ver. 27.10.2012
Vnější rozhraní počítače
Vnější rozhraní počítače Rozhraní je místo (konektor, zásuvka) které slouží pro vstup nebo výstup dat, popřípadě je obousměrné. Slouží k propojení počítače s periferiemi, tj. externím hardwarem. Některá rozhraní již byla zmíněna – např. výstup grafické karty. Toto rozhraní je příklad jednoúčelového rozhraní, jiná rozhraní jsou více nebo méně univerzální – možno přes ně připojit více rozličných druhů zařízení. Asi nejuniverzálnější rozhraní je USB (které to má i v názvu) – přes toto rozhraní se připojuje kde co. Externí disky, myši, klávesnice, tiskárny, skenery, čtečky paměťových karet, externí zvukové karty, specializovaná zařízení (interaktivní tabule, měřicí přístroje s přenosem dat do počítače), … Port PS/2 Velmi rozšířené rozhraní pro připojení klávesnice nebo myši. Od nástupu základních desek standardu ATX v 90. letech až do dnešní doby se vyskytoval na každé desce. Dnes ze základních desek pomalu mizí, klávesnice a myši se připojují do USB. Provedení konektoru je 6-pinový MiniDIN (obr 1). Jelikož je mechanické provedení konektoru pro klávesnici i myš shodné (jsou fyzicky zaměnitelné), jsou proto rozlišeny barevně – klávesnice fialová, myš zelená barva. Zástrčka na kabelu od klávesnice či myši je na obr. 2.
Obr. 1 Přenos dat je sériový – data jsou posílána „za sebou“. K tomu je potřeba taktovací (hodinový) signál – určuje synchronnost (časovou posloupnost) dat. Dále konektor zajišťuje napájení připojené klávesnice či myši napětím +5V. Obsazeny jsou tedy 4 piny: • Data • Clock • +5V • GND (zem) Zůstávají tedy 2 piny volné a ty se mohou využít jako Data a Clock pro druhé zařízení (+5V a GND mohou Obr. 2 být společné pro obě zařízení). Lze tedy fyzicky využít jeden konektor pro připojení současně klávesnice i myši, čehož se občas využívá. Potom je potřeba redukce na rozdvojení do dvou zásuvek (obr. 3).
1/8
Obr. 3
ver. 27.10.2012
Vnější rozhraní počítače
Sériový port Označovaný též COM-port (komunikační). Viz obr.4. Dříve běžný, hojně užívaný, přítomný na každém počítači v počtu 2ks, později 1 ks a dnes většinou chybí. Používal se k připojení myší, modemů, čteček čárových kódů, měřicích přístrojů, pomocí příslušného kabelu a software bylo možno přenášet data mezi počítači. Pro běžného uživatele v domácích či kancelářských podmínkách nemá dnes prakticky význam, používá se však stále v technické a průmyslové praxi. Je poměrně odolný proti elektromagnetickému rušení, protože na rozdíl od jiných rozhraní má logické úrovně definovány jako napětí -11 V a +11 V, což je rozkmit 22 V, oproti kterému se rušení méně uplatní (USB má logické úrovně 0 V a +5 V, což je rozkmit jen 5 V). Pokud se v praxi vyskytne potřeba sériového portu, musíme vybrat základní desku, která jej má. Pokud máme desku bez COM portu, lze situaci řešit přídavnou kartou do slotu PCI (obr. 5) nebo adaptérem USB – COM (obr. 6).
Obr. 4 Obr. 5
Obr. 6
Paralelní port Další víceméně historické rozhraní. Na rozdíl od COM portu, který má pořád význam v technické praxi, paralelní port prakticky ztratil význam. Jak název napovídá, data se přenášejí souběžně (paralelně) po více vodičích, má větší přenosovou rychlost než COM port. Používal se hlavně pro připojení tiskáren a skenerů, v této oblasti jej však zcela vytlačilo USB rozhraní. Můžeme se s ním setkat u sestavy starší počítač – starší tiskárna. Vzhled konektoru je na obr.7.
Obr. 7
2/8
ver. 27.10.2012
Vnější rozhraní počítače
USB rozhraní USB = universal serial bus = univerzální sériová sběrnice. Vznikla v r. 1995 jako levné jednoduché sériové rozhraní, jehož hlavním cílem bylo sjednotit připojování prakticky všech periferií jedním rozhraním, což se letitým vývojem nakonec dosáhlo. Dnes se běžně prodávají základní desky, které mají k dispozici pouze USB konektory. Verze USB: • USB 1.1 – rychlost max. 12 Mb/s • USB 2.0 – vznik v r. 2000, rychlost 480 Mb/s, zpětně kompatibilní s USB 1.1 (starší zařízení fungují, ale rychlostí max. 12 Mb/s. • USB 3.0 – vznik 2008, 10x rychlejší než USB 2.0, zpětně kompatibilní s USB 2.0 zařízeními. Začíná se teprve prosazovat v praxi. Fyzické provedení: • USB 1.1 a 2.0 – má stejné provedení konektorů i kabelů. Kabel má 4 vodiče – 2 datové, 2 napájecí. USB port poskytuje pro napájení připojených zařízení napětí 5 V s možností odběru až 500 mA, tedy výkon 2,5 W. To bohatě postačuje např pro flashdisk. Pokud má zařízení větší energetické nároky, musí mít vlastní napájecí zdroj. Konektory jsou následující: ◦ konektor typu A Zásuvka (obr. 8) je v počítači nebo rozbočovači, popřípadě na konci prodlužovacího kabelu, zástrčka (obr. 9) je na začátku kabelu nebo např. na flashdisku.
Obr. 8
Obr. 9
Kabel, který má na koncích konektory typu A je prodlužovací kabel, někdy také označovaný jako A-A kabel. ◦ Konektor typu B Zásuvka (obr. 10) je v „protilehlém“ zařízení – např. v tiskárně, skeneru, externím pevném disku. Zástrčka (obr. 11) je na konci propojovacího kabelu, který propojuje port USB s příslušným koncovým zařízením. Propojovací kabel se někdy označuje jako A-B kabel.
3/8
Obr. 10
Obr. 11
ver. 27.10.2012
Vnější rozhraní počítače
◦ Miniaturní verze konektorů Některá USB zařízení jsou poměrně malá a klasické USB konektory jsou pro ně příliš rozměrné. Proto byly vyvinuty miniaturizované verze konektorů USB. Jde o konektory na konci kabelu, tedy u připojovaného zařízení – kapesní přehrávač, fotoaparát, mobilní telefon, apod. Jde většinou o miniaturizaci konektoru typu B. Na začátku kabelu je většinou klasická zástrčka typu A. Na obr. 12 je konektor Mini USB, na obr. 13 je konektor Mikro USB
Obr. 12 •
Obr. 13
USB 3.0 – jak už bylo řečeno, jde o poslední verzi USB, 10x rychlejší než USB 2.0. Rychlost je 5 Gb/s. Na rozdíl od USB 2.0, USB 3.0 má v kabelu celkem 8 vodičů. Dva vodiče jsou napájecí, možnosti jsou navýšeny oproti USB 2.0: napětí 5 V, max. odběr 900 mA. Další dva páry vodičů slouží pro přenos dat po USB 3.0. Zbývající dva vodiče jsou datové pro zpětnou kompatibilitu s USB 2.0. Z vyššího počtu vodičů vyplývá taky jiné provedení konektorů. Konektory ale současně musí být zpětně kompatibilní i po mechanické stránce (tzn. do USB 3.0 zásuvky musí jít funkčně zasunout USB 2.0 zástrčka). Z uvedených požadavků vyplynulo následující provedení konektorů. Na obrázcích je vidět, jak se u např. u konektoru typu A konstruktéři vypořádali s požadavkem na kompatibilitu se starými konektory a zároveň s požadavkem na 8 vodičů pro USB 3.0:
Obr. 14
Obr. 15
USB 3.0 se zatím prosazuje pozvolna, protože existuje obrovské množství zařízení pro USB 2.0, které uživatelům funkčně postačují, takže investice do zařízení USB 3.0 by pro ně mnohdy nebyla přínosem. USB 3.0 lze do počítače doplnit pomocí rozšiřující karty (do slotu PCIe 4x). Hodně základních desek již má řadič USB 3.0 integrován.
4/8
ver. 27.10.2012
Vnější rozhraní počítače
Topologie sběrnice USB Prvky připojené k USB se dělí do dvou kategorií: • Rozbočovač, neboli HUB
Obr. 16
Obr. 17
Jak napovídá název, slouží k rozbočení pro připojení více zařízení do jednoho bodu. Hub může být samostatný, nebo integrovaný do nějakého zařízení – např. do monitoru nebo klávesnice. Na obr. 16 je jednoduchý hub bez přídavného napájecího zdroje. Je použitelný pro připojení nízko příkonových zařízení (flash disk, myš,...) nebo pro zařízení, které mají svůj zdroj a napájení po USB nevyužijí. Je zřejmé, že max. proud 500 mA, který poskytuje USB port na počítači se rozdělí dle potřeby mezi 4 porty na vyobrazeném hubu. Pokud požadujeme od hubu, aby na každém portu poskytl plný výkon pro napájení (tj. 500 mA), musí být hub vybaven přídavným napájecím zdrojem – viz. obr. 17, který poskytne dostatek elektrické energie pro všechny porty. •
Zařízení – nebo také koncové zařízení. Zařízení, které využívá služeb USB. ale nefunguje jako hub. Tiskárny, skenery, externí disky, klávesnice, myši, externí zvukové karty, ….........
Hostitelské zařízení – nejčastěji počítač, poskytuje určité množství USB portů. Jejich rozšíření se v případě potřeby realizuje pomocí hubů. Potom vzniká hvězdicová struktura, jak ukazuje obr. 18:
5/8
ver. 27.10.2012
Vnější rozhraní počítače
Výchozím zařízením USB systému je hostitelský kořenový rozbočovač – HOST Root hub. Root hub poskytuje většinou dva přípojné body (zásuvky USB). Hostitelský systém (samotný počítač) většinou obsahuje více root hubů. Rozhraní mezi počítačem a USB systémem zprostředkovává hardware zvaný hostitelský řadič USB (USB host controller). Z důvodu zpoždění signálu je povoleno maximálně 7 vrstev, čili mezi root hubem (zásuvkou na počítači) a koncovým zařízením může být maximálně 5 hubů za sebou. Maximální počet zařízení, které mohou být v USB rozhraní je 127. V praxi sice tyto případy hned tak nenastanou, je ale je dobré mít tyto limity na zřeteli. Další limit je Obr. 18 maximální délka kabelu mezi dvěma prvky (vrstvami). U USB 2.0 je to 5 m, u USB 3.0 jen 3 m. Na to je třeba pamatovat, abychom při použití prodlužovacích kabelů typu A-A tuto délku nepřekročili. Pokud je potřeba propojení na větší vzdálenost, existují tzv. aktivní prodlužovací kabely, což je v podstatě 5 m A-A kabel, u kterého je v zásuvce na konci vestavěn aktivní elektronický prvek, který provede obnovu a zesílení signálu. Z hlediska USB systému je to v podstatě hub s jedním portem. Jelikož vrstev v USB systému může být max. 7, hubů tedy jen 5, těchto aktivních kabelů můžeme zapojit nejvíce 6 za sebou. Maximální délka USB propojení je tedy při použití všech dostupných prostředků 30 m (platí pro USB 2.0). Pokud máme extrémní požadavky na vzdálenost, můžeme použít řadič ethernet-USB, který dokáže zprovoznit USB připojení kdekoliv v počítačové síti. Jedna z možností je na obr. 19.
Obr. 19
6/8
ver. 27.10.2012
Vnější rozhraní počítače
FireWire rozhraní Označované též jako i-Link nebo IEEE 1394. Je to sériové rozhraní podobně jako USB, má i některé jiné podobné vlastnosti, jako např. napájení připojených zařízení, hvězdicová struktura, atd. První verze FireWire vznikla v roce 1995 a nabízela rychlost 400 Mb/s. V téže době vzniklé USB 1.1 nabízelo jen 12 Mb/s. Existence FireWire byla jedním z motivů pro vznik USB 2.0 v roce 2000, které nabízelo 480 Mb/s. I když má FireWire nižší „papírovou“ rychlost, v praxi ale dosahovalo vyšších reálných rychlostí při nižším zatížení systému oproti USB. Postupně vznikly další dvě verze FireWire s rychlostmi 800 Mb/s a 3200 Mb/s. Fyzické provedení: • Konektory ◦ 6ti pinové – obsahují i napájení:
Obr. 21 Obr. 20 ◦ 4 pinové – obsahují jen datové vodiče
Obr. 22
Obr. 23
Topologie (platí pro základní FireWire 400) V principu je podobná jako u USB. Stručně: • Používají se též Huby • Maximální počet zařízení je 63 • Délka kabelu max. 4,5 m • Při použití aktivních prvků lze použít až 16 prodlužovacích kabelů, tj. celková délka až 72 m. FireWire se používá méně, než USB – setkáme se s ním hlavně u digitálních kamer a přenosných disků, pokud máme vyšší požadavky na rychlost než s USB 2.0.
7/8
ver. 27.10.2012
Vnější rozhraní počítače
e-SATA rozhraní je to v podstatě SATA rozhraní vyvedené na konektor pro připojení vnějších zařízení, většinou pevných disků. Má tedy výhody SATA, především rychlost běžně 3 Gb/s. Konektor je poněkud pozměněn, aby byl uzpůsoben pro časté odpojování a připojování. Pro e-SATA je nabízeno menší množství zařízení než pro USB či FireWire. Fyzické provedení:
Obr. 24 Topologie Jelikož se jedná o SATA, je na konci kabelu jen jedno zařízení. Shrnutí Rozhraní USB, FireWire, e-SATA mají dvě společné vlastnosti: • Plug and Play („zasuň a funguj“) - pokud jsou k zařízení v systému k dispozici softwarové ovladače, stačí zařízení připojit a není třeba žádné konfigurace uživatelem. Zařízení jsou v drtivé většině případů podporována nativně operačním systémem. Pouze u nestandardních zařízení je nutno doinstalovat do systému ovladač od výrobce zařízení. • Hot Plug Možnost připojení a odpojení zařízení kdykoliv během chodu počítače.če
8/8
