Основные сведения. Почти в каждом современном компьютере сзади есть один или несколько разъемов универсальной последовательной шины (Universal Serial Bus)

10________________________________________________________________________

Почти в каждом современном компьютере сзади есть один или несколько разъемов универсальной последовательной шины (Universal Serial Bus). С их помощью можно легко и быстро подключить к компьютеру любое устройство – от мыши до принтера. Операционные системы также поддерживают USB, поэтому драйверы устройств устанавливаются легко и быстро. По сравнению с другими способами подключения устройств к компьютеру (с использованием параллельных портов, последовательных портов и специальных плат, устанавливаемых внутри компьютера), устройства с поддержкой USB подключать неимоверно просто.

В этой статье USB-порты рассматриваются с технической точки зрения и с позиции пользователя. Вы узнаете, почему система USB такая гибкая и как она может так легко поддерживать множество устройств. Она в самом деле замечательная!

Пользователи, связанные с компьютерами больше двух-трех лет, не понаслышке знакомы с проблемой, которую пытаются решить с помощью универсальной последовательной шины – в прошлом подключение устройств к компьютеру было долгим и мучительным.

 Принтеры подключались к специализированным параллельным портам, а в большинстве компьютеров такой порт был только один. Устройства типа zip-дисководов, требующие скоростного подключения к компьютеру, также подключались к параллельному порту, причем часто это производилось не совсем корректно и скорость была не слишком высока.

 Для подключения модемов использовался последовательный порт, однако к этому же порту нужно было подключать некоторые принтеры и разные другие устройства, такие как карманные компьютеры и цифровые камеры. В большинстве компьютеров имеется не больше двух последовательных портов, и как правило они очень медленные.

 Устройства, для которых требовалось более быстрое соединение, комплектовались специализированными платами, которые нужно было вставлять в слот внутри корпуса компьютера. К сожалению, количество слотов ограничено, а установка программного обеспечения для некоторых таких плат была не под силу рядовому пользователю.

Внедрение стандарта USB позволило избавиться от всех этих проблем. Универсальная последовательная шина создает условия для простого, стандартизированного и легкого в использовании подключения к компьютеру до 127 устройств.

Почти любое современное периферийное устройство выпускается в варианте, предусматривающем подключение с помощью USB. Предлагаем примерный список USB-устройств, которые можно в настоящее время найти на полках магазинов:

 Принтеры

 Сканеры

 Мыши

 Джойстики

 Компьютерные штурвалы

 Цифровые видеокамеры

 Веб-камеры

 Научные устройства сбора данных

 Модемы

 Динамики

 Телефоны

 Видеотелефоны

 Запоминающие устройства, такие как zip-дисководы

 Устройства для подключения к сети

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 ориентированы, то есть 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, как в мышь (стандарт запрещает это для устройств full и high speed, но производители его нарушают). Существуют (хотя и запрещены стандартом) и пассивные USB удлинители, имеющие разъёмы «от хоста» и «к хосту».

Шина строго ориентирована, имеет понятие «главное устройство» (хост, он же USB контроллер, обычно встроен в микросхему южного моста на материнской плате) и «периферийные устройства». Шина имеет древовидную топологию, поскольку периферийным устройством может быть разветвитель (hub), в свою очередь имеющий несколько нисходящих разъемов «от хоста». Разветвитель — это сложное электронное устройство, пассивных разветвителей не бывает.

Соединение 2 компьютеров — или 2 периферийных устройств — пассивным USB кабелем невозможно. Существуют активные USB кабели для соединения 2 компьютеров, но они включают в себя сложную электронику, эмулирующую Ethernet-адаптер, и требуют установки драйверов с обеих сторон.

Устройства могут быть запитаны 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 достигнуто увеличенной длиной заземляющего контакта разъёма 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 — поточный (bulk), управляющий (control), изохронный (isoch) и 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/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 крайне сложный DMA со сложной DMA-программой, формируемой драйвером.

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