USB да и только,или «Убийца» наследуемых интерфейсов

Когда заходит речь о переходе на какую-либо новую технологию, будь то USB, AGP или Ultra ATA, основные вопросы, которые задает прагматичный пользователь, просты и понятны: зачем (чем новое лучше старого?) и почем (на сколько новое дороже?).
В этой статье мы поговорим об устройствах, подключаемых к USB, основным же стимулом к ее написанию стало то, что на второй вопрос уже смело можно ответить: "Да практически ни на сколько!". Действительно, если сейчас пользователь встает перед необходимостью покупать какое-то устройство, которое существует как в варианте, подключаемом к USB, так и в других, "надбавка за USB-совместимость" либо минимальна, либо вовсе отсутствует. А значит, на первое место выходит вопрос номер один: зачем?

Немного истории

Не так давно среди основных законодателей мод компьютерного рынка родилось очередное глобальное течение, получившее название "отказ от наследуемых интерфейсов". Что же это за интерфейсы, почему они "наследуемые" и почему так жизненно необходимо от них отказываться? Для начала просто перечислим их "поименно":

• COM-порты;
• LPT-порт;
• интерфейсы клавиатуры и PS/2-мыши.

Так почему же все эти интерфейсы названы "наследуемыми"? Самое простое объяснение звучит так. Если поставить рядом PC XT (8086) и сверхсовременный компьютер на базе процессора Pentium III и сравнить их, то что мы видим? На компьютере с Pentium III — другой процессор (естественно), другой чипсет, другой жесткий диск (на XT обычно стояли не IDE-, а MFM-винчестеры), другая видеокарта, память, в общем, казалось бы, все другое, но… что это? Да, именно они — COM-порты, порт принтера и разъем клавиатуры. Это — то, что в практически неизменном виде досталось всем современным ПК в наследство от их далеких прапрабабушек. Правда, PS/2-мышь немного "моложе" — она впервые появилась на 286-х компьютерах компании IBM. Именно поэтому и именуют подобные интерфейсы "наследуемыми". Чем же это плохо?

Каждому устройству —
по контроллеру?

Перефразируя старую истину, можно сказать: "Во многих интерфейсах — многие печали". И действительно, что получается? Клавиатура "старого образца" должна подключаться к собственному, только ей выделяемому разъему, который обслуживается ее же собственным контроллером. Примитивнейшее (по сравнению, к примеру, с жестким диском или видеокартой) устройство требует своего контроллера! То же самое — мышь PS/2. COM-порт (за исключением различных экзотических вариантов) используется лишь двумя типами устройств — внешними модемами или мышью. Порт принтера — аналогично, тоже два устройства (принтер и/или сканер). Таким образом, на материнской плате "живет" большое количество различных контроллеров, и все, что они должны делать, — ожидать заветного момента, когда к ним будет подключено то единственное устройство, которое они умеют обслуживать. Причем в очень многих случаях этот момент так никогда и не наступает: COM-порты в офисном компьютере с материнской платой формата ATX чаще всего стоят без дела, а LPT-порт задействован только на немногих, использующих локальный (не сетевой) принтер.

Свет в конце тоннеля…

Выход из положения, который нам предлагают, — шина USB (Universal Serial Bus, универсальная последовательная шина). К ней можно подключить клавиатуру, мышь, сканер, принтер, модем, колонки, внешний CD-ROM/CD-RW, видеокамеру… Словом, практически любое из существующих внешних устройств компьютера сейчас представлено и в USB-варианте. При этом, по сравнению с "классическими", такие устройства обладают рядом несомненных преимуществ (собственно, эти преимущества связаны не с ними, а именно с шиной, к которой они подключаются):

• Динамическое подключение/отключение прямо в процессе работы, даже без перезагрузки ОС. Кстати, неочевидное, но очень полезное следствие: если вы случайно что-то выдернете из разъема, компьютер от этого не зависнет.
• Универсальность и простота самого процесса подключения — любое устройство может быть включено в любой свободный разъем.
• Получение питания прямо от разъема, без дополнительного шнура. Те, кто хоть раз с угрозой падения запутывался в многочисленных шлейфах, висящих сзади компьютера, как гирлянды на новогодней елке, по достоинству оценят интерфейс, позволяющий хотя бы частично сократить их количество.

Это "пользовательские" преимущества. Но есть и те, что придутся по душе компьютерным специалистам, а именно — решение "вечной, как x86-системы" проблемы нехватки IRQ. С ней сталкивались, наверное, все, кто устанавливал на компьютер более двух плат расширения (не считая видеокарты). И для систем с наследуемыми интерфейсами это естественно: COM-порты, LPT, мышь PS/2, клавиатура "съедают" целых пять IRQ. А USB-контроллер, к которому можно подключить все, что ранее подключалось к этим интерфейсам, использует всего одно.

Недостаток же, и весьма существенный, заключался в очень плохой поддержке, причем со всех сторон. Ни для кого не секрет, что работа USB-устройств в Windows 95 и NT была весьма посредственной (заставить USB-устройство работать под NT считалось задачей почти безнадежной). Первая редакция Windows 98 ситуацию значительно улучшила, но и там были проблемы. К тому же реализация шины USB у некоторых наборов логики (к примеру, у чипсетов VIA для Socket 7/Super 7) тоже давала немало поводов для нареканий. Вносили свою лепту и неотлаженные драйверы производителей устройств. В общем, хорошей идее явно не везло с исполнением.

Однако уже вышли новые чипсеты, поддерживающие даже четыре порта USB, вышла Windows 98 Second Edition, и мы решили, что пришло время еще раз проверить возможность реальной работы в системе, полностью свободной от наследуемых интерфейсов. От тестирования под управлением ОС Windows 2000 мы вынуждены были отказаться, так как выяснилось, что из всех выбранных нами устройств половина не имеет нужных драйверов или же драйверы присутствуют только в бета-версиях. Поэтому мы не будем портить ни себе, ни читателю впечатления о Windows 2000 и вернемся к этой теме позже, когда поддержка со стороны производителей устройств выйдет на должный уровень.

Проверим все на деле

EPoX EP-USB66 – внутренний USB-хаб и контроллер ATA/66

Для тестирования была выбрана платформа, сочетающая продвинутые возможности с невысокой ценой: материнская плата на чипсете VIA Apollo Pro 133A (поддерживающем четыре порта USB), Celeron 433 и 128 MB PC100 SDRAM. Прочее оснащение, в принципе, несущественно, однако приведем и его: жесткий диск IBM Deskstar 22GPX 13 GB (7200 об/мин), видеокарта Diamond Viper 770. И жесткий диск, и видеокарта могли бы быть значительно более слабыми, на результатах нашего теста это бы никак не отразилось. А вот список USB-устройств существенно обширнее:

• клавиатура Chicony KU-2971;
• мышь A4Tech WWU-5 (3 кнопки, 2 колесика);
• колонки Philips DSS370 (2 колонки и сабвуфер);
• сканер UMAX Astra 2000U;
• принтер Lexmark Optra 310E;
• дисковод сменных жестких дисков Castlewood ORB 2.2 GB;
• модем ST Microelectronics Pegas.USB V.90;
• Ethernet-адаптер Silicom 10 Mbps;
• TV-Tuner с видеокамерой LifeView USB LifeTV Kit.

Внешний USB-хаб от Surecom

Так как число USB-устройств превышало количество портов USB на материнской плате, некоторые устройства были подключены через USB-хабы. Всего использовалось два хаба USB — один внутренний (вставляемый в PCI-слот на плате) и один внешний. Роль внутреннего хаба выполняла комбинированная плата EPoX EP-USB66 — контроллер Ultra ATA/66 и концентратор USB на 4 порта (возможности контроллера Ultra ATA в данном случае просто не задействовались). Второй хаб — внешний Surecom EP-1004P — также имеет 4 порта. В EP-1004P интересно решена проблема потребляемой мощности: он может брать питание прямо с разъема USB, но если к нему будет подсоединяться какое-нибудь особенно мощное устройство, допускается использование и внешнего БП.

Приведем отдельно схему подключения устройств к портам USB:

1-й порт: принтер.
2-й порт: сканер.
3-й порт: хаб EPoX EP-USB66, к которому были подключены:

• модем;
• адаптер Ethernet;
• мышь;
• видеокомплект LifeTV.

4-й порт: хаб Surecom EP-1004P, к которому были подключены:

• клавиатура;
• Castlewood ORB;
• колонки.

Еще раз подчеркнем, что все эти устройства подсоединялись к компьютеру одновременно.

Естественно, вряд ли такая конфигурация оборудования может встретиться в реальной жизни. Однако она интересна именно тем, что большое количество устройств (многие из них к тому же достаточно сильно "нагружают" шину передаваемыми и/или принимаемыми данными), создает немало потенциальных проблем — совместимости, потребления энергии, одновременной работы (арбитраж) и пр. Таким образом, наша конфигурация являлась своего рода "стресс-тестом". Основная задача, которую мы перед собой ставили, — выявить слабые места системы, оснащенной большим количеством USB-устройств, и, по возможности, разработать тактику, позволяющую эти слабые места обходить без ущерба для функциональности и удобства работы.

Экзамен первый:
установка Windows

Чтобы посмотреть, насколько хорошо ОС обнаружит и правильно опознает наличие множества USB-устройств, мы намеренно усложнили задачу и не подключали их по очереди, а, подключив сразу все, отформатировали диск C: и запустили заново процесс инсталляции Windows 98 SE. Нужно сказать, что ОС вышла из этого испытания с честью: USB-мышь и клавиатура корректно распознались, колонки также были "узнаны", и первая загрузка Windows сопровождалась приличествующими данному событию "фирменными фанфарами" от Microsoft. Все остальные устройства присутствовали в менеджере устройств как определенные, но системе не известные. Из "тонкостей" следует упомянуть следующую: для того чтобы мышь и клавиатура были доступны в процессе работы Windows Setup, необходимо разрешить в BIOS пункт Legacy для USB Keyboard и Mouse. Нужно отметить, что не все BIOS имеют соответствующий пункт для USB-мыши, в некоторых Legacy доступен только для клавиатуры, и в этом случае мышь в процессе инсталляции Windows функционировать не будет. Также не стоит удивляться, когда по завершении установки вы обнаружите в списке устройств по две мыши и клавиатуры. Это следствие того, что BIOS эмулирует стандартную мышь и клавиатуру для программ DOS, не умеющих работать с USB-устройствами.

Экзамен второй:
работа устройств

Мы не будем подробно описывать конкретные модели устройств, принявших участие в тестировании, но все же остановимся кратко на моментах, которые могут представлять интерес для пользователей, не работавших ранее с USB.

Клавиатура Chicony KU-2971 внешне ничем не отличается от обычной модели PS/2, и, в принципе, если не видеть разъема, ее легко спутать со стандартной. Видимо, уже проходят времена, когда производители оснащали свои USB-устройства "по высшему разряду", назначая им и соответствующую цену. KU-2971 — самая обыкновенная клавиатура, и цена ее ($12) вполне соизмерима с ценами на такие же клавиатуры стандартов AT или PS/2. В процессе тестирования она вела себя также самым обыкновенным образом, ни разу не дав почувствовать "нестандартность" своего интерфейса.

Мышь A4Tech WWU-5, напротив, оснащена всеми самыми современными средствами, облегчающими пользователю навигацию в программах, — два колесика для вертикальной и горизонтальной прокрутки и дополнительная программируемая кнопка сбоку. К сожалению, с драйверами возникла небольшая проблема: если использовать стандартный драйвер Windows для USB-мыши, то все идет нормально, но если установить фирменный (предоставляющий полный доступ к продвинутым возможностям), то после переключения мыши в другой разъем Windows ее "теряет". Помогает в этом случае только удаление и повторная инсталляция драйверов. Впрочем, такие мелкие погрешности, как правило, оперативно устраняются производителями в следующих версиях ПО.

Колонки Philips DSS370 не относятся к нижней ценовой группе, и это понятно: достаточно большой размер, оригинальный дизайн, глубокие басы, сабвуфер в комплекте — такую акустическую систему купит только человек, предъявляющий высокие требования к звуку. Интерфейс USB в данном контексте выглядит скорее как приятное дополнение, чем как основное достоинство, и естественно, сохранена возможность комбинированного подключения и к USB, и к обычной звуковой карте. Правда, это не значит, что звуковая карта обязательна — в программах и играх для Windows звук будет и без оной (в DOS — нет). Интересная особенность — возможность "полностью цифрового" CD Audio. Для этого нужно вызвать апплет Мультимедиа на Панели управления, сделать USB Audio устройством по умолчанию и отметить флажок Использовать цифровой выход в свойствах музыкального компакт-диска. В этом случае звук будет "напрямую" сниматься с компакт-диска, поступать на колонки по шине USB в цифровом виде и уже там непосредственно преобразовываться в аналоговый сигнал. Это позволяет свести к минимуму потери в качестве, обычно вносимые аналоговым трактом звуковой карты.

Процесс установки драйверов Silicom USB Ethernet, настройки сети и последующей работы также ничем не отличался от аналогичной процедуры для любой другой сетевой карты. Правда, скорость копирования файла с сетевого диска на локальный была несколько меньше, чем при использовании 10-мегабитовой PCI-карты на чипе Realtek RTL8029 — пиковое значение скорости для USB-адаптера составило 560 KBps, в то время как PCI-карта показала производительность до 770 KBps. Однако основное достоинство USB Ethernet — не скорость, а возможность динамического подключения/отключения. Мы проделали опыт с отключением USB Ethernet от работающего компьютера с загруженной ОС и последующим включением в другой разъем USB. Тест прошел без сучка, без задоринки — адаптер был опознан, динамически (без перезагрузки) включен в список работающих устройств, и машина снова "увидела" сеть. Дополнительно мы провели особо жесткий тест: отключили адаптер в процессе копирования файлов с сетевого диска на локальный. Естественно, было выдано предупреждение о невозможности прочитать файл, однако после того как мы снова подключили адаптер и нажали кнопку Повтор, копирование продолжилось! Так что по дисциплине "динамическое подключение" USB Ethernet честно заработал пять с плюсом.

Castlewood ORB в USB-варианте уже описывался в предыдущих номерах, поэтому останавливаться на его работе мы не будем. В основном нас интересовало то, как шина USB будет реагировать на большое количество устройств, активно использующих ее для передачи данных.

Сканер UMAX Astra 2000U при первом подключении автоматически определился, после чего был запрошен диск с драйверами и установка успешно завершилась без перезагрузки. Однако есть тут все же небольшое противоречие: хоть устройство и было установлено, пользоваться им не представлялось возможным, так как инсталлируются только сами драйверы, но не TWAIN-модуль. Программа же установки последнего запускается отдельно, и по завершении работы требует перезапуска ОС. Однако так произошло только в первый раз, в дальнейшем сканер можно было подключать в любой момент без перезагрузки.

Модем ST Microelectronics Pegas. USB сначала поражает своими размерами — пожалуй, это самый маленький модем, который нам приходилось видеть. Естественно, он полностью программный, т. е. все функции обработки информации возлагаются им на центральный процессор компьютера. Несомненным плюсом является то, что питание модем получает тоже по USB, что позволяет с одинаковым удобством использовать его как в домашних условиях, так и в дороге, например с ноутбуком.

Комплект из TV-тюнера и видеокамеры — пожалуй, самое "экзотичное" из всех предоставленных для тестирования устройств. Честно говоря, мы сильно сомневались, что TV-тюнер, по определению весьма требовательный к полосе пропускания, сможет нормально работать на шине USB при этом еще и "давая жить" другим подключенным к ней устройствам. Оказалось, что мы и правы, и не правы: будучи подcоединенным к одному хабу с USB Ethernet тюнер позволял вполне комфортабельно работать с сетью одновременно с показом телевизионной программы, но… одним словом, это не телевизор — отсутствия рывков изображения удавалось достичь только при размере окна не более 320 x 200 точек. То же можно сказать и о работе видеокамеры. Хотя если учесть, что оба устройства запитываются прямо от USB, не требуя дополнительного блока питания, подобный набор может приглянуться пользователям ноутбуков. Кстати, комплект USB LifeTV Kit также оснащен достаточно оригинальным дополнением, призванным решить проблемы потребляемой мощности. На случай, если поступающего с разъема USB питания не хватит для нормальной работы, к набору прилагается дополнительный кабель, позволяющий запитывать устройство от разъема клавиатуры PS/2.

Принтер Lexmark Optra E310 имеет сразу два интерфейса — традиционный LPT и USB. Варианты подключения могут быть любыми: только LPT, только USB или даже одновременно LPT и USB (хотя вряд ли это имеет смысл). После установки всех драйверов появляется новый порт USB-Lexmark Optra E310, который и нужно выбирать в настройках принтера, если вы хотите использовать для печати интерфейс USB. Кроме стандартного теста на динамическое подключение/отключение (принтер его прошел, ОС работала нормально), мы также воспользовались редкой возможностью проверить скоростные преимущества USB на устройстве, обладающем как "новым" (USB), так и "старым" (LPT) вариантами интерфейса. Замерялось время от посылки задания на печать до начала печати (т. е. сигнала о том, что все данные в принтер уже загружены). Выводилось цветное изображение формата А4 (обложка журнала "Hot Line"), отсканированное с разрешением 300 dpi. Результаты говорят сами за себя: при использовании параллельного порта время от посылки задания до начала печати составило 20 с, а через USB — 11 с.

"Гладко было на бумаге…"

Сначала о некоторых мифах, которые благодаря настойчивым утверждениям производителей устройств уже успели прижиться. Во-первых, постоянно звучащая фраза "USB-устройства при установке не требуют перезагрузки ОС…" часто верна только с поправкой "…во все последующие разы после успешной инсталляции драйверов". Это означает, что при подключении USB-устройства к компьютеру в первый раз чаще всего перезагрузка все же нужна.

Во-вторых, арбитраж оборудования, разделяющего канал USB, оказался не настолько хорош, чтобы на одном порту могли параллельно работать и не мешать друг другу два и более устройства, активно передающих или принимающих данные. Например, если мы подключали USB Ethernet и Castlewood ORB к одному хабу и начинали копирование файла с сетевого диска на ORB, пиковая скорость составляла всего 150 KBps, что гораздо меньше чем половина пропускной способности шины USB. Таким образом, мы видим, что арбитраж на USB вполне реален (устройства не "передрались" и смогли совместно работать на одном канале), но скорость при этом падает чрезвычайно сильно. Именно поэтому современные чипсеты от VIA Technologies, поддерживающие до четырех портов USB, выглядят гораздо привлекательнее для сборки систем, оснащенных большим количеством USB-устройств.

В-третьих, далеко не все производители USB-устройств считают возможным использовать питание, предоставляемое разъемом этой шины. И даже те, кто в принципе допускает это, все равно "подстраховываются", прилагая к своим устройствам отдельный блок питания или другие средства решения проблемы.

Несколько полезных советов

Действительно, не все проходит так гладко, как это часто выглядит на бумаге. Но тот факт, что компьютер с подключенными к нему девятью (!) USB-устройствами работал вполне стабильно и показывал хорошее время отклика при выполнении стандартных операций, явно свидетельствует об одном: время USB уже пришло. Есть еще над чем работать и производителям самих устройств, и пишущим драйверы программистам. Но кое-какие шаги, позволяющие повысить надежность и быстродействие системы, могут быть сделаны и самими пользователями ПК. Вкратце опишем те приемы, которые мы путем "проб и ошибок" выработали в процессе работы над этой статьей.

1. Если одно или несколько устройств, подключенных к USB, работают нестабильно и время от времени перестают реагировать на ваши действия, вполне возможно, виноват слабый блок питания компьютера. В общем, мы не рекомендуем экспериментировать с установкой большого количества USB-устройств на машины с БП менее 250 Вт.

2. Если число используемых вами USB-устройств превышает количество портов на материнской плате, вы будете вынуждены использовать USB-концентраторы (хабы). В этом случае постарайтесь сделать так, чтобы к одному хабу не подключалось более одного устройства, требующего широкой полосы пропускания (дисковод сменных носителей, CD-ROM/CD-RW, сетевой адаптер, принтер, сканер). Словом, старайтесь "прожорливое" оборудование разнести на разные порты — это значительно увеличит его производительность.

3. Если ресурсоемких устройств все же больше, чем портов USB, задумайтесь, какие из них вы не будете использовать параллельно. Пару таких устройств вполне можно подключить к одному хабу, так как в определенный момент времени вы все равно будете работать только с одним из них.

4. Последний совет хорош всегда, но в нашем случае особенно: при любой возможности проверяйте наличие новых драйверов на сайтах производителей. Процесс их "притирки" к USB еще далеко не завершен, так что вероятность решения проблемы просто обновлением драйверов достаточно велика.

USB — это вполне реально

Результаты нашего тестирования свидетельствуют, что на сегодняшний день системы Legacy Free (т. е. свободные от наследуемых интерфейсов) вполне жизнеспособны и могут быть воплощены "в железе", а не только на страницах спецификаций. Конечно же, и операционным системам, и самому "железу USB" еще не хватает того отлаженного автоматизма, с каким работают старые интерфейсы. Но этап, когда USB-устройства были экзотикой, уже прошел. А если вспомнить историю "становления" других интерфейсов, например Ultra ATA и AGP, то вполне логично предположить, что именно "под USB" будут выходить сейчас наиболее передовые по возможностям массовые устройства. А спецификация USB 2.0, в которой полоса пропускания увеличена в 20 раз, должна существенно расширить скоростные возможности этого интерфейса. Похоже, что по массовости и универсальности всем прочим интерфейсам тягаться с USB будет необычайно сложно.

Устройства предоставлены компаниями:
DataLux, тел. (044) 244-8086; K-Trade, тел.
(044) 252-9222; Unitrade, тел. (044) 462-0549;
"Алсита", тел. (044) 244-613; "Евро Плюс", тел.
(044) 271-3741; "Стелс Компьютерс",
тел. (044) 559-7818