Есть контакт. История развития внешних интерфейсов для подключения периферии
IT-индустрии никогда не удавалось наладить отношения со стандартизацией. Каждый производитель техники старался перетянуть одеяло на себя — выпустить очередной эксклюзивный интерфейс, внедрить новую технологию защиты. В результате они ограничивали не только сферы применения, но и удобство использования своих устройств. Ситуация начала меняться только в 90-х годах прошлого века. Лучшие технические умы разных компаний стали объединяться в альянсы и вместе работать над новыми открытыми (и не очень) стандартами.
Сейчас кажется, что такая обыденная вещь, как прямоугольный разъем USB , была с нами всегда. Что может быть проще? Распаковал купленную флэшку, подключил ее к компьютеру — и все, можно начинать работу. Операционная система сама определит устройство и автоматически подберет необходимые драйвера. Так вот, чтобы прийти к этому более-менее единому стандарту, индустрии потребовалось не одно десятилетие. Каких-то 20-25 лет назад перед приобретением, скажем, нового принтера покупатель должен был два раза подумать и сверить спецификации. Не стоит также забывать, что даже сейчас наравне с USB используется как минимум один популярный стандарт — FireWire.
Мечты о стопроцентной совместимости между устройствами от разных производителей все еще остаются мечтами. Однако некоторый прогресс виден невооруженным глазом. Уже сейчас внутри любого компьютера есть стандартизированные компоненты. Взять, к примеру, единую для всех шину PCI Express от PCI SIG или тот же разъем USB.
Мы предлагаем проделать путешествие в прошлое и проследить за историей развития интерфейсов для подключения периферии.
Занятная генеалогия
Вплоть до начала 70-х годов прошлого века рынком компьютеров правили исполинские мейнфреймы вроде IBM System/360. Производители подобных систем не уделяли проблеме подключения периферии особого внимания. Принтеры, хранилища данных на основе магнитной пленки и другие внешние компоненты часто соединяли напрямую с системной шиной. Из-за чрезвычайной сложности обслуживания о всяких мелочах даже и не думали.
И вот начался переход от больших и неудобных мейнфреймов к компактным персональным системам. Ориентиры производителей постепенно менялись. «Компьютеры для ученых» превращались в доступные машины для персонала крупных компаний и простых смертных. Изменения в целевой аудитории повлекли изменения в концепции и подходе к созданию компьютеров. Обычные люди никогда не полезут внутрь сложного ПК, чтобы подключить принтер к системной шине. А раз так, надо разработать более дружественный интерфейс.
Одним из первых персональных компьютеров с возможностью подключения периферии стал Xerox Alto 1973 года выпуска. Эта была странная (по современным меркам) машина с огромным системным блоком и монитором с портретной ориентацией. Она оснащалась клавиатурой, трехкнопочной мышью и дополнительной пятиклавишной приставкой. Компания Xerox позже выпустила еще несколько компонентов для расширения функциональности своего компьютера. В их список попали: ТВ-камера, лепестковый принтер (по сути, автоматизированная печатная машинка) и плата с параллельным разъемом. Да-да, вы все поняли правильно, изначальная конфигурация системы не подразумевала наличия параллельного интерфейса. Традиционно для тех времен дополнительные компоненты было очень сложно найти в продаже. А стоили они совершенно сумасшедших денег.
Мы подобрались к первому из двух принципов коммуникации между компонентами ПК. И здесь придется сделать небольшое лирическое отступление. Вернемся назад в 1970 год, когда был создан первый принтер Centronics Model 101 с поддержкой параллельного интерфейса. Его соединительный порт надолго вошел в историю под названием Centronics Port. Громоздкий разъем разработали трое ученых из лаборатории Wang Laboratories — Эн Вэнг, Роберт Ховард и Прентис Робинсон сделали его на основе существующей конструкции, используемой в калькуляторах. Взрослые читатели нашего журнала наверняка помнят большой трапециевидный разъем с лапками-фиксаторами по бокам и тридцатью шестью контактами. Первые версии Centronics обладали катастрофически мизерной пропускной способностью 0,36 Кбит/с (потом ее довели до 2,5 Мбит/с). Спустя много лет Институт электрической и электронной инженерии (IEEE) стандартизирует этот интерфейс под названием IEEE 1284.
На самом деле, параллельное соединение появилось еще раньше. Метод его работы прост: по нескольким проводам одного коммуникационного кабеля одновременно пересылаются несколько бит данных. Реализация интерфейса — элементарна, а его скорость передачи — высока. Собственно, за это его и полюбили производители. Недостатки, разумеется, тоже были. Одновременная пересылка нескольких бит ограничивала длину соединительного кабеля. На определенном расстоянии от передатчика помехи становились слишком сильными, терялась информация. Однако решение напросилось само собой — если длинные кабели создают проблемы, почему бы не обойтись короткими?
1975 год стал переломным в истории компьютерной индустрии. На рынке появился микрокомпьютер Altair 8800 (именно он побудил Билла Гейтса заняться программированием). Этот ПК открыл дорогу сравнительно недорогим домашним системам, которые, правда, не могли похвастаться обширным функционалом. Интерфейс Altair 8800 представлял собой панель с разноцветными лампочками. Однако нам больше интересны коммуникационные возможности устройства. Разработчики не стали распаивать соединительные интерфейсы на плате компьютера. Необходимые разъемы можно было докупить отдельно в виде карт расширения. В списке опций Altair 8800 значились платы с дополнительной памятью, с параллельным разъемом и с последовательным портом RS-232. Пользователь мог выбрать необходимую карту расширения самостоятельно, но последовательный интерфейс стоил примерно на $20 дороже параллельного.
Собственно, вот мы и встретились со вторым коммуникационным принципом современности. Главное отличие последовательного интерфейса в том, что здесь за единицу времени происходит передача одного бита данных. Технология подразумевает использование компактных, хорошо экранированных от помех кабелей, длина которых ограничена в меньшей степени, чем у соединительных проводов параллельного интерфейса.
Последовательное соединение быстро завоевало популярность среди создателей вычислительных сетей, а также в других сферах, где длина кабеля имела большое значение. Однако вытеснить параллельный интерфейс оказалось не так просто, ведь он был банально дешевле. Разница в цене исчезла позже. Вот тогда-то последовательные интерфейсы стали потихоньку одерживать верх.
Наибольшее распространение среди последовательных разъемов получил RS-232 (Recommended Standard 232). Изначально его разработали для соединения различных терминалов. Не остался безразличным к RS-232 и рынок персональных компьютеров. Его использовало подавляющее большинство систем вплоть до 1986 года. Казалось бы, вот она, стандартизация! Но нет, индустрия снова загнала себя в тупик.
Каждый производитель трактовал спецификации интерфейса по-своему: кто-то отказывался от контрольного сигнала, другие изменяли рабочее напряжение. Разрозненный рынок породил множество дополнительных устройств, а также ряд брошюр, по которым следовало определять параметры используемого интерфейса. Создатели спецификаций RS-232 рекомендовали трапециевидные разъемы с 25 контактами в формфакторе D-subminiature (D-sub), но самым популярным стал 9-контактный DB-9.
Битва титанов
Конец 70-х ознаменовало противостояние трех популярных компьютерных систем для дома. ПК все еще считались роскошью, их могли позволить себе далеко не все, но информационный переворот уже маячил на горизонте. В схватке за покупателей сцепились компьютеры Apple 2 , Tandy TRS-80 и Commodore PET 2001 — так называемая «троица 1977 года». Эти системы интересны и в свете нашего исследования, ведь у каждого из компьютеров был свой набор интерфейсов. Создатели ПК решили, что без большого количества периферии захватить рынок не получится. И началось…
Tandy TRS-80 обрел популярность среди домашних пользователей, любителей всего нового и владельцев небольших фирм. Компьютер продавался с монитором, полноразмерной клавиатурой и языком программирования BASIC. Производитель позаботился о возможности модернизации, однако перед установкой новых комплектующих надо было купить внешний блок расширения ( Expansion Interface ). Дополнительное устройство продавалось в отдельном корпусе, потребляло немало энергии и занимало много места.
При помощи Expansion Interface можно было увеличить объем памяти до 48 Кб, подключить такие периферийные устройства, как контроллер гибких дисков или кассетный накопитель. Внешний блок расширения оснащали сразу двумя разъемами: параллельным принтерным портом Centronics и последовательным RS-232. Изначально TRS-80 Model 1 не позволял выводить документы на печать напрямую с компьютера. Для этого надо было в обязательном порядке приобретать Expansion Interface. Этот подход не понравился покупателям, поэтому вскоре Tandy выпустила отдельный интерфейс для принтера.
Компьютеры Apple 2, благодаря своей открытой архитектуре, расходились как горячие пирожки. На материнках этих ПК нашлось место для разъемов, в которые можно было установить различные платы расширения. Желающие модернизировать систему могли выбрать нужное устройство из обширного ассортимента так называемых периферийных карт ( Apple 2 Peripheral Cards ). Туда входили: внутренние модемы, сетевые и звуковые карты, сопроцессоры, платы с разъемами RS-232 и Centronics. Самой популярной из них стала карта для подключения второго дисковода Apple Disk 2.
Примечательно, что Apple не запрещала использовать продукцию сторонних компаний. Так, на рынке появились платы расширения для подключения внешнего модема, матричного принтера и другой периферии с последовательным интерфейсом. Чуть позже вышли комбинированные карты для работы с несколькими устройствами сразу.
Commodore PET 2001 была системой класса «все в одном». Устройство отлично прижилось на территориях США, Канады и Великобритании, а первую ревизию PET 2001 вскоре сменила вторая. Что интересно, создатели Commodore не подумали об обширном списке дополнительной периферии. К их компьютерам можно было подключить кассетный магнитофон Datassette , игровые джойстики по разъемам JOY1/JOY2 , принтер (довольно дорогой, кстати) или внешнее хранилище через непривычный интерфейс IEEE 488.
IEEE 488 был разработан компанией Hewlett-Packard в 1968 году, но распространение получил только семь лет спустя. Использовался необычный кабель с проводом, выведенным набок. Кабели можно было подключать в стековом режиме (буквально цеплять друг на друга), что позволяло нескольким компьютерам одновременно использовать хранилище или принтер. Иными словами, компания Commodore еще тридцать лет назад реализовала принципы сетевых накопителей, которые обрели популярность сравнительно недавно.
Игра IBM
Успех компьютеров Apple 2 побудил компанию IBM к созданию линейки персональных систем для бизнеса. Так и появился на свет IBM PC, громкая премьера которого состоялась 12 августа 1981 года. Первая система была оснащена всего двумя разъемами для подключения клавиатуры и кассетного привода. Расширить возможности ПК предлагалось при помощи пяти свободных слотов на материнской плате. В частности, можно было приобрести расширительную планку с параллельным интерфейсом Centronics (вместо громоздкого разъема с лапками на плате был реализован компактный 25-контактный D-sub).
В начале 80-х найти периферию для компьютеров IBM было не так-то просто. Сторонние производители только-только начали осваивать новую микроархитектуру. К тому же у IBM PC не получилось захватить домашний сегмент — ценник оказался слишком большим для рядового пользователя. Не помог даже разъем, позволяющий подключить обычный телевизор в качестве монитора.
Второе поколение IBM PC с приставкой XT появилось в магазинах спустя 2 года. Компьютерная индустрия сделала еще один шаг на пути к модернизации. На материнской плате прибавилась пара разъемов для установки карт расширения. В комплект поставки включили жесткий диск на 10 Мб, максимальное количество оперативной памяти увеличили до 256 Кб. Так как интерфейсы системы практически не изменились, она не слишком интересна для нашего исследования.
Куда важнее рассмотреть следующее поколение компьютеров IBM PC AT , появившееся в 1984-м. Вместе с выходом PC AT появился обновленный периферийный разъем с поддержкой спецификаций RS-232. Новый 9-контактный DE-9 стали использовать повсеместно наравне со старым 25-контактным DB-25. Интерфейс применяли для подключения мониторов, а позже заменили усовершенствованным DE-15 , который существует и по сей день.
Рискованная игра IBM привела к тому, что в руках сторонних производителей оказался обширный парк периферии и программного обеспечения. Все это породило рынок совместимых систем. Попытки «голубого гиганта» лицензировать свои наработки окончились частичным провалом — другие компании начали разрабатывать собственные шины и разъемы. Чтобы не попасться на удочку юристов IBM, производители переименовывали и видоизменяли существующие технологии. Именно тогда в обиход вошли названия LPT и COM.
Первый — не что иное, как параллельный порт для принтера. Трехбуквенная аббревиатура образована словосочетанием Line Print Terminal. Обычно компьютеры оснащали одним или двумя LPT, хотя в теории их могло быть и больше. Кроме принтеров, по этим разъемам подключали устройства для хранения данных вроде ZIP-дисководов.
Аббревиатура COM известна и по сей день — некоторые материнские платы все еще оснащают таким разъемом. В действительности это переименованный последовательный порт наподобие DE-9. В системах 90-х годов можно было встретить сразу несколько COM-портов, чаще всего их количество увеличивали при помощи планок расширения. К COM подключали всевозможную периферию, включая модемы, мыши, джойстики и многое другое.
Что до IBM, то компания так и не смогла удержать растущий рынок в своих руках. Совместимые системы заполонили его и не оставили места для оригинальных IBM PC.
Свежие веяния моды
Развитие компьютерной индустрии в начале 90-х годов шло скачками. Рынок встал с колен, пользователи определились в своих желаниях, производители продолжали шлифовать технологии. Стало понятно, что существующие спецификации периферийных шин нужно дорабатывать. Покупатели не желали мириться с трудностями, возникающими при подключении дополнительных устройств.
Нужен был новый тип интерфейсов — шины с поддержкой автоконфигурации. На внедрение этой технологии понадобилось несколько лет. Подумать только, все это время установка в систему нового устройства требовала от хозяина ПК весьма сложных манипуляций с настройками. Вместе с платами расширения продавались специальные установочные диски, некоторые железки «радовали» своей мудреной системой джамперов. Далеко не у всех получалось справиться с неподатливой периферией.
Выход из ситуации нашла компания Microsoft — она придумала технологию Plug-and-Play , которая появилась в ОС Windows 95. Теперь не надо было самостоятельно сообщать системе о добавленном устройстве, распределять прерывания. Правда, поначалу Plug-and-Play работала очень нестабильно (острые языки даже переиначили ее название в Plug-and-Pray — подключи-и-молись). Тем не менее Microsoft удалось вывести свои наработки на уровень общего стандарта. Похожую технологию продвигала компания Apple, однако дела у нее шли плохо, так как на рынке доминировали системы класса IBM PC и операционные системы Windows.
Поддержка автоматического конфигурирования Plug-and-Play вдохнула новую жизнь в компьютерную индустрию. В середине 90-х годов на арену вышли сразу два универсальных последовательных интерфейса для подключения внешних устройств. Это были FireWire и USB (Universal Serial Bus). Интерфейсы появились с разницей в один год. Стандарт FireWire, также известный под именем IEEE 1394 High Speed Serial Bus , был разработан с подачи компании Apple. Что интересно, первое упоминание о нем появилось намного раньше, где-то в середине 1980-х. Финальные спецификации от IEEE, однако, были представлены только в 1995 году.
В разработке FireWire приняли участие настоящие монстры индустрии: Texas Instruments , Sony , Digital Equipment Corporation , IBM и Thomson. По задумке Apple новая технология должна была обеспечить быстрый канал для передачи потоковых данных с цифровых видеокамер и звукового оборудования. Стандарт взяла на вооружение и компания Sony — японцы переименовали его в i.LINK и представили новый уменьшенный разъем. В принципе, оригинальный коннектор FireWire тоже можно назвать компактным. По крайней мере, в сравнении с доисторическими LPT и COM.
Изначально стандарт IEEE 1394 обеспечивал высокую скорость передачи данных (до 400 Мбит/с), умел эффективно распределять энергию и даже не требовал компьютера для работы. Интерфейс поддерживал Plug-and-Play и так называемую горячую замену (отныне не нужно было перезагружать компьютер после подключения устройства). Если бы не жадность Apple, IEEE 1394 мог бы стать новым индустриальным стандартом. Увы, за установку FireWire производителей обязали отчислять роялти держателям патента — по $0,25 за каждый проданный продукт. Закрытые интерфейсы практически всегда остаются уделом меньшинства.
Первая версия USB (1.0) была представлена широкой публике в 1996 году. Разработкой нового интерфейса занимались специалисты из Intel , Compaq , Microsoft , IBM и Northern Telecom. Если FireWire изначально готовили для подключения мощных цифровых устройств, то USB предназначался для замены всех существующих периферийных разъемов сразу. Кабель с небольшим прямоугольным разъемом должен был соединять компьютер с мышью, клавиатурой, модемом, принтером, сканером, джойстиками, геймпадами, цифровыми видеокамерами. Последовательная структура USB позволяла подключать сразу несколько устройств. Интерфейс поддерживал Plug-and-Play, горячую замену и передачу небольшого количества энергии. USB 1.0 работал на скорости 12 Мбит/с, чего было вполне достаточно (тогда миру были чужды словосочетания High Definition , да и общие объемы передаваемых данных были совсем другими).
Спецификации USB были открытыми — любой производитель мог реализовать USB-хаб на материнской плате или любом другом устройстве, не занимаясь бумажной волокитой и не отчисляя роялти. Ранние USB-устройства стоили дороже аналогов для параллельных и последовательных портов. Поэтому поначалу интерфейс не пользовался особой популярностью. Всемирная слава пришла к USB чуть позже, когда на него стали переходить разработчики самой разной периферии.
Примерно тогда же из тени вышел разъем для клавиатуры и мыши под названием PS/2. Его разработали еще в далеком 1987 году, но стандартом де-факто он стал лишь во второй половине 90-х (вместе с появлением формфактора ATX и процессоров Pentium ). По задумке авторов одинаковые с виду разъемы PS/2 были несовместимы на аппаратном уровне. Естественно, это вызывало недовольство среди покупателей — именно поэтому PS/2 начали красить в разные цвета. Сейчас стандарт постепенно вытесняется USB.
Суть вещей
Время шло, объемы данных росли. Создатели оригинальных FireWire и USB доработали свои интерфейсы, чтобы те максимально соответствовали желаниям публики. Так, обновленные спецификации FireWire 800 предложили удвоенную скорость на уровне 800 Мбит/с. Всем известный интерфейс USB 2.0 в 2001 году обрел 12-кратный прирост скорости в сравнении с предыдущим поколением. В настоящий момент максимальная пропускная способность интерфейса составляет 480 Мбит/с. Правда, на практике скорость передачи данных, например, в мобильных накопителях не превышает 160-180 Мбит/с. Что немаловажно, оба стандарта сохранили обратную совместимость с предыдущими поколениями.
Эпоха стандартизации хоть отчасти, но наступила. USB полностью заменил все «лишние» порты на задней панели компьютеров. По нему сейчас подключают всю возможную периферию, от миниатюрных флэшек до больших внешних накопителей. FireWire, в свою очередь, пользуется популярностью среди профессионалов — его высокая пропускная способность приходится очень кстати в звукозаписывающих студиях и видеолабораториях.
Для того чтобы прийти к единым стандартам подключения периферии, производителям компьютеров понадобилось без малого 35 лет. К счастью, смутные времена давно позади.
Задел на будущее
С появлением словосочетания High Definition в компьютерной индустрии начались изменения — передаваемые объемы данных моментально возросли. Приставку HD сейчас примеряют ко всему, что хоть как-то выходит за грани привычного. HD-фильмы, HD-музыка, тонны картинок — все это нужно как-то передавать и где-то складировать. И все бы хорошо, но скоростей существующих интерфейсов для эффективной работы стало недостаточно.
Мир замер в ожидании USB 3.0 SuperSpeed и FireWire 1600/3200. Спецификации этих интерфейсов уже готовы. Они предложат увеличенную пропускную способность и сохранят совместимость с предыдущими стандартами. Так, USB 3.0 поднимает скорость до баснословных 4,8 Гбит/с, что в 10 раз выше, чем у USB 2.0. Первые устройства с поддержкой USB 3.0 появятся в конце 2009 или начале 2010 года. Будущие версии FireWire, в свою очередь, предложат скорость на уровне 6,4 Гбит/с, а пока владельцам студий придется довольствоваться пропускной способностью 1,6 Гбит/с и 3,2 Гбит/с для FireWire 1600 и 3200 соответственно.