Универсальный интерфейс USB

Интерфейс USB (Universal Serial Bus)— это новый интерфейс, который является универсальным последовательным интерфейсом. Используется в компьютерах с 1999 года. Предназначен для подключения к ПК любой периферии со скоростью обмена 12 Мбит/с (полная скорость), либо с низкой скоростью 1,5 Мбит/с.

Помимо универсальности этот интерфейс позволит избавиться от шины ISA. До тех пор пока в ПК существует COM– и LPT–порты и интерфейс для подключения флоппи – дисков в материнской плате должен существовать интерфейс ISA, со всеми присущими ему недостатками: конфликты прерываний и адресов портов, дополнительные дорожки на плате для разводки этих портов.

Архитектурой USB предусматривается топология “звезда”. Система должна состоять из одного ведущего (корневого) концентратора(Hub)с контроллером, управляемым операционной системой, требуемого количества концентраторов и узлов (периферийных устройств). Концентратор (хаб) – ключевой элемент системы Plug-and-Play в архитектуре USB. Хаб является кабельным концентратором, а точки подключения к нему называются портами хаба. Концентраторы могут каскадироваться, образуя древовидную структуру с поддеревьями (рисунок 10.8). У каждого хаба имеется один восходящий порт, предназначенный для подключения к компьютеру (хосту) или хабу верхнего уровня. Остальные порты являются нисходящими и предназначены для подключения функциональных устройств или хабов нижнего уровня. Узлы подключаются к концентраторам. Всего узлов может быть до 127, концентратор также считается устройством. На практике такое количество узлов вряд ли будет использоваться, а топология будет линейной.

В устройства, подключаемые к шине USB, часто встраивается концентратор с единственным выходным портом, что позволяет объединять устройства в цепочку. При построении цепочки следует иметь в виду, что наиболее скоростные устройства (монитор) следует подключать ближе к корневому концентратору, а наименее скоростные (клавиатура) – в конец цепочки. Это обеспечит приоритетное обслуживание высокоскоростных устройств.

Для соединения устройств и концентраторов USB используется 4-х жильный кабель: по двум его проводам подается электропитание (+ 5V) на устройства, не имеющие своего источника, а два других используется для передачи информации.

Одним из преимуществ USB является возможность “горячего” подключения без перезагрузки системы. При обнаружении на шине нового устройства концентратор оповещает об этом корневой концентратор. Затем система опрашивает вновь подключенное устройство о его возможностях и потребностях и конфигурирует его. Вдобавок при этом загружаются необходимые драйверы.

USB поддерживает ряд режимов передачи, как однонаправленных, так и двунаправленных. Передача осуществляется между ПО компьютера (хоста) и конкретной конечной точкой устройства. Устройство может иметь несколько конечных точек, связь с каждой из них (канал) устанавливается независимо от других.

Архитектура USB допускает четыре базовых типа передачи данных:

§ Управляющие посылки, используемые для конфигурирования во время подключения и в процессе работы для управления устройствами. Длина поля данных управляющей посылки не превышает 64 байт на полной скорости и 8 байт на низкой.

§ Сплошная передача небольших пакетов без жестких требований ко времени доставки (например, от сканера или к принтеру). Длина пакетов от 8 до 64 байт.

§ Прерывания – для передачи типа вводимых символов или координат.

§ Изохронная передача – непрерывная передача в реальном времени, имеющая заданную задержку доставки сообщения. В случае обнаружения ошибки изохронные данные передаются без повтора – недействительные пакеты игнорируются. Типичным примером изохронной передачи является цифровая передача речевых сообщений.

Общая схема обмена управляющими сообщениями и данными по USB интерфейсу изображена на рисунке 10.9.

Рисунок 10.9 – Общая схема процесса обмена данными по протоколу USB

Хост-контроллер формирует кадры из наиболее приоритетных данных. Каждый кадр начинается стартовой посылкой SOF (Start of Frame) и завершается посылкой EOF (End of Frame). Любая передача состоит из одной или нескольких транзакций. Все транзакции по USB интерфейсу состоят из трех пакетов. Каждая транзакция начинается по инициативе контроллера, который посылает пакет-маркер, описывающий тип и направление передачи, адрес устройства USB и номер конечной точки. В каждой транзакции возможен обмен только между адресуемым устройством (его конечной точкой) и ЭВМ. Адресуемое маркером устройство USB распознает свой адрес и подготавливается к обмену. Источник данных (определенный маркером) передает пакет данных или уведомление об отсутствии данных, предназначенных для передачи. После успешного приема пакета получатель данных посылает пакет подтверждения (Handshake Packet).

Для защиты передаваемой информации от ошибок используется помехозащищенное кодирование циклическим кодом. В случае обнаружения ошибок контроллер автоматически производит повторную передачу (до трех раз). Если повторы безуспешны, сообщение об ошибке передается клиентскому ПО для программной обработки.

Для передачи данных по двухпроводной линии применяются двухполярные линейные сигналы без возврата к нулю типа NRZI (Non-Return to Zero Inverted). В этих сигналах (рисунок 10.10) каждый логический ноль данных приводит к изменению полярности сигнала, а при передаче логической "1" полярность сигнала остается прежней. Такое линейное кодирование позволяет избавиться от длинных последовательностей нулей и улучшить синхронизирующие свойства сигналов.

Рисунок 10.10 – Линейные сигналы интерфейса USB

На рисунке 10.11 показаны последовательности пакетов управления и данных при записи и чтении информации.

Рисунок 10.11 ― Управляющие последовательности при записи и чтении данных

На рисунке 10.12 показаны последовательности трехпакетной транзакции при записи и чтении данных..

Рисунок 10.12 - Последовательности передачи пакетов

В 2002 году был введен улучшенный стандарт USB 2.0 (IEEE 1394) который превосходит по быстродействию стандартный интерфейс USB в 40 раз (480 Мбит/с, 12Мбит/с или 1,5Мбит/с). Скорость обмена определяется автоматически в диалоговом режиме. Быстродействие этого интерфейса позволило использовать его для подключения внешних жестких дисков, видеокамер, DVD-драйвов и пр.

В конце 2008 году утвержден новый стандарт SuperSpeed USB (USB 3.0), обеспечивающий скорость передачи данных 5 Гбит/сек, что в 10 раз превосходит быстродействие USB 2.0. SuperSpeed USB использует технологию Sync-N-Go, которая минимизирует время ожидания пользователя. Данный интерфейс полностью совместим с оборудованием USB 2.0.

Основной целью интерфейса USB 3.0 является повышение доступной пропускной способности, однако новый стандарт эффективно оптимизирует энергопотребление. Интерфейс USB 2.0 постоянно опрашивает доступность устройств, на что расходуется энергия. Напротив, у USB 3.0 есть четыре состояния подключения, названные U0-U3. Состояние подключения U0 соответствует активной передаче данных, а U3 погружает устройство в «сон». Если подключение бездействует, то в состоянии U1 будут отключены возможности приёма и передачи данных. Состояние U2 идёт ещё на шаг дальше, отключая внутренние тактовые импульсы. Соответственно, подключённые устройства могут переходить в состояние U1 сразу же после завершения передачи данных, что, как предполагается, даст ощутимые преимущества по энергопотреблению, если сравнивать с USB 2.0.