Организация шины USB

USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Версия стандарта 1.0 была опубликована в начале 1996 года, большинство устройств поддерживают стандарт 1.1, который вышел осенью 1998 года, — в нем были устранены обнаруженные проблемы первой редакции. Весной 2000 года опубликована спецификация USB 2.0, в которой предусмотрено 40-кратное увеличение пропускной способности шины. 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, что позволяет существенно расширить круг устройств, подключаемых к шине. В одной и той же системе могут присутствовать и одновременно работать устройства со всеми тремя скоростями. Шина позволяет с использованием промежуточных хабов соединять устройства, удаленные от компьютера на расстояние до 25 м. Подробную и оперативную информацию по USB (на английском языке) можно найти на сайте http://www.usb.org . Разработку устройств и их классификацию и стандартизацию координирует USB-IF (USB Implementers Forum, Inc.).

Шина USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). USB является единой централизованной аппаратно-программной системой массового обслуживания множества устройств и множества прикладных программных процессов. Связь программных процессов со всеми устройствами обеспечивает хост-контроллер с многоуровневой программной поддержкой. Этим USB существенно отличается от традиционных периферийных интерфейсов (портов LPT, COM, GAME, клавиатуры, мыши и т. п.), сравнение этих типов подключений приводится в таблице.

Таблица. Сравнение шины USB с традиционными периферийными интерфейсами

Традиционные интерфейсы (COM, LPT, Game…)	Шина USB
Подключение каждого устройства в общем случае требует присутствия собственного контроллера (адаптера) 1	Все устройства подключены через один хостконтроллер
Каждый контроллер занимает свои ресурсы (области в пространстве памяти, ввода/вывода, а также запросы прерывания)	Ресурсы занимает только хост-контроллер
Малое количество устройств, которые возможно одновременно подключить к компьютеру	Возможность подключения до 127 устройств
Драйверы устройств могут обращаться непосредственно к контроллерам своих устройств, независимо друг от друга	Драйверы устройств обращаются только к общему драйверу хост-контроллера
Независимость драйверов оборачивается непредсказуемостью результата одновременной работы с множеством устройств, отсутствием гарантий качества обслуживания (возможность задержек и уменьшения скорости передачи) для различных устройств	Централизованный планируемый обмен обеспечивает гарантии качества обслуживания, что позволяет передавать мультимедийные изохронные данные наряду с обычным асинхронным обменом
Разнообразие интерфейсов, разъемов и кабелей, специфичных для каждого типа устройств	Единый удобный и дешевый интерфейс для подключения устройств всех типов. Возможность выбора скорости работы устройства (1,5-15-480 Мбит/с) в зависимости от потребности
Отсутствие встроенных средств обнаружения подключения/отключения и идентификации устройств, сложность поддержки PnP	Возможность «горячего» подключения/отключения устройств, полная поддержка PnP, динамическое конфигурирование
Отсутствие средств контроля ошибок	Встроенные средства обеспечения надежной передачи данных
Отсутствие штатного питания устройств	Возможность питания устройств от шины, а также наличие средств управления энергопотреблением

1 - Возможностью подключения к одному контроллеру множества устройств обладает и шина SCSI, но ее параллельный интерфейс по сравнению с USB слишком дорог, громоздок и более ограничен в топологии.

Архитектура USB допускает четыре базовых типа передач данных между хостом и периферийными устройствами:

• изохронные передачи (isochronous transfers) — потоковые передачи в реальном времени, занимающие предварительно согласованную часть пропускной способности шины с гарантированным временем задержки доставки. На полной скорости (FS) можно организовать один канал с полосой до 1,023 Мбайт/с (или два по 0,5 Мбайт/с), заняв 70 % доступной полосы (остаток можно занять и менее емкими каналами). На высокой скорости (HS) можно получить канал до 24 Мбайт/с (192 Мбит/с). Надежность доставки не гарантируется — в случае обнаружения ошибки изохронные данные не повторяются, недействительные пакеты игнорируются. Шина USB позволяет с помощью изохронных передач организовывать синхронные соединения между устройствами и прикладными программами. Изохронные передачи нужны для потоковых устройств: видеокамер, цифровых аудиоустройств (колонки USB, микрофон), устройств воспроизведения и записи аудио- и видеоданных (CD и DVD). Видеопоток (без компрессии) шина USB способна передавать только на высокой скорости;
• прерывания (interrupts) — передачи спонтанных сообщений, которые должны выполняться с задержкой не более, чем того требует устройство. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 10-255 мс для низкой и 1-255 мс для полной скорости. На высокой скорости можно заказать и 125 мкс. Доставка гарантирована, при случайных ошибках обмена выполняется повтор, правда, при этом время обслуживания увеличивается. Прерывания используются, например, при вводе символов с клавиатуры или для передачи сообщений о перемещениях мыши. Прерываниями можно передавать данные и к устройству (как только устройство сигнализирует о потребности в данных, хост своевременно их передает). Размер сообщения может составлять 0-8 байт для низкой скорости, 0-64 байт — для полной и 0-1024 байт — для высокой скорости передачи;
• передачи массивов данных (bulk data transfers) — это передачи без каких-либо обязательств по своевременности доставки и по скорости. Передачи массивов могут занимать всю полосу пропускания шины, свободную от передач других типов. Приоритет этих передач самый низкий, они могут приостанавливаться при большой загрузке шины. Доставка гарантированная — при случайной ошибке выполняется повтор. Передачи массивов уместны для обмена данными с принтерами, сканерами, устройствами хранения и т. п.;
• управляющие передачи (control transfers) используются для конфигурирования устройств во время их подключения и для управления устройствами в процессе работы. Протокол обеспечивает гарантированную доставку данных и подтверждение устройством успешности выполнения управляющей команды. Управляющая передача позволяет подать устройству команду (запрос, возможно, и с дополнительными данными) и получить на него ответ (подтверждение или отказ от выполнения запроса и, возможно, данные). Только управляющие передачи на USB обеспечивают синхронизацию запросов и ответов; в остальных типах передач явной синхронизации потока ввода с потоком вывода нет.

Аппаратная часть USB включает:

• периферийные устройства USB, несущие полезные функции (USB-functions);
• хост-контроллер (Host Controller), обеспечивающий связь шины с центром компьютера, объединенный с корневым хабом (Root Hub), обеспечивающим точки подключения устройств USB. Существует два варианта хост-контроллеров USB 1.x — UHC (Universal Host Controller) и OHC (Open Host Controller), поддерживающие скорости FS/LS; высокую скорость шины USB 2.0 (HS и только) поддерживает EHC (Enhanced Host Controller);
• хабы USB (USB Hubs), обеспечивающие дополнительные точки подключения устройств;
• кабели USB, соединяющие устройства с хабами.

Программная часть USB включает:

• клиентское ПО (CSw, Client Software) — драйверы устройств USB, обеспечивающие доступ к устройствам со стороны прикладного ПО. Эти драйверы взаимодействуют с устройствами только через программный интерфейс с общим драйвером USB (USBD). Непосредственного обращения к каким-либо регистрам аппаратных средств драйверы устройств USB не выполняют;
• драйвер USB (USBD, USB Driver), «заведующий» всеми USB-устройствами системы, их нумерацией, конфигурированием, предоставлением служб, распределением пропускной способности шины, мощности питания и т. п.;
• драйвер хост-контроллера (HCD, Host Controller Driver), преобразующий запросы ввода/вывода в структуры данных, размещенные в коммуникационной области оперативной памяти, и обращающийся к регистрам хост-контроллера. Хост-контроллер выполняет физические транзакции, руководствуясь этими структурами данных.

Драйверы USBD и HCD составляют хост-часть ПО USB; спецификация USB очерчивает круг их задач, но не описывает интерфейс между ними. Физическое устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Физические устройства USB могут быть комбинированными (compound devices): включать в себя несколько устройств-функций, подключенных к внутреннему хабу, а также предоставлять своим внутренним хабом дополнительные внешние точки подключения.

Работой всех устройств шины USB управляет хост-контроллер (host controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера. Хост-контроллер является интеллектуальным устройством шины PCI или составной частью «южного» хаба (моста) системной платы, интенсивно взаимодействующим с оперативной памятью.

Физическая топология шины USB — многоярусная звезда (см. рисунок, а). Ее вершиной является хост-контроллер, объединенный с корневым хабом (root hub). Хаб является устройством-разветвителем, он может служить и источником питания для подключенных к нему устройств. К каждому порту хаба может непосредственно подключаться периферийное устройство или промежуточный хаб; шина допускает до пяти уровней (ярусов) каскадирования хабов (не считая корневого). Поскольку комбинированные устройства содержат внутри себя хаб, их подключение к хабу пятого яруса уже недопустимо. 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.

Логическая топология USB — звезда. Хабы (включая корневой) создают иллюзию непосредственного подключения каждого логического устройства к хост-контроллеру (см. рисунок ниже, б). В этой звезде устанавливаются сугубо подчиненные отношения по системе опроса-ответа: хост-контроллер по своей инициативе передает данные к выбранному устройству или принимает их. Устройство по своей инициативе передавать данные не может; непосредственные передачи данных между устройствами невозможны. Устройство по своей инициативе может лишь сигнализировать о «пробуждении» (wakeup), для чего используется специальная сигнализация, но не передача данных.

Физический интерфейс USB прост и изящен. Конструкция кабелей и коннекторов USB не дает возможности ошибиться при подключении устройств (см. рисунок ниже, а и б). Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение (см. рисунок ниже, в). Гнезда типа «A» устанавливаются только на нисходящих портах хабов, вилки типа «A» — на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов. Гнезда и вилки типа «B» 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). Для малогабаритных устройств имеются разъемы mini-B, а для поддержки OTG (On-the-Go) имеются и вилки mini-A, и розетки miniAB. Хабы и устройства обеспечивают возможность «горячего» подключения и отключения с сигнализацией об этих событиях хосту.

При планировании соединений следует учитывать способ питания устройств: устройства, питающиеся от шины, как правило, подключают к хабам, питающимся от сети. К хабам, питающимся от шины, подключают лишь маломощные устройства — так, к клавиатуре USB, содержащей внутри себя хаб, подключают мышь USB и другие устройства-указатели (трекбол, планшет).

Логическое устройство USB представляет собой набор независимых конечных точек (Endpoint, EP), с которыми хост-контроллер (и клиентское ПО) обменивается информацией. Каждому логическому устройству USB (как функции, так и хабу) конфигурационная часть ПО хоста назначает свой адрес (1-127), уникальный на данной шине USB. Каждая конечная точка логического устройства идентифицируется своим номером (0-15) и направлением передачи (IN — передача к хосту, OUT — от хоста). Точки IN4 и OUT4, к примеру, представляют собой разные конечные точки, с которыми могут общаться даже модули клиентского ПО. Набор конечных точек зависит от устройства, но всякое устройство USB обязательно имеет двунаправленную конечную точку 0 (EP0), через которую осуществляется его общее управление. Для прикладных целей используются конечные точки с номерами 1-15 (1-2 для низкоскоростных устройств). Адрес устройства, номер и направление конечной точки однозначно идентифицируют приемник или источник информации при обмене хост-контроллера с устройствами USB. Каждая конечная точка имеет набор характеристик, описывающих поддерживаемый тип передачи данных (изохронные данные, массивы, прерывания, управляющие передачи), размер пакета, требования к частоте обслуживания.

Устройство может выполнять несколько различных функциональных задач: например, привод CD-ROM может обеспечивать проигрывание аудиодисков и работать как устройство хранения данных. Для решения каждой задачи в устройстве определяется интерфейс — набор конечных точек, предназначенных для выполнения данной задачи, и правила их использования. Таким образом, каждое устройство должно обеспечивать один или несколько интерфейсов. Наличие нескольких интерфейсов позволяет нескольким драйверам, каждый из которых обращается только к своему интерфейсу (представляющему часть устройства USB), работать с одним и тем же устройством USB. Каждый интерфейс может иметь один или несколько альтернативных вариантов (альтернативных установок — alternate settings), из которых в данный момент активным может быть только один. Варианты различаются наборами (возможно, и характеристиками) используемых конечных точек.

Набор одновременно поддерживаемых интерфейсов составляет конфигурацию устройства. Устройство может иметь одну или несколько возможных конфигураций, из которых на этапе конфигурирования хост выбирает одну, делая ее активной. От выбранной конфигурации зависит доступная функциональность, и зачастую — потребляемая мощность. Пока устройству не назначен номер выбранной конфигурации, оно не может функционировать в прикладном смысле и ток потребления от шины не должен превышать 100 мА. Хост выбирает конфигурацию исходя из доступности всех ресурсов, затребованных данной конфигурацией, включая и ток потребления от шины.

Каждая единица клиентского ПО (обычно представляемая драйвером) связывается с одним интерфейсом своего устройства (функции) монопольно и независимо (см. рисунок ниже). Связи на этом рисунке обозначают коммуникационные каналы (communication pipes), которые устанавливаются между драйверами устройств и их конечными точками. Каналы устанавливаются только с конечными точками устройств, относящимися к выбранным (из альтернативных) вариантам интерфейсов активной конфигурации. Другие конечные точки недоступны.

Запросы, пакеты и транзакции

Для передачи или приема данных клиентское ПО посылает к каналу пакет запроса ввода/вывода — IRP (Input/Output Request Packet) и ждет уведомления о завершении его отработки. Формат IRP определяется реализацией драйвера USBD в конкретной ОС. В IRP имеются только сведения о запросе (местоположение буфера передаваемых данных в оперативной памяти и длина передачи); от свойств конкретного текущего подключения (скорость, допустимый размер пакета) драйвер устройства абстрагируется. Отработкой запроса в виде транзакций на шине USB занимается драйвер USBD; при необходимости он разбивает на части длинные запросы (пакеты), пригодные для передачи за одну транзакцию. Транзакция на шине USB — это последовательность обмена пакетами между хостом и ПУ, в ходе которой может быть передан или принят один пакет данных (возможны транзакции, в которых данные не передаются). Отработка запроса считается завершенной, когда успешно выполняются все связанные с ним транзакции. «Временные трудности», встречающиеся при их выполнении (неготовность к обмену данными), до сведения клиентского драйвера не доводятся — ему остается только ждать завершения обменов (или выхода по тайм-ауту). Однако устройство может сигнализировать о серьезных ошибках (ответом STALL), что приводит к аварийному завершению запроса, о чем уведомляется клиентский драйвер. В этом случае отбрасываются и все последующие запросы к данному каналу. Возобновление работы с данным каналом возможно лишь после явного уведомления об обработке ошибочной ситуации, которое драйвер устройства делает с помощью специального запроса (тоже вызова USBD).

Длинные запросы разбиваются на транзакции так, чтобы использовать максимальный размер пакета. Последний пакет с остатком может оказаться короче максимального размера. Хост-контроллер имеет средства обнаружения приема от устройства «неполновесного» пакета, размер которого меньше ожидаемого. В запросе IRP указывается, следует ли особым образом реагировать на это событие. Особая реакция может быть двоякой:

• считать короткий пакет разделителем, указывающим на конец блока данных. При этом данный IRP завершается нормально и исполняются следующие запросы к данному каналу;
• считать короткий пакет признаком ошибки, по которому канал останавливается (все его последующие ожидающие запросы сбрасываются).

При передаче массивов использование укороченных пакетов в качестве разделителей наиболее естественно. Таким образом, например, в одном из вариантов протоколов для устройств хранения данных укороченные пакеты известной длины используются в качестве управляющих.

Коммуникационные каналы USB разделяются на два типа:

• потоковый канал (streaming pipe) доставляет данные от одного конца канала к другому, он всегда однонаправленный. Один и тот же номер конечной точки может использоваться для двух разных потоковых каналов — ввода и вывода. Передачи данных в разных потоковых каналах друг с другом не синхронизированы. Это означает, что запросы клиентских драйверов для разных каналов, поставленные в определенном порядке друг относительно друга, могут выполняться другом порядке. Запросы для одного канала будут исполняться строго в порядке их поступления; если во время исполнения какого-либо запроса происходит серьезная ошибка (об этом устройство сообщает ответом STALL), поток останавливается. Поток может реализовывать передачи массивов, изохронные и прерывания. Потоки несут данные произвольного формата, определенного разработчиком устройства (но не спецификацией USB). В потоках типично использование транзакций, в которых длина поля данных соответствует максимальному размеру, допустимому для его конечной точки. Если требуется разделение потока на логические блоки данных, то это можно сделать, применяя в качестве признака конца блока укороченные пакеты. Если оказывается, что блок укладывается в целое число пакетов максимального размера, в качестве разделителя можно использовать пакеты с нулевой длиной поля данных;
• канал сообщений (message pipe ) является двунаправленным. Передачи сообщений во встречных направлениях синхронизированы друг с другом и строго упорядочены. На каждое сообщение противоположная сторона обязана ответить подтверждением его приема и отработки. Последующее сообщение не может быть послано до обработки предыдущего, но при отработке ошибок возможен сброс необслуженных сообщений. Форматы сообщений определяются спецификацией USB: имеется набор стандартных сообщений (запросов и ответов) и зарезервированных идентификаторов сообщений, формат которых определяется разработчиком устройства или интерфейса.

С каналами связаны характеристики, соответствующие конечной точке (полоса пропускания, тип сервиса, размер буфера и т. п.). Каналы организуются при конфигурировании устройств USB. Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Выделенная полоса закрепляется за каналом, и если установление нового канала требует такой полосы, которая не вписывается в уже существующее распределение, запрос на выделение канала отвергается.

Каналы различаются и по назначению:

• основной канал сообщений (Default pipe, он же Control pipe 0) , владельцем которого является USBD, используется для доступа к конфигурационной информации всех устройств. Этот канал устанавливается с нулевой конечной точкой, EP0 (endpoint zero), которая у всех устройств всегда поддерживает только управляющие передачи;
• клиентские каналы (Client pipes) , владельцами которых являются драйверы устройств. По этим каналам могут передаваться как потоки, так и сообщения; они поддерживают любые типы передач USB (изохронные, прерывания, массивы и управление).

Интерфейс устройства, с которым работает клиентский драйвер, представляет собой связку клиентских каналов (pipe’s bundle). Для этих каналов драйверы устройств являются единственными источниками и потребителями передаваемых данных.

Владельцем основных каналов сообщений всех устройств является драйвер USB (USBD); по этим каналам передается информация конфигурирования, управления и состояния. Основным каналом сообщений может пользоваться и клиентский драйвер для текущего управления и чтения состояния устройства, но опосредованно через USBD. Например, сообщения, передаваемые по основному каналу, используются драйвером принтера USB для опроса текущего состояния (передаются три признака в формате регистра состояния LPT-порта: ошибка ввода/вывода, принтер выбран, отсутствие бумаги).

Хост организует обмены с устройствами согласно своему плану распределения ресурсов. Для этого хост-контроллер циклически с периодом 1 мс формирует кадры (frames), в которые укладываются все запланированные транзакции (cм. рисунок ниже). Каждый кадр начинается с посылки пакета-маркера SOF (Start Of Frame), который является синхронизирующим сигналом для изохронных устройств, а также для хабов. Кадры нумеруются последовательно, в маркере SOF передаются 11 младших бит номера кадра. В режиме HS каждый кадр делится на 8 микрокадров, и пакеты SOF передаются в начале каждого микрокадра (с периодом 125 мкс). При этом во всех восьми микрокадрах SOF несет один и тот же номер кадра; новое значение номера кадра передается в нулевом микрокадре. В каждом микрокадре может быть выполнено несколько транзакций, их допустимое число зависит от скорости, длины поля данных каждой из них, а также от задержек, вносимых кабелями, хабами и устройствами. Все транзакции кадров должны быть завершены до начала интервала времени EOF (End of Frame). Период (частота) генерации микрокадров может немного варьироваться с помощью специального регистра хост-контроллера, что позволяет подстраивать частоту для изохронных передач.

Кадрирование используется и для обеспечения живучести шины. В конце каждого микрокадра выделяется интервал времени EOF (End Of Frame), на время которого хабы запрещают передачу по направлению к контроллеру. Если хаб обнаружит, что с какого-то порта в это время ведется передача данных (к хосту), этот порт отключается, изолируя «болтливое» устройство, о чем информируется USBD.

Счетчик микрокадров в хост-контроллере используется как источник индекса при обращении к таблице дескрипторов кадров. Обычно драйвер USB составляет таблицу дескрипторов для 1024 последовательных кадров1, к которой он обращается циклически. С помощью этих дескрипторов хост планирует загрузку кадров так, чтобы кроме запланированных изохронных транзакций и прерываний в них всегда находилось место для транзакций управления. Свободное время кадров может заполняться передачами массивов. Спецификация USB позволяет занимать под периодические транзакции (изохронные и прерывания) до 90% пропускной способности шины, то есть времени в каждом микрокадре.

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.

Шина USB (U niversal S erial B us - универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно - версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициировна весьма авторитетными фирмами - Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq.

Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками - создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов. Кроме этого, желательно питание маломощных устройств подавать с самой шины. Скорость шины должна быть достаточной для подавляющего большинства периферийных устройств. 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.

Практически все поставленные задачи были решены в стандарте на USB и весной 1997 года стали появляться компьютеры, оборудованные разъемами для подключения USB устройств (см. фото слева), но периферия с подключением к USB до середины 1998 года так практически и не появилась. В чем дело? Почему только к концу 1998 года уже существенно активнее производители оборудования стали предлагать на рынке устройства с USB интерфейсом? Этому есть несколько объяснений:

отсутствие острой необходимости для пользователей настольных компьютеров в устройствах с полной поддержкой Plug&Play. Периферия к настольному компьютеру подключается, как правило, всерьез и надолго и особой нужды в частой смене периферии у подавляющего большинства пользователей нет.

более высокая стоимость устройств с USB по сравнению с аналогичными устройствами, имеющими стандартные интерфейсы

отсутствие поддержки со стороны производителей программного обеспечения и, главным образом, Microsoft, хотя она и была одним из авторов стандарта. Только в Windows 98 появилась полная поддержка USB, а в Windows NT она только должна быть в 1999 году.

Сейчас USB стала активно внедряться производителями компьютерной периферии. Сенсацией стало наличие в компьютере iMAC фирмы Apple Computers только USB в качестве внешней шины.

Технические характеристики

Возможности USB следуют из ее технических характеристик:

Высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) - 12 Mb/s

Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 5 m

Низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) - 1.5 Mb/s

Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена - 3 m

Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) - 127

Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена

Отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов, таких как терминаторы для SCSI

Напряжение питания для периферийных устройств - 5 V

Максимальный ток потребления на одно устройство - 500 mA (это не означает, что через USB можно запитать устройства с общим током потребления 127 x 500 mA=63.5 A)

Поэтому целесообразно подключать к USB практически любые периферийные устройства, кроме цифровых видеокамер и высокоскоростных жестких дисков. Особенно удобен этот интерфейс для подключения часто подключаемых/отключаемых приборов, таких как цифровые фотокамеры. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение/расчленение.
Возможность использования только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины, но существенно уменьшает количество линий интерфейса и упрощает аппаратную реализацию.
Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джойстики и т.п.

Топология

Такой иконой официально обозначается шина USB как в Windows 98, так и на задних стенках компьютеров (к сожалению, далеко не всех), а также на всех разъемах USB. Эта икона на самом деле правильно отображает идею топологии USB. Топология USB практически не отличается от топологии обычной локальной сети на витой паре, обычно называемой "звездой". Даже терминология похожа - размножители шины также называются HUB"ами.

Условно дерево подключения USB устройств к компьютеру можно изобразить так (цифрами обозначены периферийные устройства с USB интерфейсом):

Вместо любого из устройств может также стоять HUB. Основное отличие от топологии обычной локальной сети - компьютер (или host устройство) может быть только один. HUB может быть как отдельным устройством с собственным блоком питания, так и встроенным в периферийное устройство. Наиболее часто HUB"ы встраиваются в мониторы и клавиатуры

На рисунке выше показан пример правильного соединения периферийных устройств в условную USB сеть. Так как обмен данными по USB идет только между компьютером и периферийным устройством (между устройствами обмена нет), то устройства с большими объемами приема и/или передачи данных должны подключаться либо к самому компьютеру, либо к ближайшему свободному узлу. В данном случае наивысший трафик у колонок (~1.3 Mb/s), затем идут модем и сканер, подключенные к HUB"у в мониторе и завершают цепь клавиатура, джойстик и мышь, трафик у которых близок к нулю.
Может возникнуть вопрос - почему колонки имеют такой высокий трафик? Дело в том, что колонки с USB интерфейсом существенно отличаются от обычных. Для использования таких колонок НЕ ТРЕБУЕТСЯ звуковая карта. Драйвер колонок отправляет оцифрованный звук сразу в колонки, где с помощью АЦП (ADC) он преобразуется в аналоговый сигнал и подается на динамики.

Кабели и разъемы

Сигналы USB передаются по 4-х проводному кабелю, схематично показанному на рисунке ниже:

Здесь GND - цепь "корпуса" для питания периферийных устройств, VBus - +5V также для цепей питания. Шина D+ предназначена для передачи данных по шине, а шина D- для приема данных.
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.
Разъемы, используемые для подключения периферийных устройств, показаны на рисунке ниже.

Разъемы серии "А"		Разъемы серии "В"
предназначены ТОЛЬКО для подключения к источнику, т.е. компьютеру или HUB"у.		предназначены ТОЛЬКО для подключения к периферийному устройству
	Вилка типа "A".		Вилка типа "B".
	Розетка типа "А"		Розетка типа "В"

Как видно из рисунка, невозможно подключить устройство неправильно, так как разъем серии "А" можно подключить только к активному устройству на USB - HUB"у или компьютеру, а серии "В" только к собственно периферийному устройству.

USB разъемы имеют следующую нумерацию контактов:

Номер контакта	Назначение	Цвет провода

Цоколевка разъемов USB

Развитие USB В 1999 году тот же консорциум компьютерных компаний, который инициировал разработку первой версии стандарта на шину USB, начал активно разрабатывать версию 2.0 USB, которая отличается тем, что полоса пропускания шины увеличена в 20 (!) раз, до 250 Mbits/s, что делает возможным передачу видеоданных по USB и делает ее прямым конкурентом IEEE-1394 (FireWire). Совместимость всей ранее выпущенной периферии и высокоскоростных кабелей полностью сохраняется и сохраняется одно из самых главных достоинств USB - низкая стоимость контроллера. Контроллер стандарта 2.0 также предполагается интегрировать в chipset. Все хорошо, но есть одно но: шина IEEE-1394 уже весьма активно используется даже в бытовых цифровых видеокамерах, для нее есть платы видеомонтажа и при постоянном падении цен на цифровые видеокамеры она будет использоваться все шире и шире. Новая же версия USB должна быть только окончательно разработана к середине 2000 года, а первые устройства с поддержкой нового варианта USB должны появиться не ранее конца 2000 года. Для компьютерной индустрии это очень большие сроки. Уже в июле 1999 года, например, фирма ASUSTeK Computers выпускает первую материнскую плату (P3B-1394) со встроенным контроллером IEEE-1394. Наверняка это не останется незамеченным и другие производители также начнут выпускать подобные платы. Поэтому к моменту выхода устройств на USB 2.0 место под солнцем может быть уже занято.

Шина USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно – версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициировна весьма авторитетными фирмами – Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq.

Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками – создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов.

Возможности USB следуют из ее технических характеристик: высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) – 12 Mбит/с; максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена – 5 м; низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) – 1,5 Mбит/с; максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена – 3 м; максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) – 127; возможно подключение устройств с различными скоростями обмена; напряжение питания для периферийных устройств – 5 В; максимальный ток потребления на одно устройство – 500 мA (это не означает, что через USB можно запитать устройства с общим током потребления 127 ´ 500 мA = 63,5 A)

Топология USB практически не отличается от топологии обычной локальной сети на витой паре, обычно называемой «звездой». Даже терминология похожа – размножители шины также называются HUB.

Условно дерево подключения USB устройств к компьютеру можно изобразить так (см. рис. 5.22) (цифрами обозначены периферийные устройства с USB интерфейсом):

Вместо любого из устройств может также стоять HUB. Основное отличие от топологии обычной локальной сети – компьютер (или host устройство) может быть только один. HUB может быть как отдельным устройством с собственным блоком питания, так и встроенным в периферийное устройство. Наиболее часто HUB"ы встраиваются в мониторы и клавиатуры.

Сигналы USB передаются по 4-х проводному кабелю, схематично показанному на рис. 5.22:

Рис. 5.22. Передача сигнала по USB-кабелю

Здесь GND – цепь «корпуса» для питания периферийных устройств, VBus – +5 V также для цепей питания. Шина D+ предназначена для передачи данных по шине, а шина D – для приема данных. 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.

В 1999 году тот же консорциум компьютерных компаний, который инициировал разработку первой версии стандарта на шину USB, начал активно разрабатывать версию 2.0 USB, которая отличается тем, что полоса пропускания шины увеличена в 20 раз, до 250 Mбит/с, что делает возможным передачу видеоданных по USB и делает ее прямым конкурентом IEEE-1394 (FireWire). Совместимость всей ранее выпущенной периферии и высокоскоростных кабелей полностью сохраняется и сохраняется одно из самых главных достоинств USB – низкая стоимость контроллера.

Шина USB

Посмотрите на заднюю стенку своего аппарата. Вы увидите там множество всяких разъемов: последовательные и параллельный порты, разъемы для подключения джойстика, колонок, клавиатуры, мыши и еще множество других. Такое изобилие не есть очень хорошо, так как, во-первых, это не сказывается положительно на стоимости материнской платы (незначительно, конечно, но все-таки), а, во-вторых (что более важно) создает некоторые трудности для подключения внешней перифирии. В самом деле, если человек никогда не видел компьютера, а тут ему стало нужно подключить мышь, то он просто не будет знать, куда ее вставлять. Кроме того, программное обеспечение должно поддерживать все эти стандарты, а это только зря усложняет его (обеспечение), и создает дополнительные трудности для установки драйверов, настройки и т. п. Конечно, для знающего пользователя все это мелочи, но весь компьютерный мир стремится сделать "easy PC", то есть когда пришел, поставил, воткнул, включил, загрузил и играй в Unreal Tournament, а все остальное сделается само. Да и, как уже говорилось, не все же знают, куда же надо мышку пихать, а без мышки, сами понимаете, Unreal не Unreal. Кстати, тут я полностью разделяю позицию производителей железа - пользователь должен использовать компьютер, а не возиться со всякими прерываниями, разъемами и проч., потому что даже если все это и не составляет особого труда, то все равно очень неприятно. И все эти проблемы, как вы наверное, уже догадались, "должна решить шина USB". Поэтому перейдем сразу к делу.

Шина USB (Universal Serial Bus ) - универсальная шина, предназначенная для легкого и быстрого подключения периферийных устройств. Стандарт разработали семь компаний: Compaq, Digital Equipment, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. USB-шнур представляет собой две скрученные пары: по одной паре происходит передача данных в каждом направлении (дифференциальное включение), а другая есть линия питания (+5 V). Благодаря встроенным линиям питания, обеспечивающим ток до 500 мА, USB часто позволяет применять устройства без собственного блока питания (если эти устройства потребляют ток силой не более 500 мА).

К одному компьютеру можно подсоединить до 127 устройств через цепочку концентраторов (они используют топологию звезда). Причем эти устройства могут быть самыми разными - начиная от клавиатуры с мышью и кончая сканерами и цифровыми камерами. Представьте себе принтер, сканер, клавиатуру, колонки, джойстик и еще десяток мышек, подключенных сразу к одному порту и еще одновременно работающих! Правда, нужно сделать небольшое уточнение: все эти устройства для эффективной работы должны иметь в своем расоряжении необходимую им полосу пропускания, а она ограничена 12-ю мегабитами, которые может дать USB, то есть один сканер с хорошим принтером сожрут больше, а тут еще и колонки, и модем и что угодно. Иначе говоря, работать то оно будет, но получится ситуация, как в том анекдоте: "А теперь попробуем со всем этим взлететь". Я бы не рекомендовал на один USB-разъем (системные платы имеют два и более разъема) вешать слишком много скоростных устройств, которые предполагается использовать одновременно. Кстати, все эти мышки и модемы потребляют определенный ток, который поставляется шиной (если устройство не имеет собственного блока питания), а он не должен превысить максимального значения, что тоже снижает 127 до некоторого другого, значительно меньшего числа.

Передача данных по шине может осуществляться как в асинхронном, так и в синхронном режиме. В USB обмен информации с быстрыми устройствами идет на скорости 12 Мbits/s, а с медленными - 1.5 Мbits/s. Все подключенные к USB-устройства конфигурируются автоматически (PnP) и допускают Hot-Swap включение/выключение (без перезагрузки или выключения компьютера). Достигается это следующим образом. При подключении кабеля к USB-разъему контроллер USB-контроллер чувствует скачок напряжения и подает соответствующий сигнал операционной системе, а она загружает драйвер, который и обеспечивает работу устрйства на программном уровне. Или, если драйвер не был установлен, система, видя это безобразие, опознает устройство и самостоятельно или с помощью пользователя ставит необходимые драйвера. При дальнейшем включении/выключении этого устройство инициализация происходит, как описано в первом случае. Во время опознавания на экране появляется соответствующее сообщение, а изменения в Device Manager"е происходят автоматически. Устройство также сообщает информацию о его типе, производителе, назначении и требуемой пропускной способности. Ему назначается уникальный идентификационный номер. Это все, что нужно, никаких вопросов об IRQ, адресах портов и DMA больше не будет. Правда, одно прерывание все же нужно - для самого контроллера USB.

Для взаимодействия устройств используется вышеупомянутый кабель, имеющий на концах разъемы, напоминающие телефонные. Существует два вида разъемов: разем типа "А" и разем типа "B". Как правило, устройство подключается к кабелю одним разъемом (B), а другим к USB-порту (A). Устройства можно подключать по цепочке, для этого они могут иметь дополнительный порт для подключения кабеля, идущего на следующее устройство. Однако это не всегда так. Поэтому существуют специальные USB-хабы, подключаемые к порту USB и делящих его на несколько. Есть хабы с блоком питания, они позволяют в некоторой степени обойти ограничение на электрическую нагрузку. На рисунке слева приведен внутренний хаб, вставляющийся в 5" отсек и соединяющийся с USB-портом внешним кабелем, выходящим наружу из задней стенки PC. Наб является обычным USB-устрйством, поэтому их количество может быть более одного; их тоже можно включать в цепочку. Старые компьютеры, не имеющие USB (сейчас USB-контроллер встраивается непосредственно в чипсет), можно оснастить картой типа PCI to USB.

В отличие от чуть ли не всей компьютерной индустрии, когда еще далеко до принятия стандарта, а устройства, поддерживающие его, уже вовсю продаются на рынке, с шиной USB все получилось наоборот. Стандарт был принят аж в 1995-м году, а в 1997-м еще никто толком не мого объяснить, что такое USB. Причина - поддержка (точнее ее отсутствие) со стороны программного обеспечения. Здесь производители устройств ждали, пока Microsoft выпустит ОС с поддержкой USB, а Microsoft в свою очередь заявляла: зачем делать новую систему, когда USB-устройства можно пересчитать по пальцам. К тому же Windows 95 все же может работать с USB, пусть и плохо. Получился в своем роде замкнутый круг. Но в 1998-м году фирма Microsoft напряглась и сделала наконец-то операционную систему с более или менее полноценной поддержкой USB (имеется ввиду Windows 98). Естественно, в последующих версиях систем от дядюшки Билли эта поддержка сохранилась. И тут устройства USB начали появляться словно грибы после дождя. Так что сейчас практически вся периферия имеет USB-варианты, а очень большое количество устройств и вовсе делается только под эту шину. Более подробную информацию о том, что можно подключить к USB, можно найти на http://www.allusb.com/ .

Теоретически к шине USB можно подключить все что угодно - хоть жесткий диск или систему видеомонтажа. Такие устройства даже существуют (смотрите, например, фотографию конвертера ниже) и покупаются. Но это уже, как говориться, попытка совместить несовместимое. Все упирается в максимальную пропускную способность шины. Ее хватает только для передачи видео очень посредственного качества. Жесткий диск тоже будет сильно притормаживать, так как 12 мегабит для жесткого диска, сами понимаете, не скорость. Единствнная область, где ему можно найти применение, это роль "большой дискеты" или использование в качестве второго диска большой емкости в портативном компьютере, но уж писать высококачественный AVI-файл в реальном времени на такой арегат никак не получится. Правда, на подходе USB 2.0, где скорость будет намного увеличена.

В последнее время Microsoft вместе с Intel и другими компаниями всюду продвигают идею компьютера, в котором чего-либо нет. И если в 1999-м под горячую руку попала ISA , то теперь в компьютере "не должно быть никаких последованельных, параллельных или PS/2 портов". Все это хозяйство должна заменить USB. Вполне возможно, что в скорем времени именно так и случится - уже практически убрана ведь из РС поддержка ISA. Ну да ладно, бог с ней, в общем, с ISA, - не велика потеря. Сейчас все современые устройства поставляются в PCI-варианте, а для ISA уже мало что хорошего осталось, а если у кого-то и осталось что-то любимое, то можно найти современную плату со слотами ISA и работать себе в Windows 98, а если очень хочется чего-то посовременнее, то можно потратить деньги и заменить устройства на новые, а денег хватит, потому что для работы современными приложениями (иначе зачем тогда современное железо?) нужен не самый дешевый компьютер, и если хватило на компьютер, то хватит и на тот же FM-тюнер для PCI. Мы же обсуждаем USB. Тут ситуация такая же, как и с ISA в свое время, но только сейчас она актуальней. Ну с какой стати кто-то захочет менять свою дорогую и любимую мышь с PS/2 на USB, пусть даже она плавней ползает? А модем, который вот уже сколько гигабайт перекачал из интернета и еще с не меньшим успехом может перекачать столько же? Ну с принтерами еще ладно, все нормальные современные принтеры могут работать как и с LPT, так и с USB. Но отдавать лишние деньги за чисто альтернативные устройства для USB мало кто захочет, так как те же клавиатуры с мышами стоят дороже долларов на 10-20, чем точно такие же, но "не USB".

Но, тем не менее, по моему, если вы покупаете что-нибудь новое, то внимание на USB все же стоит обратить в первую очередь. Во первых, для некоторых устройств (принтеров, сканеров, причем цена последних, кстати, зачастую даже ниже в USB-варианте) USB дает прирост призводительности вследствие большей пропускной способности. С другой стороны, вы получате удобство пользования и, возможно, некоторые дополнительные возможности. В-третьих, становитесь обладателем современного устройства, а не всякого там антиквариата. Я полностью согласен с концепцией необходимости полного перехода USB, предлагаемой некоторыми фирмами, - нужно избавляться от технологий каменного века.