Общие сведения об интерфейсе USB

Общие сведения об интерфейсе USB

 

USB (Universal Serial Bus) - универсальная последовательная шина.

Универсальный порт для подключения различных устройств к ПК и организации обмена между ними.

Описание USB состоит из ряда спецификаций, которые разрабатываются группой компаний в рамках некоммерческой организации USB Implementers Forum.

Основной целью данной разработки было создания универсального порта ПК для подключения потоковых устройств.

Спецификация USB 2.0-3.0 является на сегодняшний день основным коммуникационным портом персональных компьютеров.

USB представляет открытый протокол связи (нет лицензионного сбора), что способствовало его распространению и популярности во всём мире.

 

Эволюция универсального последовательного порта персонального компьютера

 

21 век - век программных уровней(протоколов) в последовательных интерфейсах.

Если посмотреть на стандарты последовательных интерфейсов прошлого века, то они в основном описывали физические уровни, программные уровни оставались на волю разработчика. Сегодня ситуация изменилась, и описание программных уровней занимают почти весь стандарт. Когда начинают сравнивать последовательные интерфейсы разных лет, то иногда делают ошибку: сравнивая физический уровень одного интерфейса с программным уровнем другого интерфейса. Аналогично можно сравнивать операционную систему с материнской платой компьютера, и при этом говорить, что из них лучше.

Рассмотрим, как эволюционировал последовательный порт ПК.

Этапы эволюции последовательного порта ПК:

1962г. - разработан телекоммуникационный рекомендованный стандарт RS-232.

Это довольно сложный и чрезвычайно универсальный стандарт обмена последовательными данными, который может работать практически в любом оборудовании и приложениях. Один только кабель в 26 проводов, говорит о его сложности и его возможностях.

Краткая характеристика RS-232:

кабель: 26 проводов;

каналы данных: 4 (полный двух кратный дуплекс);

количество сервисных сигналов: 16 (независимых);

состояний линии связи: более 130000;

тип обмена: синхронный/асинхронный одноточечный;

скорость обмена: до 0,02 Mb/s;

длина пакета: 7...11 бит;

дальность связи: 25 ft(7.6m).

1983г. - специалистами IBM и Intel был разработан универсальный порт для ПК.

Была использована следующая конфигурация RS-232С:

кабель: 10 проводов;

каналы данных: 2 (полный дуплекс);

количество сервисных сигналов: 6 (независимых);

состояний линии связи: 128;

тип обмена: асинхронный одноточечный;

скорость обмена: до 0,115 Mb/s;

длина пакета: 7...11 бит;

дальность связи: 25 ft(7.6m).

1983г. - разработан рекомендованный стандарт RS-485

Он позволил работать через СОМ порт на большие расстояния в многоточечной среде.

Характеристики RS-485:

кабель: 4 провода;

 каналы данных: 1 (полудуплекс);

количество сервисных сигналов: 0;

состояний линии связи: 2;

тип обмена: асинхронный многоточечный;

скорость обмена: до 10 Mb/s;

длина пакета: нет;

дальность связи: 1200 m.

1991г. - увеличена кварцевая частота СОМ порта с 1,8432МГц до 24МГц.

Скорость обмена COM порта увеличилась до 1.5Mb/s, с учетом дуплекса до 3 Mb/s

Структура СОМ порта имеет большой потенциал для увеличения скорости обмена. При небольших доработках выходных каскадов скорость может быть увеличена до нескольких Gb/s. Интерфейс COM порта имеет очень короткий пакет с уверенной старт/стопной синхронизацией. Кроме этого COM порт работает в режиме независимого дуплекса и не требует время на переключения направления передачи. Как вы видите, когда понадобилась большая скорость, просто взяли и поставили другой кварц, абсолютно не меняя при этом структуру и аппаратуру СОМ порта.

1996г. - разработана спецификация нового универсального порта ПК USB 1.0.

Характеристики USB:

кабель: 5 проводов;

 каналы данных: 1 (полудуплекс);

количество сервисных сигналов: 9(зависимые);

состояний линии связи: 4;

тип обмена: асинхронный одноточечный;

скорость обмена: до 12 Mb/s;

длина пакета: 4...1030 байт;

дальность связи: 5 m.

USB создавался на основе 13 летнего опыта использования COM порта ПК и очень удачной связки физических уровней RS232-RS485.

 

Топология сети USB 1.1

 

Топология сети USB v.1.1 на физическом уровне представляет топологию многоярусной звезды (рисунок 8). Максимальное количество ярусов, предусмотренное спецификацией USB v.1.1, равно четырем. Отсюда, максимальный радиус сети равен 20 метрам. Максимальное количество устройств сети (хабов и функций) равно 127.

Сеть состоит:

- контроллера хоста(Host) с корневым хабом (RootHub), контроллер в сети всегда ведущий;

- устройств сети(Device), всегда ведомые.

Устройства сети бывают двух глобальных классов:

- концентраторы(Hub)-для разветвления сети;

- функциями(Function)-источники информации.

Каждое устройство имеет адрес из 7 бит, который оно получает от хоста при подключении к сети (1…127). Адрес устройства расширяется адресом конечной точки (4 бита), который задаётся разработчиком (0…15). Конечная точка с адресом 0 обязательна для всех устройств сети и содержит информацию необходимую для инициализации и подключения устройства к сети.

 

 

Рисунок 8 – Топология сети USB v.1.1 на физическом уровне

 

В процессе инициализации устройства все используемые конечные точки настраиваются на различные параметры канала связи с хостом.

То есть при обращении по заданному адресу к конечной точке устройства хост должен выставить тип передачи данных, который определяет:

- формат данных;

- направление потока связи;

- размер пакета данных;

- ограничения на доступ к шине;

- требуемая последовательность данных.

По сути дела, конечные точки представляют набор заранее сконфигурированных каналов обмена данными (Pipe) между устройством и хостом. Кроме 0 конечной точки, устройства могут поддерживать дополнительно:

- концентратор: до l доп. точки;

- низкоскоростное устройство: до 2 доп. точек;

- высокоскоростное устройство: до 15 доп. точек.

С точки зрения хоста, логическая топология сети выглядит как звезда (рисунок 9). То есть хост может обратиться к любому устройству напрямую по адресу устройства.

 

 

Рисунок 9 – Топология сети USB v.1.1 на логическом уровне

 

С точки зрения клиентского программного обеспечения, логическая топология сети выглядит как пучок каналов (Pipe) устройства к которому программист может адресно обратиться.

 

Содержание отчёта

 

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

- титульный лист;

- название и цель работы;

- ответы на контрольные вопросы.

 

9 Контрольные вопросы

 

1) Общие сведения об интерфейсе USB.

2) Назовите и опишите основные этапы развития универсального последовательного порта персонального компьютера.

3) Приведите описания существующих спецификаций USB.

4) Назовите общие технические характеристики USB.

5) Опишите общую структуру физического уровня USB 1.1.

6) Приведите описание устройства драйверов USB 1.1.

7) Как осуществляется кодирование и синхронизация при передаче сигналов по USB 1.1?

8) Приведите описания состояний линии связи USB 1.1 и генерируемые ими сигналы.

9) Какие типы кабелей и соединителей интерфейса USB 1.1? Назовите их характеристики.

10) Опишите топологию сети USB 1.1.

11) Перечислите микросхемы, аппаратно реализующие интерфейс USB 1.1.

 

Общие сведения об интерфейсе USB

 

USB (Universal Serial Bus) - универсальная последовательная шина.

Универсальный порт для подключения различных устройств к ПК и организации обмена между ними.

Описание USB состоит из ряда спецификаций, которые разрабатываются группой компаний в рамках некоммерческой организации USB Implementers Forum.

Основной целью данной разработки было создания универсального порта ПК для подключения потоковых устройств.

Спецификация USB 2.0-3.0 является на сегодняшний день основным коммуникационным портом персональных компьютеров.

USB представляет открытый протокол связи (нет лицензионного сбора), что способствовало его распространению и популярности во всём мире.