Інтерфейс USB

Специфікація периферійної шини USB була розроблена лідерами комп’ютерної і телекомунікаційної промисловості (Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC і Northern Telecom) для підключення комп’ютерної периферії поза корпусом ПК з автоматичною автоконфігурацією (Plug&Play). Перша версія стандарту з’явилася в 1996 р. Агресивна політика Intel по впровадженню цього інтерфейсу стимулює поступове зникнення таких низькошвидкісних інтерфейсів, як RS 232C, Access.bus і тому подібне Проте для високошвидкісних пристроїв строгішими вимогами до продуктивності (наприклад, доступ до видаленого накопичувача або передача оцифрованого відео) конкурентом USB є інтерфейс IEEE 1394.

Інтерфейс USB є послідовною, напівдуплексною, двонаправленою шиною із швидкістю обміну:

• USB 1.1 – 1,5 Мбіт/с або 12 Мбіт/с;
• USB 2.0 – 480 Мбіт/с.

Шина дозволяє підключити до ПК до 127 фізичних пристроїв. Кожен фізичний пристрій може, у свою чергу, складатися з декількох логічних (наприклад, клавіатура з вбудованим маніпулятором-трекболом).

Кабельна розводка USB починається з вузла (host). Хост володіє інтегрованим кореневим концентратором (root hub), який надає декілька роз’ємів USB для підключення зовнішніх пристроїв. Потім кабелі йдуть до інших пристроїв USB, які також можуть бути концентраторами, і функціональних компонентів (наприклад, модем або акустична система). Концентратори часто вбудовуються в монітори і клавіатури (які є типовими складеними пристроями). Концентратори можуть містити до семи “витікаючих” портів.

Для передачі сигналів шина USB використовує чотирипровідною інтерфейс. Одна пара провідників (“+5В” і “загальний”) призначена для живлення периферійних пристроїв з навантаженням до 500 мА. Дані передаються по іншій парі (“D+” “D”). Для передачі даних використовується диференціальна напруга до 3 В (з метою зниження впливу шуму) і схема кодування NRZI (що позбавляє від необхідності виділяти додаткову пару провідників під тактовий сигнал).

Інтерфейс USB 1.1 декларує два режими:

• низькошвидкісний підканал (пропускна спроможність – 1,5 Мбіт/с), призначений для таких пристроїв, як миші і клавіатури;
• високопродуктивний канал, що забезпечує максимальну пропускну спроможність 12 Мбіт/с, що може використовуватися для підключення зовнішніх накопичувачів або пристроїв обробки і передачі аудіо- і відеоінформації.

Всі концентратори повинні підтримувати на своїх витікаючих портах пристрої обох типів, не дозволяючи високошвидкісному трафіку досягати низькошвидкісних пристроїв. Високопродуктивні пристрої підключаються за допомогою екранованого кабелю, довжина якого не повинна перевищувати 3 м. Якщо ж пристрій не формулює особливих вимог до смуги пропускання, його можна підключити і неекранованим кабелем (який може бути тоншим і гнучкішим). Максимальна довжина кабелю для низькошвидкісних пристроїв – 5 м. Вимоги пристрою до живлення (діаметр провідників, споживана потужність) можуть зумовити необхідність використання кабелю меншої довжини. Із-за особливостей розповсюдження сигналу по кабелю число послідовно сполучених концентраторів обмежене шістьма (і сім’ю п’ятиметровими відрізками кабелю).

Хост дізнається про підключення або відключення пристрою з повідомлення від концентратора (ця процедура називається опитом шини – bus enumeration). Потім хост привласнює пристрою унікальну адресу USB (1:127). Після відключення пристрою від шини USB його адреса стає доступною для інших пристроїв.

Для індивідуального звернення до конкретних функціональних можливостей складеного пристрою застосовується 4-бітове поле кінцевої крапки. У низькошвидкісних пристроях за кожною функцією закріплюється не більше двох адрес кінцевих крапок: нульова кінцева крапка використовується для конфігурації і визначення стану USB, а також управління функціональним компонентом; а інша крапка – відповідно до функціональних можливостей компоненту. Пристрої з максимальною продуктивністю можуть підтримувати до 16 кінцевих крапок, резервуючи нульову крапку для завдань конфігурації і управління USB.

Хост опитує всі пристрої і видає їм дозволу на передачу даних (розсилаючи для цього пакет-маркер – Token Packet). Таким чином, пристрої позбавлені можливості безпосереднього обміну даними – всі дані проходять через хост. Ця умова сильно заважала впровадженню інтерфейсу USB на ринок портативних пристроїв. В результаті в кінці 2001 року було прийнято доповнення до стандарту USB 2.0 – специфікація USB OTG (On-The-Go), призначена для з’єднання периферійних USB-пристроїв один з одним без необхідності підключення до хосту (наприклад, цифрова камера і фотопринтер). Пристрій, підтримуюче USB OTG, здатний частково виконувати функції хоста і розпізнавати, коли воно підключене до повноцінного хосту (на основі ПК), а коли – до іншого периферійного пристрою. Специфікація описує також протокол узгодження вибору ролі хоста при з’єднанні два USB.

Дані на шині передаються транзакціями, інтервал між якими складає 1 мс. Передбачено чотири типи транзакцій.

Передачі, що управляють, використовуються для конфігурації знов підключених пристроїв (наприклад, привласнення ним адреси USB) і їх компонентів. Пристрої з максимальною продуктивністю можуть бути налаштовані на роботу з конфігураційними повідомленнями завдовжки 8, 16, 32 або 64 байти (за умовчанням – 8 байт). Пристрої з низькою продуктивністю в змозі розпізнавати повідомлення, що управляють, завдовжки не більше 8 байт.

Групова передача (bulk) використовується для адресної пересилки даних великого об’єму (до 1023 байт). Як приклад можна привести передачу даних на принтер або від сканера. Пристрої з низькою продуктивністю не підтримують цей режим.

Передача даних переривання, наприклад, введених з клавіатури даних або відомостей про переміщення миші. Ці дані мають бути передані достатньо швидко для того, щоб користувач не відмітив ніякої затримки. Відповідно до специфікацій час затримки USB складає декілька мілісекунд.

Ізохронні передачі (передачі в реальному масштабі часу). Пропускна спроможність і затримка доставки обмовляються до початку передачі даних. До ізохронних даних алгоритми корекції помилок непридатні (оскільки час на повторну їх ретрансляцію перевищує допустимий інтервал затримки). За один сеанс в такому режимі може бути передано до 1023 байт. Пристрої з низькою продуктивністю не підтримують цей режим.

Слід також відзначити, що різними виробниками пропонувалися специфікації, що описують інтерфейс різних апаратних реалізацій контролера USB. Фірмою Intel була запропонована специфікація UHCI (Universal Host Controller Interface), яка передбачає надзвичайно просту апаратну реалізацію контролера USB. В рамках даної специфікації основні функції контролю і арбітражу шини покладаються на програмний драйвер. Альтернативна специфікація була запропонована компаніями Compaq, Microsoft і National Semiconductor – OHCI (Open Host Interface). Контроллери по специфікації OHCI володіють уніфікованим абстрактним інтерфейсом, що передбачає апаратну реалізацію більшості функцій, що управляють, що полегшує їх програмування.