Usb шина. Универсальная последовательная шина USB: история развития, особенности архитектуры и характеристики

alexxlabРазное
Что такое USB шина и для чего она была разработана. Как развивались стандарты USB от версии 1.0 до современных. Какие основные компоненты входят в архитектуру USB. Какие режимы передачи данных поддерживает USB. Каковы основные характеристики и преимущества использования USB.

Содержание

История появления и развития стандартов USB

Универсальная последовательная шина USB (Universal Serial Bus) была разработана для решения проблемы подключения множества периферийных устройств к персональному компьютеру. До появления USB стандартная комплектация ПК включала ограниченное количество портов:

  • Один параллельный порт LPT (обычно для принтера)
  • Два последовательных порта COM (для мыши и модема)
  • Один игровой порт GAME (для джойстика)

Такая конфигурация долгое время была стандартом, но с развитием периферийных устройств возникла необходимость в новом универсальном интерфейсе. Первая спецификация USB 1.0 появилась в 1996 году, за ней последовали:


  • USB 1.1 в 1998 году (до 12 Мбит/с)
  • USB 2.0 в 2000 году (до 480 Мбит/с)
  • USB 3.0 в 2008 году (до 5 Гбит/с)
  • USB 3.1 в 2013 году (до 10 Гбит/с)
  • USB 3.2 в 2017 году (до 20 Гбит/с)

Каждая новая версия стандарта увеличивала скорость передачи данных и добавляла новые возможности, сохраняя при этом обратную совместимость.

Основные компоненты архитектуры USB

Архитектура интерфейса USB включает три основные категории компонентов:

1. Коммуникации

Определяют:

  • Топологию шины (модель соединения контроллера и устройств)
  • Модель выполнения задач
  • Модель обмена данными
  • Принципы разделения ресурсов шины

2. Устройства

Делятся на два типа:

  • Хабы (концентраторы) — обеспечивают дополнительные точки подключения
  • Функциональные устройства — конечные устройства в топологии USB

3. Хост-контроллер

Является ведущим компонентом интерфейса USB и выполняет следующие функции:

  • Отслеживает подключение и отключение устройств
  • Управляет потоками данных между USB-устройствами и хостом
  • Контролирует состояние устройств
  • Ведет статистику функционирования
  • Обеспечивает электропитание подключенных устройств

Топология и принципы работы USB

USB использует многоуровневую топологию типа «звезда»:


  • На вершине находится корневой концентратор (хост-контроллер)
  • К нему подключаются функциональные устройства или дополнительные концентраторы
  • Допускается до 5 уровней топологии
  • Всего можно подключить до 127 устройств

Обмен данными в USB организован по принципу «ведущий-ведомый»:

  • Хост-контроллер является ведущим устройством
  • Все остальные устройства — ведомые
  • Обмен данными возможен только между хостом и устройством
  • Прямой обмен между устройствами невозможен

Режимы передачи данных в USB

USB поддерживает несколько режимов передачи данных:

1. Управляющие передачи

Используются для настройки устройств при подключении и управления ими во время работы.

2. Передачи массивов данных

Для передачи больших объемов данных, не критичных ко времени доставки (например, для принтеров или сканеров).

3. Изохронные передачи

Для передачи данных в реальном времени (например, аудио или видео). Гарантируется полоса пропускания, но не гарантируется доставка каждого пакета.

4. Прерывания

Для быстрой передачи небольших объемов данных с гарантированным временем доставки (например, для мыши или клавиатуры).


Скоростные режимы USB

Стандарт USB поддерживает несколько скоростных режимов:

  • Low Speed (низкоскоростной) — до 1,5 Мбит/с
  • Full Speed (полноскоростной) — до 12 Мбит/с
  • High Speed (высокоскоростной) — до 480 Мбит/с (с USB 2.0)
  • SuperSpeed — до 5 Гбит/с (с USB 3.0)
  • SuperSpeed+ — до 10 Гбит/с (с USB 3.1) и до 20 Гбит/с (с USB 3.2)

Каждый новый стандарт USB увеличивал максимальную скорость передачи данных, сохраняя при этом обратную совместимость с предыдущими версиями.

Физическая реализация USB

Физически USB реализуется с помощью следующих компонентов:

Кабели

USB-кабель содержит 4 провода:

  • 2 для передачи данных (витая пара)
  • 2 для подачи питания

Разъемы

Существует несколько типов USB-разъемов:

  • Тип A — для постоянно подключенных устройств
  • Тип B — для периодически подключаемых устройств
  • Mini-USB и Micro-USB — для мобильных устройств
  • USB-C — универсальный разъем нового поколения

Преимущества использования USB

Универсальная последовательная шина USB имеет ряд преимуществ:

  • Простота подключения устройств (технология Plug and Play)
  • Возможность горячего подключения и отключения устройств
  • Автоматическая настройка устройств при подключении
  • Поддержка до 127 устройств на одной шине
  • Обеспечение питания маломощных устройств через шину
  • Высокая скорость передачи данных
  • Низкая стоимость реализации

Эти преимущества сделали USB стандартом де-факто для подключения периферийных устройств к компьютерам и другой электронике.


Управление питанием в USB

USB обеспечивает не только передачу данных, но и подачу питания на подключенные устройства. Это одно из ключевых преимуществ интерфейса. Как организовано управление питанием в USB?

  • Стандартный порт USB может обеспечить ток до 500 мА при напряжении 5 В
  • Устройства, потребляющие до 100 мА, могут быть запитаны сразу при подключении
  • Устройства с потреблением от 100 до 500 мА должны запросить дополнительное питание
  • Устройства с потреблением более 500 мА требуют внешнего источника питания

При подключении нескольких устройств важно следить за общим энергопотреблением. Если оно превышает возможности порта, некоторые устройства могут работать нестабильно или не работать вовсе. В таких случаях рекомендуется использовать USB-хаб с внешним питанием или переводить часть устройств на питание от электросети.

Особенности работы с USB в операционных системах

Операционные системы играют важную роль в работе с USB-устройствами. Они отвечают за:

  • Обнаружение и инициализацию устройств при подключении
  • Загрузку необходимых драйверов
  • Управление энергопотреблением
  • Организацию передачи данных на логическом уровне

В Windows для просмотра и управления USB-устройствами используется Диспетчер устройств. Здесь можно:


  • Просмотреть список подключенных USB-устройств
  • Проверить статус устройств и наличие конфликтов
  • Обновить или переустановить драйверы
  • Отключить неиспользуемые устройства

В Linux аналогичные функции выполняют утилиты командной строки, такие как lsusb и usbview.

Перспективы развития USB

Несмотря на появление новых интерфейсов, USB продолжает развиваться. Какие тенденции наблюдаются в эволюции этого стандарта?

  • Дальнейшее увеличение скорости передачи данных
  • Улучшение возможностей подачи питания (до 100 Вт с USB Power Delivery)
  • Унификация разъемов (переход на USB Type-C)
  • Интеграция с другими технологиями (например, Thunderbolt 3 и 4)
  • Расширение сферы применения (например, в автомобильной промышленности)

USB остается одним из самых распространенных и универсальных интерфейсов, продолжая адаптироваться к новым требованиям пользователей и технологий.


Что такое шина USB?


  1. Что такое USB?
  2. Кто создал USB?
  3. Как это работает?
  4. Какие виды периферийного оборудования поддерживает USB для подключения к моему PC?
  5. Нужно ли мне покупать специальное программное обеспечение, что бы работала USB-совместимая периферия?
  6. Что означает существование USB для поставщиков систем и периферии?
  7. Где я могу найти текущую версию спецификации USB?
  8. Как много USB-совместимых компьютеров можно ожидать на рынке?
  9. Есть ли уже устройства для USB шины?
  10. Как может применяться USB при наличие двух систем, например ноутбука и настольного компьютера?
  11. Что такое сообщество по внедрению USB (USB-IF)?
  12. Могу ли я присоединиться к сообществу USB-IF?
  13. Как можно сравнить USB со стандартом Sony FireWire/IEEE 1394?
  14. Заменит ли FireWire шину USB после своего появления?
  15. Что такое интеллектуальные вопросы собственности (Intellectual Property) в отношении USB, лицензия ли это, сколько она стоит, что такое «Соглашение обратной величины»(Reciprocal Covenent Agreement) о котором я слышал?
  16. Что такое сцпецификации OHCI и UHCI?
  17. Существует ли группа новостей про USB?
  18. Как я могу получить идентификационный индекс (ID) производителя USB?
  19. Есть ли возможность увеличить длину соединения устройств через шину USB до 50-200 метров (например, используя оптоволокно), если это понадобится пользователям?
  20. Когда устройство отключено, его драйвер выгружается из памяти, если опять подключить это же устройство, будет ли его драйвер снова загружен?
  21. Существуют ли планы по увеличению пропускной способности шины USB вдвое, втрое?
  22. Может ли кто нибудь разъяснить разницу между соединителями серии «A» и «B»?
  23. В чем разница между основным хабом и обычным с точки зрения аппаратной реализации и программного обеспечения?
  24. Возможно ли использование шины USB для подключения таких периферийных устройств, как CD-R, ленточных накопителей или жестких дисков?

– Что такое USB?

Спецификация периферийной шины USB разработана лидерами компьютерной и телекоммуникационной промышленности — Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom — для подключения компьютерной периферии вне корпуса машины по стандарту plug’n’play, в результате отпадает необходимость в установке дополнительных плат в слоты расширения и переконфигурировании системы. Персональные компьютеры, имеющие шину USB, позволяют подключать периферийные устройства и осуществляют их автоматическое конфигурирование, как только устройство физически будет присоединено к машине, и при этом нет необходимость перезагружать или выключать компьютер, а так же запускать программы установки и конфигурирования. Шина USB позволяет одновременно подключать последовательно до 127 устройств, таких, как мониторы или клавиатуры, выполняющие роль дополнительно подключенных компонентов, или хабов (т.е. устройство, через которое подключается еще несколько).

– Кто создал USB?

USB была разработана группой из семи компаний, которые видели необходимость во взаимодействии для обеспечения дальнейшего роста и развития расцветающей индустрии интегрированных компьютеров и телефонии. Эти семь компаний, продвигающие USB, следующие: Compaq, Digital Equipment Corp, IBM PC Co., Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom.

– Как это работает?

USB определяет, добавлено устройство или отключено, благодаря своей разумности, обеспечиваемой основной системой. Шина автоматически определяет, какой системный ресурс, включая программный драйвер и пропускную способность, нужен каждому периферийному устройству и делает этот ресурс доступным без вмешательства пользователя. Владельцы компьютеров, оснащенных шиной USB имеют возможность переключать совместимые периферийные устройства, так же просто, как они вкручивают новуюлампочку в лампу.

– Какие виды периферийного оборудования поддерживает USB для подключения к моему PC?

Вы знаете эти устройства: телефоны, модемы, клавиатуры, мыши, устройства чтения CD ROM, джойстики, ленточные и дисковые накопители, сканеры и принтеры. Скорость прокачки в 12 мегабит/секунду позволяет подключать через USB все современное поколение периферийных устройств, включая аппаратуру для обработки видео данных формата MPEG-2, перчатки для управления виртуальными объектами и дигитайзеры. Также, с ожиданием большого роста в области интеграции компьютеров и телефонии, шина USB может выступать в качестве интерфейса для подключения устройств Цифровой сети с интегрированными услугами (ISDN) и цифровых устройств Private Branch eXchange (PBX), позволяющих подключать большое количество телефонов к небольшому количеству линий связи.

– Нужно ли мне покупать специальное программное обеспечение, что бы работала USB-совместимая периферия?

Операционная система Windows 95 (начиная с версии OSR 2.1, выпущенной 29 октября 1996г.) поставляется уже со встроенными драйверами, которые позволяет Вашему персональному компьютеру распознавать USB периферию. В результате, Вам не нужно покупать или инсталлировать дополнительное программное обеспеченте для каждого нового периферийного устройства. Тем не менее, вместе с новой USB периферией вы получите дискету с новыми драйверами. Однако, не все так радужно — например, корректную работу принтера с интерфейсом USB способна обеспечить только OC Windows 98 и выше.

– Что означает существование USB для поставщиков систем и периферии?

Совместимость USB строится на основе технологически целостной и открытой спецификации, которая удовлетворяет потребностям потребителей в легко расширяемых компьютерах. В свою очередь, для поставщиков и реселлеров компьютеров, периферии и программного обеспечения, совместимость USB принесет прибыль, за счет использования новых методов маркетинга:

  • «Готовая платформа» позволяет логично связать аппаратное и программное обеспечение для совместной поставки покупателю.
  • USB может снизить риск возможной несовместимости периферийного и программного обеспечения, поставляемого с компьютерами, за счет поставки готовых систем по ключ, которые удовлетворяют требованиям специализированных рыночных ниш.
  • USB-совместимая периферия может предложить частным и корпоративным покупателям больший выбор оборудования, без страха снижения функциональных возможностей аппаратных средств.
  • Реселлеры получают большую гибкость в подборе аппаратуры и готовых систем, для стимуляции покупательского спроса, за счет возможности комбинирования комплектов поставляемой периферии, без опасений, что что-то с чем-то не будет работать в паре.
  • USB может обеспечить поставщикам периферии дополнительную выгоду, за счет поставки нового оборудования для систем, использующих технологию MMX™.
  • USB может помочь поставщикам снизить их затраты на разработки, что в свою очередь позволит им устанавливать новые, более конкурентноспособные, цены.

– Где я могу найти текущую версию спецификации USB?

Текущая версия спецификации доступна для загрузки со страницы сообщества по внедрению USB — USB Implementers Forum.

– Как много USB-совместимых компьютеров можно ожидать на рынке?

Компания Dataquest считает, что до 30 миллионов USB-совместимых персональных компьютеров будет продано в течении 1997, а в 1998 году, все персональные компьютеры будут оснащены шиной USB.

– Есть ли уже устройства для USB шины?

Персональные компьютеры с шиной USB начали поставляться на рынок еще в середине 1996 года, и первая волна периферии с подключением через USB шину уже доступна пользователям.

Так же доступны технологии, используемые для разработки и создания USB систем, таких как коннекторов, чипсетов и материнских плат.

– Как может применяться USB при наличие двух систем, например ноутбука и настольного компьютера?

Ответом является применение маленького адаптера, который будет определен в качестве устройства для каждой USB системы, которая входит в соединение. Два USB контроллера периферии с общим буфером памяти будет наиболее оптимальным решением, стоимость которого не должна превысить $50. Корпус адаптера может выглядеть, как маленькая капля в середине кабеля или, может быть, небольшое утолщение, расположенное на одном из его концов. Кабель, подобный описанному, сможет выполнять так же и функции хаба, всего лишь за небольшую дополнительную плату, а это уже гораздо более ценный продукт.

– Что такое сообщество по внедрению USB (USB-IF)?

Сообщество по внедрению шины USB — USB Implementers Forum специальная организация поддержки, созданная семью разработчиками шины USB для помощи в скорейшей разработке высококачественных совместимых устройств, использующих USB.

– Могу ли я присоединиться к сообществу USB-IF?

В принципе да. Вы можете узнать об условиях вступления из этого документа.

– Как можно сравнить USB со стандартом Sony FireWire/IEEE 1394?

Основные отличия состоят в области применения, доступности и цене. Использование USB доступно уже сейчас для традиционных устройств, подключаемых к PC, таких, как клавиатуры, мыши, джойстики и ручные сканнеры. Тем не менее, пропускная возможность USB в 12 Mb/сек более чем достаточна для большинства применений ее пользователями, включая более продвинутые игровые устройства, высококачественный звук и сжатое видео стандартов MPEG-1 и MPEG-2. Но, что более важно, применение USB не увеличивает стоимость готовой системы в силу интегрирования контроллера в чипсет.

FireWire будет доступна в простейших вариантах не ранее начала 1998. FireWire ориентирована на подключение к персональному компьютеру бытовой электроники, требующей высокой полосы пропускания, например, цифровых камер, проигрывателей цифровых видеодисков и цифровых устройств записи.

ШинаСкорость передачи данныхТопологияДлина соединительного кабеляПоддерживаемые устройства
USB12 Мб/сЗвезда5 м на сегментПериферия: устройства ввода, телекоммуникационное оборудование, принтеры, аудио/видео устройства
Firewire (IEEE P1394)100 Мб/сДерево4,5 мУстройства хранения данных и цифровая видеоэлектроника

– Заменит ли FireWire шину USB после своего появления?

Нет. Две технологии ориентированы на подключение разных периферийных устройств и следовательно будут дополнять друг друга. Если FireWire станет превалирующей, где-то через два года, все будет зависить от конкретного покупателя и его требований к своему новому компьютеру. Кажется вполне вероятным, что в будущем персональные компьютеры будут одновременно оснащены соединительными портами шины USB и FireWire.

– Что такое интеллектуальные вопросы собственности (Intellectual Property — IP) в отношении USB, лицензия ли это, сколько она стоит, что такое «Обратный Договор»(Reciprocal Covenent Agreement) о котором я слышал?

Использование USB свободно от авторского гонорара, т.е. создатели спецификации разрешают любому разрабатывать на ее основании продукцию без какой либо платы за это. Разработчики спецификации шины подписали IP соглашение, в котором обещается, что не будет никакого судебного преследования по любому включенному пункту в IP в пределах спецификации. Обратный Договор является копией этого соглашения с возможностью для любого, кто внедряет шину USB, подписать этот договор и вернуть его в администрацию USB-IF, для внесения записи о том, что соглашение прочитано и понято. Обратный Договор доступен каждому (членам USB-IF или нет) для разъяснения лицензионного соглашения на USB.

– Что такое сцпецификации OHCI и UHCI?

OHCI и UHCI, являются спецификациями, совместимыми с USB, и описывают интерфейс различных аппаратных реализаций встраиваемого контроллера. Многообразие встраиваимых в аппаратную часть систем контроллеров, является естественным развитием и создается в рамках спецификации USB.

– Существует ли группа новостей про USB?

Существует лист почтовой рассылки для членов USB-IF, в котором происходят обсуждения и взаимодействия между компаниями. Нет никакой цензуры или проверки, кроме правил переписки, определяющих, что обсуждаются только темы, связанные с USB. Это не настоящая группа новостей, так как работает только через электронную почту, соответственно не ведется никакого архива, доступного каждому для просмотра.

– Как я могу получить идентификационный индекс (ID) производителя USB?

Члены USB-IF получают ID производителя бесплатно, как только присоединяются к сообществу. Не члены сообщества могут получить ID производителя связавшись с администрацией USB-IF. С не членов сообщества взимается регистрационная пошлина в размере $200.

– Есть ли возможность увеличить длину соединения устройств через шину USB до 50-200 метров (например, используя оптоволокно), если это понадобится пользователям?

Периферийный интерфейс USB предназначен для настольных систем, а расстояние в 200 метров, похоже, соответствует очень большему столу. Многие компании, входящие в сообщество внедрения USB, уже долгое время обсуждают проблему применения шины на больших расстояниях и думают о создании продуктов, которые позволили бы сделать это возможным. Устройство расширения выглядит как два хаба для шины USB, однако использует другие протоколы (например, для оптоволокна) между точками соединения кабеля. На каждом конце электрический сигнал в USB должен быть транслирован в или из сигнала для длинных расстояний. Для того, что бы все это стало возможным, необходимо решить вопросы, связанные с протоколом передачи пакетов данных и временными задержками, которые должны быть совместимы и соответствовать спецификации USB.

– Когда устройство отключено, его драйвер выгружается из памяти, если опять подключить это же устройство, будет ли его драйвер снова загружен?

Да, динамическое конфигурирование и инициализация операционной системой включает в себя автоматическую загрузку и выгрузку из памяти драйверов, при возникновении необходимости.

– Существуют ли планы по увеличению пропускной способности шины USB вдвое, втрое?

Нет, шина USB была разработана в качестве периферийного интерфеса для настольных систем и имеет оптимальное соотношение производительности и цены на сегодняшний день. Новый интерфейс, такой как FireWire, для будущих высокоскоростных периферийных устройств, уже в стадии внедрения.

– Может ли кто нибудь разъяснить разницу между соединителями серии «A» и «B»?

Коннекторы серии «A» разработаны для всех устройств USB, и являются разъемом для периферии и гнездом для персонального компьютера. В большинстве случаев, кабель USB должен быть встроен в периферийное устройство. Это снижает стоимость соединителей, избавляет от несовместимости, возможной в случае разного сопротивления кабелей, и упрощает действия пользователей по подключению. Однако в некоторых случаях встроенный кабель нельзя использовать. Хорошим примером могут служить очень большие и тяжелые устройства, плохо сочетатающиеся с тонким кабелем, который нельзя удалить, а так же устройства, подключаемые только изредка, которые интенсивно используются, когда не являются подключенными. Для таких случаев и были созданы коннекторы серии «B». Две серии коннекторов различаются внешне, это сделано для предотвращения соединений, которые бы могли нарушить топологию архитектуры USB.

– В чем разница между основным хабом и обычным с точки зрения аппаратной реализации и программного обеспечения?

Все хабы совершенно одинаковы с точки зрения программного обеспечения (кроме разницы, как устройств имеющих питание и нет). Основной хаб (или корневой), это просто первый хаб, обнаруженный при нумерации. Во многих реализациях основной хаб может быть интегрирован в ту же микросхему, что и основной контроллер, это позволяет снизить стоимость.

– Возможно ли использование шины USB для подключения таких периферийных устройств, как CD-R, ленточных накопителей или жестких дисков?

Возможность применения основана на приемлемости уровня производительности. Если какое-то из этих устройств предполагается часто использовать, то, обычно предъявляются требования, что бы оно было механически интегрированно в систему и имело высокую производительность, опять же соответствующую уровню системы в целом. Шина USB не разрабатывалась для обеспечения постоянного соединения высокоскоростных периферийных устройств внутри корпуса компьютера. Если устройство используется время от времени или подключается к разным компьютерам, тогда, производительность, обеспечиваемая шиной USB будет более чем достаточной. Удобства использования и подключения устройств, обеспечиваемые USB с лихвой перевешивают параметры скорости предачи данных. Но все таки, USB обеспечивает скорость передачи на уровне 4x или 6x скоростных приводов CD (чего недостаточно для перезаписывающих устройств), но при этом лучшую, чем обеспечивают обычные ленточные накопители, подключенные через параллельный порт, дисководы для гибких магнитных дисков или съемные жесткие диски типа SyQuest.


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.

  1. Перейдите в раздел On CHIP PCI Device (или Integrated Peripherals в других версиях BIOS).
  2. Установите значение Enabled в строке USB 2.0 Controlled.
  3. 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.

  1. Даем команду Пуск > Панель управления > Система. В диалоговом окне Система открываем вкладку Оборудование, щелчком на кнопке Диспетчер устройств открываем одноименное диалоговое окно.
  2. 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.
  3. В диалоговом окне Свойства открываем вкладку Питание. На панели Подключенные устройства в столбце Требует питания проверяем энергопотребление устройств.
  4. 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.
  5. 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.
  6. В некоторых версиях BIOS существует параметр USB 2.0 HS Reference Voltage , управляющий питанием портов USB. Выставьте значение параметра Hight или Maximum.

Последовательная универсальная шина USB (Universal Serial Bus)

История появления и развития стандартов Universal Serial Bus (USB)

&nbsp &nbsp До появления первой реализации шины USB стандартная комплектация персонального компьютера включала один параллельный порт, обычно для подключения принтера (порт LPT), два последовательных коммуникационных порта (порты COM), обычно для подключения мыши и модема, и один порт для джойстика (порт GAME). Такая конфигурация была вполне приемлемой на заре появления персональных компьютеров, и долгие годы являлась практическим стандартом для производителей оборудования. Однако прогресс не стоял на месте, номенклатура и функциональность внешних устройств постоянно совершенствовались, что в конце концов привело к необходимости пересмотра стандартной конфигурации, ограничивающей возможность подключения дополнительных периферийных устройств, которых, с каждым днем становилось все больше и больше.

&nbsp &nbsp Попытки увеличения количества стандартных портов ввода-вывода не могли привести к кардинальному решению проблемы, и возникла необходимость разработки нового стандарта, который бы обеспечивал простое, быстрое и удобное подключение большого количества разнообразных по назначению периферийных устройств к любому компьютеру стандартной конфигурации, что, в конце концов, привело к появлению универсальной последовательной шины Universal Serial Bus (USB)

&nbsp &nbsp Первая спецификация последовательного интерфейса USB (Universal Serial Bus), получившая название USB 1.0, появилась в 1996 г. , усовершенствованная версия на ее основе, USB 1.1 — в 1998 г. Пропускная способность шин USB 1.0 и USB 1.1 — до 12 Мбит/с (реально до 1 мегабайта в секунду) была вполне достаточной для низкоскоростных периферийных устройств, вроде аналогового модема или компьютерной мышки, однако недостаточной для устройств с высокой скоростью передачи данных, что являлось главным недостатком данной спецификации. Однако, практика показала, что универсальная последовательная шина — это очень удачное решение, принятое практически всеми производителями компьютерного оборудования в качестве магистрального направления развития компьютерной периферии.

В 2000 г. появилась новая спецификация — USB 2.0, обеспечивающая уже скорость передачи данных до 480 Мбит/с (реально до 32 мегабайт в секунду). Спецификация предполагала полную совместимость с предыдущим стандартом USB 1.X и вполне приемлемое быстродействие для большинства периферийных устройств. Начинается бум производства устройств, оснащенных интерфейсом USB. «Классические» интерфейсы ввода — вывода были полностью вытеснены и стали экзотикой. Однако, для части высокоскоростного периферийного оборудования даже удачная спецификация USB 2.0 оставалась узким местом, что требовало дальнейшего развития стандарта.

В 2005 г. была анонсирована спецификация для беспроводной реализации USB — Wireless USB — WUSB, позволяющей выполнять беспроводное подключение устройств на расстоянии до 3-х метров с максимальной скоростью передачи данных 480 Мбит/сек, и на расстоянии до 10 метров с максимальной скоростью 110 Мбит/сек. Спецификация не получила бурного развития и не решала задачу повышения реальной скорости передачи данных.

В 2006 г. была анонсирована спецификация USB-OTG ( USB On-The-Go, благодаря которой стала возможной связь двух USB-устройств друг с другом без отдельного USB-хоста. Роль хоста в данном случае выполняет одно из периферийных устройств. Смартфонам, цифровым фотоаппаратам и прочим мобильным устройствам приходится быть как хостом, так и периферийным устройством. Например, при подключении по USB к компьютеру фотоаппарата, он является периферийным устройством, а при подключении принтеру он является хостом. Поддержка спецификации USB-OTG постепенно стала стандартом для мобильных устройств.

В 2008 г. появилась окончательная спецификация нового стандарта универсальной последовательной шины — USB 3.0 . Как и в предыдущих версиях реализации шины, предусмотрена электрическая и функциональная совместимость с предыдущими стандартами. Скорость передачи данных для USB 3.0 увеличилась в 10 раз — до 5 Гбит/сек. В интерфейсном кабеле добавились 4 дополнительные жилы, и их контакты были выведены отдельно от 4-х контактов предыдущих стандартов, в дополнительном контактном ряду. Кроме повышенной скорости передачи данных шина USB характеризуется еще и увеличившейся, по сравнению с предыдущими стандартами, силой тока в цепи питания. Максимальная скорость передачи данных по шине USB 3.0 стала приемлемой практически для любого, массово производимого периферийного компьютерного оборудования.

В 2013 году была принята спецификация следующего интерфейса — USB 3.1, скорость передачи данных которого может достигать 10 Гбит/с. Кроме того, появился компактный 24-контактный разъём USB Type-C, который является симметричным, позволяя вставлять кабель любой стороной.

После выхода стандарта USB 3.1 организация USB Implementers Forum (USB-IF) объявила, что разъёмы USB 3.0 со скоростью до 5 Гбит/с (SuperSpeed) теперь будут классифицироваться как USB 3.1 Gen 1, а новые разъёмы USB 3.1 со скоростью до 10 Гбит/с (SuperSpeed USB 10Gbps) — как USB 3.1 Gen 2. Стандарт USB 3.1 обратно совместим с USB 3.0 и USB 2.0.

В 2017 году организация USB Implementers Forum (USB-IF) опубликовала спецификацию USB 3.2. Максимальная скорость передачи составляет 10 Гбит/с. Однако в USB 3.2 предусмотрена возможность агрегации двух подключений (Dual-Lane Operation), позволяющая увеличить теоретическую пропускную способность до 20 Гбит/с . Реализация этой возможности сделана опциональной, то есть ее поддержка на уровне оборудования будет зависеть от конкретного производителя и технической необходимости, которая отличается, например, для принтера и переносного жесткого диска. Возможность реализации данного режима предусмотрена только при использовании USB Type-C.

www.usb.org — Документация по спецификациям USB для разработчиков на английском языке.

Нельзя не отметить, что существовала, и пока еще существует, альтернатива шине USB. Еще до ее появления, компания Apple разработала спецификацию последовательной шины FireWire (другое название — iLink), которая в 1995 г. была стандартизована Американским Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) под номером 1394. Шина IEEE 1394 может работать в трех режимах: со скоростью передачи данных до 100, 200 и 400 Мбит/с. Однако, по причине высокой стоимости и более сложной реализации, чем USB, эта разновидность высокоскоростной последовательной шины, большого распространения не получила, и постепенно вытесняется USB 2.0 – USB 3.2.

Общие принципы работы периферийных устройств Universal Serial Bus (USB)

&nbsp &nbsp Интерфейс USB оказался настолько удачным решением, что им оснастили практически все классы периферийных устройств, от мобильного телефона до веб-камеры или переносного жесткого диска. Наибольшее распространение получили (пока) устройства с поддержкой USB 2.0. Однако, USB 3.0 – 3.1 более востребован для высокоскоростных устройств, где он становится основным, постепенно вытесняя USB 2.0.

&nbsp &nbsp Периферийные устройства, с поддержкой USB при подключении к компьютеру автоматически распознаются системой (в частности, программное обеспечение драйвера и пропускную способность шины), и готовы к работе без вмешательства пользователя. Устройства с небольшим энергопотреблением (до 500мА) могут не иметь своего блока питания и запитываться непосредственно от шины USB.

  1. Благодаря использованию USB отпадает необходимость снятия корпуса компьютера для установки дополнительных периферийных устройств, а также необходимость выполнения сложных настроек при их установке.

  2. USB устраняет проблему ограничения числа подключаемых устройств. При использовании USB с компьютером может одновременно работать до 127 устройств.

  3. USB позволяет выполнять «горячее» (оперативное) подключение. При этом не требуется предварительное выключение компьютера, затем подключение устройства, перезагрузка компьютера и настройка установленных периферийных устройств. Для отключения периферийного устройства не требуется выполнять процедуру, обратную описанной.

Проще говоря, USB позволяет фактически реализовать все преимущества современной технологии «plug and play» («включай и работай»). Устройства, разработанные для USB 1.x могут работать с контроллерами USB 2.0. и USB 3.0

При подключении периферийного устройства вырабатывается аппаратное прерывание и управление получает драйвер HCD (Host Controller Driver) контроллера USB (USB Host Controller — UHC ), который на сегодняшний день интегрирован во все выпускаемые чипсеты материнских плат. Он опрашивает устройство и получает от него идентификационную информацию, исходя из которой управление передается драйверу, обслуживающему данный тип устройств. UHC контроллер имеет корневой (root) концентратор (Hub), обеспечивающий подключение к шине устройств USB.

Концентратор (USB HUB).

Точки подключения называются портами. К порту, в качестве устройства, может быть подключен другой концентратор. Каждый концентратор имеет исходящий порт (upstream port), соединяющие его с главным контроллером и нисходящие порты (downstream port) для подключения периферийных устройств. Концентраторы могут обнаруживать, выполнять соединение и отсоединение в каждом порте нисходящей связи и обеспечивать распределение напряжения питания в устройства нисходящего соединения. Каждый из портов нисходящей связи может быть индивидуально активизирован и сконфигурирован на полной или низкой скорости. Концентратор состоит из двух блоков: контроллера концентратора и ретранслятора концентратора. Ретранслятор — работающий под управлением протокола коммутатор между портом восходящей связи и портами нисходящей связи. Концентратор содержит также аппаратные средства поддержки перевода в исходное состояние и приостановки/возобновления подключения. Контроллер обеспечивает интерфейсные регистры, обеспечивающие передачу данных в главный контроллер и обратно. Определенное состояние и управляющие команды концентратора позволяют главному процессору конфигурировать концентратор, а также контролировать и управлять его портами.

Внешние концентраторы могут иметь собственный блок питания или же запитываться от шины USB.

Кабели и разъемы USB

Разъемы типа А используются для подключения к компьютеру или концентратору. Разъемы типа B используются для подключения к периферийным устройствам.

Все разъёмы USB, имеющие возможность входить в соединение друг с другом, рассчитаны на совместную работу.

Имеется электрическая совместимости всех контактов разъёма USB 2.0 с соответствующими контактами разъёма USB 3.0. При этом разъём USB 3.0 имеет дополнительные контакты, не имеющие соответствия в разъёме USB 2.0, и, следовательно, при соединении разъёмов разных версий «лишние» контакты не будут задействованы, обеспечивая нормальную работу соединения версии 2.0. Все гнёзда и штекеры между USB 3.0 Тип A и USB 2.0 Тип A рассчитаны на совместную работу. Размер гнезда USB 3.0 Тип B несколько больше, чем это могло бы потребоваться для штекера USB 2.0 Тип B и более ранних. При этом предусмотрено подключение в эти гнёзда и такого типа штекеров. Соответственно, для подключения к компьютеру периферийного устройства с разъёмом USB 3.0 Тип B можно использовать кабели обоих типов, но для устройства с разъёмом USB 2.0 Тип B — только кабель USB 2.0. Гнёзда eSATAp, обозначенные как eSATA/USB Combo, то есть имеющие возможность подключения к ним штекера USB, имеют возможность подключения штекеров USB Тип A: USB 2.0 и USB 3.0, но в скоростном режиме USB 2.0.

Разъёмы USB Type-C служат для подключения как к периферийным устройствам, так и к компьютерам, заменяя различные разъёмы и кабели типов A и B предыдущих стандартов USB, и предоставляя возможности расширения в будущем. 24-контактный двухсторонний разъём является достаточно компактным, близким по размерам к разъёмам микро-B стандарта USB 2.0. Размеры разъёма — 8,4 мм на 2,6 мм. Коннектор предоставляет 4 пары контактов для питания и заземления, две дифференциальные пары D+/D- для передачи данных на скоростях менее SuperSpeed (в кабелях Type-C подключена только одна из пар), четыре дифференциальные пары для передачи высокоскоростных сигналов SuperSpeed, два вспомогательных контакта (sideband), два контакта конфигурации для определения ориентации кабеля, выделенный канал конфигурационных данных (кодирование BMC — biphase-mark code) и контакт питания +5 V для активных кабелей.

Контакты разъёма и разводка кабеля USB Type-C


Type-C — штекер и гнездо
Кон. Название Описание Кон. Название Описание
A1 GND Заземление B12 GND Заземление
A2 SSTXp1 Диф. пара № 1 SuperSpeed, передача, положительный B11 SSRXp1 Диф. пара № 2 SuperSpeed, приём, положительный
A3 SSTXn1 Диф. пара № 1 SuperSpeed, передача, отрицательный B10 SSRXn1 Диф. пара № 2 SuperSpeed, приём, отрицательный
A4 VBUS Питание B9 VBUS Питание
A5 CC1 Канал конфигурации B8 SBU2 Sideband № 2 (SBU)
A6 Dp1 Диф. пара не-SuperSpeed, положение 1, положительный B7 Dn2 Диф. пара не-SuperSpeed, положение 2, отрицательный
A7 Dn1 Диф. пара не-SuperSpeed, положение 1, отрицательный B6 Dp2 Диф. пара не-SuperSpeed, положение 2, положительный
A8 SBU1 Sideband № 1 (SBU) B5 CC2 Канал конфигурации
A9 VBUS Питание B4 VBUS Питание
A10 SSRXn2 Диф. пара № 4 SuperSpeed, передача, отрицательный B3 SSTXn2 Диф. пара № 3 SuperSpeed, приём, отрицательный
A11 SSRXp2 Диф. пара № 4 SuperSpeed, передача, положительный B2 SSTXp2 Диф. пара № 3 SuperSpeed, приём, положительный
A12 GND Заземление B1 GND Заземление
  1. Неэкранированная дифференциальная пара, может использоваться для реализации USB Low Speed (1.0), Full Speed (1.0), High Speed (2.0) — до 480 Мбит/с
  2. В кабеле реализована только одна из дифференциальных пар не-SuperSpeed. Данный контакт не используется в штекере.
Назначение проводников в кабеле USB 3.1 Type-C
Разъём №1 кабеля Type-C Кабель Type-C Разъём №2 кабеля Type-C
Контакт Название Цвет оболочки проводника Название Описание Контакт Название
Оплётка Экран Оплётка кабеля Экран Внешняя оплётка кабеля Оплётка Экран
A1, B1, A12, B12 GND Лужёный GND_PWRrt1
GND_PWRrt2		 Общая земля> A1, B1, A12, B12 GND
A4, B4, A9, B9 VBUS Красный PWR_VBUS1
PWR_VBUS2		 VBUS питание A4, B4, A9, B9 VBUS
B5 VCONN Жёлтый
 PWR_VCONN VCONN питание B5 VCONN
A5 CC Синий CC Канал конфигурирования A5 CC
A6 Dp1 Белый UTP_Dp Неэкранированная дифференциальная пара, positive A6 Dp1
A7 Dn1 Зелёный UTP_Dn Неэкранированная дифференциальная пара, negative A7 Dn1
A8 SBU1 Красный SBU_A Полоса передачи данных A B8 SBU2
B8 SBU2 Чёрный SBU_B Полоса передачи данных B A8 SBU1
A2 SSTXp1 Жёлтый * SDPp1 Экранированная дифференциальная пара #1, positive B11 SSRXp1
A3 SSTXn1 Коричневый * SDPn1 Экранированная дифференциальная пара #1, negative B10 SSRXn1
B11 SSRXp1 Зелёный * SDPp2 Экранированная дифференциальная пара #2, positive A2 SSTXp1
B10 SSRXn1 Оранжевый * SDPn2 Экранированная дифференциальная пара #2, negative A3 SSTXn1
B2 SSTXp2 Белый * SDPp3 Экранированная дифференциальная пара #3, positive A11 SSRXp2
B3 SSTXn2 Чёрный * SDPn3 Экранированная дифференциальная пара #3, negative A10 SSRXn2
A11 SSRXp2 Красный * SDPp4 Экранированная дифференциальная пара #4, positive B2 SSTXp2
A10 SSRXn2 Синий * SDPn4 Экранированная дифференциальная пара #4, negative B3 SSTXn2
* Цвета для оболочки проводников не установлены стандартом

Подключение ранее выпущенных устройств к компьютерам, оснащённым разъёмом USB Type-C, потребует кабеля или адаптера, имеющих штекер или разъём типа A или типа B на одном конце и штекер USB Type-C на другом конце. Стандартом не допускаются адаптеры с разъёмом USB Type-C, поскольку их использование могло бы создать «множество неправильных и потенциально опасных» комбинаций кабелей.

Кабели USB 3.1 с двумя штекерами Type-C на концах должны полностью соответствовать спецификации — содержать все необходимые проводники, должны быть активными, включающими в себя чип электронной идентификации, перечисляющий идентификаторы функций в зависимости от конфигурации канала и сообщения, определяемые вендором (VDM) из спецификации USB Power Delivery 2.0. Устройства с разъёмом USB Type-C могут опционально поддерживать шины питания с током в 1,5 или 3 ампера при напряжении 5 вольт в дополнение к основному питанию. Источники питания должны уведомлять о возможности предоставления увеличенных токов через конфигурационный канал либо полностью поддерживать спецификацию USB Power Delivery через конфигурационный контакт (кодирование BMC) или более старые сигналы, кодируемые как BFSK через контакт VBUS. Кабели USB 2.0, не поддерживающие шину SuperSpeed, могут не содержать чип электронной идентификации, если только они не могут передавать ток 5 ампер.

Спецификация коннекторов USB Type-C версии 1.0 была опубликована форумом разработчиков USB в августе 2014 года. Она была разработана примерно в то же время, что и спецификация USB 3.1.

Использование коннектора USB Type-C не обязательно означает, что устройство реализует высокоскоростной стандарт USB 3.1 Gen1/Gen2 или протокол USB Power Delivery.

&nbsp &nbsp Универсальная последовательная шина является самым распространенным, и наверно, самым удачным компьютерным интерфейсом периферийных устройств за всю историю развития компьютерного оборудования, что подтверждается огромным количеством USB — устройств, некоторые из которых могут показаться несколько неожиданными или глуповато-смешными.

Если вы желаете поделиться ссылкой на эту страницу в своей социальной сети, пользуйтесь кнопкой «Поделиться»

В начало старницы &nbsp&nbsp&nbsp | &nbsp&nbsp&nbsp На главную страницу сайта

― Spline

При подготовке этого раздела использовались материалы с USB Implementers Forum.

Содержание:

       

Введение

        Шина USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно — версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициировна весьма авторитетными фирмами — Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq.
        Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками — создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов. Кроме этого, желательно питание маломощных устройств подавать с самой шины. Скорость шины должна быть достаточной для подавляющего большинства периферийных устройств. 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.

Практически все поставленные задачи были решены в стандарте на USB и весной 1997 года стали появляться компьютеры, оборудованные разъемами для подключения USB устройств (см. фото слева), но периферия с подключением к USB  до середины 1998 года  так практически и не появилась. В чем дело? Почему только к концу 1998 года уже существенно активнее производители оборудования стали предлагать на рынке устройства с USB интерфейсом? Этому есть несколько объяснений:

  • отсутствие острой необходимости для пользователей настольных компьютеров в устройствах с полной поддержкой Plug&Play. Периферия к настольному компьютеру подключается, как правило, всерьез и надолго и особой нужды в частой смене периферии у подавляющего большинства пользователей нет.

  • более высокая стоимость устройств с USB по сравнению с аналогичными устройствами, имеющими стандартные интерфейсы

  • отсутствие поддержки со стороны производителей программного обеспечения и, главным образом, Microsoft, хотя она и была одним из авторов стандарта. Только в Windows 98 появилась полная поддержка USB, а в Windows NT она только должна быть в 1999 году.

Сейчас USB стала активно внедряться производителями компьютерной периферии. Сенсацией стало наличие в компьютере iMAC фирмы Apple Computers только USB в качестве внешней шины.

Технические характеристики

Возможности USB следуют из ее технических характеристик:

  • Высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) — 12 Mb/s

  • Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена — 5 m

  • Низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) — 1.5 Mb/s

  • Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена — 3 m

  • Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) — 127

  • Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена

  • Отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов, таких как терминаторы для SCSI

  • Напряжение питания для периферийных устройств — 5 V

  • Максимальный ток потребления на одно устройство — 500 mA (это не означает, что через USB можно запитать устройства с общим током потребления 127 x 500 mA=63.5 A)

Поэтому целесообразно подключать к USB практически любые периферийные устройства, кроме цифровых видеокамер и высокоскоростных жестких дисков. Особенно удобен этот интерфейс для подключения часто подключаемых/отключаемых приборов, таких как цифровые фотокамеры. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение/расчленение.
Возможность использования  только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины, но существенно уменьшает количество линий интерфейса и упрощает аппаратную реализацию.
Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джойстики и т.п.

Топология

Такой иконой официально обозначается шина USB как в Windows 98, так и на задних стенках компьютеров (к сожалению, далеко не всех), а также на всех разъемах USB. Эта икона на самом деле правильно отображает идею топологии USB. Топология USB практически не отличается от топологии обычной локальной сети на витой паре, обычно называемой «звездой». Даже терминология похожа — размножители шины также называются HUB’ами.

 

Условно дерево подключения USB устройств к компьютеру можно изобразить так (цифрами обозначены периферийные устройства с USB интерфейсом):

Вместо любого из устройств может также стоять HUB. Основное отличие от топологии обычной локальной сети — компьютер (или host устройство) может быть только один. HUB может быть как отдельным устройством с собственным блоком питания, так и встроенным в периферийное устройство. Наиболее часто HUB’ы встраиваются в мониторы и клавиатуры

На рисунке выше показан пример правильного соединения периферийных устройств в условную USB сеть. Так как обмен данными по USB идет только между компьютером и периферийным устройством (между устройствами обмена нет), то устройства с большими объемами приема и/или передачи данных должны подключаться либо к самому компьютеру, либо к ближайшему свободному узлу. В данном случае наивысший трафик у колонок (~1.3 Mb/s), затем идут модем и сканер, подключенные к HUB’у в мониторе и завершают цепь клавиатура, джойстик и мышь, трафик у которых близок к нулю.
Может возникнуть вопрос — почему колонки имеют такой высокий трафик? Дело в том, что колонки с USB интерфейсом существенно отличаются от обычных. Для использования таких колонок НЕ ТРЕБУЕТСЯ звуковая карта. Драйвер колонок отправляет оцифрованный звук сразу в колонки, где с помощью АЦП (ADC) он преобразуется в аналоговый сигнал и подается на динамики.

Кабели и разъемы

Сигналы USB передаются по 4-х проводному кабелю, схематично показанному на рисунке ниже:

 

 

 

Здесь GND — цепь «корпуса» для питания периферийных устройств, VBus — +5V также для цепей питания. Шина D+ предназначена для передачи данных по шине, а шина D- для приема данных.
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.
Разъемы, используемые для подключения периферийных устройств, показаны на рисунке ниже.

Разъемы серии «А»

Разъемы серии «В»

Вилка типа «A».

Вилка типа «B».

Розетка типа «А»

Розетка типа «В»

Как видно из рисунка, невозможно подключить устройство неправильно, так как разъем серии «А» можно подключить только к активному устройству на USB — HUB’у или компьютеру, а серии «В» только к собственно периферийному устройству.

USB разъемы имеют следующую нумерацию контактов:

Номер контакта

Назначение

Цвет провода

1

V BUS

Красный

2

D —

Белый

3

D +

Зеленый

4

GND

Черный

Оплетка

Экран

Оплетка

 

Цоколевка разъемов USB

    

   

Розетка типа ‘A’

Розетка типа ‘B’

 

         

Вилка типа ‘A’

Вилка типа ‘B’

 

Какие устройства есть или будут использовать USB

В режиме низкой скорости:

  • Клавиатуры

  • Мыши

  • Джойстики

  • Матричные принтеры

  • Дигитайзеры

  • Цифровые фотокамеры

  • Модемы для обычных телефонных линий

  • Цепи управления монитором компьютера

В режиме высокой скорости:

Развитие USB

           В 1999 году тот же консорциум компьютерных компаний, который инициировал разработку первой версии стандарта на шину USB, начал активно разрабатывать версию 2.0 USB, которая отличается тем, что полоса пропускания шины увеличена в 20 (!) раз, до 250 Mbits/s, что делает возможным передачу видеоданных по USB и делает ее прямым конкурентом IEEE-1394 (FireWire).
           Совместимость всей ранее выпущенной периферии и высокоскоростных кабелей полностью сохраняется и сохраняется одно из самых главных достоинств USB — низкая стоимость контроллера. Контроллер стандарта 2.0 также предполагается интегрировать в chipset.
           Все хорошо, но есть одно но: шина IEEE-1394 уже весьма активно используется даже в бытовых цифровых видеокамерах, для нее есть платы видеомонтажа и при постоянном падении цен на цифровые видеокамеры она будет использоваться все шире и шире. Новая же версия USB должна быть только окончательно разработана к середине 2000 года, а первые устройства с поддержкой нового варианта USB должны появиться не ранее конца 2000 года. Для компьютерной индустрии это очень большие сроки. Уже в июле 1999 года, например, фирма ASUSTeK Computers выпускает первую материнскую плату (P3B-1394) со встроенным контроллером IEEE-1394. Наверняка это не останется незамеченным и другие производители также начнут выпускать подобные платы. Поэтому к моменту выхода устройств на USB 2.0 место под солнцем может быть уже занято.

  

47. Шины ввода/вывода. Шина USB

Шина USB предназначена для обеспечения обмена данными между компьютером (центральным процессором устройства) и подсоединенными к нему периферийными устройствами (ПУ) в условиях динамического (горячего) изменения конфигурации системы.

При проектировании новой шины особое внимание обращалось на следующие показатели:

• простоту изменения конфигурации системы;

• стоимость законченного решения при пропускной способности до 12 Мбит/с;

• возможность передачи потоков аудио- и сжатых видеоданных в реальном времени;

• обеспечение одновременной передачи разных типов данных;

• адаптацию к существующей инфраструктуре ПК и возможность быстрого включения интерфейса шины в представленное на рынке прикладное ПО;

• стимулирование разработки новых классов устройств, расширяющих возможности ПК.

Возможности USB следуют из ее технических характеристик:

• высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) -12 Mb/s;

• максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена — 5 m;

• низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) — 1.5 Mb/s;

• максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена -Зт;

• максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) — 127;

• возможно подключение устройств с различными скоростями обмена;

• отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов, таких как терминаторы для SCSI;

• напряжение питания для периферийных устройств — 5 V;

• максимальный ток потребления на одно устройство — 500 mA (это не означает, что через USB можно запитать устройства с общим током потребления 127 х 500 mA=63.5 А).

Поэтому целесообразно подключать к USB практически любые периферийные устройства, кроме цифровых видеокамер и жестких высокоскоростных дисков. Особенно удобен этот интерфейс для подключения часто подключаемых отключаемых приборов, таких как цифровые фотокамеры. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение — расчленение. Возможность использования только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины, но существенно уменьшает количество линий интерфейса и упрощает аппаратную реализацию. Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джостики и т. д.

Сама шина — это многоуровневая иерархическая система. На физическом уровне топология шины представляет собой корневидную структуру (рис. 7.2) — многоуровневую звезду (в терминологии стандарта), при которой соединения могут формировать цепочки и звезды. Закольцовка соединений в системе не допускается (этому, в частности, препятствует разная конструкция разъемов входного и выходного портов шины USB).

В самой верхней части «корня» шины USB находится корневой концентратор, обеспечивающий связь периферии с компьютером (хостом). В текущей реализации стандарта допускается наличие только одного корневого концентратора, хотя и делается очень важная оговорка о возможности модернизации в будущем с целью поддержки нескольких корневых узлов в одной системе, что позволит, по мнению автора, создавать своего рода микросети в пределах,  например,  одного  помещения.  Уже практически  готовы основные, системообразующие, решения и компоненты: концентраторы, мультиплексированная шина, программные и аппаратные средства ее поддержки.

         Центром каждой звезды является узел (концентратор) шины USB, который обеспечивает набор двухточечных соединений с другими узлами и/или функциями, лежащими вниз по потоку (т. е. на большем удалении от компьютера). Узел состоит из двух функциональных элементов — повторителя, служащего для управления коммутацией потоков информации между входным и выходными портами узла, и контроллера, предназначенного для управления статусом (состоянием) узла и его портов (рис. 7.2).

Функции шины USB — это возможности, которые формируют полезные свойства сети USB, например выход в линию ISDN, получение данных от джойстика или вывод сигнала на звуковые колонки. Понятие функции не эквивалентно определению устройства, поскольку последнее может реализовать сразу несколько функций. В этом случае оно называется составным и рассматривается системой как узел с несколькими постоянно подключенными однофункциональными устройствами. Подобное устройство должно содержать встроенный концентратор шины USB.

Все устройства и узлы шины USB могут иметь собственные источники питания или запитываться от вышестоящего узла USB. (Запитываемый от шины узел обеспечивает работу до четырех ПУ, а с собственным питанием — до семи и более.) Все эти устройства в соответствии со стандартом шины подразделяются на классы, которые образуют свою иерархию. Классами-родоначальниками являются узлы и функции. Введение классов устройств должно, по мнению создателей шины, способствовать стандартизации аналогичных по назначению периферийных устройств разных производителей. По мере необходимости разработчики смогут, кроме стандартных классов, определять новые классы ПУ.

Интерфейс между USB и компьютером называется хост-контроллером (host controller, НС), который реализуется комбинацией аппаратных средств и драйвера хост-контроллера (host controller driver, HCD). Хост-контроллер отвечает за выполнение следующих операций:

• обнаружение подключения/отключения устройств;

• потоки управляющей информации между хостом и ПУ;

• управление потоками данных по шине, в частности выполнение протокола шины;

• сбор информации о статусе и активности ПУ-системы, а также формирование отчетов о состоянии системы USB;

• выделение ПУ определенных лимитов энергоресурсов системы (особенно актуально

для мобильных систем).

Хост-контроллер USB активно взаимодействует с различными службами операционной системы. Например, при наличии в ОС службы управления энергоресурсами АРМ (advanced power management) ПО USB перехватывает и выполняет запросы этой службы на приостановку функционирования и восстановление рабочего состояния конкретных устройств.

Прикладной интерфейс USB содержит драйверы стандартных классов устройств для данной ОС. Здесь используются обращения к специфическим службам ОС, в частности РпР для Windows 95. Разработчики нестандартного оборудования должны включать свои драйверы в этот уровень ПО шины USB.

Еще один важный компонент верхнего уровня ПО шины — система конфигурирования шины и идентификации ПУ, поставляемая разработчиком ОС или независимыми производителями ПО. Эта система управляет всеми узлами сети, в том числе корневым концентратором, и является частью службы управления энергопотреблением компьютерной системы.

Ключевым элементом ПО USB является драйвер USBD, поставляемый, как сказано в стандарте шины, разработчиком ОС. На него ложится вся диспетчеризация активности на шине. Драйвер транслирует запросы ввода/вывода клиентского ПО в вызовы HCD. Например, USBD на основании данных запроса на подключение нового ПУ (число конечных точек в устройстве, допустимые типы и объемы передач данных и т. д.) дает отказ или удовлетворяет запрос, исходя из свободных ресурсов шины.

USBD опирается на драйвер хост-контроллера, скрывающий особенности аппаратных решений USB от вышележащего ПО. Драйвер хост-контроллера отслеживает выполнение текущих запросов на доступ к шине и обеспечивает бездефицитное выделение имеющихся ресурсов шины. Драйвер хост-контроллера также поставляется разработчиком ОС и содержит в настоящее время два аппаратных интерфейса: UHCI (universal host controller interface) и OHCI (open host controller interface).

Как и в любой сложной многоуровневой системе, использующей общий коммуникационный канал, передача потоков информации между хостом и ПУ по шине USB требует взаимодействия многих программных и аппаратных компонентов, каждый из которых имеет свою сферу ответственности. Это придает особое значение протоколу обмена между элементами системы.

В шине USB используется мультиплексирование передаваемых данных с временным уплотнением (time division multiplexing, TDM). Основу логической модели передачи данных составляют пакеты. Размер пакета переменный, он зависит от многих факторов. Хост-контроллер объединяет пакеты в кадры, длительность которых 0,001 с. Порядок следования пакетов в кадре определяется драйвером хост-контроллера, однако для каждого получателя информации (логического канала передачи данных) гарантируется сохранение последовательности поступления данных.

Системное ПО шины и специальные протоколы обмена скрывают от клиентского ПО (прикладных программ) сложность централизованного управления маркерным доступом к совместно используемым ресурсам шины USB, сводя его к системе двухточечных связей. Этим USB отличается от таких шин, как PCI, EISA, PCMCIA, где клиентское ПО напрямую работает с адресатом.

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

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.


Узнать еще:

Что такое универсальная последовательная шина (USB)?

Что означает универсальная последовательная шина (USB)?

Универсальная последовательная шина (USB) — это общий интерфейс, который обеспечивает связь между устройствами и главным контроллером, например персональным компьютером (ПК) или смартфоном. Он соединяет периферийные устройства, такие как цифровые камеры, мыши, клавиатуры, принтеры, сканеры, мультимедийные устройства, внешние жесткие диски и флэш-накопители. Из-за широкого разнообразия использования, включая поддержку электроэнергии, USB заменил широкий спектр интерфейсов, таких как параллельный и последовательный порт.

USB предназначен для улучшения технологии plug-and-play и позволяет выполнять горячую замену. Plug-and-play позволяет операционной системе (ОС) спонтанно настраивать и обнаруживать новое периферийное устройство без перезагрузки компьютера. Кроме того, горячая замена позволяет извлекать и заменять новое периферийное устройство без перезагрузки.

Есть несколько типов разъемов USB. В прошлом большинство USB-кабелей было одного из двух типов: типа A и типа B. Стандарт USB 2.0 — это тип A; у него плоский прямоугольный интерфейс, который вставляется в концентратор или USB-хост, который передает данные и подает питание.Клавиатура или мышь являются типичными примерами USB-разъема типа A. Разъем USB типа B имеет квадратную форму со скошенными внешними углами. Он подключен к восходящему порту, который использует съемный кабель, например, принтер. Разъем типа B также передает данные и подает питание. Некоторые разъемы типа B не имеют подключения для передачи данных и используются только в качестве подключения к источнику питания.

Сегодня новые разъемы заменили старые, такие как Mini-USB (или Mini-B), от которого отказались в пользу кабелей Micro-USB и USB-C.Кабели Micro-USB обычно используются для зарядки и передачи данных между смартфонами, игровыми контроллерами и некоторыми компьютерными периферийными устройствами. Micro-USB постепенно заменяется разъемами типа C, которые становятся новым стандартом для смартфонов и планшетов Android.

Techopedia объясняет универсальную последовательную шину (USB)

Универсальная последовательная шина (USB) — это, по сути, более новый порт, который используется в качестве общего интерфейса для подключения нескольких различных типов устройств, таких как:

  • Клавиатуры.
  • Принтеры.
  • Медиаустройства.
  • Камеры.
  • Сканеры.
  • Мыши.

Он разработан для простой установки, более высокой скорости передачи данных, более качественной прокладки кабелей и горячей замены. Он окончательно заменил более громоздкие и медленные последовательные и параллельные порты.

USB был изобретен и создан Аджаем Бхаттом, компьютерным архитектором, работавшим в Intel. В 1994 году семь компаний, включая Intel, Compaq, Microsoft, IBM, Digital Equipment Corporation (DEC), Nortel и NEC Corporation, начали разработку USB.

Их цель заключалась в том, чтобы упростить подключение периферийных устройств к ПК и устранить чрезмерное количество разъемов. В число вовлеченных факторов входили: увеличение пропускной способности, оптимизация конфигураций программного обеспечения и решение проблем использования существующих интерфейсов.

Дизайн USB стандартизирован Форумом разработчиков USB (USBIF), который состоит из группы компаний, поддерживающих и продвигающих USB. USBIF не только продает USB, но и поддерживает спецификации и поддерживает программу соответствия.Спецификации для USB были созданы в 2005 году с версией 2.0. Стандарты были введены USBIF в 2001 году; к ним относятся более старые версии 0.9, 1.0 и 1.1, которые обратно совместимы.

Одна из величайших особенностей USB — это горячая замена. Эта функция позволяет удалить или заменить устройство без необходимости в прошлом перезагрузки и прерывания работы системы. Старые порты требовали перезагрузки ПК при добавлении или удалении нового устройства.

Перезагрузка позволила изменить конфигурацию устройства и предотвратить электростатический разряд (ESD) — нежелательный электрический ток, способный вызвать серьезные повреждения чувствительного электронного оборудования, такого как интегральные схемы.

Горячая замена отказоустойчива, т. Е. Способна продолжать работу, несмотря на аппаратный сбой. Однако следует соблюдать осторожность при горячей замене определенных устройств, например камеры; Если один из контактов случайно закорочен, это может привести к повреждению порта, камеры или других устройств.

Еще одна особенность USB — использование постоянного тока (DC). Фактически, некоторые устройства используют линию питания USB для подключения к постоянному току и не передают данные. Примеры устройств, использующих USB-разъем только для постоянного тока, включают набор динамиков, аудиоразъем и устройства питания, такие как миниатюрный холодильник, подогреватель кофейных чашек или лампа для клавиатуры.

USB версии 1 допускает две скорости: 1,5 Мбит / с (мегабит в секунду) и 12 Мбит / с, что хорошо подходит для медленных устройств ввода-вывода. USB версии 2 обеспечивает скорость до 480 Мбит / с и обратно совместим с более медленными USB-устройствами. Первая версия USB 3 (USB 3.0 или SuperSpeed ​​USB) была выпущена в 2008 году и обеспечивала скорость 500 Мбит / с. В 2013 и 2017 годах были выпущены два новых USB версии 3: USB 3.1 и USB 3.2, которые обеспечивали 1,21 Гбит / с и 2,42 Гбит / с соответственно.

Что такое универсальная последовательная шина USB »Примечания по электронике

USB, универсальная последовательная шина имеет версии, включая USB 1.1, USB 2 и USB3 / 3.1 и обеспечивает удобное и эффективное подключение компьютерных систем.

Универсальная последовательная шина USB Включает:
Введение в USB Стандарты USB Разъемы, распиновка и кабели Передача данных и протокол USB 3 USB-C USB-концентраторы Как купить лучший USB-концентратор

USB, универсальная последовательная шина — один из наиболее распространенных интерфейсов для подключения различных периферийных устройств к компьютерам и обеспечения относительно локальных и небольших уровней передачи данных.

Интерфейсы USB

можно найти во всем: от персональных компьютеров и ноутбуков до периферийных устройств, мобильных телефонов, фотоаппаратов, флеш-накопителей, резервных копий жестких дисков и многих других устройств. Сочетание удобства и производительности означает, что теперь это один из наиболее широко используемых компьютерных интерфейсов.

Универсальная последовательная шина, USB обеспечивает очень простое и эффективное средство обеспечения связи и, как следствие, очень широко используется.

В то время как USB обеспечивает достаточно быстрый механизм последовательной передачи данных для передачи данных, также можно получать питание через разъем, что позволяет питать небольшие устройства через разъем, что делает его еще более удобным в использовании, особенно в режиме реального времени. -идти.’

Подборка разъемов USB, переходников и кабелей

Что такое USB

USB или универсальная последовательная шина — это интерфейс данных, используемый с компьютерами, позволяющий компьютеру отправлять и получать данные, а также обеспечивать питание некоторых периферийных устройств, таких как дисководы, флэш-накопители и т. П., Так что отдельные источники питания не требуются для каждого из них. пункт.

USB в настоящее время является наиболее распространенной формой компьютерного интерфейса, и он пришел на смену другим формам компьютерных интерфейсных портов, которые обычно работают намного медленнее.Наличие стандартного типа интерфейсного порта значительно увеличивает гибкость компьютеров, поскольку нет необходимости иметь кабели для различных портов, которые использовались раньше.

USB использует последовательную форму передачи данных и позволяет подключать до 127 различных периферийных устройств к одному порту — это потребует использования концентратора или концентраторов для подключения этого номера.

USB-релизов и эволюция

Интерфейс USB был разработан в связи с необходимостью в интерфейсе связи, который был бы удобен в использовании и который поддерживал бы более высокие скорости передачи данных, необходимые в компьютерной и периферийной промышленности.

Первым надлежащим выпуском спецификации USB была версия 0.7 спецификации. Это произошло в ноябре 1994 года. В январе 1996 года последовал USB 1.0. USB 1.0 получил широкое распространение и стал стандартом на многих ПК, а также на многих принтерах, использующих этот стандарт. В дополнение к этому, множество других периферийных устройств используют интерфейс USB, а небольшие карты памяти начинают казаться удобным способом передачи или временного хранения данных.


Обзор версий USB и производительности
Версия USB Детали
USB 1 Низкая скорость: 1.5 Мбит / с
Полная скорость: 12 Мбит / с
USB 2 ‘High Speed’ скорость 480 Мбит / с
USB 3 Скорость передачи необработанных данных 5 Гбит / с для USB 3.0 и 10 Гбит / с для 3.1.

USB-разъем типа B

Основная концепция USB заключалась в интерфейсе, который мог бы подключать к ПК различные компьютерные периферийные устройства, такие как клавиатуры и мыши. Однако с момента его появления приложения для USB расширились, и он использовался для многих других целей, включая измерения и автоматизацию.

Что касается производительности, USB 1.1 обеспечивает максимальную пропускную способность 12 Мбит / с, но с появлением USB 2.0 максимальная скорость составляет 480 Мбит / с.

В процессе работы хост USB автоматически определяет, когда было добавлено новое устройство. Затем он запрашивает идентификацию у устройства и соответствующим образом настраивает драйверы. Топология шины позволяет одновременно работать до 127 устройств на одном порте. И наоборот, классический последовательный порт поддерживает одно устройство на каждом порту. Добавляя концентраторы, к USB-хосту можно добавить больше портов, создавая подключения для большего количества периферийных устройств.

Введение USB 3, как USB 3.0, так и 3.1, привело к значительному увеличению скорости и функциональности. USB 3.0 обеспечивает скорость передачи данных до 5 Гбит / с для USB 3.0, что примерно в 10 раз быстрее, чем стандарт USB 2.0, и 10 Гбит / с для USB 3.1.

Разъемы USB

USB-система имеет ряд различных разъемов, самым большим из которых является USB-разъем типа A, но есть также мини- и микро-версии, а также типы A и B. Также был представлен новый разъем типа C, обеспечивающий производительность, необходимую для последней версии USB.

USB 3 требует кабеля более высокой спецификации. Производители отличают разъемы USB 3 Type A от их аналогов USB 2, используя синий цвет для внутренней пластиковой кромки для розеток и вилок Standard-A, и они часто помечаются словами SuperSpeed ​​или инициалами SS.

Разъем USB 3 типа A
Обратите внимание на синюю вставку на разъеме, которая обычно обозначает USB 3

Разъем USB-C также широко используется, и где он находится, USB 3.1 — стандарт по умолчанию.


Форум разработчиков USB, USB-IF

Для разработки и управления спецификациями USB в 1995 году группой компаний, занимавшейся разработкой USB, была создана организация под названием Форум разработчиков USB, USB-IF. Среди компаний-основателей были Compaq, Digital, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Nortel.

С момента основания количество участников форума резко увеличилось, и сейчас их насчитывается более 700 компаний.

USB-IF обеспечивает множество функций с точки зрения поддержки существующих стандартов, но, что более важно, с точки зрения постоянного развития интерфейса USB для удовлетворения постоянно растущих потребностей отрасли и огромного числа пользователей по всему миру. В дополнение к этому форум также публикует и продвигает стандарт, чтобы обеспечить его дальнейшее применение. Еще одна функция форума — предоставить программу соответствия, чтобы гарантировать, что продукты соответствуют стандарту и могут взаимодействовать друг с другом.В совместимых продуктах могут использоваться соответствующие логотипы.

Для достижения этих целей USB-IF разделен на три основные рабочие группы:

  • Рабочая группа USB-устройств
  • Комитет по соответствию
  • Комитет по маркетингу
USB-разъем типа A на кабеле

Разделение различных областей на разные рабочие группы позволяет людям с определенными областями знаний присоединиться к соответствующей группе и сосредоточиться на одной конкретной области.

USB-концентраторы

USB-концентраторы

— это устройства, которые расширяют один USB-порт для подключения нескольких USB-устройств.Многие компьютеры имеют ограниченное количество USB-портов, но требуют одновременного подключения все большего числа устройств.

Концентратор USB 3 с разъемами типа A

Использование концентратора USB позволяет значительно расширить возможности подключения, тем самым обеспечивая более высокий уровень подключения для одного порта USB компьютера.


Как использовать USB: советы и подсказки

USB-система очень проста в использовании и действительно не требует каких-либо инструкций по использованию.Однако несколько простых рекомендаций помогут убедиться, что он работает хорошо и не вызывает икоты.

  • Надежно подключите устройство: Убедитесь, что устройство надежно вставлено в розетку и обеспечен надлежащий контакт. Кроме того, поскольку штекер USB удерживается в гнезде за счет трения, убедитесь, что он вставлен полностью, чтобы не выпасть.

  • Будьте осторожны при подключении: Убедитесь, что вилка вставлена ​​правильно.Иногда может потребоваться тщательный осмотр, чтобы убедиться, что разъем USB расположен правильно. Особенно с небольшими разъемами, USB mini и USB micro, не всегда может быть легко увидеть, где это должно быть.

  • Извлечь правильно: При работе с такими устройствами, как карты памяти, убедитесь, что устройство извлекается в программном обеспечении, прежде чем физически извлекать его.

  • Помните о текущих ограничениях: USB-порты могут подавать только определенное количество тока.Периферийным устройствам, таким как внешние приводы компакт-дисков или даже другому оборудованию, может потребоваться относительно высокий уровень тока, и они могут не работать, если они подключены через ключ-расширитель. Возможно, их потребуется подключить непосредственно к порту компьютера и т. Д.

Внешний USB-привод CD / DVD для портативного компьютера

Преимущества и недостатки USB

USB имеет много преимуществ по сравнению с другими технологиями, но также имеет ряд недостатков, которые необходимо учитывать при выборе технологии, которая будет использоваться.

Преимущества USB

  • Простота использования
  • Допустимая скорость передачи данных для многих приложений
  • Прочная соединительная система
  • Доступны различные типы / размеры разъемов
  • Низкая стоимость

Недостатки USB

  • Передача данных не такая быстрая, как в некоторых других системах
  • Ограниченные возможности и общая производительность

USB имеет множество преимуществ, поэтому он так широко используется.Однако его простота и легкость использования означают, что он не всегда применим в приложениях, где для очень высокоскоростной передачи данных требуются более сложные интерфейсы.

USB, универсальная последовательная шина используется практически без исключения на большинстве ПК, даже Macbook, которые перешли на разъем Lightning, имеют интерфейсные кабели, позволяющие легко взаимодействовать с USB. При наличии множества других периферийных устройств, использующих USB, возможность подключения с помощью этого интерфейса имеет важное значение практически для каждого компьютерного устройства.

Темы беспроводного и проводного подключения:
Основы мобильной связи 2G GSM 3G UMTS 4G LTE 5G Вай-фай IEEE 802.15.4 Беспроводные телефоны DECT NFC — связь ближнего поля Основы сетевых технологий Что такое облако Ethernet Серийные данные USB SigFox LoRa VoIP SDN NFV SD-WAN
Вернуться к беспроводному и проводному подключению

На что питается автобус?

Что такое «Питание от шины»?

« с питанием от шины » обычно относится к устройствам, подключенным через USB, которые получают питание от USB-соединения и не требуют внешнего источника питания.

Например, у вас может быть USB-концентратор или Repeater для увеличения расстояния USB или количества подключенных устройств. Некоторые концентраторы на рынке описываются как «питаемые от шины», что означает, что вам не нужно подключать концентратор к электросети, так как он будет получать питание от USB-соединения вашего «хост-устройства», которым обычно является ПК. . Устройства хранения данных, которые подключаются через USB, также часто получают питание от шины — будь то простая карта памяти или небольшой портативный внешний жесткий диск — оба из которых могут получать питание от USB-соединения.Другие периферийные устройства и «гаджеты для ПК», которые описываются как «питание от USB», на самом деле «питаются от шины», например: USB-микрофоны, динамики ПК, лампы, вентиляторы и многие другие устройства питаются от шины.

До недавнего времени мощность USB версии 2 была ограничена всего 2,5 Вт, а USB версии 3.0 — всего 4,5 Вт. Теперь последняя версия USB 3.1 обеспечивает огромную мощность в 100 Вт, и ожидается, что на рынке появятся некоторые важные устройства, подключенные через USB, которые питаются от шины.

Хотите помочь с дизайном вашей аудиосистемы?

CIE является одним из ведущих и наиболее инновационных профессиональных дистрибьюторов аудио-видео в Великобритании, широко признанным экспертом в области проектирования и поставки коммерческих звуковых систем.
Наша профессиональная команда разработчиков систем предоставляет уникальные услуги по архитектуре AV-систем для установщиков и интеграторов, чтобы помочь вам обеспечить наилучшее качество звука, фоновой музыки и профессиональных AV-систем.

Если вы хотите обсудить вашу следующую AV-систему или получить дополнительную информацию о новейших аналоговых и IP-аудио продуктах, позвоните в нашу команду сегодня по T.0115 9770075 или напишите нам прямо сейчас.

Есть вопрос к команде HowToAV? ..

HowToAV.tv предоставляет целый ряд советов, приемов и технологических ноу-хау для профессионального и бытового AV-сектора.
Подпишитесь на наш канал YouTube прямо сейчас по адресу HowToAV.tv для получения всех последних видеотрансляций или отправьте нам свои вопросы по адресу [email protected]

Универсальная последовательная шина (USB) в компьютерной сети

Универсальная последовательная шина (USB ) — это отраслевой стандарт, устанавливающий спецификации для разъемов, кабелей и протоколов для 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 и был выпущен в 1996 году.

USB был разработан для стандартизации подключения периферийных устройств, таких как указывающие устройства, клавиатуры, цифровые фото- 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 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 специализированными частными интерфейсами.

  1. Интерфейс USB настраивается автоматически.Это означает, что пользователю не нужно настраивать параметры устройства и интерфейса для скорости или формата данных, а также настраивать прерывания, адреса ввода / вывода или каналы прямого доступа к памяти.
  2. USB-разъемы 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 настроек интерфейса.
  3. Интерфейс USB поддерживает «горячую» замену или «plug and play», что означает, что устройства можно заменять без перезагрузки главного компьютера. Маленькие устройства могут получать питание непосредственно от интерфейса USB, что позволяет избавиться от лишних кабелей питания.
  4. Интерфейс USB определяет протоколы для повышения надежности по сравнению с предыдущими интерфейсами и восстановления после распространенных ошибок.
  5. Установка устройства, основанного на стандарте USB, требует минимального вмешательства оператора.

Недостатки USB —

  1. Кабели USB ограничены по длине.
  2. USB имеет строгую «древовидную» топологию 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.
  3. Для некоторых очень высокоскоростных периферийных устройств требуется постоянная скорость, недоступная в стандарте USB.
  4. Для разработчика продукта использование USB требует реализации сложного протокола и подразумевает наличие интеллектуального контроллера в периферийном устройстве.
  5. Использование логотипов USB на продукте требует ежегодной оплаты и членства в организации.

Универсальная последовательная шина (USB) — драйверы для Windows

USB в Windows Windows 10: что нового для USB

Обзор новых функций и улучшений USB в Windows 10.

Часто задаваемые вопросы по USB

Часто задаваемые вопросы разработчиков драйверов о стеке USB и функциях, поддерживаемых USB.

Дескрипторы ОС Microsoft для USB-устройств

Windows определяет дескрипторы ОС MS, что позволяет лучше выполнять перечисление при подключении к системе под управлением операционной системы Windows

USB-драйверы, предоставленные Microsoft Драйверы на стороне USB-устройства в Windows

Набор драйверов для обработки общей функциональной логики для USB-устройств.

Драйверы USB на стороне хоста в Windows

Microsoft предоставляет основной стек драйверов, которые взаимодействуют с устройствами, подключенными к контроллерам EHCI и xHCI.

Драйверы класса устройств USB-IF

Windows предоставляет встроенные драйверы классов устройств для многих одобренных USB-IF классов устройств, аудио, запоминающих устройств и т. Д.

Универсальный функциональный драйвер USB — WinUSB

Windows предоставляет Winusb.sys, который может быть загружен как функциональный драйвер для настраиваемого устройства и как функция составного устройства.

Универсальный родительский драйвер USB для составных устройств — Usbccgp

Родительский драйвер для USB-устройств с множеством функций. Usbccgp создает объекты физических устройств (PDO) для каждой из этих функций. Эти отдельные PDO управляются соответствующими драйверами функций USB, которые могут быть драйвером Winusb.sys или драйвером класса USB-устройства.

Расширение WDF для разработки драйверов USB
  • Справочник по расширению класса диспетчера разъемов USB (UcmCx)
  • Справка по хост-контроллеру USB (UCX)
  • Справочник по расширению класса функций USB (UFX)
Тестирование USB-устройств с Windows

Обзор устройств Microsoft USB Test Tool (MUTT)

Получите информацию об инструментах, которые можно использовать для тестирования оборудования или программного обеспечения USB, записи следов операций и других системных событий, а также наблюдения за тем, как стек драйвера USB отвечает на запрос, отправленный драйвером клиента или приложением.

Прочтите обзор тестов в комплекте сертификации оборудования, который позволяет поставщикам оборудования и производителям устройств подготовить свои USB-устройства и хост-контроллеры для подачи на сертификацию оборудования Windows.

Другие ресурсы для USB

Официальная спецификация USB

Предоставляет полную техническую информацию о протоколе USB.

Блог группы разработчиков Microsoft Windows USB Core

Ознакомьтесь с сообщениями, написанными командой Microsoft USB. Блог посвящен стеку драйверов USB для Windows, который работает с различными контроллерами хоста USB и концентраторами USB, имеющимися на ПК с Windows.Полезный ресурс для разработчиков драйверов USB-клиентов и конструкторов USB-оборудования, которые разбираются в реализации стека драйверов, решают общие проблемы и объясняют, как использовать инструменты для сбора трассировок и файлов журналов.

Онлайн-списки OSR — ntdev

Список обсуждения, управляемый OSR Online для разработчиков драйверов режима ядра.

Центр разработки оборудования для Windows

Разные ресурсы, основанные на часто задаваемых вопросах от разработчиков, плохо знакомых с разработкой USB-устройств и драйверов, работающих с операционными системами Windows.

Видео, связанные с USB

Приложения UWP для USB-устройств Понимание USB 3.0 в Windows 8 Создание отличных устройств USB 3.0 Инновации в отладке по USB в Windows 8 (части I, II и III)

USB-оборудование для обучения

MUTT устройства Устройства

MUTT и SuperMUTT и соответствующий пакет программного обеспечения интегрированы в набор тестов USB HCK. Они обеспечивают автоматическое тестирование, которое можно использовать во время цикла разработки контроллеров, устройств и систем USB, особенно стресс-тестирования.

Обучающий комплект OSR USB FX2

Если вы новичок в разработке драйверов USB. Набор наиболее подходит для изучения образцов USB, включенных в этот комплект документации. Вы можете получить учебный комплект в интернет-магазине OSR.

 Запись драйвера USB-клиента (KMDF, UMDF)

Знакомит вас с разработкой драйверов USB. Предоставляет информацию о выборе наиболее подходящей модели для предоставления USB-драйвера для вашего устройства. В этот раздел также включены руководства по написанию ваших первых драйверов USB для пользовательского режима и режима ядра с использованием шаблонов USB, включенных в Microsoft Visual Studio.

Начало работы с разработкой драйвера USB-клиента

Справочник по программированию драйвера USB-устройства

Запись драйвера хост-контроллера USB

Если вы разрабатываете хост-контроллер xHCI, который не соответствует спецификации, или разрабатываете нестандартное оборудование, отличное от xHCI (например, виртуальный хост-контроллер), вы можете написать драйвер хост-контроллера, который взаимодействует с UCX. Например, рассмотрим беспроводную док-станцию, поддерживающую USB-устройства. ПК обменивается данными с USB-устройствами через беспроводную док-станцию, используя USB через TCP в качестве транспорта.

Разработка драйверов Windows для хост-контроллеров USB

  • Справка по хост-контроллеру USB (UCX)
Написать драйвер функционального контроллера для USB-устройства

Вы можете разработать драйвер контроллера, который обрабатывает все передачи данных USB и команды, отправляемые хостом на устройство. Этот драйвер взаимодействует с предоставленным Microsoft расширением функционального контроллера USB (UFX).

Разработка драйверов Windows для функциональных контроллеров USB

Справочник по расширению класса функций USB (UFX)

Запись драйвера разъема USB Type-C

Windows 10 представляет поддержку нового разъема USB: USB Type-C.Вы можете написать драйвер для соединителя, который взаимодействует с предоставленным Microsoft модулем расширения класса: UcmCx для обработки сценариев, связанных с соединителями Type-C, например, какие порты поддерживают Type-C, какие порты поддерживают доставку питания.

Разработка драйверов Windows для разъемов USB Type-C

Ссылка на расширение класса диспетчера разъемов USB

(UcmCx)

Запись драйвера USB-контроллера двойного назначения Контроллеры

USB Dual Role теперь поддерживаются в Windows 10.Windows включает в себя клиентские драйверы для контроллеров ChipIdea и Synopsys. Для других контроллеров Microsoft предоставляет набор программных интерфейсов, которые позволяют расширению класса с двумя ролями (UrsCx) и его клиентскому драйверу взаимодействовать друг с другом для обработки возможности переключения ролей контроллера с двумя ролями.

Для получения дополнительной информации об этой функции см .:

Архитектура стека драйверов с двойной ролью USB

Справочник по программированию драйвера двойного контроллера USB

Запишите драйвер USB для эмулируемых устройств

Windows 10 представляет поддержку эмулируемых устройств.Теперь вы можете разработать эмулируемый драйвер хост-контроллера универсальной последовательной шины (USB) и подключенное виртуальное USB-устройство. Оба компонента объединены в один драйвер KMDF, который взаимодействует с предоставленным Microsoft расширением класса эмуляции USB-устройств (UdeCx).

Разработка драйверов Windows для эмулируемых USB-устройств (UDE)

Справочник по программированию драйвера эмулируемого хост-контроллера USB

Написать приложение UWP

Предоставляет пошаговые инструкции по реализации функций USB в приложении UWP.Чтобы написать такое приложение для USB-устройства, вам потребуются Visual Studio и Microsoft Windows Software Development Kit (SDK).

Говорите с USB-устройствами, от начала до конца

Windows.Devices.Usb

Написать настольное приложение Windows

Описывает, как приложение может вызывать функции WinUSB для связи с устройством USB.

Написать приложение WinUSB

WinUSB функции

Общие сценарии программирования

Список общих задач, которые драйвер или приложение выполняет для связи с USB-устройством.Получите краткую информацию о программных интерфейсах, необходимых для каждой задачи.

Образцы USB

Примеры приложений

UWP для USB

Примеры драйверов Windows для USB

Инструменты разработки

Скачать комплекты и инструменты для Windows

О протоколе USB, распространенных ошибках шины USB и способах их устранения

Введение в протокол USB

История USB

Протокол USB, также известный как универсальная последовательная шина, был впервые создан и представлен в 1996 году как способ институционализации более распространенного унифицированного кабеля и разъема, которые можно было бы использовать на множестве различных устройств.С увеличением количества технологических устройств за это время наличие универсального кабеля поможет уменьшить путаницу и неудобство, связанное с наличием набора кабелей, необходимых для каждого отдельного устройства.

Архитектура USB была разработана на стыке компаний, включая Compaq, Digital Equipment, IBM, Intel, Microsoft и Northern Telecom, и в настоящее время поддерживается и регулируется Форумом разработчиков USB (USB-IF). USB-IF обеспечивает соблюдение стандартов и спецификаций, которым должны соответствовать производители USB-устройств, чтобы их можно было проверить как надежный источник USB.Устройства, соответствующие как физическому уровню стандарта USB (механическому и электрическому), так и уровню программного обеспечения, могут использовать логотип USB, информирующий потребителей и других пользователей USB о том, что их кабели или устройства безопасны в использовании.

Как USB передает и получает данные?

Как стандарт USB определяет, как USB-кабель или устройство должны работать? Существует множество механизмов, которых необходимо придерживаться, в том числе то, как различные USB-устройства должны взаимодействовать друг с другом при перечислении и обмене данными.

USB-хосты

также известны как главные устройства, и они инициируют все коммуникации, которые происходят по шине USB. Обычно компьютер или другой контроллер считается ведущим, отвечающим на другие устройства только при запросе определенной информации. Периферийное устройство или подчиненное устройство подключено к главному устройству и запрограммировано на предоставление хост-устройству информации, необходимой для работы. Обычно периферийные устройства включают USB-накопители, компьютерные мыши и клавиатуры, камеры и другие подобные устройства.

Важно, чтобы хост и периферийные устройства могли эффективно взаимодействовать друг с другом. Если одно из них не сможет выполнять свою работу, связь между двумя устройствами будет нарушена. Например, если пользователь подключает флэш-устройство к своему главному компьютеру и ничего не происходит, это, скорее всего, указывает на проблему со связью по шине. Это приводит к тому, как происходит обмен данными по шине USB. Как передаются и принимаются данные USB? Это можно лучше понять, изучив теорию работы о том, как данные USB передаются по шине, различные поля и типы пакетов данных USB, а также типы передачи данных USB.

Поля пакетов данных USB

Поля пакета данных USB составляют пакет USB, состоящий из отдельных битов.

Поля пакета данных USB

включают поле Sync, поле идентификатора пакета (PID), поле ADDR (адрес), поле ENDP (конечная точка), поле CRC (проверка циклическим избыточным кодом) и поле EOP (конец пакета).

  • Поле SYNC используется для синхронизации часов как приемника, так и передатчика.
  • Поле PID предоставляет информацию о том, какой тип данных отправляется.В таблице ниже представлены тип PID, имя PID и назначение пакета:

Таблица 1 : Типы пакетов USB

Тип ПИД-регулятора Имя PID Описание
Жетон ВЫХ Передача от хоста к устройству
IN Передача с устройства на хост
SOF Маркер начала кадра
НАСТРОЙКА Передача управления от хоста к устройству
Данные ДАННЫЕ0 Пакет данных
ДАННЫЕ1 Пакет данных
ДАННЫЕ2 Пакет высокоскоростных данных
MDATA Пакет данных с разделением / высокой скоростью
Рукопожатие ACK Пакет данных получен без ошибок
НАК Приемник не может принять данные или передатчик не может отправить данные
СТОЛ Конечная точка остановлена ​​или запрос канала управления не поддерживается
NYET Пока нет ответа
Особый PRE Преамбула высокоскоростного концентратора для низкоскоростного движения
ERR Ошибка квитирования для разделенной транзакции
СПЛИТ Преамбула высокоскоростного концентратора для низко / полноскоростного трафика
ПИНГ Жетон управления высокоскоростным потоком
вн. Маркер расширения протокола

  • Поле ADDR (адрес) включает адрес устройства, на которое отправляется пакет.
  • Поле ENDP (конечная точка) указывает номер конечной точки
  • Поле CRC используется для проверки данных в пакете на наличие ошибок
  • Поле EOP указывает конец пакета
Пакеты данных USB

Эти поля используются для формирования пакетов данных, которые определяют различные транзакции. Существует четыре типа пакетов USB, включая:

Token Packet , который инициируется хостом и определяет, будет ли хост отправлять или получать данные.

Data Packet , где Данные отправляются передатчиком, и устройство может вернуть пакет NAK или Stall, чтобы указать, не могут ли они ответить.

Пакет подтверждения, используется для подтверждения данных или сообщения об ошибках.

Пакет начала кадра, разбивает шину USB на временные сегменты и планирует передачу данных.

Эти пакеты формируются в кадры и отправляются через транзакцию USB.Длина и частота транзакции зависят от типа передачи, используемого для конечной точки.

Типы передачи данных USB

Вся связь между USB-хостом и USB-устройством адресована определенной конечной точке на устройстве. Каждая конечная точка устройства является однонаправленным приемником или передатчиком данных; либо указан как отправитель, либо как получатель данных от хоста.

Все конечные точки отличаются друг от друга в зависимости от требований к пропускной способности и способа передачи данных.Четыре типа передачи данных USB включают в себя: Control, изохронную передачу, прерывание и массовую передачу.

Контроль: Непериодические переводы. Обычно используется для настройки устройства, команд и операций с состоянием.

Прерывание : это транзакция, которая гарантированно произойдет в течение определенного интервала времени. Устройство укажет временной интервал, через который хост должен проверять устройство на наличие новых данных. Это используется устройствами ввода, такими как мыши и клавиатуры.

Изохронный : периодическая и непрерывная передача чувствительных ко времени данных. Нет никакой проверки ошибок или повторной передачи данных, отправленных в этих пакетах. Это используется для устройств, которым необходимо зарезервировать полосу пропускания и иметь высокую устойчивость к ошибкам. Примеры включают мультимедийные устройства для аудио и видео.

Bulk : Общая схема передачи больших объемов данных. Это для контекстов, где важнее, чтобы данные передавались без ошибок, чем чтобы данные приходили вовремя.Массовые переводы имеют самый низкий приоритет. Если автобус занят другими пересадками, эта транзакция может быть отложена. Данные гарантированно поступят без ошибок. Если в CRC обнаружена ошибка, данные будут переданы повторно. Примерами такого типа передачи являются файлы с запоминающего устройства или вывод со сканера.

Различные типы USB-разъемов и скорость передачи сигналов

Какие бывают типы разъемов USB?

USB-кабели и разъемы создают интерфейс, позволяющий компьютерам и периферийным устройствам соединяться друг с другом и передавать данные.Существует множество типов разъемов USB, которые используются для взаимодействия с протоколами USB 1.1 / 2.0 и USB 3.0. Некоторые из наиболее часто используемых разъемов включают USB Standard-A, USB Standard-B, USB Mini-B, USB Micro-B и USB Type-C.

Milos634 / CC BY-SA

USB Type-A : наиболее широко используемый тип разъема. Он в основном используется на хост-контроллерах в компьютерах и концентраторах и чаще используется в качестве нисходящего соединения.

UBB Type-B : в основном используется для подключения периферийных USB-устройств, включая принтеры и компактные устройства, такие как мобильные телефоны.Обычно он используется как восходящее соединение.

USB Type-C: — это усовершенствованный тип разъема, который использует двустороннюю конструкцию и предназначен для замены других разъемов в надежде, что один кабель будет работать с множеством различных устройств.

За прошедшие годы было внесено несколько изменений и спецификаций USB, чтобы поддержать развитие стандарта USB и его постоянно улучшающуюся скорость передачи сигналов.

Технические характеристики USB и их скорость передачи сигналов

Full Speed ​​USB (USB 1.1)

Первая спецификация USB, USB 1.0, была представлена ​​в 1996 году и первоначально поддерживала низкоскоростную скорость передачи данных 1,5 Мбит / с. Позднее эта спецификация была пересмотрена в 1998 году до USB 1.1, также известного как Full-Speed ​​USB. Эта обновленная спецификация поддерживает полосу пропускания 12 Мбит / с и уровни мощности до 2,5 Вт. К USB-разъемам, поддерживающим эту спецификацию, относятся USB Type-A и USB Type-B.

Высокоскоростной USB (USB 2.0)

В 2001 году была представлена ​​спецификация USB 2.0. USB 2.0, также известный как High-Speed ​​USB, поддерживает скорость передачи 480 Мбит / с и обратно совместим с USB 1.1. USB 2.0 также использует те же кабели и разъемы USB Type-A и USB Type-B, а также те же программные интерфейсы, что и USB 1.1, но существенно увеличивает поддержку периферийных устройств с более высокой пропускной способностью, таких как устройства видеокамеры.

SuperSpeed ​​USB (USB 3.x)

USB 3.0

Спецификация USB 3.0, также известная как SuperSpeed ​​USB, была впервые выпущена в 2008 году для удовлетворения растущих потребностей потребителей в USB-устройствах, которые могли бы обрабатывать еще большую мощность и повышать скорость передачи данных.USB 3.0 поддерживает скорость передачи данных до 5 Гбит / с и уровни мощности до 4,5 Вт, что делает его в десять раз быстрее и в два раза мощнее, чем USB 2.0. Как и предыдущие спецификации USB, SuperSpeed ​​USB также обратно совместим со своими предшественниками и поддерживается кабелями и типами разъемов, включая USB Type-A и USB Type-B.

За прошедшие годы SuperSpeed ​​USB претерпел множество изменений, отражающих постоянное улучшение скорости.

USB 3.1

В 2013 году SuperSpeed ​​USB 3.1 был представлен, чтобы отразить поддержку скорости передачи до 10 Гбит / с за счет использования двухполосной операции в разъеме USB Type-C.

USB 3.2

В 2017 году был выпущен USB 3.2, еще больше увеличивший скорость передачи сигналов. Эта версия поддерживает скорость передачи данных USB до 20 Гбит / с, что возможно из-за спецификации передачи сигналов 10 Гбит / с по 2 полосам в кабеле USB Type-C.

За прошедшие годы были внесены многочисленные изменения в соглашения об именах и брендинг различных выпусков USB 3.0, USB 3.1 и USB 3.2. Сегодня USB 3.2 включает в себя все предыдущие спецификации USB 3.0 и USB 3.1, поддерживая скорости передачи данных 5, 10 и 20 Гбит / с.

  • USB 3.0 теперь называется USB 3.2 Gen 1 (SuperSpeed ​​USB) и имеет максимальную пропускную способность 5 Гбит / с.
  • USB 3.1 теперь называется USB 3.2 Gen 2×1 (SuperSpeed ​​USB 10 Гбит / с) и имеет максимальную пропускную способность 10 Гбит / с.
  • USB 3.2 теперь называется USB 3.2 Gen 2 × 2 (SuperSpeed ​​USB 20 Гбит / с) и имеет максимальную пропускную способность 20 Гбит / с. Это также известно как SuperSpeed ​​USB 20 Гбит / с.
USB4

Спецификация USB4 была выпущена в 2019 году и предлагает пользователям одни из самых надежных функций и возможностей, в том числе возможность передачи данных со скоростью до 40 Гбит / с с использованием двухполосной операции по кабелю Type-C. USB4 обеспечивает самую высокую доступную пропускную способность USB с несколькими протоколами данных и отображения, чтобы эффективно распределять максимальную совокупную пропускную способность по шине. USB4 также имеет обратную совместимость с USB 3.2, USB 2.0 и Thunderbolt.

Подача питания через USB
Кабели

USB Type-C известны своей способностью обеспечивать высокие уровни мощности, до 100 Вт, что возможно благодаря возможности согласования мощности, известной как USB Power Delivery (PD).Спецификация USB PD была выпущена в 2012 году как расширение спецификаций USB. USB Power Delivery — это протокол, который реализован в кабелях USB Type-C на линиях канала связи (CC) для безопасного управления контрактами на питание между соединениями источника и потребителя. После установления согласования мощности между устройствами через VBUS подаются правильные уровни тока и напряжения.

Распространенные ошибки USB-трафика при разработке USB-устройств

При разработке USB-устройств разработчики часто сталкиваются с проблемами шины, которые могут привести к ошибкам связи USB.Хотя некоторые ошибки вызывают сбои системы, другие проблемы могут по-прежнему позволять системе работать, но с потенциально нестабильным поведением. Ниже приведены примеры некоторых возможных проблем с шиной USB:

Неправильные пакетные данные USB и последовательность данных

USB-пакеты

содержат механизмы проверки ошибок, в том числе бит CRC для проверки достоверности данных и бит переключения в пакете PID для обеспечения правильной последовательности данных. Иногда во время передачи данных USB даже они могут быть скомпрометированы, если в этом механизме есть ошибка, вызывающая отбрасывание отдельных транзакций USB или снижение пропускной способности.

Например, если пакет данных поврежден и CRC недействительна, приемник отправит бит NAK приемопередатчику, сообщая об ошибочном пакете данных. Затем приемопередатчики будут повторно отправлять данные несколько раз, но это, в свою очередь, может привести к падению пакетов данных, поскольку приемник может счесть это дублированными данными.

Один из примеров неправильной последовательности включает неправильное переключение битов данных. В обычной транзакции данных PID данных будет последовательно переключаться между DATA0 и DATA1, однако, если есть проблемы с этим, может произойти повторная передача данных, когда бит переключения не обновляется правильно, вызывая повторение одного и того же бита переключения.В этих случаях последовательные DATA0 или Data1 не передаются приложению, потому что получатель будет игнорировать повторяющиеся пакеты. Это приведет к тому, что данные не будут переданы в приложение.

Передачи / повторные передачи USB

При обычной транзакции USB хост и периферийные устройства отправляют и получают данные, подтверждая (ACK) или отклоняя (NAK) определенные транзакции, обеспечивая эффективную связь. В одном из примеров эффективной передачи USB хост отправит маркер IN на периферийное устройство, а периферийное устройство ответит пакетом данных.Хост подтвердит это и ответит пакетом ACK, который сообщит устройству, что оно правильно приняло данные и готово к отправке другой транзакции.

Однако иногда коробка передач может быть неисправной. Если пакет данных поврежден, хост может отбросить этот пакет, не отправив ACK. Затем периферийное устройство получит еще один токен IN, но, поскольку ACK не было, оно повторно отправит те же данные. Это можно отнести к категории ретрансляций.

Некоторая повторная передача данных может быть допустимой, но если на шине происходит переполнение повторной передачи, это может привести к снижению производительности и / или потере пакетов.

Проблемы, связанные с питанием / VBUS

Другая распространенная ошибка шины USB связана с проблемами питания и VBUS. VBUS — это провод внутри USB-разъема, который подает питание на устройства. Хост-устройства и периферийные устройства имеют определенные верхние пределы на добавляемый или потребляемый ток, поэтому при обнаружении перегрузки по току от устройства система может отключиться во время тестирования или работы.

Системы

также могут реагировать на перегрузку по току неправильным подключением или подсчетом.Если хост или устройство обнаруживают высокие уровни тока, любой из них может отключиться, и перечисление не будет полностью завершено.

Проблемы с перечислением

Перечисление в системе USB — это процесс, в ходе которого хост обнаруживает наличие устройства и определяет, какой тип устройства подключен и скорость, с которой следует обмениваться данными. Это когда происходит токен рукопожатия, так как оба устройства узнают о возможностях друг друга.

После перечисления хост перезагрузит устройство, чтобы прочитать его дескрипторы и идентифицировать его.Однако, если дескриптор устройства неверен, например, это неправильная длина в битах, это может вызвать ошибки при перечислении, вызывая неправильное соединение между устройствами.

Проблемы с высокоскоростным согласованием

Высокоскоростные устройства также могут поддерживать низко- и полноскоростную передачу сигналов, поскольку USB 2.0 обратно совместим с предыдущими спецификациями. Когда устройства подключаются впервые, изначально используются возможности полной скорости до тех пор, пока возможности высокой скорости не будут подтверждены с любого устройства.Чтобы устройства USB 2.0 могли выполнять высокоскоростное согласование, выполняется протокол, известный как щебетание.

На этом этапе USB

определяет два состояния шины данных, J и K. Когда высокоскоростной USB-хост подключается к другому устройству, он перезагружает устройство и ожидает ответного K chirp, который будет означать, что устройство поддерживает высокоскоростное соединение. Если он не отвечает с помощью K chirp, высокоскоростное хост-устройство завершит рукопожатие. Однако, если устройство вернет K chirp, хост ответит чередующимися парами Chirp K и Chirp J, чтобы сообщить устройству, что оно поддерживает высокую скорость.Как только эта транзакция была распознана, устанавливается высокоскоростное соединение.

Проблемы с согласованием скорости могут вызвать проблемы с сигнализацией между устройствами, в результате чего устройства будут работать некорректно. Например, если устройство, работающее на полной скорости, в конечном итоге ответит сообщением K об ошибке, хост будет думать, что он способен обрабатывать высокоскоростной сигнал. Это может привести к повреждению пакетов, поскольку устройство не поддерживает высокоскоростной режим.

Сброс, приостановка и возобновление событий

Определенные типы низкоуровневых событий шины, включая события сброса, приостановки и возобновления, жизненно важны для успешной связи между двумя высокоскоростными устройствами, и любые сбои во время этих событий могут вызвать ненормальное поведение USB-устройств.

Событие сброса происходит, когда хост хочет начать связь с устройством. Это позволит устройству вернуться в ненастроенное состояние по умолчанию, чтобы обеспечить бесперебойную связь. Если это событие происходит некорректно, возможно, устройства не смогут правильно перечислять или обмениваться данными USB.

USB-устройства

могут отключаться, если они не используются, что выполняется с помощью события приостановки. В это время приостановленное устройство должно распознавать сигнал возобновления и сигнал сброса.Если хост хочет разбудить устройство, он может подать сигнал возобновления. Если возникает проблема с отправкой или получением этих сигналов, устройство USB может некорректно просыпаться и перестать отвечать во время или после этих событий.

Что такое анализатор протокола USB (сниффер USB)?

Анализатор протокола — это инструмент, обычно используемый разработчиками оборудования, программного обеспечения и микропрограмм для анализа и отладки встроенных систем на всех этапах жизненного цикла продукта. Анализаторы протоколов подключаются между главным компьютером и периферийными устройствами для захвата и декодирования необработанных данных шины и событий в удобочитаемый формат, часто помечая ошибки шины для облегчения поиска и устранения неисправностей.

Существует множество анализаторов протоколов, каждый из которых предназначен для анализа определенных протоколов данных, включая I2C, SPI, USB, CAN и eSPI.

Анализатор протокола USB, также известный как сниффер шины USB или отладчик шины USB, будет специально захватывать и декодировать данные шины USB на уровне протокола, включая перечисление, пакеты данных USB, отдельные транзакции USB, события синхронизации и данных, согласование скорости и т. Д. и многое другое. Инженеры обращаются к анализаторам протоколов, чтобы получить более полное представление о шине и выявить ошибки, которые в противном случае можно было бы упустить.

Программный и аппаратный анализатор протокола USB

Существует два разных типа анализаторов протокола USB, которые используются для отладки USB-устройств:

  • Программное обеспечение анализатора протоколов USB
  • Аппаратный анализатор протокола USB

Программный анализатор протокола — это программный анализатор, который заменяет программный стек USB на тестируемом хост-компьютере, чтобы контролировать данные USB. Программные анализаторы протокола USB позволяют пользователям видеть данные, отправляемые на главный контроллер и от него, но поскольку эти анализаторы полагаются на оборудование главного компьютера для выполнения анализа, это часто может ограничивать доступную для анализа информацию USB.

Напротив, аппаратный анализатор — это аппаратный инструмент, который работает отдельно и независимо от главного компьютера. Аппаратные анализаторы подключаются между главным компьютером и периферийным устройством, чтобы незаметно контролировать обмен данными между ними. Они позволяют пользователям легко отлаживать встроенный хост и просматривать определенные данные и события, включая согласование скорости, проблемы синхронизации и ошибки передачи.

Одним из значительных преимуществ использования аппаратного анализатора протокола по сравнению с программным анализатором протокола является его способность фиксировать, декодировать и отлаживать низкоуровневые события и ошибки шины.События шины низкого уровня включают звуковые сигналы K / J, Reset, Suspend, Resume, In / NAKs, SOF.

Хотя программные анализаторы обеспечивают определенные уровни видимости USB-системы, они не могут заменить аппаратный анализатор протокола. Часто разработчики USB используют оба типа анализаторов, чтобы убедиться, что их система работает оптимально.

На что следует обратить внимание при выборе анализатора протоколов USB

Хотя многие анализаторы протокола USB, доступные на рынке, предоставляют возможности анализа и отладки протокола USB, каждый из них отличается своими возможностями.

При выборе подходящего анализатора протокола USB пользователь должен учитывать, для каких сценариев использования анализатор будет использоваться и есть ли определенные функции, которые жизненно важны для этого.

Скорость захвата USB

Для того, чтобы эффективно анализировать и отлаживать USB-устройства, анализатор протокола должен уметь успешно захватывать USB-трафик со скоростью передачи сигналов. Обеспечение того, чтобы анализатор отвечал требованиям к сигнализации, является важным первым шагом в выборе правильного.

Возможности реального времени

Возможности мониторинга в реальном времени позволяют пользователю захватывать, декодировать и анализировать данные USB в реальном времени, а это означает, что можно просматривать данные по мере их появления, а не путем захвата, загрузки и последующего отображения данных. Это может быть чрезвычайно полезно для сокращения времени на выявление ошибок и позволяет пользователям лучше понять, как ведет себя шина.

Память

Данные, захваченные аппаратным анализатором протокола, обычно сохраняются в памяти устройства и в ОЗУ на главном ПК для еще большего объема памяти.Больший объем памяти может быть очень полезным для пользователей, выполняющих долгосрочный сбор данных, которым необходимо записывать трафик данных в течение нескольких дней за раз.

USB-декодирование на уровне классов

USB определяет информацию о коде класса, чтобы идентифицировать функции устройства и группировать похожие устройства, которые позволяют им использовать общий драйвер класса USB. Декодирование уровня класса USB — это преобразование низкоуровневых данных USB в удобочитаемые команды и инструкции уровня класса USB.Наличие этой возможности в анализаторе протокола очень полезно для быстрого и легкого лучшего понимания данных, чем попытки разобраться в необработанном формате данных USB.

Контроль тока и напряжения VBUS

Внутри USB-разъема есть несколько контактов, которые передают определенные данные по кабелю, но есть также провод VBUS, который используется для передачи энергии между устройствами. Проблема с VBUS может привести к неправильному питанию устройств или отключению друг от друга из-за перегрузки по току.Наличие анализатора протокола, который позволяет отслеживать ток и напряжение VBUS, может помочь определить любые проблемы, связанные с питанием, при перечислении и подключении устройств.

Аппаратный запуск

Расширенные возможности запуска могут добавить еще одно измерение отладки USB, которое позволяет пользователям запускать захват при соблюдении определенных критериев, таких как сопоставление определенных типов пакетов, данных или состояний шины.

Цифровой ввод / вывод

Наличие функции цифрового ввода-вывода позволяет пользователям синхронизировать USB-трафик с внешней логикой.

Наличие этой функции также поддерживает выполнение триггеров и синхронизацию с внешними тестовыми системами.

Синхронизация мультианализатора

Иногда требуется синхронизация анализаторов нескольких протоколов, чтобы можно было надежно контролировать обе стороны концентратора USB или любое количество точек в системе USB. Наличие этой возможности позволяет синхронизировать захват событий, запуск, запуск и остановку на нескольких анализаторах.

Межплатформенная поддержка

Наличие анализатора протокола, поддерживаемого несколькими различными операционными системами, обеспечивает более гибкую и удобную отладку.Возможность использования в уже знакомой операционной системе также сокращает время обучения использованию этого инструмента.

Обзор анализаторов USB-протоколов Beagle

компании Total Phase

Total Phase предлагает широкий выбор анализаторов протоколов USB, которые поддерживают множество различных требований проекта.

Анализатор протоколов Beagle USB 12 — Анализатор USB Full Speed ​​1.1

Анализатор протоколов USB 12 Beagle отслеживает низко- / полноскоростной USB-трафик со скоростью до 12 Мбит / с.Этот анализатор предлагает отображение в реальном времени, поиск и фильтрацию захваченных данных, а также декодирование дескрипторов.

Для получения более подробной информации об основных функциях и возможностях, пожалуйста, посетите Техническое описание анализатора протоколов Beagle USB 12.

Beagle USB 480 Protocol Analyzer — USB High-Speed ​​2.0 Analyzer

Анализатор протокола Beagle USB 480 ненавязчиво отслеживает высокоскоростной / полно- / низкоскоростной трафик USB 2.0 со скоростью до 480 Мбит / с. Этот анализатор предлагает отображение, поиск и фильтрацию захваченных данных в реальном времени, а также предлагает декодирование дескриптора и декодирование класса USB.

Для получения более подробной информации об основных функциях и возможностях, пожалуйста, посетите Техническое описание анализатора протоколов Beagle USB 480.

Beagle USB 480 Анализатор протокола питания — USB High-Speed ​​2.0 Analyzer

Beagle USB 480 Power Protocol Analyzer ненавязчиво контролирует трафик USB 2.0 со скоростью до 480 Мбит / с. Этот анализатор предлагает отображение, поиск и фильтрацию захваченных данных в реальном времени, а также предлагает декодирование дескриптора и декодирование класса USB. Версии Standard и Ultimate обеспечивают мониторинг и построение графиков значений тока и напряжения VBUS в реальном времени, а версия Ultimate также предоставляет расширенный USB 2.0 триггеры, которые позволяют пользователям создавать основанные на состоянии и гибкие условия триггера на основе шаблонов данных, типов пакетов, типов ошибок, событий и других критериев.

Для получения более подробной информации об основных функциях и возможностях, пожалуйста, посетите Техническое описание анализатора протокола питания Beagle USB 480.

Beagle USB 50000 v2 SuperSpeed ​​Protocol Analyzer — USB SuperSpeed ​​3.0 Analyzer

Beagle USB 5000 v2 SuperSpeed ​​Protocol Analyzer обеспечивает ненавязчивый мониторинг SuperSpeed ​​/ High- / Full- / Low-Speed ​​USB-трафика со скоростью до 5 Гбит / с.Стандартная версия может отслеживать трафик USB 2.0 или USB 3.0 одновременно, а версия Ultimate может отслеживать трафик USB 2.0 и USB 3.0 одновременно. Этот анализатор предлагает отображение, поиск и фильтрацию захваченных данных в реальном времени, а также предлагает декодирование дескриптора и декодирование класса USB. Он также предлагает пользователям возможность выполнять расширенные триггеры USB 2.0 / USB 3.0, включая основанные на состоянии и гибкие условия триггера, основанные на шаблонах данных, типах пакетов, типах ошибок, событиях и других критериях.Кроме того, он обеспечивает улучшенную видимость шины USB 3.0, обнаруживая низкоуровневые события шины, включая обучение соединения, опрос LFPS, обучающие последовательности, и обеспечивает просмотр LTSSM, который отслеживает переходы состояний восходящего и нисходящего каналов.

Для получения более подробной информации об основных функциях и возможностях, пожалуйста, посетите Техническое описание анализатора протокола Beagle USB 5000 v2 SuperSpeed.

USB-анализатор питания

USB Power Delivery Analyzer — это инструмент, используемый для записи трафика протокола Power Delivery (PD) на разъем USB Type-C.Он соединяет в линию между двумя продуктами Type-C и пассивно фиксирует всю связь между ними по сигналам CC1 и CC2 (канал связи). При подключении он не мешает никаким сигналам USB 3.2 Gen 2 или USB 2.0, обеспечивая захват согласования PD для питания, ролей данных USB и DisplayPort или других альтернативных режимов Type-C. Это устройство также поддерживает Power Delivery 3.0, расширенные сообщения, обработку новых сообщений и декодирование DisplayPort VDM.

Для получения более подробной информации об основных функциях и возможностях, пожалуйста, посетите Технический паспорт USB Power Delivery Analyzer.

Чтобы получить полный обзор всех наших USB-продуктов и их сравнение, посетите наше Руководство по USB-продуктам.

Практическое руководство по универсальной последовательной шине (USB)

Универсальная последовательная шина прошла долгий путь как технология; Теперь это стандарт современной электроники и гаджетов для работы и развлечений.

Компьютеры и периферийные устройства взаимодействуют через порты USB. Как вы можете видеть здесь, унаследованные последовательные и параллельные порты когда-то доминировали на сцене.При такой настройке клавиатура, мышь, внешний монитор, принтер и все другие аксессуары ПК имеют соответствующий настраиваемый порт для связи с компьютером.

Однако были проблемы с использованием таких устаревших компьютерных портов. Во-первых, периферийные устройства могли быть несовместимы с доступными портами. Передача данных также замедлялась всего на несколько килобайт в секунду, хотя между параллельным и последовательным портами параллельные порты могли похвастаться более высокой скоростью передачи. В этом сценарии не все порты компьютера могут работать одновременно.

USB появился в 1990-х и навсегда изменил компьютеры и устройства. Происходит стандартизация портов, заменяющая некоторые, если не все, старые компьютерные розетки на унифицированные с поддерживаемыми кабелями и разъемами. Хранение, передача и переносимость данных также получили развитие благодаря USB.

Конечно, вы хотите освежить свои знания о USB, мельчайших деталях этой удобной повседневной технологии, от ее истории до терминологии. А поскольку электроника, использующая USB, работает в большом количестве, необходимо больше узнать о версиях, типах и решениях.Эта технология развивается, чтобы реагировать на постоянно меняющиеся времена, и вы находитесь на правильной странице.

Что делает USB?

Из тогда еще существовавшего стандарта USB дожил до универсального в своем названии, поскольку его приняли миллионы, если не миллиарды устройств.

Что вам это даст?

  • Точка подключения, подключи и работай . USB предназначен для подключения устройств к компьютерам. Эта простота использования очевидна при горячей замене, так что вы можете вставить периферийное устройство в порт USB или удалить его, если на то пошло, без выключения компьютера или изменения некоторых настроек.
  • Передача данных . Скорость передачи данных между устройствами — самая сильная сторона USB, теоретическая скорость передачи которой может достигать 40 гигабит в секунду. Скорости передачи данных USB: низкая, полная, высокая, суперскорость и суперскорость +.
  • Хранение данных . Технологии беспроводного обмена файлами, возможно, и стали нормой, но USB-накопители по-прежнему повсюду, потому что они остаются надежными и портативными.Эти устройства имеют объем памяти, предназначенный для хранения фильмов, песен и других больших файлов.
  • Зарядка аккумулятора . USB позволяет заряжать телефон и любое портативное устройство с батареями от компьютера или сетевой розетки. Стандартизированный USB-разъем позволяет подключить устройство к совместимому порту на вашем ноутбуке.

Более того, USB-C теперь может заряжать ноутбуки (порт USB-C вашего ноутбука должен поддерживать зарядку) и, в сочетании с Power Delivery (PD), может обеспечивать более быстрое время зарядки.

Версии USB: История выпусков и исправлений

Резюме: Аджай Бхатт и его команда изобрели USB, разработка которого началась в 1994 году. Первая версия, USB 1.0, была выпущена в 1996 году, но дебютировал именно USB 1.1. в 1998 году он получил широкое распространение. Остальное уже история.

Prerelease
  • USB 0.7 был предварительной версией USB, хотя некоторые считали ее первой версией USB с датой выпуска в ноябре 1994 года. Помимо этой информации, о USB 0 известно немного.7.
  • USB 0.8 — еще одна предварительная версия, известная, но не коммерчески доступная в течение того же года, что и USB 0.7.
  • USB 0.9 была предварительной версией, которая дебютировала в апреле 1995 года. Как и его предшественники, эта версия не была доступна для коммерческих рынков; однако скорость передачи данных составляла 12 Мбит / с.
  • USB 0.99 была еще одной предварительной версией, которая была известна в 1995 году, но не была предназначена для коммерческого использования.
  • USB 1.0-RC был кандидатом на выпуск, о чем свидетельствуют инициалы.Он был выпущен в ноябре 1995 года.
USB 1.x
  • USB 1.0 дебютировал в январе 1996 года и отличался полной скоростью передачи данных 12 мегабит в секунду. Хотя это ознаменовало коммерческий дебют USB, только несколько продуктов поддерживали эту технологию.
  • USB 1.1 был запущен в августе 1998 года и привел к более широкому коммерческому применению и общественному признанию. Скорость передачи данных варьировалась от 1,5 мегабит в секунду на низкой скорости до 12 мегабит в секунду на полной скорости.

Эта версия является исторической, поскольку она привела к созданию компьютеров без устаревших версий, у которых устаревшие порты были заменены портами USB или стали устаревшими.Ярким примером является iMac G3 от Apple, выпущенный в том же году; в компьютере отсутствовал дисковод для гибких дисков, и вместо него использовались порты USB 1.1.

USB 2.0
  • USB 2.0 дебютировал в апреле 2000 года с гораздо более высокой пропускной способностью. Он имеет максимальную скорость передачи 480 мегабит в секунду, отсюда и название High Speed. Более высокая скорость передачи данных USB 2.0 (на самом деле, возможности подключения и скорость USB в целом), возможно, подтолкнула к созданию USB-накопителей. Более того, Форум разработчиков USB (USB-IF) внес множество изменений в USB 2.0, описанный здесь.
USB 3.x
  • USB 3.0 был выпущен в ноябре 2008 года и еще больше ускорил работу с помощью Superspeed или до 5 Гбит / с. Штекеры и порты USB 3.0 имеют синюю цветовую кодировку (Pantone 300C) или имеют инициалы SS, чтобы отличить их от разъемов USB 2.0. Следовательно, USB-IF внес следующие изменения в спецификацию USB 3.0.
  • USB 3.1 дебютировал в июле 2013 года со скоростью передачи SuperSpeedPlus (SSP) 10 гигабит в секунду.Согласно документации, спецификация представляет собой повышение производительности USB 3.0, открывающее путь для двух вариантов:
    • USB 3.1 Gen 1 имеет скорость передачи 5 Гигабит в секунду и является синонимом USB 3.0. Таким образом, USB 3.1 Gen 1 фактически заменил USB 3.0.
    • USB 3.1 Gen 2 имеет скорость передачи (описываемую как SuperSpeedPlus) 10 гигабит в секунду. Как и выше, USB 3.1 стал известен как USB 3.1 Gen 2.
  • USB 3.2 был выпущен в сентябре 2017 года и поглотил все предыдущие 3.x согласно USB-IF. Соответствующая спецификация предусматривает скорость передачи данных 20 Гбит / с в многополосной работе.

С USB 3.2, заменяющим старые спецификации 3.x, названия неизбежно запутаются. Соответственно, группа USB разработала следующие рекомендации:

  • USB4 появился в августе 2019 года, чтобы увеличить производительность USB 3.2 с 20 Гбит / с до 40 Гбит / с. Согласно документации, USB4 будет использовать разъем Type-C для передачи данных и отображения и сохранения совместимости с протоколами USB и Thunderbolt.Примечательно, что спецификация USB основана на Thunderbolt, но поддержка Thunderbolt в продуктах USB4 не является обязательной.

USB: знакомство с оборудованием

Поскольку теперь вы знаете технологии, лежащие в основе USB, пришло время сосредоточиться на физических объектах, обеспечивающих соединение. В этом разделе описывается следующее:

Типы разъемов

USB можно определить по его типу, который относится к кабелю и вилке на конце самого кабеля.Этот свободно висящий штекер называется штекерным разъемом и вставляется в порт или розетку, называемую гнездовым разъемом, которая встроена в устройство. Формы, цвета и размеры используются для классификации USB-разъемов, скорость передачи данных которых зависит от версии USB-технологии.

Стандартные соединители

Стандартные соединители — это размер по умолчанию, используемый в компьютерах, принтерах и других гаджетах.

Стандартные USB-разъемы слева направо: Type-A, Type-B и Type-C

  • USB Type-A — наиболее часто используемый разъем с его отчетливой плоской и прямоугольной формой.Компьютеры, планшеты, телевизоры, флеш-накопители и клавиатуры имеют разъем Type-A.
  • USB Type-B — это разъем квадратной формы, с помощью которого принтеры и сканеры подключаются к компьютеру. В кабеле типа B — USB типа A разъем типа B вставляется в принтер, а разъем типа A — в порт USB на компьютере.
  • USB Type-C выглядит как разъем micro-B чуть большего размера с симметричной продолговатой формой. Этот двусторонний разъем тесно связан с USB 3.1, скорость которого составляет до 10 Гбит / с, и USB PD, обеспечивающий мощность до 100 Вт. Однако наличие в устройстве разъема Type-C не означает, что оно автоматически поддерживает функцию PD.
Мини-разъемы

USB-разъемы Mini слева направо: Mini-A / Mini-AB и Mini-B

  • Mini-A и Mini-AB: с марта 2007 года использование USB-IF запрещено разъемов. Согласно объявлению, розетка Micro-AB заменила розетку Mini-AB, а вилка Micro-A заменила вилку Mini-A.Поскольку розетка Mini-A не имеет эквивалента Micro-A, вилка последней должна была использоваться для периферийных устройств OTG.
  • USB Mini-B является наиболее широко используемым среди мини-вариантов и остается таковым, получив обновление сопротивления контактов ID в декабре 2009 года.
Микро-разъемы

USB-разъемы Micro-A и B заменили мини-разъемы. USB из-за их размера (они могут поместиться в более тонкие устройства) и долговечности до 10 000 циклов, что вдвое больше, чем у варианта mini-B.

Разъем micro USB

  • Они стали стандартным разъемом для телефонов в 2007 году и основой для универсального зарядного устройства в 2009 году. Кроме того, микроконнекторы поддерживают OTG, который принимает разъемы Micro-A или Micro-B.
  • Micro-A и Micro-B присутствуют в новых мобильных устройствах и поддерживают высокоскоростную передачу 480 Мбит / с.
  • Ожидается, что USB Type-C заменит микроразъемы. На данный момент USB-C есть только в мобильных телефонах и ноутбуках, выпущенных после 2014 года.
USB-коннекторы на ходу

В соответствии с этой спецификацией устройство, не являющееся компьютером, может работать как хост для другого устройства. Например, смартфон может считывать данные с USB-накопителя.

Не все устройства Android поддерживают OTG. Если ваше устройство имеет такую ​​функциональность, вы найдете разъем для micro-USB или USB-C. В качестве альтернативы используйте адаптер для полноразмерных портов USB.

Кабель-адаптер USB OTG

USB OTG имеет разъем Micro-AB, который заменил Mini-AB, как указано выше.Этот порт принимает штекеры Micro-A или Micro-B.

Разъемы USB 3.x

USB 3.0 и более поздние версии представили SuperSpeed, и эта разработка принесла стандартные и микроразмерные разъемы.

  • Разъем USB 3.0 Type-A имеет знакомую плоскую и прямоугольную форму, но с пятью контактами, добавленными к оригинальной четырехконтактной конструкции стандартного разъема USB. Такая конструкция делает такие разъемы типа A физически совместимыми со старыми аналогами USB.
  • Разъем USB 3.0 Type-B используется в принтерах и более крупных периферийных устройствах.Штекер 3.0 Type-B не подходит для порта USB 2.0. Однако порт USB 3.0 Type-B может быть соединен с разъемом USB 2.0.
  • Разъем USB 3.0 Micro-B также имеет еще пять контактов для поддержки передачи данных SuperSpeed. Форма штекера USB 3.0 Micro-B делает его несовместимым со старыми портами Micro-B; однако розетка 3.0 Micro-B может принимать вилку 2.0 Micro-B.
  • Внутренний разъем USB 3.0 — это 20-контактный соединительный кабель Intel, который соединяет два отдельных порта USB 3.0 Type-A на передней панели корпуса с материнской платой, как показано в этом руководстве.
  • Внутренний разъем USB 3.1 является двоюродным братом вышеупомянутого разъема с его 20-контактным внутренним разъемом, только внутренний разъем USB 3.1 может вмещать порт Type-C или стандартный порт Type-A. Также существует вариант с 40 выводами, чье заметное отличие от вышеупомянутого заключается в количестве выводов.

Можете ли вы определить штекеры разъема?

Распиновка или штыревое соединение является неотъемлемой частью разъемов для поддержки скорости и производительности базовой спецификации.

  • Разъемы USB 1.0 и 2.0 Type-A и Type-B имеют четыре контакта, два контакта для питания и два контакта для дифференциальных сигналов данных.
  • Разъемы USB 3.0 Type-A и Type-B имеют еще четыре провода или контакта, которые являются приемниками и передатчиками SuperSpeed, округляя до восьми контактов.
  • Разъемы USB Type-C имеют в три раза больше стандартных разъемов USB 3.0 с их 24 контактами.
  • Мини- и микроконнекторы USB 2.0 имеют пять контактов с дополнительным контактом, называемым ID, который не подключен.Однако разъемы Micro-USB используют идентификатор, чтобы различать концы кабеля для целей OTG.
  • Разъем USB 3.0 Micro-B имеет десять контактов, пять дополнительных контактов расположены сбоку.

Вот визуальное представление разъемов USB:

Типы портов USB

Порты и штекеры идут вместе. Разъемы работают в тандеме с одним, находящимся на кабеле или на плате (как в случае USB-накопителей), и другим на главном устройстве, чтобы обеспечить стыковку.

По форме

Помимо USB Type-C, некоторые разъемы, например Micro-B, могут быть двусторонними. В противном случае большинство разъемов содержат метки или символы, чтобы сориентировать пользователя, как вставить вилку в порт.

По цвету

Еще один способ отличить USB-разъемы — по цвету. Эта схема цветового кодирования не является обязательной, но рекомендуется.

  • Порты и заглушки USB 1.0 и 2.0 могут быть белого или черного цвета.
  • Порты и заглушки USB 3.0 синего цвета.
  • Порты и заглушки USB 3.1 бирюзово-голубого цвета.
  • USB-порты спящего режима и зарядки часто бывают желтого, оранжевого или красного цвета. Эти порты позволяют заряжать телефоны или электронные устройства, даже когда компьютер выключен.
  • Разъемы Micro USB-A белого цвета.
  • Разъемы Micro USB-B черного цвета.

Типы USB-кабелей

Условные обозначения для USB-кабелей следующие:

  • Одинарный тип относится к кабелю, имя которого совпадает с разъемом, отличным от типа A.Это связано с тем, что розетка типа A является наиболее часто используемой розеткой в ​​хост-устройствах, и поэтому предполагается, что она находится на другом конце кабеля.

Итак, кабель с разъемами Type-A и Type-C называется кабелем Type-C. В вашем телефоне Android есть кабель micro-USB и т. Д. Если кабель имеет оба разъема типа A (вилка-вилка), то он называется кабелем типа A.

  • От одного типа к другому учитываются типы разъемов в кабеле. В кабеле USB Type-A — USB Type-C Type-A является первым типом, а Type-C (или разъем, который входит в устройство) — вторым типом.Если два разъема относятся к одному и тому же типу USB, то он будет называться, например, кабель USB Type-C — USB Type-C. Другие примеры:

Вы также можете использовать удлинительные USB-кабели, например, USB 2.0 типа A с вилки на женщину типа A. Интересно, что длина кабеля имеет значение для старых стандартов USB. В соответствии с USB 1.1 устройства, работающие на полной скорости, могут иметь длину кабеля не более пяти метров; устройства на низкой скорости, три метра. Когда появился USB 2.0, кабели для устройств, работающих на High Speed, могли проложить до пяти метров.

Максимальная длина кабеля не имеет большого значения для USB 3.0, основным требованием которого является соответствие кабеля электрическим характеристикам. В конце концов, SuperSpeed ​​требует дифференциальных пар проводов для передачи информации, а кабель USB 3.0 содержит больше проводов, чем USB 2.0. Тем не менее, эксперты отмечают, что кабели USB 3.0 сечением 26 AWG могут иметь максимальную длину до трех метров.

Типы USB-решений

Когда вы слышите термин «USB», вы думаете об устройствах, которые подключены к компьютеру или подключены к нему.Такие вложения классифицируются как функции и концентраторы и все вместе называются устройствами.

  • Функции USB относятся к периферийным устройствам USB. Это принтеры, мыши, клавиатуры, камеры, карты памяти, MP3-плееры и любые из 127 устройств, которые может поддерживать один хост-контроллер.
  • USB-концентраторы преобразуют одну точку подключения (известную как порт) в несколько точек подключения для размещения большего количества периферийных устройств. Концентратор USB является важной частью стандартной конфигурации USB, особенно для ноутбуков, конструкция которых ограничивает количество и типы разъемов для периферийных устройств.

Этот адаптер USB-C, например, имеет три порта USB 3.0, порт HDMI (таким образом, с USB-C на HDMI), порт Gigabit Ethernet, устройства чтения карт памяти и вход USB-C PD. Причем хабы могут быть пассивными или активными. Они называются питаемыми от шины, когда получают питание от главного компьютера; они имеют автономное питание, когда у них есть внешний источник питания.

  • USB-док-станции или док-станции используются взаимозаменяемо с USB-концентраторами, поскольку оба гаджета выглядят и работают одинаково.Док-станции позволяют создать рабочую станцию, подключив внешний монитор, ноутбук и несколько аксессуаров, необходимых для работы. Примером может служить док-станция 5K, которая может похвастаться классическим USB-A и новыми USB-подключениями, что делает ее идеальной для ноутбуков и настольных компьютеров.
  • Зарядные устройства USB заслуживают упоминания на фоне стремительного роста популярности смартфонов, планшетов и портативных гаджетов, которые можно заряжать через USB. Эти адаптеры питания обеспечивают питание устройств на пять вольт.

Зарядное устройство USB имеет кабель с разъемом типа A, который вставляется в корпус зарядного устройства, и другой разъем, например Type-C, который подключается к устройству.В аэропортах, торговых центрах и других общественных местах обычно есть USB-разъемы для зарядки.

Передача данных и пакеты USB

Каждая установка USB имеет только один хост, который подключается к нескольким устройствам USB или клиентам через хост-контроллер. Это также хост-контроллер, который управляет передачей данных между хостом и USB-устройствами (от хоста к устройству и наоборот).

Когда вы подключаете устройство к USB-системе, ему назначается адрес, уникальный на момент подключения.Устройство USB имеет конечные точки или буферы данных, и каждая конечная точка имеет канал, по которому происходит передача данных между устройством USB и хостом USB.

Теперь данные USB передаются в пакетах, которые затем объединяются или группируются в кадры для завершения сообщения. При передаче данных, когда они разбиваются на байты и биты, младший бит всегда выходит первым.

Существует четыре основных типа пакетов:

  • Пакет с маркером содержит байт идентификатора пакета (PID) и определяет адрес и конечную точку.Только хост может отправлять токены, которые сообщают USB-устройству, хочет ли хост прочитать или отправить информацию.
  • Пакет данных содержит фактическое предполагаемое сообщение, длина которого зависит от данных.
  • Пакет подтверждения содержит статус передачи данных как ACK, NAK, NYET и STALL. По сути, он сигнализирует об успешной передаче.
  • Пакет начала кадра (SOF) указывает начало нового кадра, который отправляется каждую миллисекунду.Фреймы, как отмечалось ранее, приведут к полному сообщению USB.

USB Mass Storage

USB-накопители позволяют хранить большие объемы данных в съемных, портативных и надежных (иногда эстетически привлекательных) решениях. У вас наверняка есть способы доступа, сохранения и отправки файлов в Интернете, но у вас всегда есть USB-накопители для резервного копирования практически всех видов электронных файлов.

  • Класс запоминающих устройств USB — это программное обеспечение или набор протоколов связи, которые позволяют просматривать содержимое карты памяти USB, когда вы вставляете ее в компьютер.Устройство с интерфейсом USB доступно для хоста или компьютера, который рассматривает его как внешний жесткий диск.
  • Ведущие примеры устройств, которые принимают эту спецификацию, включают, помимо прочего, USB-флэш-накопители, внешние жесткие диски, внешние оптические приводы CD / DVD, внешние твердотельные накопители (SSD), цифровые камеры, портативные аудиоплееры и мобильные телефоны.

Распространенные заблуждения о Thunderbolt3 и USB-C

Thunderbolt — это зарегистрированная торговая марка технология, которая обеспечивает быструю передачу данных и возможность зарядки.Первые две версии имеют интерфейс Mini DisplayPort, а третья — разъем USB.

USB-C и Thunderbolt 3 взаимозаменяемы и функционируют аналогично

Thunderbolt 3 — это порт USB-C, но он быстрее, универсальнее и мощнее. Вот краткое сравнение их свойств:

* Скорость передачи данных 40 Гбит / с работает, пока длина кабеля не превышает 1,6 фута.

Согласно часто задаваемым вопросам, порты Thunderbolt 3 совместимы с USB-устройствами и кабелями.Кабели Thunderbolt 3 могут работать как кабели USB-C; качественные кабели USB-C могут работать как кабели Thunderbolt 3.

Хотя устройства USB-C можно подключать к порту Thunderbolt 3 и по-прежнему работать, этого нельзя сказать об этом, когда вы подключаете устройство Thunderbolt 3 к порту USB-C. Набор микросхем Thunderbolt устройства не работает с портом USB-C.

Thunderbolt является эксклюзивным для Apple

Intel действительно разработала Thunderbolt совместно с Apple, которая имеет такие порты на своих ноутбуках и настольных компьютерах, таких как MacBook Pro и MacBook Air.Intel, однако, хочет, чтобы больше продуктов включали этот протокол.

С этой целью производитель компьютерных микросхем объявил в 2017 году, что делает спецификацию Thunderbolt 3 доступной для производителей компьютеров без лицензионных отчислений. USB4, архитектура которого основана на протоколе Thunderbolt, был выпущен двумя годами позже.

Что будет дальше с USB?

USB4: приближается к устройствам рядом с вами

Предлагая самую высокую на сегодняшний день скорость передачи данных и другие возможности, USB4 является предметом долгих ожиданий.Тем не менее, потребители, скорее всего, увидят первую партию устройств USB4 где-то в конце 2020 или в начале 2021 года, поскольку устройствам может потребоваться 18 месяцев для принятия спецификации после публикации.

USB-C: настоящее и будущее порта

Wired сообщил о растущей популярности USB-C с последними (на момент написания) версиями от Microsoft Surface, Kindle и PlayStation. Самые последние iPhone по-прежнему отстают, хотя у iPhone 11 Pro есть кабель USB-C-to-Lightning, поэтому вы можете заряжать телефон через порт USB-C MacBook Pro.

Как бы то ни было, USB-C убил разъем для наушников, поскольку Samsung принял стандартный разъем в Galaxy Note10. Компания является крупнейшим производителем смартфонов с 23% мирового рынка во втором квартале 2019 года.

Терминология USB в повседневной жизни

  • USB означает «универсальная последовательная шина». Это система передачи данных внутри компонентов компьютера или между компьютерами.
  • Разъем USB — это вилка на кабеле и розетка на главном устройстве или удлинительном кабеле.Примерами являются USB Type-C и Type-A.
  • Устройства USB относятся к периферийным устройствам, включая, помимо прочего, устройства хранения данных, смартфоны, веб-камеры, клавиатуры, сканеры и концентраторы.
  • USB-концентратор увеличивает количество USB-портов для одновременного подключения периферийных устройств. Это может быть автономное устройство или встроенное в оборудование.
  • Порт USB — это интерфейс, который позволяет подключать устройства с помощью кабеля.
  • Версия USB относится к стандартам или выпускам USB, например USB4, USB 3.0 и USB 1.1.
  • Обратная совместимость — это свойство продукта или технологии взаимодействовать со старыми системами. Например, USB 3.0 обратно совместим с USB 2.0 и USB 1.1. Однако скорость передачи данных может быть разной.
  • Горячая замена — это функция USB, позволяющая пользователю вставлять или извлекать запоминающие устройства, камеры, клавиатуры и мыши, не выключая компьютер. Эта функция сродни концепции Plug and Play.
  • Thunderbolt относится к технологии, которая поддерживает быструю передачу данных и зарядку.Его последняя версия — Thunderbolt 3, форма разъема которого совпадает с формой разъема USB-C.
  • HDMI означает «мультимедийный интерфейс высокой четкости». Это аудио- и видеостандарт, который используется в телевизорах, компьютерах, видеопроекторах и т. Д.
  • DisplayPort относится к стандарту аудио и видео, который заменил массив видеографики (VGA) и цифровой видеоинтерфейс (DVI).
  • USB Power Delivery — это спецификация, которая предлагает повышенный уровень мощности до 100 Вт. Исключительно для кабелей USB-C — Lightning и USB-C — C, поток энергии является двунаправленным, поэтому хост или периферийное устройство могут заряжать другое.Одним из примеров является монитор, подключенный к розетке, от которой можно заряжать ноутбук и при этом отображать.
  • USB-IF означает «Форум разработчиков USB». Некоммерческая организация существует для продвижения, внедрения и соответствия технологии USB. В число участников входят Microsoft, Apple, Intel и HP.
  • Альтернативный режим относится к интерфейсу, который позволяет исходным устройствам с поддержкой HDMI, таким как ноутбук, использовать разъем USB-C для подключения к дисплею с поддержкой HDMI, например к монитору ПК. Для этого стандарта вы будете использовать кабель USB Type-C — HDMI.
  • FireWire или IEEE 1394 работает так же, как и USB, являясь интерфейсом, который обеспечивает высокоскоростную передачу данных в реальном времени. Эти два стандарта различаются по способу достижения результатов. Apple разработала этот отраслевой стандарт, который был запущен в 1995 году.

Основные выводы

  • USB-кабели, порты и разъемы (оборудование) имеют разные версии USB, поколения и спецификации (программное обеспечение), которые определяют скорость и производительность.
  • Типы USB обозначаются буквами, например Type-A и Type-B, а версии USB имеют номера, например USB 3.2 или USB4.
  • USB-устройство может физически соответствовать USB-порту, но его производительность может быть снижена из-за несовпадения поколений или стандартов. Например, ваше устройство USB 2.0 может работать с портом USB 3.0, но по скорости уступает USB 2.0. Точно так же устройство 3.0 может работать с портом USB 2.0, и скорость соответствует скорости порта. USB-устройства часто указывают на этикетках продуктов самые высокие стандарты, которые они поддерживают и которые требуют.
  • Говоря о скорости, USB 1.0, 2.0, 3.0 и 4 имеют максимальную скорость передачи данных.В лучшем случае это теоретические числа, а фактическая скорость все еще варьируется. Если вы испытываете медленную передачу данных, это может быть связано с портом USB (скорость передачи), как указано выше, а также со скоростью чтения / записи задействованных устройств.

USB был провозглашен королем разъемов или портом, который все изменил. Но, в конце концов, именно этот кабель или порт облегчают вашу жизнь, когда вы заряжаете свой телефон, сохраняете файлы или получаете доступ к периферийным устройствам на вашем ноутбуке.

Вы можете быть уверены, что найдете самые современные и мощные USB-концентраторы и док-станции в Juiced Systems. Независимо от того, есть ли у вас ноутбук USB-C или ноутбук с портами стандарта USB 3.0, приходите и проверяйте коллекцию многопортовых адаптеров для более продуктивного образа жизни.

Об авторе

Компания Juiced Systems, основанная в 2008 году, является разработчиком и производителем USB-устройств, включая док-станции, концентраторы, адаптеры, блоки питания и различные другие устройства.

Похожие записи

21.11.2024 0

Особенности питания кормящей мамы: что можно и нельзя есть при грудном вскармливании

19.11.2024 0

Новорожденный какает слизью: причины появления слизи в кале грудничка

19.11.2024 0

Гемангиома у новорожденных: причины, виды, лечение и профилактика

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *