Введение

Шина USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно - версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициировна весьма авторитетными фирмами - Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq.

Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками - создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов. Кроме этого, желательно питание маломощных устройств подавать с самой шины. Скорость шины должна быть достаточной для подавляющего большинства периферийных устройств. Попутно решается историческая проблема нехватки ресурсов на внутренних шинах IBM PC совместимого компьютера - контроллер USB занимает только одно прерывание независимо от количества подключенных к шине устройств.

Цели создания usb Шины

USB Шина разработана, как расширение промышленного стандарта к архитектуре PC в интересах политики Computer TelephonyIntegration(CTI), потребителя и производительности приложений. Следующие критерии использовались для определения архитектуры USB Шины:

• Легкость в использовании для расширения периферийных устройств PC

• Дешевизна и поддержка скорости передачи до 12 МБ

• Полная поддержка для передачи в реальном масштабе времени голоса, звука, и сжатого видео

• Гибкий протокол для смешанного режима - изохронные передачи данных и асинхронная передача сообщений

• Поддержка различных конфигураций и конструктивов PC

• Обеспечение стандартного интерфейса способного к быстрому распространению в изделиях

• Обеспечение возможности создания новых классов устройств, которые увеличат возможности PC

Таксономия областей применения

Технические характеристики

Возможности USB следуют из ее технических характеристик:

• Высоко - скоростной обмен (full-speed signaling bit rate) - 12 Mb/s

• Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 5 m

• Низко - скоростной обмен (low-speed signaling bit rate) - 1.5 Mb/s

• Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена - 3 m

• Максимальное количество подключенных устройств (включая хабы) - 127

• Возможность подключения устройств с различными скоростями обмена

• Отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов, таких как терминаторы для SCSI

• Напряжение питания для периферийных устройств - 5 V

• Максимальный ток потребления на одно устройство - 500 mA

Поэтому целесообразно подключать к USB практически любые периферийные устройства, кроме цифровых видеокамер и высокоскоростных жестких дисков. Особенно удобен этот интерфейс для подключения часто подключаемых/отключаемых приборов, таких как цифровые фотокамеры. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение/расчленение.

Возможность использования только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины, но существенно уменьшает количество линий интерфейса и упрощает аппаратную реализацию.

Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джойстики и т.п.

Описание Системы USB

Система USB описана тремя областями определения:

• соединения USB

• устройства USB

• хост USB

Соединения USB - это способы, которыми устройства USB соединяются и связываются с хостом. Сюда входят:

• Топология шины: модель соединения между устройствами USB и хостом.

• Взаимодействие между уровнями: это задачи USB, которые выполняются на каждом уровне в системе.

• Потоковые модели: способ, которым данные перемещаются в системе по USB между передатчиком и приемником

• Планирование USB: USB обеспечивает общедоступную систему связей. Доступ при этом планируется для поддержания изохронных передач данных.

Топология Шины

USB Шина соединяет устройства USB с хостом USB. 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 функцией, или концентратором, соединенным с другим концентратором или функцией.

Рисунок 1 иллюстрирует топологию USB.

Рисунок 1. Топология Шины

Хост USB : Аппаратное и Программное обеспечение

Может быть только один хост в любой USB системе. Интерфейс USB в главной компьютерной системе упоминается как хост контроллер. Хост контроллер может быть выполнен в комбинации аппаратных средств, программируемого оборудования, или программного обеспечения. Корневой концентратор(root hub) интегрирован внутрь хост-системы, чтобы обеспечивать одну или большее количество точек подключения.

Хост USB взаимодействует с устройствами USB через хост-контроллер. Хост ответственен за следующее:

• Обнаружение присоединения и удаления устройств USB

• Управление потоком управления между хостом и устройствами USB

• Управление потоком данных между хостом и устройствами USB

• Сбор статистики о состоянии и активности

• Обеспечение подачи ограниченного количества мощности на присоединенные устройства USB

Программное обеспечение системы USB на хосте управляет взаимодействиями между устройствами USB и хост-основанным программным обеспечением устройства. Имеются пять областей взаимодействия между программным обеспечением системы USB и программным обеспечением устройства, они следующие:

• Перенумерация Устройств и конфигурация

• Изохронные передачи данных

• Асинхронные передачи данных

• Управление питанием

• Информация об управлении устройствами и шиной

Устройства USB:

Концентраторы, которые обеспечивают дополнительное присоединение узлов (points) USB

Функции, которые обеспечивают возможности системы; например, ISDN соединение, цифровой джойстик или колонки