3.2.2. Последовательная шина usb

Специализированные устройства сбора данных, например скоростные платы аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей производства Texas Instruments, Sun Dance или московской фирмы ЗАО «Инструментальные системы», используют для передачи данных FireWire и USB 2.0. Применение этих шин обусловлено тем, что устройства сбора данных, применяемые в связи, технике, промышленных и научных измерениях часто необходимо для предотвращения помех расположить как можно дальше от компьютера и как можно ближе к датчику, показания которого снимаются устройством. При этом нередко требуются достаточно высокие скорости передачи данных, такие как, например, в случае 14-битного АЦП, работающего с частотой 100 МГц.

Шина USB была предложена в качестве замены имеющимся в компьютерах СОМ и LPT портам. Современные варианты LPT портов способны передавать до 24 Мбит/с, скорость передачи последовательных СОМ портов не более 115 кбит/с. Шина USB изначально разрабатывалась с учетом того, что программное обеспечение должно самостоятельно определять какой драйвер следует использовать для работы с каждым вновь подключаемым устройством. Это особенно важно с учетом того, что устройства могут подключаться и отключаться на ходу к различным портам компьютера.

В настоящее время существуют 4 версии стандарта USB: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0 и USB 3.0. В стандарте USB 1.1 исправлены ошибки, имеющиеся в USB 1.0, других отличий нет.

Для протокола USB предусмотрены четыре типа скоростей передачи данных. В каждой последующей версии стандарта USB вводилась новая скорость передачи данных при поддержке всех предыдущих. В таблице 3.4 перечислены типы скоростей, поддерживаемые четырьмя версиями протокола USB.

Таблица 3.4. Названия скоростей и поддерживаемые версии USB

	Low-Speed	Full-Speed	High-Speed	Super Speed
USB 1.0			–	–
USB 1.1			–	–
USB 2.0				–
USB 3.0				

В таблице 3.5 показаны максимальные значения четырех типов скоростей.

Таблица 3.4. Названия скоростей и пропускная способность

	Low-Speed	Full-Speed	High-Speed	Super Speed
Максимальная пропускная способность, МБ/с	0,1875	1,5	60	625
Максимальная пропускная способность, Мбит/с	1,5	12	480	5000

Основные технические характеристики стандартов приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5. Технические характеристики USB

Наименование	Версия стандарта USB
	USB 1.1	USB 2.0	USB 3.0
Максимальная скорость передачи, Мбит/с	12	480	4,8 Гбит/с
Скорость медленных USB устройств, Мбит/с	1,5	1,5	1,5
Максимальная длина кабеля, м	3	5	3
Максимальная суммарная длина, м	15	25	15
Импеданс кабеля, Ом	90	–	–
Чувствительность приемника не менее, мВ	200	–	–
Вносимая задержка сигнала для кабеля в целом не более, нс	30	–	–
Максимальная допустимая емкость линий относительно земли не более, пФ	10	–	–
Время нарастания фронта импульса, нс	5	–	–
Напряжение сигнала, В	3,8	–	–
Максимальное число устройств в одной шине	127
Вид сигнала	Дифференциальный по напряжению

Для работы шины в целом необходимым элемент является хост – центральный компьютер.

В шине USB сигнал и питание передаются по четырехпроводному кабелю (не для USB 3.0), показанному на рис. 3.9. Передача сигналов происходит по двум проводам и только от точки к точке. Сигналы в каждом сегменте являются дифференциальными. Чтобы обеспечивать гарантируемые входные уровни напряжения и соответствующий импеданс.

Рис. 3.9. Кабель USB 1.0 и 2.0

Сигнальные провода обычно выполнены в виде экранированной витой пары.

Стандарт предъявляет ряд требований к самим кабелям: максимальную величину ослабления сигнала (погонное сопротивление порядка десятых долей ома на метр), частотную зависимость ослабления сигнала.

Передача любых пакетов в шине USB происходит только «по команде сверху» (устройство, получившее Token-пакет от хоста, может передать данные в шину), поэтому даже для обнаружения таких асинхронных событий как подсоединение и отсоединение устройств используется опрос центральным узлом (хостом, роль которого обычно выполняет PC) всех HUB-устройств имеющихся на шине. Для единообразия считается, что хост содержит так называемый корневой HUB (root HUB), управление которым происходит примерно, так же как и HUB-устройствами, подключенными снаружи.

Шина USB соединяет устройства с хостом. На физическом уровне топология USB представляется в виде многоуровневой звезды. В центре каждой звезды находится концентратор (HUB). Каждый сегмент провода - двухточечное соединение между хостом и концентратором или устройством, или концентратором соединенным с другим концентратором или устройством. Пример топологии шины USB показана на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Пример топологии шины USB

Отличием корневого HUB, может быть в частности то, что он может логически объединять в себе корневые узлы нескольких шин USB. Для каждой такой шины назначение 7-битных адресов устройствам происходит раздельно. Объединенные таким образом шины нередко поддерживают разные версии стандарта, что не мешает прикладным программам и драйверам при необходимости воспринимать их как единое целое.

Каждому вновь подключенному устройству хост назначает уникальный в рамках одной физической шины адрес, в дальнейшем все пакеты, направляемые этому устройству, будут идентифицироваться именно этим адресом.

Основная проблема шины USB 2.0 заключается в том, что она является однонаправленной. То есть данные передаются в обе стороны (либо в одну, либо в другую, но не одновременно) по одной и той же витой паре. Несмотря на декларируемую максимальную скорость передачи данных до 480 Мбит/с, шина USB 2.0 имеет достаточно большие задержки между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Поэтому в реальности интерфейс USB 2.0 не позволяет передавать данные со скоростью более 35 Мбайт/с (280 Мбит/с). Подключение по интерфейсу USB 2.0 внешних жестких дисков и флэш-памяти не позволяет реализовать весь их скоростной потенциал. К примеру, при подключении внешнего жесткого диска по интерфейсу eSATA скорость передачи данных ограничивается скоростными характеристиками самого диска и для современных дисков составляет порядка 90 Мбайт/с (при последовательных операциях чтения и записи), а при подключении того же внешнего диска по интерфейсу USB 2.0 скорость передачи данных снижается до 33 Мбайт/с.

Не только внешние накопители, но и многие другие периферийные устройства нуждаются в существенно большей пропускной способности интерфейса, поэтому разработан высокоскоростной стандарт USB 3.0.

Спецификацией USB 3.0 предусмотрен режим Super Speed со скоростью передачи данных до 5 Гбит/с (640 Мбайт/с), то есть более чем в 10 раз превышающей ту, что предусмотрена спецификацией USB 2.0. Конечно, реальная скорость передачи данных будет, скорее всего, ниже, однако даже с учетом этого для большинства периферийных устройств такой пропускной способности шины USB 3.0 более чем достаточно.

В спецификации USB 3.0, кроме режима Super Speed, оставлены и режимы Hi-Speed, Full-Speed и Low-Speed. Кроме того, разъемы USB 3.0 совместимы с разъемами USB 2.0. Это означает, что все периферийные устройства с интерфейсом USB 2.0 можно будет подключать к шине USB 3.0.

Следующее важное отличие спецификации USB 3.0 от USB 2.0 заключается в том, что стандартом предусмотрена двунаправленная передача данных по разным витым парам. Увеличилось и количество проводов в USB-кабеле. Так, в стандарте USB 2.0 одна витая пара использовалась для приема/передачи данных, а другая — для питания, то есть в разъемах USB 2.0 было четыре контакта, а USB-кабель содержал четыре провода.

В спецификации USB 3.0 первая витая пара применяется для передачи данных, вторая — для приема данных, третья — для питания, а для совместимости со стандартом USB 2.0 предусмотрена четвертая витая пара, по которой осуществляется прием/передача данных в режиме USB 2.0 (Hi-Speed, Full-Speed и Low-Speed). Кроме того, в обязательном порядке присутствует еще одна «земля» (GND_DRAIN) в виде оплетки двух витых пар. Таким образом, в кабеле USB 3.0 не четыре провода, а восемь, а в разъемах USB 3.0 как минимум девять контактов (оплетки витых пар подключаются к контакту GND_DRAIN).

Рис. 3.11. Кабель для USB 3.0

Чтобы гарантировать надежную передачу данных интерфейс USB 3.0 использует кодирование 8/10 бит, которое используется, например, в Serial ATA. Один байт (8 бит) передается с помощью 10-битного кодирования, что улучшает надежность передачи в ущерб пропускной способности. Поэтому переход с битов на байты осуществляется с соотношением 10:1 вместо 8:1.

Новый стандарт эффективно оптимизирует энергопотребление. Интерфейс USB 2.0 постоянно опрашивает доступность устройств, на что расходуется энергия. Напротив, у USB 3.0 есть четыре состояния подключения, названные U0-U3. Состояние подключения U0 соответствует активной передаче данных, a U3 погружает устройство в «сон».

Если подключение бездействует, то в состоянии U1 будут отключены возможности приема и передачи данных. Состояние U2 идет еще на шаг дальше, отключая внутренние тактовые импульсы. Соответственно, подключенные 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 USB 2.0 предусматривал порог тока 500 мА, то в случае нового стандарта ограничение было сдвинуто до планки 900 мА.

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 не возврата к нулю с инвертированием единиц).

Вместо кодирования логических уровней как уровней напряжения USB определяет логический 0 как изменение напряжения, а логическую 1 как не изменение напряжения. Этот метод представляет собой модификацию обычного потенциального метода кодирования NRZ (Non Return to Zero, не возврат 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, рис. 3.12,а). 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, рис. 3.12,б).

Рис. 3.12. Кодирование NRZI

а) без добавления бита; б) с добавлением бита

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.

Для USB это особенно важно, так как сигналы предаются по одному двухпроводному каналу, а канал для передачи строба отсутствует. Для генерации контрольной суммы для данных и token используются 2 различных полинома.

Передача данных происходит в полудуплексном режиме с использованием трех состояний, как правило, ТТЛ логики. Приемные цепи измеряют дифференциальное напряжение на сигнальной паре проводов относительно локальной земли. Передающие цепи не должны выходить из строя, в случае если другая передающая цепь так же приложит такое напряжение к сигнальной паре проводов.