• 11.1 Класифікація інтерфейсів
• 11.2 Послідовний інтерфейс
• 11.3 Паралельний інтерфейс
• 11.4 Інтерфейс бездротового зв’язку
  • 11.4.1. Інтерфейс IrDA.
  • 11.4.2. Високошвидкісні інтерфейси USB і IEEE 1394
• 11.5 Перспективні інтерфейси

11.1 Класифікація інтерфейсів

Тлумачний словник по обчислювальним системам визначає поняття інтерфейс (interface) як кордон розділу двох систем, пристроїв або програм; елементи з'єднання та допоміжні схеми управління, що використовуються для з'єднання пристроїв.

В світі комп'ютерної техніки інтерфейс - це фізичні пристрої, що забезпечують зв'язок між двома іншими пристроями, що дозволяють підключати до персональних (і не тільки) комп'ютерів різноманітні периферійні пристрої і їх контролери.

Відповідно до функціонального призначення інтерфейси можна поділити на такі основні класи:

• системні інтерфейси ЕОМ;
• периферійного устаткування (загальні й спеціалізовані);
• програмно-керованих модульних систем і приладів;
• інтерфейси мереж передачі даних і інше.

До інтерфейсу ПК можна віднести порти, слоти, роз'єми, шини.

Головне завдання інтерфейсу - передача даних і керування цим процесом. Тому найважливішою його характеристикою є пропускна здатність. Продуктивність інтерфейсу виражається в обсязі даних, переданих за одиницю часу. Вона залежить від розрядності, тобто числа одночасно проходящих по кабелю або шлейфу бітів інформації, і робочої частоти, з якою відбувається передача даних.

Контролер (адаптер, карта розширення, плати) - електронна схема, що управляє зовнішнім пристроєм ПК. Плата контролера дозволяє материнським платам звертатися до спеціалізованих жорстких дисків, а також до сканерів. Проте в даний час більшість жорстких дисків підключається безпосередньо до материнської плати і в картах контролерів не потребує.

За зовнішнім виглядом карти нагадують мініатюрні материнські плати, що може стати причиною виникнення різних проблем. Тому інженерам довелося створювати карти різних розмірів, а також різних розмірів слоти, які їм відповідають. Тепер встановлюючи карту певного розміру в підходящий для неї слот, можна точно бути упевненим, що саме цей слот призначений для даної карти.

Плати адаптерів обумовлюють подальшу спеціалізацію комп'ютера, додаючи нові функціональні можливості. Додавання нового адаптера означає додавання відповідного пристрою. Карти розширення мають загальне призначення, за невеликим винятком можна підключити будь-яку плату розширення в будь слот.

Слот - уніфікований роз'єм на материнській платі для підключення плат розширення. Через такий роз'єм контролери підключаються безпосередньо до системної магістралі передачі даних у комп'ютері-шині. Деякі контролери можуть керувати відразу декількома пристроями. Слоти розширення різних карт розташовані в одному ряду, один біля одного, інші слоти, розташовані розташованих на материнській платі не є слотами розширення. Протягом багатьох років в комп'ютерах використовувалися слоти десятка різних розмірів. У процесі природного відбору їх число скоротилося.

Шина - група електричних з'єднань з'єднує кілька компонентів в цифровій системі. Сучасна системна шина - це не просто велика кількість мідних провідників, розташованих поруч і з'єднують окремі пристрої. Це, перш за все, протокол, за допомогою якого відбувається обмін даними

Порт - електронний блок, за допомогою якого комп'ютер обмінюється даними з іншими пристроями. Комп'ютери мають безліч портів, які призначені для приєднання до них різних кабелів через їх роз'єми. З функціональної точки зору порти є стандартними, а з фізичної - розташування портів варіюється. Контактні роз'єми більшості портів розташовані на системній платі, деякі порти використовують плату розширення.

11.2 Послідовний інтерфейс

Асинхронний послідовний інтерфейс - це основний тип інтерфейсу, за допомогою якого здійснюється взаємодія між комп’ютерами. Термін асинхронний означає, що при передачі даних не використовуються жодні синхронізуючі сигнали і окремі символи можуть передаватися з довільними інтервалами.

Кожному символу, який передається через послідовне з'єднання, повинен передувати стандартний стартовий сигнал, а завершувати його передачу повинен стоповий сигнал. Стартовий сигнал - це нульовий біт, названий стартовим бітом. Його призначення - повідомити приймаючий пристрій про те, що наступні вісім бітів є байтом даних. Після символу передаються один або два стопових біта, передачі символу, що сигналізують про закінчення.

У приймаючому пристрої символи розпізнаються по появі стартових і стопових сигналів, а не по моменту їх передачі. Асинхронний інтерфейс орієнтований на передачу символів (байтів), а при передачі використовується приблизно 20% інформації лише для ідентифікації кожного символу. Термін послідовний означає, що передача даних відбувається по одиночному провідникові, а біти при цьому передаються послідовно, один за іншим.

Такий тип зв'язку характерний для телефонної мережі, в якій кожен напрям обслуговує один провідник. До послідовних портів можна підключити: модеми, плотери, принтери, інші комп'ютери, пристрої зчитування штрих-кодів або схему управління пристроями.

В основному у всіх пристроях, для яких необхідний двонаправлений зв'язок з комп'ютером, використовується стандартний послідовний порт Rs232c (Reference Standart number 232 revision C - стандарт обміну номер 232 версії З), який дозволяє передавати дані між несумісними пристроями. Послідовні порти передають дані повільніше (до 115kбіт / с), тому служать для підключення таких пристроїв, як миша, зовнішній модем, дигитайзер, джерел безперебійного живлення (ДБЖ), для зв'язку комп'ютерів між собою, а також для інших електронних комунікацій (відеомагнітофон і відеокамеру , кабельне телебачення, ідентифікатори штрихового коду і т.п.). Такі периферійні пристрої зазвичай ізольовані від більш специфічного (власного) інтерфейсу між портом і мікропроцесором. Можливо підключення лише одного пристрою до порту.

Послідовні порти COM вводу/виводу (асинхронні) призначені для забезпечення загально цільового інтерфейсу з багатьма різними видами електронного устаткування. BIOS сучасних комп'ютерів підтримує до 4-х СОМ-портів (COM1-COM3).

Фізично роз'єми СОМ - порту являють собою 9-контактний (вилка) 2-х рядний роз'єм, хоча іноді можна зустріти (в застарілих пристроях або в деяких модемах) 25-контактні роз'єми.

Послідовний інтерфейс зручніший при більшій довжині кабелю, тому при посиланні даних по більш довгому кабелю якість сигналу погіршується. Послідовне з'єднання зручніше ще й тим, що фізичний діаметр кабелю менше, і його легше пропускати через стіни і електричні ізоляційні труби. Крім того, послідовне з'єднання переважніше з економічних міркувань, оскільки використовується тільки одна лінія даних і знижується вартість кабелю.

Інтерфейс послідовних портів, забезпечує, поряд з граничною простотою реалізації, високу перешкодозахищеність на довгих лініях. Головний елемент послідовного інтерфейсу - 16450 UART мікросхема (Universal Asynchrony Receiver Transmitter, універсальний асинхронний прийомо-передавач), що забезпечує максимальну швидкість передачі даних 115200 біт/с, зазвичай інтегрована в мікросхему південного мосту системного чіпсета.

При всіх перевагах інтерфейсу RS-232 (сумісність з широким спектром застарілого обладнання) як правило, послідовні порти залишаються незадіяними (модеми, для підключення яких вони в основному призначені, тепер встановлюються всередині комп'ютерів), і в сучасних комп'ютерах замість RS-232 використовується більш сучасна USB-шина для підключення зовнішніх пристроїв.

Особливість сучасних інтерфейсів – врахована ще на попередніх стадіях їх розробки універсальність, покликана скоротити число типів портів і спростити за рахунок цього схемотехніку комп'ютера. Це відкриває дорогу до випуску високо інтегрованих мікросхем, що, в свою чергу, обумовлює електричні характеристики інтерфейсів (рівні напруг, частоти). Так, наприклад, повсюдне застосування знайшли низьковольтні диференціальні схеми передачі сигналів як краще відповідні параметрам сучасних мікросхем системної логіки.

11.3 Паралельний інтерфейс

В паралельних портах для одночасної передачі байта інформації використовується вісім ліній. Цей інтерфейс відрізняється високою швидкодією, часто застосовується для підключення до комп'ютера принтера, а також для з'єднання комп'ютерів (при цьому вище швидкість передачі даних, чим при з'єднанні через послідовні порти: 4, а не 1 біт за раз).

До паралельних портів може підключатися все: від накопичувачів на магнітній стрічці до CD-ROM. Часто двонаправлений паралельний порт використовується для передачі даних між двома комп'ютерами, наприклад між настільним і портативним. Для зв'язку двох комп'ютерів через паралельний порт потрібний спеціальний кабель. У Windows 9х включена спеціальна програма, яка називається Пряме кабельне з'єднання (Direct Cable Connection), яка дозволяє з'єднати два комп'ютери через модемний нуль-кабель.

Недоліки:

1. Знижена перешкодозахищеність
2. Зменшена максимально допустима довжина кабелю
3. Незручність при складанні
4. Підвищена складність в інтерфейс мікросхеми.
5. Необхідність забезпечення синхронізації переданих електричних сигналів як на кінцях кабелю, так і на його окремих провідниках, що з урахуванням високої тактової частоти і перехресних наведень є непростим завданням.

Паралельні порти, позначаються LPT1 - LPT4, а конструктивно являють собою 8-ми розрядний порт з 4-ма розрядами стану. Є швидкодіючими, тому дозволяє передавати дані одночасно по декількох лініях. Інтерфейс, що використовує паралельні порти, є основним для більшої частини сучасних зовнішніх пристроїв, хоча останнім часом він все активніше замінюється універсальної послідовної шиною USB.

Основною перевагою паралельних портів є можливість обміну даними з ПК по одному байту за раз, а із зовнішніми пристроями по одному біту (8 байт) за один раз. Роз'єм паралельного порту містить по одній сигнальній лінії для кожного біта даних в байті, тобто в цілому він має вісім ліній для передачі даних. Це означає, що паралельний кабель вводу виводу має більший діаметр, ніж послідовний, тому що складається з більшої кількості проводів.

Роз'єм для паралельного інтерфейсу являє собою розетку і містить 25 контактів, розташованих в 2 ряди. Обмін даними з периферійним пристроєм здійснюється по 8 шинам передачі даних зі швидкістю від 120 Кбіт / с до 2 Мбіт / с.

В залежності від режиму роботи паралельні порти класифікуються:

• SPP (Standard Parallel Port) - стандартний паралельний порт. Здійснює 8-розрядний вивід даних. Забезпечує тільки односторонню передачу даних від комп'ютера до пристрою, але дозволяє працювати практично з усіма пристроями, що підключаються до паралельного порту, хоча швидкість передачі не перевищує 200 Кбіт / с.;
• ЕРР (Enhanced Parallel Port) - розширений паралельний порт. Це швидкісний двонаправлений варіант інтерфейсу. Використовує існуючі сигнали паралельного порту та здійснює асиметричний двонаправлений обмін даними з швидкістю до 2 Мбіт / с. У режимі ЕРР передбачається можливість підключення в ланцюжок до 64 периферійних пристроїв;
• ЕСР (Extended Capability Port) - порт із розширеними можливостями. Є подальшим розвитком ЕРР - це інтелектуальний варіант. Надаючи симетричний двонаправлений обмін даними, забезпечує максимальну пропускну спроможність до 2,5 Мбіт / c. Найкращим чином підходить для передачі великих обсягів даних (наприклад, для сканерів і принтерів). Режими роботи визначаютсья в BIOS системної плати.

Паралельні порти все більш активно витісняються портами USB.

11.4 Інтерфейс бездротового зв’язку

Однією з найбільш помітних тенденцій останнього часу стала відмова від кабелів як середовища передачі. Бездротові мережі і технології забезпечують пропускну здатність, що дозволяє у багатьох випадках без шкоди продуктивності з'єднати між собою комп'ютери, підключити периферію і не страждати від плутанини кабелів між ними. В основі цих досягнень лежить перехід на гігагерцеві частоти передачі даних, можливість реалізації в мікросхемах потужних алгоритмів кодування і стиснення інформації.

11.4.1. Інтерфейс IrDA.

Найбільш поширеним способом бездротового зв'язку на невеликі відстані є зараз технологія IrDA.

Порт IrDA заснований на архітектурі комунікаційного СОМ-порту ПК, який працює зі швидкістю передачі даних до 115,2 Кбіт / с (новий стандарт по ІЧ-зв'язку збільшує можливість передачі даних між ІЧ-пристроями до 16 Мбіт /с).

При відсутності вбудованого інфрачервоного порту, його можна додати до переліку інстальованого обладнання. Для цього можна придбати одне з трьох пристроїв:

• перехідник інфрачервоний "приймач - послідовний порт" (IrDA-COM),
• перехідник інфрачервоний "приймач - USB-порт" (IrDA-USB)
• інфрачервоний приймач з контактами, для підключення безпосередньо до материнської плати.

Цей варіант підходить тим, у кого на материнській платі є відповідні контакти. Вони повинні бути вказані в керівництві користувача до материнської плати.

У комплекті до кожного пристрою зазвичай йде програма-інсталятор, що виконує всі необхідні дії і майже не вимагає участі користувача в процесі установки. Досить підключити пристрій до СОМ-або USB-порту, запустити програму установки - і через кілька хвилин уже можна приступати до роботи з ІК-портом.

На жаль, практично всі сучасні системні плати, які використовуються для створення настільних комп'ютерів, мають лише внутрішні роз'єми для під'єднання приймача/передавача інфрачервоного випромінювання, тому для організації повноцінного інтерфейсу IrDA на ПК необхідно додатково встановити спеціальну багатофункціональну панель. Крім цього, можливе також використання окремого виносного блоку IrDA, що підключається до вільного роз'єму СОМ – порту.

11.4.2. Високошвидкісні інтерфейси USB і IEEE 1394

В даний час для настільних і портативних комп'ютерів розроблено два високошвидкісні пристрої з послідовною шиною, що отримали назву USB (Universal Serial Bus - універсальна послідовна шина) і IEEE 1394, названа також i.Link або Fireware. Можливості цих високошвидкісних комунікаційних портів набагато вищі за стандартні паралельні і послідовні порти, які встановлені в більшості сучасних комп’ютерах.

Перевага нових портів полягає в тому, що їх можна використовувати як альтернативу SCSI для високошвидкісних з'єднань з периферійними пристроями, і в тому, що до них можуть під'єднуватися всі типи зовнішніх периферійних пристроїв.

USB (UniversalSerialBus - універсальна послідовна шина) є промисловим стандартом розширення архітектури РС, орієнтованим на інтеграцію з телефонією і пристроями побутової електроніки. Архітектура USB визначається такими критеріями:

1. Легко реалізоване розширення периферії РС.
2. Дешеве рішення, підтримує швидкість передачі до 480 Мбіт / с.
3. Повна підтримка в реальному часі передачі аудіо та стислих відео даних.
4. Гнучкість протоколу для змішаної передачі ізоморфних даних і асинхронних повідомлень.
5. Інтеграція в технологію пристроїв, що випускаються.
6. Доступність в РС всіх конфігурацій і розмірів.
7. Відкриття нових класів пристроїв, що розширюють РС.

З точки зору користувача привабливі такі риси USB:

• Простота кабельної системи підключень.
• Ізоляція подробиць електричних підключень від користувача.
• Самоідентифікація периферії, автоматичний зв'язок пристроїв з драйверами і конфігурація.
• Можливість динамічного підключення і реконфігурірованія периферії.

USB забезпечує обмін даними між хост-комп'ютером і безліччю одночасно доступних периферійних пристроїв. Розподіл пропускної здатності шини між підключеними пристроями планується хостом і реалізується ним з допомогою посилки маркерів. Шина дозволяє підключати, конфігурувати, використовувати і відключати пристрої під час роботи хоста і самих пристроїв - динамічне ("гаряче") підключення і відключення.

Пристрої (Device) USB можуть бути хабами, "функціями" або їх комбінацією. Хаб (Hub) забезпечує додаткові точки підключення пристроїв до шини. "Функції" (Function) USB надають системі додаткові можливості - наприклад підключення до ISDN, цифровий джойстик, акустичні колонки з цифровим інтерфейсом і т.д. Пристрій USB повинен мати інтерфейс USB, що забезпечує підтримку протоколу USB, виконання стандартних операцій (конфігурація і скидання) і стандартне представлення інформації, що описує пристрій.

Багато пристроїв, що підключаються до USB, мають у своєму складі і "функції" та хаби. Роботою всієї системи USB керує хост-контролер, який є програмно-апаратної підсистемою хост-комп'ютера.

Фізичне з'єднання пристроїв здійснюється по топології багатоярусної зірки (рис. 11.1). Центром кожної зірки є хаб, кожен кабельний сегмент з'єднує дві точки - хаб з іншим хабом або хаб з функцією. В системі USB має тільки один хост-контролер, розташований у вершині піраміди пристроїв і хабів USB. Хост-контролер інтегрується з кореневим хабом (roothub), що забезпечує одну або кілька точок підключення - портів. Контролер USB, який входить до складу чіпсетів багатьох сучасних системних плат зазвичай має двох / чотирьохпортовий хаб.

"Функції" являють собою пристрої USB, здатні приймати або передавати дані або керуючу інформацію по шині. Фізично в одному корпусі може бути декілька "функцій" з вбудованим хабом, що забезпечує їх підключення до одного порту.

Прикладами функцій є:

• покажчики - миша, планшет, світлове перо;
• пристрої вводу - клавіатура або сканер;
• пристрій виведення - принтер, звукові колонки (цифрові);
• телефонний адаптер ISDN.

Кожна "функція" надає конфігураційну інформацію, що описує її можливості і вимоги до ресурсів. Перед використанням функція повинна бути налаштована хостом - їй має бути виділена смуга в каналі, обрані специфічні опції конфігурації. Хаб - ключовий елемент системи Plug-and-Play в архітектурі USB. Хаб є кабельним концентратором, точки підключення називаються портами хаба. Кожен хаб перетворює одну точку підключення в їх безліч. Архітектура має на увазі можливість з'єднання декількох хабів. У кожного хаба є один висхідний порт (upstreamport), призначений для підключення до хосту або до хабу верхнього рівня. Решта портів є спадними (downstream) і призначені для підключення функцій і хабів нижнього рівня. Хаб може розпізнати підключення або відключення пристроїв до цих портів і управляти подачею живлення на їх сегменти. Кожен з цих портів індивідуально може бути дозволений або заборонений і конфігурований на повну або обмежену швидкість обміну. Хаб забезпечує ізоляцію сегментів з низькою швидкістю від високошвидкісних. Хаби можуть мати можливість управління подачею живлення на спадні порти, передбачена керована установка обмеження на струм, споживаний кожним портом.

Шина IEEE 1394-FireWire

Стандарт для високопродуктивної послідовної шини (High Performance Serial Bus), що отримав офіційнійно назву IEEE 1394, був прийнятий в 1995 році. Метою було створення шини, яка не поступається сучасним дротовим паралельним шинам, при суттєвому здешевленні та підвищенні зручності підключення (за рахунок переходу на послідовний інтерфейс). Стандарт заснований на шині FireWire, використовуваної Apple Computer в якості дешевої альтернативи SCSI в комп'ютерах Macintosh і PowerMac. Назва FireWire ("вогненний провід") тепер застосовується і до реалізацій IEEE 1394, вона співіснує з коротким позначенням 1394.

Переваги FireWire перед іншими послідовними шинами:

• Багатофункціональність: шина забезпечує цифровий зв'язок до 63 пристроїв без застосування додаткової апаратури (хабів). Пристрої - цифрові камкодери, сканери, принтери, камери для відеоконференцій, дис-ковие накопичувачі - можуть обмінюватися даними не тільки з PC, але і між собою. FireWire з ініціативи VESA позиціонується і для "домашніх мереж".
• Висока швидкість обміну дозволяють навіть на початковому рівні передавати одночасно два канали відео (30 кадрів в секунду) широкомовної якості та стереоаудіосігнал з якістю CD.
• Низька ціна компонентів і кабелю.
• Легкість установки і використання. Пристрої автоматично розпізнаються і конфігуруються при включенні/відключенні. 

 Структура та взаємодія пристроїв шини

Стандарт 1394 визначає дві категорії шин: кабельні шини і крос-шини (Backplane). Під крос-шинами зазвичай маються на увазі паралельні інтерфейси, що об'єднують внутрішні підсистеми пристрою, підключеного до кабелю 1394.

На відміну від USB, керованої одним хост-контроллером, стандарт 1394 допускає з'єднання рівноправних пристроїв в мережу. Мережа може складатися з безлічі шин, з'єднаних мостами. У межах однієї шини пристрої об'єднуються з'єднувальними кабелями без застосування додаткових пристроїв. Мости представляють собою спеціальні інтелектуальних пристрої. Інтерфейсна карта шини FireWire для PC являє собою міст PCI - 1394. Мостами є також з'єднання кабельної шини 1394 з крос-шинами пристроїв, 16-бітна адресація вузлів мережі допускає до з'єднання 63 пристроїв в кожній шині, адресованих 6-бітовим полем ідентифікатора вузла. 10-бітове поле ідентифікатора шини допускає використання в системі до 1023 мостів, що з'єднують шини різного типу.

Кабельна шина являє собою мережу, що складається з вузлів і кабельних мостів. Гнучка топологія дозволяє будувати мережі, що поєднують деревоподібну і ланцюгову архітектури. Кожен вузел зазвичай має три рівноправних сполучних роз'єми. Допускається множинність варіантів підключення пристроїв з такими обмеженнями:

• між будь-якою парою вузлів може бути не більше 16 кабельних сегментів;
• довжина сегмента стандартного кабелю не повинна перевищувати 4,5м;
• сумарна довжина кабелю не повинна перевищувати 72 м (використання більш якісного кабелю дозволяє послабити це обмеження).
• деякі пристрої можуть мати тільки один роз'єм, що обмежує можливі варіанти їх розташування. Стандарт допускає до 27 роз'ємів на одному пристрої.

11.5 Перспективні інтерфейси

Одним з найперспективніших інтерфейсів майбутнього є нейроінтерфейс, або "мізки-комп'ютер". Основним призначенням є реабілітаційна медицина: відновлення функцій моторних та сенсорних.

Цікавим та корисним буде перегляд відео-матеріалів. Перший відоролік присвячений опису можливостей та принципу функціонування нейрокомпютерного інтерфейсу.

Другий ролик познайомить вас із досягненнями в застосуванні даного інтерфейсу в реабілітаційній медицині