Принципы функционирования шины USB, ее спецификация и развитие

Как уже упоминалось, интерфейс USB предназначен для подключения периферийных устройств к персональному компьютеру и позволяет производить обмен информацией на трех скоростях:

1. Низкая скорость (Low Speed – LS, USB 1.0) - 1,5 Мбит/с;

2. Полная скорость (Full Speed – FS, USB 1.1) - 12 Мбит/с;

3. Высокая скорость (High Speed – HS, USB 2.0) - 480 Мбит/с.

Каждое устройство на шине USB (их может быть до 127) при подключении автоматически получает свой уникальный адрес. Логически устройство представляет собой набор независимых конечных точек (endpoint, ЕР), с которыми хост-контроллер (и клиентское ПО) обменивается информацией. Каждая конечная точка имеет свой номер и описывается следующими параметрами:

- требуемая частота доступа к шине и допустимые задержки обслуживания;

- требуемая полоса пропускания канала;

- требования к обработке ошибок;

- максимальные размеры передаваемых и принимаемых пакетов;

- тип передачи;

- направление передачи (для передач массивов и изохронного обмена).

Каждое устройство обязательно имеет конечную точку с номером 0, используемую для инициализации, общего управления и опроса состояния устройства. Эта точка всегда сконфигурирована при включении питания и подключении устройства к шине. Она поддерживает передачи типа «управление» (см. ниже). Кроме нулевой точки, устройства-функции могут иметь дополнительные точки, реализующие полезный обмен данными. Низкоскоростные устройства могут иметь до двух дополнительных точек, полноскоростные — до 15 точек ввода и 15 точек вывода (протокольное ограничение). Дополнительные точки (а именно они и предоставляют полезные для пользователя функции) не могут быть использованы до их конфигурирования (установления согласованного с ними канала).

Каналом (pipe) в USB называется модель передачи данных между хост-контроллером и конечной точкой устройства. Имеются два типа каналов: потоки и сообщения. Поток (stream) доставляет данные от одного конца канала к другому, он всегда однонаправленный. Один и тот же номер конечной точки может использоваться для двух поточных каналов — ввода и вывода. Поток может реализовывать следующие типы обмена: передача массивов, изрхронный и прерывания. Сообщение (message) имеет формат, определенный спецификацией USB. Хост посылает запрос к конечной точке, после которого передается (принимается) пакет сообщения, за которым следует пакет с информацией состояния конечной точки. Последующее сообщение нормально не может быть послано до обработки предыдущего, но при отработке ошибок возможен сброс необслуженных сообщений. Двусторонний обмен сообщениями адресуется к одной и той же конечной точке.

С каналами связаны характеристики, соответствующие конечной точке (полоса пропускания, тип сервиса, размер буфера и т. п.). Каналы организуются при конфигурировании устройств USB. Для каждого включенного устройства существует канал сообщений (Control Pipe 0), по которому передается информация конфигурирования, управления и состояния.

USB поддерживает несколько режимов связи, как однонаправленных, так и двунаправленных. Передача данных производится между ПО хоста и конкретной конечной точкой устройства. Устройство может иметь несколько конечных точек, связь с каждой из них устанавливается независимо от других.

Часто возникает вопрос о различных спецификациях USB, подчеркну, что спецификации USB 2.0 и USB 1.x полностью совместимы. Отличие состоит лишь в максимальной скорости передачи данных. При подключении устройства USB 2.0 к хосту USB 1.x оно будет работать на скорости младшей спецификации, то есть скорости хоста.

Маломощные устройства, подключаемые к шине USB (USB-flash, устройства чтения, некоторые сканеры, мыши, джойстики и др.), не требуют внешнего источника питания. Необходимое для функционирования этих устройств питание (5 В) передается непосредственно по кабелю USB.

Конкурентом USB 2.0 является стандарт FireWire (IEEE 1394), который обеспечивает скорость обмена данными, сравнимую с USB 2.0. Этот стандарт очень широко распространен (особенно в цифровых видеокамерах), однако в настоящее время у большинства настольных компьютеров базовой комплектации такой порт отсутствует.

В отличие от многих других стандартных типов разъемов, для USB характерны долговечность и механическая прочность.

В настоящее время широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB 2.0. Активно ведется внедрение в производство и использование устройств со спецификацией USB 3.0.

Самая ранняя версия интерфейса USB – USB 1.1 была выпущена в сентябре 1998 и имеет следующие характеристики:

- два режима передачи данных: режим с низкой пропускной способностью (Low-Speed) – 1,5 Мбит/с и режим с высокой пропускной способностью (Full-Speed) – 12 Мбит/с;

- максимальная длина кабеля для режима с низкой пропускной способностью – 5 м;

- максимальная длина кабеля для режима с высокой пропускной способностью – 3 м;

- максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) – 127;

- возможно подключение устройств, работающих в режимах с различной пропускной способностью к одному контроллеру USB;

- напряжение питания для периферийных устройств – 5 В;

- максимальный ток, потребляемый периферийным устройством – 500 мА.

Самая широко используемая версия USB – USB 2.0 была выпущена в апреле 2000 года и отличается от USB 1.1 введением режима Hi-speed, как было упомянуто выше.

И хотя максимальная пропускная способность USB 2.0 составляет 480 Мбит/с (60 Мбайт/с), на практике обеспечить пропускную способность, близкую к максимальной, не удается. Этот факт объясняется достаточно большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом их передачи.

Окончательная спецификация USB 3.0 появилась в 2008 году. Созданием USB 3.0 занимались компании Intel, Microsoft, Hewlett-Packard, Texas Instruments, NEC и NXP Semiconductors.

Спецификация USB 3.0 предполагает максимальную скорость передачи информации до 4,8 Гбит/с – что на порядок больше 480 Мбит/с, которые может обеспечить USB 2.0. Новый стандарт может похвастаться не только более высокой скоростью передачи информации, но и увеличенной силой тока с 500 мА до 900 мА. Это позволит пользователю не только подпитывать от одного разветвителя гораздо большее количество устройств, но и само аппаратное обеспечение, ранее поставлявшееся с отдельными блоками питания.