Интерфейс USB

Реферат

Интерфейс USB

аппаратный кабель интерфейс Увеличение числа устройств, подключаемых к персональному компьютеру, и, соответственно, развитие внешних интерфейсов привело к противоречивой ситуации: с одной стороны, компьютер должен иметь множество различных разъемов, а с другой — большая часть из них не используется. Такая ситуация определяется историческим развитием интерфейсов ПК — каждый интерфейс имел свой специализированный разъем. Более того, к одному порту в большинстве случаев можно подключить только одно устройство. Кроме того, проблема многочисленности разнообразных подключений включает в себя и следующие аспекты:

— практически для каждого из устройств необходимо выделение аппаратного прерывания (IRQ);

— большая часть устройств требует наличия внешнего блока питания;

— каждое устройство имеет свой протокол обмена, многократно увеличивая необходимее количество драйверов;

— конфигурирование огромного числа устройств, многие из которых не поддерживают спецификации Plug and Play, достаточно сложно для обычного пользователя и др.

Естественно, что производители аппаратного обеспечения задумались о создании единого и универсального интерфейса. И в начале 1996 года была опубликована версия 1.0 нового интерфейса USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина).

Последовательные шины позволяют объединять множество устройств, используя всего 1−2 пары проводов. Функциональные возможности этих шин гораздо шире, чем у традиционных интерфейсов локальных сетей.

Шина USB ориентирована именно на периферийные устройства, подключаемые к персональному компьютеру. Устройства могут подключаться к USB четырехпроходным кабелем без выключения компьютера. Изохронные передачи USB позволяют передавать цифровые аудиосигналы, а шина USB 2.0 способна нести и видеоданные. Все передачи управляются централизованно, и ПК является необходимым управляющим узлом, находящимся в корне древовидной структуры шины. Спецификация USB подразумевает прозрачное подключение устройств к шине и позволяет иметь несколько устройств на одном порту. Адаптер USB входит в состав всех современных чипсетов системных плат.

1. История USB

Интерфейс USB появился по компьютерным меркам довольно давно. Спецификация версии 1.1 на этот интерфейс была опубликована в начале 1996 года, большинство устройств поддерживает версию 1.1, которая вышла осенью 1998 года, — в ней были устранены обнаруженные проблемы первой редакции. Весной 2000 года опубликована спецификация USB 2.0, в которой предусмотрено 40-кратное повышение пропускной способности шины. В конце 2008 года USB Implementers Forum финализировал спецификации стандарта USB 3.0. Новый стандарт увеличил пропускную способность еще в 10 раз (пиковая производительность — 5 Гбит/с).

Первоначально (в версиях 1.0 и 1.1) шина обеспечивала две скорости передачи информации: полная скорость FS (full speed) — 12 Мбит/с и низкая скорость LS (Low Speed) — 1,5 Мбит/с. В версии 2.0 определена еще и высокая скорость HS (High Speed) — 480 Мбит/с, которая позволяет существенно расширить круг устройств, подключаемых к шине. В одной и той же системе могут присутствовать и одновременно работать устройства со всеми тремя скоростями. При этом предусматривается обратная совместимость устройств USB 2.0 с USB 1. x, т. е. «старые» USB 1. x устройства будут работать с USB 2.0 контроллерами, правда на скорости 12 Мбит/с. Скорость 480 Мбит/с достигается только при одновременном использовании USB 2.0 контроллера и USB 2.0 периферии.

Шина USB разрабатывалась для обеспечения механизма взаимодействия компьютерных и телефонных систем, однако вскоре члены комитета разработки поняли, что USB может удовлетворить потребности многих приложения и все сферы компьютерной телефонии.

Разработчики шины ориентировались на создание интерфейса, обладающего следующими свойствами:

— легко реализуемое расширение периферии ПК;

— дешевое решение, позволяющее передавать данные с высокой скоростью;

— полная поддержка в реальном времени голосовых, аудиои видеопотоков;

— гибкость протокола смешанной передачи изохронных данных и асинхронных сообщений;

— интеграция с выпускаемыми устройствами;

— охват всевозможных конфигураций и конструкций ПК;

— обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок;

— создание новых классов устройств, расширяющих ПК.

Практически все поставленные задачи были решены, и весной 1997 года стали появляться компьютеры, оборудованные разъемами для подключения USB-устройств. Иконкой, официально обозначается шина USB, как в Windows, так и на USB-разъемах.

В феврале 2004 года корпорация Intel совместно с Agere, Systems, HP, Microsoft Corporation, NEC, Philips Semiconductors и Samsung Electronics объявила о создании группы продвижения беспроводного USB (Wireless USB Promoter Group). Ее задача — продвижение высокоскоростной технологии беспроводного подключения внешних устройств Wireless USB на скорости 480 Мбит/с с дальностью действия при низком энергопотреблении до 10 метров.

2. Сравнение USB с другими интерфейсами

В настоящее время достойной альтернативы USB не существует (кроме, пожалуй, изначального конкурента — Fire Wire, но у этой шины принципиально другая система соединения). Интерфейсы, сравнимые с USB по скорости обмена, требуют специальных преобразователей (например, RS-485). Интерфейсы, не требующие дополнительных элементов, либо низкоскоростные, либо узконаправленные (RS-232, LPT, MIDI и др.). Кроме того, к несомненным плюсам USB относятся организация помехозащищенности на уровне аппаратного и шинного протоколов и «встроенная» поддержка Plug and Play, а также отсутствие дополнительных элементов для подключения устройств (как, например, терминаторы для SCSI-интерфейса). Единственным минусом можно считать довольно короткое кабельное соединение, но следует помнить, что шина USB разрабатывалась как шина для домашних устройств и дальние соединения не закладывались в нее изначально.

3. Архитектура USB-шины

3.1 Общая архитектура

Для шины USB выбран последовательный формат пересылки данных, обеспечивающий ее наименьшую стоимость и наибольшую гибкость. Тактирующий сигнал и данные кодируются вместе и передаются как единый сигнал. В результате нет никаких ограничений в отношении тактовой частоты или расстояний, связанных со сдвигом данных, благодаря чему становится возможной высокая пропускная способность соединений с высокой тактовой частотой.

Для того чтобы к шине USB можно было одновременно подключать большое количество устройств, удаляемых и подсоединяемых в любое время, эта шина имеет древовидную структуру. Компьютер в такой конфигурации является управляющим устройством и называется хостом. В узлах дерева располагаются устройства, называемые хабами и действующие как промежуточные управляющие компоненты между хостом и устройствами ввода-вывода. Компьютер имеет встроенный хаб, называемый корневым хабом, который соединяет все дерево с хост-компьютером. «Листьями» дерева являются устройства ввода-вывода (клавиатура, динамики, соединение с Интернетом, цифровой телевизор и т. п.), в терминологии USB называемые функциями.

3.2 Составляющие USB

Шина USB состоит из следующих элементов.

Хост-контроллер (Host Controller) — это главный контроллер, который входит в состав системного блока компьютера и управляет работой всех устройств на шине USB. Для краткости его называют просто «хост». На шине USB допускается наличие только одного хоста. Системный блок персонального компьютера содержит один или несколько хостов, каждый из которых управляет отдельной шиной USB.

Устройство (Device) может представлять собой хаб, функцию или их комбинацию (Compound Device).

Порт (Port) — точка подключения.

Хаб (Hub, другое название — концентратор) — устройство, которое обеспечивает дополнительные порты на шине USB. Другими словами, хаб преобразует один порт (восходящий порт, Upstream Port) во множество портов (нисходящие порты, Downstream Ports). Архитектура допускает соединение нескольких хабов (не более 5). Хаб распознает подключение и отключение устройств к портам и может управлять подачей питания на порты. 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. Хаб может ограничивать ток, потребляемый каждым портом.

Корневой хаб (Root Hub) — это хаб, входящий в состав хоста.

Функция (Function) — это периферийное устройство (ПУ) или отдельный блок периферийного устройства, способный передавать и принимать информацию по шине USB. 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.

3.3 Свойства составляющих

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

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

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

— 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;

— управление энергопотреблением — любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. Если хаб не может обеспечить устройству заявленный ток, устройство не будет использоваться;

— приостановка — устройство USB должно поддерживать приостановку (Suspended Mode), при которой его потребляемый ток не превышает 500 мкА. Устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины;

— удаленное пробуждение — возможность удаленного пробуждения (Remote Wakeup) позволяет приостановленному устройству подать сигнал хосту, который тоже может находиться в приостановленном состоянии.

Свойства хабов Хаб выполняет коммутацию сигналов и выдачу питающего напряжения, а также отслеживает состояние подключенных к нему устройств, уведомляя хост об изменениях. Хаб состоит из двух частей — контроллера (Hub Controller) и повторителя (Hub Repeater).

Контроллер содержит регистры для взаимодействия с хостом. Доступ к регистрам осуществляется по специфическим командам обращения к хабу. Команды позволяют конфигурировать хаб, управлять нисходящими портами и опрашивать их состояние.

Повторитель представляет собой управляемый ключ, соединяющий выходной порт со входным. Он имеет средства сброса и приостановки передачи сигналов.

Нисходящие порты хабов могут находиться в следующих состояниях:

— Питание отключено (Powered off) — на порт не подается питание (возможно только для хабов, коммутирующих питание). Выходные буферы переводятся в высокоимпедансное состояние, входные сигналы игнорируются;

— Отсоединен (Disconnected) — порт не передает сигналы ни в одном направлении, но способен обнаружить подключение устройства;

— Запрещен (Disabled) — порт передает только сигнал сброса (по команде контроллера), сигналы от порта (кроме обнаружения отключения) не воспринимаются;

— Разрешен (Enabled) — порт передает сигналы в обоих направлениях. По команде контроллера или по обнаружении ошибки кадра порт переходит в состояние «Запрещен», а по обнаружении отключения — в состояние «Отсоединен»;

— Приостановлен (Suspended) — порт передает сигнал перевода в состояние «спящий режим». Если хаб находится в активном состоянии, сигналы через порт не пропускаются ни в одном направлении.

Состояние каждого порта идентифицируется контроллером хаба с помощью отдельных регистров. Имеется общий регистр, биты которого отражают факт изменения состояния каждого порта. Это позволяет хосту быстро узнать состояние хаба, а в случае обнаружения изменений специальными транзакциями уточнить состояние.

Свойства хоста Хост имеет следующие обязанности:

— обнаружение подключения и отключения устройств USB;

— управление потоками данных;

— сбор статистики;

— обеспечение энергосбережения подключенными ПУ.

Системное ПО контроллера управляет взаимодействием между устройствами и их ПО, функционирующим на хост-компьютере, для согласования:

— нумерации и конфигурирования устройств;

— изохронных передач данных;

— асинхронных передач данных;

— управления энергопотреблением;

— информации об управлении устройствами и шиной.

4. Аппаратное обеспечение

4.1 Кабели

Спецификация USB предъявляет несколько требований к кабельному соединению:

— предотвращение ошибки соединения разъемов;

— простота кабельного соединения;

— возможность подключения устройств, имеющих питание от шины и возможность подключения устройств, имеющих внешнее питание.

Соединительный кабель, используемый для подключения устройств с интерфейсом USB, представляет собой четырехжильный кабель в экранирующей оплетке и защитным покрытием из полихлорвинила. Два проводника предназначены для передачи данных, один — для источника питания (+5 В) и один — для «земли»

Спецификация USB 2.0 определяет три возможных типа используемых кабелей:

— стандартный съемный кабель;

— высокоскоростной (полноскоростной) несъемный кабель;

— низкоскоростной несъемный кабель.

Стандартный съемный кабель служит для соединения хоста или хаба с устройством. С одной стороны он заканчивается разъемом типа «А» для подключения к хосту или хабу, а с другой — разъемом типа «В» или «mini-B» для подключения к устройству. Оба разъема маркируются логотипом USВ.

Несъемный кабель заканчивается с одной стороны разъемом типа «А» (с маркировкой) для подключения к хосту или хабу, а с другой стороны жестко присоединен к устройству, т. е. имеет всего один разъем.

Высокоскоростной кабель имеет импеданс 90+15% Ом и полную задержку распространения сигнала 26 нс. Кабель обязательно должен иметь витую пару из сигнальных проводников и экранирующую оплетку. Такой кабель можно использовать и для низкоскоростного соединения.

Низкоскоростной кабель предназначен для работы на скоростях до 1,5 Мбайт/с. В связи с этим к кабелю предъявляются меньшие требования: низкоскоростной кабель не имеет витой пары из сигнальных проводников и экранирующей оплетки. Он должен иметь емкость в диапазоне 200−450 пФ и задержку на распространение сигнала не более 18 нс.

Длина соединительного кабеля определяется импедансом и задержкой распространения сигнала. В среднем длина составляет три-пять метров, но может быть и до десяти. Определяющим фактором является качество изготовления и используемый материал.

4.2 Разъемы

Для предотвращения ошибочных соединений USB использует USB-кабели с различными разъемами. Согласно спецификации, устройства, работающие с шиной USВ, могут использовать три типа разъемов: «А», «В» и «Mini-B». Разъемы «А» обозначают принадлежность к «ведущему» устройству, они используются в хостах и хабах. Их всегда можно встретить, например, на современных материнских платах персональных компьютеров. Разъемы «В» используют «ведомые» устройства. Тип разъемов «mini-В» появился в спецификации в 2000 году с введением стандарта USB 2.0. Этот разъем позиционируется для применения в малогабаритных мобильных устройствах, например, в сотовых телефонах, когда габариты самого устройства соизмеримы с размерами разъема.

Конструктивно разъемы задуманы так, что сначала происходит соединение шины питания, потом шины данных.

Спецификация USB определяет стандартную цветовую гамму для проводников внутри USB-кабеля, что значительно облегчает идентификацию проводов при применении кабелей от разных производителей.

Кабель также имеет линии VBus и GND для передачи питающего напряжения 5 В к устройствам. Сечение проводников выбирается в соответствии с длиной сегмента для обеспечения гарантированного уровня сигнала и питающего напряжения.

5. Принципы передачи данных

Информация, пересылаемая через соединения USВ, организуется в пакеты, каждый из которых включает один или несколько байтов данных. В интерфейсе USB испольуется несколько разновидностей пакетов:

— пакет-признак (token paket) описывает тип и направление передачи данных, адрес устройства и порядковый номер конечной точки (КТ — адресуемая часть USB-устройства); пакет-признаки бывают нескольких типов: IN, OUT, SOF, SETUP;

— пакет с данными (data packet) содержит передаваемые данные;

— пакет согласования (handshake packet) предназначен для сообщения о результатах пересылки данных; пакеты согасования бывают нескольких типов: ACK, NAK, STALL.

Таким образом, каждая транзакция состоит из трех фаз: фаза передачи пакета-признака, фаза передачи данных и фаза согласования.

В интерфейсе USB используются несколько типов пересылок информации:

Управляющая пересылка (control transfer) используется для конфигурации устройства, а также для других специфических для конкретного устройства целей. Управляющие пересылки содержат две стадии: Setup-стадия и статусная стадия. Между ними может располагаться стадия передачи данных. Setup-стадия используется для выполнения SETUP-транзакции, в процессе которой пересылается информация в управляющую КТ функции. SETUP-транзакция содержит SETUP-пакет, пакет с данными и пакет согласования.

Если пакет с данными получен успешно, то она отсылает хосту ACK-пакет. Иначе транзакция завершается.

Потоковая пересылка (bulk transfer) используется для передачи относительно большого объема информации. Потоковые пересылки характеризуются гарантированной безошибочной передачей данных между хостом и функцией посредством обнаружения ошибок при передаче и повторного запроса информации.

Пересылка с прерыванием (iterrupt transfer) используется для передачи небольшого объема информации, для которого важна своевременная пересылка. Имеет ограниченную длительность и повышенный приоритет относительно других типов пересылок. Пересылки с прерыванием могут содержать INили OUT-пересылки. Если у функции нет информации, для которой требуется прерывание, то в фазе передачи данных функция возвращает NAK-пакет. Если работа КТ с прерыванием приостановлена, то функция возвращает STALL-пакет. При необходимости прерывания функция возвращает необходимую информацию в фазе передачи данных. Если хост успешно получил данные, то он посылает ACK-пакет. В противном случае согласующий пакет хостом не посылается.

Изохронная пересылка (isochronous transfer) также называется потоковой пересылкой реального времени. Информация, передаваемая в такой пересылке, требует реального масштаба времени при ее создании, пересылке и приеме. Изохронные транзакции содержат фазу передачи признака и фазу передачи данных, но не имеют фазы согласования. Хост отсылает INили OUT-признак, после чего в фазе передачи данных КТ (для IN-признака) или хост (для OUT-признака) пересылает данные. Изохронные транзакции не поддерживают фазу согласования и повторные посылки данных в случае возникновения ошибок.

Пересылаемую по шине USB информацию можно разделить на две категории: управляющая информация и данные. Управляющие пакеты используются для адресации устройств при инициировании пересылки данных, а также для подтверждения факта получения правильных данных и сообщений об ошибках. Пакеты данных содержат входные и выходные данные, которыми хост обменивается с устройством, и некоторую другую информацию.

Каждый пакет состоит из одного или нескольких полей, содержащих разные типы информации. Первое поле любого пакета называется идентификатором и обозначается как PID. Оно идентифицирует тип пакета. В этом поле четыре бита информации, которые передаются дважды. В первый раз пересылаются их реальные значения, а во второй — дополненные. Это позволяет устройству-получателю проверить достоверность полученного байта PID.

Механизм передачи данных является асинхронным и блочным. Блок передаваемых данных называется USB-фреймом или USB-кадром (состоит из пакетов) 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 сообщения.

Для шины USB настоящего механизма прерываний (как, например, для последовательного порта) не существует. Вместо этого хост-контроллер опрашивает подключенные устройства на предмет наличия данных о прерывании. Опрос происходит в фиксированные интервалы времени, обычно каждые 1−32 мс.

С точки зрения драйвера, возможности работы с прерываниями фактически определяются хост-контроллером, который и обеспечивает поддержку физической реализации USB-интерфейса.

6. USB-устройства

Благодаря своей универсальности и способности эффективно передавать разнородный трафик, шина USB применяется для подключения к PC самых разнообразных устройств. Она призвана заменить традиционные порты PC — СОМ и LPT, а также порты игрового адаптера и интерфейса MIDI.

Обычно USB-устройство представляет собой USB-функцию с портом для подключения. Типичными примерами функций являются:

— указатели: мышь, планшет, световое перо;

— устройства ввода: клавиатура, сканер;

— устройства вывода: принтер, звуковые колонки, монитор;

— телефонный адаптер ISDN;

— флеш-диски.

Часто USB-устройство имеет встроенный хаб, позволяющий подключать к нему другие устройства.

6.1 Мышь и клавиатура

Подключение USB-мыши может быть оправдано при необходимости освободить последовательный порт. Однако для мыши остается еще порт PS/2, поэтому USB-мышь не особенно необходима, за исключением возможности конфигурирования частоты опроса, что оценят любители компьютерных игр, или в отсутствии других портов (в ноутбуках).

Использование USB-клавиатуры интересно только возможностью подключения USB-мыши прямо к клавиатуре, а также экономией системных ресурсов.

6.2 Мониторы

В отличие от USB-колонок, не требующих звуковой карты, USB-монитор все же требует графический адаптер (видеокарту). «USB» в названии означает наличие USB-портов, позволяющих подключать USB-устройства непосредственно к монитору, а также возможность программного конфигурирования настроек монитора по USB-интерфейсу.

6.3 Переходники USB-to-COM и USB-to-LPT

Конвертеры USB-to-COM и USB-to-LPT незаменимы в тех случаях, когда последовательные и параллельные порты в системе уже заняты (или недееспособны). Эти устройства позволяют подключать к USB-порту устройства с последовательным (мышь, модем) и параллельным (принтер, сканер) интерфейсами. Переходник USB-to-COM будет также полезен пользователям ноутбуков, т.к. в них имеется всего один последовательный порт.

6.4 Сканеры

Основной интерес USB-сканера заключается в отсутствии внешнего питания. Скорость работы таких сканеров ничем не отличается от обычных, т.к. основной определяющей является не скорость передачи данных, а скорость движения сканирующей головки.

6.5 Модемы

Такие модемы не требуют внешнего питания и работают полностью от шины. С одной стороны, это позволило значительно уменьшить размеры самих модемов, но с другой, такие модемы имеют все достоинства и недостатки программных модемов (soft modem). На многих USB-модемах производители уменьшили число индикаторов состояния или используют программное отображение, что не очень, удобно.

6.6 Звуковые колонки

USB-колонки не требуют звуковой карты, а преобразование сигнала в аналоговый происходит в самих колонках через встроенный аналого-цифровой преобразователь.

Следует отличать понятия «USB-колонки» от «колонки с питанием от USB». Второй вариант представляет собой обычные колонки, требующие звуковой карты, но без отдельного блока питания. Их можно отличить по дополнительному разъему к звуковой карте. При подключении к шине такие колонки даже не опознаются системой как новое устройство.

Качество звука, получаемое при использовании USB-колонок, значительно выше, чем с применением обычных колонок совместно с большинством звуковых карт. Единственное ограничение — компьютер должен иметь достаточную производительность для обеспечения непрерывного потока данных на колонки, иначе любое движение мыши способно привести к исчезновению звука.

Поток данных, передаваемых на USB-колонки, довольно большой, что создает заметный трафик от компьютера к колонкам. По этой причине рекомендуется подключение колонок непосредственно к компьютеру либо к ближайшему хабу.

6.7 Флеш-диски

Флеш-диски с USB-интерфейсом обладают значительными преимуществами:

— флеш-диск можно подключить к любому современному компьютеру без выключения;

— диск может быть загрузочным;

— поддерживается практически всеми операционными системами;

— скорость записи довольно велика, хотя и меньше, чем у жесткого диска;

— отсутствуют сбойные секторы;

— ударостойкость около 1000 G (значительно больше любого современного жесткого диска);

— время хранения данных — не менее 10 лет;

— число циклов записи — не менее миллиона;

— объем диска достаточно большой.

С USB-диска можно запускать программы, редактировать файлы, не прибегая к помощи жесткого диска компьютера. Это значительно облегчает синхронизацию файлов между компьютерами, например, домашним и рабочим.

Согласно спецификации USB к одному порту можно подключить 127 устройств с помощью соответствующего хаба. Однако на практике число флеш-дисков ограничено числом свободных букв дисков (26 букв минус А, В и С, т. е. максимум 23 диска).

Флеш-диски легко форматируются средствами Windows. При этом пользователь может сам выбирать тип файловой системы (FAT или FAT32).

6.8 Хабы

Хабы не являются как таковыми USB-устройствами. Их задача — преобразовывать один USB-порт в несколько портов. Модели классифицируются по числу предоставляемых портов, поддерживаемым стандартам и типу питания.

Хабы могут быть внутренние (вставляемые в PIC-шину) и внешние. Питание внешних хабов обычно внешнее, однако бывают и исключения.

6.9 Измерительная техника

Скорость передачи данных USB-канала позволяет использовать USB-шину для подключения измерительных приборов, таких как цифровые осциллографы, логические анализаторы, генераторы сигналов и т. п. В таких устройствах USB используется как для передачи данных в компьютер для их последующей обработки и отображения, так и для задания пара метров приборов.

6.10 Экзотические устройства

В последнее время на рынке компьютерной продукции стали появляться и довольно экзотические USB-устройства. Список устройств, в общем-то, не относящихся к компьютерной периферии, довольно большой. Интересны, например, USB-фонарик, позволяющий осветить клавиатуру или рабочее место, или USB-вентилятор. Среди экзотических устройств можно найти USB-подогреватель для чашки, USB-грелку и даже USB-зубную щетку.

7. Установка и конфигурирование USB-устройств

Спецификация USB была разработана с непосредственной поддержкой спецификации Plug and Play. Каждое устройство при подключении к шине USB сигнализирует о своем существовании и сообщает идентификатор производителя и идентификатор устройства. Эти идентификаторы являются определяющей информацией при выборе загружаемого драйвера, информация о котором ищется в реестре. Если подходящего драйвера в реестре не обнаружено, производится процедура установки нового устройства (драйвера). Спецификация Plug and Play предполагает прозрачное подключение и автоматическое конфигурирование устройств. Вмешательство пользователя требуется в том случае, когда система либо не смогла найти нужный драйвер и запрашивает его местоположение у пользователя, либо системе не удалось корректно распределить системные ресурсы.

Для подключения устройств к шине не требуется дополнительных действий (как, например, установка перемычек при подключении жестких дисков к IDE-интерфейсу), а возможность неправильного подключения исключается разными разъемами. Многие производители предоставляют свои драйверы для устройств.

Так как обмен данными по шине USB идет только между компьютером и устройствами, то при подключении устройств следует учитывать потребляемую ими полосу пропускания. Устройства с большими объемами приема и / или передачи данных должны подключаться либо к самому компьютеру, либо к ближайшему свободному узлу.

С другой стороны, при подключении устройств следует учитывать и поддерживаемые ими стандарты USB. Устройства и ПО, критичные к полосе пропускания шины, в неправильной конфигурации работать откажутся и потребуют переключений. Если же хост-контроллер старый, то все достоинства USB 2.0 окажутся недоступны пользователю. В этом случае придется менять хост-контроллер, т. е. системную плату. Контроллер и хабы USВ 2.0 позволяют повысить суммарную пропускную способность шины и для старых устройств. Если устройства FS подключать к разным портам хабов USB 2.0 (включая и корневой), то для них суммарная пропускная способность возрастет по сравнению с 12 Мбит/с во столько раз, сколько используется портов высокоскоростных хабов.

Заключение

Универсальная последовательная шина USB призвана заменить такие устаревшие интерфейсы, как RS-232 (COM-порт) и параллельный интерфейс IEEE 1284 (LPT-порт), то есть заменить последовательные и параллельные, клавиатурные и мышиные порты — все устройства подключаются к одному разъему, допускающему установку многочисленных устройств с легкостью технологии Plug & Play. Технология Plug & Play позволяет производить «горячую» замену без необходимости выключения и перезагрузки компьютера. После физического подсоединения устройства правильно опознаются и автоматически конфигурируются: USB самостоятельно определяет, что именно подключили к компьютеру, какой драйвер и ресурсы понадобятся устройству, после чего все это выделяет без вмешательства пользователя. Для адекватной работы шины необходима операционная система, которая корректно с ней работает.

К шине USB можно одновременно подключить до 127 устройств: мониторы, принтеры, сканеры, клавиатуры и т. д. Каждое устройство, подключенное на первом уровне, может работать в качестве концентратора-то есть к нему, при наличии соответствующих разъемов, могут подключаться еще несколько устройств. Обмен по интерфейсу — пакетный, скорость обмена — от 1,5 Мбит/с до 480 Мбит/с.

Кроме этого, питание маломощных устройств подается с самой шины. Попутно решается историческая проблема нехватки ресурсов на внутренних шинах IBM PC совместимого компьютера — контроллер USB занимает только одно прерывание независимо от количества подключенных к шине устройств.

Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение / расчленение.

Все эти возможности и достоинства интерфейса USB сыграли решающую роль в том, что данная технология получила такую популярность. Универсальность соединения по типу USB привела к тому, что настоящее время интерфейс USB распространился повсеместно, вытеснив устаревшие порты на компьютерах.

Однако пропускной способности USB 2.0 перестало хватать для многих современных устройств. Новый стандарт USB 3.0 обеспечивает увеличение пропускной способности, а также дает и другие новшества. На данный момент оборудования и устройства с поддержкой USB 3.0 только начинают внедрять. Однако, согласно данным исследовательской компании InStart, новый стандарт к 2013 году будет занимать 25% рынка.

1. m. 3dnews.ru

2. www.digit.ru

3. www.gaw.ru

4. www.kazus.ru

5. www.winline.ru

6. Агуров П. В. Интерфейсы USB. Практика использования и программирования. — СПб.: БХВ-Петербург, 2004

7. Бройдо В. Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. — СПб: Питер, 2002

8. Гук М. Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия. — СПб.: Питер, 2002

9. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. — СПб: Питер, 2002

10. Танненбаум Э. Архитектура компьютера. 4-е изд. — СПб: Питер, 2003

11. Хамакер К., Вранешич З., Заки С. Организация ЭВМ. 5-е изд. — СПб: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2003