Шина usb. Универсальная последовательная шина USB: принципы работы, версии и возможности

Что представляет собой USB. Какие версии USB существуют. Как работает шина USB. Каковы основные характеристики и возможности USB. Какие устройства можно подключать через USB.

Что такое USB и для чего она используется

USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) — это стандарт подключения компьютерной периферии, разработанный в середине 1990-х годов. USB представляет собой последовательный интерфейс для подключения различных устройств к компьютеру.

Основные цели создания USB:

• Унификация подключения периферийных устройств
• Возможность подключения/отключения устройств без выключения компьютера (технология Plug and Play)
• Обеспечение высокой скорости передачи данных
• Возможность подключения большого количества устройств (до 127)
• Обеспечение питания маломощных устройств через шину

USB используется для подключения таких устройств как:

• Клавиатуры и мыши
• Принтеры и сканеры
• Внешние жесткие диски и флеш-накопители
• Цифровые камеры и видеокамеры
• Смартфоны и планшеты
• Звуковые карты и акустические системы
• Различные периферийные устройства

Благодаря своей универсальности и удобству, USB получил широчайшее распространение и стал основным интерфейсом для подключения периферии к компьютерам.

Версии USB и их характеристики

За время своего существования стандарт USB прошел несколько этапов развития. Рассмотрим основные версии USB и их ключевые характеристики:

USB 1.0 и 1.1

Первые версии стандарта, выпущенные в 1996-1998 годах. Основные характеристики:

• Скорость передачи данных: 1,5 Мбит/с (низкая скорость) и 12 Мбит/с (полная скорость)
• Поддержка до 127 устройств
• Возможность подачи питания до 500 мА

USB 2.0

Версия, выпущенная в 2000 году. Ключевые особенности:

• Скорость передачи данных до 480 Мбит/с (высокая скорость)
• Обратная совместимость с USB 1.1
• Поддержка OTG (On-The-Go) для прямого соединения устройств

USB 3.0 и 3.1

Версии, представленные в 2008 и 2013 годах соответственно. Характеристики:

• USB 3.0: скорость до 5 Гбит/с (сверхвысокая скорость)
• USB 3.1: скорость до 10 Гбит/с
• Увеличенная мощность питания — до 900 мА
• Полная обратная совместимость с предыдущими версиями

USB 4

Последняя на данный момент версия стандарта, анонсированная в 2019 году:

• Скорость передачи данных до 40 Гбит/с
• Поддержка протокола Thunderbolt 3
• Улучшенное распределение полосы пропускания между устройствами

Каждая новая версия USB обеспечивала значительное увеличение скорости передачи данных при сохранении обратной совместимости, что позволило плавно внедрять новые технологии.

Принцип работы шины USB

Для понимания принципа работы USB важно разобраться в ее архитектуре и основных компонентах:

Топология шины USB

USB использует топологию многоярусной звезды. Центром каждой звезды является USB-концентратор (хаб). Устройства подключаются к портам концентратора, образуя следующий уровень звезды. Всего может быть до 7 уровней каскадирования концентраторов.

Основные компоненты системы USB:

• Хост-контроллер — управляет всей системой USB, встроен в компьютер
• Концентратор (хаб) — обеспечивает дополнительные порты для подключения
• Функции — конечные устройства, подключаемые к USB

Передача данных по шине USB

Обмен данными в USB организован по принципу «ведущий-ведомый». Хост-контроллер является ведущим устройством и инициирует все обмены данными. Устройства являются ведомыми и могут только отвечать на запросы хоста.

Передача данных осуществляется пакетами. Каждый пакет начинается с поля синхронизации, за которым следуют поля идентификатора пакета, адреса устройства, данные и контрольная сумма.

Типы передач в USB:

• Управляющие передачи — для конфигурации устройств
• Передачи по прерываниям — для периодической передачи небольших объемов данных
• Изохронные передачи — для передачи данных в реальном времени
• Bulk-передачи — для передачи больших объемов данных без строгих требований ко времени доставки

Такая организация обмена данными позволяет эффективно использовать пропускную способность шины и обеспечивать работу устройств с различными требованиями к скорости и регулярности обмена данными.

Преимущества и недостатки USB

USB стал самым распространенным интерфейсом для подключения периферийных устройств благодаря ряду преимуществ, но у него есть и некоторые недостатки.

Преимущества USB:

• Универсальность — возможность подключения широкого спектра устройств
• Простота использования — поддержка Plug and Play, не требуется перезагрузка компьютера
• Высокая скорость передачи данных в современных версиях
• Возможность питания устройств через шину
• Поддержка до 127 устройств на одной шине
• Низкая стоимость реализации

Недостатки USB:

• Ограниченная длина кабеля (до 5 метров для высокоскоростных устройств)
• Необходимость драйверов для большинства устройств
• Возможные проблемы с совместимостью между разными версиями USB
• Ограниченная мощность питания для энергоемких устройств

Несмотря на некоторые недостатки, преимущества USB значительно перевешивают, что обусловило повсеместное распространение этого интерфейса.

Будущее развитие USB

Технология USB продолжает развиваться. Основные направления развития:

• Дальнейшее увеличение скорости передачи данных
• Улучшение энергоэффективности
• Расширение возможностей подачи питания через шину
• Интеграция с другими высокоскоростными интерфейсами (например, Thunderbolt)
• Развитие беспроводных технологий на базе USB

С появлением USB4 и дальнейшим развитием технологии, USB останется ключевым интерфейсом для подключения периферийных устройств в обозримом будущем, продолжая обеспечивать пользователей удобным и высокопроизводительным способом расширения возможностей компьютеров и других электронных устройств.

Универсальная последовательная шина | это… Что такое Универсальная последовательная шина?

Основные сведения

Кабель USB состоит из 4 проводников — 2 проводника питания и 2 проводника данных в витой паре, и заземленной оплетки/экрана.

Кабели USB ориентированы, т.е. имеют физически разные наконечники «к устройству» и «к хосту». Возможна реализация USB устройства без кабеля, со встроенным в корпус наконечником «к хосту». Возможно и неразъемное встраивание кабеля в устройство, как в мышь (стандарт запрещает это для устройств full и high speed, но производители его нарушают). Существуют (хотя и запрещены стандартом) и пассивные USB удлинители, имеющие разъемы «от хоста» и «к хосту».

Шина строго ориентирована, имеет понятие «главное устройство» (хост, он же USB контроллер, обычно встроен в микросхему южного моста на материнской плате) и «периферийные устройства». Шина имеет древовидную топологию, посколько периферийным устройством может быть разветвитель (hub), в свою очередь имеющий несколько нисходящих разъемов «от хоста». Разветвитель есть сложное электронное устройство, пассивных разветвителей не бывает.

Соединение 2 компьютеров — или 2 периферийных устройств — пассивным USB кабелем невозможно. Существуют активные USB кабели для соединения 2 компьютеров, но они включают в себя сложную электронику, эмулирующую Ethernet адаптер, и требуют установки драйверов с обоих сторон.

Устройства могут быть запитаны от шины, но могут и требовать внешний источник питания. Поддерживается и «спячка» устройств и разветвителей по команде с шины со снятием основного питания при сохранении дежурного питания и пробуждением по команде с шины.

USB поддерживает «горячее» подключение и отключение устройств.

На логическом уровне устройство USB поддерживает транзакции приема и передачи данных. Каждый пакет каждой транзакции содержит в себе номер оконечной точки (endpoint) на устройстве. При подключении устройства драйверы в ядре ОС читают с устройства список оконечных точек и создают управляющие структуры данных для общения с каждой оконечной точкой устройства. Совокупность оконечной точки и структур данных в ядре ОС называется каналом (pipe).

Оконечные точки, а значит, и каналы, относятся к одному и 4 классов — поточный (bulk), управляющий (control), изохронный (isoch) и прерывание (interrupt). Низкоскоростные устройства, такие, как мышь, не могут иметь изохронные и поточные каналы.

Управляющий канал предназначен для обмена с устройством короткими пакетами «вопрос-ответ». Любое устройство имеет управляющий канал 0, который позволяет программному обеспечению ОС прочитать краткую информацию об устройстве, в т.ч. коды производителя и модели, используемые для выбора драйвера, и список других оконечных точек.

Канал прерывания позволяет доставлять короткие пакеты и в том, и в другом направлении, без получения на них ответа/подтверждения, но с гарантией времени доставки — пакет будет доставлен не позже, чем через N миллисекунд. Например, используется в устройствах ввода человеком (клавиатуры/мыши/джойстики).

Изохронный канал позволяет доставлять пакеты без гарантии доставки и без ответов/подтверждений, но с гарантированной скоростью доставки в N пакетов на один период шины (1 КГц у low и full speed, 8 КГц у high speed).

Используется для передачи аудио и видео информации.

Поточный канал дает гарантию доставки каждого пакета, поддерживает автоматический временный приостанов передачи данных по нежеланию устройства (переполнение или опустошение буфера), но не дает гарантий скорости и задержки доставки. Используется, например, в принтерах и сканерах.

Время шины делится на периоды, в начале периода контроллер передает всей шине пакет «начало периода». Далее в течение периода передаются пакеты прерываний, потом изохронные в требуемом количестве, в оставшееся время в периоде передаются управляющие пакеты и в последнюю очередь поточные.

Активной стороной шины всегда является контроллер, передача пакета данных от устройства к контроллеру реализована как короткий вопрос контроллера и длинный, содержащий данные, ответ устройства. Расписание движения пакетов для каждого периода шины создается совместным усилием аппаратурые контроллера и ПО драйвера, для этого многие контроллеры используют крайне сложный DMA со сложной DMA-программой, формируемой драйвером.

Размер пакета для оконечной точки есть вшитая в таблицу оконечных точек устройства константа, изменению не подлежит. Он выбирается разрабочиком устройства из числа тех, что поддерживаются стандартом USB (степени двойки).

Версии спецификации

Предварительные версии

• USB 0.7: спецификация выпущена в ноябре 1994 года.
• USB 0.8: спецификация выпущена в декабре 1994 года.
• USB 0.9: спецификация выпущена в апреле 1995 года.
• USB 0.99: спецификация выпущена в августе 1995 года.
• USB 1.0 Release Candidate: спецификация выпущена в ноябре 1995 года.

USB 1.0

Спецификация выпущена в ноябре 1995 года.

Технические характеристики:

• два режима передачи данных:
  • режим с высокой пропускной способностью (Full-Speed) — 12 Мбит/с
  • режим с низкой пропускной способностью (Low-Speed) — 1,5 Мбит/с
• максимальная длина кабеля для режима с высокой пропускной способностью — 5 м ^[1]
• максимальная длина кабеля для режима с низкой пропускной способностью — 3 м ^[1]
• максимальное количество подключённых устройств (включая размножители) — 127
• возможно подключение устройств, работающих в режимах с различной пропускной способностью к одному контроллеру USB
• напряжение питания для периферийных устройств — 5 В
• максимальный ток, потребляемый периферийным устройством — 500 мА

USB 1.

1

Спецификация выпущена в сентябре 1998 года. Исправлены проблемы и ошибки, обнаруженные в версии 1.0. Первая версия, получившая массовое распространение.

USB 2.0

Логотип USB 2.0 High Speed

Спецификация выпущена в апреле 2000 года.

USB 2.0 отличается от USB 1.1 введением режима Hi-speed.

Для устройств USB 2.0 регламентировано три режима работы:

• Low-speed, 10—1500 Кбит/c (используется для интерактивных устройств: клавиатуры, мыши, джойстики)
• Full-speed, 0,5—12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства)
• Hi-speed, 25—480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации)

Последующие модификации

Последующие модификации к спецификации USB публикуются в рамках Извещений об инженерных изменениях (англ. Engineering Change Notices — ECN). Самые важные из модификаций ECN представлены в наборе спецификаций USB 2.0 (англ. USB 2.0 specification package, доступном на сайте USB Implementers Forum.

• Mini-B Connector ECN: извещение выпущено в октябре 2000 года.
• Errata, начиная с декабря 2000: извещение выпущено в декабре 2000 года.
• Pull-up/Pull-down Resistors ECN: извещение выпущено в мае 2002 года.
• Errata, начиная с мая 2002: извещение выпущено в мае 2002 года.
• Interface Associations ECN: извещение выпущено в мае 2003 года.
  • Были добавлены новые стандарты, позволяющие ассоциировать множество интерфейсов с одной функцией устройства.
• Rounded Chamfer ECN: извещение выпущено в октябре 2003 года.
• Unicode ECN: извещение выпущено в феврале 2005 года.
  • Данное ECN специфицирует, что строки закодированы с использованием UTF-16LE.
• Inter-Chip USB Supplement: извещение выпущено в марте 2006 года.
• On-The-Go Supplement 1.3: извещение выпущено в декабре 2006 года.
  • USB On-The-Go делает возможным связь двух USB-устройств друг с другом без отдельного USB-хоста. На практике одно из устройств играет роль хоста для другого.

USB OTG

Логотип USB OTG

USB OTG (аббр. от On-The-Go) — дальнейшее расширение спецификации USB 2.0, предназначенное для лёгкого соединения периферийных USB-устройств друг с другом без необходимости подключения к ПК. Например, цифровой фотоаппарат можно подключать к фотопринтеру напрямую, если они оба поддерживают стандарт USB OTG. К моделям КПК и коммуникаторов, поддерживающих USB OTG, можно подключать некоторые USB-устройства. Обычно это флэш-накопители, цифровые фотоаппараты, клавиатуры, мыши и другие устройства, не требующие дополнительных драйверов. Этот стандарт возник из-за резко возросшей в последнее время необходимости надёжного соединения различных USB-устройств без использования ПК. В данной спецификации устройства обходятся без персонального компьютера, то есть выступают как одноранговые приёмопередатчики (на самом деле только создаётся такое ощущение). В действительности же устройства определяют, какое из них будет мастер-устройством, а какое — подчиняемым. Одноранговый интерфейс USB существовать не может.

Логотип USB wireless

USB wireless — технология USB (официальная спецификация доступна с мая 2005 года). Позволяет организовать беспроводную связь с высокой скоростью передачи информации (до 480 Мбит/с на расстоянии 3 метра и до 110 Мбит/с на расстоянии 10 метров).

23 июля 2007 года USB Implementers Forum (USB-IF) объявила о сертификации шести первых потребительских продуктов с поддержкой Wireless USB. ^[2]

USB 3.0

USB 3.0 находится на финальных стадиях разработки. Созданием USB 3.0 занимаются компании: Microsoft, Texas Instruments, NXP Semiconductors. В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели обновлённого стандарта будут физически и функционально совместимы с USB 2.0. Кабель USB 2.0 содержит в себе четыре линии — пару для приёма/передачи данных, одну — для питания и ещё одну — для заземления. В дополнение к ним USB 3.0 добавляет пять новых линий (в результате чего кабель стал гораздо толще), однако новые контакты расположены параллельно по отношению к старым на другом контактном ряду. Теперь можно будет с лёгкостью определить принадлежность кабеля к той или иной версии стандарта, просто взглянув на его разъём. Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 4,8 Гбит/с — что на порядок больше 480 Мбит/с, которые может обеспечить USB 2.0. USB 3.0 может похвастаться не только более высокой скоростью передачи информации, но и увеличенной силой тока с 500 мА до 900 мА. Отныне пользователь сможет не только подпитывать от одного хаба гораздо большее количество устройств, но и само аппаратное обеспечение, ранее поставлявшееся с отдельными блоками питания, избавится от них.

Финальная спецификация USB 3.0 появилась в 2008 году, а оборудование, поддерживающее новую спецификацию, появится в 2009—2010 годах.

Фирмой анонсирована предварительная версия программной модели контроллера USB 3.0.

Кабели и разъёмы USB 1.0 и 2.0

USB Тип В

USB Тип А

Спецификация 1.0 регламентировала два типа разъёмов: A — на стороне контроллера или концентратора USB и B — на стороне периферийного устройства. Впоследствии были разработаны миниатюрные разъёмы для применения USB в переносных и мобильных устройствах, получившие название Mini-USB. Новая версия миниатюрных разъёмов, называемых Micro-USB, была представлена USB Implementers Forum 4 января 2007 года.

Размеры разъёмов: USB Тип A — 4×12 мм, USB Тип B — 7×8 мм, USB mini A и USB mini B — 2×7 мм.

Micro USB Тип B

Mini USB Тип A (слева) и Mini USB Тип B (справа)

Существуют также разъёмы типа Mini-AB и Micro-AB с которыми соединяются соответствующие коннекторы как типа A, так и типа B.

В отличие от многих других стандартных типов разъёмов, для USB характерны долговечность и механическая прочность.

Сигналы USB передаются по двум проводам четырёхпроводного кабеля.

Размещение проводников

— Универсальная последовательная шина USB

· Лекция 14. Универсальная последовательная шина USB.

Толковый словарь по вычислительным системам определяет понятие интерфейс (interface) как границу раздела двух систем, устройств или программ; элементы соединения и вспомогательные схемы управления, используемые для соединения устройств. Мы же поговорим о интерфейсах, позволяющих подключать к персональным (и не только) компьютерам разнообразные периферийные устройства и их контроллеры. По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на параллельные и последовательные. В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно. В PC традиционно используется параллельный интерфейс Centronics, реализуемый LPT-портами. В последовательном же интерфейсе биты передаются друг за другом, обычно по одной линии. СОМ порты PC обеспечивают последовательный интерфейс в соответствии со стандартом RS-232C. При рассмотрении интерфейсов важным параметром является пропускная способность.

В архитектуре современных компьютеров все большее значение приобретают внешние шины, служащие для подключения различных устройств. Сегодня это могут быть, например, внешние жесткие диски, CD-, DVD-устройства, сканеры, принтеры, цифровые камеры и прочее.

Широко используемый последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных.

2.Шина USB.Общая характеристика.

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 январе 1996 года. Архитектура USB определяется следующими критериями:

Ø Легко реализуемое расширение периферии PC.

Ø Дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Mбит/с.

Ø Полная поддержка в реальном времени передачи аудио и (сжатых) видеоданных.

Ø Гибкость протокола смешанной передачи изохронных данных и асинхронных сообщений.

Ø Интеграция с выпускаемыми устройствами.

Ø Доступность в PC всех конфигураций и размеров.

Ø Обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок.

Ø Создание новых классов устройств, расширяющих PC.

Ø С точки зрения конечного пользователя, привлекательны следующие черты USB:

Ø Простота кабельной системы и подключений.

Ø Скрытие подробностей электрического подключения от конечного пользователя.

Ø Самоидентифицирующиеся ПУ, автоматическая связь устройств с драйверами и конфигурирование.

Ø Возможность динамического подключения и конфигурирования ПУ.

С середины 1996 года выпускаются PC со встроенным контроллером USB, реализуемым чипсетом. Уже появились модемы, клавиатуры, сканеры, динамики и другие устройства ввода/вывода с поддержкой USB, а также мониторов с USB-адаптерами — они играют роль концентраторов для подключения других устройств.

Структура USB

USB обеспечивает одновременный обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Распределение пропускной способности шины между ПУ планируется хостом и реализуется им с помощью посылки маркеров. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

Ниже приводится авторский вариант перевода терминов из спецификации «Universal Serial Bus Specification», опубликованной Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Более подробную и оперативную информацию можно найти по адресу:

Устройства (Device) USB могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Хаб (Hub) обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Функции (Function) USB предоставляют системе дополнительные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Многие устройства, подключаемые к USB, имеют в своем составе и хаб, и функции. Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (Host Controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера.

Физическое соединение устройств осуществляется по топологии многоярусной звезды. Центром каждой звезды является хаб, каждый кабельный сегмент соединяет две точки — хаб с другим хабом или с функцией. В системе имеется один (и только один) хост-контроллер, расположенный в вершине пирамиды устройств и хабов. Хост-контроллер интегрируется с корневым хабом (Root Hub), обеспечивающим одну или несколько точек подключения — портов. Контроллер USB, входящий в состав чипсетов, обычно имеет встроенный двухпортовый хаб. Логически устройство, подключенное к любому хабу USB и сконфигурированное (см. ниже), может рассматриваться как непосредственно подключенное к хост-контроллеру.

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

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:

Ø Указатели — мышь, планшет, световое перо.

Ø Устройства ввода — клавиатура или сканер.

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

Ø Телефонный адаптер ISDN.

Хаб — ключевой элемент системы РпР в архитектуре USB. Хаб является кабельным концентратором. Точки подключения называются портами хаба. Каждый 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 Ports), 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; предусматривается установка ограничения на ток, потребляемый каждым портом.

Система USB разделяется на три уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит интерфейсную часть, часть устройства и функциональную часть. Хост тоже делится на три части — интерфейсную, системную и ПО устройства. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач, логическое и реальное взаимодействие между ними иллюстрирует рис. 7.1.

В рассматриваемую структуру входят следующие элементы:

Ø Физическое устройство USB — устройство на шине, выполняющее функции, интересующие конечного пользователя.

Ø Client SW — ПО, соответствующее конкретному устройству, исполняемое на хост-компьютере. Может являться составной частью ОС или специальным продуктом.

Ø USB System SW — системная поддержка USB, независимая от конкретных устройств и клиентского ПО.

Ø USB Host Controller — аппаратные и программные средства для подключения устройств USB к хост-компьютеру.

3.Физический интерфейс

Стандарт USB определяет электрические и механические спецификации шины. Информационные сигналы и питающее напряжение 5 В передаются по четырехпроводному кабелю. Используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Уровни сигналов передатчиков в статическом режиме должны быть ниже 0,3 В (низкий уровень) или выше 2,8 В (высокий уровень). Приемники выдерживают входное напряжение в пределах — 0,5…+3,8 В. Передатчики должны уметь переходить в высокоимпедансное состояние для двунаправленной полудуплексной передачи по одной паре проводов.

Передача по двум проводам в USB не ограничивается дифференциальными сигналами. Кроме дифференциального приемника каждое устройство имеет линейные приемники сигналов D+ и D-, а передатчики этих линий управляются индивидуально. Это позволяет различать более двух состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса. Состояния Diff0 и Diff1 определяются по разности потенциалов на линиях D+ и D- более 200 мВ при условии, что на одной из них потенциал выше порога срабатывания VSE. Состояние, при котором на обоих входах D+ и D- присутствует низкий уровень, называется линейным нулем (SEO — Single-Ended Zero). Интерфейс определяет следующие состояния:

Ø Data J State и Data К State — состояния передаваемого бита (или просто J и К), определяются через состояния Diff0 и Diff1.

Ø Idle State — пауза на шине.

Ø Resume State — сигнал «пробуждения» для вывода устройства из «спящего» режима.

Ø Start of Packet (SOP) — начало пакета (переход из Idle State в К).

Ø End of Packet (EOP) — конец пакета.

Ø Disconnect — устройство отключено от порта.

Ø Connect — устройство подключено к порту.

Ø Reset — сброс устройства.

Состояния определяются сочетаниями дифференциальных и линейных сигналов; для полной и низкой скоростей состояния DiffO и Diff1 имеют противоположное назначение.
В декодировании состояний Disconnect, Connect и Reset учитывается время нахождения линий (более 2,5 мс) в определенных состояниях.

Шина имеет два режима передачи. Полная скорость передачи сигналов USB составляет 12 Мбит/с, низкая — 1,5 Мбит/с. Для полной скорости используется экранированная витая пара с импедансом 90 Ом и длиной сегмента до 5 м, для низкой — невитой неэкранированньгй 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 ПУ, не требующих высокой скорости. Скорость, используемая устройством, подключенным к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов

на линиях D+ и D-, смещаемых нагрузочными резисторами R2 приемопередатчиков (см. рис. 7.2 и 7.3)

Сигналы синхронизации кодируются вместе с данными по методу NRZI (Non Return to Zero Invert), его работу иллюстрирует рис. 7.4. Каждому пакету предшествует поле синхронизации SYNC, позволяющее приемнику настроиться на частоту передатчика. 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. Стандарт определяет два типа разъемов (см. табл. 7.1 и рис. 7.5).

Разъемы типа «А» применяются для подключения к хабам (Upstream Connector). Вилки устанавливаются на кабелях, не отсоединяемых от устройств (например, клавиатура, мышь и т. п.). Гнезда устанавливаются на нисходящих портах (Downstream Port) хабов. Разъемы типа «В» (Downstream Connector) устанавливаются на устройствах, от которых соединительный кабель может отсоединяться (принтеры и сканеры). Ответная часть (вилка) устанавливается на соединительном кабеле, противоположный конец которого имеет вилку типа «А».

Разъемы типов «А» и «В» различаются механически (рис. 7.5), что исключает недопустимые петлевые соединения портов хабов. Четырехконтактные разъемы имеют ключи, исключающие неправильное присоединение. Конструкция разъемов обеспечивает позднее соединение и раннее отсоединение сигнальных цепей по сравнению с питающими. Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение.

Рис. 7.5. Гнезда USB: а — типа «А»,  б — типа «В», в — символическое обозначение

Питание устройств USB возможно от кабеля (Bus-Powered Devices) или от собственного блока питания (Self-Powered Devices). Хост обеспечивает питанием непосредственно подключенные к нему ПУ. Каждый хаб, в свою очередь, обеспечивает питание устройств, подключенных к его нисходящим портам. При некоторых ограничениях топологии допускается применение хабов, питающихся от шины. На рис. 7.6 приведен пример схемы соединения устройств USB.

 Здесь клавиатура, перо и мышь могут питаться от шины.

USB поддерживает как однонаправленные, так и двунаправленные режимы связи. Передача данных производится между ПО хоста и конечной точкой устройства. Устройство может иметь несколько конечных точек, связь с каждой из них (канал) устанавливается независимо.

Архитектура USB допускает четыре базовых типа передачи данных:

Ø Управляющие посылки (Control Transfers), используемые для конфигурирования во время подключения и в процессе работы для управления устройствами. Протокол обеспечивает гарантированную доставку данных. Длина поля данных управляющей посылки не превышает 64 байт на полной скорости и 8 байт на низкой.

Ø Сплошные передачи (Bulk Data Transfers) сравнительно больших пакетов без жестких требований ко времени доставки. Передачи занимают всю свободную полосу пропускания шины. Пакеты имеют поле данных размером 8, 16, 32 или 64 байт. Приоритет этих передач самый низкий, они могут приостанавливаться при большой загрузке шины. Допускаются только на полной скорости передачи.

Ø Прерывания (Interrupt) — короткие (до 64 байт на полной скорости, до 8 байт на низкой) передачи типа вводимых символов или координат. Прерывания имеют спонтанный характер и должны обслуживаться не медленнее, чем того требует устройство. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 1-255 мс для полной скорости и 10-255 мс — для низкой.

Ø Изохронные передачи (Isochronous Transfers) — непрерывные передачи в реальном времени, занимающие предварительно согласованную часть пропускной способности шины и имеющие заданную задержку доставки. В случае обнаружения ошибки изохронные данные передаются без повтора — недействительные пакеты игнорируются. Пример — цифровая передача голоса. Пропускная способность определяется требованиями к качеству передачи, а задержка доставки может быть критичной, например, при реализации телеконференций.

Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Выделенная полоса закрепляется за каналом, и если установление нового канала требует такой полосы, которая не вписывается в уже существующее распределение, запрос на выделение канала отвергается.

Архитектура USВ предусматривает внутреннюю буферизацию всех устройств, причем чем большей полосы пропускания требует устройство, тем больше должен быть его буфер. USB должна обеспечивать обмен с такой скоростью, чтобы задержка данных в устройстве, вызванная буферизацией, не превышала нескольких миллисекунд.

Изохронные передачи классифицируются 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.

Протокол

Все обмены (транзакции) по USB состоят из трех пакетов. Каждая транзакция планируется и начинается по инициативе контроллера, который посылает пакет-аркер (Token Packet). Он описывает тип и направление передачи, адрес ус-тройства USB и номер конечной точки. В каждой транзакции возможен обмен только между адресуемым устройством (его конечной точкой) и хостом. Адресуемое маркером устройство распознает свой адрес и готовится к обмену. Источник данных (определенный маркером) передает пакет данных (или уведомление об отсутствии данных, предназначенных для передачи). После успешного приема пакета приемник данных посылает пакет подтверждения (Handshake Packet).

Планирование транзакций обеспечивает управление поточными каналами. На аппаратном уровне использование отказа от транзакции (NAck) при недопустимой интенсивности передачи предохраняет буферы от переполнения сверху и снизу. Маркеры отвергнутых транзакций повторно передаются в свободное для шины время. Управление потоками позволяет гибко планировать обслуживание одновременных разнородных потоков данных.

Устойчивость к ошибкам обеспечивают следующие свойства USB:

Ø Высокое качество сигналов, достигаемое благодаря дифференциальным приемникам/передатчикам и экранированным кабелям.

Ø Защита полей управления и данных CRC-кодами.

Ø Обнаружение подключения и отключения устройств и конфигурирование ресурсов на системном уровне.

Ø Самовосстановление протокола с тайм-аутом при потере пакетов.

Ø Управление потоком для обеспечения изохронности и управления аппаратными буферами.

Ø Независимость функций от неудачных обменов с другими функциями.

Для обнаружения ошибок передачи каждый пакет имеет контрольные поля CRC-кодов, позволяющие обнаруживать все одиночные и двойные битовые ошибки. Аппаратные средства обнаруживают ошибки передачи, а контроллер автоматически производит трехкратную попытку передачи. Если повторы безуспешны, сообщение об ошибке передается клиентскому ПО.

Устройства USB — функции и хабы

Возможности шины USB позволяют использовать ее для подключения разнообразных устройств. Не касаясь «полезных» свойств ПУ, остановимся на их интерфейсной части, связанной с шиной USB. Все устройства должны поддерживать набор общих операций, перечисленных ниже. Динамическое подключение и отключение. Эти события отслеживаются хабом, который сообщает о них хост-контроллеру и выполняет сброс подключенного устройства. Устройство после сигнала сброса должно отзываться на нулевой адрес, при этом оно не сконфигурировано и не приостановлено. После назначения адреса, за которое отвечает хост-контроллер, устройство должно отзываться только на свой уникальный адрес.

Конфигурирование устройств, выполняемое хостом, является необходимым для их использования. Для конфигурирования обычно используется информация, считанная из самого устройства. Устройство может иметь множество интерфейсов, каждому из которых соответствует собственная конечная точка, представляющая хосту функцию устройства. Интерфейс в конфигурации может иметь альтернативные наборы характеристик; смена наборов поддерживается протоколом. Для поддержки адаптивных драйверов дескрипторы устройств и интерфейсов имеют поля класса, подкласса и протокола.

Передача данных возможна посредством одного из четырех типов передач (см. выше). Для конечных точек, допускающих разные типы передач, после конфигурирования доступен только один из них.

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, и если хаб не сможет обеспечить устройству заявленный ток, оно не конфигурируется и, следовательно, не может быть использовано.

Устройство USB должно поддерживать приостановку (Suspended Mode), в котором его потребляемый ток не превышает 500 мкА. Устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины.

Возможность удаленного пробуждения (Remote Wakeup) позволяет приостановленному устройству подать сигнал хосткомпьютеру, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена.

Хаб в USB 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). Повтори Повторитель представляет собой управляемый ключ, соединяющий выходной порт со входным. Он имеет средства поддержки сброса и приостановки передачи сигналов. 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 наблюдать их состояние.

Нисходящие (Downstream) порты хабов могут находиться в следующих состояниях:

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

Ø Disconnected (отсоединен) — порт не передает сигналы ни в одном направлении, но способен обнаружить подключение устройства (по отсутствию состояния SEO в течение 2,5 мкс). Тогда порт переходит в состояние Disabled, а по уровням входных сигналов {DiffO или Diff1 в состоянии Idle) он определяет скорость подключенного устройства.

Ø  Disabled (запрещен) — порт передает только сигнал сброса (по команде от контроллера), сигналы от порта (кроме обнаружения отключения) не воспринимаются. По обнаружении отключения (2,5 мкс состояния SEO) порт переходит в состояние Disconnect, а если отключение обнаружено «спящим» хабом, контроллеру будет послан сигнал Resume.

Ø  Enabled (разрешен) — порт передает сигналы в обоих направлениях. По команде контроллера или по обнаружении ошибки кадра порт переходит в состояние Disabled, а по обнаружении отключения — в состояние Disconnect.

Ø Suspended (приостановлен) — порт передает сигнал перевода в состояние останова («спящий» режим). Если хаб находится в активном состоянии, сигналы через порт не пропускаются ни в одном направлении. Однако «спящий» хаб воспринимает сигналы смены состояния незапрещенных портов, подавая «пробуждающие» сигналы от активизировавшегося устройства даже через цепочку «спящих» хабов. Состояние каждого порта идентифицируется контроллером хаба с помощью отдельных регистров. Имеется общий регистр, биты которого отражают факт изменения состояния каждого порта (фиксируемый во время EOF). Это позволяет хост-контроллеру быстро узнать состояние хаба, а в случае обнаружения изменений специальными транзакциями уточнить состояние.

Хост-контроллер

Хост-компьютер общается с устройствами через контроллер. Хост имеет следующие обязанности:

Ø обнаружение подключения и отсоединения устройств USB;

Ø манипулирование потоком управления между устройствами и хостом;

Ø управление потоками данных;

Ø сбор статистики;

Ø обеспечение энергосбережения подключенными ПУ.

Лекция «10.3 — Бесциркуляционное обтекание цилиндра» также может быть Вам полезна.

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

Ø нумерации и конфигурации устройств;

Ø изохронных передач данных;

Ø асинхронных передач данных;

Ø управления энергопотреблением;

Ø информации об управлении устройствами и шиной.

Универсальная последовательная шина (USB) — Глоссарий

• Проекты
• Публикации Развернуть или свернуть
• Темы Развернуть или свернуть
• Новости и обновления
• События
• Глоссарий
• О CSRC Развернуть или свернуть

Поиск

Сортировать по

Релевантность (наилучшее соответствие)Срок (A-Z)Срок (Z-A)

Пункты на странице 100200500Все

Глоссарий

А | Б | С | Д | Е | Ф | грамм | ЧАС | я | Дж | К | л | М | Н | О | п | Вопрос | р | С | Т | U | В | Вт | Икс | Д | Z

Universal Serial Bus (USB)

Abbreviation(s) and Synonym(s):

USB

CNSSI 4009-2015

NIST SP 1800-12b

NIST SP 1800-13B

NIST SP 1800 -13C

NIST SP 1800-19B

NIST SP 1800-21C

NIST SP 1800-25B

NIST SP 1800-26B

NIST SP 1800-30B

NIST SP 1800-8b

NIST SP 800- 101 Ред. 1

NIST SP 800-113

NIST SP 800-115

NIST SP 800-121 Rev. 2

NIST SP 800-125

NIST SP 800-128

NIST SP 800-147B

NIST SP 800-153

NIST SP 800-157

NIST SP 800 -209

NIST SP 800-213A

NIST SP 800-53 Ред. 5

NIST SP 800-72

NIST SP 800-77 Ред. 800-83 Rev. 1

NIST SP 800-86

NIST SP 800-97

NISTIR 8006

NISTIR 8183A Vol. 2

NISTIR 8183A Том. 3

NISTIR 8196

NISTIR 8219

NISTIR 8259

NISTIR 8320

Определения:

  Аппаратный интерфейс для низкоскоростных периферийных устройств, таких как клавиатура, мышь, джойстик, сканер, принтер и телефонные устройства.
Источник(и):
NIST SP 800-101 Ред. 1
НИСТ СП 800-72

  Тип стандартного кабеля, разъем и протокол для подключения компьютеров, электронных устройств и источников питания.
Источник(и):
NISTIR 7621 Ред. 1 под универсальной последовательной шиной

Универсальная последовательная шина (USB) | Microsoft Узнайте

Твиттер LinkedIn Фейсбук Эл. адрес

• Статья
• 21.06.2022
• 4 минуты на чтение

В этом документе содержатся рекомендации по проектированию и разработке компонентов USB. Цель этого документа — дать возможность партнерам по экосистеме создать устройство с оптимизированной функциональностью USB.

Функции USB в Windows 10

Windows 10 поддерживает:

• Контроллеры с двойной ролью, которые могут функционировать как USB-хост или как USB-устройство. Например, телефон может подключаться к ПК в качестве USB-устройства или к другим периферийным USB-устройствам в качестве USB-хоста.

• USB Type C, переворачиваемый двусторонний USB-разъем примерно того же размера, что и USB-разъем micro-B. Кроме того, USB Type-C обеспечивает поддержку следующих функций:

  • USB 3.1 Gen 2 (10 Гбит/с)
  • Power Delivery, позволяющий устройствам и системам обеспечивать и потреблять до 20 В, 5 А.
  • Альтернативные режимы, позволяющие протоколам, отличным от USB, таким как DisplayPort, Thunderbolt или MHL, использовать разъем USB Type-C.
  • Сообщение об ошибке рекламного щита

• USB 2.0, 3.0, а теперь и USB 3.1, что позволяет OEM-производителям легко выбирать из широкого спектра контроллеров и периферийных устройств.

• Универсальные драйверы могут быть созданы для периферийных устройств USB, которые работают на всех устройствах Windows 10, от Интернета вещей (IOT) до серверов.

Партнерам рекомендуется протестировать эти функции с помощью комплекта Hardware Lab Kit и посетить блог основной группы USB для получения обновленной информации о функциях и тестах HLK, включая следующие сообщения, связанные с Windows 10:

• Тесты USB в Windows 10 Лабораторный комплект оборудования (HLK)

• Новое в Windows 10: USB Dual Role, Type-C, SuperSpeedPlus и многое другое…

• Новое в Windows 10: двойная роль USB на мобильных устройствах

Сценарии USB для устройств Windows 10

Windows 10 позволяет производителям оборудования внедрять инновации и создавать великолепные системы Dual Role и USB Type-C. Несколько примеров сценариев, которые активируются функциями USB в Windows 10, показаны ниже:

• Замена проприетарных стыковочных разъемов стандартным разъемом USB Type-C

• Более быстрая зарядка через USB Type-C ток и/или подача питания

• Возможность использования внешних периферийных устройств USB для зарядки системы

• Вывод видео/аудио через USB Type-C с использованием альтернативных режимов

• Подключение периферийных устройств USB к устройствам Windows Mobile

• Создание универсальных приложений, которые могут взаимодействовать с пользовательскими периферийными устройствами USB

Рис. 1 Пример новых сценариев USB для настольной системы Windows 10

Рис. 2 Пример новых сценариев USB для мобильного устройства Windows 10

Рекомендации по USB для Windows 10

• В целом USB должен «просто работать» при минимальном взаимодействии с пользователем.
Ожидается, что аппаратное/микропрограммное обеспечение
• будет принимать первоначальные политические решения, введенные с функциями двойной роли, подачи питания и альтернативного режима.
• Windows внесет изменения в политику, чтобы улучшить взаимодействие с пользователем и помочь пользователю устранить неполадки, если что-то пойдет не так.
• Партнеры должны убедиться, что их USB-оборудование (например, системы, концентраторы, кабели или аксессуары) может взаимодействовать с другим USB-оборудованием, которое появится или уже появится на рынке. Мы поощряем участие в мероприятиях по совместимости и соответствию, проводимых USB-IF.
• Мы рекомендуем поддерживать альтернативный режим DisplayPort для вывода видео/аудио через USB Type-C.
• Для систем с несколькими портами USB, которые имеют разные возможности USB, мы рекомендуем четко указать клиенту, какие порты имеют какие возможности. Например, значок, отпечатанный рядом с портом USB, может использоваться, чтобы показать, что порт поддерживает альтернативные режимы и подачу питания.
• Партнеры должны следовать последней спецификации ACPI, чтобы правильно описывать свои USB-порты, такие как методы _UPC и _PLD.

Минимальные аппаратные требования для USB

USB не является обязательным для всех устройств и компьютеров под управлением Windows 10. Windows 10 поддерживает следующие контроллеры USB:

• Функциональные контроллеры
• Хост-контроллеры
• Двухролевые контроллеры OTG

Полный набор требований к оборудованию для Windows 10 см. в разделе Минимальные требования к оборудованию.

Спецификации программы совместимости оборудования Windows для USB

Программа совместимости оборудования Windows использует тесты из набора Windows Hardware Lab Kit (HLK), которые OEM-производители могут использовать для диагностики проблем на ранних этапах процесса разработки, обеспечения совместимости драйверов с Windows и, при необходимости, сертификации устройств или систем. Тесты в HLK могут проверять режим двойной роли и функции в любом выпуске Windows 10.

В требованиях программы совместимости оборудования Windows System.Fundamentals.SystemUSB.SystemExposesUSBPort перечислены рекомендуемые, поддерживаемые или не поддерживаемые типы USB-контроллеров.

Сохраненные рекомендации для USB из Windows 8.1

Эти рекомендации из Windows 8.1 сохраняются для Windows 10.

Аппаратное обеспечение

Для повышения энергоэффективности и производительности рекомендуется, чтобы хост-контроллеры USB были как минимум совместимы с USB 3.0 с контроллером XHCI. интегрированы в SoC или чипсет. Операционная система поддерживает стандартные контроллеры EHCI и XHCI 1.0, включая регистры отладки. Если хост-контроллер не полностью совместим с опубликованными стандартными спецификациями, отклонения должны быть задокументированы, а поддержка хост-контроллера определяется в каждом конкретном случае. Кроме того, возможность отладки важна для хост-контроллеров XHCI.