Какую функцию выполняет хост в интерфейсе usb. Что такое USB Type-C: история, преимущества и недостатки. Трудный выбор кабелей

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники.

Приеимущества шины:

• USB устройство может быть подсоединено к компьютеру в любой момент времени, даже когда включен;
• когда компьютер обнаруживает подключенное USB устройство, он автоматически опрашивает его, чтобы узнать его возможности и требования;
• производит загрузку драйвера, а при отключении устройства драйвер автоматически выгружается;
• USB устройство не использует джемперов, DIP переключателей, никогда не вызывает конфликтов прерываний, DMA, памяти;
• расширяющие USB хабы позволяют подключать к одной шине большое количество устройств (до 127 устройств);
• низкая стоимость USB устройств.

Возникновение USB сделало возможным создание USB Flash Drive (USB-накопитель).

История создания и развития интерфейса USB

Первая версия компьютерного интерфейс USB появилась 15 января 1996 года. Инициаторами проекта был альянс 7 крупных компаний производителей Intel, DEC, IBM, Northen Telecom, Compaq.

Причиной возникновения нового стандарта для передачи информации, послужила желание упростить соединение ПК с периферийными устройствами. Основная цель стандарта, была создать для пользователей возможность пользоваться таким интерфейсом, который бы обладал максимальной простотой, универсальностью, и использовал принцип Plug&Play или горячее соединение.

Это позволило бы подключать к ПК во время работы различные устройства ввода-вывода, с условием немедленного автоматического распознавания типа и модели подключённого устройства. Также, была поставлена цель, - избавиться от проблемы нехватки внутренних ресурсов прерываний системной шины.

Все эти задачи успешно были решены к концу 1996 года, а к весне 1997 года, стали появляться первые ПК, оборудованные разъёмами USB. Полная поддержка USB устройств была осуществлена только к концу 1998 года, в операционной системе Windows98, и только с этого этапа, началось особенно бурное развитие и выпуск периферийного оборудования, оснащённого этим интерфейсом.

По-настоящему массовое внедрение USB началось с широким распространением корпусов и системных плат форм-фактора ATX примерно в 1997-1998 годах. Не упустила шанс воспользоваться достижениями прогресса и компания Apple, представившая 6 мая 1998 года свой первый iMac, также оснащенный поддержкой USB.

Этот стандарт был рождён, в то время, когда уже существовал аналогичный последовательный интерфейс передачи данных, разработанный Apple Computer и имел название FireWare или IEE1394. USB - интерфейс был создан, как альтернатива IEE1394, и был призван не заменить его, а существовать параллельно уже существующему типу соединений.

Первая версия USB имела некоторые проблемы совместимости и содержала несколько ошибок в реализации. В итоге, в ноябре 1998 года вышла спецификаций USB 1.1.

Спецификация USB 2.0 была представлена в апреле 2000 года. Но до принятия ее в качестве стандарта прошло больше года. После этого началось массовое внедрение второй версии универсальной последовательной шины. Главным ее достоинством было 40-кратное увеличение скорости передачи данных. Но кроме этого были и другие нововведения. Так появились новые типы разъемов Mini-B и Micro-USB, добавилась поддержка технологии USB On-The-Go (позволяет USB-устройствам вести обмен данными между собой без участия USB-хоста), появилась возможность использования напряжения, подаваемого через USB, для зарядки подключенных устройств.

Принцип работы шины USB

USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Согласно спецификации USB, устройства (device) могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Хаб (hub) только обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Устройство-функция (function) USB предоставляет системе дополнительные функциональные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Комбинированное устройство (compound device), реализующее несколько функций, представляется как хаб с подключенными к нему несколькими устройствами.

Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (host controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой компьютера. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

Шина USB является хост-центрической: единственным ведущим устройством, которое управляет обменом, является хост-компьютер, а все присоединенные к ней периферийные устройства - исключительно ведомые. Физическая топология шины USB - многоярусная звезда. Ее вершиной является хост-контроллер, объединенный с корневым хабом (root hub). Хаб является устройством-разветвителем, кроме того, он может являться источником питания для подключенных к нему устройств. К каждому порту хаба может непосредственно подключаться периферийное устройство или промежуточный хаб; шина допускает до 5 уровней каскадирования хабов (не считая корневого). Каждый промежуточный хаб имеет несколько нисходящих (downstream) портов для подключения периферийных устройств (или нижележащих хабов) и один восходящий (upstream) порт для подключения к корневому хабу или нисходящему порту вышестоящего хаба.

К USB-хосту сходятся данные от подключенных устройств и он же обеспечивает взаимодействие с компьютером. Все устройства подключаются по топологии "звезда". Чтобы увеличить число активных разъемов USB можно воспользоваться USB-хабами. Таким образом получится аналог логической структуры "дерево". "Ветвей" у такого дерева может быть до 127 штук на один хост-контроллер, а уровень вложенности USB-хабов не должен превышать пяти. Кроме того, в одном USB-хосте может быть несколько хост-контроллеров, что пропорционально увеличивает максимальное число подключенных устройств.

Хабы бывают двух видов. Одни просто увеличивают число USB-разъемов в одном компьютере, а другие позволяют подключать несколько компьютеров. Второй вариант позволяет использовать нескольким системам одни и те же устройства. В зависимости от хаба переключение может производится как вручную, так и автоматически.

Одно физическое устройство, подключенное через USB, может логически подразделяться на "под-устройства", выполняющие те или иные определенные функции. Например, у веб-камеры может быть встроенные микрофон - получается, что у нее два под-устройства: для передачи аудио и видео.

Передача данных происходит через специальные логические каналы. Каждому USB-устройству может быть выделено до 32 каналов (16 на прием и 16 на передачу). Каждый канал подключается к условно называемой "конечной точке". Конечная точка может либо принимать данные, либо передавать их, но не способна делать это одновременно. Группа конечных точек, необходимых для работы какой-либо функции, называется интерфейсом. Исключение составляет "нулевая" конечная точка, предназначающаяся для конфигурации устройства.

Когда к USB-хосту подключается новое устройство начинается процесс присвоения ему идентификатора. Первым делом устройству посылается сигнал перехода в исходное состояние. Тогда же происходит и определение скорости, с которой может вестись обмен данными. После считывается конфигурационная информация с устройства, и ему присваивается уникальный семибитный адрес. Если устройство поддерживается хостом, то загружаются все необходимые драйвера для работы с ним, после чего процесс завершен. Перезагрузка USB-хоста всегда вызывает повторное присвоение идентификаторов и адресов всем подключенным девайсам.

В отличие от шин расширения (ISA/EISA, PCI, PC Card), где программа взаимодействует с устройствами путем обращений по физическим адресам ячеек памяти, портов ввода-вывода, прерываниям и каналам DMA, взаимодействие приложений с устройствами USB выполняется только через программный интерфейс. Этот интерфейс, обеспечивающий независимость обращений к устройствам, предоставляется системным ПО контроллера USB.

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, шина USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА).

Кодирование данных

Для передачи данных по шине используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Все данные кодируются с помощью метода, называемого NRZI with bit stuffing (NRZI - Non Return to Zero Invert, метод возврата к нулю с инвертированием единиц).

Вместо кодирования логических уровней как уровней напряжения USB определяет логический 0 как изменение напряжения, а логическую 1 как неизменение напряжения. Этот метод представляет собой модификацию обычного потенциального метода кодирования NRZ (Non Return to Zero, невозврат к нулю), когда для представления 1 и 0 используются потенциалы двух уровней, но в методе NRZI потенциал, используемый для кодирования текущего бита, зависит от потенциала, который использовался для кодирования предыдущего бита. Если текущий бит имеет значение 0, то текущий потенциал представляет собой инверсию потенциала предыдущего бита, независимо от его значения. Если же текущий бит имеет значение 1, то текущий потенциал повторяет предыдущий. Очевидно, что если данные содержат нули, то приемнику и передатчику достаточно легко поддерживать синхронизацию - уровень сигнала будет постоянно меняться. А вот если данные содержат длинную последовательность единиц, то уровень сигнала меняться те будет, и возможна рассинхронизация. Следовательно, для надежной передачи данных нужно исключить из кодов слишком длинные последовательности единиц. Это действие называется стаффинг (Bit stuffing): после каждых шести единиц автоматически добавляется 0.

Существует только три возможных байта с шестью последовательными единицами: 00111111, 01111110, 111111100.

Стаффинг может увеличить число передаваемых бит до 17%, но на практике эта величина значительно меньше. Для устройств, подключаемых к шине USB, кодирование происходит прозрачно: USB-контроллеры производят кодирование и декодирование автоматически.

Режимы работы шины

• Low Speed поддерживается стандартами версии 1.1 и 2.0. Пиковая скорость передачи данных - 1.5 Мбит/с (187.5 Кбайт/с). Чаще всего применяется для HID-устройств (клавиатур, мышей, джойстиков).
• Full Speed поддерживается стандартами версии 1.1 и 2.0. Пиковая скорость передачи данных - 12 Мбит/с (1.5 Мбайт/с). До выхода USB 2.0 был наиболее быстрым режимом работы.
• Hi-Speed поддерживается стандартом версии 2.0 и 3.0. Пиковая скорость передачи данных - 480 Мбит/с (60 Мбайт/с).
• Super-Speed поддерживается стандартом версии 3.0. Пиковая скорость передачи данных - 4.8 Гбит/с (600 Мбайт/с).

Передача данных

Механизм передачи данных является асинхронным и блочным. Блок передаваемых данных называется USB-фреймом или USB-кадром и передается за фиксированный временной интервал. Оперирование командами и блоками данных реализуется при помощи логической абстракции, называемой каналом. Внешнее устройство также делится на логические абстракции, называемые конечными точками. Таким образом, канал является логической связкой между хост-контроллером и конечной точкой внешнего устройства. Канал можно сравнить с открытым файлом.

Для передачи команд (и данных, входящих в состав команд) используется канал по умолчанию, а для передачи данных открываются либо потоковые каналы, либо каналы сообщений.

Информация по каналу передается в виде пакетов (Packet). Каждый пакет начинается с поля синхронизации SYNC (SYNChronization), за которым следует идентификатор пакета PID (Packet IDentifier).

Систему USB следует разделить на три логических уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит интерфейсную, логическую и функциональную части. Хост тоже делится на три части - интерфейсную, системную и программное обеспечение. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач.

Операция обмена данными между прикладной программой и шиной USВ выполняется путем передачи буферов памяти через следующие уровни: Уровень клиентского ПО в хосте:

• обычно представляется драйвером устройства USB;
• обеспечивает взаимодействие пользователя с операционной системой с одной стороны и системным драйвером с другой.

Уровень системного обеспечения USB в хосте (USBD, Universal Serial Bus Driver):

• управляет нумерацией устройств на шине;
• управляет распределением пропускной способности шины и мощности питания;
• обрабатывает запросы пользовательских драйверов.

Хост-контроллер интерфейса шины USB (HCD, Host Controller Driver):

• преобразует запросы ввода/вывода в структуры данных, по которым хост-контроллер выполняет физические транзакции;
• работает с регистрами хост-контроллера.

Уровень клиентского программного обеспечения определяет тип передачи данных, необходимый для выполнения затребованной прикладной программой операции. После определения типа передачи данных этот уровень передает системному уровню следующее:

• буфер памяти, называемый клиентским буфером;
• пакет запроса на в/в (IRP, Input/output Request Packet), указывающий тип необходимой операции.
• IRP содержит только сведения о запросе (адрес и длина буфера в оперативной памяти). Непосредственно обработкой запроса занимается системный драйвер USB.

Уровень системного драйвера USB необходим для управления ресурсами USB. Он отвечает за выполнение следующих действий:

• распределение полосы пропускания шины USB;
• назначение логических адресов устройств каждому физическому USB-устройству;
• планирование транзакций.

Логически передача данных между конечной точкой и ПО производится с помощью выделения канала и обмена данными по этому каналу.Клиентское ПО посылает IPR-запросы уровню USBD. Драйвер USBD разбивает запросы на транзакции по следующим правилам:

• выполнение запроса считается законченным, когда успешно завершены все транзакции, его составляющие;
• все подробности отработки транзакций (такие как ожидание готовности, повтор транзакции при ошибке, неготовность приемника и т. д.) до клиентского ПО не доводятся;
• ПО может только запустить запрос и ожидать или выполнения запроса или выхода по тайм-ауту;
• устройство может сигнализировать о серьезных ошибках, что приводит к аварийному завершению запроса, о чем уведомляется источник запроса.

Драйвер контроллера хоста принимает от системного драйвера шины перечень транзакций и выполняет следующие действия:

• планирует исполнение полученных транзакций, добавляя их к списку транзакций;
• извлекает из списка очередную транзакцию и передает ее уровню хост-контроллера интерфейса шины USB;
• отслеживает состояние каждой транзакции вплоть до ее завершения.

Хост-контроллер интерфейса шины USB формирует кадры. Кадры передаются последовательной передачей бит по методу NRZI.

Таким образом:

• каждый кадр состоит из наиболее приоритетных посылок, состав которых формирует драйвер хоста;
• каждая передача состоит из одной или нескольких транзакций;
• каждая транзакция состоит из пакетов;
• каждый пакет состоит из идентификатора пакета, данных (если они есть) и контрольной суммы.

Типы передачи данных

Спецификация шины определяет четыре различных типа передачи (transfer type) данных для конечных точек.

Управляющие передачи (Control Transfers) - используются хостом для конфигурирования устройства во время подключения, для управления устройством и получения статусной информации в процессе работы. Протокол обеспечивает гарантированную доставку таких посылок. Длина поля данных управляющей посылки не может превышать 64 байт на полной скорости и 8 байт на низкой. Для таких посылок хост гарантированно выделяет 10% полосы пропускания.

Передачи массивов данных (Bulk Data Transfers) - применяются при необходимости обеспечения гарантированной доставки данных от хоста к функции или от функции к хосту, но время доставки не ограничено. Taкая передача занимает всю доступную полосу пропускания шины. Пакеты имеют поле данных размером 8, 16, 32 или 64 байт. Приоритет у таких передач самый низкий, они могут приостанавливаться при большой загрузке шины. Допускаются только на полной скорости передачи. Такие посылки используются, например, принтерами или сканерами.

Передачи по прерываниям (Interrupt Transfers) - используются в том случае, когда требуется передавать одиночные пакеты данных небольшого размера. Каждый пакет требуется передать за ограниченное время. Операции передачи носят спонтанный характер и должны обслуживаться не медленнее, чем того требует устройство. Поле данных может содержать до 64 байт на полной скорости и до 8 байт на низкой. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 1-255 мс для полной скорости и 10-255 мс - для низкой. Такие передачи используются в устройствах ввода, таких как мышь и клавиатура.

Изохронные передачи (Isochronous Transfers) - применяются для обмена данными в "реальном времени", когда на каждом временном интервале требуется передавать строго определенное количество данных, но доставка информации не гарантирована (передача данных ведется без повторения при сбоях, допускается потеря пакетов). Такие передачи занимают предварительно согласованную часть пропускной способности шины и имеют заданную задержку доставки. Изохронные передачи обычно используются в мультимедийных устройствах для передачи аудио- и видеоданных, например, цифровая передача голоса. Изохронные передачи разделяются по способу синхронизации конечных точек - источников или получателей данных - с системой. Различают асинхронный, синхронный и адаптивный классы устройств, каждому из которых соответствует свой тип канала USB.

Все операции по передаче данных инициируются только хостом независимо от того, принимает ли он данные или пересылает в периферийное устройство. Все невыполненные операции хранятся в виде четырех списков по типам передач. Списки постоянно обновляются новыми запросами. Планирование операций по передаче информации в соответствии с упорядоченными в виде списков запросами выполняется хостом с интервалом один кадр. Обслуживание запросов выполняется в соответствии со следующими правилами:

• наивысший приоритет имеют изохронные передачи;
• после отработки всех изохронных передач система переходит к обслуживанию передач прерываний;
• в последнюю очередь обслуживаются запросы на передачу массивов данных;
• по истечении 90% указанного интервала хост автоматически переходит к обслуживанию запросов на передачу управляющих команд независимо от того, успел ли он полностью обслужить другие три списка или нет.

Выполнение этих правил гарантирует, что управляющим передачам всегда будет выделено не менее 10% пропускной способности шины USB. Если передача всех управляющих пакетов будет завершена до истечения выделенной для них доли интервала планирования, то оставшееся время будет использовано хостом для передач массивов данных.

Версии спецификации

Разработка спецификаций на шину USB производится в рамках международной некоммерческой организации USB Implementers Forum (USB-IF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шиной USB.

С середины 1996 года выпускаются PC со встроенным контроллером USB, реализуемым чипсетом системной платы.

Первая версия спецификации USB 1.0 поддерживает два режима скорости передачи данных между устройством и компьютером:

• Low Speed (1.5 Mbits/sec) , для таких устройств как мыши, клавиатуры и джойстики;
• Full Speed (12 Mbits/ sec) , для модемов и сканеров.

Осенью 1998 года вышла версия 1.1 - в ней были устранены обнаруженные проблемы первой редакции.

Основные технические характеристики USB 1.1:

• Достаточно высокая максимальная скорость обмена - до 12 Мбит/с.
• Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 4,5 м.
• Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) - до 127.
• Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена.
• Не требуется использование дополнительных устройств и терминаторов.
• Подается напряжение питания для периферийных устройств - 5 В.
• Максимальный ток потребления на одно устройство - 500 mA.

Весной 2000 года опубликована спецификация USB 2.0, в которой предусмотрено 40-кратное повышение пропускной способности шины(до 480 Мбит/с в высокоскоростном режиме). Однако устройства USB 2.0 вышли на массовый рынок в 2002 года, когда новый интерфейс, наконец, смог утвердиться.

Вторая версия спецификации USB 2.0 позволяет использовать еще один режим High Speed (480 Mbit/sec) для таких устройств, как жесткие диски, CD-ROM, цифровые камеры. Пропускная способность 480 Мбит/с достаточная и для внешних накопителей, MP3-плееров, смартфонов и цифровых камер, которым требовалась передавать большое количество данных. Также спецификация USB 2.0 полностью поддерживает устройства, разработанные для первой версии. Контроллеры и хабы автоматически определяют версию спецификации, поддерживаемую устройством. Шина позволяет соединять до 127 устройств, удаленныех от компьютера на расстоянии до 25 м (с использованием промежуточных хабов).

После своего широкого внедрения USB 2.0 удалось полностью заменить последовательный и параллельный интерфейсы.

В настоящее время широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB 2.0.

USB 3.0

USB 3.0 поддерживает максимальную скорость передачи 5 Гбит/с.

Коннектор USB 3.0 типа А

Основной целью интерфейса USB 3.0 является повышение доступной пропускной способности, однако новый стандарт эффективно оптимизирует энергопотребление. 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.

Коннектор USB 3.0 типа В

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 версия USB 2.0 предусматривала 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.

Кабели и разъемы USB

В отличие от громоздких дорогих шлейфов параллельных шин АТА и особенно шины SCSI с ее разнообразием разъемов и сложностью правил подключения, кабельное хозяйство USB простое и изящное.

Существует пять видов USB-разъемов :

Слева направо: micro USB, mini USB, B-type, A-type разъем, A-type коннектор

• micro USB - используется в самых миниатюрных устройствах вроде плееров и мобильных телефонов;
• mini USB - также часто обнаруживается на плеерах, мобильных телефонах, а заодно и на цифровых фотоаппаратах, КПК и тому подобных устройствах;
• B-type - полноразмерный разъем, устанавливаемый в принтерах, сканерах и других устройствах, где размер не имеет очень принципиального значения;
• A-type (приемник) - разъем, устанавливаемый в компьютерах (либо на удлинителях USB), куда подключается коннектор типа A-type;
• A-type (вилка) - коннектор, подключаемый непосредственно к компьютеру в соответствующий разъем.

Cистема кабелей и коннекторов USB не дает возможности ошибиться при подключении устройств. Гнезда типа «А» устанавливаются только на нисходящих портах хабов, вилки типа «А» - на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов. Гнезда и вилки типа «В» используются только для шнуров, отсоединяемых от периферийных устройств и восходящих портов хабов (от «мелких» устройств - мышей, клавиатур и т. п. кабели, как правило, не отсоединяются). Хабы и устройства обеспечивают возможносгь «горячего» подключения и отключения.

Максимальная длина USB-кабеля может составлять 5 метров. Данное ограничение введено для снижения времени отклика устройства. Хост-контроллер ожидает поступление данных ограниченное время, и если они задерживаются, то соединение может быть потеряно.

Кабель для поддержки полной скорости шины (full-speed) выполняется как витая пара, защищается экраном и может также использоваться для работы в режиме минимальной скорости (low-speed). Кабель для работы только на минимальной скорости (например, для подключения мыши) может быть любым и неэкранированным.

Литература

1. Косцов А.,Косцов В.Железо ПК. Настольная книга пользователя. - М.: Мартин, 2006. - 480 с.

Новый стандарт USB Type-C до сих пор недостаточно широко развит на рынке, однако производители постепенно принимают свежую технологию. В смартфоностроении USB-C уже можно назвать новым трендом, потому что это не только усовершенствованный разъем для зарядки, но и средство для отказа от традиционного 3,5-миллиметрового порта для наушников. Сегодня мы более детально поговорим о USB Type-C, и данная статья расскажет вам, что это такое.

Сегодня практически все электронные устройства оснащаются разъемом USB. От настольных компьютеров до смартфонов и разнообразных накопителей с ноутбуками. USB является повсеместным стандартом, когда дело доходит до подключения периферии или передачи данных между устройствами. Последнее крупное обновление USB вышло в 2013 году с выходом USB 3.1, сопровождающегося релизом нового разъема Type-C. Как видите, с тех пор прошло уже почти 4 года, а Type-C так и не прижился.

В настоящее время на рынке можно по пальцам пересчитать устройства, использующие технологию USB Type-C. Среди компьютеров это последние ноутбуки от Apple, от Google, линейка от Samsung и еще несколько гибридных устройств. Среди смартфонов - в основном флагманы уходящего года: , и .

Так почему USB Type-C лучше, чем предшественники? Давайте выясним.

Что такое USB Type-C

USB Type-C - это новый и в настоящее время активно развивающийся отраслевой стандарт передачи данных для компьютеров и мобильных устройств. Главным и самым значительным нововведением Type-C является измененный разъем - универсальный, симметричный, способный работать любой стороной. Разъем USB-C был придуман USB Implementers Forum - группой компаний, которая разработала и сертифицировала новый стандарт USB. В нее также входят крупнейшие технологические компании, а именно Apple, Samsung, Dell, HP, Intel и Microsoft. К слову, это важно знать, ведь поэтому USB Type-C был легко принят большинством производителей ПК.

USB-C - это новый стандарт

В первую очередь нужно знать, что USB Type-C является новым стандартом для индустрии. Точно так же, как когда-то ими были USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 или самый последний USB 3.1. Только предыдущие поколения USB больше были сосредоточены на увеличении скорости передачи данных и различных других улучшениях, тогда как Type-C с физической точки зрения меняет конструкцию разъема аналогично модификациям технологии - MicroUSB и MiniUSB. Однако, решающее различие в данном случае заключается в том, что, в отличие от MicroUSB и MiniUSB, Type-C направлен на замену абсолютно всех стандартов, причем с обеих сторон (пример USB-MicroUSB).

Основные характеристики:

• 24 сигнальных вывода
• Поддержка USB 3.1
• Альтернативный режим для реализации сторонних интерфейсов
• Скорость до 10 Гбит/с
• Передача энергии до 100 Вт
• Габариты: 8,34х2,56 мм

USB Type-C и USB 3.1

Одним из возможных вопросов незнающих о USB Type-C может быть нечто подобное: какое отношение USB 3.1 имеет к USB Type-C? Дело в том, что USB 3.1 является основным протоколом передачи данных для Type-C. Скорость версии 3.1 составляет 10 Гбит в секунду - в теории это в 2 раза быстрее, чем USB 3.0. Еще USB 3.1 может быть представлен в оригинальном формате разъема - такой порт называется USB 3.1 Type-A. Но сегодня гораздо проще встретить USB 3.1 с универсальным разъемом нового типа Type-C.

Версии USB

Чтобы лучше понять, почему Type-C станет заменой традиционным версиям USB, в первую очередь необходимо понимать разницу между ними. Существуют различные версии USB, а также даже разные коннекторы - например, Type-A и Type-B.

Версии USB относятся к общему стандарту, но их различие состоит в максимальной скорости передачи данных и мощности работы. Конечно, есть и многие другие факторы.

USB 1.1
Хотя USB 1.0 технически является первой версией USB, она не смогла полноценно выйти на рынок. Вместо нее была выпущена новая версия USB 1.1 - как раз она стала первым стандартом, к которому мы все привыкли. USB 1.1 может передавать данные на скорости 12 Мбит в секунду и максимально потребляет 100 мА тока.

USB 2.0
Вторая версия USB была представлена в апреле 2000 года. Она обеспечила стандарт значительным приростом в максимальной скорости передачи данных - до 480 Мбит в секунду. Также USB 2.0 стал мощнее, потребляя 1,8А на 2,5В.

USB 3.0
Выход USB 3.0 принес с собой не только ожидаемые улучшения в скорости передачи данных и мощности, но и новые типы разъемов. Более того, USB 3.0 даже получил свой цвет - новую версию стандарта обозначили синим, чтобы доблестно отличать его от старых поколений USB. USB 3.0 может работать со скоростью до 5 Гбит в секунду, беря для своего функционирования 5В на 1,8А. Кстати, эту версию представили в ноябре 2008 года.

USB 3.1
Новейшая и самая лучшая версия USB была выпущена в июле 2013 года, хотя до сих пор она не используется повсеместно. USB 3.1 может обеспечить пользователей пропускной способностью до 10 Гбит в секунду с максимальным потреблением энергии в 5В/1А, либо опционально 5А/12В (60 Вт) или 20В (100 Вт).

Type-A
Type-A является классическим интерфейсом USB. Короткий и прямоугольный штепсель стал оригинальным дизайном для USB и по сей день остается стандартным разъемом для использования в конце хоста USB-кабеля. Есть также некоторые вариации Type-A - Mini Type-A и Micro Type-A, но они никогда не были широко принятыми общественностью в связи со сложнохарактерным гнездом. В настоящее время обе эти вариации Type-A признаны устаревшими.

Type-B
Если Type-A стал одной стороной привычного для нас USB-кабеля, то Type-B является другой. Оригинальный Type-B - это высокий разъем со скошенными верхними углами. Обычно встречается на принтерах, хотя сам по себе является расширением стандарта USB 3.0 для введения новых возможностей соединения. Классические MiniUSB и MicroUSB тоже есть в версии Type-B, наряду с абсолютно неуклюжим MicroUSB 3.0, в котором используются дополнительные штекеры.

Type-C
Таким образом, спустя Type-A и Type-B мы подошли, очевидно, к новейшему Type-C. Версии Type-A и Type-B должны были работать совместно друг с другом посредством обратной совместимости, однако прибытие Type-C полностью разрушило эти планы, поскольку USB-C предполагает полную замену устаревших технологий USB-соединения. Также Type-C был разработан специальным образом, чтобы дополнительные варианты типа Mini или Micro не понадобилось выпускать вообще. Это, опять же, связано с намерениями заменить все нынешние разъемы на USB Type-C.

Главной особенностью стандарта Type-C является универсальность или симметричность разъема. USB-C можно использовать обеими сторонами подобно технологии Apple Lightning - больше никаких специальных сторон для соединения, которые к тому же еще и в темноте сложно найти. Также версия Type-C основана на USB 3.1, что означает поддержку всех преимуществ последней версии, включая высочайшую скорость.

USB-C по-прежнему является обратно совместимым с существующими вариантами USB, но для такого сценария использования, конечно, понадобятся адаптеры.

Недостатки USB Type-C

Проблемы у нового стандарта USB Type-C, естественно, тоже имеются. Одним из главных и самых серьезных опасений последней версии технологии называют физическую конструкцию разъема - она очень хрупкая ввиду симметричного дизайна. Apple, несмотря на такую же универсальность своего Lightning, использует прочный металлический штекер, который является гораздо более устойчивым к внешним воздействиям.

Еще более актуальной и вызывающей значительное беспокойство проблемой USB Type-C является нерегулируемая работа коннектора, что привело к ряду опасных поступающих в продажу аксессуаров. Некоторые из таких аксессуаров за счет использования неподдерживаемых уровней напряжения способны «поджарить» подключенное устройство. Например, так было с великолепным на старте флагманом , который впоследствии начал сперва воспламеняться, а потом и вовсе взрываться в руках, брюках, машинах и квартирах своих владельцев.

Данная проблема привела к очевидному и единственному решению - массовому запрету на производство и продажу неоригинальных аксессуаров с поддержкой USB Type-C. Так, если аксессуар не будет соответствовать стандартным спецификациям USB Implementers Forum Inc., то продукт не будет допущен к продаже. Также для проверки рабочего состояния и подлинности различных сторонних аксессуаров компания USB-IF представила защищенное 128-битным шифрованием ПО, которое позволит устройствам с данным разъемом осуществлять автоматическую проверку подключенного устройства или аксессуара с USB-C.

Минусы:

• Конструкция. Дизайн USB Type-C хорош, но пострадала конструкция - она довольно хрупкая. Apple в своем Lightning использует цельнометаллический штекер, когда в Type-C используется овальная форма с размещением сигнальных выводов в центральной части.
• Работа коннектора. Если позволить USB Type-C работать с неподдерживаемыми уровнями напряжения, то, вероятнее всего, кабель и/или устройство подвергнется возгоранию.
• Совместимость. USB Type-C - это инновации в мире USB, но новейшее поколение оставляет в прошлом старые устройства, поскольку не поддерживает работу с ними.
• Переходники. Для полноценной работы с USB Type-C на старых устройствах придется докупать переходники. Это дополнительная трата денег.

Преимущества USB Type-C

Несмотря на все вышенаписанное, USB Type-C можно уверенно назвать шагом вперед для индустрии. Установка данного разъема позволит производителям делать более тонкие компьютеры и мобильные устройства с меньшим количеством портов, высочайшей скоростью передачи данных и в наушники. В будущем, если USB Type-C выбьется в массы, разъему удастся заменить не только порт 3,5 мм для наушников, но и HDMI - интерфейс, используемый для передачи видео. Так USB Type-C заменит привычные сегодня разъемы и станет универсальным стандартом в любой ситуации.

Плюсы:

• Симметричность. USB Type-C позволяет забыть о ситуациях, когда приходится вспоминать, с какой стороны вставлять кабель в разъем. Также отныне можно не бояться не найти нужную сторону USB в темноте.
• Компактность. Габариты USB Type-C составляют 8,4х2,6 мм - это позволяет производителям делать компьютеры и мобильные устройства значительно тоньше.
• Универсальность. Благодаря интеграции единого разъема станет возможной зарядка одним кабелем как ноутбука, так и планшета или смартфона.

Реферат

Интерфейс USB

Введение

аппаратный кабель интерфейс

Увеличение числа устройств, подключаемых к персональному компьютеру, и, соответственно, развитие внешних интерфейсов привело к противоречивой ситуации: с одной стороны, компьютер должен иметь множество различных разъемов, а с другой - большая часть из них не используется. Такая ситуация определяется историческим развитием интерфейсов ПК - каждый интерфейс имел свой специализированный разъем. Более того, к одному порту в большинстве случаев можно подключить только одно устройство. Кроме того, проблема многочисленности разнообразных подключений включает в себя и следующие аспекты:

практически для каждого из устройств необходимо выделение аппаратного прерывания (IRQ);

большая часть устройств требует наличия внешнего блока питания;

каждое устройство имеет свой протокол обмена, многократно увеличивая необходимее количество драйверов;

конфигурирование огромного числа устройств, многие из которых не поддерживают спецификации Plug and Play, достаточно сложно для обычного пользователя и др.

Естественно, что производители аппаратного обеспечения задумались о создании единого и универсального интерфейса. И в начале 1996 года была опубликована версия 1.0 нового интерфейса USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина).

Последовательные шины позволяют объединять множество устройств, используя всего 1-2 пары проводов. Функциональные возможности этих шин гораздо шире, чем у традиционных интерфейсов локальных сетей.

Шина USB ориентирована именно на периферийные устройства, подключаемые к персональному компьютеру. Устройства могут подключаться к USB четырехпроходным кабелем без выключения компьютера. Изохронные передачи USB позволяют передавать цифровые аудиосигналы, а шина USB 2.0 способна нести и видеоданные. Все передачи управляются централизованно, и ПК является необходимым управляющим узлом, находящимся в корне древовидной структуры шины. Спецификация USB подразумевает прозрачное подключение устройств к шине и позволяет иметь несколько устройств на одном порту. Адаптер USB входит в состав всех современных чипсетов системных плат.

1. История USB

Интерфейс USB появился по компьютерным меркам довольно давно. Спецификация версии 1.1 на этот интерфейс была опубликована в начале 1996 года, большинство устройств поддерживает версию 1.1, которая вышла осенью 1998 года, - в ней были устранены обнаруженные проблемы первой редакции. Весной 2000 года опубликована спецификация USB 2.0, в которой предусмотрено 40-кратное повышение пропускной способности шины. В конце 2008 года USB Implementers Forum финализировал спецификации стандарта USB 3.0. Новый стандарт увеличил пропускную способность еще в 10 раз (пиковая производительность - 5 Гбит/с).

Первоначально (в версиях 1.0 и 1.1) шина обеспечивала две скорости передачи информации: полная скорость FS (full speed) - 12 Мбит/с и низкая скорость LS (Low Speed) - 1,5 Мбит/с. В версии 2.0 определена еще и высокая скорость HS (High Speed) - 480 Мбит/с, которая позволяет существенно расширить круг устройств, подключаемых к шине. В одной и той же системе могут присутствовать и одновременно работать устройства со всеми тремя скоростями. При этом предусматривается обратная совместимость устройств USB 2.0 с USB 1.x, т.е. «старые» USB 1.x 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.

Шина USB разрабатывалась для обеспечения механизма взаимодействия компьютерных и телефонных систем, однако вскоре члены комитета разработки поняли, что USB может удовлетворить потребности многих приложения и все сферы компьютерной телефонии.

Разработчики шины ориентировались на создание интерфейса, обладающего следующими свойствами:

легко реализуемое расширение периферии ПК;

дешевое решение, позволяющее передавать данные с высокой скоростью;

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.

Практически все поставленные задачи были решены, и весной 1997 года стали появляться компьютеры, оборудованные разъемами для подключения USB-устройств. Иконкой, официально обозначается шина USB, как в Windows, так и на USB-разъемах.

В феврале 2004 года корпорация Intel совместно с Agere, Systems, HP, Microsoft Corporation, NEC, Philips Semiconductors и Samsung Electronics объявила о создании группы продвижения беспроводного USB (Wireless USB Promoter Group). Ее задача - продвижение высокоскоростной технологии беспроводного подключения внешних устройств Wireless USB на скорости 480 Мбит/с с дальностью действия при низком энергопотреблении до 10 метров.

2. Сравнение USB с другими интерфейсами

В настоящее время достойной альтернативы USB не существует (кроме, пожалуй, изначального конкурента - Fire Wire, но у этой шины принципиально другая система соединения). Интерфейсы, сравнимые с USB по скорости обмена, требуют специальных преобразователей (например, RS-485). Интерфейсы, не требующие дополнительных элементов, либо низкоскоростные, либо узконаправленные (RS-232, LPT, MIDI и др.). Кроме того, к несомненным плюсам USB относятся организация помехозащищенности на уровне аппаратного и шинного протоколов и «встроенная» поддержка Plug and Play, а также отсутствие дополнительных элементов для подключения устройств (как, например, терминаторы для SCSI-интерфейса). Единственным минусом можно считать довольно короткое кабельное соединение, но следует помнить, что шина USB разрабатывалась как шина для домашних устройств и дальние соединения не закладывались в нее изначально.

3. Архитектура USB-шины

.1 Общая архитектура

Для шины USB выбран последовательный формат пересылки данных, обеспечивающий ее наименьшую стоимость и наибольшую гибкость. Тактирующий сигнал и данные кодируются вместе и передаются как единый сигнал. В результате нет никаких ограничений в отношении тактовой частоты или расстояний, связанных со сдвигом данных, благодаря чему становится возможной высокая пропускная способность соединений с высокой тактовой частотой.

Для того чтобы к шине USB можно было одновременно подключать большое количество устройств, удаляемых и подсоединяемых в любое время, эта шина имеет древовидную структуру. Компьютер в такой конфигурации является управляющим устройством и называется хостом. В узлах дерева располагаются устройства, называемые хабами и действующие как промежуточные управляющие компоненты между хостом и устройствами ввода-вывода. Компьютер имеет встроенный хаб, называемый корневым хабом, который соединяет все дерево с хост-компьютером. «Листьями» дерева являются устройства ввода-вывода (клавиатура, динамики, соединение с Интернетом, цифровой телевизор и т.п.), в терминологии USB называемые функциями.

3.2 Составляющие USB

Шина USB состоит из следующих элементов.

Хост-контроллер (Host Controller) - это главный контроллер, который входит в состав системного блока компьютера и управляет работой всех устройств на шине USB. Для краткости его называют просто «хост». На шине USB допускается наличие только одного хоста. Системный блок персонального компьютера содержит один или несколько хостов, каждый из которых управляет отдельной шиной USB.

Устройство (Device) может представлять собой хаб, функцию или их комбинацию (Compound Device).

Порт (Port) - точка подключения.

Хаб (Hub, другое название - концентратор) - устройство, которое обеспечивает дополнительные порты на шине USB. Другими словами, хаб преобразует один порт (восходящий порт, Upstream Port) во множество портов (нисходящие порты, Downstream Ports). Архитектура допускает соединение нескольких хабов (не более 5). Хаб распознает подключение и отключение устройств к портам и может управлять подачей питания на порты. Каждый из портов может быть разрешен или запрещен и сконфигурирован на полную или ограниченную скорость обмена. Хаб обеспечивает изоляцию сегментов с низкой скоростью от высокоскоростных. Хаб может ограничивать ток, потребляемый каждым портом.

Корневой хаб (Root Hub) - это хаб, входящий в состав хоста.

Функция (Function) - это периферийное устройство (ПУ) или отдельный блок периферийного устройства, способный передавать и принимать информацию по шине USB. Каждая функция предоставляет конфигурационную информацию, описывающую возможности ПУ и требования к ресурсам. Перед использованием функция должна быть сконфигурирована хостом - ей должна быть выделена полоса в канале и выбраны опции конфигурации.

3.3 Свойства составляющих

Свойства USB-устройств

Спецификация USB жестко определяет набор свойств, которые должно поддерживать любое USB-устройство:

адресация - устройство должно отзываться на назначенный ему уникальный адрес и только на него;

конфигурирование - после включения или сброса устройство должно предоставлять нулевой адрес для возможности конфигурирования его портов;

передача данных - устройство имеет набор конечных точек для обмена данными с хостом. Для конечных точек, допускающих разные типы передач, после конфигурирования доступен только один из них;

управление энергопотреблением - любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. Если хаб не может обеспечить устройству заявленный ток, устройство не будет использоваться;

приостановка - устройство USB должно поддерживать приостановку (Suspended Mode), при которой его потребляемый ток не превышает 500 мкА. Устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины;

удаленное пробуждение - возможность удаленного пробуждения (Remote Wakeup) позволяет приостановленному устройству подать сигнал хосту, который тоже может находиться в приостановленном состоянии.

Свойства хабов

Хаб выполняет коммутацию сигналов и выдачу питающего напряжения, а также отслеживает состояние подключенных к нему устройств, уведомляя хост об изменениях. Хаб состоит из двух частей - контроллера (Hub Controller) и повторителя (Hub Repeater).

Контроллер содержит регистры для взаимодействия с хостом. Доступ к регистрам осуществляется по специфическим командам обращения к хабу. Команды позволяют конфигурировать хаб, управлять нисходящими портами и опрашивать их состояние.

Повторитель представляет собой управляемый ключ, соединяющий выходной порт со входным. Он имеет средства сброса и приостановки передачи сигналов.

Нисходящие порты хабов могут находиться в следующих состояниях:

Питание отключено (Powered off) - на порт не подается питание (возможно только для хабов, коммутирующих питание). Выходные буферы переводятся в высокоимпедансное состояние, входные сигналы игнорируются;

Отсоединен (Disconnected) - порт не передает сигналы ни в одном направлении, но способен обнаружить подключение устройства;

Запрещен (Disabled) - порт передает только сигнал сброса (по команде контроллера), сигналы от порта (кроме обнаружения отключения) не воспринимаются;

Разрешен (Enabled) - порт передает сигналы в обоих направлениях. По команде контроллера или по обнаружении ошибки кадра порт переходит в состояние «Запрещен», а по обнаружении отключения - в состояние «Отсоединен»;

Приостановлен (Suspended) - порт передает сигнал перевода в состояние «спящий режим». Если хаб находится в активном состоянии, сигналы через порт не пропускаются ни в одном направлении.

Состояние каждого порта идентифицируется контроллером хаба с помощью отдельных регистров. Имеется общий регистр, биты которого отражают факт изменения состояния каждого порта. Это позволяет хосту быстро узнать состояние хаба, а в случае обнаружения изменений специальными транзакциями уточнить состояние.

Свойства хоста

Хост имеет следующие обязанности:

обнаружение подключения и отключения устройств USB;

управление потоками данных;

сбор статистики;

обеспечение энергосбережения подключенными ПУ.

Системное ПО контроллера управляет взаимодействием между устройствами и их ПО, функционирующим на хост-компьютере, для согласования:

нумерации и конфигурирования устройств;

изохронных передач данных;

управления энергопотреблением;

информации об управлении устройствами и шиной.

4. Аппаратное обеспечение

.1 Кабели

Спецификация USB предъявляет несколько требований к кабельному соединению:

предотвращение ошибки соединения разъемов;

простота кабельного соединения;

возможность подключения устройств, имеющих питание от шины и возможность подключения устройств, имеющих внешнее питание.

Соединительный кабель, используемый для подключения устройств с интерфейсом USB, представляет собой четырехжильный кабель в экранирующей оплетке и защитным покрытием из полихлорвинила. Два проводника предназначены для передачи данных, один - для источника питания (+5 В) и один - для «земли»

Спецификация USB 2.0 определяет три возможных типа используемых кабелей:

стандартный съемный кабель;

высокоскоростной (полноскоростной) несъемный кабель;

низкоскоростной несъемный кабель.

Стандартный съемный кабель служит для соединения хоста или хаба с устройством. С одной стороны он заканчивается разъемом типа «А» для подключения к хосту или хабу, а с другой - разъемом типа «В» или «mini-B» для подключения к устройству. Оба разъема маркируются логотипом USВ.

Несъемный кабель заканчивается с одной стороны разъемом типа «А» (с маркировкой) для подключения к хосту или хабу, а с другой стороны жестко присоединен к устройству, т.е. имеет всего один разъем.

Высокоскоростной кабель имеет импеданс 90+15% Ом и полную задержку распространения сигнала 26 нс. Кабель обязательно должен иметь витую пару из сигнальных проводников и экранирующую оплетку. Такой кабель можно использовать и для низкоскоростного соединения.

Низкоскоростной кабель предназначен для работы на скоростях до 1,5 Мбайт/с. В связи с этим к кабелю предъявляются меньшие требования: низкоскоростной кабель не имеет витой пары из сигнальных проводников и экранирующей оплетки. Он должен иметь емкость в диапазоне 200-450 пФ и задержку на распространение сигнала не более 18 нс.

Длина соединительного кабеля определяется импедансом и задержкой распространения сигнала. В среднем длина составляет три-пять метров, но может быть и до десяти. Определяющим фактором является качество изготовления и используемый материал.

4.2 Разъемы

Для предотвращения ошибочных соединений USB использует USB-кабели с различными разъемами. Согласно спецификации, устройства, работающие с шиной USВ, могут использовать три типа разъемов: «А», «В» и «Mini-B». Разъемы «А» обозначают принадлежность к «ведущему» устройству, они используются в хостах и хабах. Их всегда можно встретить, например, на современных материнских платах персональных компьютеров. Разъемы «В» используют «ведомые» устройства. Тип разъемов «mini-В» появился в спецификации в 2000 году с введением стандарта USB 2.0. Этот разъем позиционируется для применения в малогабаритных мобильных устройствах, например, в сотовых телефонах, когда габариты самого устройства соизмеримы с размерами разъема.

Конструктивно разъемы задуманы так, что сначала происходит соединение шины питания, потом шины данных.

Спецификация USB определяет стандартную цветовую гамму для проводников внутри USB-кабеля, что значительно облегчает идентификацию проводов при применении кабелей от разных производителей.

Кабель также имеет линии VBus и GND для передачи питающего напряжения 5 В к устройствам. Сечение проводников выбирается в соответствии с длиной сегмента для обеспечения гарантированного уровня сигнала и питающего напряжения.

5. Принципы передачи данных

Информация, пересылаемая через соединения USВ, организуется в пакеты, каждый из которых включает один или несколько байтов данных. В интерфейсе USB испольуется несколько разновидностей пакетов:

пакет-признак (token paket) описывает тип и направление передачи данных, адрес устройства и порядковый номер конечной точки (КТ - адресуемая часть USB-устройства); пакет-признаки бывают нескольких типов: IN, OUT, SOF, SETUP;

пакет с данными (data packet) содержит передаваемые данные;

пакет согласования (handshake packet) предназначен для сообщения о результатах пересылки данных; пакеты согасования бывают нескольких типов: ACK, NAK, STALL.

Таким образом, каждая транзакция состоит из трех фаз: фаза передачи пакета-признака, фаза передачи данных и фаза согласования.

В интерфейсе USB используются несколько типов пересылок информации:

Управляющая пересылка (control transfer) используется для конфигурации устройства, а также для других специфических для конкретного устройства целей. Управляющие пересылки содержат две стадии: Setup-стадия и статусная стадия. Между ними может располагаться стадия передачи данных. Setup-стадия используется для выполнения SETUP-транзакции, в процессе которой пересылается информация в управляющую КТ функции. SETUP-транзакция содержит SETUP-пакет, пакет с данными и пакет согласования.

Если пакет с данными получен успешно, то она отсылает хосту ACK-пакет. Иначе транзакция завершается.

Потоковая пересылка (bulk transfer) используется для передачи относительно большого объема информации. Потоковые пересылки характеризуются гарантированной безошибочной передачей данных между хостом и функцией посредством обнаружения ошибок при передаче и повторного запроса информации.

Пересылка с прерыванием (iterrupt transfer) используется для передачи небольшого объема информации, для которого важна своевременная пересылка. Имеет ограниченную длительность и повышенный приоритет относительно других типов пересылок. Пересылки с прерыванием могут содержать IN- или OUT-пересылки. Если у функции нет информации, для которой требуется прерывание, то в фазе передачи данных функция возвращает NAK-пакет. Если работа КТ с прерыванием приостановлена, то функция возвращает STALL-пакет. При необходимости прерывания функция возвращает необходимую информацию в фазе передачи данных. Если хост успешно получил данные, то он посылает ACK-пакет. В противном случае согласующий пакет хостом не посылается.

Изохронная пересылка (isochronous transfer) также называется потоковой пересылкой реального времени. Информация, передаваемая в такой пересылке, требует реального масштаба времени при ее создании, пересылке и приеме. Изохронные транзакции содержат фазу передачи признака и фазу передачи данных, но не имеют фазы согласования. Хост отсылает IN- или OUT-признак, после чего в фазе передачи данных КТ (для IN-признака) или хост (для OUT-признака) пересылает данные. Изохронные транзакции не поддерживают фазу согласования и повторные посылки данных в случае возникновения ошибок.

Пересылаемую по шине USB информацию можно разделить на две категории: управляющая информация и данные. Управляющие пакеты используются для адресации устройств при инициировании пересылки данных, а также для подтверждения факта получения правильных данных и сообщений об ошибках. Пакеты данных содержат входные и выходные данные, которыми хост обменивается с устройством, и некоторую другую информацию.

Каждый пакет состоит из одного или нескольких полей, содержащих разные типы информации. Первое поле любого пакета называется идентификатором и обозначается как PID. Оно идентифицирует тип пакета. В этом поле четыре бита информации, которые передаются дважды. В первый раз пересылаются их реальные значения, а во второй - дополненные. Это позволяет устройству-получателю проверить достоверность полученного байта PID.

Механизм передачи данных является асинхронным и блочным. Блок передаваемых данных называется USB-фреймом или USB-кадром (состоит из пакетов) и передается за фиксированный временной интервал. Оперирование командами и блоками данных реализуется при помощи логической абстракции, называемой каналом. Внешнее устройство также делится на логические абстракции, называемые конечными точками. Таким образом, канал является логической связкой между хост-контроллером и конечной точкой внешнего устройства. Канал можно сравнить с открытым файлом.

Для передачи команд (и данных, входящих в состав команд) используется канал по умолчанию, а для передачи данных открываются либо потоковые каналы, либо каналы сообщения.

Для шины USB настоящего механизма прерываний (как, например, для последовательного порта) не существует. Вместо этого хост-контроллер опрашивает подключенные устройства на предмет наличия данных о прерывании. Опрос происходит в фиксированные интервалы времени, обычно каждые 1-32 мс.

С точки зрения драйвера, возможности работы с прерываниями фактически определяются хост-контроллером, который и обеспечивает поддержку физической реализации USB-интерфейса.

6. USB-устройства

Благодаря своей универсальности и способности эффективно передавать разнородный трафик, шина USB применяется для подключения к PC самых разнообразных устройств. Она призвана заменить традиционные порты PC - СОМ и LPT, а также порты игрового адаптера и интерфейса MIDI.

Обычно USB-устройство представляет собой USB-функцию с портом для подключения. Типичными примерами функций являются:

указатели: мышь, планшет, световое перо;

устройства ввода: клавиатура, сканер;

устройства вывода: принтер, звуковые колонки, монитор;

телефонный адаптер ISDN;

флеш-диски.

Часто USB-устройство имеет встроенный хаб, позволяющий подключать к нему другие устройства.

6.1 Мышь и клавиатура

Подключение USB-мыши может быть оправдано при необходимости освободить последовательный порт. Однако для мыши остается еще порт PS/2, поэтому USB-мышь не особенно необходима, за исключением возможности конфигурирования частоты опроса, что оценят любители компьютерных игр, или в отсутствии других портов (в ноутбуках).

Использование USB-клавиатуры интересно только возможностью подключения USB-мыши прямо к клавиатуре, а также экономией системных ресурсов.

6.2 Мониторы

В отличие от USB-колонок, не требующих звуковой карты, USB-монитор все же требует графический адаптер (видеокарту). «USB» в названии означает наличие USB-портов, позволяющих подключать USB-устройства непосредственно к монитору, а также возможность программного конфигурирования настроек монитора по USB-интерфейсу.

6.3 Переходники USB-to-COM и USB-to-LPT

Конвертеры USB-to-COM и USB-to-LPT незаменимы в тех случаях, когда последовательные и параллельные порты в системе уже заняты (или недееспособны). Эти устройства позволяют подключать к USB-порту устройства с последовательным (мышь, модем) и параллельным (принтер, сканер) интерфейсами. Переходник USB-to-COM будет также полезен пользователям ноутбуков, т.к. в них имеется всего один последовательный порт.

6.4 Сканеры

Основной интерес USB-сканера заключается в отсутствии внешнего питания. Скорость работы таких сканеров ничем не отличается от обычных, т.к. основной определяющей является не скорость передачи данных, а скорость движения сканирующей головки.

6.5 Модемы

Такие модемы не требуют внешнего питания и работают полностью от шины. С одной стороны, это позволило значительно уменьшить размеры самих модемов, но с другой, такие модемы имеют все достоинства и недостатки программных модемов (soft modem). На многих USB-модемах производители уменьшили число индикаторов состояния или используют программное отображение, что не очень, удобно.

6.6 Звуковые колонки

колонки не требуют звуковой карты, а преобразование сигнала в аналоговый происходит в самих колонках через встроенный аналого-цифровой преобразователь.

Следует отличать понятия «USB-колонки» от «колонки с питанием от USB». Второй вариант представляет собой обычные колонки, требующие звуковой карты, но без отдельного блока питания. Их можно отличить по дополнительному разъему к звуковой карте. При подключении к шине такие колонки даже не опознаются системой как новое устройство.

Качество звука, получаемое при использовании USB-колонок, значительно выше, чем с применением обычных колонок совместно с большинством звуковых карт. Единственное ограничение - компьютер должен иметь достаточную производительность для обеспечения непрерывного потока данных на колонки, иначе любое движение мыши способно привести к исчезновению звука.

Поток данных, передаваемых на USB-колонки, довольно большой, что создает заметный трафик от компьютера к колонкам. По этой причине рекомендуется подключение колонок непосредственно к компьютеру либо к ближайшему хабу.

6.7 Флеш-диски

Флеш-диски с USB-интерфейсом обладают значительными преимуществами:

флеш-диск можно подключить к любому современному компьютеру без выключения;

диск может быть загрузочным;

скорость записи довольно велика, хотя и меньше, чем у жесткого диска;

отсутствуют сбойные секторы;

ударостойкость около 1000 G (значительно больше любого современного жесткого диска);

время хранения данных - не менее 10 лет;

число циклов записи - не менее миллиона;

объем диска достаточно большой.

С USB-диска можно запускать программы, редактировать файлы, не прибегая к помощи жесткого диска компьютера. Это значительно облегчает синхронизацию файлов между компьютерами, например, домашним и рабочим.

Согласно спецификации USB к одному порту можно подключить 127 устройств с помощью соответствующего хаба. Однако на практике число флеш-дисков ограничено числом свободных букв дисков (26 букв минус А, В и С, т.е. максимум 23 диска).

Флеш-диски легко форматируются средствами Windows. При этом пользователь может сам выбирать тип файловой системы (FAT или FAT32).

6.8 Хабы

Хабы не являются как таковыми USB-устройствами. Их задача - преобразовывать один USB-порт в несколько портов. Модели классифицируются по числу предоставляемых портов, поддерживаемым стандартам и типу питания.

Хабы могут быть внутренние (вставляемые в PIC-шину) и внешние. Питание внешних хабов обычно внешнее, однако бывают и исключения.

6.9 Измерительная техника

Скорость передачи данных USB-канала позволяет использовать USB-шину для подключения измерительных приборов, таких как цифровые осциллографы, логические анализаторы, генераторы сигналов и т.п. В таких устройствах USB используется как для передачи данных в компьютер для их последующей обработки и отображения, так и для задания пара метров приборов.

6.10 Экзотические устройства

В последнее время на рынке компьютерной продукции стали появляться и довольно экзотические USB-устройства. Список устройств, в общем-то, не относящихся к компьютерной периферии, довольно большой. Интересны, например, USB-фонарик, позволяющий осветить клавиатуру или рабочее место, или USB-вентилятор. Среди экзотических устройств можно найти USB-подогреватель для чашки, USB-грелку и даже USB-зубную щетку.

7. Установка и конфигурирование USB-устройств

Спецификация USB была разработана с непосредственной поддержкой спецификации Plug and Play. Каждое устройство при подключении к шине USB сигнализирует о своем существовании и сообщает идентификатор производителя и идентификатор устройства. Эти идентификаторы являются определяющей информацией при выборе загружаемого драйвера, информация о котором ищется в реестре. Если подходящего драйвера в реестре не обнаружено, производится процедура установки нового устройства (драйвера). Спецификация Plug and Play предполагает прозрачное подключение и автоматическое конфигурирование устройств. Вмешательство пользователя требуется в том случае, когда система либо не смогла найти нужный драйвер и запрашивает его местоположение у пользователя, либо системе не удалось корректно распределить системные ресурсы.

Для подключения устройств к шине не требуется дополнительных действий (как, например, установка перемычек при подключении жестких дисков к IDE-интерфейсу), а возможность неправильного подключения исключается разными разъемами. Многие производители предоставляют свои драйверы для устройств.

Так как обмен данными по шине USB идет только между компьютером и устройствами, то при подключении устройств следует учитывать потребляемую ими полосу пропускания. Устройства с большими объемами приема и / или передачи данных должны подключаться либо к самому компьютеру, либо к ближайшему свободному узлу.

С другой стороны, при подключении устройств следует учитывать и поддерживаемые ими стандарты USB. Устройства и ПО, критичные к полосе пропускания шины, в неправильной конфигурации работать откажутся и потребуют переключений. Если же хост-контроллер старый, то все достоинства USB 2.0 окажутся недоступны пользователю. В этом случае придется менять хост-контроллер, т.е. системную плату. Контроллер и хабы USВ 2.0 позволяют повысить суммарную пропускную способность шины и для старых устройств. Если устройства FS подключать к разным портам хабов USB 2.0 (включая и корневой), то для них суммарная пропускная способность возрастет по сравнению с 12 Мбит/с во столько раз, сколько используется портов высокоскоростных хабов.

Заключение

Универсальная последовательная шина USB призвана заменить такие устаревшие интерфейсы, как RS-232 (COM-порт) и параллельный интерфейс IEEE 1284 (LPT-порт), то есть заменить последовательные и параллельные, клавиатурные и мышиные порты - все устройства подключаются к одному разъему, допускающему установку многочисленных устройств с легкостью технологии Plug & Play. Технология Plug & Play позволяет производить «горячую» замену без необходимости выключения и перезагрузки компьютера. После физического подсоединения устройства правильно опознаются и автоматически конфигурируются: USB самостоятельно определяет, что именно подключили к компьютеру, какой драйвер и ресурсы понадобятся устройству, после чего все это выделяет без вмешательства пользователя. Для адекватной работы шины необходима операционная система, которая корректно с ней работает.

К шине USB можно одновременно подключить до 127 устройств: мониторы, принтеры, сканеры, клавиатуры и т.д. Каждое устройство, подключенное на первом уровне, может работать в качестве концентратора-то есть к нему, при наличии соответствующих разъемов, могут подключаться еще несколько устройств. Обмен по интерфейсу - пакетный, скорость обмена - от 1,5 Мбит/с до 480 Мбит/с.

Кроме этого, питание маломощных устройств подается с самой шины. 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.

Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение / расчленение.

Все эти возможности и достоинства интерфейса USB сыграли решающую роль в том, что данная технология получила такую популярность. Универсальность соединения по типу USB привела к тому, что настоящее время интерфейс USB распространился повсеместно, вытеснив устаревшие порты на компьютерах.

Однако пропускной способности USB 2.0 перестало хватать для многих современных устройств. Новый стандарт USB 3.0 обеспечивает увеличение пропускной способности, а также дает и другие новшества. На данный момент оборудования и устройства с поддержкой USB 3.0 только начинают внедрять. Однако, согласно данным исследовательской компании InStart, новый стандарт к 2013 году будет занимать 25% рынка.

Всем привет. Иногда людям интересно узнать, чем USB 3.0 отличается от USB 2.0, иногда хотят понять какая версия или какой тип USB разъема имеется у них на компьютере, что за динозавр такой USB 1.0 и так далее. Давайте немного углубимся в эту тему.

Стандарт USB появился еще в середине 90х годов. Расшифровывается USB вот как – универсальная последовательная шина (Universal Serial Bus) . Этот стандарт был разработан специально для коммуникации периферийных устройств с компьютером, и сейчас занимает лидирующие позиции среди всех типов коммуникационных интерфейсов. Это и неудивительно. Сейчас сложно себе представить хоть какой-то девайс без USB разъема, хоть эти разъемы и различаются по типам.

Типы USB разъемов

На сегодняшний день существует достаточно большое количество типов USB разъемов. Какие-то больше распространены, какие-то меньше. В общем, давай на них взглянем.

USB type- A – один из самых распространенных типов USB разъемов. Вы могли видеть его на вашем , на , на блоке зарядного устройства и не только. Имеет множество применений. С его помощью можно подсоединять мышки и клавиатуры к компьютеру (или другому устройству), флешки, внешние накопители, смартфоны и так далее. Этот список можно еще долго продолжать, если пораскинуть мозгами.

USB type- B – разъем используется в основном для того, чтобы подключить к компьютеру принтер либо другие периферийные устройства. Получил намного меньшее распространение, нежели USB type-A.

Mini USB был весьма распространен на мобильных устройствах до появления Micro USB. Сейчас встречается очень редко, но все же можно его встретить еще на некоторых старых устройствах. У меня на портативной аудиоколонке разъем Mini USB принимает электроэнергию для зарядки аккумулятора. Колонку эту покупал лет 5 назад (живучая оказалась).

Micro USB сейчас используется на смартфонах и мобильных телефонах почти всех производителей. Этот USB разъем обрел невероятную популярность среди мобильных устройств. Однако постепенно его позиции занимает USB Type-C.

Версия USB 1.0 – археологические раскопки

Прапрапрадед стандарта USB – USB 1.0 появился на свет холодным ноябрем 1995 года. Но родился он немного недоношенным и большой популярности не обрел. А вот его младший брат USB 1.1, появившийся на свет тремя годами позже, был более жизнеспособным экземпляром и смог привлечь к себе достаточно внимания.

Что касается технической части, то скорость передачи данных была небольшой, но по меркам тех времен этой скорости было более чем достаточно. Скорость составляла до 12 Мбит/с и это в режиме высокой пропускной способности.

Отличия разъемов USB 2.0 и USB 3.0

USB 2.0 и USB 3.0 – это два вполне современных USB стандарта, которые сейчас используются повсеместно в компьютерах и ноутбуках. USB 3.0, конечно же, новее и быстрее, а также имеет полную обратную совместимость с USB 2.0 устройствами. Но скорость в таком случае будет ограничена максимальной скоростью по стандарту USB 2.0.

Теоретически скорость передачи данных стандарта USB 3.0 примерно в 10 раз выше, чем у USB 2.0 (5 Гбит/с против 480 Мбит/с). Но на практике скорость обмена информацией между устройствами часто бывает ограничена самими устройствами. Хотя в целом, USB 3.0 все же выигрывает.

Технические отличия

Хоть стандарты USB 2.0 и USB 3.0 и обратносовместимы, но, тем не менее, они имеют некоторые технические отличия. USB 2.0 имеет 4 контакта – 2 для питания устройств и 2 для передачи данных. Эти 4 контакты были сохранены и в стандарте USB 3.0. Но кроме них были добавлены еще 4 контакта, которые нужны для высокой скорости передачи данных и более быстрой зарядки устройств. К слову, USB 3.0 может работать с силой тока до 1 Ампера.

В итоге шнур стандарта USB 3.0 стал толще, и его длина не превышает теперь 3 метра (в USB 2.0 максимальная длина достигала 5 метров). Зато вы сможете зарядить свой смартфон намного быстрее, даже если вы подсоедините несколько смартфонов в один разъем через разветвитель.

Естественно производители позаботились о визуальных отличиях. Можно не искать упаковку от материнской платы, чтобы посмотреть какие стандарты USB она поддерживает. И не нужно для этого лезть в настройки компьютера или в диспетчер устройств. Достаточно просто взглянуть на цвет вашего разъема. Разъем USB 3.0 почти всегда синего цвета. Очень редко он бывает еще красного цвета. В то время как USB 2.0 практически всегда черного цвета.

Так что теперь с одного меткого взгляда вы сможете определить у вас USB 2.0 или USB 3.0 на ноутбуке.

На этом, наверное, можно заканчивать разговор о том, чем отличается USB 2.0 от USB 3.0.

Вывод

Что мы узнали из этой статьи? Что USB делится на стандарты передачи данных, которые отличаются скоростью передачи данных. А также, что USB имеют большое количество типов разъемов.

И что самое интересное, о чем я забыл упомянуть в статье, это то, что типы разъемов могут комбинироваться следующим образом. Вы можете встретить полноразмерный разъем USB type-A и полноразмерный USB type-B, в то же время существует (но редко встречается) micro USB type-A и micro USB type-B (очень распространен). USB type-A может работать по протоколу USB 2.0, а может по протоколу USB 3.0. В общем при желании можно и запутаться.

А если вас беспокоит вопрос, с какими разъемами лучше выбрать себе ноутбук USB 2.0 или USB 3.0, то вообще не парьтесь. Сейчас все современные ноутбуки и компьютеры оснащены и тем и тем типом USB. Например, у меня на ноутбуке два разъема USB 2.0 и один разъем USB 3.0. И все три разъема типа USB type-A.

Вот такие они – USB!

Вы дочитали до самого конца?

Была ли эта статья полезной?

Да Нет

Что именно вам не понравилось? Статья была неполной или неправдивой?
Напишите в клмментариях и мы обещаем исправиться!

Содержит две пары проводов: одну для сигнальных цепей (D+ и D-) и одну пару для схемной земли (GND) и подачи питания +5 В (Vbus). Допустимая длина сегмента (кабеля от устройства до хаба) — до 5 м. Ограничения на длину сегмента диктуются затуханием сигнала и вносимыми задержками. Задержка распространения сигнала по кабельному сегменту не должна превышать 26 нс, так что при большой погонной задержке допустимая длина кабеля может сократиться. Максимальное удаление устройства от хост-контроллера определяется задержкой, вносимой кабелями, промежуточными хабами и самими устройствами.

В кабеле USB 1.x для сигнальных цепей используется витая пара проводов калибра 28AWG с импедансом 90 Ом. Характеристики кабеля нормированы в частотном диапазоне до 16 МГц. Для питания используется неперевитая пара проводов калибра 20AWG-28AWG. Требований к экранированию кабелей в USB 1.x не выдвигалось. Для низкой скорости может использоваться кабель с неперевитой парой сигнальных проводов (он дешевле и тоньше), но его длина не должна превышать 3 м.

В кабелях USB 2.0 используются провода тех же калибров, но в спецификации описана конструкция кабеля, в которую входит обязательный экран и связанный с ним дополнительный проводник. Такой кабель пригоден для работы на любых скоростях, включая и HS (480 Мбит/с).

Разъемы USB сконструированы с учетом легкости подключения и отключения устройств. Для обеспечения возможности «горячего» подключения разъемы обеспечивают более раннее соединение и позднее отсоединение питающих цепей по отношению к сигнальным. В USB определено несколько типов разъемов:

• тип «A»: гнезда (рисунок а) устанавливаются на нисходящих портах хабов, это стандартные порты подключения устройств. Вилки типа «A» устанавливаются на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов;
• тип «B»: используются для шнуров, отсоединяемых от периферийных устройств и восходящих портов хабов (от «мелких» устройств — мышей, клавиатур и т. п. кабели, как правило, не отсоединяются). На устройстве устанавливается гнездо (рисунок б), на кабеле — вилка;
• тип «Mini-B» (рисунок в): используются для отсоединяемых шнуров малогабаритных устройств;
• тип «Mini-A»: введен в спецификации OTG, вилки используются для подключения устройств к портам малогабаритных устройств с гнездом «mini-AB».
• тип «Mini-AB»: гнезда введены в спецификации OTG для портов двухролевых устройств, которые могут вести себя как хост (если в гнездо вставлена вилка miniA) или как периферийное устройство (если в гнездо вставлена вилка mini-B).

Назначение выводов разъемов USB приведено в таблице, нумерация контактов показана на рисунке выше. Штырьковые разъемы, устанавливаемые на системной плате (рисунок г), предназначены для кабелей-«выкидышей», которыми подключаются дополнительные разъемы USB, устанавливаемые на передней или задней стенках корпуса компьютера (иногда и на боковых). На эти разъемы порты выводятся парами, причем у разных производителей подход к универсальности и защите от ошибочных подключений различен. Подключение «выкидыша», не подходящего к разъему, приводит к неработоспособности порта (к счастью, как правило, временной). Ошибка в подключении цепей GND и +5V может приводить к нагреванию кабелей и разъемов из-за короткого замыкания питающей цепи.

Все кабели USB «прямые» — в них соединяются одноименные цепи разъемов, кроме цепи ID, используемой для идентификации роли устройства в OTG. На вилке mini-A контакт 4 (ID) соединен с контактом 5 (GND), что заставляет порт, к которому подсоединена такая вилка, взять на себя роль нисходящего порта хаба. На вилке miniB такого соединения нет.

Ошибка в полярности подводимого питания может повредить подключаемое устройство (и необратимо). По этой причине наиболее безопасными для подключаемого устройства являются внешние разъемы USB, запаянные на системной плате или карте контроллера USB.

Для передачи сигналов используются два провода D+ и D-. На каждой стороне интерфейса (порте хаба и подключенного устройства, см. рисунок ниже) имеются:

• дифференциальный приемник, выход которого используется при приеме данных;
• управляемый (отключаемый) дифференциальный FS/LS-передатчик — источник напряжения, позволяющий кроме дифференциального сигнала формировать и «линейный 0» (SE0), а также отключаться для обеспечения полудуплексного обмена;
• линейные приемники, сообщающие текущее состояние каждого сигнального провода;
• резисторы, подтягивающие уровни сигналов для обнаружения подключения устройства:
  - Rd1, Rd2 (15 кОм) у хаба;
  - Ruf (у FS/HS-устройства) или Rul (у LS-устройства);
• Дополнительные элементы для работы на высокой скорости (только для устройств HS):
  - коммутатор, отключающий резистор Ruf при выборе высокой скорости;
  - последовательные резисторы Rz1 и Rz2 на выходах дифференциального передатчика, обеспечивающие согласование с линией и нагрузку;
  - управляемый дифференциальный источник тока;
  - детектор амплитуды сигнала;
  - детектор отключения (только на нисходящих портах хабов).

Уровни сигналов передатчиков FS/LS в статическом режиме должны быть ниже 0,3 В (низкий уровень) или выше 2,8 В (высокий уровень). Приемники должны выдерживать входное напряжение в пределах -0,5...+3,8 В. Чувствительность дифференциальных приемников — 200 мВ при синфазном напряжении 0,8-2,5 В. Линейные приемники должны обладать гистерезисом с нижним порогом 0,8 В и верхним порогом 2 В.

Передача по двум проводам USB не ограничивается лишь дифференциальными сигналами. Приемники и передатчики позволяют использовать множество состояний линий и команд, используемых для организации аппаратного интерфейса. При этом учитываются не только уровни электрических сигналов, но и время нахождения их в том или ином состоянии. По уровням напряжения на входах приемников различают сигналы:

• Diff0 : (D+) - (D-) > 200 мВ при (D+) > 2 В;
• Diff1 : (D-) - (D+) > 200 мВ при (D-) > 2 В;
• SE0 (single-ended zero): (D+) < 0,8 В и (D-) < 0,8 В.

Для передачи данных используются сигналы Diff0 и Diff1, они кодируют состояния J (Data J State) и K (Data K State). На полной и высокой скорости состояние J соответствует сигналу Diff1, состояние K — сигналу Diff0. На низкой скорости назначение обратное: J — Diff0 и K — Diff1. Последовательная передача информации ведется с использованием кодирования NRZI (см. рисунок ниже): при передачи нулевого бита в начале битового интервала состояние сигнала (J или K) меняется на противоположное; при передаче единичного — не меняется. Длительность битового интервала определяется номинальной частотой передачи: 0,666… мкс для низкой скорости (LS, 1,5 Мбит/с); 83,3… нс для полной (FS, 12 Мбит/с) и 2,0833… нс для высокой (HS, 480 Мбит/с).

Состояние покоя (Bus Idle) на FS/LS соответствует длительному состоянию J, а на HS — состоянию SE0.

Признаком начала пакета является переход из состояния покоя в состояние K, что является первым битом синхропоследовательности (Sync), — последовательности нулей, которая в NRZI кодируется переключением состояний (J и K) в начале каждого битового интервала. Синхропоследовательность позволяет приемнику настроиться на нужною частоту и фазу синхронизации. Синхропоследовательность завершает единичный бит (нет смены состояния), последующие за ним биты относятся к идентификатору и телу пакета. На HS начальная часть синхропоследовательности может быть потеряна хабом (из-за задержки реакции на детектор сигнала). С учетом этого синхросполедовательность для HS удлинена до 32 бит (включая последний единичный бит). Проходя через 5 хабов, каждый из которых может потерять до 4 синхробит, синхропоследовательность может оказаться сокращенной до 12 бит.

Для того чтобы синхронизация не терялась на монотонном сигнале (при передаче длинной последовательности единиц), применяется техника вставки бит (bit stuffing): после каждых 6 подряд следующих единиц передатчик вставляет «0», приемник эти вставленные биты удаляет. Если принимается более 6 единиц подряд, это считается ошибкой вставки бит.

Конец пакета (EOP) на FS/LS обозначается сигналом SE0, длящимся 2 битовых интервала, за которым следует переход в состояние покоя (Bus Idle). На HS для признака EOP используется нарушение правила вставки бит. Здесь в качестве EOP используется передача последовательности 01111111 без вставки бит. Прием седьмой единицы вызовет индикацию ошибки вставки бит, которая на HS и является признаком конца пакета. Нормальный пакет при этом от действительно ошибочного будет отличаться целым количеством принятых байт (это условие может и не проверяться) и верным значением CRC. Начальный нолик (вызывающий смену состояния) в EOP облегчает точное определение границы тела пакета. В пакетах SOF поле EOP удлинено до 40 бит для обнаружения отключения устройства.

Высокая скорость (480 Мбит/с — всего в 2 раза медленнее, чем Gigabit Ethernet) требует тщательного согласования приемопередатчиков и линий связи. На этой скорости может работать только кабель с экранированной витой парой для сигнальных линий. Для высокой скорости аппаратура USB должна иметь дополнительные специальные приемопередатчики. К разводке проводов на печатной плате устройства от интерфейсной микросхемы USB до разъема (или подключения кабеля) предъявляют жесткие требования (максимальная длина, совпадение длин сигнальных проводников, удаленность от других сигнальных цепей, окружение «землей»).

В отличие от формирователей потенциала для режимов FS и LS передатчики HS являются источниками тока, ориентированными на наличие резисторов-терминаторов на обеих сигнальных линиях. Роль терминаторов играют резисторы Rz1 и Rz2 (см. рис. 12.2): при работе на HS дифференциальный передатчик FS/LS формирует SE0, то есть оба его выхода заземляются и эти резисторы оказываются нагрузками для линий D+ и D-. Их сопротивление (с учетом выходного импеданса передатчика) составляет 2×45 = 90 Ом, что и обеспечивает согласование с волновым сопротивлением линии (90 Ом). Устройство и хаб включают свои HS-терминаторы (и отключают Ruf) после успешного взаимного подтверждения режима HS, выполняемого в процессе сброса устройства.

Дифференциальные токовые передатчики формируют импульсы тока с номинальным значением 17,78 мА, который протекает через нагрузку 22,5 Ом (два нагрузочных резистора на обоих концах каждой сигнальной линии соединяются параллельно). При передаче сигнала J ток пропускается в линию D+, при K — в D-. Таким образом обеспечивается дифференциальный сигнал передачи около ±400 мВ.

На вход дифференциального приемника сигнал придет ослабленным; чтобы исключить влияние шумов, в схему устройства введен детектор амплитуды сигнала с порогом 100-150 мВ. Сигнал с дифференциального приемника игнорируется, пока не сработает детектор амплитуды сигнала (в спецификации USB этот прием называется receiver squelch). От срабатывания детектора амплитуды до включения дифференциального приемника может быть задержка до 4 bt, но это приведет лишь к сокращению длины принятой синхропоследовательности в начале пакета.

К статическим (уровни) и динамическим (длительности и время нарастания и спада) параметрам сигналов на HS предъявляются жесткие требования, и существуют специальные шаблоны (Eye Pattern), в которые должны укладываться сигналы. Для тестирования могут быть использованы широкополосные (не уже 1 ГГц) дифференциальные осциллографы и генераторы; выпускаются и специализированные тестеры устройств USB 2.0. Для тестирования HS-устройств (включая и хабы) в USB 2.0 определены специальные управляющие запросы, переводящие выбранный порт в тестовый режим. В стандартных запросах определены следующие тесты:

Хаб обнаруживает подключение устройства по уровням напряжения на линиях D+ и D-:

• при отключенном устройстве на линиях D+ и D- уровни сигнала низкие (состояние SE0), что обусловлено резисторами Rd1 и Rd2 хаба;
• при подключении LS-устройства повышается уровень сигнала D- за счет резистора Rul в устройстве (переход в состояние LS-Idle);
• при подключении FS/HS-устройства повышается уровень сигнала D+ за счет резистора Rul в устройстве (переход в состояние FS-Idle).

Последовательность обнаружения подключения и сброса устройств FS и LS приведена на рисунках а и б соответственно. Хаб следит за сигналами нисходящего порта и сигнализирует об их смене. После обнаружения смены состояния системное ПО выжидает около 100 мс (время на успокоение сигналов) и проверяет состояния порта. Обнаружив факт подключения и тип устройства (LS или FS/HS), ПО дает для этого порта команду сброса шины.

Для выполнения сброса шины (команда Bus Reset) хаб опускает уровень поднятого устройством сигнала (D+ или D) на 10-20 мс (то есть подает сигнал SE0 в течение 10-20 мс). Считается, что через 10 мс после этого сброса устройство должно быть готово к конфигурированию (отзываться только на обращения к EP0 по нулевому адресу устройства).

Сброс шины для устройства HS запускает протокол согласования скорости. При подключении, как и по сигналу сброса, HS-устройство устанавливает свои схемы в состояние FS (отключая терминаторы и включая Ruf). Таким образом, поначалу HS-устройство выглядит для хаба как FS-устройство. Для согласования скорости используется так называемое «чириканье» (chirp-sequence): в ответ на состояние SE0, введенное хабом для сброса (заземлением линии D+), HS-устройство своим дифференциальным токовым передатчикам вводит состояние «chirp-K» (пуская импульс тока в линию D-). На этот импульс HS-хаб ответит импульсом на линии D+, так что получится состояние «chirp-J». Такой обмен импульсами повторяется еще дважды; после успеха согласования и устройство и хаб принимают режим работы HS (и резистор Ruf отключается). Все это «чириканье» занимает 10-20 мс, после чего шина переходит в состояние покоя HS-Idle (длительный сигнал SE0). Теперь хосту надо снова опросить состояние порта хаба, чтобы уточнить режим подключенного устройства (FS или HS). Если HS-устройство подключено к FSпорту, хаб на «чириканье» устройства не ответит.

Отключение устройств FS/LS обнаруживается хабом просто по длительному (более 2 мкс) состоянию SE0. Этот факт хаб доводит до сведения системного ПО (USBD), чтобы устройство было вычеркнуто из всех рабочих списков. Отключение устройств HS таким способом обнаружить не удается, поскольку состояние шины (SE0) при отключении устройства не изменится. Для обнаружения отключения HS-устройства используют эффект отражения сигнала при потере согласованности линии. Специально для этих целей в схему хаба введен дополнительный детектор отключения, а в маркере микрокадра SOF признак EOP (0111…111) удлинен до 40 битовых интервалов. Транслируя SOF на высокоскоростной порт, детектор отключения следит за уровнем сигнала J, и если он превышает порог (625 мВ дифференциального сигнала), значит, нагрузки на другой стороне нет, то есть устройство отключено. Удлинение EOP необходимо, поскольку устройство может отключиться внутренне, и из-за задержки в кабеле устройства (2×26 нс) отраженный сигнал может задержаться до 25 нс. С целью сокращения накладных расходов это удлинение EOP сделали только для пакетов SOF, появляющихся всего раз в 125 мкс.

Команду приостановки устройства — Suspend хаб сигнализирует длительным состоянием покоя (Bus Idle). При этом он должен переставать транслировать все кадры, включая и маркеры микрокадров на порты, для которых подается эта команда. На порты, работающие в LS-режиме, маркеры кадров не транслируются; чтобы LS-устройство не приостанавливалось при отсутствии полезного трафика, ему вместо маркеров SOF хаб с тем же периодом посылает сигнал LS-EOP (SE0 в течении 1,33 мкс). Приостановка делается не менее чем на 20 мс — за это время устройство должно успеть перейти в приостановленное состояние и стать готовым к получению сигнала возобновления.

Команду приостановки HS-порта хаб сигнализирует покоем (SE0) в течение 3 мс, после чего переключает свои цепи в режим FS (отключает терминаторы), но помнит, что порт находится в режиме HS. Для HS-устройства команда приостановки поначалу неотличима от сброса. Чтобы их различить, через 3-3,125 мс непрерывного состояния SE0 HS-устройство переключает свои цепи в режим FS (отключает терминаторы и включает Ruf). Далее, через 100-875 мкс устройство проверяет состояние линий. Если обе лини D+ и D- оказались в низкоуровневом состоянии, значит, хаб подал команду сброса (и устройство должно выполнить chirp-последовательность). Если уровень D+ высокий, а D- низкий (FS-Idle), то это сигнал к приостановке. Таким образом, по состоянию сигналов на шине приостановка выглядит как покой LS/FS — то есть состояние J.

Сигналом к возобновлению работы (resume) является перевод шины в состояние K на длительное время (20 мс), достаточное для «оживления» устройств, после чего хаб посылает сигнал LS-EOP (SE0 в течение 1,33… мкс). После этого шина переходит в состояние покоя соответствующей скорости и начинает передаваться трафик. Сигнал возобновления может подать как хаб, так и приостановленное устройство; последний случай называется удаленным пробуждением. По сигналу возобновления устройство, работавшее в HS-режиме, и его порт хаба переключают свои цепи в HS-режим без всякого согласования (они помнят свой режим).

Удаленное пробуждение — Remote Wakeup — это единственный случай на USB , когда сигнальную инициативу проявляет устройство (а не хост). Сигнал пробуждения может подать только приостановленное устройство, для которого шина находится в FS/LS-состоянии J (резисторами подтягивается вверх D+ или D-). Для сигнализации пробуждения устройство на некоторое время (1-15 мс) формирует состояние K, которое воспримется хабом как сигнал Resume и транслируется им на восходящий порт и на все разрешенные нисходящие порты, включая и тот порт, с которого пришел данный сигнал.