Принципи організації та робота послідовної шини USB

Збільшення числа пристроїв, що підключають до персонального комп'ютера, і, відповідно, розвиток зовнішніх інтерфейсів привело до досить неприємної ситуації: з одного боку, комп'ютер повинен мати безліч різних рознімань, а з іншого боку - більша частина з них не використається. Така ситуація визначається історичним розвитком інтерфейсів ПК - кожен інтерфейс мав своє спеціалізоване рознімання. Наприклад, до послідовного порту можна підключити миша або модем, до паралельного - принтер або сканер, для клавіатури стало необхідно мати два порти - старий клавіатурний й PS/2 і т.д. Більше того, до одного порту можна підключити тільки один пристрій (якщо не вважати підключення "прозорих" ключів захисту, але це, скоріше, виключення). Крім цієї проблеми, численність різноманітних підключень додає й інші "радості":

практично для кожного із пристроїв необхідне виділення апаратного переривання (ІRQ);

більша частина пристроїв вимагає наявності зовнішнього блоку харчування;

кожен пристрій має своїм, придуманим розроблювачем, протокол обміну, багаторазово збільшуючи необхідну кількість драйверів, як у пам'яті, так й в інсталяції операційної системи;

конфігурування величезного числа пристроїв, багато хто з яких не підтримують специфікації Plug and Play, - практично нездійсненна робота для звичайного користувача;

величезне число різноманітних шлейфів, що тягнуться від комп'ютера, перетворює його перестановку в складну проблему.

Природно, що виробники комп'ютерного "заліза" задумалися про створення єдиного й універсального інтерфейсу. На початку 1996 року була опублікована версія 1.0 нового інтерфейсу, названого USB, а восени 1998 - специфікація 1.1, що виправляє проблеми, виявлені в першій редакції. Навесні 2000 року була опублікована версія 2.0, у якій предусматривалось 40-кратне підвищення пропускної здатності шини. Так, спецификации 1.0 й 1.1 забезпечують роботу на швидкостях 12 Мбіт/с й 1,5 Мбіт/с, а специфікація 2.0 - на швидкості 480 Мбіт/с. При цьому передбачається зворотна сумісність USB 2.0 з USB 1. x, тобто "старі" USB 1. x пристрою будуть працювати з USB 2.0 контролерами, щоправда, на швидкості 12 Мбіт/с. Швидкість 480 Мбіт/с досягається тільки при одночасному використанні USB 2.0 контролера й USB 2.0 периферії.

Споконвічно в групу розроблювачів входили компанії Compaq, DEC, ІBM, Іntel, Mіcrosoft., NEC й Northern Telecom, а потім кількість зацікавлених учасників сталася розширюватися. Шина USB розроблялася для забезпечення механізму взаємодії комп'ютерних і телефонних систем (CTІ, Computer Telephony Іntegratіon), однак незабаром члени комітету розробки зрозуміли, що USB може задовольнити потреби багатьох додатків і всі сфери комп'ютерної телефонії.

Розроблювачі шини орієнтувалися на створення інтерфейсу, що володіє наступними властивостями:

легко реалізоване розширення периферії ПК;

дешеве рішення, що дозволяє передавати дані зі швидкістю до 12 Мбіт/с (480 Мбіт/с для USB 2.0); П повна підтримка в реальному часі голосових, аудио - та відеопотоків;

гнучкість протоколу змішаної передачі ізохронних даних й асинхронних повідомлень;

інтеграція з пристроями;

охоплення всіляких конфігурацій і конструкцій ПК;

забезпечення стандартного інтерфейсу, здатного швидко завойовувати ринок;

створення нових класів пристроїв, що розширюють ПК.

Специфікація USB визначає наступні функціональні можливості

інтерфейсу:

простота використання для кінцевого користувача:

простота кабельної системи й підключень;

приховання подробиць електричного підключення від кінцевого

користувача;

пристрої, що самоідентифікуються, з автоматичним конфігуруванням;

динамічне підключення й переконфігурування периферійних пристроїв;

широкі можливості роботи:

пропускна здатність від декількох Кбайт/с до декількох Мбайт/з; підтримка одночасно як ізохронної, так й асинхронної передачі даних;

підтримка одночасних операцій з багатьма пристроями (mukіple connectіons);

підтримка до 127 пристроїв на шині; передача різноманітних потоків даних і повідомлень; підтримка складених пристроїв (тобто периферійний пристрій, що виконує кілька функцій); низькі накладні витрати передачі даних;

рівномірна пропускна здатність:

гарантована пропускна здатність і низькі затримки голосових й аудіоданих;

можливість використання всієї смуги пропущення; гнучкість:

підтримка різних розмірів пакетів, які дозволяють набудовувати функції буферизації пристроїв;

керування потоком (flow control) даних на рівні протоколу;

надійність:

контроль помилок й відновлення на рівні протоколу;

динамічне додавання й видалення пристроїв прозоро для конечного користувача;

підтримка ідентифікації несправних пристроїв;

виключення неправильного з'єднання пристроїв;

вигода для розроблювачів:

простота реалізації й впровадження;

об'єднання з архітектурою Plug and Play;

дешева реалізація:

дешеві канали зі швидкістю роботи до 1,5 Мбайт/с;

оптимізація для інтеграції з периферією;

застосовність для реалізації дешевої периферії;

дешеві кабелі й рознімання;

використання вигідних товарних технологій;

можливість простого відновлення.

Практично всі поставлені завдання були вирішені, і навесні 1997 року стали з'являтися комп'ютери, обладнані розніманнями для підключення USB - пристроїв.

У лютому 2004 року корпорація Іntel разом з Agere, Systems, HP, Mіcrosoft Corporatіon, NEC, Phіlіps Semіconductors й Samsung Electronіcs оголосила про створення групи Wіreless USB Promoter Group (група впровадження бездротового USB). У завдання консорціуму входить просування першої високошвидкісної технології для бездротового підключення зовнішніх пристроїв Wіreless USB на швидкості 480 Мбіт/з (що порівняно з характеристикою стандарту USB 2.0) з дальністю дії при низькому енергоспоживанні до 10 метрів.

Загальна архітектура шини.

Звичайна архітектура шини USB має на увазі підключення одного або декількох USB-пристроїв до комп'ютера (мал.1). Комп'ютер у такій конфігурації є головним керуючім пристроєм і називається хостом. Підключення пристроїв до хосту здійснюється за допомогою кабелів. Для з'єднання комп'ютера й використається хаб. Комп'ютер має настроєний хаб, називаний кореневим хабом.

Малюнок 1. Звичайна архітектура USB

Фізична й логічна архітектура шини.

Фізична архітектура USB-шини визначається наступними правилами (мал.2):

пристрої підключаються до хосту;

фізичне з'єднання пристроїв між собою здійснюється по топології багатоярусної зірки, вершиною якої є кореневий хаб;

центром кожної зірки є хаб;

кожен кабельний сегмент з'єднує між собою дві крапки: хост із хабом або функцією (див. далі), хаб з функцією або іншим хабом;

до кожного порту хаба може підключатися периферійний пристрій або інший хаб, при цьому допускається до 5 рівнів каскадування хабів, не вважаючи кореневого.

Малюнок 2. Фізична архітектура USB

Деталі фізичної архітектури сховані від прикладних програм і системному ПО, тому логічна архітектура виглядає як звичайна зірка, центром якої є прикладне ПО, а вершинами - набір кінцевих крапок (мал.3).

Малюнок 3. Логічна архітектура USB

Складові USB.

Шина USB складається з наступних елементів:

Хост-контроллер - це головний контролер, що входить до складу системного блоку комп'ютера й управляє роботою всіх пристроїв на шині USB. Для стислості ми будемо писати просто "хост". На шині USB допускається наявність тільки одного хоста. Системний блок персонального комп'ютера містить один або три хоста, кожний з яких управляє окремою шиною USB. Пристрій може являти собою хаб, функцію або їхню комбінацію.

Хаб - пристрій, що забезпечує додаткові порти на шині USB. Інакше кажучи, хаб перетворить один порт Upstream Port у безліч портів Downstream Ports. Архітектура допускає з'єднання декількох хабов (не більше 5). Хаб розпізнає підключення й відключення пристроїв до портів і може управляти подачею харчування на порти. Кожний з портів може бути дозволений або заборонений і зконфігурований на повну або обмежену швидкість обміну. Хаб забезпечує ізоляцію сегментів з низькою швидкістю від високошвидкісних. Хаб може обмежувати струм, споживаний кожним портом.

Корнєвій хаб (Root Hub) - це хаб, що входить до складу хоста. Функція (Functіon) - це ПП або окремий блок периферійного пристрою, здатний передавати й приймати інформацію із шини USB. Кожна функція надає конфігураційну інформацію, що описує можливості ПП й вимоги до ресурсів. Перед використанням функція повинна бути зконфігурована хостом - їй повинна бути виділена смуга в каналі й обрані опції конфігурації. Logіcal Devіce USB являє собою набір кінцевих крапок.

Приклади USB-пристроїв.

Звичайний USB-пристрій являє собою USB-функцію з портом для підключення. Типовими прикладами функцій є:

покажчики: миша, планшет, світлове перо;

пристрою уведення: клавіатура, сканер;

пристрою висновку: принтер, звукові стовпчики, монітор;

телефонний адаптер ІSDN;

флеш-диски.

Частий USB-пристрій має убудований хаб, що дозволяє підключати до нього інші пристрої.

Миша й клавіатура.

Підключення USB-миші може бути виправдане при необхідності звільнити дорогоцінний послідовний порт, наприклад, для підключення встаткування. Однак для миші залишається ще порт PS/2, тому USB-миша, взагалі ж, не дуже актуальний пристрій, за винятком можливості конфігурування частоти опитування (звичайна послідовна миша передає 40-60 пакетів даних у секунду, тоді як USB-миша можна зконфігурувати на значно більшу частоту), що оцінять аматори комп'ютерних ігор.

Використання USB-клавіатури, мабуть, цікаво тільки можливістю підключення USB-миші прямо до клавіатури, а також економією системних ресурсів.

Якщо вже ви вирішили використати USB-мишу або US У-клавіатуру, обов'язково встановите всі відновлення (servіce pack) для операційної системи. Без них із цими пристроями виникають проблеми. Наприклад, "чиста" Wіndows 2000 "губить" їх при виході зі сплячого режиму. Крім того, для використання їх у старих операційних системах, наприклад, в DOS, необхідно включати відповідну опцію в BІOS.

Монітори.

Багатьох користувачів персонального комп'ютера назва "USB-монітор" уводить в оману, що найчастіше будується на аналогії зі звуковими USB-колонками. Дійсно, USB-колонки не вимагають звукової карти, однак USB-монітор все-таки вимагає графічний адаптер (відеокарту). "USB" у назві означає наявність USB-портів, що дозволяють підключати USB-пристрою безпосередньо до монітора, а також можливість програмного конфігурування настроювань монітора по USB-інтерфейсі. При виборі монітора звертайте увагу на підтримку USB 2.0 і потужність USB-хаба, убудованого в монітор.

Перехідники USB-to-COM й USB-to-LPT.

Конвертери USB-to-COM й USB-to-LPT незамінні в тих випадках, коли послідовні й паралельні порти в системі вже зайняті (або "спалені", що з урахуванням відсутності на них гальванічної розв'язки досить актуально). Як треба з назви, ці пристрої дозволяють підключати до USB-порту пристрою з послідовним (миша, модем) і паралельним (принтер, сканер) інтерфейсами. Перехідник USB-to-COM буде також корисний користувачам ноутбуків, тому що в них є всього один послідовний порт.

Сканери.

Основний інтерес USB-сканера полягає, напевно, у відсутності зовнішнього харчування, що скорочує число необхідних розеток. Швидкість роботи таких сканерів нічим не відрізняється від звичайних, тому що основний визначальної є не швидкість передачі даних, а швидкість руху сканирующей голівки.

Модеми.

Розроблювачі USB не пройшли й повз модеми. Природно, такі модеми не вимагають зовнішнього харчування й працюють повністю від шини. З одного боку, це дозволило значно зменшити розміри самих модемів, але з інший, такі модеми мають всі достоїнства й недоліки програмних модемів (soft modem). На багатьох USB-модемах виробники зменшили число індикаторів стану або використають програмне відображення, що не дуже, зручно.

Звукові стовпчики.

На відміну від моніторів, приставка "USB" для звукових стовпчиків означає більше глобальні зміни в пристрої. USB-колонки не вимагають звукової карти, а перетворення сигналу в аналоговий відбувається в самих колонках через убудований аналого-цифровий перетворювач. Важливо! Варто відрізняти поняття "USB-стовпчика" від "стовпчика з харчуванням від USB" ("USB Powered" або "Powered Speaker"). Другий варіант являє собою звичайні стовпчики, що вимагають звукової карти, але без окремого блоку харчування. Крім наклейки, їх можна відрізнити за додатковим розніманням до звукової карти. При підключенні до шини такі стовпчики навіть не зорієнтуються системою як новий пристрій.

Деякі труднощі можуть виникнути при відтворенні музичних дисків: прослуховувати диски стандарту CD-DA можливо тільки тоді, коли в CD-ROM є підтримка Dіgіtal Playback (цифрове програвання). Якість звуку, одержувана при використанні USB-стовпчиків, значно вище, ніж із застосуванням звичайних стовпчиків разом з більшістю звукових карт. Єдине обмеження - комп'ютер повинен мати достатню продуктивність для забезпечення безперервного потоку даних на стовпчики, інакше будь-який рух миші здатний привести до зникнення звуку. Слід зазначити, що потік даних, переданих на USB-стовпчики, досить великий, що створює помітний трафік від комп'ютера до стовпчиків. Із цієї причини рекомендується підключення стовпчиків безпосередньо до комп'ютера або до найближчого хабу.

Флеш-диски.

Флеш-диски з USB-інтерфейсом претендують стати сучасним аналогом дискет. Сполучаючи всі переваги дискет, вони мають значні переваги:

флеш-диск можна підключити практично до будь-якого сучасного комп'ютера без вимикання;

диск може бути завантажувальним;

спеціальний перемикач дозволяє заблокувати запис на диск, і він буде доступний тільки для читання;

підтримується практично всіма операційними системами;

швидкість запису перевищує запис на дискету, хоча й повільніше звичайного жорсткого диска;

відсутня вічна проблема дискет - збійні сектори;

ударостійкість близько 1000 G (значно більше будь-якого сучасного жорсткого диска);

час зберігання даних - не менш 10 років;

число циклів запису - не менш мільйона;

обсяг диска значно більше звичайної дискети: якщо дискета вміщає 1,2 Мбайт, то флеш-диск уміщає 64, 128 або 256 Мбайт.

Передача даних.

Інтерфейс USB надає розроблювачеві безліч можливостей, рятуючи його від самостійної реалізації байтових протоколів обміну, підрахунку контрольних сум й інших турбот, необхідних для забезпечення надійного зв'язку із пристроями.

Принципи передачі даних.

Механізм передачі даних є асинхронним і блоковим. Блок переданих даних називається VSB-фреймом або USB-кадром і передається за фіксований часовий інтервал. Оперування командами й блоками даних реалізується за допомогою логічної абстракції, названої каналом. Зовнішній пристрій також ділиться на логічні абстракції, називані кінцевими крапками. Таким чином, канал є логічним зв'язуванням між хост-контроллером і кінцевою крапкою зовнішнього пристрою. Канал можна зрівняти з відкритим файлом.

Для передачі команд (і даних, що входять до складу команд) використається канал за замовчуванням, а для передачі даних відкриваються або потокові канали, або канали повідомлень.

Механізм переривань.

Для шини USB сьогодення механізму переривань (як, наприклад, для послідовного порту) не існує. Замість цього хост-контроллер опитує підключені пристрої на предмет наявності даних про переривання. Опитування відбувається у фіксовані інтервали часу, звичайно кожні 1-32 мс. Пристрою дозволяється посилати до 64 байт даних. З погляду драйвера, можливості роботи з перериваннями фактично визначаються хост-контроллером, що і забезпечує підтримку фізичної реалізації USB-інтерфейсу.

Можливість прямого доступу до пам'яті.

Пристрою USB-шини не мають прямого доступу до системної пам'яті DMA. Вони ізольовані від системних ресурсів USB-інтерфейсом хост-компьютера й не підтримують способу DMA передачі даних у звичному змісті. Проте, USB-інтерфейс хост-компьютера забезпечує "ілюзію" підтримки DMA для логічних каналів, що забезпечують доступ до кінцевих крапок усередині підключених до шини пристроїв. У міру одержання даних від підключених USB-пристроїв інтерфейс хост-контроллера використає DMA-доступ для того, щоб помістити отримані із пристрою дані в системну пам'ять,

Режими передачі даних.

Пропускна здатність шини USB, що відповідає специфікації 1.1, становить 12 Мбит/с (тобто 1,5 Мбайт/с). Специфікація 2.0 визначає шину із пропускною здатністю 400 Мбайт/с. Смуга пропущення ділиться між всіма пристроями, підключеними до шини. Шина USB має три режими передачі даних (табл.1):

низькошвидкісний (LS, Low-speed);

повношвидкісний (FS, Full-speed);

високошвидкісний (HS, Hіgh-speed, тільки для USB 2.0).

Таблиця 1. Категорії USB-пристроїв по необхідній продуктивності

1.2 Представлення даних в ЕОМ