Последовательная универсальная шина USB (Universal Serial Bus)
История появления и развития стандартов Universal Serial Bus (USB)
До появления первой реализации шины USB стандартная комплектация персонального компьютера включала один параллельный порт, обычно для подключения принтера (порт LPT), два последовательных коммуникационных порта (порты COM), обычно для подключения мыши и модема, и один порт для джойстика (порт GAME). Такая конфигурация была вполне приемлемой на заре появления персональных компьютеров, и долгие годы являлась практическим стандартом для производителей оборудования. Однако прогресс не стоял на месте, номенклатура и функциональность внешних устройств постоянно совершенствовались, что в конце концов привело к необходимости пересмотра стандартной конфигурации, ограничивающей возможность подключения дополнительных периферийных устройств, которых, с каждым днем становилось все больше и больше.
Попытки увеличения количества стандартных портов ввода-вывода не могли привести к кардинальному решению проблемы, и возникла необходимость разработки нового стандарта, который бы обеспечивал простое, быстрое и удобное подключение большого количества разнообразных по назначению периферийных устройств к любому компьютеру стандартной конфигурации, что, в конце концов, привело к появлению универсальной последовательной шины Universal Serial Bus (USB)
Первая спецификация последовательного интерфейса USB (Universal Serial Bus), получившая название USB 1.0, появилась в 1996 г. , усовершенствованная версия на ее основе, USB 1.1 - в 1998 г. Пропускная способность шин USB 1.0 и USB 1.1 - до 12 Мбит/с (реально до 1 мегабайта в секунду) была вполне достаточной для низкоскоростных периферийных устройств, вроде аналогового модема или компьютерной мышки, однако недостаточной для устройств с высокой скоростью передачи данных, что являлось главным недостатком данной спецификации. Однако, практика показала, что универсальная последовательная шина - это очень удачное решение, принятое практически всеми производителями компьютерного оборудования в качестве магистрального направления развития компьютерной периферии.
В 2000 г. появилась новая спецификация - USB 2.0, обеспечивающая уже скорость передачи данных до 480 Мбит/с (реально до 32 мегабайт в секунду). Спецификация предполагала полную совместимость с предыдущим стандартом USB 1.X и вполне приемлемое быстродействие для большинства периферийных устройств. Начинается бум производства устройств, оснащенных интерфейсом USB. "Классические" интерфейсы ввода - вывода были полностью вытеснены и стали экзотикой. Однако, для части высокоскоростного периферийного оборудования даже удачная спецификация USB 2.0 оставалась узким местом, что требовало дальнейшего развития стандарта.
В 2005 г. была анонсирована спецификация для беспроводной реализации USB - Wireless USB - WUSB, позволяющей выполнять беспроводное подключение устройств на расстоянии до 3-х метров с максимальной скоростью передачи данных 480 Мбит/сек, и на расстоянии до 10 метров с максимальной скоростью 110 Мбит/сек. Спецификация не получила бурного развития и не решала задачу повышения реальной скорости передачи данных.
В 2006 г. была анонсирована спецификация USB-OTG ( USB On-The-Go, благодаря которой стала возможной связь двух USB-устройств друг с другом без отдельного USB-хоста. Роль хоста в данном случае выполняет одно из периферийных устройств. Смартфонам, цифровым фотоаппаратам и прочим мобильным устройствам приходится быть как хостом, так и периферийным устройством. Например, при подключении по USB к компьютеру фотоаппарата, он является периферийным устройством, а при подключении принтеру он является хостом. Поддержка спецификации USB-OTG постепенно стала стандартом для мобильных устройств.
В 2008 г. появилась окончательная спецификация нового стандарта универсальной последовательной шины - USB 3.0 . Как и в предыдущих версиях реализации шины, предусмотрена электрическая и функциональная совместимость с предыдущими стандартами. Скорость передачи данных для USB 3.0 увеличилась в 10 раз - до 5 Гбит/сек. В интерфейсном кабеле добавились 4 дополнительные жилы, и их контакты были выведены отдельно от 4-х контактов предыдущих стандартов, в дополнительном контактном ряду. Кроме повышенной скорости передачи данных шина USB характеризуется еще и увеличившейся, по сравнению с предыдущими стандартами, силой тока в цепи питания. Максимальная скорость передачи данных по шине USB 3.0 стала приемлемой практически для любого, массово производимого периферийного компьютерного оборудования.
В 2013 году была принята спецификация следующего интерфейса - USB 3.1, скорость передачи данных которого может достигать 10 Гбит/с. Кроме того, появился компактный 24-контактный разъём USB Type-C, который является симметричным, позволяя вставлять кабель любой стороной.
После выхода стандарта USB 3.1 организация USB Implementers Forum (USB-IF) объявила, что разъёмы USB 3.0 со скоростью до 5 Гбит/с (SuperSpeed) теперь будут классифицироваться как USB 3.1 Gen 1, а новые разъёмы USB 3.1 со скоростью до 10 Гбит/с (SuperSpeed USB 10Gbps) — как USB 3.1 Gen 2. Стандарт USB 3.1 обратно совместим с USB 3.0 и USB 2.0.
В 2017 году организация USB Implementers Forum (USB-IF) опубликовала спецификацию USB 3.2. Максимальная скорость передачи составляет 10 Гбит/с. Однако в USB 3.2 предусмотрена возможность агрегации двух подключений (Dual-Lane Operation), позволяющая увеличить теоретическую пропускную способность до 20 Гбит/с . Реализация этой возможности сделана опциональной, то есть ее поддержка на уровне оборудования будет зависеть от конкретного производителя и технической необходимости, которая отличается, например, для принтера и переносного жесткого диска. Возможность реализации данного режима предусмотрена только при использовании USB Type-C.
www.usb.org - Документация по спецификациям USB для разработчиков на английском языке.
Нельзя не отметить, что существовала, и пока еще существует, альтернатива шине USB. Еще до ее появления, компания Apple разработала спецификацию последовательной шины FireWire (другое название - iLink), которая в 1995 г. была стандартизована Американским Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) под номером 1394. Шина IEEE 1394 может работать в трех режимах: со скоростью передачи данных до 100, 200 и 400 Мбит/с. Однако, по причине высокой стоимости и более сложной реализации, чем USB, эта разновидность высокоскоростной последовательной шины, большого распространения не получила, и постепенно вытесняется USB 2.0 – USB 3.2.
Общие принципы работы периферийных устройств Universal Serial Bus (USB)
Интерфейс USB оказался настолько удачным решением, что им оснастили практически все классы периферийных устройств, от мобильного телефона до веб-камеры или переносного жесткого диска. Наибольшее распространение получили (пока) устройства с поддержкой USB 2.0. Однако, USB 3.0 – 3.1 более востребован для высокоскоростных устройств, где он становится основным, постепенно вытесняя USB 2.0.
Периферийные устройства, с поддержкой USB при подключении к компьютеру автоматически распознаются системой (в частности, программное обеспечение драйвера и пропускную способность шины), и готовы к работе без вмешательства пользователя. Устройства с небольшим энергопотреблением (до 500мА) могут не иметь своего блока питания и запитываться непосредственно от шины USB.
Благодаря использованию USB отпадает необходимость снятия корпуса компьютера для установки дополнительных периферийных устройств, а также необходимость выполнения сложных настроек при их установке.
USB устраняет проблему ограничения числа подключаемых устройств. При использовании USB с компьютером может одновременно работать до 127 устройств.
USB позволяет выполнять "горячее" (оперативное) подключение. При этом не требуется предварительное выключение компьютера, затем подключение устройства, перезагрузка компьютера и настройка установленных периферийных устройств. Для отключения периферийного устройства не требуется выполнять процедуру, обратную описанной.
Проще говоря, USB позволяет фактически реализовать все преимущества современной технологии "plug and play" ("включай и работай"). Устройства, разработанные для USB 1.x могут работать с контроллерами USB 2.0. и USB 3.0
При подключении периферийного устройства вырабатывается аппаратное прерывание и управление получает драйвер HCD (Host Controller Driver) контроллера USB (USB Host Controller - UHC ), который на сегодняшний день интегрирован во все выпускаемые чипсеты материнских плат. Он опрашивает устройство и получает от него идентификационную информацию, исходя из которой управление передается драйверу, обслуживающему данный тип устройств. UHC контроллер имеет корневой (root) концентратор (Hub), обеспечивающий подключение к шине устройств USB.
Концентратор (USB HUB).
Точки подключения называются портами. К порту, в качестве устройства, может быть подключен другой концентратор. Каждый концентратор имеет исходящий порт (upstream port), соединяющие его с главным контроллером и нисходящие порты (downstream port) для подключения периферийных устройств. Концентраторы могут обнаруживать, выполнять соединение и отсоединение в каждом порте нисходящей связи и обеспечивать распределение напряжения питания в устройства нисходящего соединения. Каждый из портов нисходящей связи может быть индивидуально активизирован и сконфигурирован на полной или низкой скорости. Концентратор состоит из двух блоков: контроллера концентратора и ретранслятора концентратора. Ретранслятор - работающий под управлением протокола коммутатор между портом восходящей связи и портами нисходящей связи. Концентратор содержит также аппаратные средства поддержки перевода в исходное состояние и приостановки/возобновления подключения. Контроллер обеспечивает интерфейсные регистры, обеспечивающие передачу данных в главный контроллер и обратно. Определенное состояние и управляющие команды концентратора позволяют главному процессору конфигурировать концентратор, а также контролировать и управлять его портами.
Внешние концентраторы могут иметь собственный блок питания или же запитываться от шины USB.
Кабели и разъемы USB
Разъёмы USB Type-C служат для подключения как к периферийным устройствам, так и к компьютерам, заменяя различные разъёмы и кабели типов A и B предыдущих стандартов USB, и предоставляя возможности расширения в будущем. 24-контактный двухсторонний разъём является достаточно компактным, близким по размерам к разъёмам микро-B стандарта USB 2.0. Размеры разъёма — 8,4 мм на 2,6 мм. Коннектор предоставляет 4 пары контактов для питания и заземления, две дифференциальные пары D+/D- для передачи данных на скоростях менее SuperSpeed (в кабелях Type-C подключена только одна из пар), четыре дифференциальные пары для передачи высокоскоростных сигналов SuperSpeed, два вспомогательных контакта (sideband), два контакта конфигурации для определения ориентации кабеля, выделенный канал конфигурационных данных (кодирование BMC — biphase-mark code) и контакт питания +5 V для активных кабелей.
Контакты разъёма и разводка кабеля USB Type-C
| Кон. | Название | Описание | Кон. | Название | Описание | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A1 | GND | Заземление | B12 | GND | Заземление | ||
| A2 | SSTXp1 | Диф. пара № 1 SuperSpeed, передача, положительный | B11 | SSRXp1 | Диф. пара № 2 SuperSpeed, приём, положительный | ||
| A3 | SSTXn1 | Диф. пара № 1 SuperSpeed, передача, отрицательный | B10 | SSRXn1 | Диф. пара № 2 SuperSpeed, приём, отрицательный | ||
| A4 | VBUS | Питание | B9 | VBUS | Питание | ||
| A5 | CC1 | Канал конфигурации | B8 | SBU2 | Sideband № 2 (SBU) | ||
| A6 | Dp1 | Диф. пара не-SuperSpeed, положение 1, положительный | B7 | Dn2 | Диф. пара не-SuperSpeed, положение 2, отрицательный | ||
| A7 | Dn1 | Диф. пара не-SuperSpeed, положение 1, отрицательный | B6 | Dp2 | Диф. пара не-SuperSpeed, положение 2, положительный | ||
| A8 | SBU1 | Sideband № 1 (SBU) | B5 | CC2 | Канал конфигурации | ||
| A9 | VBUS | Питание | B4 | VBUS | Питание | ||
| A10 | SSRXn2 | Диф. пара № 4 SuperSpeed, передача, отрицательный | B3 | SSTXn2 | Диф. пара № 3 SuperSpeed, приём, отрицательный | ||
| A11 | SSRXp2 | Диф. пара № 4 SuperSpeed, передача, положительный | B2 | SSTXp2 | Диф. пара № 3 SuperSpeed, приём, положительный | ||
| A12 | GND | Заземление | B1 | GND | Заземление |
||
|
|||||||
| Разъём №1 кабеля Type-C | Кабель Type-C | Разъём №2 кабеля Type-C | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Контакт | Название | Цвет оболочки проводника | Название | Описание | Контакт | Название | |
| Оплётка | Экран | Оплётка кабеля | Экран | Внешняя оплётка кабеля | Оплётка | Экран | |
| A1, B1, A12, B12 | GND | Лужёный | GND_PWRrt1 GND_PWRrt2 |
Общая земля> | A1, B1, A12, B12 | GND | |
| A4, B4, A9, B9 | VBUS | Красный | PWR_VBUS1 PWR_VBUS2 |
VBUS питание | A4, B4, A9, B9 | VBUS | |
| B5 | VCONN | Жёлтый |
PWR_VCONN | VCONN питание | B5 | VCONN | |
| A5 | CC | Синий | CC | Канал конфигурирования | A5 | CC | |
| A6 | Dp1 | Белый | UTP_Dp | Неэкранированная дифференциальная пара, positive | A6 | Dp1 | |
| A7 | Dn1 | Зелёный | UTP_Dn | Неэкранированная дифференциальная пара, negative | A7 | Dn1 | |
| A8 | SBU1 | Красный | SBU_A | Полоса передачи данных A | B8 | SBU2 | |
| B8 | SBU2 | Чёрный | SBU_B | Полоса передачи данных B | A8 | SBU1 | |
| A2 | SSTXp1 | Жёлтый * | SDPp1 | Экранированная дифференциальная пара #1, positive | B11 | SSRXp1 | |
| A3 | SSTXn1 | Коричневый * | SDPn1 | Экранированная дифференциальная пара #1, negative | B10 | SSRXn1 | |
| B11 | SSRXp1 | Зелёный * | SDPp2 | Экранированная дифференциальная пара #2, positive | A2 | SSTXp1 | |
| B10 | SSRXn1 | Оранжевый * | SDPn2 | Экранированная дифференциальная пара #2, negative | A3 | SSTXn1 | |
| B2 | SSTXp2 | Белый * | SDPp3 | Экранированная дифференциальная пара #3, positive | A11 | SSRXp2 | |
| B3 | SSTXn2 | Чёрный * | SDPn3 | Экранированная дифференциальная пара #3, negative | A10 | SSRXn2 | |
| A11 | SSRXp2 | Красный * | SDPp4 | Экранированная дифференциальная пара #4, positive | B2 | SSTXp2 | |
| A10 | SSRXn2 | Синий * | SDPn4 | Экранированная дифференциальная пара #4, negative | B3 | SSTXn2 | |
| * Цвета для оболочки проводников не установлены стандартом | |||||||
Подключение ранее выпущенных устройств к компьютерам, оснащённым разъёмом USB Type-C, потребует кабеля или адаптера, имеющих штекер или разъём типа A или типа B на одном конце и штекер USB Type-C на другом конце. Стандартом не допускаются адаптеры с разъёмом USB Type-C, поскольку их использование могло бы создать «множество неправильных и потенциально опасных» комбинаций кабелей.
Кабели USB 3.1 с двумя штекерами Type-C на концах должны полностью соответствовать спецификации - содержать все необходимые проводники, должны быть активными, включающими в себя чип электронной идентификации, перечисляющий идентификаторы функций в зависимости от конфигурации канала и сообщения, определяемые вендором (VDM) из спецификации USB Power Delivery 2.0. Устройства с разъёмом USB Type-C могут опционально поддерживать шины питания с током в 1,5 или 3 ампера при напряжении 5 вольт в дополнение к основному питанию. Источники питания должны уведомлять о возможности предоставления увеличенных токов через конфигурационный канал либо полностью поддерживать спецификацию USB Power Delivery через конфигурационный контакт (кодирование BMC) или более старые сигналы, кодируемые как BFSK через контакт VBUS. Кабели USB 2.0, не поддерживающие шину SuperSpeed, могут не содержать чип электронной идентификации, если только они не могут передавать ток 5 ампер.
Спецификация коннекторов USB Type-C версии 1.0 была опубликована форумом разработчиков USB в августе 2014 года. Она была разработана примерно в то же время, что и спецификация USB 3.1.
Использование коннектора USB Type-C не обязательно означает, что устройство реализует высокоскоростной стандарт USB 3.1 Gen1/Gen2 или протокол USB Power Delivery.
Универсальная последовательная шина является самым распространенным, и наверно, самым удачным компьютерным интерфейсом периферийных устройств за всю историю развития компьютерного оборудования, что подтверждается огромным количеством USB - устройств, некоторые из которых могут показаться несколько неожиданными или глуповато-смешными.
Если вы желаете поделиться ссылкой на эту страницу в своей социальной сети, пользуйтесь кнопкой "Поделиться"