История USB Сравнение USB с другими интерфейсами Ограничения USB Разъёмы USB Питание USB 2.0 Питание USB 3.0 Источники |
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
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 всегда присутствует на разъёмах, USB 1.1; USB 2.0; USB 3.0
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!).
ПРИМЕЧАНИЕИнтерфейсы, 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.
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) |
|
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
|
1/9/1-10 | От 800 Кбит/с до 4,5 Мбит/с | Принтеры, сканеры, дисковые устройства |
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.
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
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:
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
Кроме разных состояний энергопотребления стандарт