USB (Universal Serial Bus — «универсальная последовательная шина») — последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. Для подключения используется 4-х проводный кабель, при этом два провода используются для приёма и передачи данных, а 2 провода — для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания.
Основные сведения
Кабель USB состоит из 4 медных проводников — 2 проводника питания и 2 проводника данных в витой паре, и заземленной оплётки (экрана).
Кабели USB имеют физически разные наконечники «к устройству» и «к хосту». Возможна реализация USB устройства без кабеля, со встроенным в корпус наконечником «к хосту». Возможно и неразъёмное встраивание кабеля в устройство (например, USB-клавиатура, Web-камера, USB-мышь), хотя стандарт запрещает это для устройств full и high speed.
Шина USB строго ориентирована, т.е. имеет понятие «главное устройство» (хост, он же USB контроллер, обычно встроен в микросхему южного моста на материнской плате) и «периферийные устройства».
Устройства могут получать питание +5 В от шины, но могут и требовать внешний источник питания. Поддерживается и дежурный режим для устройств и разветвителей по команде с шины со снятием основного питания при сохранении дежурного питания и включением по команде с шины.
USB поддерживает «горячее» подключение и отключение устройств. Это возможно благодаря увеличения длинны проводника заземляющего контакта по отношению к сигнальным. При подключении разъёма USB первыми замыкаются заземляющие контакты, потенциалы корпусов двух устройств становятся равны и дальнейшее соединение сигнальных проводников не приводит к перенапряжениям, даже если устройства питаются от разных фаз силовой трёхфазной сети.
На логическом уровне устройство USB поддерживает транзакции приема и передачи данных. Каждый пакет каждой транзакции содержит в себе номер оконечной точки (endpoint) на устройстве. При подключении устройства драйверы в ядре ОС читают с устройства список оконечных точек и создают управляющие структуры данных для общения с каждой оконечной точкой устройства. Совокупность оконечной точки и структур данных в ядре ОС называется каналом (pipe).
Оконечные точки, а значит, и каналы, относятся к одному из 4 классов:
1) поточный (bulk),
2) управляющий (control),
3) изохронный (isoch),
4) прерывание (interrupt).
Низкоскоростные устройства, такие, как мышь, не могут иметь изохронные и поточные каналы.
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 или джойстики).
Изохронный канал позволяет доставлять пакеты без гарантии доставки и без ответов/подтверждений, но с гарантированной скоростью доставки в N пакетов на один период шины (1 КГц у low и full speed, 8 КГц у high speed). Используется для передачи аудио- и видеоинформации.
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.
Время шины делится на периоды, в начале периода контроллер передает всей шине пакет «начало периода». Далее в течение периода передаются пакеты прерываний, потом изохронные в требуемом количестве, в оставшееся время в периоде передаются управляющие пакеты и в последнюю очередь поточные.
Активной стороной шины всегда является контроллер, передача пакета данных от устройства к контроллеру реализована как короткий вопрос контроллера и длинный, содержащий данные, ответ устройства. Расписание движения пакетов для каждого периода шины создается совместным усилием аппаратуры контроллера и ПО драйвера, для этого многие контроллеры используют Прямой доступ к памяти DMA (Direct Memory Access) — режим обмена данными между устройствами или же между устройством и основной памятью, без участия (ЦП). В результате скорость передачи увеличивается, так как данные не пересылаются в ЦП и обратно.
Размер пакета для оконечной точки есть вшитая в таблицу оконечных точек устройства константа, изменению не подлежит. Он выбирается разработчиком устройства из числа тех, что поддерживаются стандартом USB.
Технические характеристики
Возможности USB:
— Высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) — 12 Мб/с
— Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена — 5 м
— Низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) — 1.5 Мб/с
— Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена — 3 м
— Максимум подключенных устройств (включая размножители) — 127
— Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена
— Отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов, таких как терминаторы для SCSI
— Напряжение питания для периферийных устройств — 5 В
— Максимальный ток потребления на одно устройство — 500 mA
Распайка разъема USB 1.1 и 2.0
| Разъем USB — серия «А» Предназначен только для подключения к источнику, т.е. к компьютеру или хабу | Разъем USB — серия «В» Предназначены только для подключения к периферийному устройству |
|
|
|
Сигналы USB передаются по двум проводам экранированного четырёхпроводного кабеля.
| Номер контакта | Обозначение | Цвет провода |
|---|---|---|
| 1 | VBUS | Красный |
| 2 | D- | Белый |
| 3 | D+ | Зелёный |
| 4 | GND | Чёрный |
Здесь:
V BUS — +5V также для цепей питания
Шина D+ предназначена для передачи данных
Недостатки USB 2.0
Хотя максимальная скорость передачи данных USB 2.0 составляет 480 Мбит/с (60 Мбайт/с), в реальной жизни достичь таких скоростей нереально (~33,5 Мбайт/сек на практике). Это объясняется большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, шина FireWire, хотя и обладает меньшей пиковой пропускной способностью 400 Мбит/с, что на 80 Мбит/с (10 Мбайт/с) меньше, чем у USB 2.0, в реальности позволяет обеспечить бо́льшую пропускную способность для обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации. В связи с этим разнообразные мобильные накопители уже давно «упираются» в недостаточную практическую пропускную способность USB 2.0.
