USB интерфейс

Опубликовано:19.04.2008
Версия текста: 2.0
Последняя правка: 03.04.2011
История USB
Сравнение USB с другими интерфейсами
Ограничения USB
Разъёмы USB
Питание USB 2.0
Питание USB 3.0
Источники

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»:

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:

Спецификация USB определяет следующие функциональные возможности интерфейса:

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

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".
Интерфейсы, сравнимые с USB по скорости обмена, требуют специальных преобразователей. Интерфейсы, не требующие дополнительных элементов, либо низкоскоростные, либо узконаправленные. Кроме того, к несомненным плюсам USB относятся организация помехозащищённости на уровне аппаратного и машинного протоколов и "встроенная" поддержка Plug and Play, а также отсутствие дополнительных элементов для подключения устройств (как, Например, терминаторы ДЛЯ SСSI-интерфейса). Пожалуй, единственным минусом можно считать довольно короткое кабельное соединение, но следует помнить, что шина USB разрабатывалась как шина для домашних устройств, стоящих на столе, и дальние соединения не закладывались в неё изначально.

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 plugs and sockets

USB 2.0 разъёмы

Стандарт USB 3.0 обратно совместим с USB 2.0 , то есть вилки кажутся такими же, как и обычные вилки типа A. Контакты USB 2.0 остались на прежнем месте, но в глубине разъёма теперь располагаются пять новых контактов. Это означает, что вам нужно полностью вставлять вилку USB 3.0 в порт USB 3.0 , чтобы удостовериться в режиме работы USB 3.0 , для которого требуются дополнительные контакты. Иначе вы получите скорость USB 2.0 . USB Implementers Forum рекомендует производителям использовать цветовое кодирование Pantone 300C на внутренней части разъёма.

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 plug, showing the five USB 3.0 pins in addition to the four original USB 1.1/2.0 pins.

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

USB 3.0 не использует волоконную оптику, поскольку она слишком дорога для массового рынка. Поэтому перед нами старый добрый медный кабель. Однако теперь у него будет девять, а не четыре провода. Передача данных осуществляется по четырём из пяти дополнительных проводов в дифференциальном режиме (SDP-Shielded Differential Pair). Одна пара проводов отвечает за приём информации, другая – за передачу. Принцип работы похож на Serial ATA, при этом устройства получают полную пропускную способность в обоих направлениях. Пятый провод – "земля".
USB 3.0 plugs and sockets

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:

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

Автоматизация магазинов, складов, переучетов