USB и COM интерфейсы, причины исчезновения второго и развития первого как основного интерфейса компьютерных систем

USB и COM интерфейсы, причины исчезновения второго и развития первого как основного интерфейса компьютерных систем

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГИИ И ДИЗАЙНА

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ИНСТИТУТ ПЕЧАТИ

Факультет: Полиграфических технологий и оборудования

Специальность: 230400 «Информационные системы и технологии»

Кафедра: Информационных и управляющих систем

интерфейс порт компьютер

КУРСОВАЯ РАБОТА

Дисциплина: Инструментальные средства информационных систем

Тема:          USB и COM интерфейсы, причины исчезновения второго и развития первого как основного интерфейса компьютерных систем

Выполнил

Студент группы 2-ТИД-6

Волкова Арина Сергеевна

Руководитель

Канд.пед.наук, доцент

Эрштейн Леонид Борисович

Санкт-Петербург 2015

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня в компьютерных системах используются различные интерфейсы, реализованные по современным общепризнанным стандартам. Их великое множество, для их структурирования существуют различные спецификации. В данной работе будут рассмотрены два интерфейса для подключения периферийных устройств: USB и COM-технологии, они и будут взяты за объект исследования.

Актуальность выбранной темы заключается в высокой популярности интерфейса USB и практически полного непонимания значения COM-интерфейса нынешним поколением. Но для правильного осмысления технологий современности и для уверенного их дальнейшего развития необходимо знать и изучать предыдущие изобретения и разработки.

Предметом исследования будет являться изучение свойств данных интерфейсов, а также выявление причин популярности одного и исчезновения другого как основного интерфейса компьютерных систем.

Теоретическая значимость работы заключается в заполнении пробела в знаниях истории развития технологий, а также в упорядочивании и систематизировании информации по данной теме. Полученные в ходе исследования выводы могут быть полезны в составлении методических пособий и материалов.

Практическая значимость работы состоит в том, что её положения могут быть полезны для осмысленного пользования компьютерными технологиями. В нашем веке с компьютером взаимодействует большая часть населения, поэтому необходимо чётко понимать, почему та или иная деталь компьютерных систем оказывается «за бортом» технического прогресса и престает использоваться большинством.

ГЛАВА 1

Основой взаимодействия всех современных информационных систем являются интерфейсы. В вычислительной технике они существуют на пользовательском, программном и аппаратном уровнях, из которых последний представляет собой способ взаимодействия физических устройств.

Интерфейс USB, как и COM-порт, является последовательным интерфейсом передачи данных, которым оснащаются персональные компьютеры и ноутбуки. Информация в них передается бит за битом, что и повлекло название «последовательный порт». Однако это название закрепилось только за COM-портом и теперь оно является скорее сленговым. Остановимся подробнее на свойствах этих двух интерфейсов.

1.1 USB-интерфейс

Интерфейс USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) предназначен для подключения периферийных устройств к персональному компьютеру. Он появился по компьютерным меркам довольно давно - 15 января 1996 года, а самые первые спецификации и того раньше. Разработка USB поддерживалась такими фирмами-гигантами, как Intel, Microsoft, IBM, Philips, NEC, US Robotics (см. прил.1, прил.2).

Перед разработчиками стояла цель создания возможности для пользователей работать в режиме Plug&Play - «подключил и работай». То есть было необходимо предусмотреть удобное подключение устройства к компьютеру, немедленное автоматическое распознавание его после подключения и установки соответствующих драйверов. Скорость шины должна быть достаточной для подавляющего большинства устройств, так как в этом есть определённая экономическая выгода: унификация влечёт повышение надёжности и увеличение сроков поддержки встроенных систем во всех сегментах рынка, а также увеличение разнообразия внешних периферийных устройств.

Кабель USB до версии 2.0 включительно состоит из 4 медных проводников, из которых два являются проводниками питания и два - проводниками данных в витой паре. Кабель USB 3.0 утолщается за счёт добавления ещё четырех линий связи (две витые пары). Интерфейс USB соединяет между собой устройства и хост, находящийся внутри персонального компьютера и управляющий работой всего интерфейса, в том числе и обменом данных. Хост определяет направление передачи и устройство, которое должно принять или передать данные. Он формирует и передает пакет, в котором указан адрес устройства, направление передачи, тип пакета и т.д.

Рисунок 1 - USB-кабель

Схематически кабель USB представлен на рисунке 1. Он состоит из провода напряжения питания шины, положительной и отрицательной линий данных и общего провода, который в англоязычной литературе чаще называют return wire - обратный провод. Первый провод даёт напряжение питания для устройств без собственного источника питания - мышки, клавиатуры, флеш-карты и т.д., последний же позволяет току от источника питания пройти через нагрузку и вернуться обратно. Для передачи информации эти линии используются вместе: информация в один момент может отправиться только в одном направлении (такой обмен данных называется полудуплексным).

Теоретически, к одному хост-контроллеру можно подключить до 127 устройств. Чтобы увеличить число активных разъемов USB можно воспользоваться USB-хабами. Хабы бывают двух видов: одни просто увеличивают число USB-разъемов в одном компьютере, а другие позволяют подключать несколько компьютеров. Второй вариант позволяет использовать нескольким системам одни и те же устройства. В зависимости от хаба переключение может производиться как вручную, так и автоматически.

Каждое из подключённых устройств получает свой уникальный адрес. Логически устройство представляет собой набор независимых конечных точек, с которыми хост-контроллер обменивается информацией. Конечная точка - это область памяти USB-устройства, в которой могут храниться какие-либо данные. Таким образом, каждое устройство имеет свой уникальный адрес на шине USB, и при этом каждая конечная точка этого устройства имеет свой номер.

Взаимодействие приложений с устройствами USB выполняется только через программный интерфейс. Этот интерфейс, обеспечивающий независимость обращений к устройствам, предоставляется системным ПО контроллера USB. При передаче данных по шине USB используется принцип кодирования «без возврата к нулю с инверсией» (NRZI). Для передачи логической “1” необходимо повысить уровень положительной линии данных выше +2.8 В, а уровень отрицательной линии данных надо опустить ниже +0.3 В. Для передачи нуля ситуация противоположная.

Любое USB устройство может иметь несколько конфигураций и в каждой конфигурации несколько интерфейсов. Это свойство USB позволяет создаваемому устройству иметь возможность опознаваться компьютером как несколько USB устройств с разными интерфейсами. Компьютерная мышь, например, может иметь встроенный картридер и взаимодействовать с компьютером как два независимых устройства.

1.2 COM-интерфейс

Последовательный порт или COM-порт (Communication port) - это название интерфейса стандарта RS-232, которым ранее массово оснащались персональные компьютеры. Этот стандарт имел широкое распространение до появления USB в телекоммуникационном оборудовании для персональных компьютеров. Говорить о том, что он полностью исчез, нельзя, т.к. его до сих пор используют для специального или устаревшего компьютерного оборудования. До сих пор на большинстве стационарных персональных компьютеров можно обнаружить разъем этого интерфейса, зато на ноутбуках его уж не встретишь.

Это проводной полнодуплексный интерфейс, информация в котором передается по аппаратно и программно независимым проводам двоичным сигналом с двумя уровнями напряжения. Логическому “0” соответствует положительное напряжение (от +5 до +15 В для передатчика), а логической “1” отрицательное (от −5 до −15 В для передатчика). Сервисные сигналы, предусмотренные стандартом RS-232, позволяют организовать обмен данными между двумя устройствами одновременно в обоих направлениях.

Физический интерфейс реализуется одним из двух типов разъемов: M или DB-25M, последний в выпускаемых в настоящее время компьютерах практически не встречается. В зависимости от цифры в названии разъема определяется количество контактов в нём. Несмотря на то, что разъем DB-25M содержит в два с половиной раза больше выводов, чем DB-9М, они передают одинаковые сигналы (см. прил.4).

На рисунке 2 представлена схема с контактами COM-порта с разъемом M.

Рисунок 2 - Контакты COM-порта

Назначение этих сигналов в следующем:- Ground, (общий) второй провод для всех сигналов;- Transmited Data, асинхронный канал для передачи данных;- Received Data, асинхронный канал для приема данных;- Request To Send (запрос на передачу), выход, который говорит о том, что у компьютера есть данные для передачи по каналу TxD для конечного устройства;- Data Terminal Ready (готовность терминала данных), выход, который говорит о том, что компьютер(терминал) готов к обмену данными с конечным устройством;- Clear To Send (очищен для передачи), вход, который говорит о том, что конечное устройство готово принимать данные от терминала по каналу TxD; данный сигнал используется для аппаратного управления потоками данных;- Data Set Ready (установка данных готова), вход, который говорит о том, что конечное устройство выполнило все установки и готово начать передавать и принимать данные от компьютера;- Data Carrier Detected (обнаружен носитель информации), вход который информирует компьютер об обнаружении другого терминала;- Ring Indicator (индикатор звонка), вход, который говорит компьютеру, что на конечное устройство поступает сигнал вызова;

PG - Protective Ground, защитное заземление.

В протоколе RS-232 существуют два метода управления обменом данных: аппаратный и программный, а также два режима передачи: синхронный (не поддерживается COM-портом) и асинхронный. Протокол позволяет использовать любой из методов управления совместно с любым режимом передачи. Также допускается работа без управления потоком, что подразумевает постоянную готовность хоста и устройства к приему данных, когда связь установлена.

1.3 Причины вытеснения COM-интерфейса USB-интерфейсом

Порты COM встречаются всё реже, в то время как без USB-порта работа с компьютером уже не представляется возможной. В сравнении COM-интерфейс проигрывает во всём. Его разъём вставляется в гнездо с контактами и прикручивается двумя болтиками, чтобы не выпасть, в то время как USB-коннектор нужно просто вставить в предназначенный для него разъём. Технические характеристики USB во много раз превосходят характеристики COM (особенно в современном мире):

более высокая скорость обмена данными;

возможность разветвления через хабы и подключения большего числа устройств;

автоматическая идентификация и конфигурирование системы;

возможность получения питания от шины.

Сейчас USB-шина универсальна, и это тоже является её плюсом: появляется возможность подключения разноплановых устройств вроде принтера, клавиатуры, модема и пр.

Максимально возможная длина кабеля USB - 5 метров, однако не рекомендуется использовать провода длиннее 3 метров. Тем не менее, это плюс, т.к. изначально USB-интерфейс проектировался для домашнего использования.

Заявляется, что интерфейс RS-232 может передавать данные на расстояние 15 метров, но на практике оказывается, что качество кабеля не настолько идеальное и потому требуемое расстояние передачи данных может сокращаться аж до 1,5 метров.

Одним из основных преимуществ USB перед другими последовательными протоколами является его возможность подавать питание на устройство прямо с персонального компьютера. Сейчас ресурсоёмкость повышена до такого уровня, когда можно обойтись без дополнительных блоков питания. Возможность использования только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины, но существенно уменьшает количество линий интерфейса и упрощает аппаратную реализацию.

В стандарте COM-порта наблюдается высокое количество прерываний - одно на каждые 8 байт. Также физический разъем считается габаритным. Разъем USB занимает чуть меньше места, но даже этого оказалось недостаточно для портативных устройств, поэтому были созданы модификации меньших размеров - Mini-USB и Micro-USB.

Можно было бы отметить преимуществом COM-порта над USB возможность передавать данные как в одну, так и в другую сторону, но в спецификации USB 3.0 дуплексный режим был успешно реализован.

Во время перехода мобильных телефонов на цифровую передачу голоса ни один из имеющихся интерфейсов не годился для передачи с телефона на компьютер как речи, так и данных, поэтому изобретение USB со всеми его модификациями как нельзя лучше решило эту проблему.

Одним из главнейших преимуществ интерфейса USB является простота для пользователя. Старые интерфейсы (например, последовательный COM и параллельный LPT порты) были крайне просты для разработчика, но не давали настоящего Plug&Play («подключи и работай <https://ru.wikipedia.org/wiki/Plug_and_Play>»). Требовались новые механизмы взаимодействия компьютера с низко- и среднескоростными внешними устройствами <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B9%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%83%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE> - возможно, более сложные для конструкторов, но надёжные, дружественные и удобные для «горячего» подключения <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BE%D1%80%D1%8F%D1%87%D0%B0%D1%8F_%D0%B7%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B0> - и таким механизмом стал USB.

Существует переход с интерфейса RS-232 на USB. При этом одной и задач является модификация "старого" прибора или подтверждение наличия совместимости устройства с существующими протоколами и программным обеспечением ПК, но при этом исключить необходимость модификации программного обеспечения на компьютере.

Одним из решений данной задачи является использование интерфейса USB в качестве виртуального COM-порта, когда USB-соединение видится персональным компьютером как дополнительный COM-порт. При этом используются стандартные драйвера Windows и не требуется создание какого-либо своего драйвера.

Спецификация USB описывает класс коммуникационных устройств (Communication Device Class - CDC), который определяет множество режимов соединений для телекоммуникационных (модемы, терминалы, телефоны) и сетевых устройств (Ethernet адаптеры и хабы, ADSL модемы), включая эмуляцию последовательного порта.

ГЛАВА 2

интерфейс был придуман около 20 лет назад, и за это время технические характеристики вычислительных машин претерпели глобальные изменения. Поэтому USB имеет различные спецификации с всё более усовершенствованными параметрами.

Самая первая спецификация была USB 0.7, это был предварительная версия. Официальная рабочая спецификация USB 1.0 была выпущена в 1996 году. Она поддерживала два режима работы:

с низкой пропускной способностью (Low-Speed) - 1,5 Мбит/с

Максимальное количество подключенных устройств уже было равно 127. Имелась возможность подключения «разноскоростных» периферийных устройств к одному контроллеру USB.

Напряжение питания для периферийных устройств не превосходило

В, а потребляемый ими максимальный ток был 500 мА.

Спецификация USB 2.0 была выпущена в апреле 2000 года и уже отличалась введением режима High-Speed с пропускной способностью 480 Мбит/с. Предусмотренный порог тока остаётся 500 мА. Эта спецификация стала наиболее популярной на рынке. USB 2.0 полностью поддерживает устройства, разработанные для первой версии. Контроллеры и хабы автоматически определяют версию спецификации, поддерживаемую устройством. Но пока происходило распространение USB-портов второй версии, производители внешних жёстких дисков уже «упёрлись» в ограничение USB 2.0 - и по току, и по скорости.

Потребовался новый стандарт, который и вышел в 2008 году. В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели обновлённого стандарта физически и функционально совместимы с USB 2.0, зато скорость обмена данными отличается в несколько раз - до 5 Гбит/с. Основной целью интерфейса USB 3.0 является повышение доступной пропускной способности, однако новый стандарт эффективно оптимизирует энергопотребление. У USB 3.0 есть четыре состояния подключения, названные U0-U3. Состояние подключения U0 соответствует активной передаче данных, а U3 погружает устройство в "сон". Если подключение бездействует, то в состоянии U1 будут отключены возможности приёма и передачи данных. Состояние U2 идёт ещё на шаг дальше, отключая внутренние тактовые импульсы. Таким образом происходит снижение энергопотребления. Порог поддерживаемого тока возрос до 900 мА.

Для однозначной идентификации разъёмы USB 3.0 принято изготавливать из пластика синего или (у некоторых производителей) красного цвета. К 2013 году USB 3.0 стал массовым. Также имеются платы расширения, добавляющие поддержку USB 3.0 в старых компьютерах.

Из всего этого следует, что можно 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 и флеш-накопители. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение/расчленение. Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джойстики и т.п.

При постоянной эксплуатации USB-устройств необходимо быть аккуратным - нередко при недостаточно бережном обращении разъёмы расшатываются, контакты неплотно прилегают друг к другу и потому устройства работают с перебоями.

Что касается технических характеристик COM-порта, то его пропускная способность максимально достигает 1,5 Мбит/с, что в наше время неприемлемо для комфортной работы за компьютером (см. прил.5). Максимальная сила тока в среднем составляет 25 мА, хотя в большей степени это зависит от установленной материнской платы.

Раньше через него подключалось различные внешние компьютерные устройства - модемы, различные, мыши, терминалы (VAX/VMS), принтеры, цифровые фотоаппараты, ручные сканеры. Можно было соединить напрямую два компьютера с помощью нуль-модемного кабеля. Также последовательный порт часто используется в научной и промышленной технике как стандартный способ соединения цифровых устройств и подключения их к ЭВМ. В настоящее время таким образом подключают спутниковые ресиверы, приборы различных систем безопасности и комплексы управления производственным процессом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основными причинами исчезновения COM-интерфейса и развития USB как основного интерфейса компьютерных систем стали:

превосходящая во много раз пропускная способность USB-порта;

простота эксплуатации, обусловленная принципом Plug&Play;

возможность подключения большого числа устройств (127 вместо 1);

возможность подачи питания от шины.технологии изначально создавались ориентированными на пользователя, поэтому многие аспекты использования были предусмотрены на стадии разработки, а с технологическим прогрессом они продолжали модифицироваться.

Благодаря разработке единого разъема для большей части внешних устройств функциональность компьютера расширилась, более того - это подхлестнуло разработку нетрадиционных устройств (например, подогреватели для кружек, лампочки, пылесосы для клавиатуры, тапочки с подогревом и прочее).

Хотя COM-порт продолжает существовать с точки зрения операционной системы и даже используется в качестве канала связи виртуально, на практике он уже давно потерял свою значимость и большинству пользователей теперь стал не нужен.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Агуров П. Практика использования и программирования [Электронный ресурс] - Режим доступа: #"871085.files/image003.gif">

Рисунок 1.1 - Слева направо: micro USB, mini USB, B-type, A-type разъем, A-type коннектор

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Рисунок 1.2 - Разъемы USB 2.0 в ноутбуке

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Рисунок 2.1 - COM-порт

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Рисунок 2.2 - COM-порт на задней части материнской планы (посередине)

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Таблица 1 - Скорость обмена данными с внешними устройствами