Интерфейсы периферийных устройств: эволюция и перспективы

Интерфейсы периферийных устройств играют ключевую роль в работе компьютера. От их характеристик зависит производительность всей системы. За последние десятилетия интерфейсы прошли путь от простых до сложных, от медленных до сверхбыстрых. Какие интерфейсы использовались раньше и какие сейчас? Какие тенденции наблюдаются в их развитии? Давайте разберемся.

История развития интерфейсов периферийных устройств

Первые интерфейсы для подключения внешних устройств к персональным компьютерам появились в 1981 году вместе с IBM PC. Это были 8-разрядные шины ISA (Industry Standard Architecture) и MCA (MicroChannel Architecture). Они работали на частоте 8 МГц и обеспечивали скорость передачи данных до 8 Мбит/с.

В 1988 году компания Intel разработала 16-разрядную шину EISA (Extended Industry Standard Architecture), которая стала преемницей ISA. Она уже работала на частоте 8,33 МГц и имела пропускную способность 33 Мбит/с.

ISA, EISA и MCA — первые интерфейсы для IBM PC, работавшие на невысоких частотах 8-8,33 МГц и обеспечивавшие скорости обмена данными в районе 8-33 Мбит/с.

В 1992 году появилась 32-разрядная шина PCI (Peripheral Component Interconnect). Она стала работать на частоте 33 МГц, а ее пропускная способность выросла до 133 Мбит/с. За счет параллельной передачи по многим линиям пропускная способность PCI оказалась почти в 20 раз выше, чем у предшествующей ей ISA.

• PCI версии 1.0 (1992 г.) — 133 Мбит/с
• PCI версии 2.0 (1993 г.) — 266 Мбит/с
• PCI версии 2.1 (1995 г.) — 533 Мбит/с

Таким образом, шина PCI прошла путь развития от версии 1.0 до 2.1, увеличив свою скорость более чем в 4 раза всего за 3 года.

Параллельно с PCI для подключения накопителей использовался интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics), предложенный фирмой Western Digital. В дальнейшем на его основе был разработан усовершенствованный интерфейс Ultra ATA, также известный как Ultra DMA, ATA-33 или DMA-33. Он позволил достичь скорости передачи данных 33 Мбайт/с.

Ограничения параллельных шин стали особенно заметны в конце 1990-х годов в связи с бурным ростом быстродействия процессоров и оперативной памяти. Тогда начался переход к последовательным интерфейсам.

В 2001 году появился последовательный интерфейс Serial ATA, который пришел на смену параллельному PATA (Parallel ATA). Первая версия SATA 1.0 имела скорость 1,5 Гбит/с. Дальнейшие версии SATA позволили увеличить скорость последовательно до 3, 6 и 16 Гбит/с.

Еще одним важным последовательным интерфейсом стал PCI Express, пришедший на смену PCI. Его первая версия 1.0 появилась в 2004 году и обеспечивала 2,5 Гбит/с на линию. В дальнейшем скорость PCI Express неуклонно росла от версии к версии, достигнув 32 Гбит/с в версии 4.0, выпущенной в 2017 году.

Таким образом, за несколько десятилетий интерфейсы периферийных устройств прошли большой путь развития от простых и медленных к сложным и сверхскоростным. Основные вехи на этом пути:

• переход от 8 до 32 разрядов;
• рост тактовых частот от 8 до 100 МГц;
• увеличение скоростей от 8 Мбит/с до 32 Гбит/с;
• переход от параллельных шин к последовательным интерфейсам.

Это позволило на несколько порядков повысить скорость работы периферийных устройств и значительно расширить их функциональность.

Современные интерфейсы периферийных устройств

В настоящее время наиболее распространенными интерфейсами для подключения внешних устройств к компьютерам являются Serial ATA, PCI Express, USB и Thunderbolt.

SATA

Интерфейс SATA продолжает совершенствоваться. Версия SATA 3.2, появившаяся в 2016 году, удвоила скорость по сравнению с SATA 3.0 до 16 Гбит/с. Кроме того, была представлена модификация SATA Express, совмещающая в одном разъеме возможности SATA и PCI Express. Это позволило достичь скоростей до 16 Гбит/с.

PCI Express

Активно развивается и шина PCI Express. Ее пятая версия, выпущенная в 2019 году, обеспечивает в 4 раза большую скорость по сравнению с PCIe 4.0 - до 32 Гбит/с на линию x16.

Thunderbolt

Интерфейс Thunderbolt, разработанный компаниями Intel и Apple в 2011 году, изначально базировался на протоколе PCI Express, дополненном возможностями DisplayPort. Версия Thunderbolt 3 позволяет достичь скорости передачи данных до 40 Гбит/с.

USB

Последняя на данный момент версия популярного универсального интерфейса USB - 3.2, появившаяся в 2017 году. Она удвоила максимальную скорость по сравнению с предыдущей версией 3.1 - до 20 Гбит/с.

Таким образом, скоростные возможности современных интерфейсов периферийных устройств достигли уровня в десятки Гбит/с. Это стало возможным благодаря ряду технологических решений:

• увеличению тактовой частоты шин до гигагерцевых значений;
• применению помехозащищенных дифференциальных сигналов;
• использованию эффективных методов кодирования и контроля ошибок.

Перспективные интерфейсы

Какие интерфейсы ждут нас в будущем? Какие технологии сейчас находятся в разработке или тестировании?

PCI Express 5.0

Следующее поколение шины PCI Express уже заявлено. Спецификация PCIe 5.0 обещает скорость 64 Гбит/с на линию x16. Ожидается, что новый стандарт будет завершен и утвержден в 2019 году.

USB 4

USB 4 станет преемником существующего USB 3.2. Он будет основан на протоколе Thunderbolt 3, что позволит достичь 40 Гбит/с. Выход USB 4 ожидается в 2020-2021 годах.

Оптические интерфейсы

Активно ведутся работы по созданию оптоволоконных интерфейсов со скоростями в сотни гигабит в секунду. Их преимущества - высокая скорость, отсутствие электромагнитных помех, малые размеры и вес кабелей.

Интеграция интерфейсов в SoC

Современная тенденция - интеграция все большего числа компонентов, в том числе интерфейсов ввода-вывода, в единые системы-на-кристалле. Это позволяет уменьшить задержки, повысить производительность и снизить энергопотребление.

Например, в процессорах AMD Ryzen и EPYC шина PCI Express является внутренней, а внешние линии физически отсутствуют. Все современные ARM-процессоры для мобильных устройств также интегрируют SATA, PCIe, USB, Thunderbolt, а иногда и 5G-модемы.

Таким образом, будущее за комплексными решениями, объединяющими вычислительные ядра и ввод-вывод на одном кристалле. Это кардинальным образом изменит архитектуру компьютеров.