Топология шины

Физическое соединение устройств осуществляется по топологии многоярусной звезды (пирамиды) (рис. 4)pic>frame@img/21.hlp.

Центром каждой звезды является хаб. Каждый кабельный сегмент соединяет две точки — хаб и другой хаб.

В системе имеется один (и только один) хост-контроллер, расположенный в вершине пирамиды устройств и хабов. Хост-контроллер интегрируется с корневым концентратором - хабом (Root Hub), обеспечивающим одну или несколько точек подключения — портов. Контроллер USB, входящий в состав чипсетов, обычно имеет встроенный двух портовый хаб. Логически устройство, подключенное к любому хабу USB и сконфигурированное, может рассматриваться как непосредственно подключенное к головному (хост) контроллеру.

Рис. 4. Топология многоярусной звезды (пирамиды)

Устройства USB

Устройства (Device) USB могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Хаб (Hub) - концентратор обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине.

Функции USB предоставляют системе дополнительные возможности, например подключение цифрового джойстика, акустических колонок с цифровым интерфейсом и т.п. Подключаемое устройство должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство.

Хаб (концентратор) — ключевой элемент системы PnP в архитектуре USB. Хаб является кабельным концентратором, поэтому в русскоязычной литературе часто используется именно термин концентратор. На рис. 5 pic>frame@img/22.hlpпредставлен хаб типичной архитектуры. Точки подключения называются портами хаба.

Рис. 5. Хаб типичной архитектуры

Хаб преобразует одну точку подключения в их множество. Архитектура допускает соединение нескольких хабов. У каждого хаба имеется один восходящий порт (Upstream Port), предназначенный для подключения к хосту или хабу верхнего уровня. Остальные порты являются нисходящими (Downstream), предназначенными для подключения функций или хабов нижнего уровня. Хаб может распознать подключение устройств к портам или отключение от них и управлять подачей питания на их сегменты. 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. Хабы могут управлять подачей питания на нисходящие порты.

На рис. 6 pic>frame@img/23.hlpпоказано, как хабы обеспечивают связность различных устройств в компьютерной системе.

Рис. 6. Связность устройств в компьютерной системе

Функция

Функции представляют собой устройства, способные передавать или принимать данные или управляющую информацию по шине. Это отдельные ПУ с кабелем, подключаемым к порту хаба. В одном корпусе может быть несколько функций со встроенным хабом. Он обеспечивает их подключение к одному порту. Эти комбинированные устройства для хоста являются хабами с постоянно подключенными устройствами. 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.

Примерами функций являются 9 (рис. 6):

• Указатели — мышь, планшет, световое перо.

• Устройства ввода — клавиатура или сканер.

• Устройство вывода — принтер, звуковые колонки (цифровые).

• Телефонный адаптер.

Физический интерфейс

Стандарт USB определяет электрические и механические спецификации шины.

Электрические характеристики

Информационные сигналы и питающее напряжение 5В передаются по четырехпроводному кабелю (рис. 7)pic>frame@img/24.hlp. Используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Кабель также имеет линии VBus и GND для передачи питающего напряжения 5В к устройствам.

Рис. 7. Четырехпроводной кабель

Шина имеет два режима передачи:

• полная скорость передачи сигналов USB составляет - 12 Мбит/сек;

• низкая скорость - 1,5 Мбит/сек.

Для полной скорости используется экранированная витая пара с волновым сопротивлением 90 Ом и длиной сегмента до 5 м, для низкой скорости – не витой неэкранированный кабель до 3 м. Низкоскоростные кабели и устройства дешевле высокоскоростных. Одна и та же система может одновременно использовать оба режима; переключение для устройств осуществляется прозрачно. Низкая скорость предназначена для работы с небольшим количеством устройств, не требующих высокой скорости. Скорость, используемая устройством, подключенным к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов на линиях D+ и D-.

Питание устройств USB возможно от кабеля (Bus - Powered Devices) или от собственного блока питания (Self - Powered Devices). Хост обеспечивает питанием непосредственно подключенное к нему ПУ. Каждый хаб, в свою очередь, обеспечивает питание устройств, подключенных к его нисходящим портам. В некоторых вариантах топологий допускается применение хабов, питающихся от шины.