USB

Краткая история

Первая версия универсальной последовательной шины была создана в 1995 году. Эта новая технология сразу же стала успешной. С момента появления USB люди, которые делают электронные устройства, задумывались о том, как их можно будет использовать в будущем. Сегодня USB подключает компьютер или другие устройства, такие как ноутбуки и MP3-плееры, к периферийным устройствам.

Автобус был представлен семью компаниями, которые представляют лидеров в отрасли информационных технологий: Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom и Digital Equipment Corporation (DEC).

Несколькими годами ранее приемники и разработчики USB провели встречу под названием Plugfest в специальном отеле в Калифорнии, чтобы протестировать свои устройства. Они выбрали отель, который включал в себя номера для сна и для тестирования. Встреча длилась три дня. В ходе встречи представители около 50 компаний подключили свои USB-устройства к одной общей хост-системе.

Логотип USB-устройства также имеет свою собственную историю. Логотип USB находился в разработке несколько месяцев.

• 1994 - Семь компаний объединились, чтобы начать разработку USB.
• 1995 г. - 340 компаний создали Форум по внедрению USB.
• 1996 - Более пятисот USB-продуктов уже развивались по всему миру.
• 1997 - Форум по внедрению USB стал богаче еще на 60 компаний.
• 1998 - USB становится самой популярной технологией на рынке электроники.
• 2000 г. - Введение USB 2.0. На сегодняшний день это наиболее широко используемое USB устройство.
• 2005 - USB становится беспроводным.
• 2008 г. - введен USB 3.0. Он более чем в 10 раз быстрее USB 2.0.
• 2013 - введен USB 3.1. Он примерно в два раза быстрее USB 3.0.
• 2015 - введен USB Type-C. Это реверсивный разъем, что означает, что вы можете подключить его в обоих направлениях.

Полноразмерный разъем USB-B

Различные стандарты

В настоящее время используются пять различных стандартов USB: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 и USB 3.1. USB 3.1 был выпущен в 2016 году и удвоил скорость 3.0. В качестве опции используется другой разъем, называемый USB Type-C, который является обратимым (это означает, что вы можете подключить его в обоих направлениях). В настоящее время USB 1.0 используется редко.

USB предлагает пять различных скоростей передачи данных: 1,5 Мб в секунду (называется низкой скоростью), 12 Мб в секунду (Full Speed), 480 Мб/с (Hi Speed), 5 Гб в секунду (называется суперскоростью) и 10 Гб/с ("суперскорость+"). Скорость Hi Speed доступна только в USB 2.0 и более поздних версиях, а Super Speed - только в USB 3.0. Эти скорости являются необработанными битовыми скоростями (в миллион битов в секунду). Фактическая скорость передачи данных обычно ниже из-за накладных расходов протокола.

Для того, чтобы использовать высокую скорость передачи данных, USB-контроллер и подключенное устройство должны поддерживать ее. USB обратно совместим. Более быстрые и медленные USB устройства и контроллеры можно подключать вместе, но они будут работать на более низкой скорости.

USB-концентраторы

Почти все компьютеры, продаваемые сегодня, имеют USB-порты, и большинство из них поддерживают USB 2.0 или более позднюю версию. Однако, количество портов, которые у них есть, обычно ограничено. Обычно используется от двух до шести портов. USB позволяет подключать USB-концентраторы для добавления дополнительных USB-портов.

Сами концентраторы также соответствуют одному из стандартов USB. Устройства, подключенные к концентратору USB 1.1, будут работать только со скоростью USB 1.1. Устройства, подключенные к более позднему контроллеру, могут использовать различные стандарты.

Такие USB-концентраторы, как этот, распространены.

USB-разъёмы

USB был разработан, чтобы быть простым в использовании. Инженеры учились у других разъемов, прежде чем разрабатывать USB-разъемы. Существует 3 разъема.

• Тип А, обычно используемый на компьютерном конце кабеля
• Микро-А (редкий)
• Тип B, на периферийном конце, редкий, за исключением принтеров
• Микро-B, на периферийном конце, для большинства смартфонов
• Тип С, с обоих концов. По состоянию на 2017 год его используют многие новые компьютеры, телефоны и периферийные устройства.

Юзабилити

• Невозможно неправильно подключить разъем USB A или B. Они не могут войти с ног на голову, и это очевидно по внешнему виду и кинестетическому ощущению, когда они входят правильно. Иногда, однако, пользователь не понимает или не видит, как идет разъем, поэтому, возможно, придется попробовать оба варианта.
• USB-разъемы типа C могут быть подключены в обоих направлениях. Не имеет значения, каким образом вставляется разъем.
• Нет необходимости толкать или тянуть очень сильно, чтобы включить или выключить его из розетки. Это было в спецификации. USB-кабели и небольшие USB-устройства удерживаются на месте силой захвата из розетки. USB не нуждается в винтах, зажимах или других крепежных элементах. Сила, необходимая для выполнения или разрыва соединения, невелика. Это позволяет выполнять соединения в неудобных местах или для людей с ограниченными двигательными возможностями.
• До появления типа C разъемы применяли направленную топологию сети USB. USB не поддерживает циклические сети, поэтому разъемы от несовместимых USB-устройств сами по себе несовместимы. В отличие от других коммуникационных систем (например, RJ-45 кабельные системы) до появления USB-On-The-Go (OTG) практически никогда не использовались гендерные переключатели, что затрудняло создание циклической сети USB.

Долговечность

• Разъемы сконструированы так, чтобы быть прочными. Ранние конструкции разъемов были хрупкими, со штифтами или другими деликатными компонентами, которые могли легко сгибаться или ломаться, даже если к ним относились мягко. Электрические контакты в разъеме USB защищены пластиковым язычком. Весь соединительный узел, как правило, дополнительно защищен металлической оболочкой. Таким образом, с USB-разъёмами можно безопасно обращаться, их можно вставлять и вынимать даже маленькому ребёнку.
• Конструкция штекерного разъема всегда гарантирует, что внешняя оболочка штекерного контакта с его аналогом в розетке перед подключением четырех штекерных разъемов внутри нее. Эта оболочка, как правило, подсоединяется к заземлению системы, что позволяет безопасно разряжать статические заряды, которые в противном случае были бы повреждены (а не через хрупкие электронные компоненты). Это означает также, что при прохождении сигнала USB через сопряженную пару разъемов существует (умеренная) степень защиты от электромагнитных помех (это единственное место, когда в противном случае витая пара данных должна проходить расстояние параллельно). Кроме того, подключение питания и общее подключение выполняются после заземления системы, но до подключения данных. Этот тип ступенчатой синхронизации позволяет осуществлять безопасную "горячую" замену и используется для разъемов в аэрокосмической промышленности.
• Более новые микророзетки USB позволяют осуществлять до 10 000 циклов ввода и вывода между розеткой и вилкой по сравнению с 500 для стандартных розеток USB и Mini-USB. Это осуществляется путем добавления запирающего устройства и перемещения листово-винтового разъема от гнезда к штепсельной вилке таким образом, чтобы наиболее напряженная часть находилась на кабельной стороне соединения. Это изменение было сделано так, что разъем на (относительно недорогой) кабель будет нести наибольший износ, а не микро-USB устройства.

Совместимость

• Стандарт USB устанавливает относительно большие допуски для совместимых USB-разъемов. Это делается для минимизации несовместимости разъемов, производимых различными производителями (цель, которая была очень успешно достигнута). В отличие от большинства других стандартов разъемов, спецификация USB также определяет ограничения на размер подключаемого устройства в области вокруг его штекера. Это было сделано для того, чтобы предотвратить блокирование устройства соседними портами из-за его размера. Соответствующие устройства должны либо соответствовать ограничениям по размеру, либо поддерживать совместимый удлинительный кабель, который это делает.
• Также возможна двусторонняя связь. Обычно кабели имеют только вилки, а хосты и устройства имеют только розетки: хосты имеют розетки типа А и устройства типа В. Штекеры типа А соединяются только со штепсельными розетками типа А, а штепсельные розетки типа В - со штепсельными розетками типа В. Однако, расширение USB, называемое USB On-The-Go, позволяет одному порту выступать в качестве хоста или устройства - выбирается, к какому концу кабеля подключается розетка на устройстве. Даже после того, как кабель подключен и устройства разговаривают, оба устройства могут "поменяться" концами под программным управлением. Эта функция предназначена для таких устройств, как КПК, где USB-соединение может подключаться к порту хоста ПК в качестве устройства в одном экземпляре, и в то же время подключаться в качестве хоста к клавиатуре и устройству мыши в другом экземпляре.

USB-удлинитель


Разъем USB Type-C.


Разъем и розетка серии "А".

Как делается USB

Система USB имеет асимметричный дизайн. Она состоит из хоста, нескольких последующих USB-портов и нескольких периферийных устройств, подключенных по топологии "звезда". Дополнительные USB-концентраторы могут быть включены в ярусы, что позволяет ветвиться в древовидную структуру с пятиуровневой структурой.

USB-хост может иметь несколько контроллеров. Каждый контроллер хоста обеспечивает один или несколько USB-портов. К одному контроллеру хоста можно подключить до 127 устройств, включая устройства-концентраторы.

USB-устройства соединены последовательно через концентраторы. Всегда есть один хаб, известный как корневой. Корневой хаб встроен в контроллер хоста. Существуют специальные хабы, называемые "общими хабами". Они позволяют нескольким компьютерам получать доступ к одним и тем же периферийным устройствам. Они работают путем переключения доступа между ПК, вручную или автоматически. Они популярны в средах малых офисов. С точки зрения сети, они скорее сходятся, чем расходятся.

Физическое USB-устройство может иметь несколько логических под-устройств, которые называются функциями устройства. Одно устройство может выполнять несколько функций, например, веб-камера (функция видеоустройства) со встроенным микрофоном (функция аудиоустройства).

Связь устройства USB основана на трубах (логических каналах). Трубы - это соединения от контроллера хоста к логическому объекту на устройстве с именем конечной точки. Иногда термин конечная точка используется для неправильного обозначения трубы. USB-устройство может иметь до 32 активных труб, 16 в хост-контроллер и 16 из контроллера.

Каждая конечная точка может передавать данные только в одном направлении, в устройство или из устройства, поэтому каждая труба является однонаправленной. Конечные точки сгруппированы в интерфейсы, и каждый интерфейс связан с одной функцией устройства. Исключением является ноль конечных точек, который используется для конфигурации устройства и не связан ни с каким интерфейсом.

При первом подключении USB-устройства к USB-хосту запускается процесс перечисления USB-устройств. Перечисление начинается с отправки сигнала сброса на USB-устройство. Скорость USB-устройства определяется во время подачи сигнала сброса. После сброса информация об устройстве USB считывается хостом, затем устройству присваивается уникальный 7-битный адрес. Если устройство поддерживается хостом, загружаются драйверы устройства, необходимые для связи с устройством, и устройство устанавливается в настроенное состояние. Если хост USB перезагружается, процесс перечисления повторяется для всех подключенных устройств.

Контроллер хоста опрашивает шину на предмет трафика, обычно в круглосуточном режиме, поэтому ни одно USB-устройство не может передавать данные на шину без явного запроса от контроллера хоста.

Контроллеры хостов

Аппаратное обеспечение компьютера, содержащее контроллер хоста и корневой хаб, имеет интерфейс для программиста. Он называется Host Controller Device (HCD) и определяется аппаратным исполнителем.

Для USB 1.0 и 1.1 существовало две различные реализации HCD: Open Host Controller Interface (OHCI) и Universal Host Controller Interface (UHCI). OHCI был разработан компаниями Compaq, Microsoft и National Semiconductor, UHCI - компанией Intel.

Компания VIA Technologies лицензировала стандарт UHCI от Intel; все остальные реализаторы наборов микросхем используют OHCI. UHCI больше полагается на программное обеспечение. Это означает, что UHCI немного более ресурсоемкий процессор, чем OHCI, но более простой и дешевый. Потому что существовало две различные реализации, производители операционных систем и аппаратного обеспечения должны были разработать и протестировать обе. Это увеличило стоимость.

Спецификация USB не указывает интерфейсы HCD и не имеет к ним никакого отношения. Другими словами, USB определяет формат передачи данных через порт, а не систему, с помощью которой аппаратное обеспечение USB взаимодействует с компьютером, на котором он установлен.

На этапе проектирования USB 2.0, USB-IF настаивал на том, что существует только одна реализация. Реализация USB 2.0 HCD называется Enhanced Host Controller Interface (EHCI). Только EHCI может поддерживать высокоскоростную передачу данных (480 Мбит/с). Большинство EHCI-контроллеров, основанных на PCI, имеют другие HCD реализации, называемые 'companion host controller' для поддержки Full Speed (12 Мбит/с) и могут использоваться для любого устройства, которое утверждает, что является членом определенного класса. Предполагается, что операционная система реализует все классы устройств, поэтому она может предоставлять общие драйверы для любого USB устройства. Решение по классам устройств принимается рабочей группой по устройствам форума исполнителей USB.

классы USB-устройств

Классы по приборам включают в себя:

Класс	Использование	Описание	Примеры
00h	Устройство	Неопределенный класс 0	(Класс устройства не определен. Для определения необходимых драйверов используются дескрипторы интерфейса).
01h	Интерфейс	Аудио	Спикер, микрофон, звуковая карта
02h	Оба	Коммуникации и CDC Контроль	Ethernet-адаптер, модем, адаптер последовательного порта
03h	Интерфейс	Устройство сопряжения с человеком (HID)	Клавиатура, мышь, джойстик
05h	Интерфейс	Устройство физического интерфейса (PID)	Джойстик обратной связи по усилию
06h	Интерфейс	Изображение	Цифровой фотоаппарат (Большинство камер функционирует как Массовое хранилище для прямого доступа к носителям информации).
07h	Интерфейс	Принтер	Лазерный принтер, струйный принтер
08h	Интерфейс	Массовое хранение	USB флэш-накопитель, кард-ридер флэш-памяти, цифровой аудио проигрыватель, внешние диски
09h	Устройство	USB-концентратор	Полноскоростной концентратор, высокоскоростной концентратор
0А	Интерфейс	CDC-Data	(Этот класс используется вместе с классом 02h - Коммуникации и CDC Control).
0Bh	Интерфейс	Смарт-карта	USB-считыватель смарт-карт
0Dh	Интерфейс	Безопасность содержимого	-
0Эх	Интерфейс	Видео	Веб-камера
0Fh	Интерфейс	Персональное здравоохранение	-
DCh	Оба	Диагностическое устройство	устройство проверки соответствия USB
Э0х	Интерфейс	Беспроводной контроллер	адаптер Wi-Fi, адаптер Bluetooth
ЭФ	Оба	Разное	Устройство синхронизации ActiveSync и Palm
ФЕХ	Интерфейс	Специфика применения	мост Ирда
ФФх	Оба	Конкретный поставщик	(Код этого класса указывает на то, что устройству нужны драйверы, специфичные для производителя).

Примечание Класс 0: Используйте информацию о классе в дескрипторах интерфейсов. Этот базовый класс определен для использования в дескрипторах устройств, чтобы указать, что информация о классе должна определяться из дескрипторов интерфейсов в устройстве.

Типичный USB-разъем.


Оконечные точки USB фактически находятся на подключенном устройстве: каналы к хосту называются трубами.

Связанные страницы

• FireWire