Средства коммуникации компьютера

Персональные компьютеры снабжаются внешними интерфейсами, позволяющими расширить его функциональные возможности, подключая к нему через эти интерфейсы разнообразное периферийное оборудование, и обеспечивать коммуникации с другими АПС. В основном, средства коммуникации РС включают в себя COM-, LPT-, Game- и MIDI-порты, а также сетевые средства связи. Для обмена информацией между компьютером и высокоскоростными периферийными устройствами можно также воспользоваться возможностями USB-шины или шины Fire Wire (IEEE 1394). Обе эти шины используют высокоскоростной последовательный интерфейс но, с точки зрения коммуникационных задач, различаются тем, что шина USB ориентирована на периферийные устройства, подключаемые к хост-компьютеру. Единственный, но необходимый в той системе компьютер управляет всеми функциями – физическими периферийными устройствами, хабами или их комбинациями.

Шина IEEE 1394, в отличие от USB, позволяет интенсивный обмен не только между хост-компьютером и периферийными устройствами, а между любыми подключенными к ней интеллектуальными устройствами. Шина 1394 не требует централизованного управления со стороны РС, может даже его не иметь, или наоборот, подключать несколько РС. В последнем случае, шина 1394 может быть использована для объединения нескольких компьютеров и периферийных устройств в небольшую локальную сеть.

История интерфейсов соединения РС с удаленными устройствами подтверждает теорию спирального развития. Так, последовательный интерфейс COM-порта RS-232C, пришедший от связи с удаленными терминалами, использовался даже для подключения лазерных принтеров, но вскоре он был вытеснен из принтерных интерфейсов параллельным интерфейсом Centronics, реализуемым LPT-портом. Однако, по мере роста производительности принтеров, возможностей LPT-порта, даже с использованием быстродействующих режимов обмена IPP и ECP стандарта IEEE 1284, становится недостаточно. Те же проблемы встают и с подключением сканеров, внешних дисков, скоростных модемов и т. д. В результате исследований оказалось, что повысить скорости обмена можно переходом снова на последовательный интерфейс, дополнительно снимающий проблемы изготовления многожильных кабелей, с нормированными параметрами задержек сигналов, и многоконтактных разъемов.

В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно – байта) передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно.В РС традиционно используется параллельный интерфейс Centronics, реализуемый LPT-портами. В последовательноминтерфейсе биты данных передаются последовательно, друг за другом, по одной линии. Для этого в РС используется
СОМ-порт в соответствии со стандартом RS-232C, но последние модели компьютеров имеют, как правило, и высокоскоростной канал последовательного типа, с шинами USB.

Очевидно, что, при одинаковом быстродействии приемо-передающих цепей и пропускной способности линий связи, по эффективной скорости передачи данных параллельный интерфейс должен превосходить последовательный, однако повышение производительности за счет увеличения тактовой частоты передачи, ограничивается волновыми характеристиками соединительных кабелей. В случае параллельного интерфейса, при повышении скоростей передачи данных начинает сказываться различие в задержках сигналов в разных линиях одного и того же интерфейса, вследствие не полной идентичности их проводов и контактных соединений. В последовательных интерфейсах, среда передачи данных тоже вносит ограничения на скорость передачи данных. Но, т.к. для последовательной передачи данных используется всего одна линия, а не набор линий, как в параллельных интерфейсах, фактор разброса задержек в разных линиях в последовательных интерфейсах отсутствует. Таким образом, повышение пропускной способности последовательного интерфейса оказывается дешевле, чем параллельного. К примеру, два пучка коаксиальных кабелей, каждый пучок толщиной в руку (параллельный интерфейс канала ЕС ЭВМ), и современный USB-кабель (последовательный интерфейс) имеют примерно одинаковую пропускную способность.

Важным параметром любого интерфейса является допустимое удалениесоединяемых устройств. Оно ограничивается как частотными свойствами кабелей, так и помехозащищенностью интерфейсов. Помехи возникают от внешних источников электромагнитных излучений, и от соседних линий того же интерфейса (перекрестные помехи). Для защиты от таких помех используются парафазные приемо-передатчики и витые, даже экранированные пары проводов для каждой из линий передачи данных. Но ошибки в передаче возникают и от искажений уровней сигналов. В параллельном интерфейсе Centronics LPT-порта, используются сигналы уровней ТТЛ-логики (<0,8 В для логического нуля и >1,4 В для логической единицы), так что колебания амплитуды сигнала около 1 В могут вызвать дребезг приемника. В последовательном интерфейсе RS-232C СОМ-порта, используются сигналы с уровнем от –12 до –3 В (логическая единица) и от +12 В до +3 В (логический нуль), так что переключения приемника при изменениях сигнала в пределах от –3 до +3 В не происходит. Столь большая разница в помехозащищенности позволяет использовать для интерфейса RS-232C кабели длиной в десятки метров, а для интерфейса Centronics – лишь два-три метра.

С появлением интерфейсов USB и Fire Wire, появилась и новая характеристика интерфейса – топология соединения. Для интерфейсов RS-232C и Centronics практически однозначно применялась двухточечная топология РС – ВУ, или РС–РС. Правда, имелись исключения: строился моноканал на СОМ-портах для локальных сетей, но он был вытеснен более эффективной и подешевевшей технологией Ethernet. Стандарты IEEE 12843 для LPT-порта предусматривают соединения абонентов в цепочку (Daisy Chain) или через мультиплексоры, но и такие способы подключения пока широкого распространения не получили. USB и Fire Wire реализуют древовидную топологию, в которой внешние устройства могут быть как оконечными, так и разветвителями.

Другое важное свойство интерфейса – гальваническая развязка. “Схемные земли” устройств, связываемых по COM- или LPT-портам, оказываются связанными со схемной “землей” РС и, если между ними, до подключения интерфейса, была разность потенциалов (что практически всегда есть), то по общему проводу интерфейса потечет уравнивающий ток. Это очень плохо, т.к. падение постоянного напряжения на этом проводе приводит к смещению уровней сигналов, а падение переменного напряжения – к сложениюполезного сигнала с переменной составляющей помехи, что, безусловно, сказывается на помехозащищенности каналов. С другой стороны, в случае обрыва, или неконтакта, а чаще всего – при подключении и отключении кабелей интерфейсов без выключения питания устройств, разность потенциалов прикладывается к сигнальным цепямприемников и передатчиков. Протекание через них уравнивающих токов, в момент соединения, неизбежно приводит к выходу их из строя. Из рассматриваемых интерфейсов гальваническую развязку обеспечивает только MIDI (одностороннюю, с напряжением до 100 вольт) и шина Fire Wire (полную, с напряжением изоляции до 500 вольт).