11. Универсальный последовательный канал usb. Назначение, основные принципы работы и характеристики.

История разработки и назначение канала USB.

В стародавние времена для подключения чего-либо к вашему компьютеру – мыши, принтера, жёсткого диска – требовался зоопарк кабелей. Возможно, вам нужен был коннектор PS/2 или последовательный порт, Apple Desktop Bus или DIN; возможно, параллельный порт, SCSI или кабель Firewire. Если вы слышали об этих вещах, или если не слышали – благодарите USB. Когда её впервые выпустили в 1996 году, её идея содержалась прямо в названии: универсальная последовательная шина.

Заставить технологию работать получилось у инженеров из Intel в Орегоне, и именно Intel уговорил индустрию поддержать этот стандарт, поскольку той необходимо было облегчить работу с ПК, чтобы продавать их в больших количествах. Однако популяризацией стандарта занялся человек, изначально бывший скептиком: к удивлению, многих гиков в 1998 году под руководством Стива Джобса Apple выпустила прорывной первый iMac, который поддерживал только USB. Увеличенная скорость USB 2.0 обеспечила возможность использования новых периферийных устройств, например, флэш-драйва, помогшего убить дискету, Zip и CD-R. Затем последовала целая процессия подключаемых устройств: диско-шары, массажёры для головы, ключи с паролями, бесконечное количество зарядок для телефона. В мире сейчас по одной из оценок насчитывается шесть миллиардов USB устройств.

Теперь на пятки типичным портам USB Type-A и Type-B ports наступает новая конструкция кабеля, Type-C, доступная на телефонах, планшетах, компьютерах и других устройствах – и, к счастью, в отличие от старых USB-кабелей, она двусторонняя. Следующее поколение USB4, которое выйдет в этом году, сможет выдавать скорости до 40 Гбит/с, в 3000 раз быстрее самой скоростной версии первой USB.

Рисунок 1 – USB type A и B Рисунок 2 – USB type C

Первой из этих инициатив стала шина PCI (взаимосвязь периферийных компонентов) [Peripheral Component Interconnect]. Она задумывалась для того, чтобы некоторые системы в корпусе ПК было проще устанавливать, инициализировать, обновлять и поддерживать. Инициатива постепенно развилась в идею plug and play [включил и играйся]. PCI стал первым стандартным 32-битным интерфейсом, и постепенно превратился в PCI Express.

Но даже в рамках PCI у каждого вида периферии были разные характеристики в передаче данных внутрь и наружу из ПК. В некоторых случаях требовалось использовать разъёмы-адаптеры вне ПК, или дополнительные карточки внутри.

Мы изучили порядка 12 различных технологий. Самой очевидной была IEEE 1394, которую потом окрестили Firewire. Когда я впервые начал появляться на этих встречах комиссии, чтобы проверить, сработает ли технология, 1394 был интерфейсом на 10 Мб. Казалось, что это технология, которая ищет проблему, которую она могла бы решить. У них уже было что-то, но они не были уверены в том, для чего это использовать, и эта технология развивалась. Она была чуть более сложной и дорогой, чем было необходимо для ПК. С другой стороны, у неё были потенциально полезные элементы.

Мы посмотрели на тогдашнее поколение технологий типа Ethernet. Мы изучили интерфейсы для аудио. У Apple тогда был интерфейс GeoPort. Мы даже побеседовали с Apple, чтобы узнать, будет ли им интересно развивать этот проект. Но не сложилось. Ещё одним стандартом индустрии был Access Bus.

Я бы сказал, что параллельно в течение пары лет развивались USB, 1394 и Access Bus. В 93-94 годах. А потом уже образовалась широкая общественная поддержка USB. Тогда её называли Serial Bus. Мы ещё не придумали названия.

Коротко:

Общего порта не было, огромные проблемы с совместимостью повсюду от «как воткнуть кабель» до «компьютер игнорирует порт», одновременно развилось монструозное количество стандартов. Решение было очевидно – выбрать или создать один стандарт для всего, но как выбрать что-то одно? Команда intel пыталась найти союзников и был создан альянс Intel, DEC, IBM, Northen Telecom, Compaq. Вместе компаниям удалось разработать первую версию USB 1.0 15 января 1996 года, впоследствии Apple отказалась от своего Firewire и начала активно продвигать USB, сыграв решающую роль в популяризации стандарта. Соперники: PS/2, последовательный порт, параллельный порт, порт для подключения джойстика, SCSI, COM- и LPT-порты.

USB 1.0 – cпецификация выпущена 15 января 1996 года.

USB 1.1 – cпецификация выпущена в сентябре 1998 года

USB 2.0 – cпецификация выпущена в апреле 2000 года

USB 3.0 – окончательная спецификация USB 3.0 появилась в 2008 году

USB 3.1 – 31 июля 2013 года

USB 3.2 – 22 сентября 2017

USB 4 – 29 августа 2019 года

Базовые принципы.

Для подключения периферийных устройств к шине USB 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.

Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА). К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств по топологии «звезда», в том числе и концентраторы. На одной шине USB может быть до 127 устройств и до 5 уровней каскадирования хабов, не считая корневого.

Шина USB предназначена для сопряжения ПК с различными устройствами типа телефона, факса, модема, сканера, автоответчика, клавиатуры, мыши и т. д.1 Эта шина для настольных систем отвечает требованиям технологии plug and play и является среднескоростной, двунаправленной дешевой шиной, повышающей взаимосвязность компонентов ПК и расширяющей его архитектуру. Основные свойства шины USB:

• возможность подключения до 127 физических устройств;

• автоматическое распознавание периферии;

• образование различных конфигураций;

• поддержка передачи голоса, звука и сжатого видео;

• реализация как изохронных, так и синхронных типов передач с широким диапазоном скоростей;

• наличие механизма обработки ошибок;

• управление питанием и т. д.

Технология шины USB представлена имеет многоуровневую звездообразную структуру (древовидную конфигурацию). Каждую звезду образует хаб (пункт присоединения), обеспечивающий подключение одного или нескольких функционеров (функ), периферийных устройств. Шина USB содержит один хост (контроллер), образующий корневой уровень и управляющий работой функционеров. Хаб является основным элементом в архитектуре USB, поддерживающей соединение нескольких хабов. В состав хаба входит один верхний потоковый порт ВПП, необходимый для подключения хаба к «хвосту», и несколько нижних потоковых портов (НПП), соединяющих его с другими хабами и (или) функционерами.

Хаб выполняет следующие функции: обнаружение присоединения, (отсоединения) другого хаба или функционера; управление питанием и конфигурированием устройств, подключенных к соответствующим НПП. Хаб содержит контроллер и репитер (управляемый протоколом переключатель портов). Контроллер использует интерфейсные регистры для выполнения связи с хостом, который с помощью управляющих команд конфигурирует хаб и следит за его партнерами. Функционер представляет собой отдельное USB-устройство, которое кабелем подключается к какому-либо порту хаба. Хаб/функционер выполняется как устройство, содержащее встроенный хаб. Каждый функционер перед его использованием должен быть сконфигурирован хостом, который включает распределение диапазона частот и выбор специфических опций для конфигурации.

USB-хост (центральная ЭВМ) осуществляет доступ к USB-устройствам с помощью хост-контроллера, который выполняет следующие действия:

• координацию потоков управления и данных между хостом и устройствами;

• обнаружение подключенных (отключенных) устройств;

• сбор информации о состоянии системы;

• управление питанием.

Протокол шины выполняется следующим образом. Хост направляет по шине USB эстафетный пакет, в котором указываются тип пакета, направление транзакции (действия на шине), адрес устройства и номер конечной точки. Конечная точка – это уникально определяемая часть USB-устройства, содержащего несколько таких точек (конечных пунктов связи). Комбинация адреса устройства и номера конечной точки в этом устройстве позволяет выбрать каждую точку в отдельности. Любая конечная точка должна быть сконфигурирована перед употреблением и характеризуется частотой, временем ожидания доступа к шине, шириной полосы частот, максимальным размером пакета, типом и направлением передачи.

Рисунок 3 – Многозвенная коммутация информационного канала

Устройства с низким быстродействием содержат не более двух конечных точек, а устройства с высоким быстродействием – до 16 выходных

точек. После того как передача данных завершена, USB-устройство (приемник) отвечает пакетом подтверждения, в котором отмечается успешность этой передачи. Сигналы данных D+ и D- и питание (V и G - земля) в шине USB передаются от точки к точке по четырем проводам 90-омного кабеля с максимальной длиной 5 м. Номинальное напряжение питания - 5 В.

Хост (хаб) обеспечивает питанием устройства USB, которые подключены к нему. Кроме того, устройства USB могут иметь автономное питание. Питание по шине USB имеет ограниченную величину [4]. Шина USB обеспечивает два диапазона скоростей передачи информации: низкая скорость (1,5 Мбита/с) и высокая скорость (12 Мбит/с). Низкоскоростной режим применяется для взаимодействия с интерактивными устройствами (мышью, трекболом и т. п.), а высокоскоростной режим - с адаптером телефона, аудио- или видеоустройствами. Каждому пакету данных предшествует поле синхронизации, которое позволяет приемникам согласовывать во времени их таймеры (генераторы) для приема данных. Поле синхронизации содержит синхроимпульсы, закодированные по методу NRZI с битовым заполнением. В шине USB используется метод кодирования NRZI (без возвращения к нулю с инверсией).

В этом случае метод кодирования NRZI состоит в том, что если бит передаваемых данных равен 0, то происходит изменение уровня напряжения, а если равен 1, то уровень напряжения сохраняется. Таким образом, строка нулей вызывает переключение уровней сигналов, а строка единиц образует длительные отрезки уровней без всяких переходов, что может нарушить условие синхронизации при выделении каждого бита. Поэтому при передаче данных через каждые шесть последовательных единиц вставляется нуль, чтобы гарантировать достоверное определение каждого битового интервала при приеме в наиболее худшем случае, когда передаются единичные значения битов данных. Приемник декодирует код NRZI и отбрасывает вставленные биты нулей. Устройство USB может иметь конечную точку, поддерживающую только канал управления, или конечную точку, использующую канал для передачи данных.

Коротко:

Временное согласование - асинхронная дифференциальная передача данных с произвольными интервалами времени и нестрогими требованиями ко времени ожидания (появления информации).

Концентратор – устройство для объединения компьютеров в сеть Ethernet c применением кабельной инфраструктуры типа витая пара. В настоящее время вытеснены сетевыми коммутаторами.

Мультиплексирование - передача адреса, данных, управления и состояния по одной и той же шине в режиме разделения времени. Вид передачи с учетом направления - полудуплексный (данные передаются в обе стороны по двум дифференциальным линиям D+ и D- в различные моменты времени).

Патч (англ. patch заплатка) — информация, предназначенная для автоматизированного внесения определённых изменений в компьютерные файлы.

Режим обмена - программный (драйвер хоста выполняет все программные операции, необходимые для обслуживания устройств).

Способ коммутации - временной с централизованным управлением, типа «точка - много точек» (один хост и много устройств). В шине USB связь хоста с устройствами выполняется в режиме разделения времени (возможна передача данных между хостом и только одним каким-либо устройством).

Структура данных - специальные пакеты различного формата, определяемые требованиями передачи данных, их контроля, синхронизации и настройки разнообразных типов устройств.

Тип передачи байтов и битов - последовательно-последовательный, то есть последовательно передаются байты данных один за другим и последовательно – биты, размещенные в байтах (младший разряд байта поступает первым).

Хост - центральное устройство – является полным хозяином шины, а

все подключенные к шине называются устройствами-исполнителями.

Хаб – сетевой концентратор.

Шина – в архитектуре компьютера подсистема, которая передаёт данные между функциональными блоками компьютера.

Основные особенности, технические характеристики и возможности.

Два режима работы USB 1.0:

• Режим с низкой пропускной способностью (Low-Speed) — 1,5 Мбит/с;

• Режим с высокой пропускной способностью (Full-Speed) — 12 Мбит/с;

• USB 2.0 - Логотип USB 2.0 High Speed. Спецификация выпущена в апреле 2000 года. USB 2.0 отличается от USB 1.1 введением режима Hi-speed.

• Для устройств USB 2.0 регламентировано три режима работы:

• Low-speed, 10–1500 Кбит/c (используется для интерактивных устройств: клавиатуры, мыши, джойстика)

• Full-speed, 0,5–12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства)

• Hi-speed, 25–480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации)

• В USB 3.1 входит два стандарта:

• SuperSpeed (USB 3.1 Gen 1) со скоростью до 5 Гбит/с, такой же, как и у USB 3.0;

• SuperSpeed+ (USB 3.1 Gen 2) со скоростью до 10 Гбит/с, удвоенная USB 3.0.

В USB 3.1 Gen 2, помимо увеличения скорости до 10 Гбит/с, были снижены издержки кодирования до 3 % переходом на схему кодирования 128b/132b. Стандарт USB 3.1 обратно совместим с USB 3.0 и USB 2.0.

Спецификация четвертой версии была опубликована 29 августа 2019 года. Новый базовый протокол повышает максимальную скорость до 40 Гбит/с (при использовании совместимых кабелей Type-C), сохраняя обратную совместимость с USB 3.2, USB 2.0 и, опционально, Thunderbolt 3.

Размеры разъёмов: USB Тип A – 4×12 мм, USB Тип B – 7×8 мм, USB mini A и USB mini B – 2×7 мм. Существуют также разъёмы типа Mini-AB и Micro-AB, с которыми соединяются соответствующие коннекторы как типа A, так и типа B.

В отличие от других стандартных типов разъёмов, USB-A удачно сочетает долговечность и механическую прочность, несмотря на отсутствие винтовой затяжки. Однако уменьшенные варианты разъёмов, имеющие тонкие пластмассовые выступы, высоко выступающие из подложки гнезда, плохо переносят частое смыкание-размыкание и требуют более бережного обращения.

Хотя пиковая пропускная способность USB 2.0 составляет 480 Мбит/с (60 Мбайт/с), на практике обеспечить пропускную способность, близкую к пиковой, не удаётся (~33,5 Мбайт/сек на практике). Это объясняется достаточно большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, шина FireWire, хотя и обладает меньшей пиковой пропускной способностью 400 Мбит/с, что на 10 Мбайт/с меньше, чем у USB 2.0, в реальности позволяет обеспечить бо́льшую

пропускную способность для обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации. В связи с этим разнообразные мобильные накопители уже давно упираются в недостаточную практическую пропускную способность USB 2.0