Універсальна послідовна шина USB

У USB реалізована можливість підключення великої кількості периферійних пристроїв до комп'ютера. При підключенні пристроїв до USB не потрібно встановлювати плати в роз'єми системної плати і реконфігурувати систему; крім того, економно використовуються такі важливі системні ресурси, як IRQ (запити переривання). При підключенні периферійного обладнання до персональних комп'ютерів, оснащених шиною USB, його налаштування відбувається автоматично, відразу після фізичного підключення, без перезавантаження або установки. Шина USB дозволяє одночасно використовувати до 127 пристроїв, причому такі периферійні пристрої, як монітор або клавіатура, можуть надавати додаткові роз'єми і виступати як концентратори USB. Кабелі, роз'єми, концентратори і периферійні пристрої, що підтримують USB, можна визначити по значку, показаному на рис.1. Cимвол плюса, добавлений до другого значка — він означає стандарт USB 2.0 (високошвидкісний стандарт).

Рис.1 Логотипи пристроїв USB

3.3.1. USB 1.1

Універсальна послідовна шина версії 1.1 — це інтерфейс, що працює із швидкістю 12 Мбіт/с (1, 5 Мбайт/с) і заснований на простому 4-жильному з'єднанні. Ця шина підтримує до 127 пристроїв, що підключаються, і використовує топологію зірки, побудовану на розширювальних концентраторах, які можуть входити в персональний комп'ютер, будь-який периферійний пристрій USB і навіть бути окремими пристроями.

У USB використовується принцип кодування даних NRZI (Non Return to Zero Invent). У цьому методі кодування зміна рівня напруги відповідає 0, а його відсутність — 1. NRZI є дуже ефективною схемою кодування даних, оскільки при її використанні не потрібні додаткові сигнали, наприклад синхроімпульси. Послідовність нулів означає перехід з одного рівня на іншій кожен біт часу; послідовність одиниць означає тривалий проміжок часу, при якому зміни даних не відбувається. Цей ефективний метод кодування при передачі даних звільняє від необхідності в додаткових тактових імпульсах, які займали б час і зменшували пропускну здатність шини.

Для одночасного підключення декількох пристроїв USB необхідно використовувати концентратор. За допомогою концентратора до одного порту USB можна підключити клавіатуру, мишу, цифрову камеру, принтер, телефон і т.д. В комп'ютері встановлюється модуль, званий кореневим концентратором — початкова точка для підключення решти всіх пристроїв. Практично всі системні плати мають два або чотири порти USB.

Завдяки зіркоподібній топології концентратори дозволяють підключити безліч пристроїв. Кожна точка підключення іменується портом. Більшість концентраторів мають чотири або вісім портів, що далеко не межа. Крім того, до портів одного концентратора можна підключати додаткові концентратори. Концентратор управляє як безпосередньо підключенням, так і розподілом енергії між підключеними пристроями. Типовий концентратор показаний на рис.2

Рис.2 Типовий концентратор

Новому підключеному концентратору присвоюється унікальна адреса; пристрої можна масштабувати до п'яти рівнів в глибину (рис. 3). Концентратор виступає в ролі двонаправленого ретранслятора і транслює сигнали USB як у вхідному (до ПК), так і в низхідному (до пристрою) потоках. Крім того, концентратор здійснює контроль за сигналами і обробляє адресовані йому транзакції. Всі інші транзакції передаються до підключених пристроїв. Концентратор USB 1.1 підтримує як високошвидкісну передачу даних (12 Мбіт/с), так і низькошвидкісну (1, 5 Мбіт/с).

Максимальна довжина кабелю між двома пристроями, що працюють на граничній швидкості (12 Мбіт/с), або пристроєм і концентратором — п'ять метрів. У кабелі використовується екранована вита пара. Максимальна довжина кабелю для низькошвидкісних (1, 5 Мбіт/с) пристроїв при використанні нескрученої пари проводів — три метри. Причому ці відстані зменшуються, якщо використовується тонший кабель.

Швидкість передачі даних, підтримувана стандартом USB 1.1, менше, ніж при передачі даних по Fire Wire або SCSI, але, не дивлячись на це, така швидкості цілком достатньо для підключення периферійних пристроїв. Інтерфейс USB 2.0 працює приблизно в 40 разів швидше, ніж USB 1.1; швидкості передачі даних досягає 480 Мбіт/с (або 60 Мбайт/с).

Рис.3 У персональному комп'ютері може використовуватися декілька концентраторів USB для підключення різних периферійних пристроїв

3.3.2. Роз'єми USB

Існують роз'єми USB типів - А і В, MINI-A і MINI-B, MICRO-A і MICRO -B.

Рис.4 Роз'єми і гнізда (порти)|гніздо| USB

Роз'єм типа А використовується для організації вхідного/вихідного потоку даних між пристроєм і портом/концентратором USB. Міні- і мікро-роз'єми є просто зменшеними версіями стандартних роз'ємів, що мають фізично менший формфактор. Роз'єми USB дуже невеликі (особливо міні-роз'єми), що їх вигідно відрізняє від послідовних і паралельних кабелів, які, крім усього іншого, доводиться прикріплювати гвинтами або тримачами. В роз'єму USB немає контактів, які можуть погнутися або зламатися, тому надійність роз'єму дуже велика. Зовнішній вигляд роз'ємів і гнізд (портів) USB представлений на рис.4

Гніздо Mini-A/B характеризується подвійним призначенням, тобто підтримує як роз'єм MINI-A, так і роз'єм MINI-B. Нові міні-роз'єми і гнізда мають всередині з'єднувачів пластикові елементи, які є маркованими.

USB задовольняє вимогам технології Plug and Play компанії Intel, зокрема вимозі гарячого підключення, при якому пристрій може під'єднуватися до комп'ютера без виключення живлення і перезавантаження системи. Потрібно просто підключити пристрій, після чого контролер USB, встановлений в комп'ютері, самостійно його протестує та встановить з ним контакт.

Підтримка універсальної послідовної шини необхідна також і в BIOS; шина USB встановлюється в нових системах, що мають вбудовані порти USB. Існують також плати USB, за допомогою яких можна додати можливості універсальної послідовної шини у вже існуючі комп'ютери. До USB можна підключити такі периферійні пристрої, як модеми, телефони, джойстики, клавіатури і пристрої керування покажчиком (миші).

Цікавою особливістю USB є можливість підведення потужності до всіх пристроїв, що підключаються, через шину. Завдяки підтримці Plug and Play система " опитує" пристрій, що підключається, про його енергетичні потреби і, якщо рівень потужності перевершує допустимий, видає попередження. Це найефективніше для портативних комп'ютерів, ємність батарей яких обмежена.

Завдяки пристроям USB здійснюється самовизначення периферійного обладнання, що значно спрощує його установку. Це означає, що не потрібно встановлювати унікальні адреси для кожного периферійного пристрою — USB робить це автоматично. Причому при підключенні або відключенні пристроїв USB не потрібно вимикати комп'ютер або перезавантажувати систему.

3.3.3. USB 2.0

Специфікація USB 2.0 назад сумісна з USB 1.1 і використовує ті ж кабелі, роз'єми і програмне забезпечення, але працює в 40 разів швидше за оригінальну специфікацію версій 1.0 і 1.1. Таке збільшення продуктивності дозволяє використовувати сучаснішу периферію — камери для відеоконференцій, сканери, принтери, пристрої зберігання даних. Для кінцевого користувача USB 2.0 нічим не відрізняється від 1.1, за винятком продуктивності. Всі існуючі пристрої USB 1.1 працюють на меншій швидкості з шиною USB 2.0. Порівняльні дані про продуктивність різних версій USB приведені в табл. 1

Таблиця 1. Швидкість передачі даних різних версій USB

Для роботи з високопродуктивними пристроями USB 2.0 необхідний концентратор, що підтримує цю ж версію специфікації USB. Можна використовувати старий концентратор USB 1.1, але збільшення продуктивності пристроїв USB 2.0 досягти не вдасться (максимальна швидкість передачі даних буде обмежена 1, 5 Мбайт/с). Для одночасної спільної роботи пристроїв USB 2.0 і 1.1, підключених до високопродуктивного концентратора USB 2.0, використовується складна система буферизації вхідних даних. Таким чином, кожен пристрій працюватиме на максимально можливій швидкості. При взаємодії із підключеним периферійним пристроєм USB 2.0 концентратор просто повторює високошвидкісні сигнали; проте при обробці даних, передаваних до пристрою USB 1.1 і від нього, концентратор буферизує транзакцію і зменшує швидкість передачі даних від високошвидкісного хост-контроллера 2.0 (у ПК) до пристрою USB 1.1. Таким чином пристрої USB 1.1 можуть одночасно працювати з периферійними пристроями стандарту USB 2.0, що не відіб'ється суттєво на пропускній спроможності мережі. Пристрої і концентратори USB 2.0 були представлені провідними виробниками і в даний час набули найширшого поширення. Пристрої USB 2.0, на відміну від USB 1.1, можна встановити усередині системи. Деякі виробники плат розширення USB 2.0 комплектують плати як внутрішніми, так і зовнішніми портами USB.

Наприкінці 2000 року організація USB Implementer's Forum (USB-IF), яка є власником і розробником стандартів USB, представила нові логотипи для виробів, що пройшли сертифікаційні випробування. Нові логотипи пристроїв USB показані на рис.5.

Рис.5 Нові логотипи USB 1.1-сумісних (зліва) і USB 2.0-сумісних (справа) пристроїв

Як випливає з цього малюнка, стандарт USB 1.1 тепер називається просто " USB", а стандарт USB 2.0 отримав назву " Hi-Speed USB".

3.3.4. USB 3.0

USB 3.0 представляє наступне покоління з'єднання між комп'ютером і периферією (цифровими камерами, портативними медіаплєєрамі, мобільними телефонами, зовнішніми жорсткими дисками і тому подібне). Він покликаний замінити поточний стандарт USB 2.0 " Hi-speed". На відміну від другої версії, де дані передаються тільки в один бік в ході однієї операції, USB 3.0 підтримує одночасне зчитування і запис. Досягнута така функціональність завдяки додаванню чотирьох нових ліній до роз'єму попереднього інтерфейсу: дві для передачі даних і дві - для прийому. Загальна кількість ліній таким чином збільшена до 8 (у USB 2.0 - 5).

У специфікації USB 3.0 роз'єми і кабелі оновленого стандарту будуть фізично і функціонально сумісні з USB 2.0. Кабель USB 2.0 містить в собі чотири лінії - пару для прийому/передачі даних, одну - для живлення і ще одну - для заземлення. На додаток до них USB 3.0 додає п'ять нових ліній (внаслідок чого кабель став набагато товщий), проте нові контакти розташовані паралельно по відношенню до старих на іншому контактному ряду. Тепер можна буде з легкістю визначити приналежність кабелю до тієї або іншої версії стандарту, просто поглянувши на його роз'єм. Специфікація USB 3.0 підвищує максимальну швидкість передачі інформації до 4, 8 Гбіт/с - що на порядок більше 480 Мбіт/с, які може забезпечити USB 2.0. USB 3.0 може похвалитися не тільки вищою швидкістю передачі інформації, але і збільшеною силою струму з 500 ма до 900 ма. Відтепер користувач зможе не тільки підживлювати від одного концентратора набагато більшу кількість пристроїв, але і саме апаратне забезпечення, що раніше поставлялося з окремими блоками живлення..

3.3.5. Адаптери USB

Існують наступні|слідуючий| типи таких адаптерів:

· USB-паралельний порт (принтер);

· USB-послідовний порт;

· USB-SCSI;

· USB-Ethernet;

· USB-клавіатура|/миша;

· USB-TV/video.

Ці адаптери мають вид звичайного|звичний| кабелю з|із| роз'ємом USB на одному кінці і роз'ємом якого-небудь іншого інтерфейсу на іншому. Електронна " начинка" захована в модулі посередині або на одному з кінців кабелю. В таких адаптерах, обмежений спектр пристроїв|устрій|, що підключаються, наприклад до адаптера USB-паралельний порт можна підключати тільки|лише| принтери. Крім того, існують і інші недоліки|нестача|. Якщо до системи потрібно підключити більш ніж один пристрій|устрій|, не оснащений портом USB, придбайте|набути| спеціальний концентратор USB, в якому окрім|крім| USB-портів буде і кілька інших роз'ємів.

Для підключення двох комп'ютерів необхідний адаптер прямого з'єднання|сполучення, сполука| USB. За допомогою цього типу пристроїв|устрій| можна створити USB-мережу. Такий тип з'єднання|сполучення, сполука| забезпечує вищу швидкість передачі даних, чим пряме паралельне з'єднання|сполучення, сполука|. Також існують спеціальні контролери USB, що дозволяють периферійному пристрою|устрій| використовувати дві і більше USB-шини. Як пряме з'єднання|сполучення, сполука|, так і контролери USB технічно не визначені в офіційній специфікації USB, хоча все одно мають право на існування.