Реферат - Сравнительная характеристика последовательных и параллельных интерфейсов

Подождите немного. Документ загружается.

параллельный интерфейс обеспечивает более быструю передачу данных,

поскольку биты передаются сразу пачками. Очевидный недостаток

параллельного интерфейса — большое количество проводов и контактов

разъемов в соединительном кабеле (по крайней мере, по одному на каждый

бит). Отсюда громоздкость и дороговизна кабелей и интерфейсных цепей

устройств, но с этим мирятся ради вожделенной скорости. У

последовательного интерфейса приемно-передающие узлы функционально

сложнее, зато кабели и разъемы гораздо проще и дешевле. Понятно, что на

большие расстояния тянуть многопроводные кабели параллельных

интерфейсов неразумно (и невозможно), здесь гораздо уместнее

последовательные интерфейсы. Эти рассуждения были основополагающими

при выборе типа интерфейса примерно до начала 1990-х годов. Тогда выбор

был прост: на ближних расстояниях (максимум — до пары десятков метров)

при требованиях к высокой скорости использовали параллельные

интерфейсы, а на дальних расстояниях или в случае неприемлемости

параллельных кабелей — последовательные, жертвуя скоростью передачи.

Теперь точнее рассмотрим скорость передачи данных. Очевидно, что она

равна числу бит, передаваемых за квант времени, деленному на длительность

кванта. Для простоты можно оперировать тактовой частотой интерфейса —

величиной, обратной длительности кванта. Это понятие естественно для

синхронных интерфейсов, у которых имеется сигнал синхронизации (clock),

определяющий возможные моменты возникновения всех событий (смены

состояния). Для асинхронных интерфейсов можно пользоваться

эквивалентной тактовой частотой — величиной, обратной минимальной

длительности одного состояния интерфейса. Теперь можно сказать, что

максимальная (пиковая) скорость передачи данных равна произведению

тактовой частоты на разрядность интерфейса. У последовательного

интерфейса разрядность 1 бит, у параллельного — столько, сколько имеется

параллельных сигнальных цепей для передачи битов данных. Остаются

вопросы о достижимых тактовой частоте и разрядности. И для

последовательного, и для параллельного интерфейсов максимальная тактовая

частота определяется достижимым (при разумных цене и затратах энергии)

быстродействием приемопередающих цепей устройств и частотными

свойствами кабелей. Здесь уже проглядывают преимущества

последовательного интерфейса: для него затраты на построение

высокоскоростных элементов не приходится умножать на разрядность

интерфейса, как в случае параллельного интерфейса.

В параллельном интерфейсе есть явление перекоса (skew), существенно

влияющее на достижимый предел тактовой частоты. Суть его в том, что

сигналы, одновременно переданные с одного конца интерфейсного кабеля,

доходят до другого конца не одновременно из-за отклонений характеристик

цепей. На время прохождения влияют длина проводов, свойства изоляции,

соединительных элементов и т. п. Очевидно, что перекос (разница во

времени прибытия) сигналов разных битов должен быть явно меньше кванта

времени, иначе биты будут искажаться (путаться с одноименными битами

предшествующих и последующих посылок). Вполне понятно, что перекос

ограничивает и допустимую длину интерфейсных кабелей: при одной и той

же относительной погрешности скорости распространения сигналов на

большей длине «набегает» и больший перекос. Перекос сдерживает и

увеличение разрядности интерфейса: чем больше параллельных цепей, тем

труднее добиться их идентичности. Из-за этого даже приходится «широкий»

(многоразрядный) интерфейс разбивать на несколько «узких» групп и для

каждой группы использовать свои управляющие сигналы. В 90-х годах в

схемотехнике приемно-передающих узлов стали осваиваться частоты в сотни

мегагерц и выше, то есть длительность кванта стала измеряться единицами и

долями наносекунд. Достичь соизмеримо малого перекоса можно лишь в

пределах жестких компактных конструкций (печатная плата), а для связи

отдельных устройств кабелями длиной в десятки сантиметров пришлось

остановиться на частотах до десятков мегагерц. Для того чтобы

ориентироваться в числах, отметим, что за 1 наносекунду сигнал пробегает

по электрическому проводнику порядка 20-25 сантиметров.

Для повышения пропускной способности параллельных интерфейсов с

середины 90-х годов стали применять двойную синхронизацию (Dual Data

Rate, DDR). Ее идея заключается в выравнивании частот переключения

информационных сигнальных линий и линий стробирования

(синхронизации). В «классическом» варианте данные информационных

линий воспринимаются только по одному перепаду (фронту или спаду)

синхросигнала, что удваивает частоту переключения линии синхросигнала

относительно линий данных. При двойной синхронизации данные

воспринимаются и по фронту, и по спаду, так что частота смены состояний

всех линий выравнивается, что при одних тех же физических параметрах

кабеля и интерфейсных схем позволяет удвоить пропускную способность.

Волна этих модернизаций началась с интерфейса АТА (режимы U1-traDMA)

и прошла уже и по SCSI (Ultra160 и выше), и по памяти (DDR SDRAM).

Кроме того, на высоких частотах применяется синхронизация от источника

данных (source synchronous transfer): сигнал синхронизации, по которому

определяются моменты переключения или действительности данных,

вырабатывается самим источником данных. Это позволяет точнее совмещать

по времени данные и синхронизирующие импульсы, поскольку они

распространяются по интерфейсу параллельно в одном направлении.

Альтернатива — синхронизация от общего источника (common clock) — не

выдерживает высоких частот переключения, поскольку здесь в разных

(географически) точках временные соотношения между сигналами данных и

синхронизации будут различными.

Повышение частоты переключений интерфейсных сигналов, как правило,

сопровождается понижением уровней сигналов, формируемых

интерфейсными схемами. Эта тенденция объясняется энергетическими

соображениями: повышение частоты означает уменьшение времени,

отводимого на переключения сигналов. Чем больше амплитуда сигнала, тем

большие требуются скорость нарастания сигнала и, следовательно, выходной

ток передатчика. Повышение выходного тока (импульсного!) нежелательно

по разным причинам: большие перекрестные помехи в параллельном

интерфейсе, необходимость применения мощных выходных

формирователей, повышенное тепловыделение. Тенденцию снижения

напряжения можно проследить на примере порта AGP (3,3/1,5/0,8 В), шин

PCI/PCI-X (5/3,3/1,5 В), SCSI, шин памяти и процессоров.

В последовательном интерфейсе явление перекоса отсутствует, так что

повышать тактовую частоту можно вплоть до предела возможностей

приемно-передающих цепей. Конечно, есть ограничения и по частотным

свойствам кабеля, но изготовить хороший кабель для одной сигнальной цепи

гораздо проще, чем для группы цепей, да еще и с высокими требованиями к

идентичности. А когда электрический кабель уже «не тянет» требуемые

частоту и дальность, можно перейти на оптический, у которого есть в этом

плане огромные, еще не освоенные «запасы прочности». Устраивать же

параллельный оптический интерфейс -слишком дорогое удовольствие.

Приведенные соображения объясняют тенденцию перехода на

последовательный способ передачи данных.

Сравнительная характеристика последовательной шины USB

и параллельного порта подключения LPT

USB( Universal Serial Bus) - универсальная последовательная шина,

предназначенная для подключения периферийных устройств. Шина USB

представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для

среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств.

Является промышленным стандартом расширения архитектуры РС,

ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой

электроники. Спецификация USB 1.0 была опубликована в январе 1996.

Архитектура USB определялась следующими критериями:

* Легко реализуемое расширение периферии РС.

* Дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Мбит/с.

* Полна поддержка в реальном времени передачи аудио и сжатых видео

данных.

* Гибкость протокола для смешанной передачи изоморфных данных и

асинхронных сообщений.

* Интеграция в технологию выпускаемых устройств.

* Доступность в РС всех конфигураций и размеров.

* Открытие новых классов устройств, расширяющих РС.

С точки зрения пользователя привлекательны такие черты USB:

~ Простота кабельной системы подключений.

~ Изоляция подробностей электрических подключений от пользователя.

~Самоидентифицирующаяся периферия, автоматическая связь устройств с

драйверами и конфигурирование.

~Возможность динамического подключения и реконфигурирования

периферии.

СТРУКТУРА И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СИСТЕМЫ USB

USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером (сервером,

установленном в узлах сети, решающий вопросы коммуникации и доступа к

сетевым ресурсам) и множеством одновременно доступных периферийных

устройств. Распределение пропускной способности шины между

подключенными устройствами планируется хостом и реализуется им с

помощью посылки маркеров. Шина позволяет подключать, конфигурировать,

использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих

устройств - динамическое ("горячее") подключение и отключение.

Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий поддержку

протокола USB, выполнение стандартных операций(конфигурирование и

сброс) и стандартное представление информации, описывающей устройство.

Многие устройства, подключаемые к USB, имеют в своем составе и

"функции" и хабы(или концентратор - многопортовой репитер – устройство,

физически расположенное в сети, с двумя или более портами).

Работой всей системы USB управляет хост-контроллер, являющийся

программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера.

Физическое соединение устройств осуществляется по топологии

многоярусной «звезды». Центром каждой звезды является хаб, каждый

кабельный сегмент соединяет две точки - хаб с другим хабом или хаб с

функцией. В системе USB имеется только один хост-контроллер,

расположенный в вершине пирамиды устройств и хабов USB.

Хост-контроллер интегрируется с корневым хабом( root hub),

обеспечивающим одну или несколько точек подключения - портов.

Логически устройство подключенной к любому хабу и сконфигурированное

может рассматриваться как подключенное напрямую к хост-контроллеру.

"Функции" представляют собой устройства USB, способные принимать или

передавать данные или управляющую информацию по шине. Физически в

одном корпусе может быть несколько "функций" со встроенным хабом

обеспечивающим их подключение к одному порту.

Каждая "функция" предоставляет конфигурационную информацию,

описывающую его возможности и требования к ресурсам. Перед

использованием функция должна быть сконфигурирована хостом - ей должна

быть выделена полоса в канале выбраны специфические опции

конфигурации.

Хаб - ключевой элемент системы Plug-and-Play в архитектуре USB. Хаб

является кабельным концентратором, точки подключения называются

портами хаба. Каждый хаб преобразует одну точку подключения в их

множество. Архитектура подразумевает возможность соединения нескольких

хабов.

Система USB разделяется на три уровня с определенными правилами

взаимодействия. Устройство USB делится на интерфейсную часть, часть

устройства и функциональную часть. Хост тоже делится на три части -

интерфейсную, системную и ПО устройства. Каждая часть отвечает только за

определенный круг задач, взаимодействие между ними показано на рисунке

рис. 1

1. Физическое устройство USB - устройство на шине, выполняющее

функции, интересующие пользователя.

2. Client SW - программное обеспечение, соответствующее конкретному

устройству , исполняемое на хост-компьютере. Может являться составной

частью ОС или специальным продуктом.

3. USB System SW - системная поддержка USB операционной системой,

независимая от конкретных устройств и клиентского ПО.

USB Host Controller - аппаратные и программные средства, обеспечивающие

подключение устройств USB к хост-компьютеру.

ФИЗИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕЙС

Информационные сигналы и питающее напряжение 5В передаются по

четырехпроводному кабелю, при этом два провода (витая пара) в

дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных,

а два провода — для питания периферийного устройства. Для сигнала

используется дифференциальный способ передачи по двум проводам D+ и

D-. Уровни сигналов передатчиков в статическом режиме должны быть ниже

0.3 В( низкий уровень) или выше 2.8 В (высокий уровень). Приемники

должны выдерживать входное напряжение в пределах -0.5...+3.8 В.

Передатчики должны иметь возможность перехода в высокоимпедансное

состояние для обеспечения двунаправленной полудуплексной передачи

данных по одной паре проводов.

Передача по двум проводам не ограничивается лишь дифференциальными

сигналами. Кроме дифференциального приемника, каждое устройство имеет

и линейные приемники сигналов D+ и D- , а передатчики этих линий

управляются индивидуально. Это позволяет различать множество состояний

линии, используемых для организации аппаратного интерфейса. Состояния

Diff0 и Diff1 определяются по разности потенциалов на линиях D+ и D-

более 200 мВ при условии, что на одной из них потенциал выше порога

срабатывания VSE. Состояние, при котором на обоих входах D+ и D-

присутствует низкий уровень называется линейным нулем (SE0 - single-ended

zero). Интерфейс определяет следующие состояния:

° Data J State и Data K State - состояния передаваемого бита ( определяются

через состояния Diff0 и Diff1).

° Idle State - пауза на шине.

° Resume State - сигнал "пробуждения" для вывода устройства из спящего

режима.

° Start of Packet (SOP) - начало пакета( переход из "Idle" в "K").

° End of Packet (EOP) - конец пакета.

° Disconnect - устройство отключено от порта.

° Connect - устройство подключено к порту.

° Reset - сброс устройства.

Состояния определяются сочетаниями дифференциальных и линейных

сигналов, для полной и низкой скоростей состояния Diff0 и Diff1 имеют

противоположное назначение. В декодировании состояние Disconnect,

Connect и Reset принимается во внимание и время нахождения линий (более

2.5 мс) в определенных состояниях.

Шина имеет два режима передачи. Полная скорость передачи сигналов USB

составляет 12 Мбит/с, низкая - 1.5 Мбит/с. Для полной скорости

используется экранированная витая пара с импедансом 90 Ом и длиной

сегмента до 5 м, для низкой - невитой и неэкранированный кабель при длине

сегмента до 3 м. Одна и та же система может использовать оба режима,

переключение для устройств осуществляется прозрачно. Низкая скорость

предназначена для работы с небольшим количеством устройств, не

требующих высокой пропускной способности канала.

Скорость, используемая устройством, подключенным к конкретному порту

определяется хабом по уровням сигналов на линиях D+ и D-, смещаемых

нагрузочными резисторами R2 приемопередатчиков. Сигналы кодируются по

методу NRZI ( Non Retur n To Zero Invert ) - при переходе сигнала из 0 в 1

сигнал NRZI не изменяется, а при переходе из 1 в 0 - изменяется на

противоположный. Каждому пакету предшествует поле SYNC, позволяющее

приемнику настроиться на частоту передатчика.

Кроме сигнальной пары кабель имеет линии VBus и GND для передачи

питающего напряжения 5В к устройствам.

Питание устройства USB возможно как от кабеля так и от собственного

блока питания.

Хост обеспечивает питанием непосредственно подключенные к нему

устройства. Каждый хаб обеспечивает питание устройств, подключенным к

его нисходящим портам.

USB имеет развитую систему управления энергопотреблением. Хост

компьютер может иметь собственную систему управления

энергопотреблением, к которой логически подключается одноименная

система USB. Программное обеспечение USB взаимодействуя с этой

системой поддерживает такие события как приостанов (SUSPEND) или

восстановление (RESUME). Кроме того, устройства USB могут сами являться

источниками событий, отрабатываемых системой управления

энергопотреблением.

СИСТЕМНОЕ КОНФИГУРИРОВАНИЕ

USB поддерживает подключение и отключение устройств во время работы

шины. Нумерация устройств шины является постоянным процессом

отслеживающим динамические изменения физической топологии.