Главная страницаОбратная связьКарта сайта

Универсальная последовательная шина USB

Знакомство с портами ввода-выводаВ настоящей главе представлены основные порты ввода-вывода, которыми оснащаются современные компьютерные системы. При этом рассматриваются как привычные последовательные и параллельные порты, которыми компьютеры оснащались с момента своего появления на рынке, так и более современный порт Universal Serial Bus (USB), который пришел им на смену, а также порт IEEE 1394 (i.LINK и FireWire). (IEEE — это аббревиатура от Institute of Electrical and Electronic Engineers (Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике).) Хотя eSATA можно рассматривать и как внешний интерфейс ввода-вывода, он является производным от внутреннего интерфейса SATA, о котором мы подробно говорили в главе 7. SCSI также является внутренним и внешним интерфейсом ввода-вывода, однако в современных персональных системах он встречается крайне редко.

В настоящее время наиболее популярны такие высокоскоростные интерфейсы для подключения периферийных устройств к настольным ПК и ноутбукам, как Universal Serial Bus (USB) и IEEE 1394, который также называют i.LINK или FireWire. Каждый интерфейс доступен в двух версиях: USB 1.1 и USB 2.0; IEEE 1394a и IEEE 1394b (FireWire 800). Порты USB и IEEE 1394 представляют собой высокоскоростные коммуникационные порты, по своим возможностям значительно выигрывающие у своих предшественников — обычных последовательных и параллельных портов. Их также можно считать альтернативой интерфейсу для периферийных устройств SCSI. Помимо более высокого быстродействия, данные порты обеспечивают консолидацию устройств ввода-вывода, что означает возможность подключения к ним периферийных устройств любого типа.

Преимущества последовательного соединенияКак уже отмечалось, по своей природе интерфейсы USB и IEEE 1394 являются последовательными. При этом данные передаются по одному проводу по одному биту за такт. В то же время параллельные порты (SCSI, ATA и LPT) предполагают одновременное использование 8, 16 и более проводов. Можно предположить, что за одно и то же время через параллельный канал передается больше данных, чем через последовательный, однако на самом деле увеличить пропускную способность последовательного соединения намного легче, чем параллельного.

Параллельное соединение обладает рядом недостатков, одним из которых является фазовый сдвиг сигнала, из-за чего длина параллельных каналов, например SCSI, ограничена (не должна превышать 3 м). Проблема в том, что, хотя 8- и 16-разрядные данные одновременно пересылаются передатчиком, из-за задержек одни биты прибывают в приемник раньше других. Следовательно, чем длиннее кабель, тем больше время задержки между первым и последним прибывшими битами на принимающем конце. Этот эффект называют перекосом сигнала; он не дает возможности использовать длинные кабели, а также высокие тактовые частоты. Способность сигнала достигать на втором конце провода определенного напряжения с небольшими колебаниями в течение короткого промежутка времени называют флуктуацией.

Последовательная шина позволяет единовременно передавать 1 бит данных. Благодаря отсутствию задержек при передаче данных значительно увеличивается тактовая частота. Например, максимальная скорость передачи данных параллельного порта EPP/ECP — 2,77 Мбайт/с, в то время как порты IEEE 1394 (в которых используется высокоскоростная последовательная технология) поддерживают скорость передачи данных, равную 400 Мбит/с (около 50 Мбайт/с), т.е. в 25 раз выше. Скорость передачи данных современных интерфейсов IEEE 1394b (FireWire 800) достигает 800 Мбит/с (или около 100 Мбайт/с), что в 50 раз превышает скорость передачи параллельного порта! Наконец, быстродействие интерфейса USB 2.0 достигает 480 Мбит/с (около 60 Мбайт/с).

Еще одно преимущество последовательного способа передачи данных — возможность использования только одно- или двухпроводного канала, поэтому помехи, возникающие при передаче, очень малы, чего нельзя сказать о параллельном соединении.


Стоимость параллельных кабелей довольно высока, поскольку провода, предназначенные для параллельной передачи, не только используются в большом количестве, но и специальным образом укладываются, чтобы предотвратить возникновение помех, а это весьма трудоемкий и дорогостоящий процесс. Кабели для последовательной передачи данных, напротив, очень дешевые, так как состоят из нескольких проводов и требования к их экранированию намного ниже, чем у используемых для параллельных соединений.

Именно поэтому, а также учитывая требования внешнего периферийного интерфейса Plug and Play и необходимость устранения физического нагромождения портов в портативных компьютерах, были разработаны эти две высокоскоростные последовательные шины, используемые уже сегодня. Шиной USB оснащен практически каждый компьютер. Благодаря своей универсальности этот порт используется для всех внешних подключений устройств общего назначения. Несмотря на то что шина IEEE 1394 (больше известная как FireWire) изначально была предназначена для узкоспециализированного использования (например, с цифровыми видеокамерами), в настоящий момент она применяется и с другими устройствами, например с профессиональными сканерами и внешними жесткими дисками.

Сравнение IEEE 1394 и USB 1.1/2.0

Хотя порты USB и IEEE 1394 подробно рассматриваются в следующих разделах, имеет смысл начать с их сравнения. Поскольку у данных портов много общего, достаточно сложно понять преимущества каждого из них перед другим. В табл. 15.1 приведена сравнительная характеристика технологий IEEE 1394 и USB.

Таблица 15.1. Сравнительная характеристика технологий IEEE 1394 и USB



1. Для подключения USB On-The-Go.

2. Кабель CAT-5 UTP поддерживает скорость передачи данных до 100 Мбит/с (100 м максимум); оптическое стекловолокно со ступенчатым показателем преломления поддерживает скорости передачи 100 и 200 Мбит/с (50 м максимум).

В целом USB — наиболее популярный внешний интерфейс ПК, который вытеснил практические все остальные решения. Основная причина этого — компания Intel, один из основных разработчиков USB, встроила поддержку шины USB во все свои наборы микросхем, выпускаемые с 1996 года, и эту тенденцию поддержали другие производители. В то же время практически

ни один из наборов микросхем системной логики не поддерживает порты 1394a и 1394b. В большинстве случаев для такой поддержки требовалась установка на материнскую плату дополнительной микросхемы, что увеличивало ее общую стоимость. Высокая стоимость схемы 1394 (включая 0,25 доллара лицензионного платежа, отчисляемых компании Apple Computer за каждую систему), а также то обстоятельство, что каждая системная плата уже содержит порты USB, ограничило распространение интерфейса 1394 (FireWire) на рынке ПК.

Возможно, основная причина, по которой стандарт 1394 до сих пор не проиграл интерфейсу USB 2.0, заключается в том, что с самого начала интерфейс USB привязан к ПК, в то время как 1394 — нет. Другими словами, интерфейсы USB и Hi-Speed USB требовали использования ПК в качестве узла”, в то время как интерфейс 1394 позволяет соединять два периферийных устройства напрямую. Например, при использовании интерфейса 1394 цифровую видеокамеру DV можно подключить к цифровому магнитофону для создания копии. Ситуация кардинально изменилась после выхода в декабре 2001 года спецификации USB 2.0 под названием USB On-The-Go. Эта спецификация позволяет подключать устройства (такие, как мобильные телефоны, видеокамеры и проигрыватели мультимедиа) друг к другу напрямую, а значит, лишает интерфейс 1394 (FireWire) одного из ключевых преимуществ перед интерфейсом USB.

Последний член семейства USB, Certified Wireless USB, был представлен еще в 2005 году, хотя до сих пор не получил широкого распространения.

Поскольку интерфейсы USB 2.0 и 1394a (FireWire) обеспечивают близкие возможности и уровень быстродействия, выбор в значительной степени зависит от того, какие именно устройства планируется подключать. Если ваша цифровая видеокамера оснащена только портом 1394 (FireWire/i.LINK), вам необходимо установить в системе плату адаптера 1394 FireWire, если соответствующий интерфейс не интегрирован на системной плате. Многие устройства хранения, периферийные устройства ввода-вывода, а также другие устройства для ПК оснащены интерфейсом USB; и только видеокамеры и некоторые модели устройств хранения оснащены интерфейсом 1394. Однако в последнее время все большее количество моделей устройств оснащается обоими интерфейсами — USB 2.0 и 1394, что значительно расширяет возможности их подключения.

Производительность: мифы и реальность

Однажды студенты попросили меня прокомментировать следующую ситуацию. В одном из тестов спрашивалось, какой из интерфейсов производительнее, USB 2.0 или FireWire 400. Так как скорость передачи данных USB 2.0 составляет 480 Мбит/с, а FireWire 400 — 400 Мбит/с, практически все отдали предпочтение первому. Каково же было их удивление, когда их ответы были отмечены как неправильные. Дело в том, что, несмотря на паспортные характеристики, внутренние перегрузки, возникающие в порту USB, на практике FireWire оказывается более производительным, и преподаватель об этом упомянул на лекции, на что многие не обратили внимания.

Мне пришлось серьезно задуматься, какой же ответ на самом деле можно считать правильным. Лично мне не нравятся вопросы, подобные этому, так как их некорректная постановка делает оба ответа с технической точки зрения одновременно и правильными, и неправильными. Во-первых, совершенно не ясно, что понимается под производительностью: паспортная скорость шины или реальная пропускная способность. Во-вторых, возникает вопрос При каких условиях эти пропускная способность измеряется?” В общем, если вам задают вопросы, подобные этому, можете, не задумываясь, давать любой ответ. Так как тестирование в реальных условиях включает множество неизвестных переменных, самый простой и определенный ответ основывается на паспортном, задокументированном быстродействии шины: производительность интерфейса USB выше.

Естественно, читатель, равно как и преподаватель, задавший студентам такой вопрос в тесте, могут с этим тезисом не согласиться. Многие считают (и это показали многочисленные тесты в реальных условиях), что, несмотря на задокументированную более высокую скорость интерфейса USB, интерфейс FireWire на самом деле более производительный. Поскольку я не люблю делать голословных утверждений, скажу, что, как и в любом другом компьютерном интерфейсе, на его производительность в конкретном случае влияет множество факторов, которые имели определенные значения при измерении паспортных характеристик интерфейсов. Все дело в том, что сами архитектуры интерфейсов USB и FireWire различаются, и никто не сможет предсказать реальные результаты сравнительных измерений в конкретных ситуациях.

Для тестирования производительности интерфейсов USB 2.0 и FireWire 400 я использовал внешний жесткий диск Maxtor емкостью 250 Гбайт со скоростью вращения шпинделя 7200 об/мин, поддерживающий оба этих интерфейса. Диск содержал один раздел FAT 32 и был заполнен наполовину. После этого я создал папку TEMP, в которую поместил видеофайл размером 300 Мбайт. Я специально выбрал слишком большой размер файла, чтобы он не смог поместиться в кэш ни системы, ни устройства.

После этого я подключал этот внешний диск к двум системам, содержащим интерфейсы USB 2.0 и FireWire 400. Характеристики этих систем следующие.

■    Система 1. Настольный компьютер на базе процессора Pentium 4 3,6 ГГц, 1 Гбайт ОЗУ,
Windows XP.

■    Система 2. Ноутбук на базе процессора Pentium M 1,7 ГГц, 1 Гбайт ОЗУ, Windows XP.
Для тестирования пропускной способности я копировал файл Temp1.avi в файл Temp2.avi

в папке TEMP. Таким образом, во время операции файл считывался с внешнего устройства и записывался на него же, т.е. измерялась пропускная способность двустороннего обмена информацией по соответствующему интерфейсу. При этом я использовал две команды — COPY и XCOPY — по четыре раза подряд, записывая результаты только последних трех операций. Вот команды, которые были использованы для копирования файлов:

COPY /Y Temp1.avi Temp2.avi XCOPY /Y Temp1.avi Temp2.avi

Примечание

Переключатель /y форсирует перезапись существующего файла назначения без запроса, что гарантирует полноценное выполнение операции перезаписи. Первая операция копирования не перезаписывает, а создает новый файл, поэтому ее результаты и не учитывались.

Для измерения времени копирования можно использовать утилиту командной строки TimeIt. Утилита TimeIT.exe включена в инструментарий Windows Server 2003; также ее можно загрузить с сайта Microsoft по адресу: http://go.microsoft.com/fwlink/?linklb=4554

Время копирования файла, в секундах, в настольной системе приведено в табл. 15.2.

Таблица 15.2. Сравнение времени копирования 300-мегабайтного файла в настольной системе с быстродействием 3,6 ГГц



Как видите, в быстродействующей настольной системе копирование файла показало превосходство интерфейса USB над FireWire от 13% (COPY) до 25% (XCOPY). Также обратите внимание, что в каждом из этих интерфейсов команда XCOPY выполняется быстрее, чем команда COPY, на 49–65%.

Результаты тестирования в более медленном ноутбуке приведены в табл. 15.3.

Таблица 15.3. Сравнение времени копирования 300-мегабайтного файла в ноутбуке с

 
быстродействием 1,7 ГГц Ноутбук Pentium M 1,7 ГГц

Команда COPY   
Первый запуск   
USB 2.0                                  FireWire 400

30,59                                     23,95

    
Второй запуск   
30,48                                    24,66

    
Третий запуск   
30,42                                    23,79

    
Среднее значение   
30,50                                    24,13

USB относительно FireWire, %   
    
-20,87                                    26,37

Команда XCOPY   
Первый запуск   
19,83                                     15,71

    
Второй запуск   
19,16                                    15,81

    
Третий запуск   
19,12                                    15,98

    
Среднее значение   
19,37                                    15,83

USB относительно FireWire, %   
    
-18,26                                    22,34

XCOPY относительно COPY, %   
    
57,44                                    52,42


Как видите, копирование в более медленном ноутбуке показало более низкую производительность интерфейса USB по отношению к FireWire (от 21% (COPY) до 18% (XCOPY)). Также обратите внимание, что в любом из этих интерфейсов команда XCOPY выполняется быстрее, чем команда COPY, на 52–57%.

Так как же ответить на вопрос относительно того, какой из интерфейсов производительнее в реальных условиях? В нашем примере в настольной системе более быстрым оказался интерфейс USB 2.0, а в ноутбуке — FireWire 400. Но это еще не все. Я заметил одну интересную деталь: оказалось, что на производительность интерфейса USB 2.0 сильно влияет быстродействие самого компьютера, чего не скажешь об интерфейсе FireWire 400. В табл. 15.4 приведена сравнительная характеристика.

Таблица 15.4. Повышение быстродействия интерфейсов при копировании 300-мегабайтного файла в настольном компьютере Pentium 4 3,6 ГГц относительно ноутбука Pentium M 1,7 ГГц

Операция                                          USB 2.0                                             FireWire 400

COPY, %                                             47,54                                                 3,49

XCOPY, %                                            54,67                                                 1,37

Итак, настольная система продемонстрировала на 48–55% лучшие показатели, чем портативная для интерфейса USB 2.0, и только на 1–3% лучшие — для FireWire 400. Другими словами, скорость передачи по интерфейсу FireWire оказалась примерно равной в обеих системах, несмотря на их различие в быстродействии. И это понятно, поскольку в архитектуре FireWire соз­дается соединение точка к точке”, не задействующее мощности компьютера. С другой стороны, в интерфейсе USB сам компьютер выступает в роли контроллера. Таким образом, благодаря архитектурным различиям интерфейсов FireWire и USB, производительность процессора и всей системы в целом оказывает гораздо большее влияние на USB, чем на FireWire.

Отметим еще одну интересную деталь. Сам метод копирования (COPY или XCOPY) оказал на результаты тестирования гораздо большее влияние, чем различие интерфейсов. Это выносит на повестку дня следующие вопросы. Какое влияние на показатели оказывает файловая система? Что будет, если диск отформатировать в системе NTFS, а не в FAT32? Что произойдет, если копироваться будет не один большой, а множество маленьких файлов? Какое влияние оказывает на быстродействие интерфейсов установленный в системе набор микросхем системной логики?

Итак, после всех продемонстрированных вопросов и ответов можно определенно сказать, что единственным корректным ответом на технически неправильно поставленный вопрос, приведенный в начале раздела, будет тот, который основан на паспортных характеристиках интерфейсов: USB 2.0. Если вопрос сформулировать несколько по-другому, Какой интерфейс быстрее при копировании файла размером 300 Мбайт в системе Windows XP на устройство с файловой системой FAT32?”, то я бы ответил следующим образом: Любой из них, в зависимости от оборудования и программ, используемых для копирования файлов”. Думаю, вы уловили ход моей мысли. Единственной вещью, которая была некорректной в изначальном вопросе и ответе, было непонимание того, что в любом сравнении участвует масса самых разнообразных переменных и однозначного ответа на подобные вопросы попросту не существует.

Универсальная последовательная шина USBУниверсальная последовательная шина USB представляет собой стандарт внешней шины периферийных устройств, предназначенный для полного использования технологии Plug and Play при подключении внешних устройств к компьютеру. Используя эту шину, можно устранить необходимость в узкоспециализированных портах и платах ввода-вывода, что влечет за собой уменьшение потребности в изменении конфигурации системы при добавлении новых устройств. Также использование USB позволяет сэкономить важные системные ресурсы, такие как каналы запросов на прерывания (IRQ), — независимо от количества устройств, подсоединенных к порту USB, будет использоваться только одно прерывание. Компьютер, оснащенный USB, способен автоматически распознавать и конфигурировать физически подключаемые устройства, не требуя при этом перезагрузки. К одному порту USB можно подключить до 127 устройств, при этом периферия, такая как клавиатура и монитор, сами могут выступать в роли дополнительных концентраторов USB. Кабели, порты и устройства USB можно распознать по значкам, показанным на рис. 15.1. Замечу, что символ плюс”, содержащийся в правом значке, указывает на поддержку стандарта USB 2.0 (Hi-Speed USB) в дополнение к USB 1.x. Практически все системы, выпущенные в последние несколько лет, содержат порты USB, поддерживающие оба этих стандарта, так что символ плюс” в настоящее время мало используется.



Рис. 15.1. Логотипы устройств USB

Основным инициатором разработки стандарта USB выступила компания Intel. Начиная с набора микросхем системной логики Triton II (82430HX), в котором стандарт USB был воплощен в микросхеме PIIX3 South Bridge, компания Intel поддерживает этот стандарт во всех своих наборах микросхем системной логики.

Совместно с Intel над созданием универсальной последовательной шины работали еще шесть компаний, среди которых — Compaq, Digital, IBM, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Ими был создан USB Implement Forum (USB-IF), целью которого является развитие, поддержка и распространение архитектуры USB.

Первая версия USB анонсирована в январе 1996 года, версия 1.1 — в сентябре 1998 года, а версия 2.0 — в апреле 2000 года. В спецификации USB 1.1 более подробно описаны концентраторы и другие устройства. Большинство устройств USB должны быть совместимы со спецификацией 1.1, даже если они выпущены до ее официального опубликования. В спецификации USB 2.0 скорость передачи данных в 40 раз выше, чем в оригинальной USB 1.0; кроме того, обеспечивается полная обратная совместимость устройств. Платы расширения PCI (для настольных систем) и платы PC Card Cardbus-совместимых портативных компьютеров позволяют модернизировать компьютеры ранних версий, не имеющие встроенных разъемов USB. Со средины 2002 года практически все системные платы имеют в стандартной комплектации четыре и более портов USB 2.0. Портативные компьютеры подхватили этот стандарт несколько позднее — только в начале начала 2003 года порты USB 2.0 появились в ноутбуках в качестве стандартных компонентов.

Технические характеристики USB

Универсальная последовательная шина версии 1.1 — это интерфейс, работающий со скоростью 12 Мбит/с (1,5 Мбайт/с) и основанный на простом 4-проводном соединении. Эта шина поддерживает до 127 подключаемых устройств и использует топологию звезды, построенную на расширяющих концентраторах, которые могут входить в персональный компьютер, любое периферийное устройство USB и даже быть обособленными устройствами.

Для таких низкоскоростных периферийных устройств, как клавиатура и мышь, в универсальной последовательной шине предусмотрен более медленный” подканал, работающий со скоростью 1,5 Мбит/с.

В USB используется кодирование данных NRZI (Non Return to Zero Invent). В этом методе кодирования изменение уровня напряжения соответствует 0, а его отсутствие — 1. Метод NRZI представляет собой весьма эффективную схему кодирования данных, поскольку при ее использовании не нужны дополнительные сигналы, например синхроимпульсы. Последова­тельность нулей означает переход с одного уровня на другой каждый бит времени; последовательность единиц означает длительный промежуток времени, при котором изменения данных не происходит. Этот эффективный метод кодирования передачи данных отменяет необходимость в дополнительных тактовых импульсах, которые занимали бы время и уменьшали пропускную способность шины.

Для одновременного подключения нескольких устройств USB необходимо использовать концентратор. С помощью концентратора к одному порту USB можно подключить клавиатуру, мышь, цифровую камеру, принтер, телефон и т.д. В компьютере устанавливается модуль, называемый корневым концентратором, — начальная точка для подключения всех остальных устройств. Практически все системные платы имеют два-четыре порта USB, каждый из которых может быть подключен либо к функциональному устройству, либо к другому концентратору.

В некоторых системах один или два порта USB вынесены на переднюю панель, что очень удобно для временного подключения таких устройств, как видеокамеры и флэш-карты. Внешние концентраторы (также называемые общими) расширяют систему, позволяя подключать дополнительные устройства. Благодаря звездообразной топологии концентраторы позволяют подключить множество устройств. Каждая точка подключения именуется портом. Большинство концентраторов имеют четыре или восемь портов, что далеко не предел. Кроме того, к портам одного концентратора можно подключать дополнительные концентраторы. Концентратор управляет как непосредственно подключением, так и распределением энергии между подключенными устройствами.

Кроме предоставления дополнительных портов для подключения периферийных устройств, концентратор занимается распределением энергии. Он динамически распознает подключенное периферийное устройство и после инсталляции предоставляет ему по меньшей мере 0,5 Вт. В целом концентратор может подавать до 2,5 Вт энергии, что зависит от программного драйвера устройства.

Различные типы устройств USB потребляют разный ток, измеряемый в миллиамперах (мА). Устройства, питаемые от шины USB, могут потреблять как 500 мА, т.е. столько, сколько им может предложить порт USB, так и 100 мА и менее электроэнергии. Устройства, имеющие автономное питание, черпают энергию и из порта USB, однако в крайне малых дозах (около 2 мА).

Поддержка шиной USB технологии PnP позволяет системе опрашивать подключенные периферийные устройства на предмет их потребности в электроэнергии и выдавать предупреждение, если доступный уровень энергопотребления превышен. Особую важность это имеет в портативных системах, емкость аккумуляторных батарей которых ограничена, к тому же между концентраторами существуют различия.

Обсудить статью на форуме


Если прочитаная статья из нашей обширной энциклопедия компьютера - "Универсальная последовательная шина USB", оказалась полезной или интересной, Вы можете поставить закладку в социальной сети или в своём блоге на данную страницу:

Так же Вы можете задать вопрос по статье через форму обратной связи, в сообщение обязательно указывайте название или ссылку на статью!
   


Copyright © 2008 - 2019 Дискета.info