1.4.1. Общие сведения

Увеличение числа устройств, подключаемых к персональному компьютеру, и, соответственно, развитие внешних интерфейсов привело к довольно неприятной ситуации: с одной стороны, компьютер должен иметь множество различных разъемов, с другой стороны, не все системы у конкретного потребителя используются. Такая ситуация определяется историческим развитием интерфейсов ПК – каждый интерфейс имел свой специализированный разъем и свои подключаемые устройства. Например, СОМ-порт используется для подключения мыши или модема, параллельный LPT-порт – для подключения принтера, сканера или плоттера, для клавиатуры используется либо старый клавиатурный разъем, либо PS/2 и т.д. Более того, к одному порту можно подключить только одно устройство. Также имеются и другие недостатки:

1) для каждого из портов и соответственно устройств необходимо выделение аппаратного прерывания (IRQ);

2) большая часть портов требует наличия у подключаемого внешнего устройства блока питания;

3) каждое устройство имеет свой протокол обмена, многократно увеличивая необходимое количество драйверов, как в памяти, так и в инсталляции операционной системы;

4) конфигурирование огромного числа устройств, многие из которых не поддерживают спецификации Plug and Play, является очень трудновыполнимой работой для обычного пользователя;

5) большое число разнокалиберных кабелей, соединяющих компьютер с периферийными устройствами, создает значительные трудности при перестановке компьютера.

Естественно, что производители компьютерного оборудования («железа») предприняли шаги по созданию единого и универсального интерфейса. В начале 1996 г. была опубликована версия 1.0 нового интерфейса, названного USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина), а осенью 1998 г. – спецификация 1.1, исправляющая недостатки, обнаруженные в первой редакции. Весной 2000 г. была опубликована версия 2.0. В версиях последовательно росла пропускная способность шины: 1.5 Мбит/с (режим LS = Low Speed – низкая скорость), 12 Мбит/с (режим FS = Full Speed – полная скорость), 480 Мбит/с (режим HS = High Speed – высокая скорость). При этом предусматривается обратная совместимость USB 2.0 с USB 1.X, т.е. USB 1.X -устройства будут работать с USB 2.0 – контроллерами на скорости 12 Мбит/с. Скорость 480 Мбит/с достигается только при одновременном использовании USB 2.0-контроллера и USB 2.0-периферии. В 2009 г. на рынке появился интерфейс USB 3.0.

Шина USB разрабатывалась для обеспечения механизма взаимодействия компьютерных и телефонных систем (CTI – Computer Telephony Integration), однако вскоре члены комитета разработки поняли, что USB имеет множество достоинств. Достоинства USB-интерфейса для пользователей состоят в следующем:

1. Легко реализуемая изменяемость состава периферийных устройств ПК.

2. Обеспечение питающим напряжением маломощных подключаемых устройств.

3. Простота использования USB-устройств для конечного пользователя:

а) одинаковые кабели и разъемы для всех устройств;

б) обеспечение исключения неправильного соединения устройств;

в) встроенная поддержка архитектуры Plug and Play;

г) возможность «горячего» подключения/отключения периферийных устройств;

д) самоидентификация устройств с автоматическим конфигурированием (USB поддерживает динамическое подключение устройств: перенумерация устройств шины идет постоянно, отслеживаются изменения физической топологии).

4. Надежность работы. Организована помехозащищенность на уровне аппаратного и шинного протоколов.

5. Возможность использования всей полосы пропускания шины при подключении низкоскоростных устройств.

6. Высокая скорость обмена.

Сравнение USB с другими интерфейсами приведено в табл. 1.3.

Как видно из таблицы, единственным конкурентом USB является интерфейс IEEE 1394, который имеет к тому же разрешенный потребляемый ток в 1,5 А.

Весной 1997 г. стали поставляться компьютеры, оборудованные разъемами для подключения USB-устройств. На рис. 1.17 приведена иконка, официально обозначающая шину USB как в Windows, так и на USB-разъемах.

В настоящее время USB-шина получила повсеместное распространение как в настольных компьютерах, так и в ноутбуках. Считается, что ноутбук должен иметь 3–4 порта USB, порт RJ-45, RJ-11, слот для карт PCMCIA, порт для карт памяти.

Рис. 1.17. Иконка USB-шины

Таблица 1.3

Сравнение USB с другими интерфейсами

Интерфейс	Число подключаемых устройств/число проводов/длина проводов	Скорость передачи данных	Использование
USB 2.0	127/5/10	1,5 Мбит/с 12 Мбит/с 480 Мбит/с	Любые устройства с USB-портом
USB 3.0		1,5 Мбит/с 12 Мбит/с 480 Мбит/с 4,8 Гбит/с
RS-232	1/6/12	115,2 Кбит/с	Модем, мышь, ключи, …
RS-485	32/2/10	10 Мбит/с	Промышленные устройства
Fire Wire (IEEE 1394)	64/3/15	400 Мбит/с	Видеоданные, дисковые массивы (Fire Wire-порты)
Ethernet	1024/3/1600	10 Мбит/с 100 Мбит/с 1 Гбит/с	Сетевые соединения ПК (сетевая карта)
Токовая петля MIDI	1/3/50	31.5 Кбит/с	Музыкальные устройства
LPT	1/9/10	от 800 Кбит/с до 16 Мбит/с	Принтеры, сканеры