Последовательная универсальная шина USB (Universal Serial Bus). Что такое шина USB? Последовательные шины usb

Шина USB предназначена для сопряжения ПК с различными устройствами типа телефона, факса, модема, сканера, автоответчика, клавиатуры, мыши и т.д. Эта шина для настольных систем отвечает требованиям технологии plug and play и является среднескоростной, двунаправленной дешевой шиной, повышающей взаимосвязность компонентов ПК и расширяющей его архитектуру.

Основные свойства шины USB:

Возможность подключения до 127 физических устройств;

Автоматическое распознавание периферии;

Образование различных конфигураций;

Реализация как изохронных, так и синхронных типов передач с широким диапазоном скоростей;

Наличие механизма обработки ошибок;

Управление питанием и т.д.

Технология шины USB представлена на рис.7.1 и имеет многоуровневую звездообразную структуру (древовидную конфигурацию).

Рис.7.1. Топология шины USB

Каждую звезду образует хаб (пункт присоединения), обеспечивающий подключение одного или несколько функционеров (функ), периферийных устройств. Шина USB содержит один хост (контроллер), образующий корневой уровень и управляющий работой функционеров. Хаб является основным элементом в архитектуре USB, поддерживающей соединение нескольких хабов. В состав хаба входит один верхний потоковый порт ВПП, необходимый для подключения хаба к «хвосту», и несколько нижних потоковых портов (НПП), соединяющих его с другими хабами и (или) функционерами (рис.7.2).

Рис.7.2. Общий вид хаба

Хаб выполняет следующие функции: обнаружение присоединения (отсоединения) другого хаба или функционера; управление питанием и конфигурированием устройств, подключенных к соответствующим НПП. Хаб содержит контроллер и репитер (управляемый протоколом переключатель портов между ВПП и НПП1-НПП7). Контроллер использует интерфейсные регистры для выполнения связи с хостом, который с помощью управляющих команд конфигурирует хаб и следит за его партнерами. На рис.7.3 показана система типа «рабочий стол», содержащая хабы и функционеры.

Функционер представляет собой отдельное USB-устройство, которое кабелем подключается к какому-либо порту хаба. Хаб/функционер выполняется как устройство, содержащее встроенный хаб. Каждый функционер перед его использованием должен быть сконфигурирован хостом, которое включает распределение диапазона частот и выбор специфических опций для конфигурации.

Рис.7.3. Система рабочий стол, содержащая хабы и функционеры

USB-хост (центральная ЭВМ) осуществляет доступ к USB-устройствам с помощью хост-контроллера, который выполняет следующие действия:

Координацию потоков управления и данных между хостом и устройствами;

Обнаружение подключенных (отключенных) устройств;

Сбор информации о состоянии системы;

Управление питанием.

Протокол шины выполняется следующим образом. Хост направляет по шине USB эстафетный пакет, в котором указывается тип пакета, направление транзакции (действия на шине), адрес устройства и номер конечной точки. Конечная точка – это уникально определяемая часть USB-устройства, содержащего несколько таких точек (конечных пунктов связи). Комбинация адреса устройства и номера конечной точки в этом устройстве позволяет выбрать каждую точку в отдельности. Любая конечная точка должна быть сконфигурирована перед употреблением и характеризуется частотой, временем ожидания доступа к шине, шириной полосы частот, максимальным размером пакета, типом и направлением передачи. Устройства с низким быстродействием содержат не более двух конечных точек, а устройства с высоким быстродействием – до 16 выходных точек.

После того как передача данных завершена, USB-устройство (приемник) отвечает пакетом подтверждения, в котором отмечается успешность этой передачи.

Сигналы данных D+ и D- и питание (V и G – земля) в шине USB передаются от точки к точке по четырем проводам 90-омного кабеля (рис. 7.4.) с максимальной длиной 5м. Номинальное напряжение питания – 5v.

Рис.7.4. Кабель USB

Хост (хаб) обеспечивает питанием устройства USB, которые подключены к нему. Кроме того, устройства USB могут иметь автономное питание. Питание по шине USB имеет ограниченную величину.

Шина USB обеспечивает два диапазона скоростей передачи информации: низкая скорость (1,5 Мбит/с) и высокая скорость (12 Мбит/с). Низкоскоростной режим применяется для взаимодействия с интерактивными устройствами (мышью, трекболом и т.п.), а высокоскоростной режим – с адаптером телефона, аудио- или видеоустройствами. Каждому пакету данных предшествует поле синхронизации, которое позволяет приемникам согласовывать во времени их таймеры (генераторы) для приема данных. Поле синхронизации содержит синхроимпульсы, закодированные по методу NRZI с битовым заполнением.

Связь между хостом и конечной точкой образует канал. Устройство USB может иметь конечную точку, поддерживающую только канал управления, или конечную точку, использующую канал для передачи данных.

USB выполняет следующие типы передач по соответствующим каналам в одном или обоих направлениях:

Управляющую спонтанную (непериодическую) передачу по типу запрос/ответ, используемую для передачи команд/состояния и обычно применяемую с целью конфигурирования устройства в момент его подключения;

Контейнерную передачу, случайно возникающую во времени, состоящую из большого числа данных, выводимых, например, в принтер или сканер;

Передачу прерывания (непериодическую передачу данных с низкой частотой из устройства в любой момент времени, состоящую из одного или нескольких байтов, направляемых в главную ЭВМ и требующих обслуживания устройства);

Изохронную (периодическую потоковую) передачу, обеспечивающую непрерывную связь между хостом и устройством, в реальном времени с предварительной установленной скоростью и временем ожидания.

Все устройства USB содержат конечную точку О, к которой имеет доступ по умолчанию канал управления. Информация конечной точки О описывает устройство USB и состоит из следующих частей: стандарта, использующего дескрипторы устройства, его структуры, интерфейса и конечных точек; класса устройства и сведений о поставщике. Конечная точка О применяется для инициализации и конфигурирования устройства USB.

Через каналы перемещается информация между хостом и конечной точкой с использованием буферной памяти. Различают два режима работы канала: поток – данные, не имеющий определенной структуры, и сообщение – данные, передаваемые в соответствии с заданным порядком. Системное программное обеспечение (ПО) монопольно владеет каналом и представляет его другим ПО. Пользователь ПО запрашивает передачи по каналу, ждет их и затем уведомляется о завершении передач данных. Конечная точка сигналом NAK может сообщить хосту о том, что она занята.

Потоковые каналы передают пакеты данных, не имеющих структуру USB, в одном или другом направлении (однонаправленная передача). Потоковые каналы поддерживают контейнерную, изохронную передачу и передачу прерываний.

Управляющая передача разрешает доступ к какой-либо части устройства и предназначена для обмена информацией, типа конфигурация / команды / состояние, между пользовательским ПО и функционером. Управляющая передача в общем случае содержит информацию запроса (установочный пакет), данные и возвращаемую в хост информацию состояния функционера. Установочный пакет имеет определенную структуру, состоящую из набора команд, необходимых для установления связи между хостом и устройством USB. Описание состояния устройства имеет также определенную структуру, а данные управления, следующие за установочным пакетом, не имеют какой-либо структуры и содержат информацию о запрошенном доступе. Управляющая передача выполняется как двунаправленный поток информации по каналам сообщений. Стандарт шины USB ограничивает размеры пакета данных для высокоскоростных устройств 8, 16, 32 или 64 байтами, а низкоскоростные устройства могут иметь пакет данных не более 8 байтов. Установочный пакет всегда содержит 8 байтов. Вначале (после сброса) хост использует пакет данных размером в 8 байтов, который является достаточным для стандартных операций, а после определения типа конечной точки по ее конфигурационной информации может быть использован пакет большого размера для выполнения специфических операций. Таким образом, все данные при передаче делятся на равные части (пакеты), кроме последней части, которая содержит оставшиеся данные.

В том случае, если конечная точка занята определенное время, хост будет повторять к ней доступ через некоторое время. При обнаружении ошибки хостом выполняется повторная передача.

На рис.7.5 представлена общая схема взаимодействия компонентов шины USB.

Рис.7.5. Общая схема взаимодействия компонентов шины USB

Хост (координирующий центр) содержит: системное ПО USB, поддерживающее интерфейс USB в конкретной операционной системе и поставляемое вместе с ней; ПО пользователя, необходимое для управления работой определенного устройства USB, которое входит в состав операционной системы или поставляется вместе с устройством, и контроллер, позволяющий устройствам подключаться к хосту. Устройство USB также имеет несколько уровней реализации: интерфейс шины, логику устройства (совокупность точек) и функционер (функциональный уровень устройства).

В шине USB используется метод кодирования NRZI (без возвращения к нулю с инверсией). В этом случае метод кодирования NRZI состоит в том, что если бит передаваемых данных равен 0, то происходит изменение уровня напряжения, а - если равен 1, то уровень напряжения сохраняется. На рис.7.6 показан пример кодирования данных методом NRZI.

Рис.7.6. Пример кодирования методом NRZI

Таким образом, строка нулей вызывает переключение уровней сигналов, а строка единиц образует длительные отрезки уровней без всяких переходов, что может нарушить условие синхронизации при выделении каждого бита. Поэтому при передачи данных через каждые шесть последовательных единиц вставляется нуль, чтобы гарантировать достоверное определение каждого битового интервала при приеме в наиболее худшем случае, когда передаются единичные значения битов данных. Приемник декодирует код NRZI и отбрасывает вставленные биты нулей. На рис.7.7 представлена временная диаграмма этапов кодирования данных.

На диаграмме вначале показаны необработанные данные, содержащие поле синхрокомбинаций и пакет данных, причем синхрокомбинация имеет 7 нулей и заканчивается единичным битом, после которого начинается пакет данных. Затем на диаграмме изображены заполненные данные, которые дополнительно содержат после шести единиц вставленный бит 0. В число шести единиц входит и последний единичный бит синхрокомбинации. После этого выполняется кодирование заполненных данных методом NRZI с учетом и поля синхрокомбинации. Правило заполнения требует, чтобы бит 0 был вставлен, даже если этот бит будет последним, перед сигналом EOP (конец пакета).

Рис.7.7. Временная диаграмма этапов кодирования данных

Рассмотрим некоторые электрические требования шины USB. На рис.7.8 представлена схема симметричного шинного формирователя (драйвера) USB, содержащего два одинаковых буфера, выполненных по технологии КМОП.

Рис.7.8. Схема дифференциального формирователя

Симметричный дифференциальный формирователь содержит два разно-полярных выхода D+ и D-, имеющих три состояния, чтобы реализовать двунаправленную полудуплексную работу. Один из выходов представляет буферизованный повторитель входа, а другой является его дополнением. Эти выходы соединяются парой скрещенных проводов со входами дифференциального приемника. Таким образом, по проводам передаются два сигнала, которые подвергаются в одинаковой мере воздействию синфазных помех, устраняемых дифференциальным приемником.

Так как выходы формирователя имеют разные полярности, то при передаче данных с высокой частотой возникают отраженные разнополярные сигналы, которые не являются синфазными помехами. Поэтому следует устранить возможность возникновения отраженных сигналов на приемной стороне интерфейса.

Применение дифференциального принципа передачи повышает ее помехоустойчивость и, как следствие, позволяет увеличить скорость передачи данных.

На рис.7.9 показана диаграмма сигналов на выходах формирователя для скорости передачи 12 Мбит/с (а) и 1.5 Мбит/с (б).

Рис.7.9. Диаграммы сигналов на выходах формирователей для скоростей передачи данных 12 Мбит/с (а) и 1.5 Мбит/с (б)

При скорости передачи данных 12 Мбит/с используется витая пара экранированного кабеля, а для скорости 1.5 Мбит/с – неэкранированный кабель с нескрученной парой проводников. Сопряжение приемопередатчиков (ПП) с помощью кабеля USB в случае высокоскоростной (а) и низкоскоростной (б) передач изображено на рис.7.10.

Из схем видно, что высокоскоростные устройства содержат резистор нагрузки (R Н) на линии D+, а низкоскоростные – на линии D-, что позволяет определить тип подключенного устройства USB. Когда устройство USB не управляет линиями D+ и D-, то на линии с R Н имеется напряжение около 3В, а на другой – близкое к 0В. Такое состояние шины называется пассивным состоянием.

Рис.7.10. Схемы сопряжения ПП хоста (хаба) и функционера (хаба) для высокоскоростной (а) и низкоскоростной (б) передач

Если устройство не подключено к нижнему порту хоста (хаба) (или отсутствует питание), то на обоих линиях D+ и D- устанавливается асимметричный низкий уровень напряжения (0,6В), который используется для определения условия рассоединения или сообщения о конце пакета (EOP). Для высокоскоростных передач условием рассоединения является наличие асимметричного нуля в течение 2,5 мс (30 единиц времени передачи бита).

Считается, что связь с устройством установлена, если напряжение на одной из линий D+ (D-) достигает выше асимметричного высокого порога в 1,5В за время 2,5 мс.

Определение факта рассоединения и связанности устройства USB показано на рис.7.11.

Рис.7.11. Установление факта рассоединения (а) и связи устройства USB (б)

Общее время передачи данных оценивается числом битов данных, умноженным на период (Т), определяемый скоростью передачи данных. На рис.7.12 представлена временная диаграмма передачи данных по дифференциальным линиям данных D+ и D-.

Рис.7.12. Временная диаграмма передачи данных

В соответствии с кодом NRZI бит 0 вызывает переключение уровней напряжения, а бит 1 сохраняет соответствующие уровни напряжения на линиях D+ и D-. Длительность асимметричного нуля в EOP равна 2Т без учета времени задержки.

Начало пакета (SOF) определяется первым битом поля синхронизации, когда пассивное состояние линий D+ и D- переходит в активное. Устройства USB поддерживают режим приостановки, который вызывается тем, что пассивное состояние линий D+ и D- удерживается более 3 мс.

Командой хоста может быть установлен сигнал сброса, который распространяется через все хабы и приводит подключенные устройства в начальное состояние. Сигналом сброса является асимметричный нуль, удерживаемый на шине в течение 10 мс.

В зависимости от источника потребления питания различают следующие типы устройств:

Хабы, получающие питание от шины и обеспечивающие питанием внутренние функциональные устройства и низшие порты;

Хабы с автономным питанием, которые позволяют снабдить питанием пять модулей, каждый из которых потребляет 100 мА, составляющие нагрузку модуля;

Маломощные (с нагрузкой одного модуля) и высокомощные (с нагрузкой пяти модулей) устройства, потребляющие питание из шины;

Функциональные устройства, имеющие внешний источник питания и обладающие нагрузкой одного модуля, питаемого из шины.

Рассмотрим форматы пакетов, определяемых стандартом шины USB. Различают опознавательные, информационные пакеты и пакеты квитирования. Каждому пакету предшествует передача 8-битного поля синхронизации. Формат опознавательного пакета изображен на рис. 7.13.

Рис.7.13. Формат опознавательного пакета

Вслед за полем синхронизации для каждого пакета передается 8-битный идентификатор (ИД) младшим битом вперед. Биты D0-D3 поля ИД задают тип пакета (формат и способ обнаружения ошибок соответствующего пакета), а биты D4-D7 являются инверсными значениями младших четырех битов и служат в качестве поля проверки правильности передачи поля ИД, которые делятся на опознавательные, информационные, квитирования и специальные.

Для выбора устройства и конечной точки (КТ) в нем используется 7-битный адрес устройства и 4-битный номер КТ. Поле адреса предназначено для ввода (вывода) данных и установочных опознавателей. При сбросе или отключении питания адрес устройства принимает значение 0 и затем программируется хостом. Низкоскоростные устройства содержат до двух точек, а высокоскоростные – до 16 конечных точек. Поле адреса и номера КТ защищены 5-битовым контрольным циклическим кодом (КЦК). Циклический избыточный контроль состоит в том, что биты поля КЦК представляют собой коэффициенты двоичного полинома (5-битовый эквивалент), а байты контроля ошибок получаются путем деления этого полинома на заданный 16-битный полином. По двоичному коду остатка определяют наличие или отсутствие ошибки.

Пакет поля данных состоит из 8-битного поля ИД, поля данных (0-1023 байтов) и 16-битного поля КЦК (рис.7.14).

Рис.7.14. Формат пакета данных

Существует два пакета данных (Данные(0) и Данные(1)) с различными идентификаторами, необходимые для поддержания соответствующей синхронизации. Данные в пакете представлены в виде последовательности байтов.

Пакет квитирования содержит только поле ИД и предназначен для проверки успешности передачи данных. Различают три типа этого пакета: ACK (подтверждение) – пакет данных получен без ошибок и пакет ИД верен (пакет применяется при передаче данных); NAK (неподтверждение) – пакет, показывающий на невозможность устройством принять данные от хоста (временный отказ) или устройство не имеет данных для передачи хосту (кроме того, пакет используется для сообщения о временной паузе в передаче или приеме данных устройством); STALL – ответный пакет, говорящий о постоянном отказе и необходимости вмешательства программы хоста.

Опознавательный пакет SOF (начало фрейма) позволяет хабам или устройствам идентифицировать начало фрейма и синхронизировать их внутренние таймеры с таймером главной ЭВМ. Формат опознавательного пакета показан на рис.7.15.

Рис.7.15. Формат опознавательного пакета

Фрейм состоит из ряда транзакций (действий на шине), имеющих начало от одного SOF-маркера, и продолжается до начала следующего SOF-маркера. Устройство или хаб определяют начало фрейма по 8-битному ИД SOF-пакета.

Существуют следующие транзакции: массива данных, управления, прерывания и изохронного типа.

Транзакция массива данных при вводе данных в хост состоит из опознавательного пакета с запросом ввода, пакета данных (Данные (0/1)) из устройства и пакета квитирования (NAK или STALL), посылаемого устройством вслед за данными. Если пакет данных принят верным, то хост отвечает устройству пакетом ACK.

При вводе данных из хоста в устройство хост направляет опознавательный пакет с запросом вывода, а затем пакет данных. Устройство отвечает хосту одним из трех пакетов квитирования (ACK, NAK или STALL).

Последовательность действий хоста и устройства при передачи массивов данных показана на рис.7.16.

Рис.7.16. Последовательность действий хоста и устройства

На рис.7.17 представлена последовательность идентификаторов при записи и чтении массива данных.

Рис.7.17. Последовательность идентификаторов при записи и чтении массива данных

С целью синхронизации компонентов шины USB выполняется чередование пакетов с идентификатором Данные(0) и пакетов с идентификатором Данные(1). Переключение пакетов данных в передатчике выполняется после получения пакета квитирования ACK, а в приемнике – после получения очередного пакета.

Переходы управления содержат две стадии: Установка и Состояние, между которыми может присутствовать информационная стадия. Во время стадии Установки выполняется передача данных только с форматом поля ИД Данные(0) к конечной точке управления устройства.

Транзакция Установки изображена на рис.7.18.

Рис.7.18. Транзакция Установки

Сигнал квитирования ACK не выдается, если данные являются неверными. При наличии стадии данных выполняется их передача в одном направлении в соответствии с требованиями протокола. Эта стадия может состоять из нескольких транзакций ввода и вывода и размер массива данных задается в пакете Установка.

Стадия Состояния является последней в рассматриваемой последовательности и использует идентификатор Данные 0.

На рис.7.19 показана очередность транзакций и идентификаторов данных для управления чтением или записью.

Рис.7.19. Очередность транзакций и ИД данных

В стадии Состояние от устройства к хосту передается следующая информация: устройство выполнило задачу (ACK), устройство не содержит ошибок (STALL) и устройство занято (NACK).

Транзакции прерываний содержат опознаватели ввода. На рис.7.20 изображены последовательности транзакций прерываний.

Рис.7.20. Последовательности транзакций прерываний

Если устройство получает опознаватель ввода, то оно выдает данные по прерыванию в виде пакета и получает ACK или передает NACK/STALL. Пакет квитирования NAK направляется устройством, когда оно не содержит информации для нового прерывания, а пакет квитирования STALL – устройством, если оно временно приостановило работу.

Изохронные транзакции не имеют стадии квитирования. На рис.7.21 представлены стадии изохронных транзакций.

Рис.7.21. Стадии изохронных транзакций

При выполнении изохронного режима меняется поочередно пакеты данных с соответствующими идентификаторами, т.е. сначала следует пакет данных Данные(0), а за ним – пакет Данные(1) и т.д.

16. Шина USB. Общие харак-тики

Универсальная последовательная шина имеет следующие характеристики:

 Главный компьютер выполняет функции хоста.

 К хосту можно подключить до 127 устройств, либо напрямую, либо с помощью USB-концентраторов.

 Отдельные USB-кабели могут иметь длину 5 метров, а при наличии концентраторов по протоколу USB можно подключить устройства, удаленные от хост-компьютера на расстояние до 30 метров (длина 6 кабелей).

 Стандарт USB 2. предусматривает максимальную скорость передачи данных 480 мегабит в секунду.

 Кабель USB снабжен двумя проводами для подачи электропитания (5 вольт и земля), а также витой парой для передачи данных.

 По проводам электропитания компьютер может обеспечить подачу питающего напряжения 5 В при токе до 500 мА.

 Устройства с небольшим энергопотреблением могут питаться непосредственно от шины. Устройства, отличающиеся большой потребляемой мощностью (например, принтеры), имеют собственные блоки питания и потребляют от шины минимальное количество энергии. Концентраторы для питания подключенных к ним устройств могут снабжаться собственными блоками питания.

 USB-устройства допускают "горячую" замену, то есть их можно подключать к шине и отключать от нее в любое время.

 Многие USB-устройства могут переводиться хост-компьютером в спящий режим, когда сам компьютер переводится в энергосберегающий режим. Подключенные к порту USB устройства получают питание и обмениваются данными по USB-кабелю.

17.Шина USB. Общая архитектура

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC. Возможности USB определяется следующими тех. хар-ками: * Дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Мбит/с. *мах длина кабеля для высокой скорости обмена – 5м * низкая скорость обмена – 1,5 Мбит/с. *мах длина кабеля для низкой скорости обмена – 3м *мах кол-во подключенных устройств – 127 *Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена *напряжение питания для переферийных устройств – 5В

Особенно удобен этот интерфейс для подключения часто подключаемых\отключаемых приборов, таких как цифровые фотокамеры и др. Возможность использования только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины. USB поддерживает динамическое подключение и отключение устройств и конструкция разъемов рассчитана на многократное сочленение\расчленение. Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джойстики и т.п. USB обеспечивает одновременный обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ).

18.Шина USB. Свойства устройств

Спецификация USB достаточно жестко определяет набор свойств, которые должно поддерживать любое USB-устройство:

o адресация – устройство должно отзываться на назначенный ему уникальный адрес и только на него;

o конфигурирование – после включения или сброса устройство должно предоставлять нулевой адрес для возможности конфигурирования его портов;

o передача данных – устройство имеет набор конечных точек для обмена данными с хостом. Для конечных точек, допускающих разные типы передач, после конфигурирования доступен только один из них;

o управление энергопотреблением – любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. При конфигурировании устройство заявляет свои потребности тока, но не более 500 мА. Если хаб не может обеспечить устройству заявленный ток, устройство не будет использоваться;

o приостановка – USB-устройство должно поддерживать приостановку (suspended mode), при которой его потребляемый ток не превышает 500 мкА. USB-устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины;

o удаленное пробуждение – возможность удаленного пробуждения (remote wakeup) позволяет приостановленному USB-устройству подать сигнал хосту, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации USB-устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена.

19.Шина USB. Принципы передачи данных

Механизм передачи данных является асинхронным и блочным. Блок передаваемых данных называется USB-фреймом или USB-кадром и передается за фиксированный временной интервал. Оперирование командами и блоками данных реализуется при помощи логической абстракции, называемой каналом. Внешнее устройство также делится на логические абстракции, называемые конечными точками. Таким образом, канал является логической связкой между хостом и конечной точкой внешнего устройства. Канал можно сравнить с открытым файлом.

Для передачи команд (и данных, входящих в состав команд) используется канал по умолчанию, а для передачи данных открываются либо потоковые каналы, либо каналы сообщений.

Все операции по передачи данных по шине USB инициируются хостом. Периферийные USB-устройства сами начать обмен данными не могут. Они могут только реагировать на команды хоста.

20. Шина USB.Логические уровни обмена данными

Логические уровни обмена данными

логических уровня с определенными правилами взаимодействия. USB-устройство содержит интерфейсную, логическую и функциональную части. Хост тоже делится на три части – интерфейсную, системную и ПО. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач. Таким образом, операция обмена данными между прикладной программой и шиной USB выполняется путем передачи буферов памяти через следующие уровни:уровень клиентского ПО в хосте:

· управляет нумерацией устройств на шине;

· управляет распределением пропускной способности шины и мощности питания;

· обрабатывает запросы пользовательских драйверов;

o уровень хост-контроллера интерфейса шины USB (HCD, Host Controller Driver):

· преобразует запросы ввода/вывода в структуры данных, по которым выполняются физические транзакции;

· работает с регистрами хоста.

21. Шина USB.Передача данных по уровням

Пропускная способность шины USB, соответствующей спецификации 1.1, составляет 12Мбит/с (т.е. 1,5 Мбит/с). Спецификация 2.0 определяет шину с пропускной способностью 400 Мбайт/с. Полоса пропускания делится между всеми устройствами, подключенными к шине.

Шина USB имеет три режима передачи данных:

o низкоскоростной (LS, Low-speed);

o полноскоростной (LF, Full-speed);

o высокоскоростной (HS, High-speed, только для USB 2.0).

Спецификация USB определяет три логических уровня с определенными правилами взаимодействия. USB-устройство содержит интерфейсную, логическую и функциональную части. Хост тоже делится на три части – интерфейсную, системную и ПО. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач.

Таким образом, операция обмена данными между прикладной программой и шиной USB выполняется путем передачи буферов памяти через следующие уровни:

o уровень клиентского ПО в хосте:

· обычно представляется драйвером USB-устройства;

· обеспечивает взаимодействие пользователя с операционной системой с одной стороны и системным драйвером с другой;

o уровень системного драйвера USB в хосте(USB, Universal Serial Bus Driver):

21. Шина USB.Метод кодирования

Для передачи данных по шине используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Все данные кодируются с помощью метода, называемого NRZI with bit stuffing (NRZI - Non Return to Zero Invert, метод возврата к нулю с инвертированием единиц).

Вместо кодирования логических уровней как уровней напряжения USB определяет логический 0 как изменение напряжения, а логическую 1 как неизменение напряжения. Этот метод представляет собой модификацию обычного потенциального метода кодирования NRZ (Non Return to Zero, невозврат к нулю), когда для представления 1 и 0 используются потенциалы двух уровней, но в методе NRZI потенциал, используемый для кодирования текущего бита, зависит от потенциала, который использовался для кодирования предыдущего бита. Если текущий бит имеет значение 0, то текущий потенциал представляет собой инверсию потенциала предыдущего бита, независимо от его значения. Если же текущий бит имеет значение 1, то текущий потенциал повторяет предыдущий. Очевидно, что если данные содержат нули, то приемнику и передатчику достаточно легко поддерживать синхронизацию - уровень сигнала будет постоянно меняться. А вот если данные содержат длинную последовательность единиц, то уровень сигнала меняться те будет, и возможна рассинхронизация. Следовательно, для надежной передачи данных нужно исключить из кодов слишком длинные последовательности единиц. Это действие называется стаффинг (Bit stuffing): после каждых шести единиц автоматически добавляется 0.

Существует только три возможных байта с шестью последовательными единицами: 00111111, 01111110, 111111100.

Стаффинг может увеличить число передаваемых бит до 17%, но на практике эта величина значительно меньше. Для устройств, подключаемых к шине USB, кодирование происходит прозрачно: USB-контроллеры производят кодирование и декодирование автоматически.

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники.

Приеимущества шины:

• USB устройство может быть подсоединено к компьютеру в любой момент времени, даже когда включен;
• когда компьютер обнаруживает подключенное USB устройство, он автоматически опрашивает его, чтобы узнать его возможности и требования;
• производит загрузку драйвера, а при отключении устройства драйвер автоматически выгружается;
• USB устройство не использует джемперов, DIP переключателей, никогда не вызывает конфликтов прерываний, DMA, памяти;
• расширяющие USB хабы позволяют подключать к одной шине большое количество устройств (до 127 устройств);
• низкая стоимость USB устройств.

Возникновение USB сделало возможным создание USB Flash Drive (USB-накопитель).

История создания и развития интерфейса USB

Первая версия компьютерного интерфейс USB появилась 15 января 1996 года. Инициаторами проекта был альянс 7 крупных компаний производителей Intel, DEC, IBM, Northen Telecom, Compaq.

Причиной возникновения нового стандарта для передачи информации, послужила желание упростить соединение ПК с периферийными устройствами. Основная цель стандарта, была создать для пользователей возможность пользоваться таким интерфейсом, который бы обладал максимальной простотой, универсальностью, и использовал принцип Plug&Play или горячее соединение.

Это позволило бы подключать к ПК во время работы различные устройства ввода-вывода, с условием немедленного автоматического распознавания типа и модели подключённого устройства. Также, была поставлена цель, - избавиться от проблемы нехватки внутренних ресурсов прерываний системной шины.

Все эти задачи успешно были решены к концу 1996 года, а к весне 1997 года, стали появляться первые ПК, оборудованные разъёмами USB. Полная поддержка USB устройств была осуществлена только к концу 1998 года, в операционной системе Windows98, и только с этого этапа, началось особенно бурное развитие и выпуск периферийного оборудования, оснащённого этим интерфейсом.

По-настоящему массовое внедрение USB началось с широким распространением корпусов и системных плат форм-фактора ATX примерно в 1997-1998 годах. Не упустила шанс воспользоваться достижениями прогресса и компания Apple, представившая 6 мая 1998 года свой первый iMac, также оснащенный поддержкой USB.

Этот стандарт был рождён, в то время, когда уже существовал аналогичный последовательный интерфейс передачи данных, разработанный Apple Computer и имел название FireWare или IEE1394. USB - интерфейс был создан, как альтернатива IEE1394, и был призван не заменить его, а существовать параллельно уже существующему типу соединений.

Первая версия USB имела некоторые проблемы совместимости и содержала несколько ошибок в реализации. В итоге, в ноябре 1998 года вышла спецификаций USB 1.1.

Спецификация USB 2.0 была представлена в апреле 2000 года. Но до принятия ее в качестве стандарта прошло больше года. После этого началось массовое внедрение второй версии универсальной последовательной шины. Главным ее достоинством было 40-кратное увеличение скорости передачи данных. Но кроме этого были и другие нововведения. Так появились новые типы разъемов Mini-B и Micro-USB, добавилась поддержка технологии USB On-The-Go (позволяет USB-устройствам вести обмен данными между собой без участия USB-хоста), появилась возможность использования напряжения, подаваемого через USB, для зарядки подключенных устройств.

Принцип работы шины USB

USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Согласно спецификации USB, устройства (device) могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Хаб (hub) только обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Устройство-функция (function) USB предоставляет системе дополнительные функциональные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Комбинированное устройство (compound device), реализующее несколько функций, представляется как хаб с подключенными к нему несколькими устройствами.

Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (host controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой компьютера. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

Шина USB является хост-центрической: единственным ведущим устройством, которое управляет обменом, является хост-компьютер, а все присоединенные к ней периферийные устройства - исключительно ведомые. Физическая топология шины USB - многоярусная звезда. Ее вершиной является хост-контроллер, объединенный с корневым хабом (root hub). Хаб является устройством-разветвителем, кроме того, он может являться источником питания для подключенных к нему устройств. К каждому порту хаба может непосредственно подключаться периферийное устройство или промежуточный хаб; шина допускает до 5 уровней каскадирования хабов (не считая корневого). Каждый промежуточный хаб имеет несколько нисходящих (downstream) портов для подключения периферийных устройств (или нижележащих хабов) и один восходящий (upstream) порт для подключения к корневому хабу или нисходящему порту вышестоящего хаба.

К USB-хосту сходятся данные от подключенных устройств и он же обеспечивает взаимодействие с компьютером. Все устройства подключаются по топологии "звезда". Чтобы увеличить число активных разъемов USB можно воспользоваться USB-хабами. Таким образом получится аналог логической структуры "дерево". "Ветвей" у такого дерева может быть до 127 штук на один хост-контроллер, а уровень вложенности USB-хабов не должен превышать пяти. Кроме того, в одном USB-хосте может быть несколько хост-контроллеров, что пропорционально увеличивает максимальное число подключенных устройств.

Хабы бывают двух видов. Одни просто увеличивают число USB-разъемов в одном компьютере, а другие позволяют подключать несколько компьютеров. Второй вариант позволяет использовать нескольким системам одни и те же устройства. В зависимости от хаба переключение может производится как вручную, так и автоматически.

Одно физическое устройство, подключенное через USB, может логически подразделяться на "под-устройства", выполняющие те или иные определенные функции. Например, у веб-камеры может быть встроенные микрофон - получается, что у нее два под-устройства: для передачи аудио и видео.

Передача данных происходит через специальные логические каналы. Каждому USB-устройству может быть выделено до 32 каналов (16 на прием и 16 на передачу). Каждый канал подключается к условно называемой "конечной точке". Конечная точка может либо принимать данные, либо передавать их, но не способна делать это одновременно. Группа конечных точек, необходимых для работы какой-либо функции, называется интерфейсом. Исключение составляет "нулевая" конечная точка, предназначающаяся для конфигурации устройства.

Когда к USB-хосту подключается новое устройство начинается процесс присвоения ему идентификатора. Первым делом устройству посылается сигнал перехода в исходное состояние. Тогда же происходит и определение скорости, с которой может вестись обмен данными. После считывается конфигурационная информация с устройства, и ему присваивается уникальный семибитный адрес. Если устройство поддерживается хостом, то загружаются все необходимые драйвера для работы с ним, после чего процесс завершен. Перезагрузка USB-хоста всегда вызывает повторное присвоение идентификаторов и адресов всем подключенным девайсам.

В отличие от шин расширения (ISA/EISA, PCI, PC Card), где программа взаимодействует с устройствами путем обращений по физическим адресам ячеек памяти, портов ввода-вывода, прерываниям и каналам DMA, взаимодействие приложений с устройствами USB выполняется только через программный интерфейс. Этот интерфейс, обеспечивающий независимость обращений к устройствам, предоставляется системным ПО контроллера USB.

Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода - для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания, шина USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА).

Кодирование данных

Для передачи данных по шине используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Все данные кодируются с помощью метода, называемого NRZI with bit stuffing (NRZI - Non Return to Zero Invert, метод возврата к нулю с инвертированием единиц).

Вместо кодирования логических уровней как уровней напряжения USB определяет логический 0 как изменение напряжения, а логическую 1 как неизменение напряжения. Этот метод представляет собой модификацию обычного потенциального метода кодирования NRZ (Non Return to Zero, невозврат к нулю), когда для представления 1 и 0 используются потенциалы двух уровней, но в методе NRZI потенциал, используемый для кодирования текущего бита, зависит от потенциала, который использовался для кодирования предыдущего бита. Если текущий бит имеет значение 0, то текущий потенциал представляет собой инверсию потенциала предыдущего бита, независимо от его значения. Если же текущий бит имеет значение 1, то текущий потенциал повторяет предыдущий. Очевидно, что если данные содержат нули, то приемнику и передатчику достаточно легко поддерживать синхронизацию - уровень сигнала будет постоянно меняться. А вот если данные содержат длинную последовательность единиц, то уровень сигнала меняться те будет, и возможна рассинхронизация. Следовательно, для надежной передачи данных нужно исключить из кодов слишком длинные последовательности единиц. Это действие называется стаффинг (Bit stuffing): после каждых шести единиц автоматически добавляется 0.

Существует только три возможных байта с шестью последовательными единицами: 00111111, 01111110, 111111100.

Стаффинг может увеличить число передаваемых бит до 17%, но на практике эта величина значительно меньше. Для устройств, подключаемых к шине USB, кодирование происходит прозрачно: USB-контроллеры производят кодирование и декодирование автоматически.

Режимы работы шины

• Low Speed поддерживается стандартами версии 1.1 и 2.0. Пиковая скорость передачи данных - 1.5 Мбит/с (187.5 Кбайт/с). Чаще всего применяется для HID-устройств (клавиатур, мышей, джойстиков).
• Full Speed поддерживается стандартами версии 1.1 и 2.0. Пиковая скорость передачи данных - 12 Мбит/с (1.5 Мбайт/с). До выхода USB 2.0 был наиболее быстрым режимом работы.
• Hi-Speed поддерживается стандартом версии 2.0 и 3.0. Пиковая скорость передачи данных - 480 Мбит/с (60 Мбайт/с).
• Super-Speed поддерживается стандартом версии 3.0. Пиковая скорость передачи данных - 4.8 Гбит/с (600 Мбайт/с).

Передача данных

Механизм передачи данных является асинхронным и блочным. Блок передаваемых данных называется USB-фреймом или USB-кадром и передается за фиксированный временной интервал. Оперирование командами и блоками данных реализуется при помощи логической абстракции, называемой каналом. Внешнее устройство также делится на логические абстракции, называемые конечными точками. Таким образом, канал является логической связкой между хост-контроллером и конечной точкой внешнего устройства. Канал можно сравнить с открытым файлом.

Для передачи команд (и данных, входящих в состав команд) используется канал по умолчанию, а для передачи данных открываются либо потоковые каналы, либо каналы сообщений.

Информация по каналу передается в виде пакетов (Packet). Каждый пакет начинается с поля синхронизации SYNC (SYNChronization), за которым следует идентификатор пакета PID (Packet IDentifier).

Систему USB следует разделить на три логических уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит интерфейсную, логическую и функциональную части. Хост тоже делится на три части - интерфейсную, системную и программное обеспечение. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач.

Операция обмена данными между прикладной программой и шиной USВ выполняется путем передачи буферов памяти через следующие уровни: Уровень клиентского ПО в хосте:

• обычно представляется драйвером устройства USB;
• обеспечивает взаимодействие пользователя с операционной системой с одной стороны и системным драйвером с другой.

Уровень системного обеспечения USB в хосте (USBD, Universal Serial Bus Driver):

• управляет нумерацией устройств на шине;
• управляет распределением пропускной способности шины и мощности питания;
• обрабатывает запросы пользовательских драйверов.

Хост-контроллер интерфейса шины USB (HCD, Host Controller Driver):

• преобразует запросы ввода/вывода в структуры данных, по которым хост-контроллер выполняет физические транзакции;
• работает с регистрами хост-контроллера.

Уровень клиентского программного обеспечения определяет тип передачи данных, необходимый для выполнения затребованной прикладной программой операции. После определения типа передачи данных этот уровень передает системному уровню следующее:

• буфер памяти, называемый клиентским буфером;
• пакет запроса на в/в (IRP, Input/output Request Packet), указывающий тип необходимой операции.
• IRP содержит только сведения о запросе (адрес и длина буфера в оперативной памяти). Непосредственно обработкой запроса занимается системный драйвер USB.

Уровень системного драйвера USB необходим для управления ресурсами USB. Он отвечает за выполнение следующих действий:

• распределение полосы пропускания шины USB;
• назначение логических адресов устройств каждому физическому USB-устройству;
• планирование транзакций.

Логически передача данных между конечной точкой и ПО производится с помощью выделения канала и обмена данными по этому каналу.Клиентское ПО посылает IPR-запросы уровню USBD. Драйвер USBD разбивает запросы на транзакции по следующим правилам:

• выполнение запроса считается законченным, когда успешно завершены все транзакции, его составляющие;
• все подробности отработки транзакций (такие как ожидание готовности, повтор транзакции при ошибке, неготовность приемника и т. д.) до клиентского ПО не доводятся;
• ПО может только запустить запрос и ожидать или выполнения запроса или выхода по тайм-ауту;
• устройство может сигнализировать о серьезных ошибках, что приводит к аварийному завершению запроса, о чем уведомляется источник запроса.

Драйвер контроллера хоста принимает от системного драйвера шины перечень транзакций и выполняет следующие действия:

• планирует исполнение полученных транзакций, добавляя их к списку транзакций;
• извлекает из списка очередную транзакцию и передает ее уровню хост-контроллера интерфейса шины USB;
• отслеживает состояние каждой транзакции вплоть до ее завершения.

Хост-контроллер интерфейса шины USB формирует кадры. Кадры передаются последовательной передачей бит по методу NRZI.

Таким образом:

• каждый кадр состоит из наиболее приоритетных посылок, состав которых формирует драйвер хоста;
• каждая передача состоит из одной или нескольких транзакций;
• каждая транзакция состоит из пакетов;
• каждый пакет состоит из идентификатора пакета, данных (если они есть) и контрольной суммы.

Типы передачи данных

Спецификация шины определяет четыре различных типа передачи (transfer type) данных для конечных точек.

Управляющие передачи (Control Transfers) - используются хостом для конфигурирования устройства во время подключения, для управления устройством и получения статусной информации в процессе работы. Протокол обеспечивает гарантированную доставку таких посылок. Длина поля данных управляющей посылки не может превышать 64 байт на полной скорости и 8 байт на низкой. Для таких посылок хост гарантированно выделяет 10% полосы пропускания.

Передачи массивов данных (Bulk Data Transfers) - применяются при необходимости обеспечения гарантированной доставки данных от хоста к функции или от функции к хосту, но время доставки не ограничено. Taкая передача занимает всю доступную полосу пропускания шины. Пакеты имеют поле данных размером 8, 16, 32 или 64 байт. Приоритет у таких передач самый низкий, они могут приостанавливаться при большой загрузке шины. Допускаются только на полной скорости передачи. Такие посылки используются, например, принтерами или сканерами.

Передачи по прерываниям (Interrupt Transfers) - используются в том случае, когда требуется передавать одиночные пакеты данных небольшого размера. Каждый пакет требуется передать за ограниченное время. Операции передачи носят спонтанный характер и должны обслуживаться не медленнее, чем того требует устройство. Поле данных может содержать до 64 байт на полной скорости и до 8 байт на низкой. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 1-255 мс для полной скорости и 10-255 мс - для низкой. Такие передачи используются в устройствах ввода, таких как мышь и клавиатура.

Изохронные передачи (Isochronous Transfers) - применяются для обмена данными в "реальном времени", когда на каждом временном интервале требуется передавать строго определенное количество данных, но доставка информации не гарантирована (передача данных ведется без повторения при сбоях, допускается потеря пакетов). Такие передачи занимают предварительно согласованную часть пропускной способности шины и имеют заданную задержку доставки. Изохронные передачи обычно используются в мультимедийных устройствах для передачи аудио- и видеоданных, например, цифровая передача голоса. Изохронные передачи разделяются по способу синхронизации конечных точек - источников или получателей данных - с системой. Различают асинхронный, синхронный и адаптивный классы устройств, каждому из которых соответствует свой тип канала USB.

Все операции по передаче данных инициируются только хостом независимо от того, принимает ли он данные или пересылает в периферийное устройство. Все невыполненные операции хранятся в виде четырех списков по типам передач. Списки постоянно обновляются новыми запросами. Планирование операций по передаче информации в соответствии с упорядоченными в виде списков запросами выполняется хостом с интервалом один кадр. Обслуживание запросов выполняется в соответствии со следующими правилами:

• наивысший приоритет имеют изохронные передачи;
• после отработки всех изохронных передач система переходит к обслуживанию передач прерываний;
• в последнюю очередь обслуживаются запросы на передачу массивов данных;
• по истечении 90% указанного интервала хост автоматически переходит к обслуживанию запросов на передачу управляющих команд независимо от того, успел ли он полностью обслужить другие три списка или нет.

Выполнение этих правил гарантирует, что управляющим передачам всегда будет выделено не менее 10% пропускной способности шины USB. Если передача всех управляющих пакетов будет завершена до истечения выделенной для них доли интервала планирования, то оставшееся время будет использовано хостом для передач массивов данных.

Версии спецификации

Разработка спецификаций на шину USB производится в рамках международной некоммерческой организации USB Implementers Forum (USB-IF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шиной USB.

С середины 1996 года выпускаются PC со встроенным контроллером USB, реализуемым чипсетом системной платы.

Первая версия спецификации USB 1.0 поддерживает два режима скорости передачи данных между устройством и компьютером:

• Low Speed (1.5 Mbits/sec) , для таких устройств как мыши, клавиатуры и джойстики;
• Full Speed (12 Mbits/ sec) , для модемов и сканеров.

Осенью 1998 года вышла версия 1.1 - в ней были устранены обнаруженные проблемы первой редакции.

Основные технические характеристики USB 1.1:

• Достаточно высокая максимальная скорость обмена - до 12 Мбит/с.
• Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 4,5 м.
• Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) - до 127.
• Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена.
• Не требуется использование дополнительных устройств и терминаторов.
• Подается напряжение питания для периферийных устройств - 5 В.
• Максимальный ток потребления на одно устройство - 500 mA.

Весной 2000 года опубликована спецификация USB 2.0, в которой предусмотрено 40-кратное повышение пропускной способности шины(до 480 Мбит/с в высокоскоростном режиме). Однако устройства USB 2.0 вышли на массовый рынок в 2002 года, когда новый интерфейс, наконец, смог утвердиться.

Вторая версия спецификации USB 2.0 позволяет использовать еще один режим High Speed (480 Mbit/sec) для таких устройств, как жесткие диски, CD-ROM, цифровые камеры. Пропускная способность 480 Мбит/с достаточная и для внешних накопителей, MP3-плееров, смартфонов и цифровых камер, которым требовалась передавать большое количество данных. Также спецификация USB 2.0 полностью поддерживает устройства, разработанные для первой версии. Контроллеры и хабы автоматически определяют версию спецификации, поддерживаемую устройством. Шина позволяет соединять до 127 устройств, удаленныех от компьютера на расстоянии до 25 м (с использованием промежуточных хабов).

После своего широкого внедрения USB 2.0 удалось полностью заменить последовательный и параллельный интерфейсы.

В настоящее время широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB 2.0.

USB 3.0

USB 3.0 поддерживает максимальную скорость передачи 5 Гбит/с.

Коннектор USB 3.0 типа А

Основной целью интерфейса USB 3.0 является повышение доступной пропускной способности, однако новый стандарт эффективно оптимизирует энергопотребление. У USB 3.0 есть четыре состояния подключения, названные U0-U3. Состояние подключения U0 соответствует активной передаче данных, а U3 погружает устройство в "сон". Если подключение бездействует, то в состоянии U1 будут отключены возможности приёма и передачи данных. Состояние U2 идёт ещё на шаг дальше, отключая внутренние тактовые импульсы.

Коннектор USB 3.0 типа В

Соответственно, подключённые устройства могут переходить в состояние U1 сразу же после завершения передачи данных, что, как предполагается, даст ощутимые преимущества по энергопотреблению, если сравнивать с USB 2.0.

Кроме разных состояний энергопотребления стандарт USB 3.0 отличается от USB 2.0 и более высоким поддерживаемым током. Если версия USB 2.0 предусматривала порог тока 500 мА, то в случае нового стандарта ограничение было сдвинуто до планки 900 мА. Ток при инициации соединения был увеличен с уровня 100 мА у USB 2.0 до 150 мА у USB 3.0. Оба параметра весьма важны для портативных жёстких дисков, которые обычно требуют чуть большие токи. Раньше проблему удавалось решить с помощью дополнительной вилки USB, получая питание от двух портов, но используя только один для передачи данных.

Кабели и разъемы USB

В отличие от громоздких дорогих шлейфов параллельных шин АТА и особенно шины SCSI с ее разнообразием разъемов и сложностью правил подключения, кабельное хозяйство USB простое и изящное.

Существует пять видов USB-разъемов :

Слева направо: micro USB, mini USB, B-type, A-type разъем, A-type коннектор

• micro USB - используется в самых миниатюрных устройствах вроде плееров и мобильных телефонов;
• mini USB - также часто обнаруживается на плеерах, мобильных телефонах, а заодно и на цифровых фотоаппаратах, КПК и тому подобных устройствах;
• B-type - полноразмерный разъем, устанавливаемый в принтерах, сканерах и других устройствах, где размер не имеет очень принципиального значения;
• A-type (приемник) - разъем, устанавливаемый в компьютерах (либо на удлинителях USB), куда подключается коннектор типа A-type;
• A-type (вилка) - коннектор, подключаемый непосредственно к компьютеру в соответствующий разъем.

Cистема кабелей и коннекторов USB не дает возможности ошибиться при подключении устройств. Гнезда типа «А» устанавливаются только на нисходящих портах хабов, вилки типа «А» - на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов. Гнезда и вилки типа «В» используются только для шнуров, отсоединяемых от периферийных устройств и восходящих портов хабов (от «мелких» устройств - мышей, клавиатур и т. п. кабели, как правило, не отсоединяются). Хабы и устройства обеспечивают возможносгь «горячего» подключения и отключения.

Максимальная длина USB-кабеля может составлять 5 метров. Данное ограничение введено для снижения времени отклика устройства. Хост-контроллер ожидает поступление данных ограниченное время, и если они задерживаются, то соединение может быть потеряно.

Кабель для поддержки полной скорости шины (full-speed) выполняется как витая пара, защищается экраном и может также использоваться для работы в режиме минимальной скорости (low-speed). Кабель для работы только на минимальной скорости (например, для подключения мыши) может быть любым и неэкранированным.

Литература

1. Косцов А.,Косцов В.Железо ПК. Настольная книга пользователя. - М.: Мартин, 2006. - 480 с.

Шина USB (U niversal S erial B us - универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно - версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициировна весьма авторитетными фирмами - Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq.

Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками - создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов. Кроме этого, желательно питание маломощных устройств подавать с самой шины. Скорость шины должна быть достаточной для подавляющего большинства периферийных устройств. Попутно решается историческая проблема нехватки ресурсов на внутренних шинах IBM PC совместимого компьютера - контроллер USB занимает только одно прерывание независимо от количества подключенных к шине устройств.

Практически все поставленные задачи были решены в стандарте на USB и весной 1997 года стали появляться компьютеры, оборудованные разъемами для подключения USB устройств (см. фото слева), но периферия с подключением к USB до середины 1998 года так практически и не появилась. В чем дело? Почему только к концу 1998 года уже существенно активнее производители оборудования стали предлагать на рынке устройства с USB интерфейсом? Этому есть несколько объяснений:

отсутствие острой необходимости для пользователей настольных компьютеров в устройствах с полной поддержкой Plug&Play. Периферия к настольному компьютеру подключается, как правило, всерьез и надолго и особой нужды в частой смене периферии у подавляющего большинства пользователей нет.

более высокая стоимость устройств с USB по сравнению с аналогичными устройствами, имеющими стандартные интерфейсы

отсутствие поддержки со стороны производителей программного обеспечения и, главным образом, Microsoft, хотя она и была одним из авторов стандарта. Только в Windows 98 появилась полная поддержка USB, а в Windows NT она только должна быть в 1999 году.

Сейчас USB стала активно внедряться производителями компьютерной периферии. Сенсацией стало наличие в компьютере iMAC фирмы Apple Computers только USB в качестве внешней шины.

Технические характеристики

Возможности USB следуют из ее технических характеристик:

Высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) - 12 Mb/s

Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 5 m

Низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) - 1.5 Mb/s

Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена - 3 m

Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) - 127

Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена

Отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов, таких как терминаторы для SCSI

Напряжение питания для периферийных устройств - 5 V

Максимальный ток потребления на одно устройство - 500 mA (это не означает, что через USB можно запитать устройства с общим током потребления 127 x 500 mA=63.5 A)

Поэтому целесообразно подключать к USB практически любые периферийные устройства, кроме цифровых видеокамер и высокоскоростных жестких дисков. Особенно удобен этот интерфейс для подключения часто подключаемых/отключаемых приборов, таких как цифровые фотокамеры. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение/расчленение.
Возможность использования только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины, но существенно уменьшает количество линий интерфейса и упрощает аппаратную реализацию.
Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джойстики и т.п.

Топология

Такой иконой официально обозначается шина USB как в Windows 98, так и на задних стенках компьютеров (к сожалению, далеко не всех), а также на всех разъемах USB. Эта икона на самом деле правильно отображает идею топологии USB. Топология USB практически не отличается от топологии обычной локальной сети на витой паре, обычно называемой "звездой". Даже терминология похожа - размножители шины также называются HUB"ами.

Условно дерево подключения USB устройств к компьютеру можно изобразить так (цифрами обозначены периферийные устройства с USB интерфейсом):

Вместо любого из устройств может также стоять HUB. Основное отличие от топологии обычной локальной сети - компьютер (или host устройство) может быть только один. HUB может быть как отдельным устройством с собственным блоком питания, так и встроенным в периферийное устройство. Наиболее часто HUB"ы встраиваются в мониторы и клавиатуры

На рисунке выше показан пример правильного соединения периферийных устройств в условную USB сеть. Так как обмен данными по USB идет только между компьютером и периферийным устройством (между устройствами обмена нет), то устройства с большими объемами приема и/или передачи данных должны подключаться либо к самому компьютеру, либо к ближайшему свободному узлу. В данном случае наивысший трафик у колонок (~1.3 Mb/s), затем идут модем и сканер, подключенные к HUB"у в мониторе и завершают цепь клавиатура, джойстик и мышь, трафик у которых близок к нулю.
Может возникнуть вопрос - почему колонки имеют такой высокий трафик? Дело в том, что колонки с USB интерфейсом существенно отличаются от обычных. Для использования таких колонок НЕ ТРЕБУЕТСЯ звуковая карта. Драйвер колонок отправляет оцифрованный звук сразу в колонки, где с помощью АЦП (ADC) он преобразуется в аналоговый сигнал и подается на динамики.

Кабели и разъемы

Сигналы USB передаются по 4-х проводному кабелю, схематично показанному на рисунке ниже:

Здесь GND - цепь "корпуса" для питания периферийных устройств, VBus - +5V также для цепей питания. Шина D+ предназначена для передачи данных по шине, а шина D- для приема данных.
Кабель для поддержки полной скорости шины (full-speed) выполняется как витая пара, защищается экраном и может также использоваться для работы в режиме минимальной скорости (low-speed). Кабель для работы только на минимальной скорости (например, для подключения мыши) может быть любым и неэкранированным.
Разъемы, используемые для подключения периферийных устройств, показаны на рисунке ниже.

Как видно из рисунка, невозможно подключить устройство неправильно, так как разъем серии "А" можно подключить только к активному устройству на USB - HUB"у или компьютеру, а серии "В" только к собственно периферийному устройству.

USB разъемы имеют следующую нумерацию контактов:

Цоколевка разъемов USB