8. Обзор интерфейса usb

USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Версия 1.0 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. 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. Шина с ис­пользованием промежуточных хабов позволяет соединять устройства, удаленные от компьютера на расстояние до 25 м.

USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством пери­ферийных устройств (ПУ). Согласно спецификации USB, устройства (devices) могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Устройство- 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), содержащее несколько функций, представляется как хаб с подключенными к нему несколькими устройствами.

Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, вы­полнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (host controller), являющийся программно-аппаратной подсис­темой хост-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), как правило, двухпортовым. Хаб являет­ся устройством-разветвителем, он может являться и 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). Поскольку ком­бинированные устройства внутри себя содержат хаб, их подключения к хабу 6-го яруса уже недопустимо.

Кабель USB содержит одну экрани­рованную витую пару с импедансом 90 Ом для сигнальных цепей и одну неэкранированную для подачи питания (+5 В), допустимая длина сегмента — до 5 м. Для низкой скорости может использоваться невитой неэкранированный кабель дли­ной до 3 м (он дешевле). Система кабелей и коннекторов USB не дает возможно­сти ошибиться при подключении устройств (рис. 4.1, а и б). Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозна­чение (рис. 4.1, в). Гнезда типа «А» устанавливаются только на нисходящих пор­тах хабов, вилки типа «А» — на шнурах периферийных устройств или восходя щих 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). Кроме стандартных разъемов, показанных на рисунке 4.1, применяются и мини­атюрные варианты (рис. 4.2, в, г, д). Хабы и устройства обеспечивают возможность «горячего» подключения и отключения. Для этого разъемы обеспечивают более раннее соединение и позднее отсоединение питающих цепей по отношению к сигнальным, кроме того, предусмотрен протокол сигнализации подключения и от­ключения устройств. Назначение выводов разъемов USB приведено в табл. 4.1, ну­мерация контактов показана на рис. 4.2. Все кабели USB «прямые» — в них соеди­няются одноименные цепи разъемов.

а б в г д

Рис. 4.2. Гнезда USB: а — типа «А», б — типа «В» стандартное, в,г,д — миниатюрные типа «В»

Таблица 4.1. Назначение выводов разъема USB

При планировании соединений следует учитывать способ питания устройств: устрой­ства, питающиеся от шины, как правило, подключают к хабам, питающимся от сети. К хабам, питающимся от шины, подключают лишь маломощные устройства — так, к клавиатуре USB, содержащей внутри себя хаб, подключают мышь USB и дру­гие устройства-указатели (трекбол, планшет).

Управление энергопотреблением является весьма развитой функцией USB. Для устройств, питающихся от шины, мощность ограничена. Любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. Рабо­чий ток (не более 500 мА) заявляется в конфигурации. Если хаб не может обеспе­чить устройству заявленный ток, оно не конфигурируется и, следовательно, не может быть использовано.

Устройство USB должно поддерживать режим приостановки (suspended mode), в котором его потребляемый ток не превышает 500 мкА. Устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины.

ЛЕКЦИИ:

Является стандартом архитектуры ПК (РС), ориентирована на интеграцию с устройствами бытовой электроники.

Первоначально заявлялось 2 скорости: полная Full Speed (12 Мбит/сек) - не для передачи данных и низкая Low Speed (1,5 Мбит/сек).

Начиная с редакции 2.0, предельная скорость 480 Мбит/сек.

По своей структуре USB - хост-центрическая организация. Общается только с хостом. USB не общаются друг с другом.

Устройства могут являться либо Hub'ами, либо функциями, либо их комбинациями. Задача Hub'а - образование дополнительных точек подключения и обеспечение этих точек энергопитанием. Hub'ы обязаны обеспечить максимальную пропускную способность шины.

Работой всех устройств машины управляет хост. Шина предусматривает наличие горячих клавиш (включение/выключение).

Физическая реализация - многоярусная звезда, вершина которой является объединенным с хостом 8-портовым Hub'ом. К каждому порту может подключиться внутреннее устройство. Всего устройств может быть подключено не более 127.

Предусматривается до 5 уровней Hub'ов, не считая корневого.

Рис. 29

Волновое сопротивление витой пары для передачи данных - 90 Ом, максимальная длина кабеля - 5 м.

Для различных скоростей - разные источники:

Источники напряжения для Full Speed, Low Speed;

Источники тока для High Speed.

С появлением спецификации 2.0 появилась следующая проблема: на этой шине должны "уживаться" медленные и скоростные устройства.

Если ведется диалог с Full Speed, то может не хватить пропускной способности шины для еще более скоростного устройства

3 режима энергопотребления: потребление устройства на момент подключения меньше 100 мА, потребление во время активной работы, в спящем режиме 0,5 мА.