Единичная Bluetooth-система состоит из модуля, обеспечивающего радиосвязь, и присоединенного к нему хоста, в качестве которого может выступать компьютер или любое периферийное устройство. Bluetooth-модули обычно встраивают в устройство, подключают через доступный порт либо PC-карту. Модуль состоит из менеджера соединений (link manager), контроллера соединений и приемопередатчика с антенной. Два связанных по радио модуля образуют пиконет (piconet)[1]. Причем один из модулей играет роль ведущего (master), второй – ведомого (slave). В пиконете не может быть больше восьми модулей, поскольку адрес активного участника пиконета, используемый для идентификации, является трехбитным (уникальный адрес присваивается семи ведомым модулям, ведущий модуль не имеет адреса, а нулевой адрес зарезервирован для широковещательных (broadcast) сообщений).
Версия Bluetooth 1.2. Оптимальный радиус действия модуля – до 10 м. Диапазон рабочих частот 2.402-2.483 ГГц. Коммуникационный канал Bluetooth имел пиковую пропускную способность 721 Кбит/с. Для уменьшения потерь и обеспечения совместимости пиконетов частота в Bluetooth перестраивается скачкообразно (1600 скачков/с). Канал разделен на временные слоты (интервалы) длиной 625 мс (время между скачками), в каждый из них устройство может передавать информационный пакет. Для полнодуплексной передачи используется схема TDD (Time-Division Duplex, дуплексный режим с разделением времени). По четным значениям таймер передает ведущее устройство данных, а по нечетным – ведомое устройство.
Версия Bluetooth 2.0 + EDR. Bluetooth версии 2.0 был выпущен 10 ноября 2004 г. Имеет обратную совместимость с предыдущими версиями 1.x. Основным нововведением стала поддержка Enhanced Data Rate (EDR) для ускорения передачи данных. Номинальная скорость EDR около 3 Мбит/с, однако на практике это позволило повысить скорость передачи данных только до 2,1 Мбит/с.
Стандартная (базовая) скорость передачи данных использует GFSK-модуляцию радиосигнала при скорости передачи в 1 Мбит/с. EDR использует сочетание модуляций GFSK и PSK с двумя вариантами, π/4-DQPSK и 8DPSK. Они имеют большие скорости передачи данных по воздуху — 2 и 3 Mбит/с соответственно.
Версия Bluetooth 2.1. 2007 год. Добавлена технология расширенного запроса характеристик устройства (для дополнительной фильтрации списка при сопряжении), энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволяет увеличить продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора в 3—10 раз. Кроме того обновлённая спецификация существенно упрощает и ускоряет установление связи между двумя устройствами, позволяет производить обновление ключа шифрования без разрыва соединения, а также делает указанные соединения более защищёнными, благодаря использованию технологии Near Field Communication.
Версия Bluetooth 2.1 + EDR. В августе 2008 года Bluetooth SIG представил версию 2.1+EDR. Новая редакция Bluetooth снижает потребление энергии в 5 раз, повышает уровень защиты данных и облегчает распознавание и соединение Bluetooth-устройств благодаря уменьшению количества шагов за которые оно выполняется.
Версия Bluetooth 3.0 + HS. 3.0+HS была принята Bluetooth SIG 21 апреля 2009 года. Она поддерживает теоретическую скорость передачи данных до 24 Мбит/с. Её основной особенностью является добавление AMP (асимметричная мультипроцессорная обработка) (альтернативно MAC/PHY), дополнение к 802.11 как высокоскоростное сообщение. Две технологии были предусмотрены для AMP: 802.11 и UWB, но UWB отсутствует в спецификации
Модули с поддержкой новой спецификации соединяют в себе две радиосистемы: первая обеспечивает передачу данных в 3 Мбит/с (стандартная для Bluetooth 2.0) и имеет низкое энергопотребление; вторая совместима со стандартом 802.11 и обеспечивает возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с (сравнима со скоростью сетей Wi-Fi). Выбор радиосистемы для передачи данных зависит от размера передаваемого файла.
Небольшие файлы передаются по медленному каналу, а большие — по высокоскоростному. Bluetooth 3.0 использует более общий стандарт 802.11 (без суффикса), то есть не совместим с такими спецификациями Wi-Fi, как 802.11b/g или 802.11n.
Версия Bluetooth 4.0. Bluetooth SIG утвердил спецификацию Bluetooth 4.0 30 июня 2010г. Bluetooth 4.0 включает в себя протоколы Классический Bluetooth, Высокоскоростной Bluetooth и Bluetooth с низким энергопотреблением. Высокоскоростной Bluetooth основан на Wi-Fi, а Классический Bluetooth состоит из протоколов предыдущих спецификаций Bluetooth.
Контрольное задание
1. Заполните таблицу.
| СОМ-порт | LPT-порт | USB 2.0/3.0 | IEEE1394 | Bluetooth 1.2/3.0 | |
| Параллельный или последовательный интерфейс | |||||
| Максимальная пропускная способность | |||||
| Подключаемые устройства | |||||
| Количество одновременно подключаемых устройств | |||||
| Проводной или беспроводный интерфейс |
Контрольные вопросы
1. Какие устройства входят в базовую конфигурацию ПК?
2. Что понимается под интерфейсом передачи данных?
3. К каким интерфейсам ПК относятся разъемы, представленные на этих рисунках?
а) 
б) 
4.
 |
По представленному рисунку поставьте в соответствие номер интерфейса его названию.
5. Что больше 400 Мбит/c или 50 Мбайт/c?
6. Какой интерфейс показан на рисунке и где он размещается?
[1] Пиконет - несколько узлов, работающих на одной частоте и разделяющих общий канал, образуют пиконет (piconet).