Universal serial bus devices что это

Universal Serial Bus

USB (англ. Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) — последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств.

Разработка спецификаций на шину USB производится в рамках международной некоммерческой организации USB Implementers Forum (USB-IF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шиной USB.

Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания, USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА).

К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств по топологии «звезда», в том числе и концентраторы, к которым можно еще присоединить 127 устройств.

В настоящее время широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB 2.0. Ведётся внедрение в производство устройств спецификации USB 3.0.

Содержание

История

Спецификации для USB 1.0 были представлены в ноябре 1995 года. Разработка USB поддерживалась Microsoft, US Robotics. На тот момент для подключения внешних периферийных устройств к персональному компьютеру использовалось несколько «традиционных» (англ. legacy ) интерфейсов:

Компьютер «Bondi blue» iMac G3 от англ. legacy ) портов. Спецификация USB 1.1 вышла в сентябре 1998 года, в ней были исправлены ошибки версии 1.0.

Основные сведения

Кабели USB ориентированы, т.е. имеют физически разные наконечники «к устройству» и «к хосту». Возможна реализация USB устройства без кабеля, со встроенным в корпус наконечником «к хосту». Возможно и неразъемное встраивание кабеля в устройство, как в мышь (стандарт запрещает это для устройств full и high speed, но производители его нарушают). Существуют (хотя и запрещены стандартом) и пассивные USB удлинители, имеющие разъемы «от хоста» и «к хосту».

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

Устройства могут быть запитаны от шины, но могут и требовать внешний источник питания. Поддерживается и «спячка» устройств и разветвителей по команде с шины со снятием основного питания при сохранении дежурного питания и пробуждением по команде с шины.

USB поддерживает «горячее» подключение и отключение устройств.

На логическом уровне устройство USB поддерживает транзакции приема и передачи данных. Каждый пакет каждой транзакции содержит в себе номер оконечной точки (endpoint) на устройстве. При подключении устройства драйверы в ядре ОС читают с устройства список оконечных точек и создают управляющие структуры данных для общения с каждой оконечной точкой устройства. Совокупность оконечной точки и структур данных в ядре ОС называется каналом (pipe).

Управляющий канал предназначен для обмена с устройством короткими пакетами «вопрос-ответ». Любое устройство имеет управляющий канал 0, который позволяет программному обеспечению ОС прочитать краткую информацию об устройстве, в т.ч. коды производителя и модели, используемые для выбора драйвера, и список других оконечных точек.

Изохронный канал позволяет доставлять пакеты без гарантии доставки и без ответов/подтверждений, но с гарантированной скоростью доставки в N пакетов на один период шины (1 КГц у low и full speed, 8 КГц у high speed). Используется для передачи аудио и видео информации.

Поточный канал дает гарантию доставки каждого пакета, поддерживает автоматический временный приостанов передачи данных по нежеланию устройства (переполнение или опустошение буфера), но не дает гарантий скорости и задержки доставки. Используется, например, в принтерах и сканерах.

Время шины делится на периоды, в начале периода контроллер передает всей шине пакет «начало периода». Далее в течение периода передаются пакеты прерываний, потом изохронные в требуемом количестве, в оставшееся время в периоде передаются управляющие пакеты и в последнюю очередь поточные.

Активной стороной шины всегда является контроллер, передача пакета данных от устройства к контроллеру реализована как короткий вопрос контроллера и длинный, содержащий данные, ответ устройства. Расписание движения пакетов для каждого периода шины создается совместным усилием аппаратурые контроллера и ПО драйвера, для этого многие контроллеры используют крайне сложный DMA со сложной DMA-программой, формируемой драйвером.

Размер пакета для оконечной точки есть вшитая в таблицу оконечных точек устройства константа, изменению не подлежит. Он выбирается разрабочиком устройства из числа тех, что поддерживаются стандартом USB (степени двойки).

Версии спецификации

Предварительные версии

USB 1.0

Спецификация выпущена в ноябре 1995 года.

USB 1.1

Спецификация выпущена в сентябре 1998 года. Исправлены проблемы и ошибки, обнаруженные в версии 1.0. Первая версия, получившая массовое распространение.

USB 2.0

Спецификация выпущена в апреле 2000 года.

USB 2.0 отличается от USB 1.1 введением режима Hi-speed.

Для устройств USB 2.0 регламентировано три режима работы:

Последующие модификации

USB OTG

USB OTG (аббр. от On-The-Go) — дальнейшее расширение спецификации USB 2.0, предназначенное для лёгкого соединения периферийных USB-устройств друг с другом без необходимости подключения к ПК. Например, цифровой фотоаппарат можно подключать к фотопринтеру напрямую, если они оба поддерживают стандарт USB OTG. К моделям КПК и коммуникаторов, поддерживающих USB OTG, можно подключать некоторые USB-устройства. Обычно это флэш-накопители, цифровые фотоаппараты, клавиатуры, мыши и другие устройства, не требующие дополнительных драйверов. Этот стандарт возник из-за резко возросшей в последнее время необходимости надёжного соединения различных USB-устройств без использования ПК. В данной спецификации устройства обходятся без персонального компьютера, то есть выступают как одноранговые приёмопередатчики (на самом деле только создаётся такое ощущение). В действительности же устройства определяют, какое из них будет мастер-устройством, а какое — подчиняемым. Одноранговый интерфейс USB существовать не может.

USB Wireless

USB wireless — технология USB (официальная спецификация доступна с мая 2005 года). Позволяет организовать беспроводную связь с высокой скоростью передачи информации (до 480 Мбит/с на расстоянии 3 метра и до 110 Мбит/с на расстоянии 10 метров).

23 июля 2007 года USB Implementers Forum (USB-IF) объявила о сертификации шести первых потребительских продуктов с поддержкой Wireless USB. [2]

USB 3.0

USB 3.0 находится на финальных стадиях разработки. Созданием USB 3.0 занимаются компании: Microsoft, Texas Instruments, NXP Semiconductors. В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели обновлённого стандарта будут физически и функционально совместимы с USB 2.0. Кабель USB 2.0 содержит в себе четыре линии — пару для приёма/передачи данных, одну — для питания и ещё одну — для заземления. В дополнение к ним USB 3.0 добавляет пять новых линий (в результате чего кабель стал гораздо толще), однако новые контакты расположены параллельно по отношению к старым на другом контактном ряду. Теперь можно будет с лёгкостью определить принадлежность кабеля к той или иной версии стандарта, просто взглянув на его разъём. Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 4,8 Гбит/с — что на порядок больше 480 Мбит/с, которые может обеспечить USB 2.0. USB 3.0 может похвастаться не только более высокой скоростью передачи информации, но и увеличенной силой тока с 500 мА до 900 мА. Отныне пользователь сможет не только подпитывать от одного хаба гораздо большее количество устройств, но и само аппаратное обеспечение, ранее поставлявшееся с отдельными блоками питания, избавится от них.

Финальная спецификация USB 3.0 появилась в 2008 году, а оборудование, поддерживающее новую спецификацию, появится в 2009—2010 годах.

Фирмой анонсирована предварительная версия программной модели контроллера USB 3.0.

Источник

Небольшая шпаргалка по типам USB

USB (Universal Serial Bus — «универсальная последовательная шина») — последовательный интерфейс передачи данных для периферийных устройств в вычислительной технике со встроенными линиями питания. Существуют два типа коннекторов/разъёмов для USB:

Каждый из типов подразделяется на три группы:

Спецификация 1.0 регламентировала два типа разъёмов:

A – на стороне контроллера или концентратора USB

B – на стороне периферийного устройства

Для USB 1.x регламентировано два режима работы:

режим с низкой пропускной способностью (Low-Speed) — 1,5 Мбит/с

режим с высокой пропускной способностью (Full-Speed) — 12 Мбит/с

Для USB 2.x регламентировано три режима работы:

Low-speed, 10—1500 Кбит/c (клавиатуры, мыши, джойстики)

Full-speed, 0,5—12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства)

High-speed, 25—480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации)

В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели обновлённого стандарта физически и функционально совместимы с USB 2.0, причём для однозначной идентификации разъёмы USB 3.0 принято изготавливать из пластика синего цвета. Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 5 Гбит/с — что на порядок больше 480 Мбит/с, которые может обеспечить USB 2.0. Таким образом, скорость передачи возрастает с 60 Мбайт/с до 600 Мбайт/с и позволяет передать 1 Тб не за 8-10 часов, а за 40-60 минут.

31 июля 2013 года USB 3.0 Promoter Group объявила о принятии спецификации следующего интерфейса, USB 3.1, скорость передачи которого может достигать 10 Гбит/с.

Также в стандарте USB 3.1 был добавлен usb type-c

Примеры разъемов 1

Примеры разъемов 2

взято с портала, чей домен запрещен на пикабу

Текст поста содержит запрещенный домен

бывает у людей включаются школьные знания иностранных языков и у них получается Fазер и Mазер

тег гифка для чего? если я не затупил, то убери пжалуста))

источник http://sysadm.*запрещенный домен*/interestnoe/nemnogo-ob-usb-portax-i-perexodnikax.html

сохранил. наглядно и все почти собрал, спасибо

Вопрос к знатокам. В USB 3.0, насколько мне известно, помимо повышения скорости передачи данных, повысили ещё и мощность питания. Компьютеры через USB 2.0 заряжают современный смартфон ну ооочень медленно, а то и едва в состоянии поддерживать заряд на одном уровне. а вот если закоротить в питании шины 3.0 на 2.0, можно выдавать более высокие токи заряда, и заряжать телефоны за час-полтора, как в родной зарядке. Реально ли такое реализовать, или я нагородил чушь? =)

ещё раз, кратко: комп с разьёмом 3.0, телефон с 2.0. модифицированный кабель, который включает питание шины 3.0 в питание 2.0, как результат — более быстрая зарядка. Возможно или нет?

Для тех, кто не может зайти на wikipedia?

Нашёл дневник

Ответ на пост «На одной волне»

Подержите мое пиво! ))) Бродил как то в Тюмени по торговому центру и забрел в магазинчик «Экспедиция». и прикупил понравившуюся мне прикольную футболку с прикольным рисунком «медведь гонится за человеком» и надписью «Siberian fast food». Возвращаюсь из командировки, жду трансфер в аэропорту Бомако (Конго). и тут ко мне подходит паренек в футболке с АБСОЛЮТНО (до мелочей) ТАКИМ ЖЕ РИСУНКОМ, но с надписью «Canadian fast food»! Парень, конечно же из Канады, но, как позже оказалось, его дедушка с бабушкой были русские эмигранты и он очень обрадовался узнав. что я из России и даже попытался говорить на русском.

Бывший.

Был друг, хороший человек. Попал в блуду, попросил денег. Я взял кредит. Друг выплыл, отдал три четверти, больше у него нет. (около сотыги еще должен, плачу)

Была жена. Случилась беда, онкология. Метания туда-сюда, беготня. Врачи, больница, взял кредит. Слава богу, полная ремиссия и жена мне говорит, что жила как-то скучно, (или не так), в общем ей не хватает нового и и свежего.

Я не новый, явно не свежий, (47Лет)

Около миллиона еще должен.

Не прокатило

Источник

Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library

Персональные инструменты

USB (Universal Serial Bus)

USB (англ. – Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) – промышленный стандарт, изобретённый в середине 1990-х годов и содержащий кабели, разъемы и протоколы обмена данными, а также возможность использования между компьютерами и электронными устройствами. Разработка спецификаций USB проводится организацией USB Implementers Forum (USB IF). USB был сконструирован для стандартизации соединения компьютерных периферийных устройств(включая клавиатуру, цифровую камеру, принтеры, портативные медиаустройства, драйверы и сетевые адаптеры) с персональным компьютером. Также USB стало доступно для прочих устройств, таких как смартфоны, PDA и игровые видеоконсоли. USB успешно заменили более ранние устройства, например, параллельные порты. С помощью них также можно осуществлять зарядку портативных устройств.

Содержание

Основные сведения

Существует три основных формата USB-коннекторов: стандартный формат, предназначенный для рабочего стола или портативного оборудования(например, USB флэш-драйверы), мини-USB, предназначенные для мобильного оборудования(в настоящее время не рекомендуются только мини-В, используемые многими камерами), и микро-USB мобильного оборудования(большинство современных мобильных телефонов). Существует 5 режимов передачи данных USB: Low Speed (от 1.0), Full Speed (от 1.0), High Speed (от 2.0), SuperSpeed (от 3.0), and SuperSpeed+ (от 3.1); режимы имеют разное аппаратное обеспечение и различные требования к кабелям. USB-устройства имеют несколько реализованных режимов. Режимы определяются их именами и иконками, а также специальными цветовыми кодами(например, режим SuperSpeed идентифицируется как голубой).

История

Группа из семи компаний начала разработку USB в 1994 году: Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, and Nortel. Основные цели создания универсальной последовательной шины были связаны с требованиями к простоте использования устройства, возможности подключения к компьютеру мобильных технических средств и использованию USB для подключения внешних периферийных устройств, что раньше было затруднительно из-за сложного функционирования устройств предыдущего поколения, таких как параллельные порты, порты для подключения джойстика и прочих портов с узкой специализацией. Таким образом, USB – это универсальное устройство, призванное заменить множество разъёмов рабочего компьютера одним универсальным. Старые устройства при подключении не позволяли начинать работу с устройством непосредственно, часто требуя определённого программного обеспечения для каждого из устройств. Впервые устройство USB как стандартное было использовано в Windows 98. Однако, в первые несколько лет устройств было мало, и использование данного устройства вызывало определённые трудности. Но уже к 2000 году большинство периферийных устройств, таких как принтеры, сканеры, клавиатура и мышь могли работать с новым интерфейсом.

Версии спецификаций USB-портов

USB 1.0

USB это последовательный интерфейс передачи данных для периферийных устройств в вычислительной технике Стандарт USB 1.0, получивший широкое распространение, был представлен в ноябре 1996 года. Версия v1.1 практически почти не используется по причине слишком низкой скорости передачи данных (12 Мбит/сек), поэтому применяется только для совместимости.

USB 2.0

Стандарт USB 2.0, получивший широкое распространение, был представлен в ноябре 1996 года. Как и в случае спецификаций USB 1.0 и USB 1.1, в спецификации USB 2.0 для подключения периферийных устройств используется кабель, состоящий из двух пар проводов: одна витая пара проводов для приема и передачи данных, а другая — для питания периферийного устройства. Напряжение питания по шине USB равно 5 В при силе тока до 500 мА. Этого, конечно, недостаточно для периферийных устройств со высоким энергопотреблением, например таких как принтеры. Поэтому они комплектуются собственными блоками питания, которые подключаются непосредственно к электрической розетке. Кабели USB ориентированы, то есть имеют физически разные наконечники «к устройству» (Тип B) и «к хосту» (Тип A). Возможна реализация USB устройства без кабеля, со встроенным в корпус наконечником «к хосту». Компьютеры и ноутбуки, выпущенные после 2003 года, как правило, оснащены портами USB 2.0. Устройств USB 2.0 поддерживают три режима работы:

Интерфейс USB 3.0 – стандарт SuperSpeed USB

Спецификация USB 3.0 появилась в 2008 году. В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели совместимы с USB 2.0, причём для однозначной идентификации разъёмы USB 3.0 изготавливают из пластика синего или (у некоторых производителей) красного цвета. Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 5 Гбит/с — что выше скорости передачи данных устройств USB 2.0. (максимально 480 Мбит/с.) 31 июля 2013 года USB 3.0 Promoter Group объявила о принятии спецификации следующего интерфейса, USB 3.1, скорость передачи которого может достигать 10 Гбит/с. Разъём USB 3.1 Type-C является симметричным.

USB 3.0

Для улучшения характеристик стандарта была разработана новая спецификация USB 3.0, которая содержала следующие ключевые отличия: Пять дополнительных контактов, четыре из которых обеспечивают дополнительные линии связи; Увеличение максимальной пропускной способности с 480 МБит/с до 5 Гбит/с; Увеличение максимального тока с 500 мА до 900 мА.

USB 3.1

Системная архитектура

Физическая архитектура USB определяется следующими правилами:

Характеристики разъемов и кабелей

Количество возможных разъемов USB 3.0 стало больше. Самый популярный разъём, которым все пользовались — USB Type-A классического размера: он расположен на флешках, USB-модемах, на концах проводов мышей и клавиатур. Чуть реже встречаются полноразмерные USB Type-B: обычно таким кабелем подключаются принтеры и сканеры. Мини-версия USB Type-B до сих пор часто используется в кардридерах, цифровых камерах, USB-хабах. Микро-версия Type-B стала самым популярным разъёмом в мире: все актуальные мобильники, смартфоны и планшеты (кроме продукции одной фруктовой компании) выпускаются именно с разъёмом USB Type-B Micro.

Самым верхним уровнем является корневой концентратор, который обычно совмещается с USB контроллером. К корневому концентратору могут быть подключены либо устройства, либо еще концентраторы, для увеличения числа доступных портов. Концентратор может быть выполнен в виде отдельного устройства, либо быть встроенным в какое-то другое, т.е. устройства, подключаемые к USB, можно подразделить на функциональные устройства, т.е. те, которые выполняют какую-то конкретную функцию (например, мыши), устройства-концентратор, выполняющие только функцию только разветвления, и совмещенные устройства, имеющие в своем составе концентратор, расширяющие набор портов (например, мониторы, с портами для подключения других). Архитектура устройства USB асимметрична в своей топологии и представляет из себя сеть с одним мастером(хостом) и произвольным количеством подчиненных устройств(device). Топология сети – активное дерево, т.е., дерево, в каждом из узлов которого находится специальное устройство – концентратор(хаб). Хаб занимается электрическим согласованием кабелей, маршрутизацией пакетов, обнаружением подключения/отключения устройств и другими функциями. Все соединения в сети электрически и протокольно идентичны. Физическое устройство USB может содержать несколько различных подустройств, которые реализуют функции устройства. Одиночное устройство может выполнять несколько функций, например, функцию видеоустройства со встроенным микрофоном. Такая совокупность устройств называется композитными устройствами. Средства связи USB основываются на логических каналах. Канал – это соединение хоста и логического канала, которое называется точкой входа. USB может иметь до 16 точек входа(16 входов и 16 выходов), однако такое количество – редкость. Устройство USB поддерживает транзакции приёма и передачи данных. Пакеты транзакций содержат в себе номер конечной точки на устройстве. Когда устройство подключается, драйверы в ядре ОС читают с устройства список конечных точек и создают управляющие структуры данных для сообщения с каждой из конечных точек устройства. Существует два типа каналов: потоковый канал и канал сообщений. Канал сообщений – В-ориентированный и используется для контроля передачи данных. Канал сообщений чаще всего используется для небольших простых команд для устройств.

Типы каналов

Все каналы относятся к 4 классам: поточный (bulk), управляющий (control), изохронный (isoch) и канал прерывания (interrupt). Изохронный канал не гарантирует целостность передаваемой информации, а также не может обеспечить ответ или подтверждение, однако он гарантирует быструю передачу данных – определённое число пакетов на один период шины (1 кГц у low и full speed, 8 МГц у high speed). Чаще всего такие каналы используются для передачи видео- и аудиофайлов. Управляющий канал предназначен для обмена с устройством короткими пакетами «вопрос-ответ». Любое устройство имеет управляющий канал 0, который позволяет программному обеспечению ОС прочитать краткую информацию об устройстве, в том числе коды производителя и модели, используемые для выбора драйвера, и список других оконечных точек. Канал прерывания позволяет доставлять короткие пакеты и в том, и в другом направлении, без получения на них ответа/подтверждения, но с гарантией времени доставки — пакет будет доставлен не позже, чем через N миллисекунд. Например, используется в устройствах ввода (клавиатуры/мыши/джойстики). Поточный канал дает гарантию доставки каждого пакета, поддерживает автоматическую приостановку передачи данных по нежеланию устройства (переполнение или опустошение буфера), но не дает гарантий скорости и задержки доставки. Используется, например, в принтерах и сканерах.

Перспективы развития

Источник

USB (Universal Serial Bus, универсальная последовательная шина)

В современном мире электронная техника развивается семимильными шагами. Каждый день появляется что-то новое, и это не только небольшие улучшения уже существующих моделей, но и результаты применения инновационных технологий, позволяющих в разы улучшить характеристики.

Не отстает от электронной техники и приборостроительная отрасль – ведь чтобы разработать и выпустить на рынок новые устройства, их необходимо тщательно протестировать, как на этапе проектирования и разработки, так и на этапе производства. Появляются новая измерительная техника и новые методы измерения, а, следовательно – новые термины и понятия.

Для тех, кто часто сталкивается с непонятными сокращениями, аббревиатурами и терминами и хотел бы глубже понимать их значения, и предназначена эта рубрика.

История

USB шина появилась в 1996 году как попытка решения проблемы множественности интерфейсов. К тому времени персональные компьютеры (ПК) были оснащены большим количеством разнообразных внешних полезных и необходимых интерфейсов, но все они требовали своего специального разъема и, чаще всего, выделенного аппаратного прерывания (IRQ, Interrupt ReQuest).

USB была разработана группой из семи компаний(Compaq, Digital Equipment Corp, IBM PC Co., Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom).

Первая спецификация (версия 1.0) USB была опубликована в начале 1996 года, а осенью 1998 года появилась спецификация 1.1, исправляющая проблемы, обнаруженные в первой редакции. Весной 2000 года была опубликована версия 2.0, в которой предусматривалось 40-кратное повышение пропускной способности шины. Так, спецификация 1.0 и 1.1 обеспечивает работу на скоростях 12 Мбит/с и 1,5 Мбит/с, а спецификация 2.0 – на скорости 480 Мбит/с. При этом предусматривается обратная совместимость USB 2.0 с USB 1.х.

Общая архитектура USB

Физическая архитектура USB определяется следующими правилами:

Самым верхним уровнем является корневой концентратор, который обычно совмещается с USB контроллером.

К корневому концентратору могут быть подключены либо устройства, либо еще концентраторы, для увеличения числа доступных портов. Концентратор может быть выполнен в виде отдельного устройства, либо быть встроенным в какое-то другое, т.е. устройства, подключаемые к USB, можно подразделить на функциональные устройства, т.е. те, которые выполняют какую-то конкретную функцию (например, мыши), устройства-концентратор, выполняющие только функцию только разветвления, и совмещенные устройства, имеющие в своем составе концентратор, расширяющие набор портов (например, мониторы, с портами для подключения других).

На пятом уровне комбинированное устройство использоваться не может. Кроме того отдельно стоит упомянуть о хосте, являющемся скорее программно-аппаратным комплексом, нежели просто устройством.

Детали физической архитектуры скрыты от прикладных программ в системном программном обеспечении (ПО), поэтому логическая архитектура выглядит как обычная звезда, центром которой является прикладное ПО, а вершинами – набор конечных точек. Прикладная программа ведет обмен информацией с каждой конечной точкой.

Составляющие USB

Шина USB состоит из следующих элементов:

Свойства USB-устройств

Логические уровни обмена данными

Спецификация USB определяет три логических уровня с определенными правилами взаимодействия. USB-устройство содержит интерфейсную, логическую и функциональную части. Хост тоже делится на три части – интерфейсную, системную и ПО. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач.

Таким образом, операция обмена данными между прикладной программой и шиной USB выполняется путем передачи буферов памяти через следующие уровни:

Взаимодействие компонентов USB представлено на схеме ниже:

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.

Принципы передачи данных

Механизм передачи данных является асинхронным и блочным. Блок передаваемых данных называется USB-фреймом или USB-кадром и передается за фиксированный временной интервал. Оперирование командами и блоками данных реализуется при помощи логической абстракции, называемой каналом. Канал является логической связкой между хостом и конечной точкой внешнего устройства.

Для передачи команд (и данных, входящих в состав команд) используется канал по умолчанию, а для передачи данных открываются либо потоковые каналы, либо каналы сообщений.

Поток доставляет данные от одного конца канала к другому, он всегда однонаправленный. Один и тот же номер конечной точки может использоваться для двух поточных каналов — ввода и вывода. Поток может реализовывать следующие типы обмена: сплошной, изохронный и прерывания. Доставка всегда идет в порядке «первым вошел — первым вышел» (FIFO); с точки зрения USB, данные потока неструктурированны. Сообщения имеют формат, определенный спецификацией USB. Хост посылает запрос к конечной точке, после которого передается (принимается) пакет сообщения, за которым следует пакет с информацией состояния конечной точки. Последующее сообщение нормально не может быть послано до обработки предыдущего, но при отработке ошибок возможен сброс необслуженных сообщений. Двухсторонний обмен сообщениями адресуется к одной и той же конечной точке. Для доставки сообщений используется только обмен типа «управление».

С каналами связаны характеристики, соответствующие конечной точке. Каналы организуются при конфигурировании устройств USB. Для каждого включенного устройства существует канал сообщений (Control Pipe 0), по которому передается информация конфигурирования, управления и состояния.

Любой обмен по шине USB инициируется хост-контроллером. Он организует обмены с устройствами согласно своему плану распределения ресурсов.

Контроллер циклически (с периодом 1,0 ± 0,0005 мс) формирует кадры (frames), в которые укладываются все запланированные передачи.

Каждый кадр начинается с посылки пакета-маркера SOF (Start Of Frame, начало кадра), который является синхронизирующим сигналом для всех устройств, включая хабы. В конце каждого кадра выделяется интервал времени EOF (End Of Frame, конец кадра), на время которого хабы запрещают передачу по направлению к контроллеру. Если хаб обнаружит, что с какого-то порта в это время ведется передача данных, этот порт отключается.

В режиме высокоскоростной передачи пакеты SOF передаются в начале каждого микрокадра (период 125 ± 0,0625 мкс).

Хост планирует загрузку кадров так, чтобы в них всегда находилось место для наиболее приоритетных передач, а свободное место кадров заполняется низкоприоритетными передачами больших объемов данных. Спецификация USB позволяет занимать под периодические транзакции (изохронные и прерывания) до 90% пропускной способности шины.

Каждый кадр имеет свой номер. Хост-контроллер оперирует 32-битным счетчиком, но в маркере SOF передает только младшие 11 бит. Номер кадра циклически увеличивается во время EOF.

Для изохронной передачи важна синхронизация устройств и контроллера. Есть три варианта синхронизации:

В каждом кадре 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 момента времени EOF. Частота генерации кадров может немного варьироваться с помощью специального регистра хост-контроллера, что позволяет подстраивать частоту для изохронных передач. Подстройка частоты кадров контроллера возможна под частоту внутренней синхронизации только одного устройства.

Информация по каналу передается в виде пакетов (Packet). Каждый пакет начинается с поля синхронизации SYNC (SYNChronization), за которым следует идентификатор пакета PID (Packet IDentifier). Поле Check представляет собой побитовую инверсию PID.

Структура данных пакета зависит от группы, к которой он относится.

1. Клиентское ПО посылает IPR-запросы уровню USBD.

2. Драйвер USBD разбивает запросы на транзакции по следующим правилам:

3. Драйвер контроллера хоста принимает от системного драйвера шины перечень транзакций и выполняет следующие действия:

4. Хост-контроллер интерфейса шины USB формирует кадры;

5. Кадры передаются последовательной передачей бит по методу NRZI

Таким образом, можно сформировать следующую упрощенную схему:

1. каждый кадр состоит из наиболее приоритетных посылок, состав которых формирует драйвер хоста;

2. каждая передача состоит из одной или нескольких транзакций;

3. каждая транзакция состоит из пакетов;

4. каждый пакет состоит из идентификатора пакета, данных (если они есть) и контрольной суммы.

Типы сообщений в USB

Спецификация шины определяет четыре различных типа передачи (transfer type) данных для конечных точек:

Механизм прерываний

Для шины USB настоящего механизма прерываний не существует. Вместо этого хост опрашивает подключенные устройства на предмет наличия данных о прерывании. Опрос происходит в фиксированные интервалы времени, обычно каждые 1 – 32 мс. Устройству разрешается посылать до 64 байт данных.

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

Режимы передачи данных

Шина USB имеет три режима передачи данных:

Подключение периферийных устройств к шине USB

Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства.

Спецификация 1.0 регламентировала два типа разъёмов:

Впоследствии были разработаны миниатюрные разъёмы для применения USB в переносных и мобильных устройствах, получившие название Mini-USB.

Существуют также разъёмы типа Mini AB и Micro AB, с которыми соединяются соответствующие коннекторы как типа A, так и типа B.

Источник