Шина USB

Спецификация последовательной универсальной шины – USB (Universal Serial Bus) была разра­ботана в 1995 г. для подключения низкоскоростных внешних устройств типа клавиатуры и мыши и обеспечивала скорость обмена данными 1,5 Мбит/с при длине кабеля до 3 м.

Разработку и поддержку спецификаций для шины USB осуществляет USB-IF (USB Implementers Forum, Inc –корпорация Форум разработчиков USB), созданный в 1995 году. Членами USB-IF являются в настоящее время свыше 800 компаний, в том числе Microsoft, Intel и Hewlett-Packard.

В 1996 году была принята спецификация USB 1.1 (1996 г.), в которой добавлена скорость передачи 12 Мбит/с и максимальная длина кабеля увеличена до 5 м.

В следующей версии спецификации USB – USB 2.0 (2000 г.), называемой также высокоскоростным USB (High Speed USB), скорости обмена данными по шине составляют 1,5 Мбит/с (low speed – низкая скорость), 12 Мбит/с (full speed – полная скорость) и 480 Мбит/с (high speed – высокая скорость). Спецификация USB 2.0 поддерживает обратную совместимость со спецификацией USB 1.1.

Все операции по передаче данных по шине USB инициализируются и выполняются под управлением компьютера. При этом обмен данными между компьютером и устройством при использовании шины USB может выполняться в одном из трех режимов:

· режиме изохронной передачи, при котором данные передаются с постоянной скоростью в режиме реального времени (без задержек), но с возможными потерями в данных (используется для обмена аудио и видеоданных);

· режиме передачи с прерываниями (используется для устройств, требующих минимальной задержки при передаче данных, например, мыши и клавиатуры);

· режиме передачи больших объемов данных в виде пакетов – возможно с задержками, но без потерь (используется при обмене файлами).

Кроме того, в четвертом, командном, режиме по шине USB пересылаются команды управления передачей.

Кабель шины USB 1.1 и 2.0 содержит четыре провода. Из них два провода, образующих витую пару, предназначены для обмена данными, остальные два провода – для подачи электропитания (с напряжением 5 В и максимальной силой тока 500 мА) на подключаемые устройства (некоторые из устройств могут использовать автономное подключение к источникам электропитания). Данные по витой паре в каждый момент времени могут либо передаваться, либо приниматься (такой режим обмена данными называется полудуплексным).

Существенным преимуществом USB является возможность «горячего» подключения устройств к шине во время работы компьютера. При подключении устройства ему автоматически присваивается уникальный идентификационный номер и выполняется автоматический поиск драйвера устройства (при необходимости драйвер устройства может быть установлен вручную).

Перед снятием устройства во время работы компьютера операционная система должна предварительно отключить электропитание этого устройства (в противном случае возможна порча устройства).

Разъемы на концах кабеля USB, соединяющего два устройства должны быть разных типов: на одном конце разъем типа Standard-A или просто A (рис. 1.3.4а) и на другом конце разъем типа Standard-B или просто B (рис. 1.3.4б). Для подключения кабеля USB к компьютеру используются разъемы типа A, а для подключения кабеля к устройству – разъем типа B.

В дальнейшем, для подключения портативных устройств, в спецификации USB были определены разъемы уменьшенных размеров: Mini-A (рис. 1.3.4в) и Mini-B (рис. 1.3.4г).

 

Рис. 1.3.4. Разъемы USB (штекер и гнездо): а) типа A; б) типа B;

в) типа Mini-A; г) типа Mini-B

 

Для подключения к компьютеру портативных устройств, в частности мобильных телефонов, в 2007 г. в спецификацию USB 2.0 были добавлены разъемы типов Micro-A (рис. ?????а) и Micro-B (рис. ?????б).

Рис. 1.3.4. Разъемы USB (штекер и гнездо): а) типа Micro-A; б) типа Micro-B

 

Управление обменом данных в компьютере выполняется в контроллере USB, реализованном в материнской плате либо в одной из микросхем, либо в отдельной микросхеме. При необходимости подключения большего количества устройств, чем имеется гнезд USB на материнской плате можно подключить карту расширения USB к шине PCI (рис. ?????а).

Альтернативой является подключение устройств к компьютеру по иерархической схеме, с использованием концентраторов USB (USB Hubs) (рис. ?????б). К выходным портам концентраторов могут подключаться другие устройства и концентраторы. Максимальное число подключаемых устройств – 127 (включая концентраторы), однако реально это число значительно меньше из-за того, что суммарная скорость передачи подключенных устройств не должна превышать скорости передачи шины (12 Мбит/с для USB 1.1 и 480 Мбит/с для USB 2.0).

 

 

 

Рис. ?????. Средства подключения устройств по шине USB: а) карта расширения USB:

1 – гнезда для подключения внешних устройств; 2 – гнездо для подключения внутреннего устройства; 3 – контроллер USB;б) концентратор USB: 1 – входной порт; 2 – выходные порты; в) пример подключения устройств USB

 

 

Высокая скорость передачи данных позволяет подключать к компьютеру по интерфейсу USB другие компьютеры, концентраторы, принтеры, сканеры и внешнюю память, а также другие устройства, например, мобильные телефоны. Телекоммуникационная сеть с иерархической структурой и единственным центральным хостом, в котором устройства соединены друг с другом с помощью шины USB, называется сетью USB.

При обмене данными по шине USB управление обменом выполняет компьютер. Однако в современных устройствах обмен данными может выполняться, в принципе, без участия компьютера. Так, данные с цифровой фотокамеры могут быть переданы для печати непосредственно на принтер.

Для такого обмена было разработано дополнение к спецификации USB 2.0 – спецификация USB OTG (USB On-The-Go – непосредственный USB) (последняя редакция была принята в 2009 г.).

При обмене без участия компьютера одно из устройств должно первоначально выполнить роль хоста, а другое – периферийного устройства. В процессе обмена устройства могут меняться ролями.

В спецификации OTG определены три типа подключаемых устройств:

· устройство типа A – устройство, выполняющее только роль хоста (содержит гнездо типа A);

· устройство типа B – периферийное устройство (содержит гнездо типа B, Mini-B или Micro-B);

· устройство OTG – устройство, которое в процессе обмена может играть как роль хоста, так и периферийного устройства.

Для устройств OTG в спецификации определены два новых гнезда: гнездо Mini-AB (рис. ?????а) и гнездо Micro-AB (рис. ?????б). В эти гнезда могут подключаться как штекеры Mini-A (Micro-A), так и штекеры Mini-B (Micro-B). Устройства, подключаемые друг к другу, должны иметь одно из этих гнезд (Mini-AB или Micro-AB), а кабель должен иметь на одном конце разъем типа Mini-A (Micro-A), а на другом – разъем типа Mini-B (Micro-B).

Рис. ?????. Гнезда подключения для устройств OTG: а) гнездо Mini-AB;

б) гнездо Micro-AB

 

Чтобы определить, какое из устройств будет выполнять роль хоста, используется дополнительный, пятый, провод и, соответственно, дополнительный контакт в штекерах и гнездах. В штекере типа A этот провод заземлен, а в штекере типа B – нет. При подключении устройств друг к другу, то из устройств, в которое включен штекер типа A становится хостом (устройство OTG-A), другое – периферийным устройством (устройством OTG-B).

В спецификации USB OTG определены также два новых протокола: протокол запроса сеанса – SRP (Session Request Protocol) и протокол согласования хостов – HNP (Host Negotiation Protocol).

Протокол SRP позволяет управлять электропитанием, обеспечиваемым хостом для периферийного устройства. В соответствии с этим протоколом электропитание подается на периферийное устройство только по запросу последнего (это позволяет уменьшить потребление электроэнергии, особенно в том случае, когда хост получает питание от батарейки).

После подключения устройств OTG друг к другу их роли определены штекером кабеля. Протокол HNP позволяет устройствам поменяться своими ролями. Поэтому во время сеанса обмена любое из устройств (OTG-A или OTG-B) могут стать инициаторами обмена данными.

Устройства, использующие шину USB OTG могут быть непосредственно соединены друг с другом как на рис. ?????а. Для обмена данными между устройствами может использоваться также мост OTG (OTG Bridge) (рис. ?????б).

 

 

Рис. ?????. Использование шины USB OTG: а) соединение цифровой фотокамеры с принтером для печати фотоснимков; б) соединение цифровой фотокамеры и iPOD с использованием моста OTG

 

В последней версии спецификации USB – USB 3.0 (2008 г.) к скоростям USB 2.0 добавлена скорость 5 Гбит/с. Эта версия называется также суперскоростным USB (Super Speed USB – SSUSB). Спецификация USB 3.0 поддерживает обратную совместимость со спецификацией USB 2.0.

Дополнительно к витой паре обмена данными и двум проводам электропитания USB 2.0, в спецификации USB 3.0 определены две витые пары для обмена данными на скорости 5 Гбит/с. Так же, как в шине PCI Express, в USB 3.0 при передаче данных используется метод LDVS. Прием и передача данных по витым парам может вестись одновременно (дуплексный режим обмена данными). Максимальная сила тока в проводах электропитания увеличена в USB 3.0 до 800 мА.

В спецификации USB 3.0 определены следующие типы разъемов:

· штекер и гнездо USB 3.0 типа A;

· штекер и гнездо USB 3.0 типа B;

· штекер и гнездо USB 3.0 типа Powered-B;

· штекер и гнездо USB 3.0 типа Micro-B;

· штекер USB 3.0 типа Micro-A;

· гнездо USB 3.0 типа Micro-AB.

По ширине и высоте штекер и гнездо USB 3.0 типа A (рис. ????а) совпадают с соответствующими разъемами USB 2.0, поэтому штекер USB 3.0 можно вставить в гнездо USB 2.0 и наоборот. Однако разъемы USB 3.0 более глубокие и за передними 4 контактами в них размещаются дополнительные 5 контактов (4 контакта для двух витых пар и контакт заземления).

Штекер и гнездо USB 3.0 типа B (рис. ????б) по сравнению с разъемами USB 2.0 типа B имеют сверху 5 дополнительных контактов, поэтому штекер USB 2.0 типа B можно вставить в гнездо USB 3.0 типа B, но не наоборот.

Штекер и гнездо USB 3.0 типа Powered-B совпадают с штекером и гнездом USB 3.0 типа B, но содержит два дополнительных контакта, которые позволяют устройству USB 3.0 обеспечить электропитанием адаптер USB без подключения внешнего источника.

Чтобы отличить разъемы типов A и B для USB 3.0 от соответствующих разъемов USB 2.0 пластмассовые планки для контактов в разъемах должны быть синего цвета.

Штекер и гнездо USB 3.0 типа Micro-B (рис. ????в) содержат два отдельных разъема – USB 3.0 и USB 2.0. Такая реализация разъема позволяет вставить штекер USB 2.0 типа Micro-B в гнездо USB 3.0 типа Micro-B.

Штекер USB 3.0 типа Micro-A аналогичен штекеру USB 3.0 типа Micro-B, но имеет другую кодировку сигналов.

Штекер USB 3.0 типа Micro-AB аналогичен штекеру USB 3.0 типа Micro-B, но имеет другую кодировку сигналов и, кроме того, дополнительный контакт для определения роли устройства (этот штекер может использоваться только в устройствах OTG).

Рис. ????. Разъемы USB 3.0 (штекер и гнездо): а) типа A; б) типа B;

в) типа Micro-B: 1 – разъем USB 2.0; 2 – разъем USB 3.0;

 

В настоящее время подавляющее большинство внешних устройств подключаются к компьютеру с использованием проводной шины USB. В то же время, все более распространенным становится беспроводное подключение устройств, в основном с помощью описываемых ниже портов IrDA и Bluetooth. Учитывая эти тенденции, USB-IF разработала в 2005 г. спецификацию Wireless USB – WUSB (беспроводное USB). Обмен данными в Wireless USB реализуется на основе алгоритмов и протоколов, используемых в шине USB (с некоторыми изменениями), а непосредственно передача данных выполняется с использованием сверхширокополосной (Ultra Wide Band, UWB) технологии. Эта технология разработана, сертифицируется и поддерживается альянсом WiMedia (WiMedia Alliance), неприбыльной организации, членами которой являются все ведущие фирмы-производители телекоммуникационного оборудования.

Технология UWB передает сигналы в широком спектре (от 3,1 ГГц до 10,6 ГГц), перекрывающем частоты многих уже используемых диапазонов. При этом импульсные сигналы небольшой амплитуды, распределенные по нескольким частотным диапазонам, воспринимаются другими радиосистемами как «белый шум». Технология UWB поддерживает следующие скорости передачи данных: 55,3, 80, 106,7, 200, 320, 400 и 480 Мбит/с по нескольким каналам. Для повышения надежности передачи данных используются различные методы обнаружения и исправления ошибок. Небольшая мощность сигналов ограничивает дальность приема сигналов расстоянием от 3 м на скорости 480 Мбит/с до 10 м на скорости 106,7 Мбит/с.

Сеть Wireless USB содержит один центральный узел (хост), к которому подключается до 127 устройств, каждый из которых имеет свой канал двухсторонней связи («точка-точка») с хостом. Контроллер Wireless USB хоста (хост-контроллер) инициализирует обмен данными с каждым подключенным к нему устройством и управляет потоком данных, выделяя каждому устройству свой промежуток времени (временной слот) и соответствующую ширину полосы пропускания канала.

Хост-контроллер и контроллеры устройств могут быть реализованы на карте, которая вставляется в слот PCI или PCI Express. Однако в настоящее время используется другой способ организации беспроводного соединения USB, определенный в спецификации Wireless USB.

Спецификация определяет класс устройств, называемых проводными адаптерами (Wire Adapters). Эти адаптеры являются отдельными устройствами, подключаемыми к компьютеру или периферийному устройству по шине USB.

Адаптер, подключаемый к компьютеру-хосту, называется проводным адаптером хоста (Host Wire Adapter) или адаптером ПК (рис. ?????а), а адаптер, подключаемый к периферийному устройству, называется проводным адаптером устройства – DWA (Device Wire Adapter).

К DWA может быть подключено по шине USB как одно устройство, так и несколько устройств. В первом случае DWA называют просто адаптером устройства (рис. ?????б), во втором случае – концентратором (рис. ?????в). Примеры беспроводного подключения устройств в сети Wireless USB с использованием адаптеров и концентратора приведены на рис. ?????г и рис. ?????д.

Рис. ?????. Беспроводное подключение устройства к компьютеру с использованием устройств Wireless USB: а) адаптеры хоста; б) адаптер устройства; в) концентратор;

г) пример сети Wireless USB с адаптерами: 1 – адаптер устройства; 2 – адаптер хоста;

д) пример сети Wireless USB с концентратором: 1 – концентратор; 2 – адаптер хоста

 

Шина USB в настоящее время является самой распространенной для подключения различных устройств к компьютеру.