1.4.3. Физическая архитектура шины usb

Физическая архитектура шины USB приведена на рис. 1.18 и подчиняется следующим правилам:

1. Шина USB является хост-центрической: единственным ведущим устройством, которое управляет обменом, является хост, все периферийные устройства подключаются к хосту и являются ведомыми.

2. Физическое соединение устройств между собой осуществляется по топологии многоярусной звезды, вершиной которой является корневой хаб.

3. Центром каждой звезды является хаб.

4. К каждому порту хаба может подключаться периферийное устройство или другой хаб, при этом допускается до 5 уровней каскадирования хабов, не считая корневого. Каждый промежуточный хаб имеет несколько нисхоящих портов для подключения периферийных устройств или нижестоящих хабов и один восходящий порт для подключения к корневому хабу или нисходящему порту вышестоящего хаба.

5. Каждый кабельный сегмент соединяет между собой две точки: хост с хабом или функцией, хаб с функцией или другим хабом.

Рис. 1.18. Физическая архитектура шины USB

Детали физической архитектуры скрыты от прикладных программ в системном ПО, поэтому логическая архитектура выглядит как обычная звезда, центром которой является прикладная программа. Взаимодействие приложений с устройствами USB выполняется только через программный интерфейс. Этот интерфейс, обеспечивающий независимость обращений к устройствам, предоставляется системным ПО хост-контроллера USB.

1.4.4. Аппаратное обеспечение usb

Кабели. Спецификация USB предъявляет следующие требования к кабельному соединению:

1. Предотвращать ошибки соединения (рис. 1.19) (должна обеспечиваться невозможность соединения выходного порта одного хаба с выходным портом другого, т.к. это приводит к образованию замкнутых контуров в иерархии USB; не следует допускать соединения входного порта одного устройства с входным портом другого).

2. Обеспечивать возможность подключения как устройств с питанием от шины и устройств, имеющих внешнее питание.

3. Осуществлять простое подключение устройств дешевыми кабелями и разъемами.

Рис. 1.19. Ошибки соединения USB-устройств

Спецификация USB 2.0 определяет следующие типы используемых кабелей: стандартный съемный кабель, высокоскоростной (полноскоростной) несъемный кабель; низкоскоростной несъемный кабель; кабель-адаптер для прямого соединения двух компьютеров через USB-порт.

• Стандартный кабель служит для соединения хоста или хаба с устройством. С одной стороны он заканчивается разъемом типа «А» для подключения к хосту или хабу, а с другой – разъемом типа «В» или «mini-В» для подключения к устройству. Оба разъема маркируются логотипом USB.

• Несъемный кабель заканчивается с одной стороны разъемом типа »А» (с маркировкой) для подключения к хосту или хабу, а другим концом жестко присоединен к устройству.

• Высокоскоростной кабель обязательно должен иметь витую пару из сигнальных проводников, внутренний экран. Отметим, что этот кабель можно использовать для низкоскоростного соединения.

• Низкоскоростной кабель предназначен для работы на скоростях до 1,5 Мбит/с. В связи с этим к кабелю предъявляются меньшие требования: низкоскоростной кабель не использует витую пару для сигнальных проводников.

Длина соединительного кабеля в среднем составляет 3–5 метров, причем сечение проводников выбирается в соответствии с длиной для обеспечения гарантированного уровня сигнала и питающего напряжения.

Разъемы. Для предотвращения ошибочных соединений USB использует USB-кабели с различными разъемами. Согласно спецификации все устройства, работающие с шиной USB 2.0, могут использовать только три типа разъемов: «А», «В» и «mini-В». Внешний вид USB-разъема типа «А» приведен на рис. 1.20. Разъем типа «В» (рис. 1.21) используют «ведомые» устройства: сканеры, принтеры, мониторы (USB-монитор обязательно подключается к видеоадаптеру через интерфейс VGA RGB Analog, DVI, HDMI. USB в названии монитора означает лишь наличие на нем USB-портов, позволяющих подключать USB-устройства непосредственно к монитору, а также возможность программного конфигурирования настроек монитора по USB-интерфейсу).

Тип разъемов «mini-B» (рис. 1.22) появился в спецификации в 2000 г. с введением стандарта USB 2.0. Этот разъем позиционируется для применения в малогабаритных устройствах, например в сотовых телефонах, когда габариты самого устройства соизмеримы с размерами разъема.

Рис. 1.20. Внешний вид USB-разъема типа «А»	Рис. 1.21. Внешний вид USB-разъема типа «В»	Рис. 1.22. MicroUSB Тип B (слева), MiniUSB Тип B (справа)

Все типы разъемов конструктивно выполнены так, что при подключении сначала происходит соединение шины питания, а затем шины данных. Это позволяет производить подключение и отключение USB-устройств без отключения питания («горячее» подключение).

Питание. Спецификация USB жестко оговаривает условия питания устройств, подключенных к шине, и, кроме того, определяет дополнительные возможности энергопотребления.

В зависимости от принципа питания можно выделить три класса USB-устройств:

1) с питанием от шины (Bus Powered Devices) и малым потреблением: такие устройства должны потреблять не более 100 мА;

2) с питанием от шины и большим потреблением: такие устройства должны потреблять не более 100 мА при включении и не более 500 мА после конфигурирования;

3) с собственным источником питания (Self Powered Devices): такие устройства должны потреблять ток от шины не более 100 мА, а остальную мощность потреблять от собственного блока питания; при пропадании питания устройство должно обеспечивать потребление тока от шины, не превышающее 100 мА.

Хост обеспечивает питанием непосредственно подключенные к нему ПУ. Каждый хаб, в свою очередь, обеспечивает питание устройств, подключенных к его нисходящим портам.

Устройство указывает потребляемую мощность в дескрипторе конфигурации (поле Max Power), который передается хосту при нумерации устройств на шине. Значение поля Max Power равно максимальному току в миллиамперах, потребляемому устройством от шины USB, деленному на 2 мА. Например, если устройство потребляет ток от USB-шины 100 мА, то в поле Max Power дескриптора конфигурации должна фигурировать цифра 50 (50 · 2 мА = 100 мА). Потребление тока устройством не должно превышать значения, указанного в процессе нумерации.

Потребляемая мощность, согласно спецификации USB, измеряется в блоках (unit). Один блок составляет 100 мА. Таким образом, устройства с малым потреблением используют 1 блок, а с большим потреблением – до 5 блоков.

Все USB-устройства должны поддерживать режим низкого энергопотребления. Ток, потребляемый устройством в таком режиме, пропорционален указанному потреблению в блоках. Для устройства с потреблением тока в 1 блок ток в энергосберегающем режиме не должен превышать 500 мкА с учетом тока, проходящего через резисторы, подключенные к сигнальным линиям, регуляторы напряжения на 3,3 В, встроенные в микросхемы контроллеров USB-шины. Для полной уверенности, что устройство не выйдет за недопустимую черту потребления тока в режиме энергосбережения, необходимо переводить и управляющий микроконтроллер в режим «сна» (Idle Mode). При превышении лимита хаб отключит USB-устройство от шины.

USB-устройство входит в режим пониженного энергопотребления, когда на шине нет активности более 3 мс. У USB-устройства есть еще 7 мс для того, чтобы переключиться в режим «сна» и установить ток потребления от шины не более заявленного. Чтобы поддерживать связь с хостом в состоянии пониженного энергопотребления, устройство должно обеспечить протекание тока через резистор выбора скорости, наличие которого будет сигнализировать о том, что устройство все еще подключено к шине. Хост-контроллер периодически может выдавать на шину сигнал начала пакета SOF для того, чтобы предотвратить вхождение подключенных устройств в энергосберегающий режим.