41 СУЧАСНІ ІНТЕРФЕЙСИ КОМП'ЮТЕРА

41.1 PCI Express

PCI Express (PCIe, PCI-e)  – один з найпоширеніших протоколів передачі даних. Він використовується в сучасній комп'ютерній техніці для забезпечення взаємодії різних її функціональних блоків між собою.

PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express, скорочено - PCIe або PCI-e) - це комп'ютерна шина, яка використовує високопродуктивний протокол послідовної передачі даних. Передача даних здійснюється через один комунікаційний канал. Висока швидкість досягається за рахунок великої частоти передачі даних. А для пристроїв, які потребують особливо високих швидкостей обміну даними, одночасно використовується кілька таких каналів (ліній). Наприклад, сучасні ігрові відеокарти підключаються до комп'ютера через 16 ліній PCIe (PCIe x16).

Розробка стандарту PCI Express була почата фірмою Intel. Специфікації першої його версії з'явилися ще в 2002 році. Зараз розвитком PCI Express займається організація PCI Special Interest Group, до ради директорів якої входять представники основних розробників апаратного і програмного забезпечення (Intel, Microsoft, IBM, AMD, Sun Microsystems, HP, NVIDIA й інші). У своєму розвитку PCIe пройшов кілька етапів і вже розвинувся до версії 5.0.

PCIe є повнодуплексним протоколом, тобто передбачає використання незалежних один від одного каналів прийому і передачі даних (пристрій може одночасно відправляти і отримувати дані).

Перед відправкою дані кодуються в блоки. Це необхідно для синхронізації відправляючого і отримуючого пристроїв, а також зменшення впливу перешкод.

У версіях PCIe 1.0 і PCIe 2.0 використовується схема кодування 8b/10b. Тобто, кожен 8-бітний блок кодується в 10-бітний, в якому тільки 80% переданих даних є корисними. Решта 20% потрібні для забезпечення належного функціонування протоколу.

В PCIe 3.0 і новіших її версіях дані кодуються за більш ефективною схемою 128b/130b (кожні 128 біт кодуються в 130-бітний блок). Частка корисного вмісту в даних, що передаються, тут становить вже близько 98,46%.

Різні версії PCIe відрізняються не тільки способом "упаковки" бітів в блоки, а й частотою передачі даних. У PCIe 1.0 вона складає 2,5 ГТ/с (гігатранзакцій в секунду), тобто за одну секунду передається 2,5 мільярди бітів. Для кращого сприйняття переведемо це в звичні одиниці:

2,5*109 Біт / с = 312,5 Мегабайт / с.

Враховуючи, що лише 80% з них є корисними даними, реальна пропускна здатність PCIe 1.0 складає 250 Мегабайт / с.

У PCIe 5.0 частота передачі даних зросла аж до 32 ГТ / с. Переведемо це в зручний вид:

32*109 Біт / с = 4000 Мегабайт / с = 4 Гігабайт / с.

Оскільки корисні дані становлять 98,46%, реальна пропускна здатність PCIe 5.0 дорівнює 3,938 Гігабайт / с.

Детальніше про особливості різних версіях PCIe див. у таблиці 41.1

Таблиця 41.1 – Характеристики різних версіях PCIe

Контроллер (керуючий пристрій) ліній PCIe не так давно вбудовувася тільки в чіпсет (головну мікросхему) материнської плати. Але, починаючи з 2009 року, контроллер PCIe додається виробниками також і безпосередньо в центральний процесор. Це зменшує затримки і дозволяє процесору ефективніше взаємодіяти з іншими пристроями.

Версії і кількість ліній PCIe в різних моделях процесорів і чіпсетів відрізняється. Значна їх частина формується в роз'єми, які розміщуються на материнській платі. Вони дають можливість підключати до комп'ютера різноманітні пристрої (відеокарти, звукові карти, мережеві карти, Wi-Fi-адаптери та ін.).

На материнській платі сучасного комп'ютера можна знайти роз'єми PCIe декількох видів, які відрізняються кількістю використовуваних в них ліній PCIe (від х1 до х16 ліній). Незалежно від того, наскільки старим є комп'ютер, і яка версія PCIe в ньому використовується, ці роз'єми завжди виглядають однаково (рис.41.1)

Рисунок 41.1 – Роз'єми PCIe

Різні версії PCIe є повністю сумісними. Тобто, якщо в старий комп'ютер, де використовується версія PCIe 2.0, встановити, наприклад, відеокарту з PCIe 4.0, вона буде нормально працювати. Однак, реальна швидкість обміну даними при цьому в неї буде обмежена можливостями PCIe 2.0.

І навпаки, в найновіший комп'ютер з PCIe 4.0 можна без проблем встановити стару відеокарту з PCIe 2.0.

Ще однією особливістю PCIe є сумісність різних її роз'ємів. В роз'єм PCIe x16 можна підключити не тільки відеокарту, але й абсолютно будь-який інший пристрій PCIe, в тому числі й із роз'ємом PCIe x8, PCIe x4 або PCIe x1.

Сумісність роз'ємів зберігається також і у зворотній бік. Тобто, в роз'єм PCIe x1 можна встановити відеокарту з роз'ємом PCIe x16. Фізично вона туди не увійде, але якщо розрізати задню стінку роз'єму (як на зображенні нижче), то все вийде.

Це, звичайно ж, "кустарщина" і без крайньої потреби так робити не потрібно. Тим більше, що відеокарта при такому підключенні буде працювати в режимі PCIe x1, що досить негативно позначиться на її швидкодії.

В ноутбуках для встановлення додаткових пристроїв замість згаданих вище роз'ємів використовується компактніший варіант - Mini PCIe.

41.2 Шина M.2

Лінії PCIe використовуються також для створення деяких інших роз'ємів, а саме, роз'ємів M.2 (служать для підключення сучасних запам'ятовуючих пристроїв, а також пристроїв деяких інших типів).

Слоти і карти формату M.2 (раніше цей формат називався Next Generation Form Factor - NGFF) спочатку розроблялися як більш швидкісна і компактніша заміна для mSATA - популярного стандарту, використовуваного твердотільних накопичувачами в різних мобільних платформах. Але на відміну від свого попередника M.2 пропонує принципово більшу гнучкість як у логічній, так і в механічній частині. Новий стандарт описує кілька варіантів довжини та ширини карт, а також дозволяє використовувати для підключення твердотільних накопичувачів як SATA, так і швидкісний інтерфейс PCI Express.

У тому, що PCI Express змінить звичні нам інтерфейси накопичувачів, немає жодних сумнівів. Безпосереднє використання цієї шини без додаткових надбудов дозволяє знизити латентність при зверненні до даних, а завдяки її масштабованості істотно збільшує пропускну здатність. Навіть дві лінії PCI Express 2.0 здатні забезпечити помітно більшу швидкість передачі даних у порівнянні зі звичним інтерфейсом SATA 6 Гбіт/с, а стандарт M.2 дозволяє встановлювати з'єднання з SSD із залученням до чотирьох ліній PCI Express 3.0. Закладений таким чином фундамент для зростання пропускної здатності спричинить появу нового покоління високошвидкісних твердотільних накопичувачів, здатних забезпечити швидше завантаження операційної системи та додатків, а також зменшення затримок при переміщенні значних обсягів даних.

Всі материнські плати, оснащені слотом М.2, використовують шину PCI-E x4.

Формально стандарт M.2 є мобільним різновидом протоколу SATA Express, описаного в специфікації SATA 3.2. Однак склалося так, що за останню пару років M.2 поширився набагато ширше за SATA Express: роз'єми M.2 сьогодні можна виявити на актуальних материнських платах і в ноутбуках, а SSD у форм-факторі M.2 повсюдно доступні у продажу. SATA Express подібною підтримкою з боку індустрії похвалитися не здатний. Частково це пов'язано з більшою гнучкістю M.2: залежно від реалізації цей інтерфейс може бути сумісний із пристроями, що працюють за протоколами SATA, PCI Express і навіть USB 3.0. Причому у своєму максимальному варіанті M.2 підтримує до чотирьох ліній PCI Express, тоді як роз'єми SATA Express здатні забезпечити передачу даних лише за двома такими лініями. Інакше кажучи, сьогодні саме слоти M.2 є не тільки зручним, але і більш перспективним фундаментом для майбутніх SSD. Вони не тільки підходять і для мобільних, і для десктопних застосувань, але і здатні забезпечити найвищу пропускну здатність серед усіх варіантів підключення споживчих твердотільних накопичувачів.

Однак з огляду на той факт, що ключовою властивістю стандарту M.2 є різноманітність його видів, слід мати на увазі, що далеко не всі M.2-накопичувачі однакові, а їх сумісність з різними варіантами відповідних слотів — це окрема історія. Почати слід з того, що плати доступних на ринку твердотільних накопичувачів у форм-факторі M.2 мають ширину 22 мм, але мають п'ять варіантів довжини: 30, 42, 60, 80 або 110 мм. Дана розмірність знаходить відображення в маркуванні, наприклад, форм-фактор M.2 2280 означає, що карта накопичувача має ширину 22 мм і довжину 80 мм. Для слотів M.2 зазвичай вказується повний перелік розмірностей карт накопичувачів, з якими вони можуть бути фізично сумісні.

Друга ознака, що вносить диференціацію в різні варіанти M.2, - це "ключі" в щілинному слоті і, відповідно, в ножовому роз'єм карт, які перешкоджають установці плат накопичувачів в логічно несумісні з ними роз'єми. На даний момент для M.2 SSD використовується два варіанти розташування ключів із описаних у специфікації одинадцяти різних положень. Ще два варіанти знайшли застосування на WLAN та Bluetooth-картах у форм-факторі M.2 (так, буває і таке - наприклад, бездротовий адаптер Intel 7260NGW), а сім положень ключів зарезервовані на майбутнє.

Зазвичай застосовується шина PCI-Express (ключ M) або SATA (ключ M+B). Можливість підключення ССД із SATA інтерфейсом має бути позначена в характеристиках материнської плати.

Рисунок 41.2 – Роз'єми М.2

SSD диск M.2 підключається без кабелів живлення та шлейфів, завдяки цьому його використання стає максимально комфортним і дозволяє комп'ютеру бути ще компактнішим. Це одна з його ключових переваг.

Технологія NVMe

Старе покоління звичайних магнітних та SSD дисків використовують протокол AHCI, який був створений порівняно давно і досі підтримується багатьма операційними системами. Але з появою більш сучасних і швидких ССД він не справляється зі своїм завданням і не може використовувати всі їхні можливості на максимум.

Як вирішення цієї проблеми було створено протокол NVMe. Він характеризується найбільш високою швидкістю, меншими затримками та задіює мінімум ресурсів процесора при виконанні операцій.

Щоб носій працював за цією технологією, він повинен її підтримувати, тому при виборі, зверніть на це окремо увагу, так само як і материнська плата (вона має бути за допомогою стандарту UEFI).

41.3 Serial ATA

SATA (Serial ATA) — послідовний інтерфейс обміну даними з накопичувачами інформації (як правило, з жорсткими дисками). SATA є подальшим розвитком інтерфейсу ATA (ІDE), який після появи SATA був перейменований в PATA (Parallel ATA).

SATA/150. На початку стандарт SATA передбачав роботу шини на частоті 1,5 ГГц, що забезпечує пропускну здатність приблизно в 1,2 Гбіт/с (150 МБ/с). (20%-а втрата продуктивності пояснюється використанням системи кодування 8B/10B, при якій на кожні 8 біт корисної інформації припадає 2 службових біта). Пропускна здатність SATA/150 незначно вища пропускної здатності шини Ultra ATA (UDMA/133). Головною перевагою SATA перед PATA є використання послідовної шини замість паралельної. Незважаючи на те, що послідовний спосіб обміну принципово повільніший паралельного, у цьому випадку це компенсується можливістю роботи на більш високих частотах за рахунок більшої перешкодостійкості кабелю. Це досягається:

•    меншим числом провідників;

•    об'єднанням інформаційних провідників в 2-і виті пари, екрановані заземленими провідниками.

SATA/300. Стандарт SATA/300 працює на частоті 3 ГГЦ, забезпечує пропускну здатність до 2,4 Гбіт/с (300 МБ/с). Уперше був реалізований у контролері чіпсету nForce 4 фірми NVIDІA. Досить часто стандарт SATA/300 називають SATA ІІ або SATA 3.0. Теоретично SATA/150 й SATA/300 пристрої повинні бути сумісні (як SATA/300 контролер і SATA/150 пристрій, так і SATA/150 контролер й SATA/300 пристрій) за рахунок підтримки узгодження швидкостей (у меншу сторону), однак для деяких пристроїв і контролерів потрібне ручне виставляння режиму роботи (наприклад, на жорсткому диску фірми Seagate, що підтримують SATA/300, для примусового включення режиму SATA/150 передбачений спеціальний джампер).

Стандарт SATA передбачає можливість збільшення швидкості роботи до 600МБ/с (6 ГГц).

SATA використає (рис. 41.3) 7-контактний роз'єм замість 40-контактного роз'єму в PATA. SATA-кабель має меншу ширину, за рахунок чого зменшується опір повітрю, що обдуває комплектуючі комп'ютера; поліпшується охолодження системи.

SATA-кабель за рахунок своєї форми більш стійкий до багаторазового підключення. Шнур живлення SATA так само розроблений з урахуванням багаторазових підключень. Роз'єм живлення SATA подає 3 напруги: +12 В, +5 В і +3,3 В; однак сучасні пристрої можуть працювати без напруги +3,3 В, що дає можливість використати пасивний перехідник зі стандартного роз'єму ІDE на SATA. Ряд SATA пристроїв поставляється із двома роз'ємами живлення: SATA й Molex.

Стандарт SATA відмовився від традиційного для PATA підключення по два пристрої на шлейфу; кожному пристрою покладається окремий кабель, що знімає проблему неможливості одночасної роботи пристроїв, що перебувають на одному кабелі (і затримок, що виникали звідси), зменшує можливі проблеми при зборці (проблема конфлікту Slave/Master пристроїв для SATA відсутній), усуває можливість помилок при використанні нетермінованих PATA-шлейфів.

Стандарт SATA передбачає гарячу заміну пристроїв і функцію черги команд (NCQ).

Рисунок 41.3 – Роз'єми SATA

SATA пристрої використають два роз'єми: 7-контактний (підключення шини даних) і 15-контактний (підключення живлення). Стандарт SATA передбачає можливість використати замість 15-контактного роз'єму живлення стандартний 4-контактний роз'єм Molex. Використання одночасно обох типів силових роз'ємів може привести до ушкодження пристрою.

Рисунок 41.4 – Призначення контактів роз'ємів SATA

G — заземлення (англ. Ground); R — зарезервовано; D1+, D1-   і   D2+, D2- — два канали передачі даних (від контролера до пристрою й від пристрою до контролера відповідно). Для передачі сигналу використається технологія LVDS, проводедення кожної пари (D1+, D1- и D2+, D2-) є екранованими витими парами.

Коли йдеться про жорсткі диски, різниці при звичайній роботі між підключенням пристрою за інтерфейсом SATA 3 та SATA 2 не помітимо. Механіка накопичувачів не забезпечує високих швидкостей, практично межею вважатимуться 200 Мб/с (при 3 Гбіт/с максимальної пропускної спроможності). Випуск жорстких дисків з інтерфейсом SATA 3 можна вважати недоцільним. Такі накопичувачі підключаються до портів другої ревізії без втрати швидкості обміну даними.

Зовсім інша річ твердотільні накопичувачі. SSD-пристрої випускаються тільки з інтерфейсом SATA 3. Хоча підключити їх до порту SATA 2 можна без загрози системі, проте високі швидкості читання та запису при цьому втрачаються. Показники падають приблизно вдвічі, тому саме застосування недешевих пристроїв себе не виправдовує. З іншого боку, SSD через технологічні особливості працюватиме швидше жорсткого диска навіть при підключенні до повільного інтерфейсу, втративши половину швидкості.

Інтерфейс SATA 3 працює на вищій частоті, ніж попередня специфікація, так що затримки мінімізуються, а підключений до порту SATA 2 твердотільний накопичувач із SATA 3 покаже продуктивність вищу, ніж жорсткий диск із SATA 2. Щоправда, помітно це буде виключно при тестуванні, а не у процесі нормальної роботи з додатками.

Не критичною, але значущою відмінністю SATA 3 від SATA 2 можна вважати покращене управління живленням пристрою.

Відмінність між SATA 2 та SATA 3 полягає в наступному:

• Пропускна спроможність інтерфейсу SATA 3 досягає 6 Гбіт/с.

• Пропускна спроможність інтерфейсу SATA 2 досягає 3 Гбіт/с.

• Для жорстких дисків SATA 3 можна вважати марним.

• У роботі з SSD SATA 3 забезпечує високу швидкість обміну даними.

• Інтерфейс SATA 3 працює на вищій частоті.

• Інтерфейс SATA 3 теоретично забезпечує покращене керування живленням пристрою.

41.4 eSATA (External SATA)

eSATA  - інтерфейс підключення зовнішніх пристроїв, що підтримує режим "гарячої заміни" (англ. Hot-plug). Був створений трохи пізніше SATA (у середині 2004).

У eSATA середня практична швидкість передачі даних вища, ніж у USB 2.0 або IEEE 1394. Сигнально SATA та eSATA сумісні. Однак їм потрібні різні рівні сигналу. Також для підключення необхідні  два кабелі: шина даних та кабель живлення. Планується відмовитись від окремого кабелю живлення для виносних eSATA-пристроїв. Роз'єми в нього більш надійні та екрановані і конструктивно розраховані на більше підключень, ніж SATA. Однак фізично вони несумісні зі звичайними SATA.

Довжина кабелю доведено до двох метрів. У SATA довжина лише 1 метр. Щоб компенсувати компенсації втрати, змінили рівні сигналів. Підвищено рівень передачі та знижено рівень порогу чутливості приймача.

Основні особливості eSATA:

• Вимагає для підключення два проводи: шину даних і силовий кабель;

• Обмежений по довжині кабелю даних (близько 2 м);

• Середня практична швидкість передачі даних вища, ніж в USB або IEEE 1394;

• Істотно менше навантажується центральний процесор;

Рисунок 41.5 – Роз'єми еSATA

41.5 Високошвидкісний інтерфейс USB 3.0

Якщо говорити про основну перевагу стандарту USB 3.0 порівняно зі стандартом USB 2.0, то це, звичайно ж, швидкість передачі даних. Специфікацією USB 3.0 передбачений режим SuperSpeed ​​зі швидкістю передачі даних до 5 Гбіт/с (640 Мбайт/с), тобто більш ніж у 10 разів, що перевищує ту, що передбачена специфікацією USB 2.0. Звичайно, реальна швидкість передачі даних, швидше за все, буде нижчою, проте навіть з урахуванням цього для більшості периферійних пристроїв такої пропускної здатності шини USB 3.0 більш ніж достатньо.

 Звичайно, висока швидкість передачі у шини USB 3.0 - це не єдина її відмінність від шини USB 2.0. Але при всіх відмінностях (яких багато) зберігається зворотна сумісність USB 3.0 з USB 2.0. Тобто в специфікації USB 3.0, окрім режиму SuperSpeed, залишені і режими Hi-Speed, Full-Speed ​​та Low-Speed. Крім того, USB 3.0 сумісні з USB 2.0. Це означає, що всі периферійні пристрої з USB 2.0 можна буде підключати до шини USB 3.0.

 Наступна важлива відмінність специфікації USB 3.0 від USB 2.0 полягає в тому, що стандартом передбачено двонаправлену передачу даних по різних витих парах. Таким чином, контактів у роз'ємах USB 3.0 побільшало. Збільшилася кількість проводів в USB-кабелі. Так, у стандарті USB 2.0 одна кручена пара використовувалася для прийому/передачі даних, а інша - для живлення, тобто в роз'ємах USB 2.0 було чотири контакти, а USB-кабель містив чотири дроти. У специфікації USB 3.0 перша вита пара застосовується для передачі даних, друга - для прийому даних, третя - для живлення, а для сумісності зі стандартом USB 2.0 передбачена четверта вита пара, за якою здійснюється прийом/передача даних в режимі USB 2.0 (Hi-Speed , Full-Speed ​​та Low-Speed). Крім того, в обов'язковому порядку є ще одна «земля» (GND_DRAIN) у вигляді обплетення двох витих пар. Таким чином, у кабелі USB 3.0 не чотири дроти (як у кабелі USB 2.0), а вісім (рис. 41.6), а в роз'ємах USB 3.0 як мінімум дев'ять контактів (оплетення витих пар підключаються до контакту GND_DRAIN).

Напруга живлення, що передається USB-шиною, залишилася без змін - +5 В.

Рисунок 41.6 – Кабель USB 3.0

USB 3.1. На той час, як з'явилася версія 3.0, USB став загальновизнаним стандартом. У 2013 році з'явився стандарт USB 3.1 відомий як SuperSpeed+, який подвоїв швидкість до 10 Гбіт/с при використанні роз'ємів USB типу A та USB-C. 

Тут виникла плутанина, оскільки творці USB назвали свою нову версію USB 3.1 Gen 2 (друге покоління), тоді як USB 3.0 дали нове ім'я USB 3.1 Gen 1 (перше покоління).

 Незважаючи на те, що USB 3.1 вбудований в деякі новітні пристрої (наприклад, новий MacBook), він не отримав широкого поширення. Смартфони та інші сучасні пристрої зазвичай оснащують USB 3.0 або більш ранніми версіями.

 USB 3.2. Випущений у вересні 2017 року, USB 3.2 дозволяє сумісним пристроям використовувати швидкість передачі даних SuperSpeed ​​(5 Гбіт/с) або SuperSpeed ​​+ (10 Гбіт/с). Однак у цій останній версії також з'явився новий режим SuperSpeed ​​+ (20 Гбіт/с), який активується при використанні роз'єму USB-C та останніх моделей пристроїв.

Оскільки USB 3.2 все ще перебуває в стадії розробки, малоймовірно, що він набуде широкого поширення доти, доки галузь не зробить його повністю сумісним.

USB4. Стандарт USB4 обіцяє безліч покращень, включаючи вищу швидкість передачі даних, кращу роботу з відео та сумісність з Thunderbolt 3.

Особливості та характеристики USB 4:

1. Використовуватиме порт Type-C;

2. Сумісний з Thunderbolt 3;

3. Три швидкості USB 4;

4. Добре ділить пропускну здатність між відео та даними;

5. Всі USB 4 пристрої підтримують USB PD;

5. Зворотна сумісність із старими пристроями;

6. Старі кабелі працюватимуть на межі швидкостей;

7. Скоро не передбачається;

8. Дорожчий USB 3.2 у виробництві.

 Новий стандарт USB 4 матиме три основні переваги над попередніми версіями USB:

• Максимальна швидкість 40 Гбіт/с. Використовуючи двосмугові кабелі, деякі пристрої можуть працювати зі швидкістю до 40 Гбіт/с, що відповідає швидкості Thunderbolt;

• Сумісність із пристроями Thunderbolt 3: деякі, але не обов'язково всі порти USB 4 також працюватимуть із пристроями Thunderbolt 3.

• Кращий розподіл ресурсів для відео: якщо ви використовуєте порт USB 4 для передачі відео та даних одночасно, порт відповідно розподілятиме пропускну здатність. Таким чином, якщо відеопотоку потрібно лише 20 відсотків пропускної здатності, щоб виводити відео на 1080p монітор, який також є концентратором, решта 80 відсотків будуть вільні для передачі файлів із зовнішнього SSD.

Типи можливих роз'ємів та кабелів USB 3.0

Кількість можливих роз'ємів USB 3.0 побільшало. Є роз'єми USB 3.0 наступних типів: тип A, тип B, Powered-B, Micro-B, Micro-A та Micro-AB. Зауважимо, що роз'єм USB 3.0 Micro-A існує лише у штепсельному варіанті, а роз'єм USB 3.0 Micro-AB – лише у гніздовому. Особливо зазначимо, що специфікацією USB 3.0 не передбачені роз'єми miniUSB типу B, які на сьогоднішній день широко поширені.

Роз'єм USB 3.0 типу A (рис. 41.7), як штепсельний, так і гніздовий, за своєю формою та розмірами не відрізняється від роз'єму USB 2.0 типу A. Він повністю сумісний з роз'ємом USB 2.0 типу A, тобто у гніздовий роз'єм USB 3.0 типу A, крім штепсельного роз'єму USB 3.0 типу A, можна вставляти штепсельний роз'єм USB 2.0 типу A, і навпаки: в гніздовий роз'єм USB 2.0 типу A можна вставляти штепсельний роз'єм USB 3.0 типу A. Загалом у роз'ємі USB 3.0 типу A є дев'ять контактів.

Рисунок 41.7 – Роз'єм USB 3.0 типу A

Роз'єм USB 3.0 типу B (рис. 41.8), як і роз'єм USB 2.0 типу B, використовуватиметься для підключення стаціонарних периферійних пристроїв, таких як принтери, МФУ та зовнішні диски. У комп'ютерах гніздові роз'єми USB 3.0 типу B не застосовуватимуться (як не використовуються гніздові роз'єми USB 2.0 типу B). Роз'єм USB 3.0 типу B частково сумісний з роз'ємом USB 2.0 типу B, тобто в гніздове роз'єм USB 3.0 типу B, крім штепсельного роз'єму USB 3.0 типу B, можна вставляти штепсельний роз'єм USB 2.0 типу B. А ось вставити в гніздове роз'єм USB 2.0 типу B штепсельний роз'єм USB 3.0 типу B не вдасться.

Рисунок 41.8 –  Роз'єм USB 3.0 типу B

Загалом у роз'ємі USB 3.0 типу B є дев'ять контактів. Їх розташування, природно, відрізняється від розташування контактів у роз'ємі USB 3.0 типу A, проте відповідність номерів контактів та їх призначення таке саме.

Роз'єм USB 3.0 Powered-B за своїм формфактором повністю сумісний з роз'ємом USB 3.0 типу B, але відрізняється від нього наявністю двох додаткових контактів живлення (DPWR та DGND) та двох додаткових дротів у USB-кабелі, що дозволяє живити напругою USB-адаптери без необхідності підключення їх до мережі.

У гніздовий роз'єм USB 3.0 Powered-B можна вставляти штепсельний роз'єм USB 3.0 Powered-B, роз'єм USB 3.0 типу B та USB 2.0 типу B. Всього в роз'ємі USB 3.0 Powered-B є 11 контактів (рис. 41.9).

Рисунок 41.9 –  Роз'єм USB 3.0 Powered-B

Роз'єм USB 3.0 Micro-B (рис. 41.10) орієнтований використання у портативних пристроях, такі як мобільні телефони, комунікатори тощо. Він сумісний з роз'ємом USB 2.0 Micro-B, тобто в гніздове роз'єм USB 3.0 Micro-B, крім штепсельного роз'єму USB 3.0 Micro-B, можна також вставляти штепсельний роз'єм USB 2.0 Micro-B. Однак у гніздо USB 2.0 Micro-B не можна вставити штепсельний роз'єм USB 3.0 Micro-B. Сумісність гніздового роз'єму USB 3.0 Micro-B зі штепсельним роз'ємом USB 2.0 Micro-B досягається за рахунок того, що роз'єм USB 3.0 Micro-B розділений на дві конструктивні частини: USB 2.0 і USB 3.0. У частину USB 2.0 можна окремо вставляти штепсельне роз'єм USB 2.0 Micro-B. Штепсельний роз'єм USB 3.0 Micro-B також конструктивно розділений на дві частини і може вставлятися тільки в гніздо USB 3.0 Micro-B (або USB 3).0 Micro-AB).

Рисунок 41.10 –Роз'єм USB 3.0 Micro-B

Загалом у роз'ємі USB 3.0 Micro-B є десять контактів. Крім стандартних контактів VBUS, D-, D+, GND, SSTX-, SSTX+, GND_DRAIN, SSRX- та SSRX+ є ще один специфічний контакт ID, призначений для ідентифікації режиму OTG.

 Гніздовий роз'єм USB 3.0 Micro-AB використовуватиметься лише у пристроях, що підтримують стандарт OTG (On-The-Go) (власне, як і роз'єм USB 2.0 Micro-AB). У гніздовий роз'єм USB 3.0 Micro-AB можна буде вставляти штепсельні роз'єми USB 3.0 Micro-B, USB 3.0 Micro-A, USB 2.0 Micro-B та USB 2.0 Micro-A. А ось гніздовий роз'єм USB 2.0 Micro-AB буде сумісний тільки зі штепсельними роз'ємами USB 2.0 Micro-B та USB 2.0 Micro-A.

Типи кабелів USB 3.0.

З урахуванням різноманітності роз'ємів USB 3.0 будуть пропонуватися такі типи кабелів USB:

• USB 3.0 типу A (штепсель) - USB 3.0 типу A (штепсель);

• USB 3.0 типу A (штепсель) - USB 3.0 типу B (штепсель);

• USB 3.0 типу A (штепсель) - USB 3.0 Micro-B (штепсель);

• USB 3.0 Micro-A (штепсель) - USB 3.0 Micro-B (штепсель);

• USB 3.0 Micro-A (штепсель) - USB 3.0 типу B (штепсель);

• кабель, жорстко пов'язаний з пристроєм з одного кінця та штепсельним роз'ємом USB 3.0 Micro-A з іншого кінця;

• кабель, жорстко пов'язаний з пристроєм з одного кінця та штепсельним роз'ємом USB 3.0 Powered-B з іншого кінця;

• кабель, що жорстко пов'язаний з пристроєм або приєднується до нього за допомогою фірмового (нестандартного) роз'єму з одного кінця та штепсельним роз'ємом USB 3.0 типу A з іншого кінця.

41.6 Thunderbolt

Thunderbolt (у перекладі з англійської – удар блискавки) – це новий високошвидкісний інтерфейс для підключення пристроїв до комп'ютера, раніше відомий як Light Peak. Цей інтерфейс розробили компанія Intel, технічним партнером якої стала компанія Apple, яка оснащує свої ноутбуки MacBook Pro роз'ємом Thunderbolt. Intel позиціонує цей інтерфейс як заміну у майбутньому нинішніх дротових інтерфейсів USB, SCSI, SATA та FireWire.

Спочатку для передачі даних планувалося використовувати тільки оптоволокно, але це виявилося недешевим задоволенням і тому в першому варіанті роз'єму використовується мідь, яка, як виявилося, теж добре працює. У зв'язку з цим, робоча назва Light Peak стала неактуальною і її замінили на Thunderbolt.

Проте Intel і зараз продовжує працювати над оптоволоконним варіантом даного інтерфейсу, який, ймовірно, з'явиться в недалекому майбутньому. Головні переваги оптики - велика пропускна спроможність та велика відстань передачі сигналу. А мідний кабель Thunderbolt не може бути завдовжки понад 3 метри.

Thunderbolt може підключати периферійні пристрої, що споживають трохи більше 10 Вт потужності. Найголовнішою перевагою Thunderbolt є можливість підключати пристрої послідовно, внаслідок чого можна буде позбутися звичної купи проводів на столі.

Пропускна здатність шини Thunderbolt на даний момент складає 10 Гбіт/c в обох напрямках. Це вдвічі перевищує швидкість передачі даних порту USB 3.0. Однак Intel не позиціонує Thunderbolt як конкурента USB і обіцяє, що чіпсети нового покоління будуть йти з підтримкою USB 3.0.

У травні 2010 року корпорація Intel вперше продемонструвала комп'ютер, що використовує технологію Light Peak. Офіційно технологія була представлена Intel у лютому 2011. Тоді ж першими моделями комп'ютерів з цим інтерфейсом стали нові моделі ноутбуків MacBook Pro компанії Apple. 

Ніяких принципово нових протоколів передачі даних Thunderbolt не приніс, він лише зблизив існуючі, зробив їхню інтеграцію тіснішою та зручнішою. По суті, це просто роз'єм, до якого підведені лінії давно знайомих нам стандартів з'єднання пристроїв. Відмінність від них у чистому вигляді лише одна: гнучкість управління та апаратний взаємозв'язок.

Раніше щось подібне намагалися реалізувати в SATA, але комбінований порт eSATA з живленням – це просто порт SATA, інтегрований у порт USB. Електрично ці протоколи не пов'язані, використовують різні контакти і типи кабелів. На відміну від такого рішення Thunderbolt дозволяє реалізувати кілька інтерфейсів паралельно, задіявши загальні лінії. Його контролер здатний визначати, якого типу належить периферійний пристрій (пристрої), щоб розподіляти загальні лінії між різноплановими девайсами і спрямовувати їх сигнали різним контролерам введення-виводу.

Головною особливістю Thunderbolt є підтримка на одному роз'ємі декількох протоколів передачі даних: PCI-E, Display Port, HDMI, пізніше до них додався ще й USB. При цьому підтримка цих протоколів є нативною, тобто зовнішні пристрої зв'язуються з контролерами в чіпсеті безпосередньо, без перетворення сигналу одного стандарту в інший. Завдяки масштабованості інтерфейсу PCI-E на один порт може бути одночасно підключено кілька пристроїв різних типів, наприклад зовнішній накопичувач, контролер Ethernet і монітор.

Спочатку Thunderbolt використовував як інтерфейсний роз'єм кабель Mini DisplayPort, що використовується для виведення картинки на екран, але додатково підтримує шину PCI-E. За допомогою спеціального кабелю до гнізда Thunderbolt підключався будь-який монітор з інтерфейсом DisplayPort. Зворотної сумісності, звичайно, не було: периферійний пристрій Thunderbolt, підключений до Mini DP відеокарти Nvidia або AMD, не працював.

За часів першого та другого покоління Thunderbolt був цікавий переважно користувачам комп'ютерів Apple, але з третім поколінням про нього заговорили широкі маси людей. Нова версія вийшла в 2015 році, і замість непопулярного Mini DP у Thunderbolt 3 використовується новий універсальний роз'єм USB Type C. На додаток до PCI-E та Display Port з'явилася підтримка USB та протоколу USB Power Delivery.

Підтримка пристроєм інтерфейсу Thunderbolt означає, що за допомогою єдиного роз'єму до нього можна підключити будь-яку периферію: накопичувач, монітор, акустику, зовнішню відеокарту, принтер. Також за допомогою роз'єму можна заряджати пристрій від мережі або живити периферію від пристрою. Той самий Apple MacBook Pro 2016 заряджається не від пропрієтарного кабелю MagSafe, а від універсального USB Type C.

Поки що про підтримку Thunderbolt смартфонами не йдеться. Apple не поспішає впроваджувати його в iPhone і навіть продовжує використовувати в них ні з чим (крім Айфон) не сумісний Lightning. Інші компанії взагалі позбавлені доступу до технології, тому що вона належить Intel, а ця компанія не виробляє чіпсети для смартфонів з 2020 року.

Qualcomm не поспішає закуповувати у Intel права на використання технології та воліє реалізувати у своїх смартфонах інші види USB Alternate Mode. Деякі флагмани підтримують MHL, що теж дозволяє виводити картинку на монітор, але Thunderbolt цей протокол відношення не має. Так само не має відношення до нього і виведення звуку на навушники. У Thunderbolt для цього використовуються лінії DisplayPort, а в смартфонах аудіовиход безпосередньо підведений до роз'єму, при цьому він може бути як цифровим, так і аналоговим.

Thunderbolt 3

• Один порт для всіх пристроїв.

• Thunderbolt 3 використовує універсальний роз'єм USB-C™, який можна підключати до комп'ютера будь-якою стороною. Це полегшує підключення.

• Thunderbolt 3 забезпечує швидкість передачі до 40 Гбіт/с, при цьому частина смуги пропускання виділена для передачі відео, наприклад, у системах з двома моніторами з роздільною здатністю 5K. Пропускної здатності, що залишилася, достатньо для доступу з пристроїв зберігання та інших додаткових пристроїв.

• Послідовне підключення. Можна послідовно підключати до 6 пристроїв до одного порту Thunderbolt 3 (наприклад, пристрій зберігання + мережа + монітор + живлення), інші порти використовувати для додаткових зовнішніх пристроїв.

• Один універсальний кабель. Один кабель Thunderbolt 3 можна використовувати для високошвидкісної передачі даних та електроживлення потужністю до 100 Вт.

• Покращене живлення від шини. Thunderbolt 3 забезпечує до 15 Вт для підключених пристроїв, які живляться безпосередньо від шини. Це необхідно для високопродуктивних твердотільних накопичувачів NVMe, наприклад, G-DRIVE PRO SSD.

Thunderbolt 4 пропонує ті ж 40 Гбіт/с, що і Thunderbolt 3. Як і у разі поточної версії інтерфейсу, Thunderbolt 4 використовуватиме порт USB-C, тільки цього разу USB-C 4.0. Тобто будь-який порт Thunderbolt 4 – це порт USB-C 4.0, але не навпаки. При цьому збережено і зворотну сумісність.

Хоча всі порти виконують базове завдання підключення пристроїв введення-виводу до ПК, порти Thunderbolt 4 мають низку відмінних переваг:

•  Гнучкість. Деякі порти забезпечують живлення пристроїв. Інші передають дані із пристроїв на ПК. Треті передають відеосигнали із ПК на зовнішній монітор. Порт Thunderbolt™ може виконувати всі ці три завдання. Він одночасно забезпечує високошвидкісну передачу даних, виведення відеосигналу та живлення сумісних пристроїв (зокрема підзарядку деяких ноутбуків).

• Пропускна спроможність. Порти Thunderbolt 4 мають пропускну здатність 40 Гбіт/с (гігабіт за секунду) у двох напрямках. Це означає, що дані можна легко переміщати між системою та зовнішнім сховищем, і що до одного порту можна підключити до п'яти пристроїв Thunderbolt, що забезпечує значну гнучкість конфігурацій.

• Універсальні можливості зв'язку. Порти Thunderbolt 4 сумісні з багатьма стандартами зв'язку, включаючи попередні версії Thunderbolt™, USB, DisplayPort та PCle. Дані порти підтримують стандартні штекери USB типу C.

Що нового в Thunderbolt 4?

Thunderbolt 4 – це останнє покоління технології Thunderbolt. Ці порти можна побачити в ПК на базі процесорів Intel Core 11-го покоління для мобільних ПК або в системах з контролером Thunderbolt 4.

 Thunderbolt 4 має багато вдосконалень та нових можливостей у порівнянні з Thunderbolt 3.

•  Швидкість. Порти Thunderbolt 4 мають таку ж високу пропускну здатність 40 Гбіт/с, що й порти Thunderbolt™ 3. Проте мінімальні вимоги передачі даних за інтерфейсом PCIe збільшені з 16 Гбіт/с до 32 Гбіт/с . Це означає, що високошвидкісні зовнішні пристрої PCIe, такі як накопичувачі та зовнішні графічні системи, дозволять суттєво підвищити швидкість передачі та продуктивність.

• Безпека . Захист DMA на базі VT-d допомагає запобігати загрозам безпеці, змінюючи схеми запитів із зовнішніх пристроїв та перевіряючи наявність належних дозволів.

• Пробудження із режиму сну. Ця функція дозволяє виводити ПК з сну через периферійні пристрої, підключені через док-станцію.

Що можна підключити через порт Thunderbolt 4?

1. Пристрої Thunderbolt™ . Підключайте пристрої з логотипом Thunderbolt™, у тому числі док-станції, дисплеї та пристрої захоплення відео. Пристрої та кабелі Thunderbolt™ 3 сумісні з портами Thunderbolt 4. Старіші пристрої Thunderbolt також працюватимуть, але для них буде потрібно адаптер.

2. Зовнішні монітори. Підключення кількох дисплеїв. До одного порту Thunderbolt 4 можна підключити до двох моніторів 4K DisplayPort або HDMI з частотою оновлення 60 Гц, використовуючи сумісну док-станцію або адаптер. Монітори Thunderbolt з логотипом можна підключати безпосередньо.

3. Зберігання. Підключайте високошвидкісні зовнішні SSD-накопичувачі Thunderbolt™, щоб збільшити ємність вашої системи за швидкості на рівні внутрішніх накопичувачів.

4. Периферійні пристрої USB. Підключайте USB-пристрої, у тому числі миші, клавіатури, контролери та ігрові навушники.

5. Пристрої PCI Express (PCIe). Використовуйте шасі розширення PCIe для доступу до сумісних пристроїв PCIe, таких як пристрої захоплення відео для стрімінгу ігор.

6. Мережеві підключення. Підключайтеся до високошвидкісних 10-гігабітних мереж через адаптер або використовуйте кабель Thunderbolt для з'єднання двох комп'ютерів у однорангову мережу. Це дозволить швидко переносити великі обсяги даних між комп'ютерами, що буде корисно при придбанні нової системи.

7. Заряджання. Підключайте телефони, невеликі ноутбуки (для заряджання яких потрібно менше 100 Вт) та інші сумісні пристрої USB для їх швидкого заряджання.