Интерфейсите usb и ieee-1394

Двете високосроростни архитектури за серийни шини, предназначени за настолни и преносими PC-та, са универсалната серийна шина – USB, Universal Serial Bus и стандартът IEEE-1394 – Institute of Electrical and Electronic Engineers, който се нарича също i.Link или FireWire. Това са високоскоростни комуникационни портове, които далеч надхвърлят възможностите на стандартните серийни и паралелни портове. Освен производителността, тези нови портове предлагат консолидиране на входно/изходните устройства, т.е. към тях може да се свързва всякакъв вид външна периферия.

Идеята в конструкцията на високопроизводителните шини за периферни устройства е да се използва серийна архитектура, при която информацията се предава бит по бит по един проводник. Тъй като паралелната архитектура използва 8, 16 или повече проводника, за да изпраща битовете едновременно, тя в действителност е много по-бърза при използване на една и съща тактова честота. Увеличаването на тактовата честота на една серийна връзка е много по-лесно, отколкото увеличаването на тази на една паралелна връзка.

Паралелните връзки страдат от няколко проблема, като най-големият от тях е отклонението на сигналите и трептенето. Именно тези проблеми са причината високоскоростните паралелни шини да са ограничени до разстояние 3m или по-малко. Проблемът е, че въпреки че от предавателя се изпращат 8 или 16 бита данни едновременно, при някои от битовете се получава забавяне и те достигат до приемника по-късно, докато другите вече са пристигнали. Колкото по-дълъг е кабелът, толкова по-голям може да е интервалът между пристигането на първия и последния бит. Това така наречено изместване на сигналите не позволява използването на по-високи трансферни скорости или по-дълъг кабел.

При серийната шина данните се изпращат бит по бит. Тъй като няма никакво притеснение за това, кога всеки от битовете ще пристигне, тактовата честота може да бъде вдигната драстично. Например максималната трансферна скорост при EPP/ECP паралелните портове е 2MB/sec., докато IEEE-1394 портовете поддържат трансферни скорости до 400Mb/sec. – 25 пъти по-бързо от паралелните портове.

При висока тактова честота паралелните сигнали имат склонност да си пречат един на друг. Серийната връзка отново има предимство, защото предаването на сигнали става само с помощта на един или два проводника, така че взаимните смущения между тях са незначителни.

По принцип паралелното окабеляване е по-скъпо. Освен многото допълни проводници, които да пренасят паралелно множество битове, кабелът е специално конструиран за предотвратяване на взаимните смущения между съседните линии за данни. За сравнение серийните кабели са по-евтини. Една от причините е, че в тях има много по-малко проводници. Освен това изискванията за екраниране са по-прости дори при много високи скорости. Поради тази причина надеждното предаване на данни на големи разстояния също е по-лесно.

Заради всички причини, описани по-горе, бяха разработени нови високопроизводителни серийни шини – USB и FireWire, които на практика са стандартна възможност във всички съвременни PC-та и са полезни за външни интерфейси с общо предназначение.

USB е стандарт за външна шина за свързване на периферни устройства, проектирана да пренесе Plug and Play въможностите и към външната периферия. Тя елиминира необходимостта от портове със специално предназначение, намалява необходимостта от използване на специализирани входно/изходни карти и спестява важни системни ресурси, като например прекъсвания – независимо от броя на устройствата свързани към USB портовете на системата, е необходимо използването само на едно прекъсване. Към USB шината може да се свържат до 127 устройства, които да работят едновременно.

Intel са главните инициатори на USB. В началото за разработката на USB съвместно с Intel работят и компаниите Compaq, Digital, IBM, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Те основават форума USB-IF – USB Implements Forum, който разработва и насърчава USB архитектурата. През януари 1996 г. форумът официално обявява спецификацията USB 1.0, а две години по-късно – USB 1.1, през септември 1998 г. Версията 1.1 в по-голямата си част представлява изясняване на някои въпроси, свързани с хъбовете и други области от спецификацията. USB 1.1 работи със скорост 12Mb/sec. Шината поддържа до 127 устройства и използва шинно-звездна топология, изградена на базата на разширителни хъбове. Въпреки че стандартът позволява свързването на такъв брой устройства, всички те ще трябва да споделят общия капацитет на връзката – 1.5 MB/sec. За периферни устройства, изискващи ниска скорост, каквито са посочващите устройства и клавиатурите, USB притежава по-бавен подканал, чиято скорост на работа е 1.5Mb/sec.

USB използва кодиране на данните, наречено NRZI – Non Return to Zero Invert. Това е метод за кодиране на серийни данни, при който единиците и нулите се представят чрез противоположни и редуващи се високи и ниски напрежения, където няма връщане към нулево напрежение между кодираните битове. В NRZI кодирането единицата се представя без изменение в нивото на сигнала, а нулата се представя с изменение в нивото. Поредица от нули кара NRZI данните да променят състоянието си при всеки следващ бит. Поредица от единици води до дълги периоди без промяна в данните. Това е ефективна схема за кодиране, защото тя елиминира необходимостта от допълнителни синхронизиращи импулси, които в противен случай биха прахосали време и пропускателна способност.

USB pin assignments
Pin	Description	Colour
1	VCC	Red
2	- Data	White
3	+ Data	Green
4	GND	Red

По-късно форумът USB-IF представи и спецификацията USB 2.0, която е 40 пъти по-бърза от оригиналната USB шина, като разбира се се запазва и обратната съвместимост. По-високата скорост позволява свързването на по-високопроизводителни периферни устройства, като камери с висока разделителна способност например.

Стандартът 1394а в момента съществува с три скорости на предаване на данните – 100Mbps, 200Mbps и 400Mbps.

Шината 1394 е изградена на базата на шината FireWire, първоначално разработена от Apple и Texas Instruments. Тя, IEEE 1394 шината, има класическа "дървовидна" структура, при която към едно устройство в основата на дървото се включват "клони", които представляват логически възли, отделни устройства, от които тръгват следващи "клони". Устройството, което ще изпълнява ролята на "корен" на дървото се определя при начална инициализация и играе тази роля през цялото време, докато е включено към шината. През това време то обикновено изпълнява и други функции, свързани с управлението работата на шината.

Според спецификациите, една IEEE 1394 мрежа може да включва до 63 устройства. Няколко мрежи могат да бъдат свързани помежду си с помощта на виртуални мостове. Всяко устройство получава в момента на свързване 6-разряден физически идентифициращ номер. Максималният брой на свързаните шини в системата е фиксиран на 1023. Едно просто аритметично действие дава общия възможен брой възли в една система: 64449. Разрядността на адресите на устройствата е 64-битова, от които 6 бита са отделени за идентификатора на устройството, 10 - за идентификатора на всяка от 1023-те възможни шини, а останалите 48 разряда остават за дефиниране на адресното пространство, което е 256TB за всеки възел. Между два възела не може да има повече от 16 сегмента, а дължината на кабела не трябва да надвишава 5m.

Данните по интерфейса могат да се предават синхронно и асинхронно. В първият случай устройството - изпращач изпраща заявка за резервиране на синхронен канал, пакетира данните заедно с идентификатора им и ги изпраща. Получателят проверява идентификатора на данните и приема само определените за него данни. Броят на каналите както и честотната лента за всеки един от каналите се определят от потребителският софтуер, като максималната бройка синхронни канали не може да надхвърля 64. Във втория случай, при асинхронен пренос на данните в пакета, освен самите данни се интегрират адресите, идентификаторите, на устройството-изпращач и устройството-приемник. След получаването предназначеният за него пакет, устройството-приемник генерира отговор към устройството-изпращач, потвърждаващ приемането на пакета с данни. Устройството-изпращач може да извърши изпращането на максимално 64 пакета без да изчаква потвърждаващият приемането отговор, което се прави с цел подобряването на производителността. В случай, че някой пакет не е бил получен коректно от устройството-приемник и е бил генериран съответният отговор от него, пакетът се изпраща отново.

Кадрите, съдържащи синхронни и асинхронни канали имат дължина 125μs и могат да съдържат един или няколко синхронни канала, като в самото начало се разполага синхронизираща област, в която се разполага маркерът за начало на кадъра.

След като направихме един общ поглед на двата стандарта, нека сега видим и как те намират своето приложение в научната област.

Осцилоскопът е инструмент, използван от констуктори и инженери да измерват и анализират сложни електрични сигнали/импулси с цел разработването на високопроизводителни системи. Поради една или друга причина може да се наложи данните от обработвания в момента сигнал да се прехвърлят на друго устройство, например компютър, или да се запишат на някакъв носиител. Точно тук се проявява ползеността на USB. Съвременните осцилоскопи разполагат с например два USB порта към които могат да се включат входни устройства като мишка и клавиатура или mass storage device, известни също като USB Flash Memory Drive. Като последните могат да бъдат с капацитет от нищожните вече 128MB до 2GB, например. Освен с USB портове, подобни осцилоскопи разполагат и със флопидискови устройства.