Эволюция мобильных интерфейсов

ОБЗОРЫ

Мобильные системы продолжают совершенствоваться в технологиях подключаемых компонентов

У переносных систем будущего останется потребность в средствах расширения, например, в подключаемых модулях различных форм-факторов, используемых как для обеспечения стандартных конфигураций систем, так и для быстрой модернизации. Вместе с появлением портативных компьютеров остро встал вопрос о разработке универсального и компактного интерфейса для подключения внешних устройств. Напомним, что созданная в 1989 г. организация Personal Computer Memory Card International Association (PCMCIA, www.pcmcia.org) утвердила первую спецификацию такого интерфейса. Она была введена в августе 1990 г. и поддерживала практически все типы памяти.

Уже в сентябре 1991 г. вышла вторая версия спецификации (PCMCIA 2.0), которая включала в себя новые особенности, в частности поддержку устройств ввода-вывода, дополнительный сервис для модулей флэш-памяти, поддержку модулей с “двойным” напряжением питания. Сами модули стали называться PC Card. В PCMCIA 2.0 также были определены три типа габаритов для PC Card (Type I, Type II и Type III). Вместе с версией 2.0 ассоциация PCMCIA предложила новую спецификацию SSIS (Socket Services Interface Specification), которая устанавливала стандартный набор системных вызовов для работы с PCMCIA-модулями. SSIS была выполнена в виде BIOS, что позволяло сохранить независимость используемых аппаратных средств, гарантировав при этом программную совместимость.

Для увеличения пропускной способности шины PCMCIA в начале 1995 г. была выпущена спецификация CardBus - расширение шины PCI для устройств PC Card. Проведя параллель между шинами блокнотных и настольных ПК, можно сказать, что интерфейс CardBus представляет собой эквивалент шины PCI, а интерфейс PCMCIA - аналог традиционной 16-разрядной шины ISA. Платы CardBus поддерживали 32-разрядный обмен данными на частоте 33 МГц. В этом конструктиве и сегодня выпускаются 100-мегабитные сетевые карты, интерфейсные платы SCSI и другие устройства, требующие быстрого обмена по шине. Чтобы улучшить управление потреблением энергии, ассоциация PCMCIA адаптировала в стандарте CardBus соответствующие спецификации интерфейса PCI.

Многие современные последовательные шины поддерживают выделение гарантируемой ширины пропускания для отдельных пар источник - приемник. Такой изохронный режим очень важен для успешной транспортировки данных, временная задержка которых недопустима, например звука или видео. На сегодняшний день существуют две перспективные последовательные шины для подключения периферийных устройств: USB (Universal Serial Bus) и IEEE 1394 High Performance Serial Bus. Поддержка USB на мобильных ПК обычно реализована в базовом наборе микросхем, а вскоре аналогичным образом будет поддерживаться USB 2.0. В настоящее время производители мобильной техники оснащают свои системы поддержкой последовательного интерфейса USB и по мере развития IEEE 1394 обеспечат поддержку и этого стандарта. Сейчас уже начался переход от PCI и CardBus к USB и IEEE 1394. В ближайшей перспективе такой переход станет необходимостью, и устаревшие стандарты будут вытеснены. Причем данный процесс должен сопровождаться упрощением конструкции и снижением стоимости устройства.

Новый стандарт

В прошлом году ассоциация PCMCIA выпустила стандарт для карт нового поколения - CardBay, где в качестве базовой технологии выбрана шина USB. Подключаемые компоненты CardBay - это близкие родственники плат PC Card. Хотя пока невозможно назвать все функции, которые в будущем станет поддерживать CardBay, уже сегодня можно сказать, что один класс устройств, нуждающихся в этой шине, - это усовершенствованные стандартные и беспроводные модемы, в настоящее время работающие на USB-шине. Аппаратные устройства защиты (например, для быстрого и безопасного шифрования/расшифровки или аутентификации при доступе в Интернет и в электронной коммерции) - вот еще одна область возможного применения CardBay. Другая сфера использования CardBay - компактные устройства памяти, такие, как USB-адаптеры для многих популярных карт памяти, встраиваемых в плейеры и фотоаппараты.

Так же, как сейчас PCI применяется в качестве коммуникационной технологии в CardBus, вскоре шина USB или, возможно, IEEE 1394 будут востребованы в технологии CardBay. CardBay поддерживает все имеющиеся разновидности USB. Последовательный USB-разъем с малым числом выводов как нельзя лучше подходит для соединителя CardBus, причем остается еще достаточно свободных выводов для заземлений, позволяющих снизить уровень электромагнитных помех, а также управляющих и конфигурационных соединений.

В CardBay появится еще одна интересная возможность - Vcore. Это дополнительный источник питания плат CardBay. В будущем новые платы получат доступ к двум базовым источникам питания: напряжение Vcc - для питания интерфейса платы и других “высоковольтных” функций, а Vcore - для питания внутренних базовых кремниевых подсистем и низковольтных микросхем. Вывод Vcore заменяет собой Vpp - стандартный и редко используемый источник питания плат.

CardBay по существу заменяет интерфейс CardBus на USB, сохраняя физический разъем CardBus и формат платы PC Card. Поддерживаются все три режима работы USB 2.0 - низко-, полно- и высокоскоростной. В архитектуре CardBay предусмотрены механизмы обнаружения платы и управления питанием, но кроме этого добавлена функция опроса выключенной карты для определения возможностей плат расширения CardBay.

Стандартные механизмы обнаружения платы работают без изменений. Уникально то, что в платах CardBay реализованы ранее зарезервированные комбинации выводов для контроля напряжения и сигналов обнаружения платы. В новой схеме кодировки предусмотрено переопределение исходных требований плат PC Card по напряжению. На платах CardBay выводы Vpp переопределяются на Vcore.

Исходная конфигурация выводов Vcc и Vpp/Vcore переопределяется в процессе опроса платы CardBay. При обнаружении платы CardBay общий управляющий вывод устанавливается контроллером в состояние высокого уровня сигнала, после чего контроллер приступает к считыванию выводов опроса SQRY[1::10]. В CardBay реализована позитивная логика выводов: поддерживаемые функции подключаются к управляющему выводу, а незадействованные - заземляются и им присваивается значение “0”. Таким образом, выводы запроса считывают состояние управляющего вывода опроса (“0” или “1”).

В начальной реализации CardBay два сигнальных вывода опроса будут использоваться для определения рабочих напряжений Vcc и Vcore, четыре вывода - для определения функционального типа платы, а остальные находятся в резерве и заземляются. При определении напряжения одна комбинация сигналов определяет следующие параметры напряжений: Vcc=3,3 В и Vcore=1,8 В, а другая: Vcc=5 В и Vcore=3,3 В. Оставшиеся две комбинации зарезервированы на будущее. Для определения типа платы пока задана лишь одна комбинация, соответствующая базовой поддержке интерфейса USB; 15 комбинаций зарезервированы.

В процессе декодирования опроса базовое питание на плату CardBay не подается. Расшифровав корректную комбинацию параметров питания, базовая система направляет на плату соответствующие интерфейсные сигналы и затем может без опасений прикладывать питающее напряжение. Так как интерфейс основной системы - это просто USB-сигналы данных, после подачи питания на плате CardBay PC Card инициируется интерфейс и начинается процесс перечисления в соответствии с функциональными спецификациями USB. Поскольку основная система подает питание на CardBay через питающие контакты PC Card, плата CardBay PC Card должна сообщить о себе как об устройстве с автономным питанием.

Опрос платы CardBay коренным образом отличается от аналогичного процесса в PC Card или CardBus. Обычно роль контроллера разъема в определении требований платы минимальна. Однако в CardBay контроллер является важным участником конфигурирования и инициации платы.

После обнаружения загрузки платы CardBay в гнездо контроллер подает сигнал на служебный контакт опроса. Выждав определенное время, контроллер считывает контакты опроса. Далее он обеспечивает механизм коммутации выходных сигналов платы CardBay с соответствующими шинами. Этот механизм может быть простым, например выделенный контакт для внешних коммутаторов. Но контроллер может брать на себя и функции концентратора базовой системы или контроллера порта, выполняя дополнительные, ранее несвойственные ему функции. После подключения соответствующего интерфейса контроллер должен приложить к плате напряжение Vcc и Vcore.

Чтобы снизить уровень шумов и повысить надежность сигналов, высокопроизводительные пути данных окружены изолированными заземленными проводами. В некоторых случаях логические провода выполняют в процессе работы функцию изолированной “земли”.

По технологии PC Card платы CardBay PC Card и гнезда поддерживают необходимые функции по “горячей” вставке и удалению. В дополнение к встроенным USB-механизмам обнаружения и удаления, которые полностью поддерживаются в CardBay, также доступны стандартные методы обнаружения/удаления в соответствии со спецификацией PC Card.

Важно отметить, что для обнаружения, инициализации и работы CardBay PC Card не нужно никакого особого драйвера или кода операционной системы. Это существенное преимущество, заключающееся в автоматическом обнаружении и подключении платы контроллером CardBay и дополнении действующей технологии последовательной шины USB структурой и протоколом класса устройства. После подключения, т. е. фактически после присоединения к разъему USB, плата CardBay PC Card работает как обычное USB-устройство с соответствующими протоколами синхронизации и передачи пакетов, функциями устройства и механизмом управления питанием.

По определению, реализация гнезда CardBay поддерживает спецификации CardBus и PC Card-16. Соединитель CardBus для CardBay-устройств позволяет использовать наследуемые платы PC Card. Так же, как это сейчас делается с PC Card-16 и CardBus, выводы интерфейса динамически переопределяются после идентификации вставленной платы (плата опрашивается непосредственно после ее установки в гнездо). Таким образом, один соединитель CardBus способен принять четыре различных вида устройств: PC Card-16, CardBus, карту со специальным пользовательским интерфейсом и CardBay.

С точки зрения приложений технология CardBay может оказаться полезной для широкого диапазона решений. В коммуникационных и сетевых устройствах, особенно тех из них, в которых USB используется в качестве интерфейса с базовой системой, можно будет воспользоваться преимуществами простоты и легкости в работе решений на базе CardBay. Области применения CardBay для связи и поддержки сетей - аналоговые модемы для передачи данных, IEEE 802.11 для беспроводных ЛВС, Bluetooth для беспроводных персональных сетей (Personal Area Network, PAN) и GPRS для беспроводных глобальных сетей. Адаптеры малоформатных плат памяти с поддержкой CardBay заменят в портативных компьютерах нынешние USB-адаптеры плат памяти, пользующиеся популярностью на рынке настольных систем. Благодаря CardBay появятся новые возможности у таких плат памяти, как Smart Media, MultiMediaCard (MMC), Secure Digital (SD) Memory Card и Memory Stick. Устройства чтения смарт-карт и ряд других устройств защиты (например, сканеры отпечатков пальцев или модули управления доступом) смогут работать через интерфейс USB, благодаря чему у CardBay появится еще одна область применения. По существу, все эти приложения доступны уже сегодня, и их адаптация для CardBay является относительно простым шагом.