USB интерфейс

Опубликовано:19.04.2008
Версия текста: 2.0
Последняя правка: 03.04.2011

История USB

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 разъёмов, а с другой большая часть из них не используется. Такая ситуация определяется историческим развитием интерфейсов ПК – каждый интерфейс имел свой специализированный разъём. Например, к последовательному порту можно подключить мышь, или модем, к параллельному принтер или сканер, для клавиатуры стало необходимо иметь два порта старый клавиатурный и PS/2 и т.д. Более того, к одному порту можно подключить только одно устройство (если не считать подключение «прозрачных» ключей защиты, но это, скорее, исключение). Кроме этой проблемы, многочисленность разнообразных подключений добавляет и другие «радости»:

• практически для каждого из устройств необходимо выделение аппаратного прерывания (IRQ);
• большая часть устройств требует наличия внешнего блока питания;
• каждое устройство имеет свой, придуманный разработчиком, протокол обмена, мнoгoкpaтнo увеличивая необходимое количество драйверов, как в памяти, так и в инсталляции операционной системы;
• конфигурирование огромного числа устройств, многие из которых не поддерживают спецификации Plug and Рlау, практически невыполнимая работа для обычного пользователя;
• огромное число разнокалиберных шлейфов, тянущихся от компьютера, превращает его перестановку в сложную проблему.

Естественно, что производители компьютерного «железа» задумались о создании единого и универсального интерфейса. В начале 1996 года была опубликована версия 1.0 нового интерфейса, названного USB (Universal Serial Bus, универсальная последовательная шина), а осенью 1998 спецификация 1.1, исправляющая проблемы, обнаруженные в первой редакции. Весной 2000 года была опубликована версия 2.0, в которой предусматривалось 40-кpaтнoe повышение пропускной способности шины. Так, спецификации 1.0 и 1.1 обеспечивают работу на скоростях 12 Мбит/с и 1,5 Мбит/с, а спецификация 2.0 на скорости 480 Мбит/с. При этом предусматривается обратная совместимость USB 2.0 с USB 1.х, т. е. «старые» USB 1.Х устройства будут работать с USB 2.0 контроллерами, правда, на скорости 12 Мбит/с. Скорость 480 Мбит/с достигается только при одновременном использовании USB 2.0 контроллера и USB 2.0 периферии. Изначально в гpуппу разработчиков входили компании Compaq, DЕС, IВM, Intel, Microsoft, NEC и Nоrthеrn Telecom, а затем количество заинтересованных участников стало расширяться. Шина USB разрабатывалась для обеспечения механизма взаимодействия компьютерных и телефонных систем (CTI, Computer Telephony Integration), однако вскоре члены комитета разработки поняли, что USB может удовлетворить потребности многих приложений и все сферы компьютерной телефонии.

Окончательная спецификация USB 3.0 (SuperSpeed USB) появилась в 2008 году. Созданием USB 3.0 занимались компании Intel, Microsoft, Hewlett-Packard, Texas Instruments, NEC и NXP Semiconductors. В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели обновлённого стандарта физически и функционально совместимы с USB 2.0 . Кабель USB 2.0 содержит в себе четыре линии – пару для приёма/передачи данных, плюс и ноль питания. В дополнение к ним USB 3.0 добавляет ещё четыре линии связи (две витых пары), в результате чего кабель стал гораздо толще. Новые контакты в разъёмах USB 3.0 расположены отдельно от старых на другом контактном ряду. Теперь можно будет с лёгкостью определить принадлежность кабеля к той или иной версии стандарта, просто взглянув на его разъём. Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 4,8 Гбит/с – что на порядок больше 480 Мбит/с, которые может обеспечить USB 2.0 .

Версия 3.0 может похвастаться не только более высокой скоростью передачи информации, но и увеличенной силой тока с 500 мА до 900 мА. Отныне пользователь может не только подпитывать от одного хаба большее количество устройств, но и сами устройства во многих случаях смогут избавиться от отдельных блоков питания. Разработчики шины ориентировались на создание интерфейса, обладающего следующими свойствами:

• легко реализуемое расширение периферии ПК;
• дешёвое решение, позволяющее передавать данные со скоростью до 12 Мбит/с (5 Гбит/с для USB 3.0);
• полная поддержка в реальном времени голосовых, аудио и видеопотоков;
• гибкость протокола смешанной передачи изохронных данных и асинхронных сообщений;
• интеграция с выпускаемыми устройствами;
• охват всевозможных конфигураций и конструкций ПК;
• обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок;
• создание новых классов устройств, расширяющих ПК.

Спецификация USB определяет следующие функциональные возможности интерфейса:

• простота использования для конечного пользователя:
  • простота кабельной системы и подключений;
  • скрытие подробностей электрического подключения от конечного пользователя;
  • самоидентифицирующиеся устройства с автоматическим конфигyрированием;
  • динамическое подключение и переконфигyрирование периферийных устройств;
• широкие возможности работы:
  • пропускная способность от нескольких Кбайт/с до нескольких Мбайт/с;
  • поддержка одновременно как изохронной, таки асинхронной передачи данных;
  • поддержка одновременных операций со многими устройствами (multiple connections);
  • поддержка до 127 устройств на шине;
  • передача разнообразных потоков данных и сообщений;
  • поддержка составных устройств (т.е. периферийное устройство, выполняющее несколько функций);
  • низкие накладные расходы передачи данных;
• равномерная пропускная способность:
  • гарантированная пропускная способность и низкие задержки голосовых и аудиоданных;
  • возможность использования всей полосы пропускания;
• гибкость:
  • поддержка разных размеров пакетов, которые позволяют настраивать функции буферизации устройств;
  • настраиваемое соотношение размера пакета и задержки данных;
  • управление потоком (flow control) данных на уровне протокола;
• надёжность:
  • контроль ошибок и восстановление на уровне протокола;
  • динамическое добавление и удаление устройств прозрачно для конечного пользователя;
  • поддержка идентификации неисправных устройств;
  • исключение неправильного соединения устройств;
• выгода для разработчиков:
  • простота реализации и внедрения;
  • объединение с архитектурой Plug and Play;
• дешёвая реализация:
  • дешевые каналы со скоростью работы до 1,5 Мбайт/с;
  • оптимизация для интеграции с периферией;
  • применимость для реализации дешёвой периферии;
  • дешёвые кабели и разъёмы;
  • использование выгодных товарных технологий;
• возможность простого обновления.

Практически все поставленные задачи были решены, и весной 1997 года стали появляться компьютеры, оборудованные разъёмами для подключения USВ-устройств. Иконкой, показанной на рис. 1.1, официально обозначается шина USB, как в Windows, так и на USВ-разъёмах в феврале 2004 года корпорация Intel совместно с Agere, Systems, НР, Мiсrоsоft Corporation, NEC, Philips Semiconductors и Samsung Electronics объявила о создании гpуппы Wireless USB Promoter Group (группа продвижения беспроводного USB). В задачу консорциума входит продвижение первой высокоскоростной технологии для беспроводного подключения внешних устройств Wireless USB на скорости 480 Мбит/с (что сопоставимо с характеристикой стандарта USB 2.0) с дальностью действия при низком энергопотреблении до 10 метров.

Логотип USB всегда присутствует на разъёмах, USB 1.1; USB 2.0; USB 3.0

Сравнение USB с другими интерфейсами

В табл. 1.1 приведено сравнение интерфейса USB с другими интерфейсами персонального компьютера. Видно, что достойной альтернативы USB не существует (пожалуй, кроме "изначального" конкурента— FireWire, но у этой шины принципиально другая система соединения!).

ПРИМЕЧАНИЕ
FireWire (IEEE-1394) реализует систему "Maстер-Мастер", а USB - "мастер-ведомый".

Таблица 1.1. Сравнение USB с другими интерфейсами

Интерфейс	Число устройств / Число проводов / Длина провода (м)	Скорость	Использование
Последовательные
USB 1.0	127/4/5	12 Мбит/с	Любые устройства с USB 1.х(USB-пopт)
USB 2.0	127/4/5	480 Мбит/с	Любые устройства с USB 1.х/2.0 (USB-пopт)
USB 3.0	127/9/3	5 Гбит/с	Любые устройства с USB 1.х/2.0/3.0 (USB-пopт)
RS-232	1/6/50-100	115,2 Кбит/с	Фискальные регистраторы, сканера штрих-кода, ключи защиты (СОМ-порт)
RS-485	32/2/4000	10 Мбит/с	Промышленные устройства (СОМ-порт через преобразователь)
FireWire (IEEE-1394)	64/3/15	400 Мбит/с	Видеоданные, дисковые массивы (FireWire-пopт)
Ethernet	10 Мбит/с 100 Мбит/с 1 Гбит/с	400 Мбит/с	Сетевые соединения ПК (сетевая карта)
Токовая петля
МIDI	1/3/50	31,5 Кбит/с	Музыкальные устройства
Параллельные
LPT (IEEE-1284)	1/9/1-10	От 800 Кбит/с до 4,5 Мбит/с	Принтеры, сканеры, дисковые устройства

Ограничения USB

Согласно спецификации USB, к одному разъёму можно подключить до 127 устройств, но на практике это совсем не так. Ограничение накладывают пропускная способность и мощность USВ-шины. Для USB 1.1 между устройствами делится всего 12 Мбит/с, поэтому одновременная работа особо «прожорливых» устройств будет затруднена. Интерфейс USB 2.0 более быстрый, однако ограничение и тут существует. Ограничение мощности актуально для устройств, которые берут питание непосредственно от шины, однако от него легко избавиться добавлением хаба с питанием от сети. С точки зрения работоспособности устройств USВ-шина может ограничивать их быстродействие только ограниченностью пропускной способности. Так, при подключении к USB 2.0 CDROM может работать на скорости 52х, но для USB 1.1 не стоит ожидать более 8х. Ещё одно ограничение: стандарт USB был разработан как «настольная шина» (desktop bus), с тем расчётом, что все внешние устройства будут в пределах досягаемости. Максимальная длина кабеля для FS-режима может быть всего 5 метров (и 3 метра в LS-режиме). Другие интерфейсы, такие как RS-232, RS-485 или Ethernet, позволяют использовать значительно более длинные кабели (см. табл. 1.). Конечно, можно использовать 5 хабов для увеличения длины кабеля до 30 метров или преобразователи в RS-485.

Разъёмы USB

Спецификация 1.0 регламентировала два типа разъёмов: A - на стороне контроллера или концентратора USB и B - на стороне периферийного устройства. Впоследствии были разработаны миниатюрные разъёмы для применения USB в переносных и мобильных устройствах, получившие название Mini-USB. Новая версия миниатюрных разъёмов, называемых Micro-USB, была представлена USB Implementers Forum 4 января 2007 года.

Разъём типа А используется для организации входного/исходящего потока данных между устройством и портом/концентратором USB. Порты USB, имеющиеся в системных платах и концентраторах, обычно относятся к серии А. Разъёмы серии В разработаны для передачи нисходящего потока данных к устройству с отсоединяемыми кабелями. В любом случае мини-разъёмы являются просто уменьшенной версией стандартных разъёмов, имеющей физически меньший формфактор.

Разъёмы USB совсем небольшие (особенно мини-разъёмы), что выгодно отличает их от последовательных и параллельных кабелей, которые, кроме всего прочего, приходится прикреплять винтами или держателями. У разъёма USB нет контактов, которые могут погнуться или сломаться, поэтому надёжность разъёма очень велика.

USB 2.0 разъёмы

Ситуация получилась схожей и для USB-вилки типа B, хотя различия визуально более заметны. Вилку USB 3.0 можно определить по пяти дополнительным контактам.

USB 3.0 вилка, показано пять дополнительных контактов USB 3.0 к существующим четырем, в USB 1.1/2.0, контактам

USB 3.0 разъёмы

Питание USB 2.0

Спецификация USB 2.0 жёстко оговаривает условия питания устройств, подключённых к шине и, кроме того, определяет дополнительные возможности по управлению энергопотреблением. В зависимости от принципа питания можно выделить три класса USB-устройств:

• с питанием от шины (Bus Powered Devices) и малым потреблением —должны потреблять не более 100 мА;
• с питанием от шины и большим потреблением — должны потреблять не более 100 мА при включении и не более 500 мА после конфигypирования;
• с собственным источником питания (Self Powered Devices) — 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.

Питание USB 3.0

Конечно, основной целью интерфейса USB 3.0 является повышение доступной пропускной способности, однако новый стандарт эффективно оптимизирует энергопотребление. Интерфейс USB 2.0 постоянно опрашивает доступность устройств, на что расходуется энергия. Напротив, у USB 3.0 есть четыре состояния подключения, названные U0-U3. Состояние подключения U0 соответствует активной передаче данных, а U3 погружает устройство в "сон".

Если подключение бездействует, то в состоянии U1 будут отключены возможности приёма и передачи данных. Состояние U2 идёт ещё на шаг дальше, отключая внутренние тактовые импульсы. Соответственно, подключённые устройства могут переходить в состояние U1 сразу же после завершения передачи данных, что, как предполагается, даст ощутимые преимущества по энергопотреблению, если сравнивать с USB 2.0 .

Кроме разных состояний энергопотребления стандарт USB 3.0 отличается от USB 2.0 и более высоким поддерживаемым током. Если USB 2.0 предусматривал порог тока 500 мА, то в случае нового стандарта ограничение было сдвинуто до планки 900 мА. Ток при инициации соединения был увеличен с уровня 100 мА у USB 2.0 до 150 мА у USB 3.0 . Оба параметра весьма важны для портативных жёстких дисков, которые обычно требуют чуть большие токи. Раньше проблему удавалось решить с помощью дополнительной вилки USB, получая питание от двух портов, но используя только один для передачи данных, пусть даже это нарушало спецификации USB 2.0 .

Источники

• [1] USB Forum (USB-IF, USB Implementers Forum, Inc.)  http://www.www.usb.org
• [2] Технология USB  http://en.wikipedia.org/wiki/usb
• [3] Спецификации USB (USB 3.0, USB 2.0, Wireless USB)  http://www.usb.org/developers/docs/