Почему обмен данными между компьютерными устройствами по шине оказался лучшим решением
Обновлено: 21.11.2024
Из этого введения в работу с сетями вы узнаете, как работают компьютерные сети, какая архитектура используется для проектирования сетей и как обеспечить их безопасность.
Что такое компьютерная сеть?
Компьютерная сеть состоит из двух или более компьютеров, соединенных между собой кабелями (проводными) или WiFi (беспроводными) с целью передачи, обмена или совместного использования данных и ресурсов. Вы строите компьютерную сеть, используя оборудование (например, маршрутизаторы, коммутаторы, точки доступа и кабели) и программное обеспечение (например, операционные системы или бизнес-приложения).
Географическое расположение часто определяет компьютерную сеть. Например, LAN (локальная сеть) соединяет компьютеры в определенном физическом пространстве, например, в офисном здании, тогда как WAN (глобальная сеть) может соединять компьютеры на разных континентах. Интернет — крупнейший пример глобальной сети, соединяющей миллиарды компьютеров по всему миру.
Вы можете дополнительно определить компьютерную сеть по протоколам, которые она использует для связи, физическому расположению ее компонентов, способу управления трафиком и ее назначению.
Компьютерные сети позволяют общаться в любых деловых, развлекательных и исследовательских целях. Интернет, онлайн-поиск, электронная почта, обмен аудио и видео, онлайн-торговля, прямые трансляции и социальные сети — все это существует благодаря компьютерным сетям.
Типы компьютерных сетей
По мере развития сетевых потребностей менялись и типы компьютерных сетей, отвечающие этим потребностям. Вот наиболее распространенные и широко используемые типы компьютерных сетей:
Локальная сеть (локальная сеть). Локальная сеть соединяет компьютеры на относительно небольшом расстоянии, позволяя им обмениваться данными, файлами и ресурсами. Например, локальная сеть может соединять все компьютеры в офисном здании, школе или больнице. Как правило, локальные сети находятся в частной собственности и под управлением.
WLAN (беспроводная локальная сеть). WLAN похожа на локальную сеть, но соединения между устройствами в сети осуществляются по беспроводной сети.
WAN (глобальная сеть). Как видно из названия, глобальная сеть соединяет компьютеры на большой территории, например, из региона в регион или даже из одного континента в другой. Интернет — это крупнейшая глобальная сеть, соединяющая миллиарды компьютеров по всему миру. Обычно для управления глобальной сетью используются модели коллективного или распределенного владения.
MAN (городская сеть): MAN обычно больше, чем LAN, но меньше, чем WAN. Города и государственные учреждения обычно владеют и управляют MAN.
PAN (персональная сеть): PAN обслуживает одного человека. Например, если у вас есть iPhone и Mac, вполне вероятно, что вы настроили сеть PAN, которая позволяет обмениваться и синхронизировать контент — текстовые сообщения, электронные письма, фотографии и многое другое — на обоих устройствах.
SAN (сеть хранения данных). SAN – это специализированная сеть, предоставляющая доступ к хранилищу на уровне блоков — общей сети или облачному хранилищу, которое для пользователя выглядит и работает как накопитель, физически подключенный к компьютеру. (Дополнительную информацию о том, как SAN работает с блочным хранилищем, см. в разделе «Блочное хранилище: полное руководство».)
CAN (сеть кампуса). CAN также известен как корпоративная сеть. CAN больше, чем LAN, но меньше, чем WAN. CAN обслуживают такие объекты, как колледжи, университеты и бизнес-кампусы.
VPN (виртуальная частная сеть). VPN – это безопасное двухточечное соединение между двумя конечными точками сети (см. раздел "Узлы" ниже). VPN устанавливает зашифрованный канал, который сохраняет личность пользователя и учетные данные для доступа, а также любые передаваемые данные, недоступные для хакеров.
Важные термины и понятия
Ниже приведены некоторые общие термины, которые следует знать при обсуждении компьютерных сетей:
IP-адрес: IP-адрес — это уникальный номер, присваиваемый каждому устройству, подключенному к сети, которая использует для связи Интернет-протокол. Каждый IP-адрес идентифицирует хост-сеть устройства и местоположение устройства в хост-сети. Когда одно устройство отправляет данные другому, данные включают «заголовок», который включает IP-адрес отправляющего устройства и IP-адрес устройства-получателя.
Узлы. Узел — это точка подключения внутри сети, которая может получать, отправлять, создавать или хранить данные. Каждый узел требует, чтобы вы предоставили некоторую форму идентификации для получения доступа, например IP-адрес. Несколько примеров узлов включают компьютеры, принтеры, модемы, мосты и коммутаторы. Узел — это, по сути, любое сетевое устройство, которое может распознавать, обрабатывать и передавать информацию любому другому сетевому узлу.
Маршрутизаторы. Маршрутизатор — это физическое или виртуальное устройство, которое отправляет информацию, содержащуюся в пакетах данных, между сетями. Маршрутизаторы анализируют данные в пакетах, чтобы определить наилучший способ доставки информации к конечному получателю. Маршрутизаторы пересылают пакеты данных до тех пор, пока они не достигнут узла назначения.
Коммутаторы. Коммутатор – это устройство, которое соединяет другие устройства и управляет обменом данными между узлами в сети, обеспечивая доставку пакетов данных к конечному пункту назначения. В то время как маршрутизатор отправляет информацию между сетями, коммутатор отправляет информацию между узлами в одной сети. При обсуждении компьютерных сетей «коммутация» относится к тому, как данные передаются между устройствами в сети. Три основных типа переключения следующие:
Коммутация каналов, которая устанавливает выделенный канал связи между узлами в сети. Этот выделенный путь гарантирует, что во время передачи будет доступна вся полоса пропускания, что означает, что никакой другой трафик не может проходить по этому пути.
Коммутация пакетов предполагает разбиение данных на независимые компоненты, называемые пакетами, которые из-за своего небольшого размера предъявляют меньшие требования к сети. Пакеты перемещаются по сети к конечному пункту назначения.
Переключение сообщений отправляет сообщение полностью с исходного узла, перемещаясь от коммутатора к коммутатору, пока не достигнет узла назначения.
Порты: порт определяет конкретное соединение между сетевыми устройствами. Каждый порт идентифицируется номером. Если вы считаете IP-адрес сопоставимым с адресом отеля, то порты — это номера люксов или комнат в этом отеле. Компьютеры используют номера портов, чтобы определить, какое приложение, служба или процесс должны получать определенные сообщения.
Типы сетевых кабелей. Наиболее распространенными типами сетевых кабелей являются витая пара Ethernet, коаксиальный и оптоволоконный кабель. Выбор типа кабеля зависит от размера сети, расположения сетевых элементов и физического расстояния между устройствами.
Примеры компьютерных сетей
Проводное или беспроводное соединение двух или более компьютеров с целью обмена данными и ресурсами образует компьютерную сеть. Сегодня почти каждое цифровое устройство принадлежит к компьютерной сети.
В офисе вы и ваши коллеги можете совместно использовать принтер или систему группового обмена сообщениями. Вычислительная сеть, которая позволяет это, вероятно, представляет собой локальную сеть или локальную сеть, которая позволяет вашему отделу совместно использовать ресурсы.
Городские власти могут управлять общегородской сетью камер наблюдения, которые отслеживают транспортный поток и происшествия. Эта сеть будет частью MAN или городской сети, которая позволит городским службам экстренной помощи реагировать на дорожно-транспортные происшествия, советовать водителям альтернативные маршруты движения и даже отправлять дорожные билеты водителям, проезжающим на красный свет.
The Weather Company работала над созданием одноранговой ячеистой сети, которая позволяет мобильным устройствам напрямую взаимодействовать с другими мобильными устройствами, не требуя подключения к Wi-Fi или сотовой связи. Проект Mesh Network Alerts позволяет доставлять жизненно важную информацию о погоде миллиардам людей даже без подключения к Интернету.
Компьютерные сети и Интернет
Провайдеры интернет-услуг (ISP) и поставщики сетевых услуг (NSP) предоставляют инфраструктуру, позволяющую передавать пакеты данных или информации через Интернет. Каждый бит информации, отправленной через Интернет, не поступает на каждое устройство, подключенное к Интернету. Это комбинация протоколов и инфраструктуры, которая точно указывает, куда направить информацию.
Как они работают?
Компьютерные сети соединяют такие узлы, как компьютеры, маршрутизаторы и коммутаторы, с помощью кабелей, оптоволокна или беспроводных сигналов. Эти соединения позволяют устройствам в сети взаимодействовать и обмениваться информацией и ресурсами.
Сети следуют протоколам, которые определяют способ отправки и получения сообщений. Эти протоколы позволяют устройствам обмениваться данными. Каждое устройство в сети использует интернет-протокол или IP-адрес, строку цифр, которая однозначно идентифицирует устройство и позволяет другим устройствам распознавать его.
Маршрутизаторы – это виртуальные или физические устройства, облегчающие обмен данными между различными сетями. Маршрутизаторы анализируют информацию, чтобы определить наилучший способ доставки данных к конечному пункту назначения. Коммутаторы соединяют устройства и управляют связью между узлами внутри сети, гарантируя, что пакеты информации, перемещающиеся по сети, достигают конечного пункта назначения.
Архитектура
Архитектура компьютерной сети определяет физическую и логическую структуру компьютерной сети. В нем описывается, как компьютеры организованы в сети и какие задачи возлагаются на эти компьютеры. Компоненты сетевой архитектуры включают аппаратное и программное обеспечение, средства передачи (проводные или беспроводные), топологию сети и протоколы связи.
Основные типы сетевой архитектуры
В сети клиент/сервер центральный сервер или группа серверов управляет ресурсами и предоставляет услуги клиентским устройствам в сети. Клиенты в сети общаются с другими клиентами через сервер.В отличие от модели P2P, клиенты в архитектуре клиент/сервер не делятся своими ресурсами. Этот тип архитектуры иногда называют многоуровневой моделью, поскольку он разработан с несколькими уровнями или ярусами.
Топология сети
Топология сети — это то, как устроены узлы и каналы в сети. Сетевой узел — это устройство, которое может отправлять, получать, хранить или пересылать данные. Сетевой канал соединяет узлы и может быть как кабельным, так и беспроводным.
Понимание типов топологии обеспечивает основу для построения успешной сети. Существует несколько топологий, но наиболее распространенными являются шина, кольцо, звезда и сетка:
При топологии шинной сети каждый сетевой узел напрямую подключен к основному кабелю.
В кольцевой топологии узлы соединены в петлю, поэтому каждое устройство имеет ровно двух соседей. Соседние пары соединяются напрямую; несмежные пары связаны косвенно через несколько узлов.
В топологии звездообразной сети все узлы подключены к одному центральному концентратору, и каждый узел косвенно подключен через этот концентратор.
сетчатая топология определяется перекрывающимися соединениями между узлами. Вы можете создать полносвязную топологию, в которой каждый узел в сети соединен со всеми остальными узлами. Вы также можете создать топологию частичной сетки, в которой только некоторые узлы соединены друг с другом, а некоторые связаны с узлами, с которыми они обмениваются наибольшим количеством данных. Полноячеистая топология может быть дорогостоящей и трудоемкой для выполнения, поэтому ее часто используют для сетей, требующих высокой избыточности. Частичная сетка обеспечивает меньшую избыточность, но является более экономичной и простой в реализации.
Безопасность
Безопасность компьютерной сети защищает целостность информации, содержащейся в сети, и контролирует доступ к этой информации. Политики сетевой безопасности уравновешивают необходимость предоставления услуг пользователям с необходимостью контроля доступа к информации.
Существует много точек входа в сеть. Эти точки входа включают аппаратное и программное обеспечение, из которых состоит сама сеть, а также устройства, используемые для доступа к сети, такие как компьютеры, смартфоны и планшеты. Из-за этих точек входа сетевая безопасность требует использования нескольких методов защиты. Средства защиты могут включать брандмауэры — устройства, которые отслеживают сетевой трафик и предотвращают доступ к частям сети на основе правил безопасности.
Процессы аутентификации пользователей с помощью идентификаторов пользователей и паролей обеспечивают еще один уровень безопасности. Безопасность включает в себя изоляцию сетевых данных, чтобы доступ к служебной или личной информации был сложнее, чем к менее важной информации. Другие меры сетевой безопасности включают обеспечение регулярного обновления и исправления аппаратного и программного обеспечения, информирование пользователей сети об их роли в процессах безопасности и информирование о внешних угрозах, осуществляемых хакерами и другими злоумышленниками. Сетевые угрозы постоянно развиваются, что делает сетевую безопасность бесконечным процессом.
Использование общедоступного облака также требует обновления процедур безопасности для обеспечения постоянной безопасности и доступа. Для безопасного облака требуется безопасная базовая сеть.
Ознакомьтесь с пятью основными соображениями (PDF, 298 КБ) по обеспечению безопасности общедоступного облака.
Ячеистые сети
Как отмечалось выше, ячеистая сеть — это тип топологии, в котором узлы компьютерной сети подключаются к как можно большему количеству других узлов. В этой топологии узлы взаимодействуют друг с другом, чтобы эффективно направлять данные к месту назначения. Эта топология обеспечивает большую отказоустойчивость, поскольку в случае отказа одного узла существует множество других узлов, которые могут передавать данные. Ячеистые сети самонастраиваются и самоорганизуются в поисках самого быстрого и надежного пути для отправки информации.
Тип ячеистых сетей
Существует два типа ячеистых сетей — полная и частичная:
- В полной ячеистой топологии каждый сетевой узел соединяется со всеми остальными сетевыми узлами, обеспечивая высочайший уровень отказоустойчивости. Однако его выполнение обходится дороже. В топологии с частичной сеткой подключаются только некоторые узлы, обычно те, которые чаще всего обмениваются данными.
- беспроводная ячеистая сеть может состоять из десятков и сотен узлов. Этот тип сети подключается к пользователям через точки доступа, разбросанные по большой территории.
Балансировщики нагрузки и сети
Балансировщики нагрузки эффективно распределяют задачи, рабочие нагрузки и сетевой трафик между доступными серверами. Думайте о балансировщиках нагрузки как об управлении воздушным движением в аэропорту. Балансировщик нагрузки отслеживает весь трафик, поступающий в сеть, и направляет его на маршрутизатор или сервер, которые лучше всего подходят для управления им. Цели балансировки нагрузки – избежать перегрузки ресурсов, оптимизировать доступные ресурсы, сократить время отклика и максимально увеличить пропускную способность.
Полный обзор балансировщиков нагрузки см. в разделе Балансировка нагрузки: полное руководство.
Сети доставки контента
Сеть доставки контента (CDN) – это сеть с распределенными серверами, которая доставляет пользователям временно сохраненные или кэшированные копии контента веб-сайта в зависимости от их географического положения. CDN хранит этот контент в распределенных местах и предоставляет его пользователям, чтобы сократить расстояние между посетителями вашего сайта и сервером вашего сайта. Кэширование контента ближе к вашим конечным пользователям позволяет вам быстрее обслуживать контент и помогает веб-сайтам лучше охватить глобальную аудиторию. CDN защищают от всплесков трафика, сокращают задержки, снижают потребление полосы пропускания, ускоряют время загрузки и уменьшают влияние взломов и атак, создавая слой между конечным пользователем и инфраструктурой вашего веб-сайта.
Прямые трансляции мультимедиа, мультимедиа по запросу, игровые компании, создатели приложений, сайты электронной коммерции — по мере роста цифрового потребления все больше владельцев контента обращаются к CDN, чтобы лучше обслуживать потребителей контента.
Компьютерные сетевые решения и IBM
Компьютерные сетевые решения помогают предприятиям увеличить трафик, сделать пользователей счастливыми, защитить сеть и упростить предоставление услуг. Лучшее решение для компьютерной сети, как правило, представляет собой уникальную конфигурацию, основанную на вашем конкретном типе бизнеса и потребностях.
Сети доставки контента (CDN), балансировщики нагрузки и сетевая безопасность — все это упомянуто выше — это примеры технологий, которые могут помочь компаниям создавать оптимальные компьютерные сетевые решения. IBM предлагает дополнительные сетевые решения, в том числе:
-
— это устройства, которые дают вам улучшенный контроль над сетевым трафиком, позволяют повысить производительность вашей сети и повысить ее безопасность. Управляйте своими физическими и виртуальными сетями для маршрутизации нескольких VLAN, для брандмауэров, VPN, формирования трафика и многого другого. обеспечивает безопасность и ускоряет передачу данных между частной инфраструктурой, мультиоблачными средами и IBM Cloud. — это возможности безопасности и производительности, предназначенные для защиты общедоступного веб-контента и приложений до того, как они попадут в облако. Получите защиту от DDoS, глобальную балансировку нагрузки и набор функций безопасности, надежности и производительности, предназначенных для защиты общедоступного веб-контента и приложений до того, как они попадут в облако.
Сетевые сервисы в IBM Cloud предоставляют вам сетевые решения для повышения трафика, обеспечения удовлетворенности ваших пользователей и легкого предоставления ресурсов по мере необходимости.
Развить сетевые навыки и получить профессиональную сертификацию IBM, пройдя курсы в рамках программы Cloud Site Reliability Engineers (SRE) Professional.
Периферийное устройство – это компьютерное оборудование, которое добавляется к компьютеру для расширения его возможностей. Термин «периферия» используется для описания тех устройств, которые являются необязательными по своей природе, в отличие от оборудования, которое либо требуется, либо всегда требуется в принципе. Есть все виды периферийных устройств, которые вы можете добавить к своему компьютеру. Основным отличием периферийных устройств является способ их подключения к компьютеру. Они могут быть подключены внутри или снаружи.
Автобусы¶
Шина — это подсистема, передающая данные между компьютерными компонентами внутри компьютера или между компьютерами. В отличие от двухточечного соединения, шина может логически соединять несколько периферийных устройств по одному и тому же набору проводов. Каждая шина определяет свой набор разъемов для физического соединения устройств, плат или кабелей. Автобусы бывают двух видов: внутренние и внешние. Внутренние шины — это соединения с различными внутренними компонентами. Внешние шины — это соединения с различными внешними компонентами. Существуют различные типы слотов, к которым могут подключаться внутренние и внешние устройства.
Внутренний¶
Типы игровых автоматов¶
Существует множество различных типов внутренних шин, но только несколько популярных. Различные компьютеры поставляются с различными типами и количеством слотов. Прежде чем выходить на улицу, важно знать, какой тип и количество слотов у вас есть на вашем компьютере, а также карту, которая соответствует слоту, которого у вас нет.
PCI (Interconnect Peripheral Component Interconnect) часто используется в современных ПК. На смену шине этого типа приходит PCI Express. Типичные карты PCI, используемые в ПК, включают: сетевые карты, звуковые карты, модемы, дополнительные порты, такие как USB или последовательный порт, карты ТВ-тюнера и контроллеры дисков. Видеокарты переросли возможности PCI из-за более высоких требований к пропускной способности.
Экспресс-карта PCI¶
PCI Express был представлен Intel в 2004 году. Он был разработан для замены универсальной шины расширения PCI и интерфейса графической карты AGP. PCI Express — это не шина, а двухточечное соединение последовательных каналов, называемых дорожками. Карты PCI Express имеют более высокую пропускную способность, чем карты PCI, что делает их более подходящими для видеокарт высокого класса.
PCMCIA¶
PCMCIA (также называемая PC Card) — это тип шины, используемый для портативных компьютеров.Название PCMCIA происходит от названия группы, разработавшей стандарт: Международной ассоциации карт памяти для персональных компьютеров. Первоначально PCMCIA был разработан для расширения компьютерной памяти, но существование пригодного для использования общего стандарта для периферийных устройств notbeook привело к тому, что многие типы устройств стали доступны в этой форме. К типичным устройствам относятся сетевые карты, модемы и жесткие диски.
AGP (Accelerated Graphics Port) – это высокоскоростной двухточечный канал для подключения графической карты к материнской плате компьютера, предназначенный, прежде всего, для ускорения трехмерной компьютерной графики. За последние пару лет AGP был заменен на PCI Express. Карты и материнские платы AGP по-прежнему доступны для покупки, но они становятся менее распространенными.
Типы карт¶
Видеокарта¶
Видеокарта (также известная как графическая карта) — это карта расширения, функция которой заключается в создании и выводе изображений на дисплей. Некоторые видеокарты предлагают дополнительные функции, такие как захват видео, адаптер ТВ-тюнера, возможность подключения нескольких мониторов и другие. Большинство видеокарт имеют схожие компоненты. Они включают графический процессор (GPU), который представляет собой специальный микропроцессор, оптимизированный для рендеринга 3D-графики. Он также включает в себя видео BIOS, который содержит основную программу, управляющую работой видеокарты, и предоставляет инструкции, позволяющие компьютеру и программному обеспечению взаимодействовать с картой. Если видеокарта встроена в материнскую плату, она может использовать оперативную память компьютера. Если это не так, у него будет собственная видеопамять, называемая Video RAM. Этот тип памяти может варьироваться от 128 МБ до 2 ГБ. Видеокарта также имеет RAMDAC (цифро-аналоговый преобразователь оперативной памяти), который берет на себя ответственность за преобразование цифровых сигналов, производимых процессором компьютера, в аналоговый сигнал, который может быть понят компьютерным дисплеем. Наконец, все они имеют такие выходы, как разъем HD-15 (стандартный кабель монитора), разъем DVI, S-Video, композитный или компонентный видеосигнал.
Звуковая карта¶
Звуковая карта — это карта расширения, которая облегчает ввод и вывод аудиосигналов на компьютер и с него под управлением компьютерных программ. Типичные области применения звуковых карт включают предоставление аудиокомпонентов для мультимедийных приложений, таких как создание музыки, редактирование видео или аудио, презентации/обучение и развлечения. Многие компьютеры имеют встроенные звуковые возможности, в то время как другим требуются дополнительные платы расширения для обеспечения звуковых возможностей.
Сетевая карта¶
Внешний¶
Типы соединений¶
USB (универсальная последовательная шина) – это стандарт последовательной шины для интерфейса устройств. USB был разработан, чтобы позволить подключать множество периферийных устройств с помощью одного стандартного интерфейсного разъема и улучшить возможности plug-and-play, позволяя подключать и отключать устройства без перезагрузки компьютера. Другие удобные функции включают в себя подачу питания на устройства с низким энергопотреблением без необходимости использования внешнего источника питания и возможность использования многих устройств без необходимости установки отдельных драйверов устройств, специфичных для производителя. USB на сегодняшний день является доминирующей шиной для подключения внешних устройств к вашему компьютеру.
Firewire¶
Firewire (технически известный как IEEE 1394, а также известный как i.LINK для Sony) – это стандарт интерфейса последовательной шины для высокоскоростной связи и изохронной передачи данных в реальном времени, часто используемый в персональных компьютерах. Firewire заменил параллельные порты во многих приложениях. Он был принят в качестве стандартного интерфейса соединения High Definition Audio-Video Network Alliance (HANA) для связи и управления аудио/видео компонентами. Почти все современные цифровые видеокамеры оснащены этим соединением.
Разъем PS/2 используется для подключения некоторых клавиатур и мышей к компьютерной системе, совместимой с ПК. Интерфейсы клавиатуры и мыши электрически схожи, но главное отличие состоит в том, что на обоих концах интерфейса клавиатуры требуются выходы с открытым коллектором для обеспечения двунаправленной связи. Если мышь PS/2 подключена к порту клавиатуры PS/2, мышь может не распознаваться компьютером в зависимости от конфигурации.
Устройства¶
Съемное хранилище¶
Те же типы дисководов CD и DVD, которые могут быть встроены в ваш компьютер, также могут быть подключены снаружи. У вас может быть только встроенный в компьютер дисковод для компакт-дисков, но для записи компакт-дисков вам потребуется устройство записи компакт-дисков. Вы можете купить внешнее записывающее устройство для компакт-дисков, которое подключается к порту USB и работает так же, как если бы оно было встроено в ваш компьютер. То же самое относится и к записывающим устройствам DVD, дисководам Blu-ray и дисководам для гибких дисков. Флэш-накопители стали очень популярными формами съемных носителей, особенно по мере снижения цены на флэш-накопители и увеличения их возможного размера. Флэш-накопители обычно представляют собой USB-накопители в виде USB-накопителей или очень маленьких портативных устройств. USB-накопители маленькие, быстрые, съемные, перезаписываемые и долговечные. Емкость хранилища варьируется от 64 МБ до 32 ГБ и более. Флэш-накопитель не имеет механических частей, поэтому, в отличие от жесткого диска, он обычно более прочный и компактный.
USB-накопитель
Несъемное хранилище¶
Несъемным хранилищем может быть жесткий диск, подключенный извне. Внешние жесткие диски стали очень популярными для резервного копирования, общих дисков для многих компьютеров и просто для увеличения объема пространства на жестком диске, которое у вас есть на внутреннем жестком диске. Внешние жесткие диски бывают разных форм и размеров, как и флэш-накопители. Внешний жесткий диск обычно подключается через USB, но у вас также может быть сетевой жесткий диск, который будет подключаться к вашей сети, что позволит всем компьютерам в этой сети получить доступ к этому жесткому диску.
Ввод¶
Устройства ввода абсолютно необходимы для компьютеров. Наиболее распространенными устройствами ввода являются мыши и клавиатуры, которые есть не на каждом компьютере. Новым популярным указывающим устройством, которое со временем может заменить мышь, является сенсорный экран, который вы можете получить на некоторых ноутбуках-планшетах. Другие популярные устройства ввода включают микрофоны, веб-камеры и сканеры отпечатков пальцев, которые также можно встроить в современные ноутбуки и настольные компьютеры. Сканер — еще одно популярное устройство ввода, которое может быть встроено в ваш принтер.
Вывод¶
Существует множество различных устройств вывода для вашего компьютера. Самым распространенным внешним устройством вывода является монитор. Другими очень популярными устройствами вывода являются принтеры и динамики. Существует множество различных типов принтеров и динамиков разных размеров для вашего компьютера. Мониторы подключаются обычно через разъем HD-15 на вашей видеокарте. Принтеры обычно подключаются через порт USB. Динамики имеют собственный аудиовыход, встроенный в звуковую карту.
В этом руководстве вы узнаете все о коммуникационном протоколе I 2 C, о том, зачем его использовать и как он реализован.
Протокол Inter-Integrated Circuit (I 2 C) – это протокол, предназначенный для обеспечения связи нескольких "периферийных" цифровых интегральных схем ("микросхем") с одной или несколькими "контроллерными" микросхемами. Как и последовательный периферийный интерфейс (SPI), он предназначен только для связи на короткие расстояния в пределах одного устройства. Подобно асинхронным последовательным интерфейсам (например, RS-232 или UART), для обмена информацией требуется всего два сигнальных провода.
Рекомендуемое чтение
Вещи, которые было бы полезно знать перед чтением этого руководства:
Последовательная связь
Последовательный периферийный интерфейс (SPI)
SPI обычно используется для подключения микроконтроллеров к периферийным устройствам, таким как датчики, сдвиговые регистры и SD-карты.
Двоичный
Двоичная система счисления в электронике и программировании. так что, должно быть, важно учиться. Но что такое двоичный код? Как это переводится в другие системы счисления, такие как десятичная?
Сдвиговые регистры
Логические уровни
Зачем использовать I2C?
Чтобы выяснить, почему кому-то может понадобиться общаться через I 2 C, вы должны сначала сравнить его с другими доступными вариантами, чтобы увидеть, чем они отличаются.
Что не так с последовательными портами UART?
Поскольку последовательные порты являются асинхронными (данные часов не передаются), использующие их устройства должны заранее согласовывать скорость передачи данных. Тактовые частоты двух устройств также должны быть близки к одной и той же частоте, и она останется такой — чрезмерная разница между тактовыми частотами на обоих концах приведет к искажению данных.
Асинхронные последовательные порты требуют накладных расходов на аппаратное обеспечение — UART на обоих концах относительно сложен, и его трудно точно реализовать в программном обеспечении, если это необходимо. По крайней мере, один стартовый и стоповый биты являются частью каждого кадра данных, а это означает, что для каждых 8 битов отправляемых данных требуется 10 бит времени передачи, что снижает скорость передачи данных.
Еще один основной недостаток асинхронных последовательных портов заключается в том, что они изначально подходят для связи между двумя и только двумя устройствами. Несмотря на то, что возможно подключить несколько устройств к одному последовательному порту, конфликты на шине (когда два устройства пытаются управлять одной и той же линией одновременно) всегда являются проблемой, и их следует решать с осторожностью, чтобы предотвратить повреждение рассматриваемых устройств, как правило, из-за внешнего оборудования.
Наконец, проблема заключается в скорости передачи данных. Хотя для асинхронной последовательной связи не существует теоретических ограничений, большинство устройств UART поддерживают только определенный набор фиксированных скоростей передачи данных, максимальная из которых обычно составляет около 230 400 бит в секунду.
Что не так с SPI?
Наиболее очевидным недостатком SPI является количество необходимых контактов. Для подключения одного контроллера [1] к одному периферийному устройству [1] с помощью шины SPI требуется четыре линии; для каждого дополнительного периферийного устройства требуется один дополнительный вывод ввода-вывода выбора микросхемы на контроллере. Быстрое распространение штыревых соединений делает их нежелательными в ситуациях, когда к одному контроллеру необходимо подключить множество устройств. Кроме того, большое количество подключений для каждого устройства может затруднить маршрутизацию сигналов в условиях жесткой компоновки печатной платы.
SPI допускает только один контроллер на шине, но поддерживает произвольное количество периферийных устройств (зависит только от возможностей привода устройств, подключенных к шине, и количества доступных контактов выбора микросхемы).
SPI подходит для высокоскоростных полнодуплексных соединений (одновременная отправка и получение данных), поддерживает тактовую частоту выше 10 МГц (и, следовательно, 10 миллионов бит в секунду) для некоторых устройств, а скорость хорошо масштабируется. Аппаратное обеспечение на обоих концах обычно представляет собой очень простой регистр сдвига, что позволяет легко реализовать его в программном обеспечении.
Введите I 2 C - Лучшее из обоих миров!
I 2 C требует всего два провода, как асинхронный последовательный порт, но эти два провода могут поддерживать до 1008 периферийных устройств. Кроме того, в отличие от SPI, I 2 C может поддерживать систему с несколькими контроллерами, позволяя более чем одному контроллеру [1] обмениваться данными со всеми периферийными [1] устройствами на шине (хотя устройства контроллера не могут общаться друг с другом по шине). автобус и должны по очереди пользоваться автобусными линиями).
Скорость передачи данных находится между асинхронным последовательным портом и SPI; большинство устройств I 2 C могут обмениваться данными на частоте 100 кГц или 400 кГц. Есть некоторые накладные расходы с I 2 C; на каждые 8 бит отправляемых данных должен передаваться один дополнительный бит метаданных (бит «ACK/NACK», который мы обсудим позже).
Аппаратное обеспечение, необходимое для реализации I 2 C, более сложное, чем SPI, но менее сложное, чем асинхронное последовательное соединение. Это может быть довольно просто реализовано в программном обеспечении.
[1] Примечание. Возможно, вы знакомы с терминами «ведущее устройство» и «ведомое устройство», которые обозначают отношения между устройствами на шине I 2 C. Эти термины считаются устаревшими и теперь заменены терминами "контроллер" и "периферийное устройство" соответственно.
| Устаревшее имя | Имя замены |
|---|---|
| Мастер td> | Контроллер |
| Подчиненный | Периферийный |
Краткая история I2C
I 2 C был первоначально разработан в 1982 году компанией Philips для различных чипов Philips. Первоначальная спецификация допускала связь только на частоте 100 кГц и предусматривала только 7-битные адреса, ограничивая количество устройств на шине до 112 (существует несколько зарезервированных адресов, которые никогда не будут использоваться для действительных адресов I 2 C). В 1992 году была опубликована первая общедоступная спецификация, в которой был добавлен быстрый режим 400 кГц, а также расширенное 10-битное адресное пространство. В большинстве случаев (например, в устройстве ATMega328 на многих платах, совместимых с Arduino) поддержка устройства I 2 C заканчивается на этом этапе. Указаны три дополнительных режима:
- быстрый режим плюс, 1 МГц
- высокоскоростной режим на частоте 3,4 МГц
- сверхбыстрый режим, 5 МГц
В дополнение к «ванильному» I 2 C в 1995 году Intel представила вариант под названием «Шина управления системой» (SMBus). SMBus — это более строго контролируемый формат, предназначенный для обеспечения максимальной предсказуемости связи между поддерживающими ИС на материнских платах ПК. Наиболее существенная разница между SMBus заключается в том, что он ограничивает скорости от 10 кГц до 100 кГц, тогда как I 2 C может поддерживать устройства от 0 кГц до 5 МГц. SMBus включает режим тайм-аута часов, который делает низкоскоростные операции незаконными, хотя многие устройства SMBus все равно поддерживают его, чтобы максимизировать взаимодействие со встроенными системами I 2 C.
I2C на аппаратном уровне
Сигналы
Каждая шина I 2 C состоит из двух сигналов: SDA и SCL. SDA (Serial Data) — это сигнал данных, а SCL (Serial Clock) — это тактовый сигнал. Тактовый сигнал всегда генерируется текущим контроллером шины; некоторые периферийные устройства могут время от времени переводить часы на низкий уровень, чтобы задержать отправку контроллером дополнительных данных (или потребовать больше времени для подготовки данных, прежде чем контроллер попытается их синхронизировать). Это называется "растягиванием часов" и описано на странице протокола.
В отличие от подключений UART или SPI, драйверы шины I 2 C являются «открытым стоком», что означает, что они могут тянуть соответствующую сигнальную линию к низкому уровню, но не могут приводить к высокому уровню. Таким образом, не может быть конкуренции за шину, когда одно устройство пытается поднять линию на высокий уровень, а другое — на низкий, что устраняет возможность повреждения драйверов или чрезмерного рассеивания мощности в системе. На каждой сигнальной линии есть подтягивающий резистор, который восстанавливает высокий уровень сигнала, когда ни одно устройство не устанавливает низкий уровень сигнала.
Выбор резистора зависит от устройств на шине, но рекомендуется начинать с 4,7 кОм; резистор и, при необходимости, уменьшите его. I 2 C — довольно надежный протокол, и его можно использовать с короткими отрезками провода (2–3 м). Для больших пробегов или систем с большим количеством устройств лучше использовать меньшие резисторы.
Большинство устройств I 2 C, предлагаемых в каталоге SparkFun, обычно включают подтягивающие резисторы для выводов SCL и SDA. Если у вас есть много устройств I 2 C на одной шине, вам может потребоваться настроить эквивалентное значение для подтягивающих резисторов, отключив подтягивающие резисторы на нескольких устройствах. В зависимости от того, что подключено к шине и конструкции, на одну шину можно включить около 7 устройств I 2 C. Однако, если у вас возникли проблемы, вы можете отрезать две дорожки, соединяющие центральную контактную площадку, с помощью канцелярского ножа или удалить припой с трех контактных площадок с помощью паяльника, чтобы отсоединить резисторы на некоторых платах. Как видите, в конструкции платы GPS слева использовались дорожки для подключения перемычек для подтягивающих резисторов. В конструкции платы GPS справа для соединения перемычек подтягивающих резисторов использовался припой.
|
Если ваша конструкция требует более длинных отрезков провода, вы можете использовать специальную микросхему для расширения сигнала, такую как PCA9615. В этом руководстве вы узнаете все о коммуникационном протоколе I 2 C, о том, зачем его использовать и как он реализован.
Протокол Inter-Integrated Circuit (I 2 C) – это протокол, предназначенный для обеспечения связи нескольких "периферийных" цифровых интегральных схем ("микросхем") с одной или несколькими "контроллерными" микросхемами. Как и последовательный периферийный интерфейс (SPI), он предназначен только для связи на короткие расстояния в пределах одного устройства. Подобно асинхронным последовательным интерфейсам (например, RS-232 или UART), для обмена информацией требуется всего два сигнальных провода. Рекомендуемое чтениеВещи, которые было бы полезно знать перед чтением этого руководства: Последовательная связьПоследовательный периферийный интерфейс (SPI)SPI обычно используется для подключения микроконтроллеров к периферийным устройствам, таким как датчики, сдвиговые регистры и SD-карты. ДвоичныйДвоичная система счисления в электронике и программировании. так что, должно быть, важно учиться. Но что такое двоичный код? Как это переводится в другие системы счисления, такие как десятичная? Сдвиговые регистрыЛогические уровниЗачем использовать I2C?Чтобы выяснить, почему кому-то может понадобиться общаться через I 2 C, вы должны сначала сравнить его с другими доступными вариантами, чтобы увидеть, чем они отличаются. Что не так с последовательными портами UART?
Поскольку последовательные порты являются асинхронными (данные часов не передаются), использующие их устройства должны заранее согласовывать скорость передачи данных. Тактовые частоты двух устройств также должны быть близки к одной и той же частоте, и она останется такой — чрезмерная разница между тактовыми частотами на обоих концах приведет к искажению данных. Асинхронные последовательные порты требуют накладных расходов на аппаратное обеспечение — UART на обоих концах относительно сложен, и его трудно точно реализовать в программном обеспечении, если это необходимо. По крайней мере, один стартовый и стоповый биты являются частью каждого кадра данных, а это означает, что для каждых 8 битов отправляемых данных требуется 10 бит времени передачи, что снижает скорость передачи данных. Еще один основной недостаток асинхронных последовательных портов заключается в том, что они изначально подходят для связи между двумя и только двумя устройствами. Несмотря на то, что возможно подключить несколько устройств к одному последовательному порту, конфликты на шине (когда два устройства пытаются управлять одной и той же линией одновременно) всегда являются проблемой, и их следует решать с осторожностью, чтобы предотвратить повреждение рассматриваемых устройств, как правило, из-за внешнего оборудования. Наконец, проблема заключается в скорости передачи данных. Хотя для асинхронной последовательной связи не существует теоретических ограничений, большинство устройств UART поддерживают только определенный набор фиксированных скоростей передачи данных, максимальная из которых обычно составляет около 230 400 бит в секунду. Что не так с SPI?
Наиболее очевидным недостатком SPI является количество необходимых контактов. Для подключения одного контроллера [1] к одному периферийному устройству [1] с помощью шины SPI требуется четыре линии; для каждого дополнительного периферийного устройства требуется один дополнительный вывод ввода-вывода выбора микросхемы на контроллере. Быстрое распространение штыревых соединений делает их нежелательными в ситуациях, когда к одному контроллеру необходимо подключить множество устройств. Кроме того, большое количество подключений для каждого устройства может затруднить маршрутизацию сигналов в условиях жесткой компоновки печатной платы. SPI допускает только один контроллер на шине, но поддерживает произвольное количество периферийных устройств (зависит только от возможностей привода устройств, подключенных к шине, и количества доступных контактов выбора микросхемы). SPI подходит для высокоскоростных полнодуплексных соединений (одновременная отправка и получение данных), поддерживает тактовую частоту выше 10 МГц (и, следовательно, 10 миллионов бит в секунду) для некоторых устройств, а скорость хорошо масштабируется. Аппаратное обеспечение на обоих концах обычно представляет собой очень простой регистр сдвига, что позволяет легко реализовать его в программном обеспечении. Введите I 2 C - Лучшее из обоих миров!
I 2 C требует всего два провода, как асинхронный последовательный порт, но эти два провода могут поддерживать до 1008 периферийных устройств. Кроме того, в отличие от SPI, I 2 C может поддерживать систему с несколькими контроллерами, позволяя более чем одному контроллеру [1] обмениваться данными со всеми периферийными [1] устройствами на шине (хотя устройства контроллера не могут общаться друг с другом по шине). автобус и должны по очереди пользоваться автобусными линиями). Скорость передачи данных находится между асинхронным последовательным портом и SPI; большинство устройств I 2 C могут обмениваться данными на частоте 100 кГц или 400 кГц. Есть некоторые накладные расходы с I 2 C; на каждые 8 бит отправляемых данных должен передаваться один дополнительный бит метаданных (бит «ACK/NACK», который мы обсудим позже). Аппаратное обеспечение, необходимое для реализации I 2 C, более сложное, чем SPI, но менее сложное, чем асинхронное последовательное соединение. Это может быть довольно просто реализовано в программном обеспечении. [1] Примечание. Возможно, вы знакомы с терминами «ведущее устройство» и «ведомое устройство», которые обозначают отношения между устройствами на шине I 2 C. Эти термины считаются устаревшими и теперь заменены терминами "контроллер" и "периферийное устройство" соответственно.
Краткая история I2CI 2 C был первоначально разработан в 1982 году компанией Philips для различных чипов Philips. Первоначальная спецификация допускала связь только на частоте 100 кГц и предусматривала только 7-битные адреса, ограничивая количество устройств на шине до 112 (существует несколько зарезервированных адресов, которые никогда не будут использоваться для действительных адресов I 2 C). В 1992 году была опубликована первая общедоступная спецификация, в которой был добавлен быстрый режим 400 кГц, а также расширенное 10-битное адресное пространство. В большинстве случаев (например, в устройстве ATMega328 на многих платах, совместимых с Arduino) поддержка устройства I 2 C заканчивается на этом этапе. Указаны три дополнительных режима:
В дополнение к «ванильному» I 2 C в 1995 году Intel представила вариант под названием «Шина управления системой» (SMBus). SMBus — это более строго контролируемый формат, предназначенный для обеспечения максимальной предсказуемости связи между поддерживающими ИС на материнских платах ПК. Наиболее существенная разница между SMBus заключается в том, что он ограничивает скорости от 10 кГц до 100 кГц, тогда как I 2 C может поддерживать устройства от 0 кГц до 5 МГц. SMBus включает режим тайм-аута часов, который делает низкоскоростные операции незаконными, хотя многие устройства SMBus все равно поддерживают его, чтобы максимизировать взаимодействие со встроенными системами I 2 C. I2C на аппаратном уровнеСигналыКаждая шина I 2 C состоит из двух сигналов: SDA и SCL. SDA (Serial Data) — это сигнал данных, а SCL (Serial Clock) — это тактовый сигнал. Тактовый сигнал всегда генерируется текущим контроллером шины; некоторые периферийные устройства могут время от времени переводить часы на низкий уровень, чтобы задержать отправку контроллером дополнительных данных (или потребовать больше времени для подготовки данных, прежде чем контроллер попытается их синхронизировать). Это называется "растягиванием часов" и описано на странице протокола. В отличие от подключений UART или SPI, драйверы шины I 2 C являются «открытым стоком», что означает, что они могут тянуть соответствующую сигнальную линию к низкому уровню, но не могут приводить к высокому уровню. Таким образом, не может быть конкуренции за шину, когда одно устройство пытается поднять линию на высокий уровень, а другое — на низкий, что устраняет возможность повреждения драйверов или чрезмерного рассеивания мощности в системе. На каждой сигнальной линии есть подтягивающий резистор, который восстанавливает высокий уровень сигнала, когда ни одно устройство не устанавливает низкий уровень сигнала.
Выбор резистора зависит от устройств на шине, но рекомендуется начинать с 4,7 кОм; резистор и, при необходимости, уменьшите его. I 2 C — довольно надежный протокол, и его можно использовать с короткими отрезками провода (2–3 м). Для больших пробегов или систем с большим количеством устройств лучше использовать меньшие резисторы.
Большинство устройств I 2 C, предлагаемых в каталоге SparkFun, обычно включают подтягивающие резисторы для выводов SCL и SDA. Если у вас есть много устройств I 2 C на одной шине, вам может потребоваться настроить эквивалентное значение для подтягивающих резисторов, отключив подтягивающие резисторы на нескольких устройствах. В зависимости от того, что подключено к шине и конструкции, на одну шину можно включить около 7 устройств I 2 C. Однако, если у вас возникли проблемы, вы можете отрезать две дорожки, соединяющие центральную контактную площадку, с помощью канцелярского ножа или удалить припой с трех контактных площадок с помощью паяльника, чтобы отсоединить резисторы на некоторых платах. Как видите, в конструкции платы GPS слева использовались дорожки для подключения перемычек для подтягивающих резисторов. В конструкции платы GPS справа для соединения перемычек подтягивающих резисторов использовался припой.
|