1.4.5. Физический интерфейс
Как указывалось ранее, информационные сигналы и питающее напряжение 5В передаются по четырехжильному кабелю. Для передачи данных по шине используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D– по двум проводам. Сигналы синхронизации и данные кодируются по методу NRZI (Non Return to Zero Invert, метод возврата к нулю с инвертированием единиц). В этой кодировке логическая «1» представлена неизменным уровнем на протяжении битового интервала, а логический «0» представляет собой смену уровня на противоположный на протяжении битового интервала.
Скорость, используемая устройством, подключенным к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов D+ и D–, смещаемых нагрузочными резисторами приемопередатчиков: в устройствах с низкой скоростью линию D– подключают через резистор 1,5 кОм к уровню +3,3 В; в устройствах с полной скоростью линию D+ подключают через резистор 1,5 кОм к уровню +3,3 В.
Передача по двум проводам в USB не ограничивается дифференциальными сигналами. Кроме дифференциального приемника, каждое устройство имеет линейные приемники сигналов D+ и D–, а передатчики этих линий управляются индивидуально. Это позволяет различать более двух состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса. Состояние, при котором разность потенциалов на линиях D+ и D– составляет более 200 мВ при условии, что на одной из линий потенциал выше порога срабатывания Vse, называется состоянием Diff0 или Diff1. Состояние, при котором на обоих входах D+ и D– присутствует низкий уровень, называется линейным нулем SEO (Single Ended Zero). Интерфейс определяет 8 состояний: Data J State и Data K State (или просто J и K) – состояние передаваемого бита; Idle State – состояние паузы на шине; Resume State – сигнал «пробуждения» для вывода устройства из «спящего» режима; Start of Packet (SOP) – начало пакета (переход из Idle State в K); End of Packet (EOP) – конец пакета; Disconnect – устройство отключено от порта; Connect – устройство подключено к порту; Reset – сброс устройства.
Состояния определяются сочетаниями дифференциальных и линейных сигналов. В декодировании состояний Disconnect, Connect и Reset учитывается время нахождения линий (более 265 мс) в определенных состояниях.
1.4.6. Ограничения usb 1.1 и usb 2.0
Согласно спецификации USB к одному разъему можно подключить до 127 устройств, но на практике это не так. Ограничения накладывают пропускная способность и мощность USB-шины, расстояние между внешними устройствами.
Для USB 1.1 между устройствами делится всего 12 Мбит/с, поэтому одновременная работа особо «прожорливых» устройств невозможна. Интерфейс USB 2.0 более быстрый, однако ограничение существует и тут.
Ограничение мощности актуально для устройств, которые берут питание непосредственно от шины, однако от него легко избавиться добавлением хаба с питанием от сети.
Стандарт USB был разработан как «настольная шина» (desktop bus), с тем расчетом, что внешние устройства будут в пределах досягаемости. Максимальная длина кабеля для FS-режима может быть 5 м. Можно использовать 5 хабов для увеличения длины кабеля до 25 м.
1.4.7. USB 3.0
Недостаток USB 2.0 в современных условиях – низкая скорость передачи данных. Теоретически USB 2.0 имеет максимальную скорость передачи 480 Мбит/с, на практике – примерно 320 Мбит/с, которых недостаточно для задач, требующих высокой скорости: передачи видео в высоком разрешении, работы с хранилищами данных большого объема и т.п. Поэтому продолжалась работа по повышению скорости передачи данных.
Разработка спецификации USB 3.0 была завершена в 2008 г. Устройства, использующие новый интерфейс, начали появляться в продаже с 2009 г. У USB 3.0 максимальная скорость передачи возросла в 10 раз и в режиме Super-Speed составляет 4.8 Гбит/с. Для протокола USB 3.0 сохранена преемственность и предусмотрены четыре типа скоростей передачи данных: Low-Speed(LS), Full-Speed(FS), High-Speed(HS) и Super-Speed(SS).
В табл. 1.4 приведены типы скоростей, поддерживаемые версиями USB.
Таблица 1.4
Версия USB |
Режим |
|||
Low-Speed |
Full-Speed |
High-Speed |
Super Speed |
|
USB 1.0 |
+ |
+ |
– |
– |
USB 1.1 |
+ |
+ |
– |
– |
USB 2.0 |
+ |
+ |
+ |
– |
USB 3.0 |
+ |
+ |
+ |
+ |
Минимальная сила тока для подключаемых устройств выросла со 100 до 150 мА, максимальная – с 500 до 900 мА, что позволяет питать большее число устройств и в некоторых случаях отказаться от отдельного блока питания или питания устройства от двух портов.
Для оптимизации энергопотребления в USB 3.0 используются четыре состояния подключения. Первое соответствует активной передаче данных, при ее завершении возможность приема и передачи отключается, в следующем режиме отключаются внутренние тактовые импульсы, и, наконец, последнее состояние аналогично режиму простоя в предыдущих версиях. Изменять состояние подключения теперь могут как хост, так и устройство.
На рис. 1.23 приведены обозначения, встречающиеся на USB-устройствах.
|
|
а |
б |
Рис. 1.23. Логотип (a) и иконка (б) интерфейса USB 3.0
Разъемы и кабели. Для подключения периферийных устройств к шине USB 2.0 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. Первоначальный проект кабеля USB 3.0, разработанный Intel, предусматривал использование оптического волокна для передачи данных на скоростях Super-Speed. В окончательной версии нового стандарта вместо оптоволокна решили использовать медные провода.
К имевшимся в предыдущих вариантах четырем линиям были добавлены еще четыре, образующие две дополнительные витые пары для передачи и приема.
Разрез кабеля для USB 3.0 приведен на рис. 1.24.
Рис. 1.24. Разрез кабеля для USB 3.0
В USB 3.0 используются следующие разъемы:
Разъем типа А (рис. 1.25) физически и функционально совместим с USB 2.0. Пять новых контактов для двух витых пар и заземления располагаются в глубине разъема.
|
|
а |
б |
Рис. 1.25. Разъем USB 3.0 типа А
Разъем типа B (рис. 1.26) изменился сильнее, увеличившись в размерах, поэтому вилку USB 2.0 можно подключить к розетке третьей версии, но не наоборот.
|
|
а |
б |
Рис. 1.26. Разъем USB 3.0 типа В
Новый разъем – USB 3.0 Powered-B совместим с USB 3.0 типа В и использует два дополнительных контакта, позволяющие подавать питание до 1 А USB-адаптерам от устройств. В табл. 1.5 приведено назначение контактов разъема, на рис. 1.27 – внешний вид разъема.
Таблица 1.5
Назначение контактов разъема USB 3.0 Powered-В
№ контакта |
Название сигнала |
Назначение сигнала |
1 |
VBUS |
+ 5 V Питание |
2 |
USB D– |
USB 2.0 -данные |
3 |
USB D+ |
USB 2.0 -данные |
4 |
GND |
Земля |
8 |
StdA_SSRX– |
SuperSpeed - прием |
9 |
StdA_SSRX+ |
SuperSpeed - прием |
7 |
GND_DRAIN |
Земля |
5 |
StdA_SSTX– |
SuperSpeed - передача |
6 |
StdA_SSTX+ |
SuperSpeed - передача |
10 |
DPWR |
Дополнительное питание на устройство |
11 |
DGND |
Земля питания устройства |
Рис. 1.27. Разъем USB 3.0 Powered-B
Разъем Micro USB 3.0 частично совместим с Micro USB 2.0. Внешний вид разъема Micro USB 3.0 приведен на рис. 1.28.
|
|
Рис. 1.28. Внешний вид разъема Micro USB 3.0 |
|
Сводный список совместимости разъемов USB приведен в табл. 1.6.
Таблица 1.6
Совместимость разъемов USB
Receptable-колодка штепсельного разъема (куда можно вставлять) |
Plugs Accepnted-вилка, которую можно вставлять |
USB 2.0 Standard-A |
USB 2.0 Standard-A или USB 3.0 Standart-A |
USB 3.0 Standard-A |
USB 3.0 Standard-A или USB 2.0 Standart-A |
USB 2.0 Standard-B |
USB 2.0 Standard-B |
USB 3.0 Standard-B |
USB 3.0 Standard-B или USB 2.0 Standart-B |
USB3.0 Powered-B |
USB3.0 Powered-B, USB 3.0 Standard-B или USB 2.0 Standart-B |
USB 2.0 Micro-B |
USB 2.0 Micro-B |
USB 3.0 Micro-B |
USB 3.0 Micro-B или USB 2.0 Micro-B |
USB 2.0 Micro-AB |
USB 2.0 Micro-B или USB 2.0 Micro-A |
USB 3.0 Micro-AB |
USB 3.0 Micro-B, USB 3.0 Micro-A, USB 2.0 Micro-B или USB 2.0 Micro-A |