Универсальная последовательная шина USB

Шина USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно – версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициировна весьма авторитетными фирмами – Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq.

Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками – создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание немедленно после его подключения и последующей установки соответствующих драйверов. Кроме этого, желательно питание маломощных устройств подавать с самой шины. Скорость шины должна быть достаточной для подавляющего большинства периферийных устройств. Попутно решается историческая проблема нехватки ресурсов на внутренних шинах IBM PC совместимого компьютера – контроллер USB занимает только одно прерывание независимо от количества подключенных к шине устройств.

Возможности USB следуют из ее технических характеристик:

§ Высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) – 12 Мб/сек.;

§ Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена – 5 м.;

§ Низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) – 1.5 Мб/сек.;

§ Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена – 3 м.;

§ Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) – 127;

§ Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена;

§ Отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов, таких как терминаторы для SCSI;

§ Напряжение питания для периферийных устройств – 5 В;

§ Максимальный ток потребления на одно устройство – 500 мА (это не означает, что через USB можно запитать устройства с общим током потребления 127 x 500 мА = 63.5 A).

Целесообразно подключать к USB практически любые периферийные устройства, кроме цифровых видеокамер и высокоскоростных жестких дисков. Особенно удобен этот интерфейс для подключения часто подключаемых/отключаемых приборов, таких как, например, цифровые фотокамеры. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение/расчленение.

Возможность использования только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины, но существенно уменьшает количество линий интерфейса и упрощает аппаратную реализацию. Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джойстики и т.п.

Топология

Пиктограммой, изображенной на рис. 13.3.1, официально обозначается шина USB как в Windows 98, так и на задних стенках компьютеров, а также на всех разъемах USB. Эта пиктограмма на самом деле отображает идею топологии USB. Топология USB практически не отличается от топологии обычной локальной сети на витой паре, обычно называемой "звездой". Даже терминология похожа – размножители шины также называются хабами (от англ. HUB – концентратор).

Рис. 13.3.1. Обозначение шины USB

Условно дерево подключения USB-устройств к компьютеру можно избразить как показано на рис. 13.3.2 (цифрами обозначены периферийные усройства с USB интерфейсом).

Рис. 13.3.2. Дерево подключения USB-устройств к компьютеру

Вместо любого из устройств может также стоять HUB. Основное отличие от топологии обычной локальной сети – компьютер (или host-устройство) может быть только один. HUB может быть как отдельным устройством с собственным блоком питания, так и встроенным в периферийное устройство. Наиболее часто хабы встраиваются в мониторы и клавиатуры.

Рис. 13.3.3. Пример соединения периферийных устройств в USB-сеть

На рис. 13.3.3 показан пример правильного соединения периферийных устройств в условную USB-сеть. Так как обмен данными по USB идет только между компьютером и периферийным устройством (между устройствами обмена нет), то устройства с большими объемами приема и/или передачи данных должны подключаться либо к самому компьютеру, либо к ближайшему свободному узлу. В данном случае наивысший трафик у колонок (~1.3 Мб/с), затем идут модем и сканер, подключенные к HUB'у в мониторе и завершают цепь клавиатура, джойстик и мышь, трафик у которых близок к нулю.

Может возникнуть вопрос – почему колонки имеют такой высокий трафик? Дело в том, что колонки с USB интерфейсом существенно отличаются от обычных. Для использования таких колонок не требуется звуковая карта. Драйвер колонок отправляет оцифрованный звук сразу в колонки, где с помощью АЦП (ADC) он преобразуется в аналоговый сигнал и подается на динамики.

Кабели и разъемы

Сигналы USB передаются по 4-х проводному кабелю, схематично показанному на рис. 13.3.4.

Рис. 13.3.4. Схема 4-х проводного USB-кабеля

Здесь GND – цепь "корпуса" для питания периферийных устройств, VBus – +5V также для цепей питания. Шина D+ предназначена для передачи данных по шине, а шина D – для приема данных.

Кабель для поддержки полной скорости шины (full-speed) выполняется как витая пара, защищается экраном и может также использоваться для работы в режиме минимальной скорости (low-speed). Кабель для работы только на минимальной скорости (например, для подключения мыши) может быть любым и неэкранированным.

Как видно из рисунка, невозможно подключить устройство неправильно, так как разъем серии "А" можно подключить только к активному устройству на USB хабу или компьютеру, а серии "В" только к собственно периферийному устройству. Цоколевка разъемов USB показана на рис. 13.3.6.

Розетка типа 'A'	Розетка типа 'B'
Вилка типа 'A'	Вилка типа 'B'

Рис. 13.3.6. Цоколевка разъемов USB

Разъем серии "А" можно подключить только к активному USB устройству: хабу или компьютеру, а серии "В" только к собственно периферийному устройству.

В режиме низкой скорости USB-сеть может включать такие устройства, как: клавиатуры, мыши, джойстики, матричные принтеры, дигитайзеры, цифровые фотокамеры, модемы для обычных телефонных линий, цепи управления монитором компьютера, а в режиме высокой скорости: колонки, ISDN модемы, внешние накопители класса Iomega Zip, офисные АТС, лазерные и струйные принтеры.

Интерфейс портативных компьютеров (PCMCIA)

С появлением портативных компьютеров остро встал вопрос о создании универсального и компактного интерфейса для подключения внешних устройств. В качестве такого интерфейса стандартом де-факто стал интерфейс PCMCIA, поддерживаемый Ассоциацией PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association), объединяющей компании, разрабатывающие периферийные устройства для портативных компьютеров. Аббревиатура PCMCIA вызывала много нареканий своей труднопроизносимостью. Существует даже шутливая интерпретация PCMCIA как «People Cant Memorize Computer Industry Acronyms», что переводится как «Люди не в состоянии запомнить компьютерные аббревиатуры». В результате для PCMCIA сегодня принято использовать более благозвучный термин PC Card.

Устройства PC Card размером с обычную кредитную карточку являются альтернативой обычным платам расширения, подключаемым к шине ISA. В этом стандарте выпускаются модули памяти, модемы и факс-модемы, SCSI-адаптеры, сетевые карты, звуковые карты, винчестеры, интерфейсы CD-ROM.

Стандарт PC Card для связи между картой и соответствующим устройством (адаптером или портом) компьютера определяет 68-контактный механический соединитель. На нем выделены 16 разрядов под данные и 26 разрядов под адрес, что позволяет непосредственно адресовать 64 Мбайта памяти. На стороне модуля PC Card расположен соединитель-розетка, а на стороне компьютера – соединитель-вилка. Кроме того, стандарт определяет три различные длины контактов соединителя-вилки. Поскольку подключение и отключение PC Card может происходить при работающем компьютере (так называемое «горячее»), то для того, чтобы на модуль сначала подавалось напряжение питания, а лишь затем напряжение сигнальных линий, соответствующие контакты выполнены более длинными.

Вторая версия спецификации PCMCIA определяет типы габаритных размеров для PC Card (Type I, Type II и Type III), отличающиеся по толщине. Два первых типа PC Card имеют размеры до 54 мм (2.12 дюйма) в ширину и 85.6 мм (3.37 дюйма) в длину. Устройства PC Card, соответствующие размерам Type I, должны иметь толщину 3.3 мм, а соответствующие Type II 5,0 мм в середине и 3.3 мм по краям. PC Card Type III имеют толщину 10.5 мм и, следовательно, непригодны для использования в слотах для модулей Type I и II. Толщина модуля Type III по краям также равна 3.3 мм. Для третьего типа модулей необходимы так называемые слоты двойной высоты. Модули Type III встречаются очень редко и содержат обычно жесткие диски.

Для увеличения пропускной способности шины PCMCIA была предложена спецификация CardBus, которая является расширением шины PCI для устройств PC Card. Платы CardBus поддерживают 32-разрядный обмен на частоте 33 МГц. В этом конструктиве выпускаются 100-Мбитные сетевые карты, интерфейсные платы SCSI и другие устройства, требующие быстрого обмена по шине. Контроллеры CardBus поддерживаются в операционных системах Windows 95, OSR 2.5 и в полной мере в Windows 98.