Шины usb. Универсальная последовательная шина USB: история развития, характеристики и применение

Что такое универсальная последовательная шина USB. Какие версии USB существуют. Как устроена архитектура USB. Каковы преимущества и недостатки USB. Где применяется USB в современных устройствах.

Содержание

История развития и версии USB

Универсальная последовательная шина (USB) была разработана в 1990-х годах для стандартизации подключения периферийных устройств к компьютерам. Первая спецификация USB 1.0 была выпущена в 1996 году. С тех пор стандарт прошел несколько этапов развития:

USB 1.0 (1996) — скорость передачи данных до 12 Мбит/с
USB 2.0 (2000) — до 480 Мбит/с
USB 3.0 (2008) — до 5 Гбит/с
USB 3.1 (2013) — до 10 Гбит/с
USB 3.2 (2017) — до 20 Гбит/с
USB4 (2019) — до 40 Гбит/с

Каждая новая версия обеспечивала более высокую скорость передачи данных и дополнительные возможности, сохраняя при этом обратную совместимость с предыдущими версиями.

Архитектура и принципы работы USB

Архитектура USB включает в себя три основных компонента:

USB-хост (обычно компьютер)
USB-устройства (периферийные устройства)
USB-кабели и разъемы

USB использует топологию «звезда», где центральным элементом является хост-контроллер. К нему могут подключаться до 127 устройств через USB-концентраторы. Хост-контроллер инициирует все передачи данных и управляет питанием устройств.

Как происходит обмен данными по USB?

Обмен данными по USB осуществляется пакетами. Каждый пакет содержит:

Идентификатор пакета
Адрес устройства
Тип передачи
Полезные данные
Контрольную сумму

USB поддерживает четыре типа передачи данных:

Управляющие передачи — для настройки устройств
Изохронные передачи — для потокового аудио/видео
Прерывания — для периодических коротких передач (клавиатура, мышь)
Массовые передачи — для больших объемов данных без гарантии времени доставки

Преимущества использования USB

USB стал доминирующим интерфейсом для подключения периферийных устройств благодаря ряду преимуществ:

Универсальность — один интерфейс для множества типов устройств
Простота использования — автоматическое определение и настройка устройств
Горячее подключение — возможность подключать и отключать устройства без перезагрузки компьютера
Обратная совместимость между версиями
Обеспечение питания устройств через USB-кабель
Высокая скорость передачи данных
Низкая стоимость реализации

Типы USB-разъемов и их применение

За время развития USB было разработано несколько типов разъемов:

USB Type-A — стандартный плоский разъем, используемый на компьютерах
USB Type-B — квадратный разъем, часто используемый на принтерах
Mini-USB — компактный разъем для портативных устройств (устаревший)

Micro-USB — еще более компактный разъем, широко использовался в смартфонах
USB Type-C — современный универсальный разъем, симметричный и обратимый

USB Type-C становится все более распространенным благодаря своей универсальности и возможности передавать большую мощность.

Применение USB в современных устройствах

USB нашел широкое применение в различных областях:

Подключение периферийных устройств к компьютерам (клавиатуры, мыши, принтеры, сканеры)
Зарядка и синхронизация мобильных устройств
Подключение внешних накопителей данных
Передача аудио и видео сигналов
Сетевые подключения (USB-модемы, Ethernet-адаптеры)
Подключение медицинского и промышленного оборудования

С развитием стандарта USB-C и технологии USB Power Delivery, USB также становится универсальным интерфейсом для зарядки ноутбуков и других устройств с высоким энергопотреблением.

Ограничения и недостатки USB

Несмотря на многочисленные преимущества, USB имеет некоторые ограничения:

Максимальная длина кабеля ограничена (обычно до 5 метров)
Зависимость от хост-контроллера (устройства не могут напрямую обмениваться данными)
Потенциальные проблемы с электромагнитными помехами
Сложность протокола может затруднять разработку устройств
Ограниченная пропускная способность для некоторых высокоскоростных приложений

Тем не менее, многие из этих ограничений преодолеваются в новых версиях стандарта или с помощью дополнительных технологий.

Будущее USB: USB4 и перспективы развития

Последняя версия стандарта — USB4 — предлагает ряд значительных улучшений:

Скорость передачи данных до 40 Гбит/с
Улучшенное управление питанием (до 100 Вт)
Поддержка протокола Thunderbolt 3
Улучшенное распределение полосы пропускания между несколькими устройствами

В будущем ожидается дальнейшее развитие стандарта USB с акцентом на:

Увеличение скорости передачи данных
Улучшение энергоэффективности
Расширение возможностей для передачи видео высокого разрешения
Интеграцию с другими высокоскоростными интерфейсами

USB остается одним из наиболее важных и широко используемых интерфейсов в современной электронике, продолжая эволюционировать для удовлетворения растущих потребностей пользователей и производителей устройств.

Шина USB

Универсальная последовательная шина (Universal Serial Bus) разработана в качестве средства подключения к компьютеру периферийных устройств различного класса. Первая спецификация шины утверждена в 1996 г., в настоящее время действует спецификация версии 2.0, описывающая шину с расширенными возможностями.

Архитектура интерфейса USB включает три категории компонентов:

коммуникации;
устройства;
хост-контроллеры.

Коммуникации определяют топологию шины (модель соединения контроллера и устройств), модель выполнения задач, модель обмена данными и разделения ресурсов шины.

В категории устройств различают устройства-хабы (концентраторы), то есть компоненты, способные обеспечить дополнительные точки подключения, и функциональные устройства, которые являются конечным звеном топологии сети USB. Корневой концентратор (хост-контроллер) является ведущим компонентом интерфейса USB, обеспечивая все функции.

К хост-контроллеру подключают либо функциональные устройства, либо концентраторы для увеличения числа доступных портов. Допускается организация до пяти уровней топологии, что в сумме обеспечивает подключение до 127 абонентов.

Хост-контроллер следит за подключением и отключением устройств, организует управляющие потоки между USB -устройством и хостом, потоки данных между USB -устройством и хостом, контролирует состояние устройств и ведет статистику функционирования, снабжает подключенные устройства электропитанием.

Многие функции контроллера USB возложены на операционную систему: адресация устройств и их конфигурирование, управление энергопотреблением и процессами передачи данных на логическом уровне.

Концентратор (хаб) служит разветвителем шины, создавая дополнительные порты. Каждый хаб имеет один восходящий канал, предназначенный для подключения к имеющемуся в наличии свободному порту, и несколько нисходящих, к которым могут быть подключены или другие концентраторы, или конечные устройства. Хаб должен следить за подключением и отключением устройств, уведомляя хост об изменениях, распределять электропитание между потребителями.

Функциональное устройство с позиции контроллера USB — это конечная точка в топологии шины, с которой возможен обмен данными. Одно физическое устройство может содержать несколько точек. В обязательном порядке в устройстве присутствует точка с номером 0. До конфигурирования устройства через точку 0 остальные каналы недоступны.

Таким образом, конечная точка — это тупик логического канала данных между хостом и устройством. В свою очередь канал — это логическое соединение между хостом и устройством. Если конечных точек в физическом устройстве несколько, то обмен данными между хост-контроллером и устройством проходит в многоканальном режиме.

Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Шина USB предоставляет каналы нескольких типов.
Каналы сообщений являются двунаправленными и служат для передачи сообщений, имеющих строго определенный формат, необходимый для обеспечения надежной идентификации устройств.
Потоковые каналы являются однонаправленными. Они не имеют определенного формата, то есть обеспечивают обмен данными любого типа.

С практической точки зрения особый интерес представляет изохронный режим передачи потоковых данных в реальном времени. Этот режим используют для аудио- и видеоданных.

На некоторых материнских платах параметр «USB Controllers» по умолчанию выставлен в режим USB 1.1. Это связано с тем, что операционная система \Л/1пс1о\л/5 ХР без пакетов исправлений не поддерживает USB версии 2.0.
Для включения USB 2.0 в BIOS Setup необходимо сделать следующее.

Перейдите в раздел On CHIP PCI Device (или Integrated Peripherals в других версиях BIOS).
Установите значение Enabled в строке USB 2.0 Controlled.
В некоторых версиях BIOS следует установить значение V1. 0+V2.0 в строке USB Controllers version.

Интерфейс USB 2.0 поддерживается всеми версиями операционной системы Windows XP, начиная с Service Pack 1.

Информация по шине USB передается пакетами. Обмен данными возможен только между хостом и устройством и не допускается напрямую между устройствами на шине. Предусмотрено три скоростных режима:

Low Speed (низкоскоростной режим) с пропускной способностью до 1,5 Мбит/с;
Full Speed (полноскоростной режим) с пропускной способностью до 12 Мбит/с;
Hight Speed (высокоскоростной режим) с пропускной способностью до 480 Мбит/с.

Физические каналы связи организуются концентраторами и кабелями. Кабель представляет собой экранированную витую пару. Всего в USB-кабеле применяют 4 провода: два для передачи сигнала и два для подачи напряжения.

Для подключения устройств предназначены соединители типа «А» и типа «В». Разъемы типа «А» используют для постоянно подключенных устройств, например принтеров.

Соединители типа «В» используются для периодически подключаемой периферии, например флэш-накопителей. Разъем mini- USB типа «В» предназначен для подключения малогабаритных устройств (мобильные телефоны, фотоаппараты, плееры).

Конструктивно разъемы сделаны так, что сначала происходит соединение шины питания, потом шины данных. Устройства, потребляющие небольшой ток (до 500 мА), могут быть запитаны от шины USB.

При подключении к шине USB нескольких устройств бывает так, что некоторые из них не работают или работают нестабильно. Обычно это объясняется превышением максимально допустимого тока нагрузки шины USB.

Даем команду Пуск > Панель управления > Система. В диалоговом окне Система открываем вкладку Оборудование, щелчком на кнопке Диспетчер устройств открываем одноименное диалоговое окно.
В диалоговом окне Диспетчер устройств раскрываем список Контроллеры универсальной последовательной шины USB, выбираем строку Корневой USB концентратор. Щелчком дополнительной кнопки мыши открываем контекстное меню, выбираем пункт Свойства.
В диалоговом окне Свойства открываем вкладку Питание. На панели Подключенные устройства в столбце Требует питания проверяем энергопотребление устройств.
Если общее энергопотребление устройств, подключенных к концентратору, близко к значению 500 мА или превышает его, физически переключаем одно из устройств на порт USB, принадлежащий другому концентратору.
Если в компьютере не хватает свободных мощностей концентраторов USB, требуется установить внешний концентратор с собственным питанием или перевести одно из устройств на питание от электросети.
В некоторых версиях BIOS существует параметр USB 2.0 HS Reference Voltage , управляющий питанием портов USB. Выставьте значение параметра Hight или Maximum.

Универсальная последовательная шина (USB) | Microsoft Learn

Twitter LinkedIn Facebook Адрес электронной почты

Статья
10/24/2022
Чтение занимает 3 мин

В этом документе приведены рекомендации по проектированию и разработке компонентов USB. Цель этого документа — предоставить партнерам экосистемы возможность создавать устройства с оптимизированными функциями USB.

Функции USB в Windows 10

Windows 10 поддерживает:

Контроллеры двойной роли, которые могут функционировать как USB-узел или USB-устройство. Например, телефон может подключаться к компьютеру как USB-устройство или подключаться к другим периферийным устройствам USB в качестве USB-узла.
USB Type C, перевернутый, обратимый USB-соединитель примерно такой же размер, как и соединитель USB micro-B. Кроме того, USB Type-C обеспечивает поддержку следующих функций:
- USB 3.1 2-го поколения (10 Гбит/с)
- Доставка питания, что позволяет устройствам и системам предоставлять и использовать до 20V, 5A.
- Альтернативные режимы, позволяющие использовать соединитель USB Type-C, например DisplayPort, Thunderbolt или MHL.
- Сообщение об ошибке «Рекламный щит»
USB 2.0, 3.0 и USB 3.1, что позволяет изготовителям оборудования легко выбирать из широкого спектра контроллеров и периферийных устройств.
Универсальные драйверы можно создавать для USB-периферийных устройств, работающих на всех устройствах Windows 10, от Интернета вещей (IOT) до серверов.

Партнерам рекомендуется протестировать эти функции с помощью комплекта оборудования и посетить блог команды USB Core Для получения обновленных сведений о функциях и тестах HLK, включая эти записи, связанные с Windows 10:

USB-тесты в комплекте лабораторий оборудования Windows 10 (HLK)
Новые возможности в Windows 10: двойная роль USB, Type-C, SuperSpeedPlus и многое другое…
Новые возможности в Windows 10: двойная роль USB на мобильных устройствах

Сценарии USB для устройств Windows 10

Windows 10 позволяет поставщикам оборудования внедрять инновации и создавать большие системы двойной роли и USB Type-C. Ниже приведены несколько примеров сценариев, включенных функциями USB в Windows 10.

Замена собственных соединителей док-станции отраслевым стандартом USB Type-C
Более быстрая зарядка через usb Type-C current and/or Power Delivery
Разрешить внешним usb-периферийным устройствам заряжать систему
Выходное видео/аудио через USB Type-C с помощью альтернативных режимов
Подключение USB-периферийных устройств для мобильных устройств Windows
Написание универсальных приложений, которые могут взаимодействовать с пользовательскими периферийными устройствами USB

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

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

Минимальные требования к оборудованию для USB

USB является необязательным для всех устройств и компьютеров, работающих Windows 10. Windows 10 поддерживает следующие USB-контроллеры:

Контроллеры функций
Контроллеры узлов
Контроллеры OTG с двумя ролями

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

Windows спецификации программы совместимости оборудования для USB

Программа совместимости оборудования Windows использует тесты в пакете Windows Hardware Lab Kit (HLK), который изготовители оборудования 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.

Требования к программе совместимости оборудования System.Fundamentals.SystemUSB.SystemUsBPort Windows списки рекомендуемых, поддерживаемых или не поддерживаемых типов контроллеров USB.

Поддерживаемые рекомендации по USB из Windows 8.1

Эти рекомендации из Windows 8.1 поддерживаются для Windows 10.

Оборудование

Для повышения эффективности и производительности рекомендуется использовать контроллеры узлов USB по крайней мере usb 3.0, совместимые с контроллером XHCI, интегрированным в SoC или набор микросхем. Операционная система поддерживает стандартные контроллеры EHCI и XHCI 1.0, включая регистры отладки. Если контроллер узла не полностью совместим с опубликованными стандартными спецификациями, отклонения должны быть задокументированы, а поддержка контроллера узла определяется на основе регистра. Кроме того, возможность отладки важна для контроллеров узлов XHCI.

Интерфейс контроллера узла USB	Примечания
XHCI 1. 0+Errata или более поздней версии (включая возможности отладки)	Требуется для Windows HLK начиная с июня 2012 г.
EHCI	Поддерживается
Контроллеры-компаньоны UHCI/OHCI	Не поддерживается

Блоги

Блог команды разработчиков USB Core

блог по сертификации оборудования Windows

Видео

Закрепления

Включение новых сценариев подключения USB

Создание новых приложений для usb-аксессуаров

Создание отличных устройств USB 3.0

Интеграция с интерфейсом устройства Windows

Запуск Windows с внешнего USB-накопителя с Windows To Go

Другие руководства и справочные материалы

Windows 10: новые возможности USB

Драйверы универсальной последовательной шины (USB)

Настройка подключения USB 3.0 в Visual Studio

Настройка подключения USB 3.0 вручную

Справочник по USB

Универсальная последовательная шина (USB) в компьютерной сети

Просмотр обсуждения

Улучшить статью

Сохранить статью

Последнее обновление: 24 сент, 2021

Читать

Обсудить

Посмотреть обсуждение

Улучшить статью

Сохранить статью

Универсальная последовательная шина (USB) — это отраслевой стандарт, устанавливающий спецификации для разъемов, кабелей и протоколов связи, подключения и питания между персональными компьютерами и их периферийными устройствами. было 3 поколений спецификаций USB:

 1. USB 1.x
2. USB 2.0
3. USB 3.x

USB 2.0 имеет несколько обновлений и дополнений. Форум разработчиков USB (USB IF) в настоящее время поддерживает стандарт USB, он был выпущен в 1996 году.

USB был разработан для стандартизации подключения периферийных устройств, таких как указывающие устройства, клавиатуры, цифровые фотоаппараты и видеокамеры. Но вскоре такие устройства, как принтеры, портативные медиаплееры, дисководы и сетевые адаптеры для персональных компьютеров, использовали USB для связи и подачи электроэнергии. Это обычное дело для многих устройств и в значительной степени заменило такие интерфейсы, как последовательные порты и параллельные порты. Разъемы USB заменили собой другие типы зарядных устройств портативных устройств.

Преимущества USB –
Универсальная последовательная шина была разработана для упрощения и улучшения интерфейса между персональными компьютерами и периферийными устройствами по сравнению с ранее существовавшими стандартными или специальными проприетарными интерфейсами.

Интерфейс USB самонастраивающийся. Это означает, что пользователю не нужно настраивать параметры устройства и интерфейса для скорости или формата данных или настраивать прерывания, адреса ввода/вывода или каналы прямого доступа к памяти.
Разъемы USB стандартизированы на хосте, поэтому любое периферийное устройство может использовать любую доступную розетку. USB в полной мере использует дополнительную вычислительную мощность, которую можно экономично вложить в периферийные устройства, чтобы они могли управлять собой. USB-устройства в большинстве случаев не имеют настраиваемых пользователем параметров интерфейса.
Интерфейс USB поддерживает горячую замену или plug and play, что означает возможность замены устройств без перезагрузки главного компьютера. Небольшие устройства могут питаться напрямую от интерфейса USB, что позволяет отказаться от дополнительных кабелей питания.
Интерфейс USB определяет протоколы для повышения надежности по сравнению с предыдущими интерфейсами и восстановления после распространенных ошибок.
Установка устройства стандарта USB требует минимального вмешательства оператора.

Недостатки USB –

Кабели USB ограничены по длине.
USB имеет строгую топологию «дерево» и протокол «ведущий-ведомый» для адресации периферийных устройств. Периферийные устройства не могут взаимодействовать друг с другом, кроме как через хост, а два хоста не могут напрямую общаться через свои USB-порты.
Для некоторых высокоскоростных периферийных устройств требуется устойчивая скорость, недоступная в стандарте USB.
Для разработчика продукта использование USB требует реализации сложного протокола и предполагает интеллектуальный контроллер в периферийном устройстве.
Использование логотипов USB на изделии требует ежегодных взносов и членства в организации.

Универсальная последовательная шина (USB) — Infineon Technologies

Компания
Наши подразделения
Правление
Наблюдательный совет
Наши местоположения
Закупки
Качество
Награды Infineon
Кибербезопасность

Устойчивое развитие
Экологическая устойчивость и защита климата
Безопасность и здоровье
Деловая этика
Корпоративное гражданство
Управление цепочкой поставок КСО
Права человека
Отчетность по корпоративной социальной ответственности

Нажмите
Общая информация
Пресс-релизы
Новости рынка
Пресс-подборки
Медиа-пул
События
Контакты

Инвестор
Обзор Infineon
Новости и события
Отчеты и презентации
Инфинеон Поделиться
Фиксированный доход
Корпоративное управление
Служба акционеров
Контакт

Выставки и конференции

Открытия
Новая мобильность
Интернет вещей
Энергоэффективность
Все открытия

Дом
Продукты
Универсальная последовательная шина (USB)

Обзор

Подкатегории универсальной последовательной шины (USB)

Свернуть все подкатегории Развернуть все подкатегории

Компания Infineon с 1996 г.

История развития и версии USB