USB (Universal Serial Bus)

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 15:27, 19 июня 2017.

USB (англ. – Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) – промышленный стандарт, изобретённый в середине 1990-х годов и содержащий кабели, разъемы и протоколы обмена данными, а также возможность использования между компьютерами и электронными устройствами. Разработка спецификаций USB проводится организацией USB Implementers Forum (USB IF). USB был сконструирован для стандартизации соединения компьютерных периферийных устройств(включая клавиатуру, цифровую камеру, принтеры, портативные медиаустройства, драйверы и сетевые адаптеры) с персональным компьютером. Также USB стало доступно для прочих устройств, таких как смартфоны, PDA и игровые видеоконсоли. USB успешно заменили более ранние устройства, например, параллельные порты. С помощью них также можно осуществлять зарядку портативных устройств.

Эмблема USB

Основные сведения

Существует три основных формата USB-коннекторов: стандартный формат, предназначенный для рабочего стола или портативного оборудования(например, USB флэш-драйверы), мини-USB, предназначенные для мобильного оборудования(в настоящее время не рекомендуются только мини-В, используемые многими камерами), и микро-USB мобильного оборудования(большинство современных мобильных телефонов). Существует 5 режимов передачи данных USB: Low Speed (от 1.0), Full Speed (от 1.0), High Speed (от 2.0), SuperSpeed (от 3.0), and SuperSpeed+ (от 3.1); режимы имеют разное аппаратное обеспечение и различные требования к кабелям. USB-устройства имеют несколько реализованных режимов. Режимы определяются их именами и иконками, а также специальными цветовыми кодами(например, режим SuperSpeed идентифицируется как голубой).

История

Группа из семи компаний начала разработку USB в 1994 году: Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, and Nortel. Основные цели создания универсальной последовательной шины были связаны с требованиями к простоте использования устройства, возможности подключения к компьютеру мобильных технических средств и использованию USB для подключения внешних периферийных устройств, что раньше было затруднительно из-за сложного функционирования устройств предыдущего поколения, таких как параллельные порты, порты для подключения джойстика и прочих портов с узкой специализацией. Таким образом, USB – это универсальное устройство, призванное заменить множество разъёмов рабочего компьютера одним универсальным. Старые устройства при подключении не позволяли начинать работу с устройством непосредственно, часто требуя определённого программного обеспечения для каждого из устройств. Впервые устройство USB как стандартное было использовано в Windows 98. Однако, в первые несколько лет устройств было мало, и использование данного устройства вызывало определённые трудности. Но уже к 2000 году большинство периферийных устройств, таких как принтеры, сканеры, клавиатура и мышь могли работать с новым интерфейсом.

Версии спецификаций USB-портов

USB 1.0

Разъем USB 3.0 тип А

USB это последовательный интерфейс передачи данных для периферийных устройств в вычислительной технике Стандарт USB 1.0, получивший широкое распространение, был представлен в ноябре 1996 года. Версия v1.1 практически почти не используется по причине слишком низкой скорости передачи данных (12 Мбит/сек), поэтому применяется только для совместимости.

USB 2.0

Разъем USB 3.0 тип А

Стандарт USB 2.0, получивший широкое распространение, был представлен в ноябре 1996 года. Как и в случае спецификаций USB 1.0 и USB 1.1, в спецификации USB 2.0 для подключения периферийных устройств используется кабель, состоящий из двух пар проводов: одна витая пара проводов для приема и передачи данных, а другая — для питания периферийного устройства. Напряжение питания по шине USB равно 5 В при силе тока до 500 мА. Этого, конечно, недостаточно для периферийных устройств со высоким энергопотреблением, например таких как принтеры. Поэтому они комплектуются собственными блоками питания, которые подключаются непосредственно к электрической розетке. Кабели USB ориентированы, то есть имеют физически разные наконечники «к устройству» (Тип B) и «к хосту» (Тип A). Возможна реализация USB устройства без кабеля, со встроенным в корпус наконечником «к хосту». Компьютеры и ноутбуки, выпущенные после 2003 года, как правило, оснащены портами USB 2.0. Устройств USB 2.0 поддерживают три режима работы:

  • Low-speed, 10—1500 Кбит/c (клавиатуры, мыши, джойстики, геймпады)
  • Full-speed, 0,5—12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства)
  • High-speed, 25—480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации)

Интерфейс USB 3.0 – стандарт SuperSpeed USB

Разъем USB 3.0 тип B

Спецификация USB 3.0 появилась в 2008 году. В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели совместимы с USB 2.0, причём для однозначной идентификации разъёмы USB 3.0 изготавливают из пластика синего или (у некоторых производителей) красного цвета. Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 5 Гбит/с — что выше скорости передачи данных устройств USB 2.0. (максимально 480 Мбит/с.) 31 июля 2013 года USB 3.0 Promoter Group объявила о принятии спецификации следующего интерфейса, USB 3.1, скорость передачи которого может достигать 10 Гбит/с. Разъём USB 3.1 Type-C является симметричным.

USB 3.0

Для улучшения характеристик стандарта была разработана новая спецификация USB 3.0, которая содержала следующие ключевые отличия: Пять дополнительных контактов, четыре из которых обеспечивают дополнительные линии связи; Увеличение максимальной пропускной способности с 480 МБит/с до 5 Гбит/с; Увеличение максимального тока с 500 мА до 900 мА.

USB 3.1

С осени 2013 года приняты спецификации на обновлённый стандарт USB 3.1, результатом которого явилась разработка разъёма Type-C, передачу до 100 Вт питания и удвоение скорости передачи данных по сравнению с USB 3.0. Однако стоит отметить, что все три новшества — это лишь части одного нового стандарта, которые могут быть как применены все вместе (и тогда устройство или кабель получит сертификацию USB 3.1), либо по отдельности. Например, технически внутри Type-C кабеля можно организовать USB 2.0 на четырёх проводах и двух парах контактов [Источник 1].

Системная архитектура

Физическая архитектура USB определяется следующими правилами:

  • устройства подключаются к хосту;
  • физическое соединение устройств между собой осуществляется по топологии многоярусной звезды, вершиной которой является корневой хаб;
  • центром каждой звезды является хаб;
  • каждый кабельный сегмент соединяет между собой две точки: хост с хабом или функцией, хаб с функцией или другим хабом;
  • к каждому порту хаба может подключаться периферийное USB-устройство или другой хаб, при этом допускаются до 5 уровней каскадирования хабов, не считая корневого.

Характеристики разъемов и кабелей

Количество возможных разъемов USB 3.0 стало больше. Самый популярный разъём, которым все пользовались — USB Type-A классического размера: он расположен на флешках, USB-модемах, на концах проводов мышей и клавиатур. Чуть реже встречаются полноразмерные USB Type-B: обычно таким кабелем подключаются принтеры и сканеры. Мини-версия USB Type-B до сих пор часто используется в кардридерах, цифровых камерах, USB-хабах. Микро-версия Type-B стала самым популярным разъёмом в мире: все актуальные мобильники, смартфоны и планшеты (кроме продукции одной фруктовой компании) выпускаются именно с разъёмом USB Type-B Micro.

Самым верхним уровнем является корневой концентратор, который обычно совмещается с USB контроллером. К корневому концентратору могут быть подключены либо устройства, либо еще концентраторы, для увеличения числа доступных портов. Концентратор может быть выполнен в виде отдельного устройства, либо быть встроенным в какое-то другое, т.е. устройства, подключаемые к USB, можно подразделить на функциональные устройства, т.е. те, которые выполняют какую-то конкретную функцию (например, мыши), устройства-концентратор, выполняющие только функцию только разветвления, и совмещенные устройства, имеющие в своем составе концентратор, расширяющие набор портов (например, мониторы, с портами для подключения других). Архитектура устройства USB асимметрична в своей топологии и представляет из себя сеть с одним мастером(хостом) и произвольным количеством подчиненных устройств(device). Топология сети – активное дерево, т.е., дерево, в каждом из узлов которого находится специальное устройство – концентратор(хаб). Хаб занимается электрическим согласованием кабелей, маршрутизацией пакетов, обнаружением подключения/отключения устройств и другими функциями. Все соединения в сети электрически и протокольно идентичны. Физическое устройство USB может содержать несколько различных подустройств, которые реализуют функции устройства. Одиночное устройство может выполнять несколько функций, например, функцию видеоустройства со встроенным микрофоном. Такая совокупность устройств называется композитными устройствами. Средства связи USB основываются на логических каналах. Канал – это соединение хоста и логического канала, которое называется точкой входа. USB может иметь до 16 точек входа(16 входов и 16 выходов), однако такое количество – редкость. Устройство USB поддерживает транзакции приёма и передачи данных. Пакеты транзакций содержат в себе номер конечной точки на устройстве. Когда устройство подключается, драйверы в ядре ОС читают с устройства список конечных точек и создают управляющие структуры данных для сообщения с каждой из конечных точек устройства. Существует два типа каналов: потоковый канал и канал сообщений. Канал сообщений – В-ориентированный и используется для контроля передачи данных. Канал сообщений чаще всего используется для небольших простых команд для устройств.

Типы каналов

Все каналы относятся к 4 классам: поточный (bulk), управляющий (control), изохронный (isoch) и канал прерывания (interrupt). Изохронный канал не гарантирует целостность передаваемой информации, а также не может обеспечить ответ или подтверждение, однако он гарантирует быструю передачу данных – определённое число пакетов на один период шины (1 кГц у low и full speed, 8 МГц у high speed). Чаще всего такие каналы используются для передачи видео- и аудиофайлов. 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 том числе 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 (клавиатуры/мыши/джойстики). Поточный канал дает гарантию доставки каждого пакета, поддерживает автоматическую приостановку передачи данных по нежеланию устройства (переполнение или опустошение буфера), но не дает гарантий скорости и задержки доставки. Используется, например, в принтерах и сканерах.

Перспективы развития

В настоящее время интерфейс развивается в трех направлениях. Во-первых, это Wireless USB - т.е., способность передавать USB-протокол через беспроводное подключение. В основе лежит разработка группы WiMedia Alliance - WiMedia MB OFDM ultra-wideband (multiband orthogonal frequency devision multiplexing UWB). UWB не является обособленной технологией, а работает поверх существующих стеков, таких как Bluetooth. Группа WMA решает также проблему сосуществования в персональной беспроводной сети (WPAN, Wireless Private Area Network) нескольких протоколов, конкурирующих за частоту: WUSB, Wireless FireWire (звучит парадоксально), оригинальных WiFi-устройств и Bluetooth. Группа разработчиков работает таким образом, чтобы исключить региональные или фирменные стандарты, идущие вразрез с общими спецификациями - это обеспечит свободу от несовместимости и гонки стандартов, которые наблюдаются в других областях. На данный момент в группе поддержки Wireless USB такие компании, как Intel, Samsung, HP, Nokia и ряд других. Другое направление - развитие скорости проводного подключения путем внедрения Hi-Speed USB - например, USB 2 Hi-Speed USB. Цель этого направления - сделать USB единственным, самым удобным и скоростным протоколом в будущих PC и полностью заменить им остальные, такие как SCSI или IDE [Источник 2]. USB 2 не вытеснит, а будет сосуществовать с 1.1 долгое время. С другой стороны, еще предстоит проделать определенную работу, чтобы по USB можно было надежно передавать видеопотоки. Для Hi-Speed, так же как и для Wireless, установлена скорость обмена 480 мегабит в секунду - однако эту скорость будут разделять все устройства, подключенные к шине. Наконец, третья идея развития USB называется On-The-Go. Два периферийных устройства, например цифровая камера и принтер, связывались посредством USB без участия компьютера. Помимо интеллектуальности самих устройств, On-The-Go включает и требования по низкому энергопотреблению. Подразумевается также использование нового компактного USB-разъема, поскольку On-The-Go рассчитан, в основном, на PDA, цифровые камеры и прочие портативные устройства. Возможны также любые совмещения указанных технологий. Кроме очевидной комбинации Wireless+Hi-Speed (и так предусмотренной по умолчанию), возможен скоростной вариант On-The-Go, а также Wireless On-The-Go.

Ссылки

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.
  • Axelson, Jan (1 September 2006). USB Mass Storage: Designing and Programming Devices and Embedded Hosts (1st ed.). Lakeview Research. ISBN 978-1-931-44804-8.
  • Serial Port Complete: COM Ports, USB Virtual COM Ports, and Ports for Embedded Systems (2nd ed.). Lakeview Research. ISBN 978-1-931-44806-2.

Список источников

  1. Разъём USB Type-C: плюсы, минусы и особенности [Электронный ресурс] // Androidlime [сайт]. [2016]. URL: http://androidlime.ru/all-about-usb-type-c (дата обращения 05.06.2017).
  2. Чеботарев А. USB: вчера, сегодня и завтра. Компьютер + Программы [Электронный ресурс] // CitForum Сервер информационных технологий [сайт]. [2015]. URL: http://citforum.ru/hardware/articles/usb/ (дата обращения 06.06.2017).