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.
Видео:03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]Скачать
![03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]](https://i.ytimg.com/vi/mjiJutISb6U/0.jpg)
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.
Видео:4. Периферийные устройства.Скачать
Основные сведения
Кабель USB состоит из 4 проводников — 2 проводника питания и 2 проводника данных в витой паре, и заземленной оплетки/экрана.
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.
Соединение 2 компьютеров — или 2 периферийных устройств — пассивным USB кабелем невозможно. Существуют активные USB кабели для соединения 2 компьютеров, но они включают в себя сложную электронику, эмулирующую Ethernet адаптер, и требуют установки драйверов с обоих сторон.
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).
Оконечные точки, а значит, и каналы, относятся к одному и 4 классов — поточный (bulk), управляющий (control), изохронный (isoch) и прерывание (interrupt). Низкоскоростные устройства, такие, как мышь, не могут иметь изохронные и поточные каналы.
Читайте также: Какие летние шины выбрать для дастера
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.
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 человеком (клавиатуры/мыши/джойстики).
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).
Видео:Шины ввода-выводаСкачать
Версии спецификации
Предварительные версии
- USB 0.7: спецификация выпущена в ноябре 1994 года.
- USB 0.8: спецификация выпущена в декабре 1994 года.
- USB 0.9: спецификация выпущена в апреле 1995 года.
- USB 0.99: спецификация выпущена в августе 1995 года.
- USB 1.0 Release Candidate: спецификация выпущена в ноябре 1995 года.
USB 1.0
Спецификация выпущена в ноябре 1995 года.
- два режима передачи данных:
- режим с высокой пропускной способностью (Full-Speed) — 12 Мбит/с
- режим с низкой пропускной способностью (Low-Speed) — 1,5 Мбит/с
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:
- Low-speed, 10—1500 Кбит/c (используется для интерактивных устройств: клавиатуры, мыши, джойстики)
- Full-speed, 0,5—12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства)
- Hi-speed, 25—480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации)
Последующие модификации
Последующие модификации к спецификации USB публикуются в рамках Извещений об инженерных изменениях (англ. Engineering Change Notices — ECN). Самые важные из модификаций ECN представлены в наборе спецификаций USB 2.0 (англ. USB 2.0 specification package , доступном на сайте USB Implementers Forum.
- Mini-B Connector ECN: извещение выпущено в октябре 2000 года.
- Errata, начиная с декабря 2000: извещение выпущено в декабре 2000 года.
- Pull-up/Pull-down Resistors ECN: извещение выпущено в мае 2002 года.
- Errata, начиная с мая 2002: извещение выпущено в мае 2002 года.
- Interface Associations ECN: извещение выпущено в мае 2003 года.
- Были добавлены новые стандарты, позволяющие ассоциировать множество интерфейсов с одной функцией устройства.
- Данное ECN специфицирует, что строки закодированы с использованием UTF-16LE.
- USB On-The-Go делает возможным связь двух USB-устройств друг с другом без отдельного USB-хоста. На практике одно из устройств играет роль хоста для другого.
Читайте также: Шины для трактора в брянске
Видео:Цифровые интерфейсы и протоколыСкачать
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.
Видео:15 Параллельные и последовательные интерфейсыСкачать
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]
Видео:Код 28 — для устройства не установлены драйверы в Windows 10 и Windows 7 (решение)Скачать
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.
Читайте также: Допустимые размеры шин для хендай крета
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.
Видео:MCP2515, контроллер CAN шины с интерфейсом SPIСкачать
Интерфейсы периферийных устройств
Понятие интерфейса. Классификация.
Наборы сигналов, передаваемых по кабелю и разъему соединителя, техническое исполнение, а также правила обмена информацией между периферийным устройством и адаптером образуют систему называемую интерфейсом периферийного устройства.
Логический интерфейс – совокупность унифицированных правил для организации связей реализованных между ПУ и ядром ЭВМ для управления передачи данных.
Физический интерфейс – это система связей сигналов и алгоритмов обмена информацией.
По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на:
Параллельные – позволяет передавать часть информации по многопроходной линии. При определении скорости передач параллельный интерфейс позволяет повысить быстродействие , но вызывает аппаратные затраты, но с другой стороны при передаче сигналов по параллельным линиям возникает «перекос» информации. Это обусловлено разбросом параметров линий передачи и формирующих схем.
Последовательные – информация передается только в одном направлении, используют одну сигнальную линию, при этом информация передается последовательно (Интерфейс RS32)
Синхронные – передающее устройство выдает сигналы на свои линии и поддерживает их в течение заранее установленного постоянного интервала (интервал синхронизации). За это время приемник должен принять сигнал и подготовится к приему следующего информационного элемента. При подключении нескольких устройств сигнал синхронизации выбирается исходя из самого медленного устройства
Асинхронные – синхронизация передатчика и приемника(она должна быть в любом случае), осуществляется только на один цикл приема/передачи, для этого используется либо специальное обрамление каждого передаваемого символа стартовым и стоповым сигналом либо реализуется схема запрос-ответ. Для схемы запрос-ответ передающее устройство выдает следующий квант информации (при этом снабжает его запросом стробирования) только после получения от приемника подтверждение по завершении приема предыдущего – квитанции. Интервал времени в течении которого передающее устройство должно поддерживать передаваемый сигнал равно T=2tз/о + tпр.
По способу подключения устройств интерфейсы подразделяются на:
Радиальный интерфейс использует индивидуальные лини для каждого ПУ. (картиночка) В состав ЦП входит интерфейсные блоки (ИБ), которые содержат буферный регистр данных, регистр адреса, регистр готовности переферийных устройств.
+ в любой момент времени ПУ могут передавать данные независимо друг от друга
— при увеличении количества ПУ, возрастают и аппаратурные затраты.
Применяется в промышлености при подключении датчиков к приемникам (исполнительный орган).
Магистральные – используют коллективные линии для всех ПУ на основе разделения по времени, сигнал на линии используется всеми ПУ, следовательно, ПУ должно содержать схемы распознавания адреса и коммутации: а) Передача от ЦУ к ПУ: ЦУ выставляет адрес, все ПУ анализируют этот адрес и при совпадении ПУ выдает сигнал готовности к обмену и подключается к линии; б) Передача от ПУ к ЦУ: ПУ выставляет на общую линию запрос на обслуживание, ЦУ производит опрос ПУ. Разрешение на передачу получит то ПУ, которое выставило сигнал запроса, а если таких ПУ несколько, то передача будет осуществляться согласно устройству, которое первое распознало адрес; Достоинства: Высокая передача данных. Недостатки: Длительность опросов.
Цепочечные – используют коллективные линии проходящие последовательно через все ПУ. ЦУ выставляет данные и адрес ПУ, который последовательно проходит через все ПУ до адресуемого. Недостатки: При передаче от ЦУ к ПУ увеличивается время адресации, т.к. адрес проходит последовательно через все ПУ. Достоинства: При передаче от ПУ к ЦУ уменьшается время опроса.
Комбинированные – строится на базе магистрального и цепочечного. Достоинство: Высокое быстродействие.
- Свежие записи
- Нужно ли менять пружины при замене амортизаторов
- Скрипят амортизаторы на машине что делать
- Из чего состоит стойка амортизатора передняя
- Чем стянуть пружину амортизатора без стяжек
- Для чего нужны амортизаторы в автомобиле
🎥 Видео
Контроллер универсальной последовательной шины USBСкачать
❓ Неизвестное устройство в Windows. Как решить проблему?Скачать
Интерфейс SPI на примере STM32. Подключение периферии - экрана и памяти.Скачать
Как работает компьютер? Шины адреса, управления и данных. Дешифрация. Взгляд изнутри!Скачать
АПС Л14. ШиныСкачать
Введение в интерфейсы периферийных устройствСкачать
Последовательные интерфейсыСкачать
Обучение Beckhoff, обзор модулей EtherCAT и K-Bus шиныСкачать
Лекция "Интерфейсы (часть I). RS-232/422/485. SPI"Скачать
интерфейс rs 485 и микроконтроллерыСкачать
Подробно про CAN шинуСкачать
АПС Л19. ШиныСкачать
