Последовательная шина USB

Последовательные шины позволяют объединять множество устройств, используя всего 1-2 пары проводов. При этом достигается пропускная способность от 100 кбит/с для шины ACCESS. Bus до 400 Мбит/с у Fire Wire. Функциональные возможности этих шин гораздо шире, чем у традиционных интерфейсов локальных сетей — USB и FireWire способны передавать изохронный трафик аудио- и видеоданных.

USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры ПК ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Версия 1.0 была опубликована в январе 1996 года. Архитектура USB определяется следующими критериями:

– легко реализуемое расширение периферии ПК;

– дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Мбит/с;

– полная поддержка в реальном времени передачи аудио и (сжатых) видеоданных;

– гибкость протокола смешанной передачи изохронных данных и асинхронных сообщений;

– интеграция с выпускаемыми устройствами;

– доступность в ПК всех конфигураций и размеров;

– обеспечение стандартного интерфейса;

– создание новых классов устройств, расширяющих ПК.

С точки зрения конечного пользователя, привлекательны следующие черты USB:

– простота кабельной системы и подключений;

– скрытие подробностей электрического подключения от конечного пользователя;

– самоидентифицирующиеся ПУ, автоматическая связь устройств с драйверами и конфигурирование;

– возможность динамического подключения и конфигурирования ПУ.

С середины 1996 года выпускаются PC со встроенным контроллером USB, реализуемым чипсетом.

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 терминология USB.

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 цифрового джойстика, акустических колонок 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, 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.

Примерами функций являются:

– Указатели — мышь, планшет, световое перо;

– Устройства ввода — клавиатура или сканер;

– Устройство вывода — принтер, звуковые колонки (циф­ровые);

– 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.