ИНТЕРФЕЙСЫ

В будущих компьютерных системах не исчезнет потребность в средствах расширения, например подключаемых модулях различных форм-факторов, используемых как для обеспечения стандартных конфигураций систем, так и для быстрой модернизации В настоящее время в тенденциях развития архитектуры портативных и настольных компьютеров отражаются растущие возможности последовательных шин. Причина смещения акцентов на первый взгляд кроется в невысоких требованиях этих интерфейсов к количеству контактов. Однако помимо малого числа выводов у них есть и другие, может быть, менее очевидные, но очень важные преимущества. Вообще говоря, множественным последовательным потокам данных между компонентами может потребоваться пропускная способность большая, чем обеспечивает одна параллельная шина, используемая большим количеством подсистем. Такая шина зачастую работает непроизводительно по причине неэффективного протокола (например, из-за переизбытка арбитражных операций, в то время как выделенные или слабо нагруженные последовательные шины с такими трудностями не встречаются. Кроме того, последовательные шины допускают передачу данных между отдельными парами конечных точек, позволяя не загружать единую (широкую) шину излишним трафиком, который лучше пересылать локально.

Многие современные последовательные шины позволяют выделять гарантированную ширину пропускания для отдельных пар "источник - приемник". Такой изохронный режим очень важен для успешной транспортировки данных, временная задержка которых недопустима, например звука или видео. Более ранние параллельные шины этого механизма не поддерживают и потому менее пригодны для обслуживания важных мультимедиа-данных, обрабатываемых устройствами бытовой электроники и пересылаемых через Интернет.

На сегодняшний день в ИТ-индустрии существуют две перспективные последовательные шины: PCI Express и USB (Universal Serial Bus). Многочисленные исследования PCI-технологии (Peripheral Component Interconnect) передачи сигналов показали, что параллельная реализация шины близка к своему пределу производительности: в ней затруднено масштабирование вверх по частоте и вниз по напряжению, синхронизация передачи данных ограничена величиной расфазировки синхронизирующих импульсов, а правила маршрутизации импульсов находятся на пределе рентабельности технологии. Все попытки избежать этих ограничений и создать шину ввода-вывода с более широкой полосой пропускания ведут к удорожанию, несоизмеримому с повышением быстродействия.

Блок-схемы интерфейсов PC Card и ExpressCard

В PCI Express (ранее известной как 3GIO) сохранены самые важные параметры PCI, такие, как функциональная модель и программные интерфейсы, однако устранено ограничение на пропускную способность. Система ввода-вывода третьего поколения представляет собой универсальную архитектуру последовательного типа с малым количеством контактов, производительность которой лимитируется исключительно технологическими особенностями соединений. При этом данная архитектура с равным успехом применима в настольных и мобильных системах, серверах, коммуникационных устройствах и встроенных приложениях. Базовый физический уровень (PCI Express x1) состоит из двойного канала (прием - передача), который реализован в виде принимающей и получающей пар проводников. Исходная скорость передачи 2,5 Гбит/с в каждом направлении позволяет обеспечить канал связи с пропускной способностью до 250 Мб/с, что примерно в два раза выше, чем у стандартной шины PCI.

Стандарт USB разработан отраслевым консорциумом компаний, куда входят Intel, Microsoft, Compaq, NEC, DEC, IBM, Northern Telecom и др. Сегодня USB-IF (USB Implementers Forum, www.usb.org), сообщество разработчиков спецификаций USB, объединяет несколько сотен производителей вычислительной техники. USB-шина состоит из иерархии концентраторов, или точек подключения USB-устройств. На базовой системе имеется порт корневого концентратора, который выполняет роль "корня" в дереве шины. Управляющие пакеты и пакеты с данными пересылаются по "веткам" этого дерева между базовой системой и отдельными USB-устройствами. Выпущены три версии спецификации USB: 1.0, 1.1 и 2.0. Версия 1.1 - это просто исправленный начальный вариант стандарта. Версия 2.0, принятая в апреле 2000 г., предусматривает существенное увеличение быстродействия по сравнению с USB 1.x и обратно совместима с устройствами на базе USB 1.1. Версии 1.x поддерживают быстродействие 12 Мбит/с, а версия 2.0 теоретически может обеспечить до 480 Мбит/с. Это 40-кратное повышение скорости передачи данных позволяет существенно расширить сферу применения USB.

Спецификации PCMCIA

Мобильные системы совершенствуются не только в смысле разнообразия конструктивных решений и снижения энергопотребления, но и по технологиям подключаемых компонентов. Это связано с тем, что подобные устройства должны соответствовать настольным ПК по компактности, энергетической эффективности и функциональности или даже превосходить их. Возрастает и потребность мобильных систем в новых функциях. Все существующие системы в лучшем случае предлагают лишь частичное, временное решение, не удовлетворяющее всем современным требованиям. Гнезда для подключаемых компонентов и шины позволяют владельцу ПК пользоваться устройствами и технологиями, которых еще не было на момент проектирования или покупки машины.

Впервые универсальный компактный интерфейс для подключения внешних устройств к портативным компьютерам (версия 1.0) был предложен организацией Personal Computer Memory Card International Association (PCMCIA, www.pcmcia.org) в августе 1990 г. Следующие версии спецификации (2.0 и 2.01) позволили называть PCMCIA-модуль просто PC Card. Стандарт для связи между PC Card и соответствующим устройством (адаптером или портом) компьютера определял 68-контактный механический соединитель. На нем было выделено 16 разрядов под данные и 26 разрядов под адрес, что позволяло непосредственно адресовать 64 Мб памяти. Спецификация PCMCIA определяла три типа габаритных размеров для PC Card (Type I, Type II и Type III). Два первых типа ограничивали размеры PC Card до 54 мм (2,12 дюйма) в ширину и 85,6 мм (3,37 дюйма) в длину. Кроме того, PCMCIA-модули, соответствующие размерам Type I, должны иметь толщину 3,3 мм, а соответствующие Type II - 5,0 мм в середине и 3,3 мм по краям.

Размеры базовых модулей PC Card и ExpressCard

Сам стандарт стал носить имя PC Card Standard только с 1995 г. (версия 5.0). Именно тогда была предложена спецификация CardBus, которая являлась расширением шины PCI для устройств PC Card. Проведя параллель между шинами блокнотных и настольных ПК, можно сказать, что интерфейс CardBus является эквивалентом шины PCI (см. табл. 1), а интерфейс PCMCIA - аналогом традиционной 16-разрядной шины ISA. Платы CardBus поддерживали 32-разрядный обмен данными на частоте 33 МГц. В этом конструктиве и сегодня выпускаются, например, 100-мегабитные сетевые карты, интерфейсные платы SCSI и другие устройства, требующие быстрого обмена по шине.

Таблица 1. Сравнительные характеристики PCI и Card Bus

В настоящее время технологии PCMCIA по-прежнему активно используются в мобильных вычислительных системах - от высокопроизводительных полноразмерных мобильных компьютеров до сверхпортативных специализированных устройств, таких, как электронные записные книжки или фотоаппараты. Семейство PC Card объединяет как 16-разрядные платы, используемые в устройствах с невысокими требованиями к производительности, так и 32-разрядные PCI-подобные платы CardBus, которые способны удовлетворить более высокие требования к подсоединению подключаемых компонентов.

Таблица 2. Сигналы интерфейса ExpressCard

"Беги, Кролик, беги..."

Сегодня трудно точно предугадать, какие именно устройства и приложения понадобятся в компьютерах завтрашнего дня, но одно известно наверняка: технологии для мобильных систем на достигнутом уровне не останутся - это было бы противоестественно и противоречило бы всей истории компьютерной промышленности. Возможность подключения компонентов к мобильным системам особенно важна для поддержки стандартных конфигураций, например, в тех корпоративных системах, параметры которых жестко задаются и контролируются ИТ-менеджерами. Даже самодостаточные системы будущего вы сможете привести в соответствие с корпоративными стандартами, заменяя подключаемые компоненты. Сокращение числа типов поддерживаемых систем позволяет компаниям повысить их надежность и снизить совокупную стоимость.

С выходом новой мобильной платформы Intel должно начаться полномасштабное внедрение новой технологии ExpressCard (www.expresscard.org), символом которой стал (с чьей-то легкой руки) бегущий оранжевый кролик. Именно эта технология (см. табл. 2) приходит на смену рабочей лошадке PC Card, поскольку ее ограничения становятся все более очевидными. Например, пропускной способности PC Card недостаточно ни для телевидения высокой четкости, ни для скоростных систем резервного копирования, подключаемых к портативным компьютерам. О разработке стандарта ExpressCard (некоторое время известного как NewCard) впервые было объявлено в феврале 2003 г. на Форуме Intel для разработчиков. Эта спецификация была создана содружеством OEM-производителей, разработчиков карт и компонентов, куда входят такие известные компании, как Dell, HP, IBM, Intel, Lexar Media, Microsoft, SCM Microsystems и Texas Instruments. Успех был достигнут благодаря тесному сотрудничеству между рабочими группами организаций PCMCIA, USB IF и Peripheral Component Interconnect - Special Interest Group (PCI-SIG, www.pcisig.com). Дело в том, что в основу спецификации ExpressCard легли архитектура PCI Express и интерфейс USB 2.0. Основные преимущества новой технологии заключаются в обеспечении высокой скорости, малых габаритных размерах и меньшей стоимости.

Использование перспективных последовательных интерфейсов позволило достичь максимальной скорости передачи данных ExpressCard на уровне 250 Мб/с. На самом же деле общая пропускная способность составляет 500 Мб/с: по 250 Мб в направлении к компьютеру и к периферии. В сравнении с такими характеристиками 132 Мб/с, обеспечиваемые спецификацией CardBus, совсем не впечатляют. Благодаря высокой скорости обмена интерфейс ExpressCard можно использовать даже для передачи видеофильмов и несжатых файлов. Для сравнения приведем показатели пропускной способности других распространенных интерфейсов: Gigabit Ethernet - 125 Мб/с, а FireWire - 100 Мб/с.

В настоящее время разработано два форм-фактора модулей ExpressCard - ExpressCard/34 (ширина 34 мм) и ExpressCard/54 (ширина 54 мм). Оба модуля имеют высоту 5 мм, как у стандарта PC Card Type II, а их длина составляет 75 мм, что на 10,6 мм меньше, чем у PC Card. Таким образом, габариты по сравнению с PC Card уменьшены почти на 40%. Выпуск же более "широкой" версии модуля обусловлен хотя бы тем, что на рынке присутствуют широкие устройства под разъем CardBus, например карты CompactFlash и 1,8-дюймовые накопители. При этом модули ExpressCard/34 и ExpressCard/54 обладают одинаковым интерфейсом. Более узкую карту можно вставить в широкий слот, но, разумеется, не наоборот. Каждый слот под модули ExpressCard может обслуживать шины PCI Express x1 и USB 2.0. "Ножевой" разъем (beam-on-blade) допускает около 10 тыс. циклов "подключение - отключение". Для дополнительных возможностей управления в состав соединения "слот - карта" введена возможность использования интерфейса типа SMBus. Рассеиваемая тепловая мощность для модулей ExpressCard/34 и ExpressCard/54 составляет 1,3 и 2,1 Вт соответственно. Потребление по току от первичного (3,3 V), резервного (3,3 V AUX) и вспомогательного (1,5 V) источников составляет 1000, 250 и 500 мА. Как и ее предшественники, спецификация ExpressCard поддерживает технологию Plug-n-Play, возможность "горячей" замены и автоматическую настройку конфигурации.

Первые ExpressCard-модули можно было увидеть еще в начале прошлого года, например на выставке CeBIT в Ганновере. Их прототипы представили компании AboCom Systems, Lexar Media, M-Systems, SCM Microsystems и Tai-Sol Group. По мнению разработчиков, интерфейс PCI Express будет использоваться ExpressCard-модулями скоростных проводных сетей, широкополосных модемов, телевизионных тюнеров и декодеров, накопителей на магнитных дисках. В свою очередь, возможности USB 2.0 реализуются в модулях проводных и беспроводных сетей, флэш-памяти, безопасности, оптических накопителей, GPS-приемников и т. д.

Отметим, что широкое применение нового интерфейса связано с выпуском набора микросхем Intel Alviso. Выделенный хост-контроллер теперь не нужен, так как южный мост этого чипсета (ICH6-M) помимо прочего оснащен интерфейсом для компактных карт расширения по стандарту ExpressCard. По имеющейся информации, более половины намеченных к выпуску в этом году ноутбуков будет оснащено именно слотами ExpressCard. Специалисты полагают, что, используя новый интерфейс, фирмы-производители получат экономию от 5 до 10 долл. на каждый компьютер. Однако из-за его несовместимости с картами PC Card в течение 2005 и 2006 гг. наряду со слотами ExpressCard в устройствах будут по-прежнему монтироваться и слоты PC Card (CardBus).