3.8 Контроллеры  и  шины

Контроллер — это электронное устройство, предназначенное для подключения к магистрали компьютера разных по принципу действия, интерфейсу и конструктивному исполнению периферийных устройств К термину "контроллер" очень близок по смыслу другой термин — "адаптер". Назначение обоих одинаково, но контроллер несколько сложнее: "под­разумевается его некоторая активность — способ­ность к самостоятельным действиям после получе­ния команд от обслуживающей его программы. Сложный контроллер может иметь в своем составе и собственный процессор"". На уровне рядового пользователя данные понятия практически нераз­личимы и могут считаться синонимами.
И еще одним похожим устройством является сопроцессор. Сопроцессоры "помогают" основному {центральному) процессору, который исполняет программу, реализовыпать сложные специфи­ческие функции. Примером может служить графический сопроцессор, выполняющий геометрические построения и обработку графических изображе­ний, — его вполне можно считать графическим контроллером. Несколько особняком стоит мате­матический сопроцессор, который выполняет свои функции "в одиночку", не управляя никакими внешними  устройствами.
Все перечисленные выше устройства служат для уменьшения нагрузки на центральный процессор и повышают общую производительность системы. Значение контроллеров состоит в том, что они ос­вобождают процессор от наиболее медленных функ­ций ввода/вывода информации. Идеи применения специализированных интеллектуальных схем для разгрузки центрального процессора были наложены еще в третьем поколении ЭВМ в больших машинах коллективного пользования IBM-36O (в СССР данное семейство машин известно в качестве "аналога" под именем ЕС ЭВМ). В четвертом поколении возникла технологическая возможность собирать схемы управления в едином кристалле, и появились микроконтроллеры.
В состав контроллера, как правило, входят: собственный микропроцессор, ОЗУ, ПЗУ, регистры внешних устройств (через них контроллер взаимодей­ствует с центральным процессором), буферные (согласующие) схемы. В определенном смысле сложный контроллер является упрощенной специализи­рованной  ЭВМ.
Для   работы    ПК,  необходимо чтобы  в  его ОЗУ  находилась  программа  и  данные. А попадают  они  в ОП  из  различных  устройств - клавиатуры, дисков и.т.д. Обычно  эти  устройства  называются  внешними, хотя  некоторые  из  них находятся  внутри  системного  блока.  Результаты  выполнения  программ  также выводятся на  внешние  устройства  - монитор, диски, принтер.  Таким  образом  для  работы ПК   необходим  обмен  информацией   между  ОП  и  внешними  устройствами.  Такой  обмен  называется   вводом / выводом. Для  этого  существуют  два  звена.
1. Для  каждого  внешнего  устройства  в ПК имеется  электронная  схема которая  им  управляет. Эта  схема  называется  контроллером  или  адаптером.
2. Все  контроллеры  взаимодействуют  с  МП  и  ОЗУ  через  системную  магистраль  передачи  данных, которую   называют  шиной. Все  компоненты  ПК  подключаются  к  шине  при  помощи  разъемов  расширения  системы  - слотов .

Просмотр видео на примере работы Аудиоконтроллера

Шины  расширения  конструктивно  оформляются  в  виде  шелевых  разъемов (слотов) для  установки   плат  адаптеров.  Количество  и  тип  слотов  определяют  возможности  функционального  расширения  системы.
  Как  уже  отмечалось,  совокупность  линий  по  которым  обмениваются  информацией  компоненты  и  устройства РС называются  шиной. 
Шина  предназначена  для  обмена  информацией  между  двумя  и  более  устройствами.  Шина,  связывающая  только  два  устройства,  называется  портом                                                                                                             
Линии  шины  делятся  на  три  группы  в  зависимости от  типа  передаваемых  данных:

Шины  различаются  по  своему  функциональному  назначению.

В зависимости  от  своего  функционального  назначения  РС  могут  быть  оборудованы  такими  шинами,  как  USB, SCSI, FireWire, которые  устанавливаются  в  слоты   расширения  или  интегрированы  в  материнскую  плату.  Их  работу  обеспечивает  соответствующий  контроллер.
Контроллеры  портов  ввода--вывода  присутствую  в  каждом  компьютере эти  порты  бывают  следующих  типов :
--- параллельные  (обозначают  LPT-1---LPT-4), к  ним  подключаются  принтеры
--- асинхронные  последовательные  порты (обозначают  COM-1---- COM-4), через  них  обычно  подсоединяют  мышь, модем   и.т.д.  Параллельные  порты  выполняют  ввод--вывод  с  большей  скоростью, чем  последовательные.  Появление  новых,   более   быстродействующих стандартов   интерфейсных  шин  USB (Универсальная  последовательная  шина)  и FareWire (Огненный   провод)  обещает  в  скором  времени вытеснение старых  малопроизводительных   портов  ввода-вывода
        Шина USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно - версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициировна весьма авторитетными фирмами - Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq.
   Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками - создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов. Кроме этого, желательно питание маломощных устройств подавать с самой шины. Скорость шины должна быть достаточной для подавляющего большинства периферийных устройств. Попутно решается историческая проблема нехватки ресурсов на внутренних шинах IBM PC совместимого компьютера - контроллер USB занимает только одно прерывание независимо от количества подключенных к шине устройств.
Практически все поставленные задачи были решены в стандарте на USB и весной 1997 года стали появляться компьютеры, оборудованные разъемами для подключения USB устройств, но периферия с подключением к USB  до середины 1998 года  так практически и не появилась. В чем дело? Почему только к концу 1998 года уже существенно активнее производители оборудования стали предлагать на рынке устройства с USB интерфейсом? Этому есть несколько объяснений:

• отсутствие острой необходимости для пользователей настольных компьютеров в устройствах с полной поддержкой Plug&Play. Периферия к настольному компьютеру подключается, как правило, всерьез и надолго и особой нужды в частой смене периферии у подавляющего большинства пользователей нет.
• более высокая стоимость устройств с USB по сравнению с аналогичными устройствами, имеющими стандартные интерфейсы
• отсутствие поддержки со стороны производителей программного обеспечения и, главным образом, Microsoft, хотя она и была одним из авторов стандарта. Только в Windows 98 появилась полная поддержка USB, а в Windows NT она только должна быть в 1999 году.
  Сейчас USB стала активно внедряться производителями компьютерной периферии. Сенсацией стало наличие в компьютере iMAC фирмы Apple Computers только USB в качестве внешней шины.
        

  Технические  характеристики

Возможности USB следуют из ее технических характеристик:
  Высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) - 12 Mb/s
 Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 5 m
  Низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) - 1.5 Mb/s
  Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена - 3 m
  Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) - 127
  Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена
  Отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов, таких как терминаторы для SCSI
  Напряжение питания для периферийных устройств - 5 V
  Максимальный ток потребления на одно устройство - 500 mA (это не означает, что через USB можно запитать устройства с общим током потребления 127 x 500 mA=63.5 A)

Поэтому целесообразно подключать к USB практически любые периферийные устройства, кроме цифровых видеокамер и высокоскоростных жестких дисков. Особенно удобен этот интерфейс для подключения часто подключаемых/отключаемых приборов, таких как цифровые фотокамеры. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение/расчленение.
Возможность использования  только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины, но существенно уменьшает количество линий интерфейса и упрощает аппаратную реализацию.
Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джойстики и т.п.
Последовательная шина FireWire (IEEE 1394) предлагается для устройств, требующих более высокой скорости обмена, чем может обеспечить шина USB. Она впервые предусмотрена в спецификации PC97.
Интерфейс FireWire поддерживает синхронную и асинхронную передачу данных и предоставляет возможность подключения до 63 устройств на один порт. При этом поддерживается скорость передачи 100, 200 и 400 Мбит/с (т. е. 12,5, 25, 50 Мбайт/с), прорабатываются варианты на 800 и 1600 Мбит/с. При этом различные пары устройств могут обмениваться данными на различной скорости, например, на 100 и на 400 Мбит/с. Для связи используется 6-жильный медный кабель или оптоволокно. Из этих шести проводов два идут к источнику питания, а четыре других, организованные как две экранированные витые пары, используются для передачи данных. Кабель в целом также экранирован. По проводам питания может подаваться напряжение от 8 до 40 В (ток до 1,5 А), что позволяет отказаться от источников питания в периферийных устройствах.
Каждое устройство FireWire может содержать до 6 разъемов (чаще всего 3) для подключения других устройств. Длина сегмента FireWire может достигать 4,5 метров. Сеть FireWire может включать до 63 узлов, а несколько сетей могут быть соединены между собой мостами (до 1023). Таким образом, в системе может быть до 64449 устройств IEEE 1394.
FireWire поддерживает автоопределение Plug-n-play, горячее включение и изохронный режим работы, обеспечивающий гарантированную полосу пропускания для подключенных устройств. Подобно контроллерам SCSI, контроллеры FireWire могут самостоятельно обрабатывать большинство операций ввода/вывода, не занимая время процессора.
    Изначально планировалось использование FireWire в цифровом видео (первыми устройствами FireWire стали цифровые видеокамеры и видеомагнитофоны Sony). Спецификации РС98 и PC99 предполагают, помимо видео, использование FireWire для подключения жестких дисков, сетевых карт, магнитооптических накопителей и другого высокоскоростного оборудования.