Шина usb служит для подключения

Интересное о USB

С появлением USB (Universal Serial Bus) все стало намного проще. На этот интерфейс перешли фото- и видеокамеры, клавиатуры, МФУ и масса других периферийных устройств. Но не все USB одинаковы: различия в стандартах, скоростях передачи данных и даже в форм-факторах разъемов способны посеять основательную неразбериху в головах неопытных пользователей. Мы поможем внести ясность и разобраться, «кто есть кто» в царстве USB.

Преимущества USB

Сегодня USB вытеснил практически все другие интерфейсы для подключения компьютерной периферии (смотри врезку «Внешние интерфейсы – конкуренты USB»), залогом чему стали его неоспоримые преимущества.

■ Распространенность. Любой компьютер, выпущенный в последние годы, оснащен одним или несколькими портами USB (на современных настольных ПК их до 12, на подавляющем большинстве ноутбуков – 3–4). Выбор же USB-устройств просто огромен.

■ Простота в использовании. USB – идеальное воплощение принципа Plug and Play. Устройства с этим интерфейсом можно подключать и отключать во время работы компьютера. Современные операционные системы сразу же распознают USB-устройства и подгружают необходимые драйверы. На многих компьютерах для повышения удобства доступа порты USB размещены на фронтальной или боковой стороне корпуса. К тому же перепутать разъемы и неправильно подключить периферию невозможно.

■ Высокая пропускная способность. У интерфейса USB 2.0 она составляет 480 Мбит/с. Копирование файла размером 700 Мб на накопитель, подключенный к порту USB, займет не более 20 секунд.

■ Обеспечение питания. Порт USB не только служит для подключения периферии, но и может «подкармливать» гаджеты с низким энергопотреблением, к примеру, мыши, клавиатуры, флэшки и даже 2,5-дюймовые жесткие диски. Напряжение питания по шине USB равно 5 В при силе тока до 500 мА. Этого, конечно, недостаточно для периферийных устройств со сравнительно высоким энергопотреблением, таких как принтеры или внешние жесткие диски форм-фактора 3,5”. Поэтому они комплектуются собственными блоками питания, подключаемыми непосредственно к розетке электросети.

Просто и легко

Связующим центром для всех USB-устройств является компьютер. Только с ним они могут «общаться» напрямую. Такое соединение получило название «точка-точка».

При первом подключении USB-устройство автоматически обнаруживается операционной системой, после чего она осуществляет поиск нужного драйвера. При этом действует правило: чем новее версия используемой операционной системы, тем выше вероятность того, что пользователю не придется устанавливать драйвер самостоятельно. К примеру, Windows XP и Vista автоматически распознают флэш-накопители, кард-ридеры и внешние жесткие диски и регистрируют их в качестве съемных дисков. Необходимые для этих устройств драйверы входят в дистрибутив Windows и всегда находятся «под рукой» у системы. Windows Vista к тому же располагает дополнительными драйверами для наиболее распространенных моделей принтеров, сканеров, игровых клавиатур и других устройств.

СОВЕТ

Если Windows сама не определит подключенное USB-устройство, драйвер для него придется устанавливать самостоятельно (как правило, его можно найти на диске, входящем в комплект поставки USB-устройства). Купив принтер или МФУ с интерфейсом USB, не спешите сразу подключать его: вначале загляните в руководство пользователя и ознакомьтесь с порядком установки, чтобы понять, нужно ли инсталлировать ПО или имеющегося в ОС будет достаточно. В противном случае Windows может установить драйвер с меньшим набором функций или вовсе распознает устройство неверно.

За редким исключением, USB-гаджеты могут обмениваться данными между собой только при посредничестве компьютера. В этом случае ПК играет роль так называемого USB-хоста. Он запрашивает у каждого устройства, подключенного по USB и называемого клиентом, информацию о наличии необходимых для передачи данных, после чего организует «диалог». Передавать файлы «по собственной инициативе» клиентам запрещено. Данный метод, называемый опросом, хотя и отнимает часть системных ресурсов, однако делает возможным создание простых и, как следствие, недорогих USB-устройств.

Типы USB-разъемов

■ Существуют два типа разъемов и штекеров USB: тип А используется для подключения USB-устройств к ноутбукам и настольным компьютерам. Разъемом типа B оснащаются периферийные USB-устройства. Существует несколько вариантов разъема второго типа: собственно В, Mini-В и Micro-В.

Источник

Архитектура ЭВМ

Компоненты ПК

Интерфейсы

Мини блог

Самое читаемое

Организация шины USB

Введение

USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Версия стандарта 1.0 была опубликована в начале 1996 года, большинство устройств поддерживают стандарт 1.1, который вышел осенью 1998 года, — в нем были устранены обнаруженные проблемы первой редакции. Весной 2000 года опубликована спецификация USB 2.0, в которой предусмотрено 40-кратное увеличение пропускной способности шины. Первоначально (в версиях 1.0 и 1.1) шина обеспечивала две скорости передачи информации: полная скорость, FS (full speed) — 12 Мбит/с и низкая скорость, LS (low speed) — 1,5 Мбит/с. В версии 2.0 определена еще и высокая скорость, HS (high speed) — 480 Мбит/с, что позволяет существенно расширить круг устройств, подключаемых к шине. В одной и той же системе могут присутствовать и одновременно работать устройства со всеми тремя скоростями. Шина позволяет с использованием промежуточных хабов соединять устройства, удаленные от компьютера на расстояние до 25 м. Подробную и оперативную информацию по USB (на английском языке) можно найти на сайте http://www.usb.org. Разработку устройств и их классификацию и стандартизацию координирует USB-IF (USB Implementers Forum, Inc.).

Шина USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). USB является единой централизованной аппаратно-программной системой массового обслуживания множества устройств и множества прикладных программных процессов. Связь программных процессов со всеми устройствами обеспечивает хост-контроллер с многоуровневой программной поддержкой. Этим USB существенно отличается от традиционных периферийных интерфейсов (портов LPT, COM, GAME, клавиатуры, мыши и т. п.), сравнение этих типов подключений приводится в таблице.

Таблица. Сравнение шины USB с традиционными периферийными интерфейсами

Традиционные интерфейсы (COM, LPT, Game…)	Шина USB
Подключение каждого устройства в общем случае требует присутствия собственного контроллера (адаптера) 1	Все устройства подключены через один хостконтроллер
Каждый контроллер занимает свои ресурсы (области в пространстве памяти, ввода/вывода, а также запросы прерывания)	Ресурсы занимает только хост-контроллер
Малое количество устройств, которые возможно одновременно подключить к компьютеру	Возможность подключения до 127 устройств
Драйверы устройств могут обращаться непосредственно к контроллерам своих устройств, независимо друг от друга	Драйверы устройств обращаются только к общему драйверу хост-контроллера
Независимость драйверов оборачивается непредсказуемостью результата одновременной работы с множеством устройств, отсутствием гарантий качества обслуживания (возможность задержек и уменьшения скорости передачи) для различных устройств	Централизованный планируемый обмен обеспечивает гарантии качества обслуживания, что позволяет передавать мультимедийные изохронные данные наряду с обычным асинхронным обменом
Разнообразие интерфейсов, разъемов и кабелей, специфичных для каждого типа устройств	Единый удобный и дешевый интерфейс для подключения устройств всех типов. Возможность выбора скорости работы устройства (1,5–15–480 Мбит/с) в зависимости от потребности
Отсутствие встроенных средств обнаружения подключения/отключения и идентификации устройств, сложность поддержки PnP	Возможность «горячего» подключения/отключения устройств, полная поддержка PnP, динамическое конфигурирование
Отсутствие средств контроля ошибок	Встроенные средства обеспечения надежной передачи данных
Отсутствие штатного питания устройств	Возможность питания устройств от шины, а также наличие средств управления энергопотреблением

1 — Возможностью подключения к одному контроллеру множества устройств обладает и шина SCSI, но ее параллельный интерфейс по сравнению с USB слишком дорог, громоздок и более ограничен в топологии.

Основные понятия

Архитектура USB допускает четыре базовых типа передач данных между хостом и периферийными устройствами:

Аппаратная часть USB включает:

Программная часть USB включает:

Драйверы USBD и HCD составляют хост-часть ПО USB; спецификация USB очерчивает круг их задач, но не описывает интерфейс между ними. Физическое устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Физические устройства USB могут быть комбинированными (compound devices): включать в себя несколько устройств-функций, подключенных к внутреннему хабу, а также предоставлять своим внутренним хабом дополнительные внешние точки подключения.

Работой всех устройств шины USB управляет хост-контроллер (host controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера. Хост-контроллер является интеллектуальным устройством шины PCI или составной частью «южного» хаба (моста) системной платы, интенсивно взаимодействующим с оперативной памятью.

Физическая топология шины USB — многоярусная звезда (см. рисунок, а). Ее вершиной является хост-контроллер, объединенный с корневым хабом (root hub). Хаб является устройством-разветвителем, он может служить и источником питания для подключенных к нему устройств. К каждому порту хаба может непосредственно подключаться периферийное устройство или промежуточный хаб; шина допускает до пяти уровней (ярусов) каскадирования хабов (не считая корневого). Поскольку комбинированные устройства содержат внутри себя хаб, их подключение к хабу пятого яруса уже недопустимо. Каждый промежуточный хаб имеет несколько нисходящих (downstream) портов для подключения периферийных устройств (или нижележащих хабов) и один восходящий (upstream) порт для подключения к корневому хабу или нисходящему порту вышестоящего хаба.

Логическая топология USB — звезда. Хабы (включая корневой) создают иллюзию непосредственного подключения каждого логического устройства к хост-контроллеру (см. рисунок ниже, б). В этой звезде устанавливаются сугубо подчиненные отношения по системе опроса-ответа: хост-контроллер по своей инициативе передает данные к выбранному устройству или принимает их. Устройство по своей инициативе передавать данные не может; непосредственные передачи данных между устройствами невозможны. Устройство по своей инициативе может лишь сигнализировать о «пробуждении» (wakeup), для чего используется специальная сигнализация, но не передача данных.

Физический интерфейс USB прост и изящен. Конструкция кабелей и коннекторов USB не дает возможности ошибиться при подключении устройств (см. рисунок ниже, а и б). Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение (см. рисунок ниже, в). Гнезда типа «A» устанавливаются только на нисходящих портах хабов, вилки типа «A» — на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов. Гнезда и вилки типа «B» используются только для шнуров, отсоединяемых от периферийных устройств и восходящих портов хабов (от «мелких» устройств — мышей, клавиатур и т. п. кабели, как правило, не отсоединяются). Для малогабаритных устройств имеются разъемы mini-B, а для поддержки OTG (On-the-Go) имеются и вилки mini-A, и розетки miniAB. Хабы и устройства обеспечивают возможность «горячего» подключения и отключения с сигнализацией об этих событиях хосту.

При планировании соединений следует учитывать способ питания устройств: устройства, питающиеся от шины, как правило, подключают к хабам, питающимся от сети. К хабам, питающимся от шины, подключают лишь маломощные устройства — так, к клавиатуре USB, содержащей внутри себя хаб, подключают мышь USB и другие устройства-указатели (трекбол, планшет).

Логическое устройство USB представляет собой набор независимых конечных точек (Endpoint, EP), с которыми хост-контроллер (и клиентское ПО) обменивается информацией. Каждому логическому устройству USB (как функции, так и хабу) конфигурационная часть ПО хоста назначает свой адрес (1–127), уникальный на данной шине USB. Каждая конечная точка логического устройства идентифицируется своим номером (0–15) и направлением передачи (IN — передача к хосту, OUT — от хоста). Точки IN4 и OUT4, к примеру, представляют собой разные конечные точки, с которыми могут общаться даже модули клиентского ПО. Набор конечных точек зависит от устройства, но всякое устройство USB обязательно имеет двунаправленную конечную точку 0 (EP0), через которую осуществляется его общее управление. Для прикладных целей используются конечные точки с номерами 1–15 (1–2 для низкоскоростных устройств). Адрес устройства, номер и направление конечной точки однозначно идентифицируют приемник или источник информации при обмене хост-контроллера с устройствами USB. Каждая конечная точка имеет набор характеристик, описывающих поддерживаемый тип передачи данных (изохронные данные, массивы, прерывания, управляющие передачи), размер пакета, требования к частоте обслуживания.

Устройство может выполнять несколько различных функциональных задач: например, привод CD-ROM может обеспечивать проигрывание аудиодисков и работать как устройство хранения данных. Для решения каждой задачи в устройстве определяется интерфейс — набор конечных точек, предназначенных для выполнения данной задачи, и правила их использования. Таким образом, каждое устройство должно обеспечивать один или несколько интерфейсов. Наличие нескольких интерфейсов позволяет нескольким драйверам, каждый из которых обращается только к своему интерфейсу (представляющему часть устройства USB), работать с одним и тем же устройством USB. Каждый интерфейс может иметь один или несколько альтернативных вариантов (альтернативных установок — alternate settings), из которых в данный момент активным может быть только один. Варианты различаются наборами (возможно, и характеристиками) используемых конечных точек.

Набор одновременно поддерживаемых интерфейсов составляет конфигурацию устройства. Устройство может иметь одну или несколько возможных конфигураций, из которых на этапе конфигурирования хост выбирает одну, делая ее активной. От выбранной конфигурации зависит доступная функциональность, и зачастую — потребляемая мощность. Пока устройству не назначен номер выбранной конфигурации, оно не может функционировать в прикладном смысле и ток потребления от шины не должен превышать 100 мА. Хост выбирает конфигурацию исходя из доступности всех ресурсов, затребованных данной конфигурацией, включая и ток потребления от шины.

Запросы, пакеты и транзакции

Модель передачи данных

Каждая единица клиентского ПО (обычно представляемая драйвером) связывается с одним интерфейсом своего устройства (функции) монопольно и независимо (см. рисунок ниже). Связи на этом рисунке обозначают коммуникационные каналы (communication pipes), которые устанавливаются между драйверами устройств и их конечными точками. Каналы устанавливаются только с конечными точками устройств, относящимися к выбранным (из альтернативных) вариантам интерфейсов активной конфигурации. Другие конечные точки недоступны.

Запросы, пакеты и транзакции

Для передачи или приема данных клиентское ПО посылает к каналу пакет запроса ввода/вывода — IRP (Input/Output Request Packet) и ждет уведомления о завершении его отработки. Формат IRP определяется реализацией драйвера USBD в конкретной ОС. В IRP имеются только сведения о запросе (местоположение буфера передаваемых данных в оперативной памяти и длина передачи); от свойств конкретного текущего подключения (скорость, допустимый размер пакета) драйвер устройства абстрагируется. Отработкой запроса в виде транзакций на шине USB занимается драйвер USBD; при необходимости он разбивает на части длинные запросы (пакеты), пригодные для передачи за одну транзакцию. Транзакция на шине USB — это последовательность обмена пакетами между хостом и ПУ, в ходе которой может быть передан или принят один пакет данных (возможны транзакции, в которых данные не передаются). Отработка запроса считается завершенной, когда успешно выполняются все связанные с ним транзакции. «Временные трудности», встречающиеся при их выполнении (неготовность к обмену данными), до сведения клиентского драйвера не доводятся — ему остается только ждать завершения обменов (или выхода по тайм-ауту). Однако устройство может сигнализировать о серьезных ошибках (ответом STALL), что приводит к аварийному завершению запроса, о чем уведомляется клиентский драйвер. В этом случае отбрасываются и все последующие запросы к данному каналу. Возобновление работы с данным каналом возможно лишь после явного уведомления об обработке ошибочной ситуации, которое драйвер устройства делает с помощью специального запроса (тоже вызова USBD).

Длинные запросы разбиваются на транзакции так, чтобы использовать максимальный размер пакета. Последний пакет с остатком может оказаться короче максимального размера. Хост-контроллер имеет средства обнаружения приема от устройства «неполновесного» пакета, размер которого меньше ожидаемого. В запросе IRP указывается, следует ли особым образом реагировать на это событие. Особая реакция может быть двоякой:

При передаче массивов использование укороченных пакетов в качестве разделителей наиболее естественно. Таким образом, например, в одном из вариантов протоколов для устройств хранения данных укороченные пакеты известной длины используются в качестве управляющих.

Каналы

Коммуникационные каналы USB разделяются на два типа:

С каналами связаны характеристики, соответствующие конечной точке (полоса пропускания, тип сервиса, размер буфера и т. п.). Каналы организуются при конфигурировании устройств USB. Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Выделенная полоса закрепляется за каналом, и если установление нового канала требует такой полосы, которая не вписывается в уже существующее распределение, запрос на выделение канала отвергается.

Каналы различаются и по назначению:

Интерфейс устройства, с которым работает клиентский драйвер, представляет собой связку клиентских каналов (pipe’s bundle). Для этих каналов драйверы устройств являются единственными источниками и потребителями передаваемых данных.

Владельцем основных каналов сообщений всех устройств является драйвер USB (USBD); по этим каналам передается информация конфигурирования, управления и состояния. Основным каналом сообщений может пользоваться и клиентский драйвер для текущего управления и чтения состояния устройства, но опосредованно через USBD. Например, сообщения, передаваемые по основному каналу, используются драйвером принтера USB для опроса текущего состояния (передаются три признака в формате регистра состояния LPT-порта: ошибка ввода/вывода, принтер выбран, отсутствие бумаги).

Кадры и микрокадры

Хост организует обмены с устройствами согласно своему плану распределения ресурсов. Для этого хост-контроллер циклически с периодом 1 мс формирует кадры (frames), в которые укладываются все запланированные транзакции (cм. рисунок ниже). Каждый кадр начинается с посылки пакета-маркера SOF (Start Of Frame), который является синхронизирующим сигналом для изохронных устройств, а также для хабов. Кадры нумеруются последовательно, в маркере SOF передаются 11 младших бит номера кадра. В режиме HS каждый кадр делится на 8 микрокадров, и пакеты SOF передаются в начале каждого микрокадра (с периодом 125 мкс). При этом во всех восьми микрокадрах SOF несет один и тот же номер кадра; новое значение номера кадра передается в нулевом микрокадре. В каждом микрокадре может быть выполнено несколько транзакций, их допустимое число зависит от скорости, длины поля данных каждой из них, а также от задержек, вносимых кабелями, хабами и устройствами. Все транзакции кадров должны быть завершены до начала интервала времени EOF (End of Frame). Период (частота) генерации микрокадров может немного варьироваться с помощью специального регистра хост-контроллера, что позволяет подстраивать частоту для изохронных передач.

Кадрирование используется и для обеспечения живучести шины. В конце каждого микрокадра выделяется интервал времени EOF (End Of Frame), на время которого хабы запрещают передачу по направлению к контроллеру. Если хаб обнаружит, что с какого-то порта в это время ведется передача данных (к хосту), этот порт отключается, изолируя «болтливое» устройство, о чем информируется USBD.

Счетчик микрокадров в хост-контроллере используется как источник индекса при обращении к таблице дескрипторов кадров. Обычно драйвер USB составляет таблицу дескрипторов для 1024 последовательных кадров1, к которой он обращается циклически. С помощью этих дескрипторов хост планирует загрузку кадров так, чтобы кроме запланированных изохронных транзакций и прерываний в них всегда находилось место для транзакций управления. Свободное время кадров может заполняться передачами массивов. Спецификация USB позволяет занимать под периодические транзакции (изохронные и прерывания) до 90% пропускной способности шины, то есть времени в каждом микрокадре.

Источник

Что такое USB или универсальная последовательная шина

Термин USB это сокращение от англ. Universal Serial Bus (универсальная последовательная шина) и является стандартным типом соединения для различных устройств, при чем не обязательно только в компьютере. Современная техника, находящаяся дома или же допустим в автомобиле, так же обладает данными разъёмами.

Что такое USB и для чего этот разъём нужен

Как правило, USB относят и к разъёмам на устройствах и кабелям, соединяющие разные по назначению устройства.

Этот универсальный стандарт последовательной шины стал для человечества чрезвычайно успешным и используется по всюду. Разъёмы USB, а также USB кабели, используются для соединения как принтеров, сканеров, музыкальных инструментов, компьютерных клавиатуры и мыши, флеш карты, внешних оптических приводы и жёстких дисков, не говоря о возможности подключения при помощи этой последовательной шины практически как любом компьютере, так и на игровых приставках, домашнем аудио и видео оборудование, и даже в автомобилях.

Многие портативные персональные устройства как смартфон, электронные книги и планшетные компьютеры, используют возможности USB для подзарядки своих батарей. Зарядка при помощи USB стала на столько распространённой, что при поломке USB адаптера используемого при зарядке устройства, нет необходимости бежать в магазин для покупки нового, ведь его замену можно найти прямо дома или же подключившись к своему компьютеру, что позволит напрочь отрицать необходимость в таком адаптере.

Версии USB и скорости обмена данными

USB 3.1: часто называемым Super speed +, совместимые устройства способны к передачи данных на скорости 10 Гбит (10240 Мбит), что соответствует Thunderbolt – формат, который когда то считалось, что может стать возможной заменой USB.

USB 3.0: (Super Speed USB), устройства, совместимые с USB 3.0 могут достигать скорости обмена данных до 5Гбит (5120 Мбит).

USB 2.0: называется High Speed USB (высоко скоростной), USB 2.0 совместимое аппаратное обеспечение может достигать скорость обмена данными до 480 Мбит.

USB 1.1: называется Full Speed USB, максимальную скорость которую могут развивать совместимые устройства равно 12 Мбит.

Большинство же USB устройств и USB кабели поддерживают USB 2.0, но USB 3.0 всё больше набирает обороты при производстве. Современные материнские платы распространяются с обеими версиями универсальной последовательной шины.

Разъёмы USB и совместимость

USB-C: имеет официальное название USB Type-C, эти вилки и розетки имеют прямоугольную форму, с четырьмя закруглёнными углами.

USB Type A: называется USB Standart-A, данные вилки и розетки имеют прямоугольную форму, будучи самым распространённым типом USB, является обратно совместимыми друг с другом.

USB Micro-A: USB разъемы 3,0 Micro-A выглядят как две разные прямоугольные вилки, конденсированных вместе, одна чуть больше, чем другая. USB разъемы 3,0 Micro-A совместимы только с USB 3.0 Micro-AB розетками.

USB 2.0 Micro-A вилки очень малы и имеют прямоугольную форму, напоминающую во многом усохшие USB Type A разъем. Штекер USB Micro-A физически совместим с 3.0 розетками, так и USB 2.0, и USB.

USB Micro-B: USB 3.0 разъемы Micro-B выглядят почти идентично USB 3.0 Micro-розетки, они так же выглядят как две отдельные, но связанные вилки. USB 3.0 разъемы Micro-B совместимы с USB 3.0 Micro-B розетками, а также с USB 3.0 Micro-AB. USB 2.0 Micro-B вилки очень малы и прямоугольной формы, причём два угла на одной из длинных сторон скошены. USB Micro-B разъемы физически совместим с USB 2.0 Micro-B и Micro-AB розетками, а также с USB 3.0 Micro-B и Micro-AB.

USB Mini-A: USB 2.0 Mini-разъём имеет прямоугольную форму, но одна имеет закругление. Вилки USB Mini-A совместимы только с USB Mini-AB розетками. USB 3.0 Mini-A разъем, не существует.

USB Mini-B: 2.0 Mini-B разъем USB имеет прямоугольную форму с небольшими щербинками по обе стороны, что можно сравнить с нарезкой хлеба, если смотреть на него в лоб. USB Mini-B разъем физически совместим с USB 2.0 Mini-B и мини-AB розетками. USB 3.0 Mini-B разъем не существует.

Источник