16. Шина USB. Общие харак-тики

Универсальная последовательная шина имеет следующие характеристики:

 Главный компьютер выполняет функции хоста.

 К хосту можно подключить до 127 устройств, либо напрямую, либо с помощью USB-концентраторов.

 Отдельные USB-кабели могут иметь длину 5 метров, а при наличии концентраторов по протоколу USB можно подключить устройства, удаленные от хост-компьютера на расстояние до 30 метров (длина 6 кабелей).

 Стандарт USB 2. предусматривает максимальную скорость передачи данных 480 мегабит в секунду.

 Кабель USB снабжен двумя проводами для подачи электропитания (5 вольт и земля), а также витой парой для передачи данных.

 По проводам электропитания компьютер может обеспечить подачу питающего напряжения 5 В при токе до 500 мА.

 Устройства с небольшим энергопотреблением могут питаться непосредственно от шины. Устройства, отличающиеся большой потребляемой мощностью (например, принтеры), имеют собственные блоки питания и потребляют от шины минимальное количество энергии. Концентраторы для питания подключенных к ним устройств могут снабжаться собственными блоками питания.

 USB-устройства допускают "горячую" замену, то есть их можно подключать к шине и отключать от нее в любое время.

 Многие USB-устройства могут переводиться хост-компьютером в спящий режим, когда сам компьютер переводится в энергосберегающий режим. Подключенные к порту USB устройства получают питание и обмениваются данными по USB-кабелю.

17.Шина USB. Общая архитектура

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC. Возможности USB определяется следующими тех. хар-ками: * Дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Мбит/с. *мах длина кабеля для высокой скорости обмена – 5м * низкая скорость обмена – 1,5 Мбит/с. *мах длина кабеля для низкой скорости обмена – 3м *мах кол-во подключенных устройств – 127 *Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена *напряжение питания для переферийных устройств – 5В

Особенно удобен этот интерфейс для подключения часто подключаемых\отключаемых приборов, таких как цифровые фотокамеры и др. Возможность использования только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины. USB поддерживает динамическое подключение и отключение устройств и конструкция разъемов рассчитана на многократное сочленение\расчленение. Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джойстики и т.п. USB обеспечивает одновременный обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ).

18.Шина USB. Свойства устройств

Спецификация USB достаточно жестко определяет набор свойств, которые должно поддерживать любое USB-устройство:

o адресация – устройство должно отзываться на назначенный ему уникальный адрес и только на него;

o конфигурирование – после включения или сброса устройство должно предоставлять нулевой адрес для возможности конфигурирования его портов;

o передача данных – устройство имеет набор конечных точек для обмена данными с хостом. Для конечных точек, допускающих разные типы передач, после конфигурирования доступен только один из них;

o управление энергопотреблением – любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. При конфигурировании устройство заявляет свои потребности тока, но не более 500 мА. Если хаб не может обеспечить устройству заявленный ток, устройство не будет использоваться;

o приостановка – USB-устройство должно поддерживать приостановку (suspended mode), при которой его потребляемый ток не превышает 500 мкА. USB-устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины;

o удаленное пробуждение – возможность удаленного пробуждения (remote wakeup) позволяет приостановленному USB-устройству подать сигнал хосту, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации USB-устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена.

19.Шина USB. Принципы передачи данных

Механизм передачи данных является асинхронным и блочным. Блок передаваемых данных называется USB-фреймом или USB-кадром и передается за фиксированный временной интервал. Оперирование командами и блоками данных реализуется при помощи логической абстракции, называемой каналом. Внешнее устройство также делится на логические абстракции, называемые конечными точками. Таким образом, канал является логической связкой между хостом и конечной точкой внешнего устройства. Канал можно сравнить с открытым файлом.

Для передачи команд (и данных, входящих в состав команд) используется канал по умолчанию, а для передачи данных открываются либо потоковые каналы, либо каналы сообщений.

Все операции по передачи данных по шине USB инициируются хостом. Периферийные USB-устройства сами начать обмен данными не могут. Они могут только реагировать на команды хоста.

20. Шина USB.Логические уровни обмена данными

Логические уровни обмена данными

логических уровня с определенными правилами взаимодействия. USB-устройство содержит интерфейсную, логическую и функциональную части. Хост тоже делится на три части – интерфейсную, системную и ПО. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач. Таким образом, операция обмена данными между прикладной программой и шиной USB выполняется путем передачи буферов памяти через следующие уровни:уровень клиентского ПО в хосте:

· управляет нумерацией устройств на шине;

· управляет распределением пропускной способности шины и мощности питания;

· обрабатывает запросы пользовательских драйверов;

o уровень хост-контроллера интерфейса шины USB (HCD, Host Controller Driver):

· преобразует запросы ввода/вывода в структуры данных, по которым выполняются физические транзакции;

· работает с регистрами хоста.

21. Шина USB.Передача данных по уровням

Пропускная способность шины USB, соответствующей спецификации 1.1, составляет 12Мбит/с (т.е. 1,5 Мбит/с). Спецификация 2.0 определяет шину с пропускной способностью 400 Мбайт/с. Полоса пропускания делится между всеми устройствами, подключенными к шине.

Шина USB имеет три режима передачи данных:

o низкоскоростной (LS, Low-speed);

o полноскоростной (LF, Full-speed);

o высокоскоростной (HS, High-speed, только для USB 2.0).

Спецификация USB определяет три логических уровня с определенными правилами взаимодействия. USB-устройство содержит интерфейсную, логическую и функциональную части. Хост тоже делится на три части – интерфейсную, системную и ПО. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач.

Таким образом, операция обмена данными между прикладной программой и шиной USB выполняется путем передачи буферов памяти через следующие уровни:

o уровень клиентского ПО в хосте:

· обычно представляется драйвером USB-устройства;

· обеспечивает взаимодействие пользователя с операционной системой с одной стороны и системным драйвером с другой;

o уровень системного драйвера USB в хосте(USB, Universal Serial Bus Driver):

21. Шина USB.Метод кодирования

Для передачи данных по шине используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Все данные кодируются с помощью метода, называемого NRZI with bit stuffing (NRZI - Non Return to Zero Invert, метод возврата к нулю с инвертированием единиц).

Вместо кодирования логических уровней как уровней напряжения USB определяет логический 0 как изменение напряжения, а логическую 1 как неизменение напряжения. Этот метод представляет собой модификацию обычного потенциального метода кодирования NRZ (Non Return to Zero, невозврат к нулю), когда для представления 1 и 0 используются потенциалы двух уровней, но в методе NRZI потенциал, используемый для кодирования текущего бита, зависит от потенциала, который использовался для кодирования предыдущего бита. Если текущий бит имеет значение 0, то текущий потенциал представляет собой инверсию потенциала предыдущего бита, независимо от его значения. Если же текущий бит имеет значение 1, то текущий потенциал повторяет предыдущий. Очевидно, что если данные содержат нули, то приемнику и передатчику достаточно легко поддерживать синхронизацию - уровень сигнала будет постоянно меняться. А вот если данные содержат длинную последовательность единиц, то уровень сигнала меняться те будет, и возможна рассинхронизация. Следовательно, для надежной передачи данных нужно исключить из кодов слишком длинные последовательности единиц. Это действие называется стаффинг (Bit stuffing): после каждых шести единиц автоматически добавляется 0.

Существует только три возможных байта с шестью последовательными единицами: 00111111, 01111110, 111111100.

Стаффинг может увеличить число передаваемых бит до 17%, но на практике эта величина значительно меньше. Для устройств, подключаемых к шине USB, кодирование происходит прозрачно: USB-контроллеры производят кодирование и декодирование автоматически.

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники.

Приеимущества шины:

• USB устройство может быть подсоединено к компьютеру в любой момент времени, даже когда включен;
• когда компьютер обнаруживает подключенное USB устройство, он автоматически опрашивает его, чтобы узнать его возможности и требования;
• производит загрузку драйвера, а при отключении устройства драйвер автоматически выгружается;
• USB устройство не использует джемперов, DIP переключателей, никогда не вызывает конфликтов прерываний, DMA, памяти;
• расширяющие USB хабы позволяют подключать к одной шине большое количество устройств (до 127 устройств);
• низкая стоимость USB устройств.

Возникновение USB сделало возможным создание USB Flash Drive (USB-накопитель).

История создания и развития интерфейса USB

Первая версия компьютерного интерфейс USB появилась 15 января 1996 года. Инициаторами проекта был альянс 7 крупных компаний производителей Intel, DEC, IBM, Northen Telecom, Compaq.

Причиной возникновения нового стандарта для передачи информации, послужила желание упростить соединение ПК с периферийными устройствами. Основная цель стандарта, была создать для пользователей возможность пользоваться таким интерфейсом, который бы обладал максимальной простотой, универсальностью, и использовал принцип Plug&Play или горячее соединение.

Это позволило бы подключать к ПК во время работы различные устройства ввода-вывода, с условием немедленного автоматического распознавания типа и модели подключённого устройства. Также, была поставлена цель, - избавиться от проблемы нехватки внутренних ресурсов прерываний системной шины.

Все эти задачи успешно были решены к концу 1996 года, а к весне 1997 года, стали появляться первые ПК, оборудованные разъёмами USB. Полная поддержка USB устройств была осуществлена только к концу 1998 года, в операционной системе Windows98, и только с этого этапа, началось особенно бурное развитие и выпуск периферийного оборудования, оснащённого этим интерфейсом.

По-настоящему массовое внедрение USB началось с широким распространением корпусов и системных плат форм-фактора ATX примерно в 1997-1998 годах. Не упустила шанс воспользоваться достижениями прогресса и компания Apple, представившая 6 мая 1998 года свой первый iMac, также оснащенный поддержкой USB.

Этот стандарт был рождён, в то время, когда уже существовал аналогичный последовательный интерфейс передачи данных, разработанный Apple Computer и имел название FireWare или IEE1394. USB - интерфейс был создан, как альтернатива IEE1394, и был призван не заменить его, а существовать параллельно уже существующему типу соединений.

Первая версия USB имела некоторые проблемы совместимости и содержала несколько ошибок в реализации. В итоге, в ноябре 1998 года вышла спецификаций USB 1.1.

Спецификация USB 2.0 была представлена в апреле 2000 года. Но до принятия ее в качестве стандарта прошло больше года. После этого началось массовое внедрение второй версии универсальной последовательной шины. Главным ее достоинством было 40-кратное увеличение скорости передачи данных. Но кроме этого были и другие нововведения. Так появились новые типы разъемов Mini-B и Micro-USB, добавилась поддержка технологии USB On-The-Go (позволяет USB-устройствам вести обмен данными между собой без участия USB-хоста), появилась возможность использования напряжения, подаваемого через USB, для зарядки подключенных устройств.

Принцип работы шины USB

USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Согласно спецификации USB, устройства (device) могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Хаб (hub) только обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Устройство-функция (function) USB предоставляет системе дополнительные функциональные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Комбинированное устройство (compound device), реализующее несколько функций, представляется как хаб с подключенными к нему несколькими устройствами.

Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (host controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой компьютера. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

Шина USB является хост-центрической: единственным ведущим устройством, которое управляет обменом, является хост-компьютер, а все присоединенные к ней периферийные устройства - исключительно ведомые. Физическая топология шины USB - многоярусная звезда. Ее вершиной является хост-контроллер, объединенный с корневым хабом (root hub). Хаб является устройством-разветвителем, кроме того, он может являться источником питания для подключенных к нему устройств. К каждому порту хаба может непосредственно подключаться периферийное устройство или промежуточный хаб; шина допускает до 5 уровней каскадирования хабов (не считая корневого). 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.

К USB-хосту сходятся данные от подключенных устройств и он же обеспечивает взаимодействие с компьютером. Все устройства подключаются по топологии "звезда". Чтобы увеличить число активных разъемов USB можно воспользоваться USB-хабами. Таким образом получится аналог логической структуры "дерево". "Ветвей" у такого дерева может быть до 127 штук на один хост-контроллер, а уровень вложенности USB-хабов не должен превышать пяти. Кроме того, в одном USB-хосте может быть несколько хост-контроллеров, что пропорционально увеличивает максимальное число подключенных устройств.

Хабы бывают двух видов. Одни просто увеличивают число USB-разъемов в одном компьютере, а другие позволяют подключать несколько компьютеров. Второй вариант позволяет использовать нескольким системам одни и те же устройства. В зависимости от хаба переключение может производится как вручную, так и автоматически.

Одно физическое устройство, подключенное через USB, может логически подразделяться на "под-устройства", выполняющие те или иные определенные функции. Например, у веб-камеры может быть встроенные микрофон - получается, что у нее два под-устройства: для передачи аудио и видео.

Передача данных происходит через специальные логические каналы. Каждому USB-устройству может быть выделено до 32 каналов (16 на прием и 16 на передачу). Каждый канал подключается к условно называемой "конечной точке". Конечная точка может либо принимать данные, либо передавать их, но не способна делать это одновременно. Группа конечных точек, необходимых для работы какой-либо функции, называется интерфейсом. Исключение составляет "нулевая" конечная точка, предназначающаяся для конфигурации устройства.

Когда к USB-хосту подключается новое устройство начинается процесс присвоения ему идентификатора. Первым делом устройству посылается сигнал перехода в исходное состояние. Тогда же происходит и определение скорости, с которой может вестись обмен данными. После считывается конфигурационная информация с устройства, и ему присваивается уникальный семибитный адрес. Если устройство поддерживается хостом, то загружаются все необходимые драйвера для работы с ним, после чего процесс завершен. Перезагрузка USB-хоста всегда вызывает повторное присвоение идентификаторов и адресов всем подключенным девайсам.

В отличие от шин расширения (ISA/EISA, PCI, PC Card), где программа взаимодействует с устройствами путем обращений по физическим адресам ячеек памяти, портов ввода-вывода, прерываниям и каналам DMA, взаимодействие приложений с устройствами USB выполняется только через программный интерфейс. Этот интерфейс, обеспечивающий независимость обращений к устройствам, предоставляется системным ПО контроллера USB.

Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода - для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания, шина USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА).

Кодирование данных

Для передачи данных по шине используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Все данные кодируются с помощью метода, называемого NRZI with bit stuffing (NRZI - Non Return to Zero Invert, метод возврата к нулю с инвертированием единиц).

Вместо кодирования логических уровней как уровней напряжения USB определяет логический 0 как изменение напряжения, а логическую 1 как неизменение напряжения. Этот метод представляет собой модификацию обычного потенциального метода кодирования NRZ (Non Return to Zero, невозврат к нулю), когда для представления 1 и 0 используются потенциалы двух уровней, но в методе NRZI потенциал, используемый для кодирования текущего бита, зависит от потенциала, который использовался для кодирования предыдущего бита. Если текущий бит имеет значение 0, то текущий потенциал представляет собой инверсию потенциала предыдущего бита, независимо от его значения. Если же текущий бит имеет значение 1, то текущий потенциал повторяет предыдущий. Очевидно, что если данные содержат нули, то приемнику и передатчику достаточно легко поддерживать синхронизацию - уровень сигнала будет постоянно меняться. А вот если данные содержат длинную последовательность единиц, то уровень сигнала меняться те будет, и возможна рассинхронизация. Следовательно, для надежной передачи данных нужно исключить из кодов слишком длинные последовательности единиц. Это действие называется стаффинг (Bit stuffing): после каждых шести единиц автоматически добавляется 0.

Существует только три возможных байта с шестью последовательными единицами: 00111111, 01111110, 111111100.

Стаффинг может увеличить число передаваемых бит до 17%, но на практике эта величина значительно меньше. Для устройств, подключаемых к шине USB, кодирование происходит прозрачно: USB-контроллеры производят кодирование и декодирование автоматически.

Режимы работы шины

• Low Speed поддерживается стандартами версии 1.1 и 2.0. Пиковая скорость передачи данных - 1.5 Мбит/с (187.5 Кбайт/с). Чаще всего применяется для HID-устройств (клавиатур, мышей, джойстиков).
• Full Speed поддерживается стандартами версии 1.1 и 2.0. Пиковая скорость передачи данных - 12 Мбит/с (1.5 Мбайт/с). До выхода USB 2.0 был наиболее быстрым режимом работы.
• Hi-Speed поддерживается стандартом версии 2.0 и 3.0. Пиковая скорость передачи данных - 480 Мбит/с (60 Мбайт/с).
• Super-Speed поддерживается стандартом версии 3.0. Пиковая скорость передачи данных - 4.8 Гбит/с (600 Мбайт/с).

Передача данных

Механизм передачи данных является асинхронным и блочным. Блок передаваемых данных называется USB-фреймом или USB-кадром и передается за фиксированный временной интервал. Оперирование командами и блоками данных реализуется при помощи логической абстракции, называемой каналом. Внешнее устройство также делится на логические абстракции, называемые конечными точками. Таким образом, канал является логической связкой между хост-контроллером и конечной точкой внешнего устройства. Канал можно сравнить с открытым файлом.

Для передачи команд (и данных, входящих в состав команд) используется канал по умолчанию, а для передачи данных открываются либо потоковые каналы, либо каналы сообщений.

Информация по каналу передается в виде пакетов (Packet). Каждый пакет начинается с поля синхронизации SYNC (SYNChronization), за которым следует идентификатор пакета PID (Packet IDentifier).

Систему USB следует разделить на три логических уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит интерфейсную, логическую и функциональную части. Хост тоже делится на три части - интерфейсную, системную и программное обеспечение. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач.

Операция обмена данными между прикладной программой и шиной USВ выполняется путем передачи буферов памяти через следующие уровни: Уровень клиентского ПО в хосте:

• обычно представляется драйвером устройства USB;
• обеспечивает взаимодействие пользователя с операционной системой с одной стороны и системным драйвером с другой.

Уровень системного обеспечения USB в хосте (USBD, Universal Serial Bus Driver):

• управляет нумерацией устройств на шине;
• управляет распределением пропускной способности шины и мощности питания;
• обрабатывает запросы пользовательских драйверов.

Хост-контроллер интерфейса шины USB (HCD, Host Controller Driver):

• преобразует запросы ввода/вывода в структуры данных, по которым хост-контроллер выполняет физические транзакции;
• работает с регистрами хост-контроллера.

Уровень клиентского программного обеспечения определяет тип передачи данных, необходимый для выполнения затребованной прикладной программой операции. После определения типа передачи данных этот уровень передает системному уровню следующее:

• буфер памяти, называемый клиентским буфером;
• пакет запроса на в/в (IRP, Input/output Request Packet), указывающий тип необходимой операции.
• IRP содержит только сведения о запросе (адрес и длина буфера в оперативной памяти). Непосредственно обработкой запроса занимается системный драйвер USB.

Уровень системного драйвера USB необходим для управления ресурсами USB. Он отвечает за выполнение следующих действий:

• распределение полосы пропускания шины USB;
• назначение логических адресов устройств каждому физическому USB-устройству;
• планирование транзакций.

Логически передача данных между конечной точкой и ПО производится с помощью выделения канала и обмена данными по этому каналу.Клиентское ПО посылает IPR-запросы уровню USBD. Драйвер USBD разбивает запросы на транзакции по следующим правилам:

• выполнение запроса считается законченным, когда успешно завершены все транзакции, его составляющие;
• все подробности отработки транзакций (такие как ожидание готовности, повтор транзакции при ошибке, неготовность приемника и т. д.) до клиентского ПО не доводятся;
• ПО может только запустить запрос и ожидать или выполнения запроса или выхода по тайм-ауту;
• устройство может сигнализировать о серьезных ошибках, что приводит к аварийному завершению запроса, о чем уведомляется источник запроса.

Драйвер контроллера хоста принимает от системного драйвера шины перечень транзакций и выполняет следующие действия:

• планирует исполнение полученных транзакций, добавляя их к списку транзакций;
• извлекает из списка очередную транзакцию и передает ее уровню хост-контроллера интерфейса шины USB;
• отслеживает состояние каждой транзакции вплоть до ее завершения.

Хост-контроллер интерфейса шины USB формирует кадры. Кадры передаются последовательной передачей бит по методу NRZI.

Таким образом:

• каждый кадр состоит из наиболее приоритетных посылок, состав которых формирует драйвер хоста;
• каждая передача состоит из одной или нескольких транзакций;
• каждая транзакция состоит из пакетов;
• каждый пакет состоит из идентификатора пакета, данных (если они есть) и контрольной суммы.

Типы передачи данных

Спецификация шины определяет четыре различных типа передачи (transfer type) данных для конечных точек.

Управляющие передачи (Control Transfers) - используются хостом для конфигурирования устройства во время подключения, для управления устройством и получения статусной информации в процессе работы. Протокол обеспечивает гарантированную доставку таких посылок. Длина поля данных управляющей посылки не может превышать 64 байт на полной скорости и 8 байт на низкой. Для таких посылок хост гарантированно выделяет 10% полосы пропускания.

Передачи массивов данных (Bulk Data Transfers) - применяются при необходимости обеспечения гарантированной доставки данных от хоста к функции или от функции к хосту, но время доставки не ограничено. Taкая передача занимает всю доступную полосу пропускания шины. Пакеты имеют поле данных размером 8, 16, 32 или 64 байт. Приоритет у таких передач самый низкий, они могут приостанавливаться при большой загрузке шины. Допускаются только на полной скорости передачи. Такие посылки используются, например, принтерами или сканерами.

Передачи по прерываниям (Interrupt Transfers) - используются в том случае, когда требуется передавать одиночные пакеты данных небольшого размера. Каждый пакет требуется передать за ограниченное время. Операции передачи носят спонтанный характер и должны обслуживаться не медленнее, чем того требует устройство. Поле данных может содержать до 64 байт на полной скорости и до 8 байт на низкой. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 1-255 мс для полной скорости и 10-255 мс - для низкой. Такие передачи используются в устройствах ввода, таких как мышь и клавиатура.

Изохронные передачи (Isochronous Transfers) - применяются для обмена данными в "реальном времени", когда на каждом временном интервале требуется передавать строго определенное количество данных, но доставка информации не гарантирована (передача данных ведется без повторения при сбоях, допускается потеря пакетов). Такие передачи занимают предварительно согласованную часть пропускной способности шины и имеют заданную задержку доставки. Изохронные передачи обычно используются в мультимедийных устройствах для передачи аудио- и видеоданных, например, цифровая передача голоса. Изохронные передачи разделяются по способу синхронизации конечных точек - источников или получателей данных - с системой. Различают асинхронный, синхронный и адаптивный классы устройств, каждому из которых соответствует свой тип канала USB.

Все операции по передаче данных инициируются только хостом независимо от того, принимает ли он данные или пересылает в периферийное устройство. Все невыполненные операции хранятся в виде четырех списков по типам передач. Списки постоянно обновляются новыми запросами. Планирование операций по передаче информации в соответствии с упорядоченными в виде списков запросами выполняется хостом с интервалом один кадр. Обслуживание запросов выполняется в соответствии со следующими правилами:

• наивысший приоритет имеют изохронные передачи;
• после отработки всех изохронных передач система переходит к обслуживанию передач прерываний;
• в последнюю очередь обслуживаются запросы на передачу массивов данных;
• по истечении 90% указанного интервала хост автоматически переходит к обслуживанию запросов на передачу управляющих команд независимо от того, успел ли он полностью обслужить другие три списка или нет.

Выполнение этих правил гарантирует, что управляющим передачам всегда будет выделено не менее 10% пропускной способности шины USB. Если передача всех управляющих пакетов будет завершена до истечения выделенной для них доли интервала планирования, то оставшееся время будет использовано хостом для передач массивов данных.

Версии спецификации

Разработка спецификаций на шину USB производится в рамках международной некоммерческой организации USB Implementers Forum (USB-IF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шиной USB.

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

Первая версия спецификации USB 1.0 поддерживает два режима скорости передачи данных между устройством и компьютером:

• Low Speed (1.5 Mbits/sec) , для таких устройств как мыши, клавиатуры и джойстики;
• Full Speed (12 Mbits/ sec) , для модемов и сканеров.

Осенью 1998 года вышла версия 1.1 - в ней были устранены обнаруженные проблемы первой редакции.

Основные технические характеристики USB 1.1:

• Достаточно высокая максимальная скорость обмена - до 12 Мбит/с.
• Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 4,5 м.
• Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) - до 127.
• Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена.
• Не требуется использование дополнительных устройств и терминаторов.
• Подается напряжение питания для периферийных устройств - 5 В.
• Максимальный ток потребления на одно устройство - 500 mA.

Весной 2000 года опубликована спецификация USB 2.0, в которой предусмотрено 40-кратное повышение пропускной способности шины(до 480 Мбит/с в высокоскоростном режиме). Однако устройства USB 2.0 вышли на массовый рынок в 2002 года, когда новый интерфейс, наконец, смог утвердиться.

Вторая версия спецификации USB 2.0 позволяет использовать еще один режим High Speed (480 Mbit/sec) для таких устройств, как жесткие диски, CD-ROM, цифровые камеры. Пропускная способность 480 Мбит/с достаточная и для внешних накопителей, MP3-плееров, смартфонов и цифровых камер, которым требовалась передавать большое количество данных. Также спецификация USB 2.0 полностью поддерживает устройства, разработанные для первой версии. Контроллеры и хабы автоматически определяют версию спецификации, поддерживаемую устройством. Шина позволяет соединять до 127 устройств, удаленныех от компьютера на расстоянии до 25 м (с использованием промежуточных хабов).

После своего широкого внедрения USB 2.0 удалось полностью заменить последовательный и параллельный интерфейсы.

В настоящее время широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB 2.0.

USB 3.0

USB 3.0 поддерживает максимальную скорость передачи 5 Гбит/с.

Коннектор USB 3.0 типа А

Основной целью интерфейса USB 3.0 является повышение доступной пропускной способности, однако новый стандарт эффективно оптимизирует энергопотребление. 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.

Коннектор USB 3.0 типа В

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.

Кроме разных состояний энергопотребления стандарт USB 3.0 отличается от USB 2.0 и более высоким поддерживаемым током. Если версия USB 2.0 предусматривала порог тока 500 мА, то в случае нового стандарта ограничение было сдвинуто до планки 900 мА. Ток при инициации соединения был увеличен с уровня 100 мА у USB 2.0 до 150 мА у USB 3.0. Оба параметра весьма важны для портативных жёстких дисков, которые обычно требуют чуть большие токи. Раньше проблему удавалось решить с помощью дополнительной вилки USB, получая питание от двух портов, но используя только один для передачи данных.

Кабели и разъемы USB

В отличие от громоздких дорогих шлейфов параллельных шин АТА и особенно шины SCSI с ее разнообразием разъемов и сложностью правил подключения, кабельное хозяйство USB простое и изящное.

Существует пять видов USB-разъемов :

Слева направо: micro USB, mini USB, B-type, A-type разъем, A-type коннектор

• micro USB - используется в самых миниатюрных устройствах вроде плееров и мобильных телефонов;
• mini USB - также часто обнаруживается на плеерах, мобильных телефонах, а заодно и на цифровых фотоаппаратах, КПК и тому подобных устройствах;
• B-type - полноразмерный разъем, устанавливаемый в принтерах, сканерах и других устройствах, где размер не имеет очень принципиального значения;
• A-type (приемник) - разъем, устанавливаемый в компьютерах (либо на удлинителях USB), куда подключается коннектор типа A-type;
• A-type (вилка) - коннектор, подключаемый непосредственно к компьютеру в соответствующий разъем.

Cистема кабелей и коннекторов USB не дает возможности ошибиться при подключении устройств. Гнезда типа «А» устанавливаются только на нисходящих портах хабов, вилки типа «А» - на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов. Гнезда и вилки типа «В» 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). Хабы и устройства обеспечивают возможносгь «горячего» подключения и отключения.

Максимальная длина USB-кабеля может составлять 5 метров. Данное ограничение введено для снижения времени отклика устройства. Хост-контроллер ожидает поступление данных ограниченное время, и если они задерживаются, то соединение может быть потеряно.

Кабель для поддержки полной скорости шины (full-speed) выполняется как витая пара, защищается экраном и может также использоваться для работы в режиме минимальной скорости (low-speed). Кабель для работы только на минимальной скорости (например, для подключения мыши) может быть любым и неэкранированным.

Литература

1. Косцов А.,Косцов В.Железо ПК. Настольная книга пользователя. - М.: Мартин, 2006. - 480 с.

Шины PCI и PCI Express подходят для соединения высокоскоро­стных периферийных устройств, но использовать интерфейс PCI для низкоско­ростных устройств ввода-вывода (например, мыши и клавиатуры) неэффективно.

Кроме того, для добавления новых уст­ройств использовались свободные ISA- и PCI-слоты, в которые вставлялись платы контроллеров УВВ.

При этом пользователь должен сам установить пе­реключатели и перемычки на, затем должен открыть систем­ный блок, вставить плату, закрыть системный блок и включить ком­пьютер.

Для многих этот процесс очень сложен и часто приводит к ошибкам. Кроме того, количество ISA- и PCI-слотов очень мало (обычно два или три).

В 1993 году представители семи компаний (Compaq, DEC, IBM, Intel, Micro­soft, NEC и Nothern Telecom) разработали шину, опти­мально подходящую для подсоединения низкоскоростных устройств.

Результатом их работы стала шина USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина), удовлетворяющую следующим требованиям:

• пользователи не должны устанавливать переключатели и перемычки на платах и устройствах;
• пользователи не должны открывать компьютер, чтобы установить новые устройства ввода-вывода;
• должен существовать только один тип кабеля, подходящий для соедине­ния всех устройств;
• устройства ввода-вывода должны получать питание через кабель;
• должна быть возможность подсоединения к одному компьютеру до 127 устройств;
• система должна поддерживать устройства реального времени (например,
  звуковые устройства, телефон);
• должна быть возможность устанавливать устройства во время работы компьютера;
• должна отсутствовать необходимость перезагружать компьютер после ус­тановки нового устройства;
• производство новой шины и устройств ввода-вывода для нее не должно требовать больших затрат.

Общая пропускная способность первой версии шины (USB 1.0) составляет 12 Мбит/с.

Версия 2.0 работает на скорости 480 Мбит/с что вполне достаточно для принтеров, цифровых камер и многих других устройств. Предел был выбран для того, чтобы снизить стоимость шипы.

Версия USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 5 Гбит/с - что на порядок больше USB 2.0 (480 Мбит/с). Таким образ, скорость передачи возрастает с 60 Мбайт/с до 600 Мбайт/с

Шина USB состоит из корневого хаба (root hub), который вставляется в разъем главной шины (см, рис. 3.49). Этот корневой хаб (часто называемый корневым концентратором) содержит разъемы для кабелей, которые могут подсоединяться к устройствам ввода-вывода или к дополнительным хабам, чтобы увеличить ко­личество разъемов.

Таким образом, топология шины USB представляет собой дерево с корнем в корневом хабе, который находится внутри компьютера.

Кон­некторы (разъемы) кабеля со стороны устройства отличаются от коннекторов со стороны хаба, чтобы пользователь случайно не подсоединил кабель другой стороной.

Кабель состоит из четырех проводов: два из них предназначены для переда­чи данных, один - для питания (+5 В) и один - для земли. Система передает 0 изменением напряжения, а 1 - отсутствием изменения напряжения» поэтому длинная последовательность нулевых битов порождает поток регулярных им­пульсов.

Когда соединяется новое устройство ввода-вывода, корневой хаб обнаружи­вает этот факт и прерывает работу операционной системы.

Затем операционная система запрашивает новое устройство» выясняя, что оно собой представляет и какая пропускная способность шины для него требуется.

Если операционная система решает, что для этого устройства пропускной способности достаточно, она приписывает ему уникальный адрес (1-127) и загружает этот адрес и другую информацию в конфигурационные регистры внутри устройства.

Таким образом, новые устройства могут подсоединяться *ша лету», при этом пользователю не нужно устанавливать новые платы ISA или PCI.

Неинициализированные платы начинаются с адреса 0, поэтому к ним можно обращаться. Многие устройства снабжены встроенными сетевыми концентраторами для дополнительных уст­ройств. Например, монитор может содержать два хаба для правой и левой ко­лонок.

Шипа USB представляет собой ряд каналов между корневым хабом и устрой­ствами ввода-вывода. Каждое устройство может разбить свой канал максимум на 16 подканалов для различных типов данных (например, аудио и видео).

В ка­ждом канале или подканале данные перемещаются от корневого хаба к устройст­ву и обратно- Между двумя устройствами ввода-вывода обмена информацией не происходит.

Ровно через каждую миллисекунду (±0,05 мс) корневой хаб передает новый кадр, чтобы синхронизировать все устройства во времени. Кадр состоит из пакетов, первый из которых передается от хаба к устройству. Следующие пакеты кадра могут передаваться в том же направлении, а могут и в противоположном (от уст­ройства к хабу). На рис. 3,55 показаны четыре последовательных кадра.

В 1998 году была создана высокоскоростная версии USB, названной USB 2.0. Этот стандарт во многом аналогичен USB 1A и совместим с ним, однако к двум прежним скоростям в нем добавляется новая - 480 Мбайт/с.

3 Организации памяти в ЭВМ

3.1 Иерархическая организация памяти и принцип локальности ссылок

Память - совокупность устройств, служащих для приема, хране­ния и выдачи данных в центральный процессор или внешнюю среду компьютера. Основные операции с памятью - запись и чтение.

В вы­числительных системах память является одним из основных компо­нентов, определяющим как быстродействие, так и функциональные возможности всей системы.

Организация памяти имеет сложный ха­рактер и строится по иерархическому принципу. Ос­нов­ная идея иерархии памяти - согласование скоростей работы операционных устройств, в первую очередь процессора, с запоминающими устрой­ствами.

Иерархическая организация памяти имеет вид, представленный на рис. 3.1, где показаны диапазоны значений емкости и производи­тельности устройств памяти для современных компьютеров.

Р и с. 3.1. Иерархическая организация памяти

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство;

ПЗУ - постоянное запоминаю­щее устройство;

CD/DVD - накопитель на оптических дисках;

HDD (Hard Disk Drive) - накопитель на жестком магнитном диске;

SSD (Solid State Drive) - накопитель на«твердом» диске

На рис. 3.1 видно, что на более высоких уровнях иерархии расположены устройства с меньшей емкостью памяти, но с большим быстродей­ствием.

Регистровая память или регистровый файл изготавливается в кри­сталле процессора по такой же технологии и имеет такое же быстро­действие, как и операционные элементы процессора.

Кэш-память первого уровня также выполняется внутри процессора, что дает воз­можность обращения к командам и данным с тактовой частотой рабо­ты процессора.

Во многих моделях процессоров кэш- память второго уровня интегрирована в ядро процессора.

Кэш-память третьего уровня выполняется в виде отдельной ми­кросхемы с высоким быстродействием, либо в процессоре, как в ар­хитектуре Nehalem.

Эффективность иерархической организации связана с важней­шим принципом локальности ссылок или принципом локальности по обращению.

При выполнении большинства программ было замечено, что ад­рес следующей команды будет расположен либо непосредственно за адресом выполняемой команды, либо недалеко от него.

При этом с очень высокой вероятностью данные, используемые этими команда­ми, обычно структурированы и расположены в последовательных ячейках памяти.

Кроме того, программы содержат множество не­больших циклов и подпрограмм, которые многократно повторяются в течение интервала времени.

На рис. 3.2 показаны размещенные в па­мяти два участка программы и соответствующие им области данных.

Р и с. 3.2. Расположение программы и данных в памяти и локальность ссылок

Это явление называется локальность ссылок или локальность по обращению. Известно правило «90/10» - то есть 90% времени работы программы связано с обращением к 10% адресного пространства этой программы.

3.2 Взаимодействие процессора и различных уровней памяти

Уровни иерархии памяти взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне, и все дан­ные на этом более низком уровне могут быть найдены на следующем нижележащем уровне и так далее.

В каждый момент времени идет об­мен с двумя близлежащими уровнями. Минимальная единица инфор­мации, которая может либо присутствовать, либо отсутствовать в двухуровневой иерархии, называется блоком.

Размер блока может быть либо фиксированным, либо переменным. Если этот размер за­фиксирован, то объем памяти является кратным размеру блока.

Успешное или неуспешное обращение к более высокому уровню называются соответственно попаданием (hit) или промахом (miss).

Попадание - обращение к объекту в памяти, который найден на более высоком уровне, в то время как промах означает, что он не найден на этом уровне.

Доля попаданий или коэффициент попаданий есть доля обращений, найденных на более высоком уровне.

Доля промахов есть доля обращений, которые не найдены на более высоком уровне.

Потери на промах - время для замещения блока в более высоком уровне на блок из более низкого уровня плюс время для пересылки этого блока в требуемое устройство (обычно в процессор).

Потери на промах включают в себя две компоненты: время доступа - время об­ращения к первому слову блока при промахе, и время пересылки - дополнительное время для пересылки оставшихся слов блока.

Время доступа связано с задержкой памяти более низкого уровня, в то время как время пересылки связано с полосой пропускания канала между устройствами памяти двух смежных уровней.

Инициатором обращения к памяти практически всегда является процессор. Исключение - режим прямого доступа к памяти, когда ор­ганизуется процесс передачи файлов между ОП и внешней памятью через соответствующую шину, минуя процессор.

В процессе выполнения программы процессор обрабатывает каждую команду и определяет исполнительный адрес А исп операнда.

При этом процессор «не знает», на каком уровне памяти находится этот исполнительный адрес, поэтому сразу формируется обращение к ОП.

Будем рассматривать блочную организацию данных.

· В регистровой памяти данные записы­ваются блоками в виде слов длиной 16, 32, 64 и 128 бит .

· В кэш-памя­ти блоком является строка длиной 16, 32 или 64 байта . В ОП чаще всего используются страницы по 4 - 8 Кб .

· На жестких дисках блоки - это сектора по 512 байт . Как правило, размер страницы ОП кратен длине сектора винчестера.

Если в системе есть кэш-память, то контроллер кэша проверяет, содержит ли кэш запрашиваемый адрес А исп. Если данные с таким ад­ресом есть, то блок с этими данными считывается из кэш-памяти в процессор, а обращение к ОП блокируется.

Если в кэш-памяти нет данных с адресом А исп, то нужный блок ищется в оперативной памя­ти, затем загружается в кэш-память и одновременно передается в про­цессор.

Аналогично, при обращении к основной памяти при попадании блок данных передается в процессор. При промахе данные загружа­ются с жесткого или оптического диска в ОП.

При обращении к архивной памяти блок данных, то есть иско­мый диск, автоматически передается из хранилища и устанавливается в дисковод компьютера.

3.3 Адресная память

В адресном запоминающем устройстве (ЗУ) каждый запоминаю­щий элемент памяти - ячейка, имеет адрес, который показывает его расположение в адресном пространстве.

Поиск информации произво­дится по номеру (адресу) запоминающей ячейки, хранящей данные.

Совокупность N запоминающих ячеек образует запоминающую матрицу ЗМ.

Для компактного расположения запоминающих ячеек и упроще­ния доступа к ним ЗМ организуется как трехмерный куб.

В нем име­ются две адресные координаты A 1 и A 2 , а по третьей координате рас­полагаются

n-разрядные слова.

Если адрес, поступающий с ША, име­ет разрядность к, то он разделяется на две компоненты по k/2 адрес­ных бита:

M= 2 k /2 х 2 k /2 = 2 k .

В этом случае вместо одного ДША с M выходами используются два дешифратора с 2 k /2 выходами, что значи­тельно упрощает схемную реализацию.

На рис. 3.3. показана структурная схема адресного запоминающе­го устройства.

Запоминающая матрица ЗМ имеет две координаты: строки и столбцы. Блок управления (БУ) управляет устройствами ЗУ, получая извне сигналы: RAS, CAS, СЕ, WE и OE.

Сигнал выбора микросхемы СЕ разрешает работу именно этой микросхемы памяти.

Режим чтения или записи определяется сигна­лом WE. На все время, пока микросхема не использует шину данных ШД, информационные выходы регистров переводятся сигналом OE в третье состояние с высоким выходным сопротивлением.

Адрес строки на шине ША сопровождается сигналом RAS, разре­шающим прием адреса и его дешифрацию. После этого сигнал CAS разрешает прием и дешифрацию адреса столбца.

Каждый столбец имеет вторую линию чтения/записи, - для данных. Эти линии на рис. 3.3 показаны пунктиром.

Управление операциями с памятью осуществляется контролле­ром памяти. На каждую операцию требуется, как минимум, пять тактов.

Указание типа операции (чтение или запись) и установка ад­реса строки.

Формирование сигнала RAS.

Установка адреса столбца.

Формирование сигнала CAS.

Запись или выдача данных и возврат сигналов RAS и CAS в неактивное состояние.

Р и с. 3.3. Адресное запоминающее устройство

ЗМ - запоминающая матрица;

RAS - сигнал строба строки (Row Address Strobe);

CAS - сигнал строба столбца(Column Address Strobe);

WE - разрешение записи (Write Enable);

OE - разрешение выдачи выходных сигналов (Output Enable);

CS - выбор микросхемы (Chip Select)

Латентность памяти и тайминги

Под латентностью понимают задержку между поступлением команды в память и ее выполнением. Память не может мгновенно пере­ходить из одного состояния в другое. Для стабильного функциониро­вания памяти необходим пропуск нескольких циклов при изменении состояния ячейки памяти.

Например, после выполнения команды чте­ния должна следовать задержка CAS (CAS La­tency). Это и есть ла­тентность (CL) - наиболее важная характеристика памяти.

Очевидно, чем меньше латентность, тем быстрее работает память.

Латентность памяти определяется ее таймингами, то есть задерж­ками, измеряемыми в количестве тактов между отдельными команда­ми.

Существует несколько видов таймингов памяти.

CL: CAS Latency - время, проходящее от момента подачи команды в память до начала ответа на этот запрос. Это вре­мя, которое проходит между запросом процессора на полу­чение некоторых данных из памяти и моментом выдачи этих данных памятью.

RAS-to-CAS (tRCD): задержка от RAS до CAS - время, ко­торое должно пройти с момента обращения к строке матри­цы (RAS), до момента обращения к ее столбцу матрицы (CAS), с целью выборки данных в которых хранятся нужные данные.

RAS Precharge(tRP) - интервал времени между моментом за­крытия доступа к одной строке и началом доступа к другой строке данных.

Active to Precharge или Cycle Time (tRAS) - пауза, которая нужна памяти, чтобы вернуться в состояние ожидания сле­дующего запроса.

CMD: Скорость поступления команды (Command Rate) - время с момента активации чипа памяти до момента, когда первая команда может обратиться к ней. Обычно это T1 (один тактовый цикл) или T2 (два тактовых цикла).

Производительность памяти растет быстро, а ее латентность практически не улучшается.

В некоторых новых типах памяти с большей пропускной способностью латентность оказывается выше, чем в предыдущих реализациях.

В течение последних 25-ти лет латентность оперативной памяти уменьшилась всего в три раза. При этом тактовая частота процессо­ров возросла в сотни раз.

3.4 Ассоциативная память

Понятие «ассоциация» относится, прежде всего, к памяти, в кото­рой выборка осуществляется не по адресному принципу, а по содер­жанию.

Ассоциативная память использует запись и чтение данных таким образом, чтобы обеспечить выборку слов, имеющих заданное содер­жание определенных полей.

Поиск ведется с использованием ассоци­ативных признаков. Структура такой памяти представлена на рис. 3.4 .

Р и с. 3.4. Ассоциативная память

ЗМ - запоминающая матрица;

ШП - шина признака;

ШД - шина данных

Память хранит M ячеек для m+1 -разрядных слов, имеющих зна­чения признаков.

Служебный m +1-й разряд показывает: «0» - ячейка свободна для записи, «1» - ячейка занята. Значения ассоциативного признака формируются регистром маски из полей признаков, посту­пающих из шины признаков ШП в регистр ассоциативного признака.

Поиск в запоминающей матрице выполняется за один такт одновре­менно по полям ассоциативных признаков всех хранящихся слов.

Это является отличительной чертой ассоциативных устройств памяти.

Ре­ализация такого поиска осуществляется комбинационными схемами совпадения на базе элементов «сложение по модулю 2».

История появления и развития стандартов Universal Serial Bus (USB)

    До появления первой реализации шины USB стандартная комплектация персонального компьютера включала один параллельный порт, обычно для подключения принтера (порт LPT), два последовательных коммуникационных порта (порты COM), обычно для подключения мыши и модема, и один порт для джойстика (порт GAME). Такая конфигурация была вполне приемлемой на заре появления персональных компьютеров, и долгие годы являлась практическим стандартом для производителей оборудования. Однако прогресс не стоял на месте, номенклатура и функциональность внешних устройств постоянно совершенствовались, что в конце концов привело к необходимости пересмотра стандартной конфигурации, ограничивающей возможность подключения дополнительных периферийных устройств, которых, с каждым днем становилось все больше и больше.

    Попытки увеличения количества стандартных портов ввода-вывода не могли привести к кардинальному решению проблемы, и возникла необходимость разработки нового стандарта, который бы обеспечивал простое, быстрое и удобное подключение большого количества разнообразных по назначению периферийных устройств к любому компьютеру стандартной конфигурации, что, в конце концов, привело к появлению универсальной последовательной шины Universal Serial Bus (USB)

    Первая спецификация последовательного интерфейса USB (Universal Serial Bus) , получившая название USB 1.0 , появилась в 1996 г. , усовершенствованная версия на ее основе, USB 1.1 - в 1998 г. Пропускная способность шин USB 1.0 и USB 1.1 - до 12 Мбит/с (реально до 1 мегабайта в секунду) была вполне достаточной для низкоскоростных периферийных устройств, вроде аналогового модема или компьютерной мышки, однако недостаточной для устройств с высокой скоростью передачи данных, что являлось главным недостатком данной спецификации. Однако, практика показала, что универсальная последовательная шина - это очень удачное решение, принятое практически всеми производителями компьютерного оборудования в качестве магистрального направления развития компьютерной периферии.

В 2000 г. появилась новая спецификация - USB 2.0 , обеспечивающая уже скорость передачи данных до 480 Мбит/с (реально до 32 мегабайт в секунду). Спецификация предполагала полную совместимость с предыдущим стандартом USB 1.X и вполне приемлемое быстродействие для большинства периферийных устройств. Начинается бум производства устройств, оснащенных интерфейсом USB. "Классические" интерфейсы ввода - вывода были полностью вытеснены и стали экзотикой. Однако, для части высокоскоростного периферийного оборудования даже удачная спецификация USB 2.0 оставалась узким местом, что требовало дальнейшего развития стандарта.

В 2005 г. была анонсирована спецификация для беспроводной реализации USB - Wireless USB - WUSB , позволяющей выполнять беспроводное подключение устройств на расстоянии до 3-х метров с максимальной скоростью передачи данных 480 Мбит/сек, и на расстоянии до 10 метров с максимальной скоростью 110 Мбит/сек. Спецификация не получила бурного развития и не решала задачу повышения реальной скорости передачи данных.

В 2006 г. была анонсирована спецификация USB-OTG (USB O n-T he-G o, благодаря которой стала возможной связь двух USB-устройств друг с другом без отдельного USB-хоста. Роль хоста в данном случае выполняет одно из периферийных устройств. Смартфонам, цифровым фотоаппаратам и прочим мобильным устройствам приходится быть как хостом, так и периферийным устройством. Например, при подключении по USB к компьютеру фотоаппарата, он является периферийным устройством, а при подключении принтеру он является хостом. Поддержка спецификации USB-OTG постепенно стала стандартом для мобильных устройств.

В 2008 г. появилась окончательная спецификация нового стандарта универсальной последовательной шины - USB 3.0 . Как и в предыдущих версиях реализации шины, предусмотрена электрическая и функциональная совместимость с предыдущими стандартами. Скорость передачи данных для USB 3.0 увеличилась в 10 раз - до 5 Гбит/сек. В интерфейсном кабеле добавились 4 дополнительные жилы, и их контакты были выведены отдельно от 4-х контактов предыдущих стандартов, в дополнительном контактном ряду. Кроме повышенной скорости передачи данных шина USB характеризуется еще и увеличившейся, по сравнению с предыдущими стандартами, силой тока в цепи питания. Максимальная скорость передачи данных по шине USB 3.0 стала приемлемой практически для любого, массово производимого периферийного компьютерного оборудования.

В 2013 году была принята спецификация следующего интерфейса - USB 3.1 , скорость передачи данных которого может достигать 10 Гбит/с. Кроме того, появился компактный 24-контактный разъём USB Type-C , который является симметричным, позволяя вставлять кабель любой стороной.

После выхода стандарта USB 3.1 организация USB Implementers Forum (USB-IF) объявила, что разъёмы USB 3.0 со скоростью до 5 Гбит/с (SuperSpeed) теперь будут классифицироваться как USB 3.1 Gen 1, а новые разъёмы USB 3.1 со скоростью до 10 Гбит/с (SuperSpeed USB 10Gbps) - как USB 3.1 Gen 2. Стандарт USB 3.1 обратно совместим с USB 3.0 и USB 2.0.

В 2017 году организация USB Implementers Forum (USB-IF) опубликовала спецификацию USB 3.2 . Максимальная скорость передачи составляет 10 Гбит/с. Однако в USB 3.2 предусмотрена возможность агрегации двух подключений (Dual-Lane Operation ), позволяющая увеличить теоретическую пропускную способность до 20 Гбит/с. Реализация этой возможности сделана опциональной, то есть ее поддержка на уровне оборудования будет зависеть от конкретного производителя и технической необходимости, которая отличается, например, для принтера и переносного жесткого диска. Возможность реализации данного режима предусмотрена только при использовании USB Type-C .

www.usb.org - Документация по спецификациям USB для разработчиков на английском языке.

Нельзя не отметить, что существовала, и пока еще существует, альтернатива шине USB. Еще до ее появления, компания Apple разработала спецификацию последовательной шины FireWire (другое название - iLink ), которая в 1995 г. была стандартизована Американским Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) под номером 1394. Шина IEEE 1394 может работать в трех режимах: со скоростью передачи данных до 100, 200 и 400 Мбит/с. Однако, по причине высокой стоимости и более сложной реализации, чем USB, эта разновидность высокоскоростной последовательной шины, большого распространения не получила, и постепенно вытесняется USB 2.0 – USB 3.2.

Общие принципы работы периферийных устройств Universal Serial Bus (USB)

    Интерфейс USB оказался настолько удачным решением, что им оснастили практически все классы периферийных устройств, от мобильного телефона до веб-камеры или переносного жесткого диска. Наибольшее распространение получили (пока) устройства с поддержкой USB 2.0. Однако, USB 3.0 – 3.1 более востребован для высокоскоростных устройств, где он становится основным, постепенно вытесняя USB 2.0.

    Периферийные устройства, с поддержкой USB при подключении к компьютеру автоматически распознаются системой (в частности, программное обеспечение драйвера и пропускную способность шины), и готовы к работе без вмешательства пользователя. Устройства с небольшим энергопотреблением (до 500мА) могут не иметь своего блока питания и запитываться непосредственно от шины USB.

Благодаря использованию USB отпадает необходимость снятия корпуса компьютера для установки дополнительных периферийных устройств, а также необходимость выполнения сложных настроек при их установке.

USB устраняет проблему ограничения числа подключаемых устройств. При использовании USB с компьютером может одновременно работать до 127 устройств.

USB позволяет выполнять "горячее" (оперативное) подключение. При этом не требуется предварительное выключение компьютера, затем подключение устройства, перезагрузка компьютера и настройка установленных периферийных устройств. Для отключения периферийного устройства не требуется выполнять процедуру, обратную описанной.

Проще говоря, USB позволяет фактически реализовать все преимущества современной технологии "plug and play" ("включай и работай"). Устройства, разработанные для USB 1.x могут работать с контроллерами USB 2.0. и USB 3.0

При подключении периферийного устройства вырабатывается аппаратное прерывание и управление получает драйвер HCD (Host Controller Driver ) контроллера USB (USB Host Controller - UHC ), который на сегодняшний день интегрирован во все выпускаемые чипсеты материнских плат. Он опрашивает устройство и получает от него идентификационную информацию, исходя из которой управление передается драйверу, обслуживающему данный тип устройств. UHC контроллер имеет корневой (root) концентратор (Hub), обеспечивающий подключение к шине устройств USB.

Концентратор (USB HUB).

Точки подключения называются портами . К порту, в качестве устройства, может быть подключен другой концентратор. Каждый концентратор имеет исходящий порт (upstream port ), соединяющие его с главным контроллером и нисходящие порты (downstream port ) для подключения периферийных устройств. Концентраторы могут обнаруживать, выполнять соединение и отсоединение в каждом порте нисходящей связи и обеспечивать распределение напряжения питания в устройства нисходящего соединения. Каждый из портов нисходящей связи может быть индивидуально активизирован и сконфигурирован на полной или низкой скорости. Концентратор состоит из двух блоков: контроллера концентратора и ретранслятора концентратора. Ретранслятор - работающий под управлением протокола коммутатор между портом восходящей связи и портами нисходящей связи. Концентратор содержит также аппаратные средства поддержки перевода в исходное состояние и приостановки/возобновления подключения. Контроллер обеспечивает интерфейсные регистры, обеспечивающие передачу данных в главный контроллер и обратно. Определенное состояние и управляющие команды концентратора позволяют главному процессору конфигурировать концентратор, а также контролировать и управлять его портами.

Внешние концентраторы могут иметь собственный блок питания или же запитываться от шины USB.

Кабели и разъемы USB

Разъемы типа А используются для подключения к компьютеру или концентратору. Разъемы типа B используются для подключения к периферийным устройствам.

Все разъёмы USB, имеющие возможность входить в соединение друг с другом, рассчитаны на совместную работу.

Имеется электрическая совместимости всех контактов разъёма USB 2.0 с соответствующими контактами разъёма USB 3.0. При этом разъём USB 3.0 имеет дополнительные контакты, не имеющие соответствия в разъёме USB 2.0, и, следовательно, при соединении разъёмов разных версий "лишние" контакты не будут задействованы, обеспечивая нормальную работу соединения версии 2.0. Все гнёзда и штекеры между USB 3.0 Тип A и USB 2.0 Тип A рассчитаны на совместную работу. Размер гнезда USB 3.0 Тип B несколько больше, чем это могло бы потребоваться для штекера USB 2.0 Тип B и более ранних. При этом предусмотрено подключение в эти гнёзда и такого типа штекеров. Соответственно, для подключения к компьютеру периферийного устройства с разъёмом USB 3.0 Тип B можно использовать кабели обоих типов, но для устройства с разъёмом USB 2.0 Тип B - только кабель USB 2.0. Гнёзда eSATAp, обозначенные как eSATA/USB Combo, то есть имеющие возможность подключения к ним штекера USB, имеют возможность подключения штекеров USB Тип A: USB 2.0 и USB 3.0, но в скоростном режиме USB 2.0.

Разъёмы USB Type-C служат для подключения как к периферийным устройствам, так и к компьютерам, заменяя различные разъёмы и кабели типов A и B предыдущих стандартов USB, и предоставляя возможности расширения в будущем. 24-контактный двухсторонний разъём является достаточно компактным, близким по размерам к разъёмам микро-B стандарта USB 2.0. Размеры разъёма - 8,4 мм на 2,6 мм. Коннектор предоставляет 4 пары контактов для питания и заземления, две дифференциальные пары D+/D- для передачи данных на скоростях менее SuperSpeed (в кабелях Type-C подключена только одна из пар), четыре дифференциальные пары для передачи высокоскоростных сигналов SuperSpeed, два вспомогательных контакта (sideband), два контакта конфигурации для определения ориентации кабеля, выделенный канал конфигурационных данных (кодирование BMC - biphase-mark code) и контакт питания +5 V для активных кабелей.

Контакты разъёма и разводка кабеля USB Type-C

Type-C - штекер и гнездо

Кон.	Название	Описание	Кон.	Название	Описание
A1	GND	Заземление	B12	GND	Заземление
A2	SSTXp1	Диф. пара № 1 SuperSpeed, передача, положительный	B11	SSRXp1	Диф. пара № 2 SuperSpeed, приём, положительный
A3	SSTXn1	Диф. пара № 1 SuperSpeed, передача, отрицательный	B10	SSRXn1	Диф. пара № 2 SuperSpeed, приём, отрицательный
A4	V BUS	Питание	B9	V BUS	Питание
A5	CC1	Канал конфигурации	B8	SBU2	Sideband № 2 (SBU)
A6	Dp1	Диф. пара не-SuperSpeed, положение 1, положительный	B7	Dn2	Диф. пара не-SuperSpeed, положение 2, отрицательный
A7	Dn1	Диф. пара не-SuperSpeed, положение 1, отрицательный	B6	Dp2	Диф. пара не-SuperSpeed, положение 2, положительный
A8	SBU1	Sideband № 1 (SBU)	B5	CC2	Канал конфигурации
A9	V BUS	Питание	B4	V BUS	Питание
A10	SSRXn2	Диф. пара № 4 SuperSpeed, передача, отрицательный	B3	SSTXn2	Диф. пара № 3 SuperSpeed, приём, отрицательный
A11	SSRXp2	Диф. пара № 4 SuperSpeed, передача, положительный	B2	SSTXp2	Диф. пара № 3 SuperSpeed, приём, положительный
A12	GND	Заземление	B1	GND	Заземление
Неэкранированная дифференциальная пара, может использоваться для реализации USB Low Speed (1.0), Full Speed (1.0), High Speed (2.0) - до 480 Мбит/с В кабеле реализована только одна из дифференциальных пар не-SuperSpeed. Данный контакт не используется в штекере.

Назначение проводников в кабеле USB 3.1 Type-C

Разъём №1 кабеля Type-C		Кабель Type-C			Разъём №2 кабеля Type-C
Контакт	Название	Цвет оболочки проводника	Название	Описание	Контакт	Название
Оплётка	Экран	Оплётка кабеля	Экран	Внешняя оплётка кабеля	Оплётка	Экран
A1, B1, A12, B12	GND	Лужёный	GND_PWRrt1 GND_PWRrt2	Общая земля>	A1, B1, A12, B12	GND
A4, B4, A9, B9	V BUS	Красный	PWR_V BUS 1 PWR_V BUS 2	V BUS питание	A4, B4, A9, B9	V BUS
B5	V CONN	Жёлтый	PWR_V CONN	V CONN питание	B5	V CONN
A5	CC	Синий	CC	Канал конфигурирования	A5	CC
A6	Dp1	Белый	UTP_Dp	Неэкранированная дифференциальная пара, positive	A6	Dp1
A7	Dn1	Зелёный	UTP_Dn	Неэкранированная дифференциальная пара, negative	A7	Dn1
A8	SBU1	Красный	SBU_A	Полоса передачи данных A	B8	SBU2
B8	SBU2	Чёрный	SBU_B	Полоса передачи данных B	A8	SBU1
A2	SSTXp1	Жёлтый *	SDPp1	Экранированная дифференциальная пара #1, positive	B11	SSRXp1
A3	SSTXn1	Коричневый *	SDPn1	Экранированная дифференциальная пара #1, negative	B10	SSRXn1
B11	SSRXp1	Зелёный *	SDPp2	Экранированная дифференциальная пара #2, positive	A2	SSTXp1
B10	SSRXn1	Оранжевый *	SDPn2	Экранированная дифференциальная пара #2, negative	A3	SSTXn1
B2	SSTXp2	Белый *	SDPp3	Экранированная дифференциальная пара #3, positive	A11	SSRXp2
B3	SSTXn2	Чёрный *	SDPn3	Экранированная дифференциальная пара #3, negative	A10	SSRXn2
A11	SSRXp2	Красный *	SDPp4	Экранированная дифференциальная пара #4, positive	B2	SSTXp2
A10	SSRXn2	Синий *	SDPn4	Экранированная дифференциальная пара #4, negative	B3	SSTXn2
* Цвета для оболочки проводников не установлены стандартом

Подключение ранее выпущенных устройств к компьютерам, оснащённым разъёмом USB Type-C, потребует кабеля или адаптера, имеющих штекер или разъём типа A или типа B на одном конце и штекер USB Type-C на другом конце. Стандартом не допускаются адаптеры с разъёмом USB Type-C, поскольку их использование могло бы создать «множество неправильных и потенциально опасных» комбинаций кабелей.

Кабели USB 3.1 с двумя штекерами Type-C на концах должны полностью соответствовать спецификации - содержать все необходимые проводники, должны быть активными, включающими в себя чип электронной идентификации, перечисляющий идентификаторы функций в зависимости от конфигурации канала и сообщения, определяемые вендором (VDM) из спецификации USB Power Delivery 2.0. Устройства с разъёмом USB Type-C могут опционально поддерживать шины питания с током в 1,5 или 3 ампера при напряжении 5 вольт в дополнение к основному питанию. Источники питания должны уведомлять о возможности предоставления увеличенных токов через конфигурационный канал либо полностью поддерживать спецификацию USB Power Delivery через конфигурационный контакт (кодирование BMC) или более старые сигналы, кодируемые как BFSK через контакт VBUS. Кабели USB 2.0, не поддерживающие шину SuperSpeed, могут не содержать чип электронной идентификации, если только они не могут передавать ток 5 ампер.

Спецификация коннекторов USB Type-C версии 1.0 была опубликована форумом разработчиков USB в августе 2014 года. Она была разработана примерно в то же время, что и спецификация USB 3.1.

Использование коннектора USB Type-C не обязательно означает, что устройство реализует высокоскоростной стандарт USB 3.1 Gen1/Gen2 или протокол USB Power Delivery.

    Универсальная последовательная шина является самым распространенным, и наверно, самым удачным компьютерным интерфейсом периферийных устройств за всю историю развития компьютерного оборудования, что подтверждается огромным количеством USB - устройств, некоторые из которых могут показаться несколько

Толковый словарь по вычислительным системам определяет понятие интерфейс (interface) как границу раздела двух систем, устройств или программ; элементы соединения и вспомогательные схемы управления, используемые для соединения устройств. Мы же поговорим о интерфейсах, позволяющих подключать к персональным (и не только) компьютерам разнообразные периферийные устройства и их контроллеры. По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на параллельные и последовательные. В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно. В PC традиционно используется параллельный интерфейс Centronics, реализуемый LPT-портами. В последовательном же интерфейсе биты передаются друг за другом, обычно по одной линии. СОМ порты PC обеспечивают последовательный интерфейс в соответствии со стандартом RS-232C. При рассмотрении интерфейсов важным параметром является пропускная способность.

В архитектуре современных компьютеров все большее значение приобретают внешние шины, служащие для подключения различных устройств. Сегодня это могут быть, например, внешние жесткие диски, CD-, DVD-устройства, сканеры, принтеры, цифровые камеры и прочее.

Широко используемый последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных.

2.Шина usb.Общая характеристика.

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, 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 PC.

Дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Mбит/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 PC всех конфигураций и размеров.

Обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок.

Создание новых классов устройств, расширяющих PC.

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. Уже появились модемы, клавиатуры, сканеры, динамики и другие устройства ввода/вывода с поддержкой USB, а также мониторов с USB-адаптерами - они играют роль концентраторов для подключения других устройств.

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 авторский вариант перевода терминов из спецификации "Universal Serial Bus Specification", опубликованной Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Более подробную и оперативную информацию можно найти по адресу:

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 к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки 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 (см. ниже), 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. Физически в одном корпусе может быть несколько функций со встроенным хабом, обеспечивающим их подключение к одному порту. Эти комбинированные устройства для хоста являются хабами с постоянно подключенными устройствами-функциями.

Каждая функция предоставляет конфигурационную информацию, описывающую возможности ПУ и требования к ресурсам. Перед использованием функция должна быть сконфигурирована хостом - ей должна быть выделена полоса в канале и выбраны опции конфигурации.

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.

Система USB разделяется на три уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит интерфейсную часть, часть устройства и функциональную часть. Хост тоже делится на три части - интерфейсную, системную и ПО устройства. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач, логическое и реальное взаимодействие между ними иллюстрирует рис. 7.1.

В рассматриваемую структуру входят следующие элементы:

Физическое устройство USB - устройство на шине, выполняющее функции, интересующие конечного пользователя.

Client SW - ПО, соответствующее конкретному устройству, исполняемое на хост-компьютере. Может являться составной частью ОС или специальным продуктом.

USB System SW - системная поддержка USB, независимая от конкретных устройств и клиентского ПО.

USB Host Controller - аппаратные и программные средства для подключения устройств USB к хост-компьютеру.