Universal Serial Bus

Символ USB

USB (англ. Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) — последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств.

Разработка спецификаций на шину USB производится в рамках международной некоммерческой организации USB Implementers Forum (USB-IF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шиной USB.

Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания, USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА).

К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств по топологии «звезда», в том числе и концентраторы, к которым можно еще присоединить 127 устройств.

В настоящее время широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB 2.0. Ведётся внедрение в производство устройств спецификации USB 3.0.

История

Спецификации для USB 1.0 были представлены в ноябре 1995 года. Разработка USB поддерживалась Microsoft, US Robotics. На тот момент для подключения внешних периферийных устройств к персональному компьютеру использовалось несколько «традиционных» (англ. legacy) интерфейсов:

• PS/2;
• ;
• параллельный порт;
• порт для подключения джойстика (англ. game port);

• Компьютер «Bondi blue» iMac G3 от англ. legacy) портов. Спецификация USB 1.1 вышла в сентябре 1998 года, в ней были исправлены ошибки версии 1.0.

  Alcatel-Lucent), Microsoft,

  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.

  USB Wireless

  

  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 — 4x12 мм, USB Тип B — 7x8 мм, USB mini A и USB mini B — 2x7 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

  Номер контакта	Обозначение	Цвет провода
  1	V BUS	красный
  2	D−	белый
  3	D+	зелёный
  4	GND	чёрный

  
  Здесь GND — цепь «корпуса» для питания периферийных устройств, VBus — +5 В, так же для цепей питания. Данные передаются по проводам D+ и D− дифференциально (состояния 0 и 1 (в терминологии официальной документации diff0 и diff1 соответственно) определяются по разности потенциалов межу линиями более 0,2 В и при условии, что на одной из линий (D− в случае diff0 и D+ при diff1) потенциал относительно GND выше 2,8 В.^[3] Дифференциальный способ передачи является основным, но не единственным (например, при инициализации устройство сообщает хосту о режиме, поддерживаемом устройством (Full-Speed или Low-Speed), подтягиванием одной из линий данных к V_BUS через резистор 1.5 кОм (D− для режима Low-Speed и D+ для режима Full-Speed, устройства, работающие в режиме Hi-Speed, ведут себя на этой стадии как устройства в режиме Full-Speed). Так же иногда вокруг провода присутствует волокнистая обмотка для защиты от физических повреждений.^[4].

  

  Коннектор USB 3.0 тип B
  

  Коннектор USB 3.0 тип А

  Кабели и разъёмы USB 3.0

  USB Тип А

  USB Тип В

  USB Тип B micro

  Недостатки USB

  Хотя пиковая пропускная способность USB 2.0 составляет 480 Мбит/с (60 Мбайт/с), на практике обеспечить пропускную способность, близкую к пиковой, не удаётся. Это объясняется достаточно большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, шина FireWire хотя и обладает меньшей пиковой пропускной способностью 400 Мбит/с, что на 80 Мбит/с меньше, чем у USB 2.0, в реальности позволяет обеспечить бо́льшую пропускную способность для обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации.

  USB и FireWire/1394

  Протокол USB storage, представляющий собой метод передачи команд

  Кроме того, USB storage не поддерживался в старых ОС (первоначальная Windows 98), и требовал установки драйвера. SBP-2 поддерживался и в них. Также в старых ОС (Windows 2000) протокол USB storage был реализован в урезанном виде, не позволяющем использовать функцию прожига CD/DVD дисков на подключенном по USB дисководе, SBP-2 никогда не имел таких ограничений.

  Шина USB строго ориентирована, потому соединение 2 компьютеров или же 2 периферийных устройств требует дополнительного оборудования. Некоторые производители поддерживают соединение принтера и сканера, или же фотоапарата и принтера, но эти реализации сильно завязаны на конкретного производителя и не стандартизированы. Шина 1394/FireWire не подвержена этому недостатку (можно соединить 2 видеокамеры).

  Тем не менее, ввиду лицензионной политики Apple, а также намного более высокой сложности оборудования, 1394 менее распространен, материнские платы старых компьютеров не имеют 1394 контроллера. Что касается периферии, то поддержка 1394 обычно не встречается ни в чем, кроме видеокамер и корпусов для внешних жестких дисков и CD/DVD приводов.

  См. также

  • FireWire
  • Последовательные и параллельные порты ввода-вывода
  • TransferJet

  Источники

  1. ↑ ^{1 2} http://docs.info.apple.com/article.html?artnum=31116
  2. ↑ terralab.ru Wireless USB: первые шаги
  3. ↑ Гук М. Аппаратные средства IBM PC.-СПб:Питер,2000.-С.-708-723.-ISBN 5-88782-290-2
  4. ↑ Агуров П. В. Интерфейс USB. Практика использования и программирования.-СПб:БХВ-Петербург,2004.-576 с.-ISBN 5-94157-202-6

  Ссылки

  • USB Implementers Forum, Inc.
  • USB 3.0 — уже в разработке
  • USB 3.0. Новые подробности
  • Фотографии разъёмов USB 3.0
  • USB News (нем.)
  • Распайка разъёма USB 1.1 и 2.0
  • List of USB ID’s (Vendors, devices and interfaces) (англ.)

  Литература

  • Скотт Мюллер. Модернизация и ремонт ПК (глава 15 — Последовательный, параллельный и другие интерфейсы ввода/вывода — USB) = Upgrading and Repairing PCs. — 17 изд. — М.: «Вильямс», 2007. — С. 1016—1026. — ISBN 0-7897-3404-4