• Thứ Sáu, 03/06/2005 14:44 (GMT+7)

    Chuẩn giao tiếp PC: Xu thế "cổng kết nối chung"

    Tiến đến xu hướng hợp nhất hóa cổng kết nối ngoại vi, giới công nghiệp đề cử USB và IEEE 1394.

    Nếu tính từ thời điểm chính thức đưa ra thị trường, cổng parallel và serial đã gắn bó với thiết bị ngoại vi gần hai thập niên. Ngoại trừ lần đưa ra tính năng Plug-and-Play trong hệ điều hành Windows 95, công nghệ I/O trên PC không có thay đổi lớn nào so với mẫu thiết kế ban đầu năm 1981. Cho đến nay, băng thông của giao tiếp parallel và serial đủ so với nhu cầu của thiết bị ngoại vi nhưng đành phải lùi bước trước một số ứng dụng bởi:

    o Thông lượng: Cổng serial đạt băng thông tối đa 115,2 Kbps trong khi cổng parallel đạt khoảng 500 Kbps (tùy dạng). Mức băng thông này hoàn toàn không đáp ứng đủ nhu cầu của khá nhiều thiết bị trong đó có máy ảnh số.
    oTính dễ dùng: Kết nối các thiết bị dùng cổng parallel và serial không hẳn đơn giản, đặc biệt khi bạn muốn kết thiết bị parallel thành chuỗi. Bên cạnh đó, do kích thước không thể thu nhỏ nên cổng parallel và serial thường phải đặt phía sau thùng máy; gây bất tiện cho thao tác tháo lắp.
    o Tài nguyên phần cứng: Mỗi cổng đòi một yêu cầu ngắt (IRQ-interrupt request). Mà mỗi PC chỉ có thể đáp ứng khoảng 16 IRQ và sau khi cài đặt, hệ thống chỉ còn khoảng 5 IRQ dành cho thiết bị ngoại vi.
     Giới hạn số lượng cổng: Hầu hết PC đều có hai cổng COM và một cổng parallel. Có thế tăng số lượng cổng COM và parallel nhưng hệ thống phải chấp nhận hy sinh IRQ.
    Trong những năm gần đây, công nghệ I/O là một trong nhiều lĩnh vực thuộc PC có sự đột phá. Trong đó phải kể đến USB và FireWire, hai chuẩn dữ liệu nối tiếp nâng khái niệm Plug-and-Play lên tầm cao mới và giúp đơn giản hóa việc kết nối dữ liệu giữa máy tính với nhiều thiết bị ngoại vi, phổ biến là máy quay phim số (digital camcoder).

    USB
    Được phát triển bởi liên minh gồm Compaq, Digital, IBM, Intel, Microsoft, NEC và Northern Telecom, chuẩn Universal Serial Bus (USB) sử

    dụng dạng đầu nối nhỏ, phù hợp với tất cả thiết bị I/O thông dụng nhằm giảm bớt số lượng cổng và đầu nối. Tháng 9 năm 1995, chuẩn mở về giao tiếp điều khiển chủ (open host controller interface-OHCI) ra đời đã tạo động lực mới thúc đẩy chuẩn USB phát triển. OHCI được hậu thuẫn bởi 25 công ty, mục đích của sáng kiến là tạo thuận lợi cho nhà sản xuất máy tính, linh kiện và thiết bị ngoại vi phát triển sản phẩm USB. Nhờ đưa ra giao tiếp điều khiển chủ không độc quyền, rõ ràng hóa đặc tả USB mà đặc tả USB đầu tiên đã ra đời sau đấy một năm. Phiên bản 1.1 được đưa ra vào mùa thu 1998.
    Bạn có thể nối 127 thiết bị theo kiểu nối tiếp hoặc dùng hub USB. Trung bình mỗi hub cho phép gắn 7 thiết bị và bạn cũng có thể ghép nối tiếp hub để tăng số thiết bị USB kết nối vào hệ thống. Cổng USB có hai dạng: Type A và Type B.
    Vượt qua giới hạn tốc độ của chip UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) - cốt lõi công nghệ của giao tiếp serial, USB 1.1 đạt tốc độ 12 Mbps; quá đủ so với yêu cầu của thiết bị ngoại vi. Tuy băng thông tương đương công nghệ mạng Ethernet và Token Ring nhưng USB không được ứng dụng cho mạng do chiều dài cáp dẫn hiệu quả chỉ được khoảng 5m; nếu tăng chiều dài, chi phí sẽ rất cao. Chủ yếu, USB được ứng dụng để giải phóng không gian, loại bỏ dây dẫn rối rắm cho bàn phím, chuột.

    Ngay từ đầu, USB đặt mục tiêu thân thiện người dùng và cắm-chạy lên đầu nên không yêu cầu gắn card mở rộng và cấu hình hệ thống. Thay vào đó, bus cho phép thiết bị ngoại vi tự cấu hình khi gắn, và định trạng thái nối hoặc tách trong khi máy tính, thiết bị đang hoạt động. Đặc biệt, bạn không cần cài đặt trình điều khiển như cổng parallel, serial và tránh được những giây phút "đăm chiêu" chọn lựa IRQ, DMA, địa chỉ I/O. Sở dĩ USB làm được điều này là nhờ biết khoán việc quản lý kết nối thiết bị cho bộ điều khiển chủ (thường tích hợp trên bo mạch chủ hoặc card bổ sung). Bộ điều khiển chủ phối hợp cùng các bộ điều khiển con trong hub thực hiện nhiệm vụ quản lý thiết bị nên giảm tải cho bộ xử lý và nâng hiệu năng chung của hệ thống. Đến lượt mình, phần mềm hệ thống USB cài trong hệ điều hành lại quản lý bộ điều khiển chủ. Dữ liệu được truyền trên một "con đường" hai chiều dưới sự "chỉ dẫn" của bộ điều khiển chủ và bộ điều khiển hub. Một số phiên bản quản lý bus có khả năng dành một phần băng thông cho thiết bị được chỉ định để truyền dữ liệu đẳng thời (isochronous).

    Giao tiếp USB chứa hai thành phần chính: Serial Interface Engine (SIE) thiết lập giao thức bus và Root Hub tăng lượng cổng USB.
    Nhờ trong tuyến bus USB có đường cấp điện 5V 0,5A nên một số loa hoặc máy quét cầm tay không cần nguồn riêng. Hệ thống tự động nhận biết sự hiện diện của thiết bị và cấp nguồn. Tuy nhiên, một số hub mở rộng cần nguồn điện bổ sung mới đủ cung cấp cho thiết bị.
    Nhóm đề xuất USB dự định phát triển kiến trúc PC chỉ có một cổng USB nối đến thiết bị lớn (như màn hình, máy in) rồi sử dụng thiết bị này làm hub cho những thiết bị nhỏ (như bàn phím, chuột, modem, máy quét, máy ảnh số,...) kết nối vào. Nhưng do lượng thiết bị tương thích USB không nhiều nên đến tận bây giờ, mô hình này vẫn chưa trở nên phổ biến như mong đợi.

    Nhược điểm của kiến trúc USB là phức tạp và khó điều khiển do giao thức tham vọng hỗ trợ tất cả thiết bị ngoại vi. Mặt khác với mô hình mà nhóm đề xuất USB đưa ra, giá thành thiết bị cũng buộc phải tăng lên. Đúng lúc này, chuẩn giao tiếp FireWire (IEEE 1394) xuất hiện khiến mức độ chấp nhận USB của người dùng "chùng" lại. Điều gì đến đã đến, USB phiên bản 2.0 mang mục đích cạnh tranh với FireWire ra đời.
    Nhóm phát triển đặc tả USB 2.0 gồm nhiều công ty tên tuổi như Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent, Microsoft, NEC và Philips. Tại diễn đàn các nhà phát triển Intel (Intel Developer Forum - IDF) tháng 2/1999, họ chỉ dám tiên đoán tốc độ USB 2.0 nhanh hơn USB 1.1 khoảng 10 đến 20 lần. Nhưng đến cuối năm, phiên bản USB 2.0 thương mại đầu tiên (phát hành mùa xuân 2000) đạt tốc độ nhanh hơn USB 1.1 đến 40 lần!

    USB 2.0 được phân thành 3 cấp hoạt động: Hi-Speed đạt băng thông 480 Mbps; 12 Mbps và 1,5 Mbps. Với mức tốc độ 480 Mbps, USB 2.0 ngang sức ngang tài với IEEE 1394 và con đường phát triển của hai chuẩn này không hề "dẫm chân" nhau. USB 2.0 phục vụ tất cả thiết bị ngoại vi PC còn IEEE 1394 thì chú trọng đến thiết bị nghe nhìn điện tử dân dụng. Ưu điểm nổi bật và cũng là ưu thế quan trọng của USB 2.0 trước IEEE 1394 là tương thích ngược đầy đủ. Các thiết bị USB hiện thời không cần thay đổi khi dùng trong hệ thống USB 2.0. Các thiết bị như chuột, bàn phím, game pad chuẩn USB 1.1 có thể hoạt động tốt qua cổng USB 2.0 và thiết bị Hi-Speed USB 2.0 vẫn có thể làm việc bình thường trên hệ thống USB 1.1 (nhưng tốc độ chỉ đạt tối đa 12 Mbps).

    IEEE 1394

    Còn được biết đến với tên Firewire, IEEE 1394 được chính thức công nhận bởi Viện Kỹ Thuật Điện và Điện Tử Mỹ vào năm 1995. Ban đầu, chuẩn này được Apple xây dựng nên các nhà sản xuất phải trả cho Apple 1 USD/cổng mỗi khi tích hợp giao tiếp này lên thiết bị của mình. Hội 1394 Trade được thành lập không lâu sau nhằm đẩy nhanh tốc độ ứng dụng IEEE 1394 trong lĩnh vực điện tử dân dụng, và đã thu hút được sự tham gia của Microsoft, Philips, National Semiconductor và Texas Instruments.

    IEEE 1394 có nhiều điểm tương đồng phiên bản USB đầu tiên nhưng nhanh hơn. Cả hai đều cho phép tháo lắp nóng và dùng cơ chế tuần tự nhưng IEEE 1394 cung cấp băng thông cao, tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn đáng kể so với USB. Giao tiếp IEEE 1394 có hai phần: một đặt trên tuyến bus chính của máy tính và một dùng trong giao tiếp điểm-điểm giữa thiết bị với máy tính qua cáp nối. Một cầu nối đơn giản sẽ liên kết hai môi trường. Bus trên máy tính hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu là 12,5, 25, 50 Mbps, còn tốc độ giao tiếp cáp đạt 100, 200, 400 Mbps, nhanh hơn kết nối 100BaseT Ethernet 4 lần và nhanh hơn nhiều so với USB 1.1. Đặc tả 1394b còn dự định áp dụng công nghệ truyền và mã hóa mới nhằm đưa tốc độ lên mức 800, 1.600, 3.200 Mbps. Nhờ tốc độ truyền cao mà IEEE 1394 được ứng dụng nhiều trong máy ảnh số, máy quay, máy in, TV, card mạng và thiết bị lưu trữ lớn.
    Cổng nối cáp IEEE 1394 có sẵn đường dẫn điện bên trong nhưng được thiết kế an toàn, không gây giật. Những đầu nối này được phát triển dựa trên đầu nối trong máy Nintendo GameBoy với kiểu nhỏ gọn và dễ lắp đặt. Hơn nữa, hệ thống IEEE 1394 không yêu cần thiết lập teminator (tại điểm đầu, điểm cuối chuỗi thiết bị) hoặc chọn ID.

    IEEE 1394 dùng cáp 6 dây và có thể dài đến 4,5m, gồm 2 cặp dây dữ liệu và 1 cặp dẫn điện (8-30 V, 1,5A); gần giống cáp chuẩn 10BaseT Ethernet. Trong tương lai, chiều dài hiệu quả và băng thông của cáp có thể tăng lên mà không cần dùng bộ lặp (bộ khuếch đại).
    Chuẩn IEEE 1394 truyền dữ liệu đẳng thời vận hành theo cơ chế phát rộng (broadcast) nên dữ liệu có thể chia sẻ cho nhiều thiết bị khác nhau. Hệ thống có thể thiết lập truyền đa kênh (tối đa 63 kênh) đồng thời trên một bus 1394. Vì chế độ truyền đẳng thời chỉ chiếm tối đa 80% băng thông nên hệ thống vẫn có thể tiến hành truyền bất đồng bộ dữ liệu trên băng thông còn lại.
    Kiến trúc mở và sự linh hoạt trong mô hình kết nối ngang hàng giúp IEEE 1394 lý tưởng với thiết bị giao tiếp tốc độ cao như máy tính, đĩa cứng, phần cứng video và âm thanh số.
    Mỗi tuyến bus 1394 cho phép 63 thiết bị kết nối vào theo dạng chuỗi hoặc cây. Hiện tại, mỗi thiết bị có thể cách nhau tối đa 4,5m; khoảng cách có thể tăng lên nếu bạn dùng bộ lặp hoặc  cáp chất lượng cao. Hơn 1.000 tuyến bus có thể nối vào bridge nên khả năng mở rộng hệ thống là rất lớn.

    Chuẩn còn cho phép giao dịch với thiết bị tại nhiều mức tốc độ khác nhau. Ví dụ, một số thiết bị có thể giao tiếp 100 Mbps trong khi số khác đạt tốc độ 200 hoặc 400 Mbps. Thiết bị IEEE 1394 có thể tháo lắp nóng trong lúc đang hoạt động. Khi thay đổi thông số cấu hình, mô hình kết nối của hệ thống cũng được tự động nhận diện mà không yêu cầu người dùng định lại địa chỉ và chỉ định bus.
    Địa chỉ chuẩn dùng mã 64 bit, trong đó 10 bit cho định danh mạng, 6 bit cho định danh node và 48 bit địa chỉ bộ nhớ. Nhờ vậy, chuẩn có thể hỗ trợ 1.023 mạng 63 node và bộ nhớ mỗi node có thể lên đến 281TB.
    Do phải dùng đến hai chip điều khiển mà thiết bị IEEE 1394 đắt hơn thiết bị SCSI, IDE hoặc USB nên không phù hợp với thiết bị ngoại vi tốc độ thấp. Tuy nhiên, kết nối IEEE 1394 rất triển vọng trong môi trường ứng dụng cao cấp như biên tập phim số. Rõ ràng là ngày càng có nhiều thiết bị điện tử dân dụng được trang bị cổng IEEE 1394 như máy quay số, đầu VCR, hộp giải mã truyền hình và TV. Hiện nay, lĩnh vực ứng dụng chuẩn IEEE 1394 nhiều nhất đang là máy quay số và dưới hình thức cổng iLink.

    Năm 1997, Compaq, Intel và Microsoft dự thảo một chuẩn công nghiệp mới gọi là Device Bay nhằm kết hợp giao tiếp IEEE 1394 với USB. Device Bay cung cấp một một khay mở rộng (như trên máy tính xách tay) và cho phép trượt đĩa cứng hoặc ổ CD-ROM vào một cách dễ dàng. Tuy nhiên, do Apple "khư khư" giữ lấy công nghệ này để thu phí sử dụng nên nhiều nhà sản xuất không mặn mà nữa. Bên cạnh đó, do ban đầu chuẩn thiết kế hỗ trợ truyền dữ liệu đẳng thời nên vẫn thích hợp với môi trường ứng dụng video số hơn.ÿ

    Duy Khánh

    ID: A0401_72