В вычислительной технике устройство Plug and Play ( PnP ) или компьютерная шина — это устройство со спецификацией, которая облегчает распознавание аппаратного компонента в системе без необходимости конфигурации физического устройства или вмешательства пользователя при разрешении конфликтов ресурсов. [1] [2] С тех пор термин «включи и работай» распространился на широкий спектр приложений, к которым применяется такое же отсутствие пользовательской настройки. [3] [4]
Устройства расширения управляются и обмениваются данными с хост-системой через определенные адреса памяти или пространственных портов ввода -вывода , каналы прямого доступа к памяти , линии запроса прерываний и другие механизмы, которые для работы должны быть однозначно связаны с конкретным устройством. Некоторые компьютеры предоставляли уникальные комбинации этих ресурсов для каждого слота материнской платы или объединительной платы . Другие конструкции предоставляли все ресурсы всем слотам, и каждое периферийное устройство имело собственное декодирование адресов для регистров или блоков памяти, необходимых для связи с хост-системой. Поскольку фиксированные назначения затрудняли расширение системы, устройства использовали несколько ручных методов назначения адресов и других ресурсов, таких как проводные перемычки, контакты, которые можно было соединить с помощью проводов или съемных ремешков, или переключатели, которые можно было настроить для определенных адресов. [5] Поскольку микропроцессоры сделали компьютеры для массового рынка доступными, программная настройка устройств ввода-вывода была выгодна, позволяя устанавливать их неспециалистам. Ранние системы для настройки программного обеспечения устройств включали стандарт MSX , NuBus , Amiga Autoconfig и IBM Microchannel. Первоначально все карты расширения для IBM PC требовали физического выбора конфигурации ввода-вывода на плате с помощью перемычек или DIP-переключателей , но все чаще устройства шины ISA были организованы для настройки программного обеспечения. [6] К 1995 году Microsoft Windows включала комплексный метод подсчета оборудования во время загрузки и распределения ресурсов, который назывался стандартом «Plug and Play». [7]
Устройства Plug and Play могут иметь ресурсы, выделяемые только во время загрузки, или могут представлять собой системы горячего подключения , такие как USB и IEEE 1394 (FireWire). [8]
Некоторые ранние периферийные устройства микрокомпьютеров требовали от конечного пользователя физически перерезать одни провода и спаять другие, чтобы внести изменения в конфигурацию; [9] такие изменения должны были быть в основном постоянными на протяжении всего срока службы оборудования.
По мере того как компьютеры становились более доступными для широкой публики, возникла необходимость в более частых изменениях со стороны пользователей компьютеров, не умеющих пользоваться паяльниками. Вместо резки и пайки соединений конфигурация выполнялась с помощью перемычек или DIP-переключателей . Позже этот процесс настройки был автоматизирован: Plug and Play. [6]
Система MSX , выпущенная в 1983 году [10] , с самого начала была спроектирована так, чтобы ее можно было использовать по принципу «включай и работай», и это достигалось за счет системы слотов и подслотов, каждый из которых имел свое собственное виртуальное адресное пространство , что устраняло конфликты адресации устройств в его очень источник. Никаких перемычек или какой-либо ручной настройки не требовалось, а независимое адресное пространство для каждого слота позволяло использовать очень дешевые и обычные микросхемы наряду с дешевой связующей логикой . Что касается программного обеспечения, драйверы и расширения поставлялись в собственном ПЗУ карты, поэтому для настройки программного обеспечения не требовалось никаких дисков или какого-либо вмешательства пользователя. Расширения ПЗУ абстрагировали любые аппаратные различия и предлагали стандартные API, как указано корпорацией ASCII .
В 1984 году Массачусетский технологический институт (MIT) [11] разработал архитектуру NuBus как независимый от платформы периферийный интерфейс, полностью автоматизирующий настройку устройств. Спецификация была достаточно интеллектуальной, чтобы работать как с компьютерными платформами с прямым порядком байтов , так и с прямым порядком байтов , которые ранее были взаимно несовместимы. Однако этот агностический подход увеличивал сложность интерфейса и требовал вспомогательных микросхем на каждом устройстве, что в 1980-х годах было дорого делать, и, за исключением использования в машинах Apple Macintosh и NeXT , эта технология не получила широкого распространения.
В 1984 году компания Commodore разработала протокол Autoconfig и шину расширения Zorro для своей линейки расширяемых компьютеров Amiga . Первое публичное появление произошло на компьютерной выставке CES в Лас-Вегасе в 1985 году с так называемым прототипом «Лотарингии». Как и NuBus, устройства Zorro не имели абсолютно никаких перемычек или DIP-переключателей. Информация о конфигурации хранилась на устройстве только для чтения на каждом периферийном устройстве, и во время загрузки хост-система выделяла запрошенные ресурсы установленной карте. Архитектура Zorro не получила широкого распространения за пределами линейки продуктов Amiga, но в конечном итоге была модернизирована до Zorro II и Zorro III для более поздних версий компьютеров Amiga.
В 1987 году IBM выпустила обновление для IBM PC , известное как линейка компьютеров Personal System/2, использующее архитектуру Micro Channel . [12] PS/2 имел возможность полностью автоматической самоконфигурации. К каждому аппаратному обеспечению расширения прилагалась дискета, содержащая специальный файл, используемый для автоматической настройки оборудования для работы с компьютером. Пользователь устанавливал устройство, включал компьютер, загружал информацию о конфигурации с диска, и оборудование автоматически назначало прерывания, DMA и другие необходимые настройки.
Однако диски представляли проблему, если они были повреждены или утеряны, поскольку в то время единственными способами получить замену были по почте или через коммутируемую службу BBS IBM . Без дисков любое новое оборудование было бы совершенно бесполезным, а компьютер иногда вообще не загружался, пока не было удалено ненастроенное устройство.
Micro Channel не получила широкой поддержки [13] , потому что IBM хотела исключить производителей клонов из этой вычислительной платформы следующего поколения. Любой, кто занимается разработкой для MCA, должен был подписать соглашение о неразглашении информации и платить IBM роялти за каждое проданное устройство, что увеличивало цену на устройства MCA. Конечные пользователи и производители клонов восстали против IBM и разработали собственную шину открытых стандартов, известную как EISA. В результате использование MCA прекратилось, за исключением мэйнфреймов IBM.
Со временем во многие карты промышленной стандартной архитектуры (ISA) были включены, посредством запатентованных и разнообразных технологий, аппаратные средства для самостоятельной настройки или обеспечения конфигурации программного обеспечения; часто карта поставлялась с программой конфигурации на диске, которая могла автоматически устанавливать программно-конфигурируемое (но не самонастраивающееся) оборудование. Некоторые карты имели как перемычки, так и программную конфигурацию, причем каждая из них контролировала некоторые настройки; этот компромисс уменьшил количество перемычек, которые необходимо было установить, избежав при этом больших затрат на определенные настройки, например энергонезависимые регистры для настройки базового адреса. Проблемы с необходимыми перемычками продолжались, но постепенно уменьшались по мере того, как все больше и больше устройств, как ISA, так и других типов, включали дополнительное оборудование для самоконфигурации. Однако эти усилия по-прежнему не решили проблему обеспечения конечного пользователя соответствующим программным драйвером для оборудования.
ISA PnP или (устаревшая) Plug & Play ISA представляла собой систему plug-and-play, в которой использовалась комбинация модификаций аппаратного обеспечения, системного BIOS и программного обеспечения операционной системы для автоматического управления распределением ресурсов. В середине 1990-х годов на смену ей пришла шина PCI .
Технология PCI Plug and Play (автоконфигурация) основана на спецификации PCI BIOS 1990-х годов, спецификация PCI BIOS заменена ACPI в 2000-х годах.
В 1995 году Microsoft выпустила Windows 95 , которая старалась максимально автоматизировать обнаружение и настройку устройств, но при необходимости все же могла вернуться к ручным настройкам. Во время первоначального процесса установки Windows 95 она попытается автоматически обнаружить все устройства, установленные в системе. Поскольку полное автоматическое обнаружение всего было новым процессом без полной отраслевой поддержки, процесс обнаружения постоянно записывал в файл журнала отслеживания прогресса во время процесса обнаружения. В случае сбоя проверки устройства и зависания системы конечный пользователь может перезагрузить компьютер, перезапустить процесс обнаружения, а установщик будет использовать журнал отслеживания, чтобы пропустить точку, вызвавшую предыдущее зависание. [14]
В то время в системе могло быть множество устройств, некоторые из которых допускали автоматическую настройку, а некоторые все еще использовали полностью ручную настройку с помощью перемычек и DIP-переключателей. Старый мир DOS все еще скрывался под Windows 95, и системы можно было настроить на загрузку устройств тремя различными способами:
Microsoft не могла обеспечить полный контроль над всеми настройками устройства, поэтому файлы конфигурации могут включать в себя смесь записей драйверов, вставленных в процессе автоматической настройки Windows 95, а также могут включать записи драйверов, вставленные или измененные вручную самими пользователями компьютера. Диспетчер устройств Windows 95 также может предлагать пользователям на выбор несколько полуавтоматических конфигураций, чтобы попытаться освободить ресурсы для устройств, которые все еще нуждаются в ручной настройке.
Кроме того, хотя некоторые более поздние устройства ISA были способны к автоматической настройке, карты расширения ISA для ПК обычно ограничивались очень небольшим количеством вариантов линий запроса прерывания. Например, сетевой интерфейс может ограничиться только прерываниями 3, 7 и 10, а звуковая карта может ограничиться прерываниями 5, 7 и 12. Это приводит к небольшому выбору конфигурации, если некоторые из этих прерываний уже используются какое-то другое устройство.
Аппаратное обеспечение ПК-компьютеров дополнительно ограничивало возможности расширения устройства, поскольку прерывания не могли быть разделены, а некоторые многофункциональные карты расширения использовали несколько прерываний для различных функций карты, например, двухпортовая последовательная карта, требующая отдельного прерывания для каждого последовательного порта.
Из-за сложной операционной среды процесс автоопределения иногда давал неправильные результаты, особенно в системах с большим количеством устройств расширения. Это приводило к конфликтам устройств в Windows 95, в результате чего устройства, которые должны были полностью самонастраиваться, не работали. Ненадежность процесса установки устройства привела к тому, что Plug and Play иногда называли Plug and Pray . [15]
Примерно до 2000 года компьютеры ПК все еще можно было приобрести с сочетанием слотов ISA и PCI, поэтому все еще было возможно, что может потребоваться ручная настройка устройства ISA. Но после последовательных выпусков новых операционных систем, таких как Windows 2000 и Windows XP, у Microsoft было достаточно влияния, чтобы заявить, что драйверы больше не будут предоставляться для старых устройств, не поддерживающих автоматическое обнаружение. В некоторых случаях пользователю приходилось приобретать новые устройства расширения или совершенно новую систему для поддержки следующего выпуска операционной системы.
В настоящее время используется несколько полностью автоматизированных компьютерных интерфейсов, каждый из которых не требует никакой настройки устройства или других действий со стороны пользователя компьютера, кроме установки программного обеспечения для самонастраивающихся устройств. Эти интерфейсы включают в себя:
Для большинства этих интерфейсов конечному пользователю доступно очень мало технической информации о производительности интерфейса. Хотя и FireWire, и USB имеют полосу пропускания, которая должна использоваться всеми устройствами, большинство современных операционных систем не могут отслеживать и сообщать об объеме используемой или доступной полосы пропускания или определять, какие устройства в данный момент используют этот интерфейс. [ нужна цитата ]
Службы времени выполнения (обнаруживаемые только в программном обеспечении) занимают центральное место в Windows... которая находит заголовок Plug and Play, а затем вызывает службы времени выполнения. ... Windows 95 включает мастер «Добавление нового оборудования».
На карте Disk II, пока Apple II простаивал, я измерил 600 мВ... Отрежьте дорожку для питания стороны B VCC 3,3, намотайте провод и припаяйте его к +5 В.
К моменту запуска PS/2 в 1987 году IBM PC… Линия была запущена в апреле 1987 года с… новой шиной расширения, получившей название Micro Channel Architecture.
PS/2 на основе собственной архитектуры MicroChannel… оказался не тем, что требовал рынок.
Итак, Plug and Play звучит здорово, не так ли? Ну, это так... когда все работает правильно (поэтому это иногда еще называют «Подключи и молись»!)