Типы USB: гид по различным стандартам. Виды USB разъемов Что такое USB OTG

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники.

Приеимущества шины:

• USB устройство может быть подсоединено к компьютеру в любой момент времени, даже когда включен;
• когда компьютер обнаруживает подключенное USB устройство, он автоматически опрашивает его, чтобы узнать его возможности и требования;
• производит загрузку драйвера, а при отключении устройства драйвер автоматически выгружается;
• USB устройство не использует джемперов, DIP переключателей, никогда не вызывает конфликтов прерываний, DMA, памяти;
• расширяющие USB хабы позволяют подключать к одной шине большое количество устройств (до 127 устройств);
• низкая стоимость USB устройств.

Возникновение USB сделало возможным создание USB Flash Drive (USB-накопитель).

История создания и развития интерфейса USB

Первая версия компьютерного интерфейс USB появилась 15 января 1996 года. Инициаторами проекта был альянс 7 крупных компаний производителей Intel, DEC, IBM, Northen Telecom, Compaq.

Причиной возникновения нового стандарта для передачи информации, послужила желание упростить соединение ПК с периферийными устройствами. Основная цель стандарта, была создать для пользователей возможность пользоваться таким интерфейсом, который бы обладал максимальной простотой, универсальностью, и использовал принцип Plug&Play или горячее соединение.

Это позволило бы подключать к ПК во время работы различные устройства ввода-вывода, с условием немедленного автоматического распознавания типа и модели подключённого устройства. Также, была поставлена цель, - избавиться от проблемы нехватки внутренних ресурсов прерываний системной шины.

Все эти задачи успешно были решены к концу 1996 года, а к весне 1997 года, стали появляться первые ПК, оборудованные разъёмами USB. Полная поддержка USB устройств была осуществлена только к концу 1998 года, в операционной системе Windows98, и только с этого этапа, началось особенно бурное развитие и выпуск периферийного оборудования, оснащённого этим интерфейсом.

По-настоящему массовое внедрение USB началось с широким распространением корпусов и системных плат форм-фактора ATX примерно в 1997-1998 годах. Не упустила шанс воспользоваться достижениями прогресса и компания Apple, представившая 6 мая 1998 года свой первый iMac, также оснащенный поддержкой USB.

Этот стандарт был рождён, в то время, когда уже существовал аналогичный последовательный интерфейс передачи данных, разработанный Apple Computer и имел название FireWare или IEE1394. USB - интерфейс был создан, как альтернатива IEE1394, и был призван не заменить его, а существовать параллельно уже существующему типу соединений.

Первая версия USB имела некоторые проблемы совместимости и содержала несколько ошибок в реализации. В итоге, в ноябре 1998 года вышла спецификаций USB 1.1.

Спецификация USB 2.0 была представлена в апреле 2000 года. Но до принятия ее в качестве стандарта прошло больше года. После этого началось массовое внедрение второй версии универсальной последовательной шины. Главным ее достоинством было 40-кратное увеличение скорости передачи данных. Но кроме этого были и другие нововведения. Так появились новые типы разъемов Mini-B и Micro-USB, добавилась поддержка технологии USB On-The-Go (позволяет USB-устройствам вести обмен данными между собой без участия USB-хоста), появилась возможность использования напряжения, подаваемого через USB, для зарядки подключенных устройств.

Принцип работы шины USB

USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Согласно спецификации USB, устройства (device) могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Хаб (hub) только обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Устройство-функция (function) USB предоставляет системе дополнительные функциональные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Комбинированное устройство (compound device), реализующее несколько функций, представляется как хаб с подключенными к нему несколькими устройствами.

Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (host controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой компьютера. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

Шина USB является хост-центрической: единственным ведущим устройством, которое управляет обменом, является хост-компьютер, а все присоединенные к ней периферийные устройства - исключительно ведомые. Физическая топология шины USB - многоярусная звезда. Ее вершиной является хост-контроллер, объединенный с корневым хабом (root hub). Хаб является устройством-разветвителем, кроме того, он может являться источником питания для подключенных к нему устройств. К каждому порту хаба может непосредственно подключаться периферийное устройство или промежуточный хаб; шина допускает до 5 уровней каскадирования хабов (не считая корневого). Каждый промежуточный хаб имеет несколько нисходящих (downstream) портов для подключения периферийных устройств (или нижележащих хабов) и один восходящий (upstream) порт для подключения к корневому хабу или нисходящему порту вышестоящего хаба.

К USB-хосту сходятся данные от подключенных устройств и он же обеспечивает взаимодействие с компьютером. Все устройства подключаются по топологии "звезда". Чтобы увеличить число активных разъемов USB можно воспользоваться USB-хабами. Таким образом получится аналог логической структуры "дерево". "Ветвей" у такого дерева может быть до 127 штук на один хост-контроллер, а уровень вложенности USB-хабов не должен превышать пяти. Кроме того, в одном USB-хосте может быть несколько хост-контроллеров, что пропорционально увеличивает максимальное число подключенных устройств.

Хабы бывают двух видов. Одни просто увеличивают число USB-разъемов в одном компьютере, а другие позволяют подключать несколько компьютеров. Второй вариант позволяет использовать нескольким системам одни и те же устройства. В зависимости от хаба переключение может производится как вручную, так и автоматически.

Одно физическое устройство, подключенное через USB, может логически подразделяться на "под-устройства", выполняющие те или иные определенные функции. Например, у веб-камеры может быть встроенные микрофон - получается, что у нее два под-устройства: для передачи аудио и видео.

Передача данных происходит через специальные логические каналы. Каждому USB-устройству может быть выделено до 32 каналов (16 на прием и 16 на передачу). Каждый канал подключается к условно называемой "конечной точке". Конечная точка может либо принимать данные, либо передавать их, но не способна делать это одновременно. Группа конечных точек, необходимых для работы какой-либо функции, называется интерфейсом. Исключение составляет "нулевая" конечная точка, предназначающаяся для конфигурации устройства.

Когда к USB-хосту подключается новое устройство начинается процесс присвоения ему идентификатора. Первым делом устройству посылается сигнал перехода в исходное состояние. Тогда же происходит и определение скорости, с которой может вестись обмен данными. После считывается конфигурационная информация с устройства, и ему присваивается уникальный семибитный адрес. Если устройство поддерживается хостом, то загружаются все необходимые драйвера для работы с ним, после чего процесс завершен. Перезагрузка USB-хоста всегда вызывает повторное присвоение идентификаторов и адресов всем подключенным девайсам.

В отличие от шин расширения (ISA/EISA, PCI, PC Card), где программа взаимодействует с устройствами путем обращений по физическим адресам ячеек памяти, портов ввода-вывода, прерываниям и каналам DMA, взаимодействие приложений с устройствами USB выполняется только через программный интерфейс. Этот интерфейс, обеспечивающий независимость обращений к устройствам, предоставляется системным ПО контроллера 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, шина USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА).

Кодирование данных

Для передачи данных по шине используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Все данные кодируются с помощью метода, называемого NRZI with bit stuffing (NRZI - Non Return to Zero Invert, метод возврата к нулю с инвертированием единиц).

Вместо кодирования логических уровней как уровней напряжения USB определяет логический 0 как изменение напряжения, а логическую 1 как неизменение напряжения. Этот метод представляет собой модификацию обычного потенциального метода кодирования NRZ (Non Return to Zero, невозврат к нулю), когда для представления 1 и 0 используются потенциалы двух уровней, но в методе NRZI потенциал, используемый для кодирования текущего бита, зависит от потенциала, который использовался для кодирования предыдущего бита. Если текущий бит имеет значение 0, то текущий потенциал представляет собой инверсию потенциала предыдущего бита, независимо от его значения. Если же текущий бит имеет значение 1, то текущий потенциал повторяет предыдущий. Очевидно, что если данные содержат нули, то приемнику и передатчику достаточно легко поддерживать синхронизацию - уровень сигнала будет постоянно меняться. А вот если данные содержат длинную последовательность единиц, то уровень сигнала меняться те будет, и возможна рассинхронизация. Следовательно, для надежной передачи данных нужно исключить из кодов слишком длинные последовательности единиц. Это действие называется стаффинг (Bit stuffing): после каждых шести единиц автоматически добавляется 0.

Существует только три возможных байта с шестью последовательными единицами: 00111111, 01111110, 111111100.

Стаффинг может увеличить число передаваемых бит до 17%, но на практике эта величина значительно меньше. Для устройств, подключаемых к шине USB, кодирование происходит прозрачно: USB-контроллеры производят кодирование и декодирование автоматически.

Режимы работы шины

• Low Speed поддерживается стандартами версии 1.1 и 2.0. Пиковая скорость передачи данных - 1.5 Мбит/с (187.5 Кбайт/с). Чаще всего применяется для HID-устройств (клавиатур, мышей, джойстиков).
• Full Speed поддерживается стандартами версии 1.1 и 2.0. Пиковая скорость передачи данных - 12 Мбит/с (1.5 Мбайт/с). До выхода USB 2.0 был наиболее быстрым режимом работы.
• Hi-Speed поддерживается стандартом версии 2.0 и 3.0. Пиковая скорость передачи данных - 480 Мбит/с (60 Мбайт/с).
• Super-Speed поддерживается стандартом версии 3.0. Пиковая скорость передачи данных - 4.8 Гбит/с (600 Мбайт/с).

Передача данных

Механизм передачи данных является асинхронным и блочным. Блок передаваемых данных называется USB-фреймом или USB-кадром и передается за фиксированный временной интервал. Оперирование командами и блоками данных реализуется при помощи логической абстракции, называемой каналом. Внешнее устройство также делится на логические абстракции, называемые конечными точками. Таким образом, канал является логической связкой между хост-контроллером и конечной точкой внешнего устройства. Канал можно сравнить с открытым файлом.

Для передачи команд (и данных, входящих в состав команд) используется канал по умолчанию, а для передачи данных открываются либо потоковые каналы, либо каналы сообщений.

Информация по каналу передается в виде пакетов (Packet). Каждый пакет начинается с поля синхронизации SYNC (SYNChronization), за которым следует идентификатор пакета PID (Packet IDentifier).

Систему USB следует разделить на три логических уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит интерфейсную, логическую и функциональную части. Хост тоже делится на три части - интерфейсную, системную и программное обеспечение. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач.

Операция обмена данными между прикладной программой и шиной USВ выполняется путем передачи буферов памяти через следующие уровни: Уровень клиентского ПО в хосте:

• обычно представляется драйвером устройства USB;
• обеспечивает взаимодействие пользователя с операционной системой с одной стороны и системным драйвером с другой.

Уровень системного обеспечения USB в хосте (USBD, Universal Serial Bus Driver):

• управляет нумерацией устройств на шине;
• управляет распределением пропускной способности шины и мощности питания;
• обрабатывает запросы пользовательских драйверов.

Хост-контроллер интерфейса шины USB (HCD, Host Controller Driver):

• преобразует запросы ввода/вывода в структуры данных, по которым хост-контроллер выполняет физические транзакции;
• работает с регистрами хост-контроллера.

Уровень клиентского программного обеспечения определяет тип передачи данных, необходимый для выполнения затребованной прикладной программой операции. После определения типа передачи данных этот уровень передает системному уровню следующее:

• буфер памяти, называемый клиентским буфером;
• пакет запроса на в/в (IRP, Input/output Request Packet), указывающий тип необходимой операции.
• IRP содержит только сведения о запросе (адрес и длина буфера в оперативной памяти). Непосредственно обработкой запроса занимается системный драйвер USB.

Уровень системного драйвера USB необходим для управления ресурсами USB. Он отвечает за выполнение следующих действий:

• распределение полосы пропускания шины USB;
• назначение логических адресов устройств каждому физическому USB-устройству;
• планирование транзакций.

Логически передача данных между конечной точкой и ПО производится с помощью выделения канала и обмена данными по этому каналу.Клиентское ПО посылает IPR-запросы уровню USBD. Драйвер USBD разбивает запросы на транзакции по следующим правилам:

• выполнение запроса считается законченным, когда успешно завершены все транзакции, его составляющие;
• все подробности отработки транзакций (такие как ожидание готовности, повтор транзакции при ошибке, неготовность приемника и т. д.) до клиентского ПО не доводятся;
• ПО может только запустить запрос и ожидать или выполнения запроса или выхода по тайм-ауту;
• устройство может сигнализировать о серьезных ошибках, что приводит к аварийному завершению запроса, о чем уведомляется источник запроса.

Драйвер контроллера хоста принимает от системного драйвера шины перечень транзакций и выполняет следующие действия:

• планирует исполнение полученных транзакций, добавляя их к списку транзакций;
• извлекает из списка очередную транзакцию и передает ее уровню хост-контроллера интерфейса шины USB;
• отслеживает состояние каждой транзакции вплоть до ее завершения.

Хост-контроллер интерфейса шины USB формирует кадры. Кадры передаются последовательной передачей бит по методу NRZI.

Таким образом:

• каждый кадр состоит из наиболее приоритетных посылок, состав которых формирует драйвер хоста;
• каждая передача состоит из одной или нескольких транзакций;
• каждая транзакция состоит из пакетов;
• каждый пакет состоит из идентификатора пакета, данных (если они есть) и контрольной суммы.

Типы передачи данных

Спецификация шины определяет четыре различных типа передачи (transfer type) данных для конечных точек.

Управляющие передачи (Control Transfers) - используются хостом для конфигурирования устройства во время подключения, для управления устройством и получения статусной информации в процессе работы. Протокол обеспечивает гарантированную доставку таких посылок. Длина поля данных управляющей посылки не может превышать 64 байт на полной скорости и 8 байт на низкой. Для таких посылок хост гарантированно выделяет 10% полосы пропускания.

Передачи массивов данных (Bulk Data Transfers) - применяются при необходимости обеспечения гарантированной доставки данных от хоста к функции или от функции к хосту, но время доставки не ограничено. Taкая передача занимает всю доступную полосу пропускания шины. Пакеты имеют поле данных размером 8, 16, 32 или 64 байт. Приоритет у таких передач самый низкий, они могут приостанавливаться при большой загрузке шины. Допускаются только на полной скорости передачи. Такие посылки используются, например, принтерами или сканерами.

Передачи по прерываниям (Interrupt Transfers) - используются в том случае, когда требуется передавать одиночные пакеты данных небольшого размера. Каждый пакет требуется передать за ограниченное время. Операции передачи носят спонтанный характер и должны обслуживаться не медленнее, чем того требует устройство. Поле данных может содержать до 64 байт на полной скорости и до 8 байт на низкой. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 1-255 мс для полной скорости и 10-255 мс - для низкой. Такие передачи используются в устройствах ввода, таких как мышь и клавиатура.

Изохронные передачи (Isochronous Transfers) - применяются для обмена данными в "реальном времени", когда на каждом временном интервале требуется передавать строго определенное количество данных, но доставка информации не гарантирована (передача данных ведется без повторения при сбоях, допускается потеря пакетов). Такие передачи занимают предварительно согласованную часть пропускной способности шины и имеют заданную задержку доставки. Изохронные передачи обычно используются в мультимедийных устройствах для передачи аудио- и видеоданных, например, цифровая передача голоса. Изохронные передачи разделяются по способу синхронизации конечных точек - источников или получателей данных - с системой. Различают асинхронный, синхронный и адаптивный классы устройств, каждому из которых соответствует свой тип канала USB.

Все операции по передаче данных инициируются только хостом независимо от того, принимает ли он данные или пересылает в периферийное устройство. Все невыполненные операции хранятся в виде четырех списков по типам передач. Списки постоянно обновляются новыми запросами. Планирование операций по передаче информации в соответствии с упорядоченными в виде списков запросами выполняется хостом с интервалом один кадр. Обслуживание запросов выполняется в соответствии со следующими правилами:

• наивысший приоритет имеют изохронные передачи;
• после отработки всех изохронных передач система переходит к обслуживанию передач прерываний;
• в последнюю очередь обслуживаются запросы на передачу массивов данных;
• по истечении 90% указанного интервала хост автоматически переходит к обслуживанию запросов на передачу управляющих команд независимо от того, успел ли он полностью обслужить другие три списка или нет.

Выполнение этих правил гарантирует, что управляющим передачам всегда будет выделено не менее 10% пропускной способности шины USB. Если передача всех управляющих пакетов будет завершена до истечения выделенной для них доли интервала планирования, то оставшееся время будет использовано хостом для передач массивов данных.

Версии спецификации

Разработка спецификаций на шину USB производится в рамках международной некоммерческой организации USB Implementers Forum (USB-IF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шиной USB.

С середины 1996 года выпускаются PC со встроенным контроллером USB, реализуемым чипсетом системной платы.

Первая версия спецификации USB 1.0 поддерживает два режима скорости передачи данных между устройством и компьютером:

• Low Speed (1.5 Mbits/sec) , для таких устройств как мыши, клавиатуры и джойстики;
• Full Speed (12 Mbits/ sec) , для модемов и сканеров.

Осенью 1998 года вышла версия 1.1 - в ней были устранены обнаруженные проблемы первой редакции.

Основные технические характеристики USB 1.1:

• Достаточно высокая максимальная скорость обмена - до 12 Мбит/с.
• Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 4,5 м.
• Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) - до 127.
• Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена.
• Не требуется использование дополнительных устройств и терминаторов.
• Подается напряжение питания для периферийных устройств - 5 В.
• Максимальный ток потребления на одно устройство - 500 mA.

Весной 2000 года опубликована спецификация USB 2.0, в которой предусмотрено 40-кратное повышение пропускной способности шины(до 480 Мбит/с в высокоскоростном режиме). Однако устройства USB 2.0 вышли на массовый рынок в 2002 года, когда новый интерфейс, наконец, смог утвердиться.

Вторая версия спецификации USB 2.0 позволяет использовать еще один режим High Speed (480 Mbit/sec) для таких устройств, как жесткие диски, CD-ROM, цифровые камеры. Пропускная способность 480 Мбит/с достаточная и для внешних накопителей, MP3-плееров, смартфонов и цифровых камер, которым требовалась передавать большое количество данных. Также спецификация USB 2.0 полностью поддерживает устройства, разработанные для первой версии. Контроллеры и хабы автоматически определяют версию спецификации, поддерживаемую устройством. Шина позволяет соединять до 127 устройств, удаленныех от компьютера на расстоянии до 25 м (с использованием промежуточных хабов).

После своего широкого внедрения USB 2.0 удалось полностью заменить последовательный и параллельный интерфейсы.

В настоящее время широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB 2.0.

USB 3.0

USB 3.0 поддерживает максимальную скорость передачи 5 Гбит/с.

Коннектор USB 3.0 типа А

Основной целью интерфейса USB 3.0 является повышение доступной пропускной способности, однако новый стандарт эффективно оптимизирует энергопотребление. У USB 3.0 есть четыре состояния подключения, названные U0-U3. Состояние подключения U0 соответствует активной передаче данных, а U3 погружает устройство в "сон". Если подключение бездействует, то в состоянии U1 будут отключены возможности приёма и передачи данных. Состояние U2 идёт ещё на шаг дальше, отключая внутренние тактовые импульсы.

Коннектор USB 3.0 типа В

Соответственно, подключённые устройства могут переходить в состояние U1 сразу же после завершения передачи данных, что, как предполагается, даст ощутимые преимущества по энергопотреблению, если сравнивать с USB 2.0.

Кроме разных состояний энергопотребления стандарт USB 3.0 отличается от USB 2.0 и более высоким поддерживаемым током. Если версия USB 2.0 предусматривала порог тока 500 мА, то в случае нового стандарта ограничение было сдвинуто до планки 900 мА. Ток при инициации соединения был увеличен с уровня 100 мА у USB 2.0 до 150 мА у USB 3.0. Оба параметра весьма важны для портативных жёстких дисков, которые обычно требуют чуть большие токи. Раньше проблему удавалось решить с помощью дополнительной вилки USB, получая питание от двух портов, но используя только один для передачи данных.

Кабели и разъемы USB

В отличие от громоздких дорогих шлейфов параллельных шин АТА и особенно шины SCSI с ее разнообразием разъемов и сложностью правил подключения, кабельное хозяйство USB простое и изящное.

Существует пять видов USB-разъемов :

Слева направо: micro USB, mini USB, B-type, A-type разъем, A-type коннектор

• micro USB - используется в самых миниатюрных устройствах вроде плееров и мобильных телефонов;
• mini USB - также часто обнаруживается на плеерах, мобильных телефонах, а заодно и на цифровых фотоаппаратах, КПК и тому подобных устройствах;
• B-type - полноразмерный разъем, устанавливаемый в принтерах, сканерах и других устройствах, где размер не имеет очень принципиального значения;
• A-type (приемник) - разъем, устанавливаемый в компьютерах (либо на удлинителях USB), куда подключается коннектор типа A-type;
• A-type (вилка) - коннектор, подключаемый непосредственно к компьютеру в соответствующий разъем.

Cистема кабелей и коннекторов USB не дает возможности ошибиться при подключении устройств. Гнезда типа «А» устанавливаются только на нисходящих портах хабов, вилки типа «А» - на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов. Гнезда и вилки типа «В» используются только для шнуров, отсоединяемых от периферийных устройств и восходящих портов хабов (от «мелких» устройств - мышей, клавиатур и т. п. кабели, как правило, не отсоединяются). Хабы и устройства обеспечивают возможносгь «горячего» подключения и отключения.

Максимальная длина USB-кабеля может составлять 5 метров. Данное ограничение введено для снижения времени отклика устройства. Хост-контроллер ожидает поступление данных ограниченное время, и если они задерживаются, то соединение может быть потеряно.

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.

Литература

1. Косцов А.,Косцов В.Железо ПК. Настольная книга пользователя. - М.: Мартин, 2006. - 480 с.

Реферат

Интерфейс USB

Введение

аппаратный кабель интерфейс

Увеличение числа устройств, подключаемых к персональному компьютеру, и, соответственно, развитие внешних интерфейсов привело к противоречивой ситуации: с одной стороны, компьютер должен иметь множество различных разъемов, а с другой - большая часть из них не используется. Такая ситуация определяется историческим развитием интерфейсов ПК - каждый интерфейс имел свой специализированный разъем. Более того, к одному порту в большинстве случаев можно подключить только одно устройство. Кроме того, проблема многочисленности разнообразных подключений включает в себя и следующие аспекты:

практически для каждого из устройств необходимо выделение аппаратного прерывания (IRQ);

большая часть устройств требует наличия внешнего блока питания;

каждое устройство имеет свой протокол обмена, многократно увеличивая необходимее количество драйверов;

конфигурирование огромного числа устройств, многие из которых не поддерживают спецификации Plug and Play, достаточно сложно для обычного пользователя и др.

Естественно, что производители аппаратного обеспечения задумались о создании единого и универсального интерфейса. И в начале 1996 года была опубликована версия 1.0 нового интерфейса USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина).

Последовательные шины позволяют объединять множество устройств, используя всего 1-2 пары проводов. Функциональные возможности этих шин гораздо шире, чем у традиционных интерфейсов локальных сетей.

Шина USB ориентирована именно на периферийные устройства, подключаемые к персональному компьютеру. Устройства могут подключаться к USB четырехпроходным кабелем без выключения компьютера. Изохронные передачи USB позволяют передавать цифровые аудиосигналы, а шина USB 2.0 способна нести и видеоданные. Все передачи управляются централизованно, и ПК является необходимым управляющим узлом, находящимся в корне древовидной структуры шины. Спецификация USB подразумевает прозрачное подключение устройств к шине и позволяет иметь несколько устройств на одном порту. Адаптер USB входит в состав всех современных чипсетов системных плат.

1. История USB

Интерфейс USB появился по компьютерным меркам довольно давно. Спецификация версии 1.1 на этот интерфейс была опубликована в начале 1996 года, большинство устройств поддерживает версию 1.1, которая вышла осенью 1998 года, - в ней были устранены обнаруженные проблемы первой редакции. Весной 2000 года опубликована спецификация USB 2.0, в которой предусмотрено 40-кратное повышение пропускной способности шины. В конце 2008 года USB Implementers Forum финализировал спецификации стандарта USB 3.0. Новый стандарт увеличил пропускную способность еще в 10 раз (пиковая производительность - 5 Гбит/с).

Первоначально (в версиях 1.0 и 1.1) шина обеспечивала две скорости передачи информации: полная скорость FS (full speed) - 12 Мбит/с и низкая скорость LS (Low Speed) - 1,5 Мбит/с. В версии 2.0 определена еще и высокая скорость HS (High Speed) - 480 Мбит/с, которая позволяет существенно расширить круг устройств, подключаемых к шине. В одной и той же системе могут присутствовать и одновременно работать устройства со всеми тремя скоростями. При этом предусматривается обратная совместимость устройств USB 2.0 с USB 1.x, т.е. «старые» USB 1.x устройства будут работать с USB 2.0 контроллерами, правда на скорости 12 Мбит/с. Скорость 480 Мбит/с достигается только при одновременном использовании USB 2.0 контроллера и USB 2.0 периферии.

Шина USB разрабатывалась для обеспечения механизма взаимодействия компьютерных и телефонных систем, однако вскоре члены комитета разработки поняли, что USB может удовлетворить потребности многих приложения и все сферы компьютерной телефонии.

Разработчики шины ориентировались на создание интерфейса, обладающего следующими свойствами:

легко реализуемое расширение периферии ПК;

дешевое решение, позволяющее передавать данные с высокой скоростью;

гибкость протокола смешанной передачи изохронных данных и асинхронных сообщений;

интеграция с выпускаемыми устройствами;

охват всевозможных конфигураций и конструкций ПК;

обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок;

создание новых классов устройств, расширяющих ПК.

Практически все поставленные задачи были решены, и весной 1997 года стали появляться компьютеры, оборудованные разъемами для подключения USB-устройств. Иконкой, официально обозначается шина USB, как в Windows, так и на USB-разъемах.

В феврале 2004 года корпорация Intel совместно с Agere, Systems, HP, Microsoft Corporation, NEC, Philips Semiconductors и Samsung Electronics объявила о создании группы продвижения беспроводного USB (Wireless USB Promoter Group). Ее задача - продвижение высокоскоростной технологии беспроводного подключения внешних устройств Wireless USB на скорости 480 Мбит/с с дальностью действия при низком энергопотреблении до 10 метров.

2. Сравнение USB с другими интерфейсами

В настоящее время достойной альтернативы USB не существует (кроме, пожалуй, изначального конкурента - Fire Wire, но у этой шины принципиально другая система соединения). Интерфейсы, сравнимые с USB по скорости обмена, требуют специальных преобразователей (например, RS-485). Интерфейсы, не требующие дополнительных элементов, либо низкоскоростные, либо узконаправленные (RS-232, LPT, MIDI и др.). Кроме того, к несомненным плюсам USB относятся организация помехозащищенности на уровне аппаратного и шинного протоколов и «встроенная» поддержка Plug and Play, а также отсутствие дополнительных элементов для подключения устройств (как, например, терминаторы для SCSI-интерфейса). Единственным минусом можно считать довольно короткое кабельное соединение, но следует помнить, что шина USB разрабатывалась как шина для домашних устройств и дальние соединения не закладывались в нее изначально.

3. Архитектура USB-шины

.1 Общая архитектура

Для шины USB выбран последовательный формат пересылки данных, обеспечивающий ее наименьшую стоимость и наибольшую гибкость. Тактирующий сигнал и данные кодируются вместе и передаются как единый сигнал. В результате нет никаких ограничений в отношении тактовой частоты или расстояний, связанных со сдвигом данных, благодаря чему становится возможной высокая пропускная способность соединений с высокой тактовой частотой.

Для того чтобы к шине USB можно было одновременно подключать большое количество устройств, удаляемых и подсоединяемых в любое время, эта шина имеет древовидную структуру. Компьютер в такой конфигурации является управляющим устройством и называется хостом. В узлах дерева располагаются устройства, называемые хабами и действующие как промежуточные управляющие компоненты между хостом и устройствами ввода-вывода. Компьютер имеет встроенный хаб, называемый корневым хабом, который соединяет все дерево с хост-компьютером. «Листьями» дерева являются устройства ввода-вывода (клавиатура, динамики, соединение с Интернетом, цифровой телевизор и т.п.), в терминологии USB называемые функциями.

3.2 Составляющие USB

Шина USB состоит из следующих элементов.

Хост-контроллер (Host Controller) - это главный контроллер, который входит в состав системного блока компьютера и управляет работой всех устройств на шине USB. Для краткости его называют просто «хост». На шине USB допускается наличие только одного хоста. Системный блок персонального компьютера содержит один или несколько хостов, каждый из которых управляет отдельной шиной USB.

Устройство (Device) может представлять собой хаб, функцию или их комбинацию (Compound Device).

Порт (Port) - точка подключения.

Хаб (Hub, другое название - концентратор) - устройство, которое обеспечивает дополнительные порты на шине USB. Другими словами, хаб преобразует один порт (восходящий порт, Upstream Port) во множество портов (нисходящие порты, Downstream Ports). Архитектура допускает соединение нескольких хабов (не более 5). Хаб распознает подключение и отключение устройств к портам и может управлять подачей питания на порты. Каждый из портов может быть разрешен или запрещен и сконфигурирован на полную или ограниченную скорость обмена. Хаб обеспечивает изоляцию сегментов с низкой скоростью от высокоскоростных. Хаб может ограничивать ток, потребляемый каждым портом.

Корневой хаб (Root Hub) - это хаб, входящий в состав хоста.

Функция (Function) - это периферийное устройство (ПУ) или отдельный блок периферийного устройства, способный передавать и принимать информацию по шине USB. Каждая функция предоставляет конфигурационную информацию, описывающую возможности ПУ и требования к ресурсам. Перед использованием функция должна быть сконфигурирована хостом - ей должна быть выделена полоса в канале и выбраны опции конфигурации.

3.3 Свойства составляющих

Свойства USB-устройств

Спецификация USB жестко определяет набор свойств, которые должно поддерживать любое USB-устройство:

адресация - устройство должно отзываться на назначенный ему уникальный адрес и только на него;

конфигурирование - после включения или сброса устройство должно предоставлять нулевой адрес для возможности конфигурирования его портов;

передача данных - устройство имеет набор конечных точек для обмена данными с хостом. Для конечных точек, допускающих разные типы передач, после конфигурирования доступен только один из них;

управление энергопотреблением - любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. Если хаб не может обеспечить устройству заявленный ток, устройство не будет использоваться;

приостановка - устройство USB должно поддерживать приостановку (Suspended Mode), при которой его потребляемый ток не превышает 500 мкА. Устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины;

удаленное пробуждение - возможность удаленного пробуждения (Remote Wakeup) позволяет приостановленному устройству подать сигнал хосту, который тоже может находиться в приостановленном состоянии.

Свойства хабов

Хаб выполняет коммутацию сигналов и выдачу питающего напряжения, а также отслеживает состояние подключенных к нему устройств, уведомляя хост об изменениях. Хаб состоит из двух частей - контроллера (Hub Controller) и повторителя (Hub Repeater).

Контроллер содержит регистры для взаимодействия с хостом. Доступ к регистрам осуществляется по специфическим командам обращения к хабу. Команды позволяют конфигурировать хаб, управлять нисходящими портами и опрашивать их состояние.

Повторитель представляет собой управляемый ключ, соединяющий выходной порт со входным. Он имеет средства сброса и приостановки передачи сигналов.

Нисходящие порты хабов могут находиться в следующих состояниях:

Питание отключено (Powered off) - на порт не подается питание (возможно только для хабов, коммутирующих питание). Выходные буферы переводятся в высокоимпедансное состояние, входные сигналы игнорируются;

Отсоединен (Disconnected) - порт не передает сигналы ни в одном направлении, но способен обнаружить подключение устройства;

Запрещен (Disabled) - порт передает только сигнал сброса (по команде контроллера), сигналы от порта (кроме обнаружения отключения) не воспринимаются;

Разрешен (Enabled) - порт передает сигналы в обоих направлениях. По команде контроллера или по обнаружении ошибки кадра порт переходит в состояние «Запрещен», а по обнаружении отключения - в состояние «Отсоединен»;

Приостановлен (Suspended) - порт передает сигнал перевода в состояние «спящий режим». Если хаб находится в активном состоянии, сигналы через порт не пропускаются ни в одном направлении.

Состояние каждого порта идентифицируется контроллером хаба с помощью отдельных регистров. Имеется общий регистр, биты которого отражают факт изменения состояния каждого порта. Это позволяет хосту быстро узнать состояние хаба, а в случае обнаружения изменений специальными транзакциями уточнить состояние.

Свойства хоста

Хост имеет следующие обязанности:

обнаружение подключения и отключения устройств USB;

управление потоками данных;

сбор статистики;

обеспечение энергосбережения подключенными ПУ.

Системное ПО контроллера управляет взаимодействием между устройствами и их ПО, функционирующим на хост-компьютере, для согласования:

нумерации и конфигурирования устройств;

изохронных передач данных;

управления энергопотреблением;

информации об управлении устройствами и шиной.

4. Аппаратное обеспечение

.1 Кабели

Спецификация USB предъявляет несколько требований к кабельному соединению:

предотвращение ошибки соединения разъемов;

простота кабельного соединения;

возможность подключения устройств, имеющих питание от шины и возможность подключения устройств, имеющих внешнее питание.

Соединительный кабель, используемый для подключения устройств с интерфейсом USB, представляет собой четырехжильный кабель в экранирующей оплетке и защитным покрытием из полихлорвинила. Два проводника предназначены для передачи данных, один - для источника питания (+5 В) и один - для «земли»

Спецификация USB 2.0 определяет три возможных типа используемых кабелей:

стандартный съемный кабель;

высокоскоростной (полноскоростной) несъемный кабель;

низкоскоростной несъемный кабель.

Стандартный съемный кабель служит для соединения хоста или хаба с устройством. С одной стороны он заканчивается разъемом типа «А» для подключения к хосту или хабу, а с другой - разъемом типа «В» или «mini-B» для подключения к устройству. Оба разъема маркируются логотипом USВ.

Несъемный кабель заканчивается с одной стороны разъемом типа «А» (с маркировкой) для подключения к хосту или хабу, а с другой стороны жестко присоединен к устройству, т.е. имеет всего один разъем.

Высокоскоростной кабель имеет импеданс 90+15% Ом и полную задержку распространения сигнала 26 нс. Кабель обязательно должен иметь витую пару из сигнальных проводников и экранирующую оплетку. Такой кабель можно использовать и для низкоскоростного соединения.

Низкоскоростной кабель предназначен для работы на скоростях до 1,5 Мбайт/с. В связи с этим к кабелю предъявляются меньшие требования: низкоскоростной кабель не имеет витой пары из сигнальных проводников и экранирующей оплетки. Он должен иметь емкость в диапазоне 200-450 пФ и задержку на распространение сигнала не более 18 нс.

Длина соединительного кабеля определяется импедансом и задержкой распространения сигнала. В среднем длина составляет три-пять метров, но может быть и до десяти. Определяющим фактором является качество изготовления и используемый материал.

4.2 Разъемы

Для предотвращения ошибочных соединений USB использует USB-кабели с различными разъемами. Согласно спецификации, устройства, работающие с шиной USВ, могут использовать три типа разъемов: «А», «В» и «Mini-B». Разъемы «А» обозначают принадлежность к «ведущему» устройству, они используются в хостах и хабах. Их всегда можно встретить, например, на современных материнских платах персональных компьютеров. Разъемы «В» используют «ведомые» устройства. Тип разъемов «mini-В» появился в спецификации в 2000 году с введением стандарта USB 2.0. Этот разъем позиционируется для применения в малогабаритных мобильных устройствах, например, в сотовых телефонах, когда габариты самого устройства соизмеримы с размерами разъема.

Конструктивно разъемы задуманы так, что сначала происходит соединение шины питания, потом шины данных.

Спецификация USB определяет стандартную цветовую гамму для проводников внутри USB-кабеля, что значительно облегчает идентификацию проводов при применении кабелей от разных производителей.

Кабель также имеет линии VBus и GND для передачи питающего напряжения 5 В к устройствам. Сечение проводников выбирается в соответствии с длиной сегмента для обеспечения гарантированного уровня сигнала и питающего напряжения.

5. Принципы передачи данных

Информация, пересылаемая через соединения USВ, организуется в пакеты, каждый из которых включает один или несколько байтов данных. В интерфейсе USB испольуется несколько разновидностей пакетов:

пакет-признак (token paket) описывает тип и направление передачи данных, адрес устройства и порядковый номер конечной точки (КТ - адресуемая часть USB-устройства); пакет-признаки бывают нескольких типов: IN, OUT, SOF, SETUP;

пакет с данными (data packet) содержит передаваемые данные;

пакет согласования (handshake packet) предназначен для сообщения о результатах пересылки данных; пакеты согасования бывают нескольких типов: ACK, NAK, STALL.

Таким образом, каждая транзакция состоит из трех фаз: фаза передачи пакета-признака, фаза передачи данных и фаза согласования.

В интерфейсе USB используются несколько типов пересылок информации:

Управляющая пересылка (control transfer) используется для конфигурации устройства, а также для других специфических для конкретного устройства целей. Управляющие пересылки содержат две стадии: Setup-стадия и статусная стадия. Между ними может располагаться стадия передачи данных. Setup-стадия используется для выполнения SETUP-транзакции, в процессе которой пересылается информация в управляющую КТ функции. SETUP-транзакция содержит SETUP-пакет, пакет с данными и пакет согласования.

Если пакет с данными получен успешно, то она отсылает хосту ACK-пакет. Иначе транзакция завершается.

Потоковая пересылка (bulk transfer) используется для передачи относительно большого объема информации. Потоковые пересылки характеризуются гарантированной безошибочной передачей данных между хостом и функцией посредством обнаружения ошибок при передаче и повторного запроса информации.

Пересылка с прерыванием (iterrupt transfer) используется для передачи небольшого объема информации, для которого важна своевременная пересылка. Имеет ограниченную длительность и повышенный приоритет относительно других типов пересылок. Пересылки с прерыванием могут содержать IN- или OUT-пересылки. Если у функции нет информации, для которой требуется прерывание, то в фазе передачи данных функция возвращает NAK-пакет. Если работа КТ с прерыванием приостановлена, то функция возвращает STALL-пакет. При необходимости прерывания функция возвращает необходимую информацию в фазе передачи данных. Если хост успешно получил данные, то он посылает ACK-пакет. В противном случае согласующий пакет хостом не посылается.

Изохронная пересылка (isochronous transfer) также называется потоковой пересылкой реального времени. Информация, передаваемая в такой пересылке, требует реального масштаба времени при ее создании, пересылке и приеме. Изохронные транзакции содержат фазу передачи признака и фазу передачи данных, но не имеют фазы согласования. Хост отсылает IN- или OUT-признак, после чего в фазе передачи данных КТ (для IN-признака) или хост (для OUT-признака) пересылает данные. Изохронные транзакции не поддерживают фазу согласования и повторные посылки данных в случае возникновения ошибок.

Пересылаемую по шине USB информацию можно разделить на две категории: управляющая информация и данные. Управляющие пакеты используются для адресации устройств при инициировании пересылки данных, а также для подтверждения факта получения правильных данных и сообщений об ошибках. Пакеты данных содержат входные и выходные данные, которыми хост обменивается с устройством, и некоторую другую информацию.

Каждый пакет состоит из одного или нескольких полей, содержащих разные типы информации. Первое поле любого пакета называется идентификатором и обозначается как PID. Оно идентифицирует тип пакета. В этом поле четыре бита информации, которые передаются дважды. В первый раз пересылаются их реальные значения, а во второй - дополненные. Это позволяет устройству-получателю проверить достоверность полученного байта PID.

Механизм передачи данных является асинхронным и блочным. Блок передаваемых данных называется USB-фреймом или USB-кадром (состоит из пакетов) и передается за фиксированный временной интервал. Оперирование командами и блоками данных реализуется при помощи логической абстракции, называемой каналом. Внешнее устройство также делится на логические абстракции, называемые конечными точками. Таким образом, канал является логической связкой между хост-контроллером и конечной точкой внешнего устройства. Канал можно сравнить с открытым файлом.

Для передачи команд (и данных, входящих в состав команд) используется канал по умолчанию, а для передачи данных открываются либо потоковые каналы, либо каналы сообщения.

Для шины USB настоящего механизма прерываний (как, например, для последовательного порта) не существует. Вместо этого хост-контроллер опрашивает подключенные устройства на предмет наличия данных о прерывании. Опрос происходит в фиксированные интервалы времени, обычно каждые 1-32 мс.

С точки зрения драйвера, возможности работы с прерываниями фактически определяются хост-контроллером, который и обеспечивает поддержку физической реализации USB-интерфейса.

6. USB-устройства

Благодаря своей универсальности и способности эффективно передавать разнородный трафик, шина USB применяется для подключения к PC самых разнообразных устройств. Она призвана заменить традиционные порты PC - СОМ и LPT, а также порты игрового адаптера и интерфейса MIDI.

Обычно USB-устройство представляет собой USB-функцию с портом для подключения. Типичными примерами функций являются:

указатели: мышь, планшет, световое перо;

устройства ввода: клавиатура, сканер;

устройства вывода: принтер, звуковые колонки, монитор;

телефонный адаптер ISDN;

флеш-диски.

Часто USB-устройство имеет встроенный хаб, позволяющий подключать к нему другие устройства.

6.1 Мышь и клавиатура

Подключение USB-мыши может быть оправдано при необходимости освободить последовательный порт. Однако для мыши остается еще порт PS/2, поэтому USB-мышь не особенно необходима, за исключением возможности конфигурирования частоты опроса, что оценят любители компьютерных игр, или в отсутствии других портов (в ноутбуках).

Использование USB-клавиатуры интересно только возможностью подключения USB-мыши прямо к клавиатуре, а также экономией системных ресурсов.

6.2 Мониторы

В отличие от USB-колонок, не требующих звуковой карты, USB-монитор все же требует графический адаптер (видеокарту). «USB» в названии означает наличие USB-портов, позволяющих подключать USB-устройства непосредственно к монитору, а также возможность программного конфигурирования настроек монитора по USB-интерфейсу.

6.3 Переходники USB-to-COM и USB-to-LPT

Конвертеры USB-to-COM и USB-to-LPT незаменимы в тех случаях, когда последовательные и параллельные порты в системе уже заняты (или недееспособны). Эти устройства позволяют подключать к USB-порту устройства с последовательным (мышь, модем) и параллельным (принтер, сканер) интерфейсами. Переходник USB-to-COM будет также полезен пользователям ноутбуков, т.к. в них имеется всего один последовательный порт.

6.4 Сканеры

Основной интерес USB-сканера заключается в отсутствии внешнего питания. Скорость работы таких сканеров ничем не отличается от обычных, т.к. основной определяющей является не скорость передачи данных, а скорость движения сканирующей головки.

6.5 Модемы

Такие модемы не требуют внешнего питания и работают полностью от шины. С одной стороны, это позволило значительно уменьшить размеры самих модемов, но с другой, такие модемы имеют все достоинства и недостатки программных модемов (soft modem). На многих USB-модемах производители уменьшили число индикаторов состояния или используют программное отображение, что не очень, удобно.

6.6 Звуковые колонки

колонки не требуют звуковой карты, а преобразование сигнала в аналоговый происходит в самих колонках через встроенный аналого-цифровой преобразователь.

Следует отличать понятия «USB-колонки» от «колонки с питанием от USB». Второй вариант представляет собой обычные колонки, требующие звуковой карты, но без отдельного блока питания. Их можно отличить по дополнительному разъему к звуковой карте. При подключении к шине такие колонки даже не опознаются системой как новое устройство.

Качество звука, получаемое при использовании USB-колонок, значительно выше, чем с применением обычных колонок совместно с большинством звуковых карт. Единственное ограничение - компьютер должен иметь достаточную производительность для обеспечения непрерывного потока данных на колонки, иначе любое движение мыши способно привести к исчезновению звука.

Поток данных, передаваемых на USB-колонки, довольно большой, что создает заметный трафик от компьютера к колонкам. По этой причине рекомендуется подключение колонок непосредственно к компьютеру либо к ближайшему хабу.

6.7 Флеш-диски

Флеш-диски с USB-интерфейсом обладают значительными преимуществами:

флеш-диск можно подключить к любому современному компьютеру без выключения;

диск может быть загрузочным;

скорость записи довольно велика, хотя и меньше, чем у жесткого диска;

отсутствуют сбойные секторы;

ударостойкость около 1000 G (значительно больше любого современного жесткого диска);

время хранения данных - не менее 10 лет;

число циклов записи - не менее миллиона;

объем диска достаточно большой.

С USB-диска можно запускать программы, редактировать файлы, не прибегая к помощи жесткого диска компьютера. Это значительно облегчает синхронизацию файлов между компьютерами, например, домашним и рабочим.

Согласно спецификации USB к одному порту можно подключить 127 устройств с помощью соответствующего хаба. Однако на практике число флеш-дисков ограничено числом свободных букв дисков (26 букв минус А, В и С, т.е. максимум 23 диска).

Флеш-диски легко форматируются средствами Windows. При этом пользователь может сам выбирать тип файловой системы (FAT или FAT32).

6.8 Хабы

Хабы не являются как таковыми USB-устройствами. Их задача - преобразовывать один USB-порт в несколько портов. Модели классифицируются по числу предоставляемых портов, поддерживаемым стандартам и типу питания.

Хабы могут быть внутренние (вставляемые в PIC-шину) и внешние. Питание внешних хабов обычно внешнее, однако бывают и исключения.

6.9 Измерительная техника

Скорость передачи данных USB-канала позволяет использовать USB-шину для подключения измерительных приборов, таких как цифровые осциллографы, логические анализаторы, генераторы сигналов и т.п. В таких устройствах USB используется как для передачи данных в компьютер для их последующей обработки и отображения, так и для задания пара метров приборов.

6.10 Экзотические устройства

В последнее время на рынке компьютерной продукции стали появляться и довольно экзотические USB-устройства. Список устройств, в общем-то, не относящихся к компьютерной периферии, довольно большой. Интересны, например, USB-фонарик, позволяющий осветить клавиатуру или рабочее место, или USB-вентилятор. Среди экзотических устройств можно найти USB-подогреватель для чашки, USB-грелку и даже USB-зубную щетку.

7. Установка и конфигурирование USB-устройств

Спецификация USB была разработана с непосредственной поддержкой спецификации Plug and Play. Каждое устройство при подключении к шине USB сигнализирует о своем существовании и сообщает идентификатор производителя и идентификатор устройства. Эти идентификаторы являются определяющей информацией при выборе загружаемого драйвера, информация о котором ищется в реестре. Если подходящего драйвера в реестре не обнаружено, производится процедура установки нового устройства (драйвера). Спецификация Plug and Play предполагает прозрачное подключение и автоматическое конфигурирование устройств. Вмешательство пользователя требуется в том случае, когда система либо не смогла найти нужный драйвер и запрашивает его местоположение у пользователя, либо системе не удалось корректно распределить системные ресурсы.

Для подключения устройств к шине не требуется дополнительных действий (как, например, установка перемычек при подключении жестких дисков к IDE-интерфейсу), а возможность неправильного подключения исключается разными разъемами. Многие производители предоставляют свои драйверы для устройств.

Так как обмен данными по шине USB идет только между компьютером и устройствами, то при подключении устройств следует учитывать потребляемую ими полосу пропускания. Устройства с большими объемами приема и / или передачи данных должны подключаться либо к самому компьютеру, либо к ближайшему свободному узлу.

С другой стороны, при подключении устройств следует учитывать и поддерживаемые ими стандарты USB. Устройства и ПО, критичные к полосе пропускания шины, в неправильной конфигурации работать откажутся и потребуют переключений. Если же хост-контроллер старый, то все достоинства USB 2.0 окажутся недоступны пользователю. В этом случае придется менять хост-контроллер, т.е. системную плату. Контроллер и хабы USВ 2.0 позволяют повысить суммарную пропускную способность шины и для старых устройств. Если устройства FS подключать к разным портам хабов USB 2.0 (включая и корневой), то для них суммарная пропускная способность возрастет по сравнению с 12 Мбит/с во столько раз, сколько используется портов высокоскоростных хабов.

Заключение

Универсальная последовательная шина USB призвана заменить такие устаревшие интерфейсы, как RS-232 (COM-порт) и параллельный интерфейс IEEE 1284 (LPT-порт), то есть заменить последовательные и параллельные, клавиатурные и мышиные порты - все устройства подключаются к одному разъему, допускающему установку многочисленных устройств с легкостью технологии Plug & Play. Технология Plug & Play позволяет производить «горячую» замену без необходимости выключения и перезагрузки компьютера. После физического подсоединения устройства правильно опознаются и автоматически конфигурируются: USB самостоятельно определяет, что именно подключили к компьютеру, какой драйвер и ресурсы понадобятся устройству, после чего все это выделяет без вмешательства пользователя. Для адекватной работы шины необходима операционная система, которая корректно с ней работает.

К шине USB можно одновременно подключить до 127 устройств: мониторы, принтеры, сканеры, клавиатуры и т.д. Каждое устройство, подключенное на первом уровне, может работать в качестве концентратора-то есть к нему, при наличии соответствующих разъемов, могут подключаться еще несколько устройств. Обмен по интерфейсу - пакетный, скорость обмена - от 1,5 Мбит/с до 480 Мбит/с.

Кроме этого, питание маломощных устройств подается с самой шины. 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.

Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение / расчленение.

Все эти возможности и достоинства интерфейса USB сыграли решающую роль в том, что данная технология получила такую популярность. Универсальность соединения по типу USB привела к тому, что настоящее время интерфейс USB распространился повсеместно, вытеснив устаревшие порты на компьютерах.

Однако пропускной способности USB 2.0 перестало хватать для многих современных устройств. Новый стандарт USB 3.0 обеспечивает увеличение пропускной способности, а также дает и другие новшества. На данный момент оборудования и устройства с поддержкой USB 3.0 только начинают внедрять. Однако, согласно данным исследовательской компании InStart, новый стандарт к 2013 году будет занимать 25% рынка.

Сегодня USB вытеснил практически все другие интерфейсы для подключения компьютерной периферии (смотри врезку «Внешние интерфейсы – конкуренты USB»), залогом чему стали его неоспоримые преимущества.

■ Распространенность. Любой компьютер, выпущенный в последние годы, оснащен одним или несколькими портами USB (на современных настольных ПК их до 12, на подавляющем большинстве ноутбуков – 3–4). Выбор же USB-устройств просто огромен.

■ Простота в использовании. USB – идеальное воплощение принципа Plug and Play. Устройства с этим интерфейсом можно подключать и отключать во время работы компьютера. Современные операционные системы сразу же распознают USB-устройства и подгружают необходимые драйверы. На многих компьютерах для повышения удобства доступа порты USB размещены на фронтальной или боковой стороне корпуса. К тому же перепутать разъемы и неправильно подключить периферию невозможно.

■ Высокая пропускная способность. У интерфейса USB 2.0 она составляет 480 Мбит/с. Копирование файла размером 700 Мб на накопитель, подключенный к порту USB, займет не более 20 секунд.

■ Обеспечение питания. Порт USB не только служит для подключения периферии, но и может «подкармливать» гаджеты с низким энергопотреблением, к примеру, мыши, клавиатуры, флэшки и даже 2,5-дюймовые жесткие диски. Напряжение питания по шине USB равно 5 В при силе тока до 500 мА. Этого, конечно, недостаточно для периферийных устройств со сравнительно высоким энергопотреблением, таких как принтеры или внешние жесткие диски форм-фактора 3,5”. Поэтому они комплектуются собственными блоками питания, подключаемыми непосредственно к розетке электросети.

ПРОСТО И ЛЕГКО

Связующим центром для всех USB-устройств является компьютер. Только с ним они могут «общаться» напрямую. Такое соединение получило название «точка-точка».

При первом подключении USB-устройство автоматически обнаруживается операционной системой, после чего она осуществляет поиск нужного драйвера. При этом действует правило: чем новее версия используемой операционной системы, тем выше вероятность того, что пользователю не придется устанавливать драйвер самостоятельно. К примеру, Windows XP и Vista автоматически распознают флэш-накопители, кард-ридеры и внешние жесткие диски и регистрируют их в качестве съемных дисков. Необходимые для этих устройств драйверы входят в дистрибутив Windows и всегда находятся «под рукой» у системы. Windows Vista к тому же располагает дополнительными драйверами для наиболее распространенных моделей принтеров, сканеров, игровых клавиатур и других устройств.

СОВЕТ

За редким исключением, USB-гаджеты могут обмениваться данными между собой только при посредничестве компьютера. В этом случае ПК играет роль так называемого USB-хоста. Он запрашивает у каждого устройства, подключенного по USB и называемого клиентом, информацию о наличии необходимых для передачи данных, после чего организует «диалог». Передавать файлы «по собственной инициативе» клиентам запрещено. Данный метод, называемый опросом, хотя и отнимает часть системных ресурсов, однако делает возможным создание простых и, как следствие, недорогих USB-устройств.

Типы USB-разъемов

Существуют два типа разъемов и штекеров USB: тип А используется для подключения USB-устройств к ноутбукам и настольным компьютерам. Разъемом типа B оснащаются периферийные USB-устройства. Существует несколько вариантов разъема второго типа: собственно В, Mini-В и Micro-В.

Тип А. Коннектор типа А подключается к USB-разъему типа А компьютера или USB-хаба. Некоторые принтеры и многофункциональные устройства также оснащены разъемом типа А – для подключения фотокамер.

Тип B. Коннектор типа В подключается к соответствующему USB-разъему, которым обычно оснащаются крупные периферийные устройства, такие как МФУ, принтеры и сканеры.

Mini-USB (тип В). USB-устройства более скромных размеров, например цифровые фотокамеры, КПК или сотовые телефоны, оснащаются более миниатюрным вариантом разъема типа В, называемым Mini-USB (или, правильнее, Mini-B).

Micro-USB (тип В). Существует USB-разъем еще более компактный, чем Mini-В – это разъем Micro-B. Им чаще всего могут похвастаться мобильные телефоны.

Прямая связь двух USB-гаджетов возможна с помощью технологии On-The-Go. Ее использование позволит выводить на печать изображения без посредничества компьютера или напрямую обмениваться музыкальными файлами между MP3-плеерами.

ПРЕИМУЩЕСТВА КОНКУРЕНТОВ

Интерфейсы USB, eSATA и FireWire отличаются друг от друга, прежде всего, по скорости передачи данных (см. врезку «Пропускная способность USB, eSATA и FireWire в сравнении»).

Внешние интерфейсы – конкуренты USB

FireWire. Интерфейс для подключения видеокамер и внешних жестких дисков. Стандарт FireWire 800 предусматривает работу на больших скоростях, чем стандарт USB 2.0, однако сегодня он теряет свою актуальность.

SATA и eSATA. Наряду с интерфейсом SATA, используемым для подключения внутренних жестких дисков, существует eSATA для подключения внешних дисковых накопителей. Передача данных по eSATA осуществляется почти в четыре раза быстрее, чем по USB 2.0. Пожалуй, eSATA – единственный интерфейс, имеющий явное преимущество перед USB и не собирающийся сдавать позиции.

PS/2. Этот некогда стандартный интерфейс для подключения устройств ввода с приходом USB постепенно уходит в прошлое. Фиолетовый разъем PS/2 традиционно предназначен для клавиатуры, зеленый – для мыши.

Параллельный порт. До того как USB получил широкое распространение, параллельный порт был традиционным интерфейсом для подключения принтеров и сканеров. Теперь он встречается все реже.

Игровой порт (MIDI-порт). К игровому порту раньше подключали джойстики или музыкальные MIDI-клавиатуры. Сегодня подобные устройства используют для подключения USB-разъем, так что MIDI-порты встречаются редко.

Последовательный порт. Последовательный порт (СОМ-порт), к которому ранее подключали мышь и модем, сегодня на домашнем ПК абсолютно бесполезен. Данный интерфейс используется в промышленности – для управления специальными машинами.

Внешний SCSI-интерфейс. Раньше, наряду с распространенными сегодня внешними жесткими дисками с интерфейсом IDE, часто использовались накопители с интерфейсом SCSI, которые сегодня актуальны лишь для серверных систем.

■ eSATA служит для подключения внешних жестких дисков, а с недавних пор – и некоторых моделей флэшек. В отличие от USB и FireWire, во внешних жестких дисках с интерфейсом eSATA не требуется преобразования данных, что исключает дополнительное звено, тормозящее взаимодействие с ПК. Поэтому скорость у подобных жестких дисков находится на уровне встроенных в компьютеры винчестеров. Если вам необходима максимальная производительность внешних устройств, то eSATA – наилучшее решение.■ FireWire служит в первую очередь для подключения к ПК видеокамер и некоторых моделей жестких дисков. Актуальная версия FireWire 800 существенно быстрее интерфейса USB 2.0 (800 против 480 Мбит/с). Но устройства с интерфейсом Fire Wire обычно дороже, чем аналогичные с USB.

Пропускная способность USB, eSATA и FireWire в сравнении

Если вы планируете купить внешний жесткий диск, то вам предстоит выбрать один из нескольких возможных интерфейсов его подключения, которые имеют разную пропускную способность: наивысшую скорость передачи данных обеспечивает eSATA, следом идет FireWire 800 и замыкает эту гонку USB 2.0. Но у последнего есть свой козырь: разъем USB присутствует на любом компьютере.

Сложившийся расклад сил изменит выход устройств с интерфейсом USB 3.0, который станет самым быстрым интерфейсом передачи данных. Но до момента, когда новый стандарт USB получит широкое распространение, пройдет немало времени.

СТАНДАРТЫ USB

■ USB 1.1. Компьютеры, выпущенные до 2002 года, предоставляют в распоряжение пользователя интерфейс USB 1.1. Передача данных по этому стандарту осуществляется достаточно медленно. Теоретическая пиковая пропускная способность составляет 12 Мбит/с (или 1,5 Мб/с). Для устройств ввода – клавиатуры и мыши – этого вполне достаточно.

На заметку. Более ранняя версия, USB 1.0, не получила распространения, так и оставшись на бумаге. Готовые изделия, соответствующие этому стандарту, в продажу не поступали.

■ USB 2.0. Компьютеры и ноутбуки, выпущенные после 2003 года, как правило, оснащены портами USB 2.0. Максимальная скорость в сравнении со стандартом 1.1 заметно возросла и составила 480 Мбит/с (или 60 Мб/с). Хотя на практике достигнуть такого уровня пропускной способности не удается.

Более высокую пропускную способность обеспечивают устройства USB 2.0, отмеченные логотипом «USB 2.0 Hi-Speed». Если же на коробке или корпусе устройства указано «USB 2.0 Full-Speed», это означает, что данные будут передаваться на скорости стандарта USB 1.1.

«ЗАМЕДЛЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ»

Если Windows сама не определит подключенное USB-устройство, драйвер для него придется устанавливать самостоятельно (как правило, его можно найти на диске, входящем в комплект поставки USB-устройства). Купив принтер или МФУ с интерфейсом USB, не спешите сразу подключать его: вначале загляните в руководство пользователя и ознакомьтесь с порядком установки, чтобы понять, нужно ли инсталлировать ПО или имеющегося в ОС будет достаточно. В противном случае Windows может установить драйвер с меньшим набором функций или вовсе распознает устройство неверно.

Еще одно преимущество USB-хаба заключается в том, что его можно установить в удобном для вас месте. Это избавит от необходимости каждый раз лезть под компьютерный стол в поисках нужного порта, чтобы подключить USB-коннектор. Кроме того, если для подключения устройства не хватает длины USB-кабеля, хаб может выступать в роли удлинителя.Проще всего это сделать с помощью так называемых USB-разветвителей (USB-хабов). Эти маленькие «коробочки» доступны по цене от 100 руб. Занимая всего один USB-разъем компьютера, такое устройство предоставляет взамен, как правило, четыре (и более) порта. Теоретически использование USB-хабов позволяет подключить к одному компьютеру до 127 устройств USB.

Необходимо учесть, что существует два типа хабов.

■ Активный. В качестве источника электроэнергии он использует отдельный блок питания, который входит в комплект поставки хаба. USB-порты такого разветвителя способны обеспечивать максимальную для этого интерфейса силу тока, поэтому к активным хабам можно подключать даже такие «прожорливые» устройства, как внешние жесткие диски.

■ Пассивный. Питание на него подается с USB-порта компьютера и делится между всеми портами, поэтому пассивные хабы подходят лишь для подключения устройств с низким энергопотреблением.

USB по сети

Сетевой USB-хаб Belkin Components позволяет подключить до пяти USB-устройств, которые будут взаимодействовать с компьютером по сети. С помощью WLAN-маршрутизатора можно организовать для них беспроводное соединение.

КАКОВА МАКСИМАЛЬНАЯ ДЛИНА КАБЕЛЯ USB

Альтернативой хабу может считаться плата расширения, устанавливаемая в слот PCI материнской платы ПК. При ее использовании в вашем распоряжении окажется несколько дополнительных разъемов USB (как правило, четыре). Подобные платы можно приобрести по цене от 300 руб. Недостаток: дополнительные порты USB будут расположены на задней стенке системного блока.

Максимальная длина стандартного кабеля USB составляет 5 метров. Если этого недостаточно, потребуются специальные удлинители (после каждого 5-метрового участка необходим своего рода ретранслятор с автономным питанием, в роли которого, кстати говоря, может выступать и USB-хаб). С их помощью можно достигнуть длины соединения, равной 25 метрам. Использование так называемых USB Line Extender (стоимостью 1000 руб. и более; это устройство представляет собой USB-адаптер и хаб, которые соединены стандартным сетевым кабелем) позволит преодолевать расстояние и в 60 метров.

Что означают логотипы USB

На упаковке большинства USB-устройств красуется один или несколько приведенных ниже логотипов. Их наличие указывает на то, что устройство соответствует техническим требованиям, описанным в спецификациях и документах некоммерческой организации USB Implementers Forum. Если вам встретится обозначение, которого нет в нашем списке, будьте осторожны: возможно, вы имеете дело с низкосортной продукцией «третьих фирм», которые, возможно, не поддерживают заявленных характеристик.

НЕМНОГО О WIRELESS USB

Wireless USB – это новый стандарт, призванный сделать возможной беспроводную связь по шине USB. Бесконечные провода на и под столом благополучно ушли бы в прошлое, если бы принтеры, сканеры, внешние жесткие диски и MP3-плееры смогли обмениваться данными с компьютером без использования кабеля. Эта новая технология, предлагаемая USB Imple menters Forum, поможет реализовать эту мечту.

Новый USB-кабель

«Традиционный» USB-кабель состоит из четырех проводов. Два из них осуществляют передачу данных, два других используются для электропитания. Для нового высокоскоростного режима работы USB версии 3.0 четырех проводов уже недостаточно, поэтому новый кабель будет иметь четыре дополнительные линии для данных: первая пара будет служить для приема, вторая – для передачи. Преимущество: в отличие от USB 2.0 прием и передача данных будут осуществляться одновременно и на максимальной скорости. Кабель USB 3.0 будет оснащен новым коннектором с пятью дополнительными контактами.

В качестве примера рассмотрим, как можно одновременно подключить обычные USB-принтер и сканер, используя Wireless USB. Совсем без проводов в этом случае обойтись все же не удастся: оба устройства придется соединить кабелями с беспроводным USB-хабом, который «от их имени» будет общаться с компьютером. При этом в ПК должен быть установлен соответствующий беспроводной USB-адаптер. В данном случае принтер и сканер будут определяться системой как устройства, подключенные к компьютеру традиционным способом.

Стоит принять во внимание тот факт, что максимальную скорость передачи в 480 Мбит/с беспроводной интерфейс USB обеспечивает только в том случае, если расстояние между хабом и компьютером не превышает трех метров. На большем расстоянии пропускная способность Wireless USB снижается. Если на пути беспроводного канала связи встретятся преграды, например стена, передача данных будет невозможна.

На заметку. Альтернативой решениям Wireless USB являются USB-хабы, подключаемые к локальной сети. Их можно подключить к WLAN-маршрутизатору, в результате чего также станет возможно беспроводное соединение USB-устройств и компьютера.

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ USB 3.0

Стандарт USB 3.0 стал дальнейшим развитием интерфейса USB 2.0, привнеся в него целый ряд улучшений.

■ Пропускная способность. На практике USB 2.0 обеспечивает передачу данных на максимальной скорости, едва превышающей 30 Мб/с. Это ограничивает возможности многих устройств, прежде всего внешних дисковых накопителей, которые способны работать на скорости, превышающей указанную в 2–4 раза. В USB 3.0 пропускная способность вырастет сразу в 10 раз и достигнет уровня 5 Гбит/с. Для этой цели USB 3.0 оснащается более сложной технологией передачи данных, при которой для трансляции одного байта требуется не 8, а 10 бит. Поэтому реальный скоростной предел при передаче данных составит приблизительно 500 Мб/с. Однако даже таких результатов добиться вряд ли получится – камнем преткновения станут скоростные возможности внешних устройств (тех же накопителей), которые по скорости значительно отстают от возможностей USB 3.0.

■ Разъемы. Одной из основных задач, стоящих перед разработчиками нового стандарта, – сохранение совместимости разъемов USB 3.0 и 2.0. В результате вы легко сможете подключить устройство USB 2.0 к разъему USB 3.0. Но тому, кто стремится к максимальной скорости, все же придется приобрести новые кабели (см. врезку «Новый USB-кабель»). Они устроены сложнее и будут стоить дороже, чем аналогичные кабели USB 2.0. Кроме того, не все типы разъемов получат обратную совместимость со старым стандартом USB 2.0. Если в случае коннекторов USB типа А удалось обойтись малой кровью, «вписав» пять новых контактов в уже имеющуюся конструкцию разъема, то с коннекторами USB типа B, и уж тем более Micro-B, все оказалось куда сложнее. В этом случае пришлось менять конструктив разъема, по сути разбив его на две части: первая – для сохранения совместимости с предыдушими стандартами, представляет собой «старый» порт USB 2.0, вторая – объединяет пять новых линий, появившихся в USB 3.0. Таким образом, коннекторы этих типов не могут быть подключены к порту USB 2.0.

■ Питание. Разъемы USB 3.0 поддерживают большую силу тока, чем все предыдущие версии USB: 900 вместо прежних 500 мА. Это важно, к примеру, при использовании внешних жестких дисков.

■ Энергосбережение. В USB 2.0 хост должен был постоянно проводить опрос подключенных устройств, выясняя нет ли у них новой порции данных, поэтому все они должны были быть постоянно активными. Отказ от такого циклического опроса в USB 3.0 позволит использовать режим энергосбережения.

Если вы встречаете в технических устройствах обозначение: USB Type-A, USB Type-B или USB Type-C, то это означает, что в устройстве под usb используются такие типы разьемов.
Это не обозначение стандарта USB, это обозначение типа разьема.

Стандарты же USB или их версии обозначаются так: USB 1.0 , USB 1.1 , USB 2.0 , USB 3.0 и USB 3.1 .
Причем USB 3.1 имеет две версии: USB 3.1 Gen 1 и USB 3.1 Gen 2 .

Наиболее известный тип разьемов USB, это USB Type-A, он расположен на флешках, USB-модемах, на концах проводов мышек и клавиатур.

Он используется для стандартов USB 1.0 , USB 1.1 , USB 2.0 и USB 3.0 .
Для USB 1.0 , USB 1.1 , USB 2.0 разьем имеет черный цвет, а для USB 3.0 - синий.
Благодаря разьему USB Type-A устройства со стандартами до USB 3.0 совместимы.

Разьем USB Type-C отличается от предыдущих и не совместим с ними.

Если возникла необходимость совместить, то нужно использовать соответствующие переходники.

Важным преимуществом разьема USB Type-C является то, что он является симметричным.
Теперь больше не придется беспокоиться о том, какой стороной вставлять кабель в устройство, т.е. штекер типа С можно вставлять любой стороной в гнездо.

Теперь разберемся в разнице стандартов USB.
Теоретическая скорость передачи данных:

USB 1.0 до 1,5 Мбит/с
- USB 1.1 до 12 Мбит/с
- USB 2.0 до 480 Мбит/с
- USB 3.0 и USB 3.1 Gen 1 до 5 Гбит/с
- USB 3.1 Gen 2 до 10 Гбит/с

Напряжение питания, максимальный ток и мощность потребляемые периферийным устройством:

USB 1.0, USB 1.1 - до 150 мА 5 В (0,75 Вт)
USB 2.0 - 5В до 500 мА (2,5 Вт)
USB 3.0 - 5В до 900 мА (4,5 Вт)
USB 3.1 Current @ 1,5 A - 5В до 1,5 А (7,5 Вт)
USB 3.1 Current @ 3 A - 5В до 3А (15 Вт)
USB 3.1 (с поддержкой Power Delivery 2.0) и в зависимости от Profile:
Profile1 - 5В 2А (10 Вт)
Profile2 - 5В 2А, 12В 1,5А (18 Вт)
Profile3 - 5В 2А, 12В 3А (36 Вт)
Profile4 - 5В 2А, 12В, 20В 3А (60 Вт)
Profile5 - 5В 2А, 12В, 20В 5А (100 Вт)

Система силовых профилей введена для более продвинутых случаев, для стандартных же устройств используется Profile1.
Например, продвинутым случаем можно считать активный кабель usb на 100 метров, имеющий на обоих своих концах преобразователь сигналов USB интерфейса в оптический и наоборот (максимальная длина стандартного USB кабеля не может превышать 5 метров).
Такой кабель передает только данные, а питание необходимо для преобразователей.

Поэтому необходимо знать силовые профили, как подключаемых периферийных устройств, так и основного устройства, к которому совершается подключение.
Порт на устройстве, соответствующий профилю более высокого уровня, поддерживает все состояния предыдущих по нисходящей.

Так например, к устройству с Profile5 можно подключать устройство с любым профилем.
Обращаем ваше внимание на то, что кабель usb тоже должен соответствовать силовому профилю, если вы подключаете периферийное устройство повышенной мощности.

И последнее замечание.
Наличие на устройстве разьема USB Type-C, еще не значит, что этот порт в устройстве работает по стандарту USB 3.1 .

Всё больше подробностей появляется в Сети о процессорах Comet Lake-S компании Intel.

Разьем Intel LGA1200 для процессоров ПК

Выход процессоров Intel Core Comet Lake 10-го поколения для настольных ПК и материнских плат на базе чипсетов 400-й серии (Z490, W480, Q470 и H410) ожидается во второй половине 2020 года.

NVIDIA GeForce Experience обновилось до версии 3.20.2

23 декабря 2019 г. компания NVIDIA обновила приложение NVIDIA GeForce Experience (GFE) для Windows до версии 3.20.2.
Обновление исправляет опасную уязвимость CVE-2019-5702.

Невозможно представить современного человека без электронных устройств. Смартфоны, планшеты, музыкальные плееры и ноутбуки сегодня есть практически в каждой семье. Каждое из этих устройств имеет собственное применение и, следовательно, каждое функционирует по-своему уникальным образом. Однако есть то, что в той или иной форме всех их объединяет. И это наличие USB-портов.

Однажды в 1994 году 7 ведущих мировых технологических компаний создали новый стандарт подключения компьютерной периферии. Так появилась универсальная последовательная шина, которая для краткости именуется USB.

Сегодня она действительно является всеобщим стандартом, и сложно найти электронное устройство, у которого бы не было USB-порта того или иного типа. Но как узнать, какой именно кабель к нему подходит? Данное руководство поможет определить тип USB-разъема и подобрать соответствующий ему штекер.

Разнообразие вариантов

Практически все современные компьютеры и электронные устройства имеют некоторую форму USB-соединения и поставляются в комплекте с соответствующими кабелями. Имеет ли значение, какой из них используется, и для чего нужны все эти различия? Пока это действительно важно, но в будущем может измениться.

В середине 1990-х гг. универсальная шина стала промышленным стандартом, который позволил упорядочить подключение компьютерной периферии. Она заменила ряд более ранних интерфейсов и теперь является наиболее популярным типом разъема в потребительских устройствах.

Однако пока еще сложно разобраться со всеми разновидностями USB.

Если стандарт должен был быть универсальным, почему существует так много его разных типов? Каждый из них служит своим целям, главным образом обеспечивая совместимость при выпуске новых устройств с лучшими спецификациями. Ниже приведены наиболее распространенные типы USB-разъемов.

Type-A

Большинство кабелей и периферийных устройств (например, клавиатуры, мыши и джойстики) имеют разъем типа A. Персональные компьютеры, ноутбуки и нетбуки обычно имеют несколько портов данной формы. Кроме того, многие другие устройства и адаптеры питания используют их для передачи данных и/или зарядки. Разъем имеет плоскую прямоугольную форму и является наиболее узнаваемым и используемым. Распиновка USB Type-A следующая:

1. +5V - напряжение +5 В.
2. D- - данные.
3. D+ - данные.
4. GND - земля.

Все версии стандартов USB сохраняют для Type-A одинаковый форм-фактор, поэтому они взаимно совместимы. Однако разъемы USB 3.0 вместо 4 имеют 9 контактов, используемых для обеспечения большей скорости передачи данных. Они расположены так, чтобы не мешать работе пинов предыдущих версий стандарта.

Type-B

Это разъем почти квадратной формы, который в основном используется для подключения к компьютеру принтеров, сканеров и других устройств с собственным питанием. Иногда его можно обнаружить на внешних дисководах. В наши дни данный тип разъема гораздо менее распространен, чем соединения Type-A.

Форма соединения в версии стандарта 3.0 подверглась изменению, поэтому обратная совместимость не поддерживается, хотя порты нового типа принимают штекеры старых модификаций. Причиной этого является то, что у Type-B USB 3.0 для более быстрой передачи данных предусмотрено 9 контактов, а у Powered-B - 11, 2 из которых обеспечивают дополнительное питание.

Опять же, как и в случае Type-A, физическая совместимость разных версий не говорит о поддержке скорости или функциональности.

Основные понятия

Прежде чем пытаться понять, в чем заключаются различия между типами A и B, необходимо уяснить понятия хоста, рецептора и порта.

Слот, расположенный на лицевой или тыльной части корпуса компьютера (хоста), в который вставляется один конец USB-кабеля, называется портом. Электронное устройство, которое необходимо зарядить или в которое требуется передать данные (например, смартфон или планшет), называется рецептором.

Самым популярным стандартом USB является тип A, который сегодня можно увидеть на конце почти каждого USB-кабеля, вставляемого в слот хоста. Чаще всего портами Type-A оборудуются настольные компьютеры, игровые консоли и медиаплееры.

Разъемы типа B находятся на конце обычного USB-кабеля, подключаемого к периферийному устройству, например смартфону, принтеру или жесткому диску.

Преимущества USB

Стандарт упрощает установку и замену оборудования, сводя все коммуникации к последовательной передаче данных по витой паре и идентификации подсоединенного устройства. Если добавить сюда заземление и питание, то получится простейший 4-проводной кабель, недорогой и простой в изготовлении.

Стандарт определяет способ взаимодействия периферии с хостом. Если не используется USB On the Go (OTG), который позволяет ограничивать возможности хоста, производится непосредственное подключение. Устройство USB не способно инициировать связь, это может сделать только хост, поэтому даже при наличии кабеля с соответствующими разъемами без него подключение работать не будет. Кроме того, поскольку по проводам передается как электроэнергия, так и данные, соединение двух хостов без промежуточного устройства может иметь катастрофические последствия, вызывая сильные токи, короткие замыкания и даже пожары.

Mini

Разъем являлся стандартным для мобильных устройств до появления микро-USB. Как следует из названия, mini-USB меньше обычного и по-прежнему используется в некоторых камерах. В разъеме 5 контактов, из которых 1 служит идентификатором для поддержки OTG, позволяя мобильным устройствам и другой периферии действовать как хост. Распиновка USB Mini следующая:

1. +5V - напряжение +5 В.
2. D- - данные.
3. D+ - данные.
4. ID - идентификатор хост/рецептор.
5. GND - земля.

Micro

Это текущий стандарт разъема для мобильных и портативных устройств. Он был принят практически каждым производителем, кроме Apple. Физические размеры его меньше, чем Mini-USB, но поддерживаются высокие скорости передачи данных (до 480 Мбит/с) и возможности OTG. Форма легко узнаваема благодаря компактному 5-контактному дизайну.

Разъем Lightning не является стандартом USB, а представляет собой фирменное соединение Apple для iPad и iPhone. Он похож на микро-USB и совместим со всеми устройствами Apple, сделанными после сентября 2012 года. У более старых моделей используется другой и гораздо более крупный фирменный разъем.

Type-C

Представляет собой обратимый разъем, который обещает более быструю передачу данных и большую мощность, чем предыдущие типы. Он все чаще используется в качестве стандарта для ноутбуков и даже некоторых телефонов и планшетов, был одобрен компанией «Эппл» для Thunderbolt 3.

Тип C является новым решением и обещает быть всем для всех. Он меньше, быстрее и может получать и передавать гораздо большую мощность, чем предыдущие версии.

Apple потрясла мир, когда представила новый MacBook с единственным портом USB-C. Скорее всего, это станет началом тенденции.

Подробнее о USB-C можно прочесть в конце этой статьи.

Нюансы микро-USB

Те, у кого из вас есть телефон или планшет на платформе Android, определенно имеют и микро-USB-кабель. Даже самые непреклонные поклонники Apple не могут избежать их, поскольку это наиболее распространенный тип разъема, используемый для таких вещей, как внешние силовые блоки, динамики и т. д.

Обладатели множества гаджетов могут обнаружить, что со временем этих кабелей становится много, и, поскольку они обычно взаимозаменяемы, возможно, никогда не придется покупать их отдельно, если они не потеряются или не выйдут из строя все одновременно.

При покупке кабеля micro-USB может возникнуть соблазн выбрать самый дешевый вариант, но, как это часто бывает, это является плохой идеей. Провода и штекеры низкого качества могут легко сломаться и стать бесполезными. Поэтому лучше избавить себя от будущих проблем, приобретая качественный продукт у признанного производителя, даже если он стоит немного дороже.

Еще одна вещь, о которой стоит упомянуть, - это длина кабеля. Короткие отлично подходят для транспортировки, но из-за этого часто приходится сидеть на полу рядом с розеткой, пока телефон заряжается. И напротив, слишком длинный кабель может быть неудобным при переноске, будет запутываться и потенциально может стать причиной травмы.

0,9 м - хорошая длина для зарядного кабеля. Она позволяет держать телефон, когда он подключен к батарее в сумке или кармане, идеально подходит для игры в Pokemon Go или просто для использования телефона во время путешествия в течение длительного времени.

При частой подзарядке от посторонних USB-портов, чтобы соблюсти меры безопасности или когда устройство заряжается медленно, решить проблему может специальный кабель, предотвращающий передачу данных. Альтернативой является сетевой адаптер.

Проблему также может представлять факт, что разъемы большинства USB-кабелей (кроме USB-C) не взаимозаменяемы и часто требуют несколько попыток, чтобы произвести правильное подключение. Некоторые производители предпринимали попытку это исправить. Правда, не все устройства поддерживают такую возможность.

Что такое USB OTG?

Это стандарт, который позволяет портативным и мобильным устройствам выступать в качестве хостов.

Допустим, есть внешний накопитель, ноутбук и смартфон. Что нужно сделать, чтобы скопировать файлы с диска на телефон? Проще всего переместить их с внешнего накопителя на лэптоп, а с него - на смартфон. USB OTG позволяет подключить диск непосредственно к телефону, тем самым обойдя необходимость в посреднике.

И это еще не все! Существует множество других способов использования OTG. К смартфону можно подключить любое устройство USB, будь то флеш-накопитель, беспроводная мышь, клавиатура, наушники, кард-ридеры, игровые контроллеры и т. д.

Кабели USB

В подключенном к сети мире проводные соединения между различными электронными устройствами играют важную роль. Спрос на них настолько высок, что каждый год в мире выпускаются десятки миллионов USB-кабелей.

Технологии постоянно развиваются и совершенствуются, так же как и соответствующие им периферийные устройства. Та же тенденция обновления справедлива и для USB-разъемов, но с таким количеством версий и типов стандартов USB становится сложно отслеживать, какой USB лучше подходит для выполнения тех или иных функций. Для этого необходимо уяснить их базовые различия.

Типы USB

Различные версии USB, например 2.0 и 3.0, связаны с функциональностью и скоростью USB-кабеля, а их тип (например, A или B) в основном относится к физическому дизайну разъемов и портов.

Стандарт USB 1.1 (1998 г.) рассчитан на пропускную способность 12 Мбит/с, напряжение 2,5 В и ток 500 мА.

USB 2.0 (2000 г.) отличается пометкой на логотипе USB “HI-SPEED”. Обеспечивает скорость 480 Мбит/с при напряжении 2,5 В и токе 1,8 А.

Принятый в 2008 г. USB 3.0 поддерживает 5 Гбит/с при напряжении 5 В и токе 1,8 А.

USB 3.1, действующий с 2015 г., обеспечивает скорость 10 Гбит/с при напряжении 20 В и токе 5 А.

Последний стандарт обеспечивает более высокую пропускную способность и по большей части обратно совместим с более ранними версиями. Разъемы Standard-A идентичны Туре-А предыдущих версий, но обычно окрашены в синий цвет, чтобы их можно было различить. Они полностью обратно совместимы, но увеличенные скорости доступны только в том случае, если все компоненты совместимы с USB 3. Standard-B и micro-версии отличаются дополнительными контактами, позволяющими повысить пропускную способность, и несовместимы с предыдущими версиями. Более старые кабели и разъемы USB Type-B и микро-B могут использоваться с портами USB 3.0, однако скорость при этом не увеличится.

Технические характеристики разъема типа C

Это название появилось в заголовках технических журналов всего мира, когда компания Apple выпустила 12” Macbook. Это первый ноутбук, который включает в себя дизайн Type-C.

С физической точки зрения разъем похож на существующий вариант USB Micro-B. Его размеры - 8,4 х 2,6 мм. Благодаря небольшому форм-фактору он может легко вписаться даже в самые маленькие периферийные устройства, используемые сегодня. Одним из многих преимуществ Type-C по сравнению с другими существующими решениями является то, что он позволяет подключение в обратной ориентации, т. е. штекер будет всегда правильно вставлен с первой попытки! Разъем выполнен таким образом, чтобы не нужно было беспокоиться о том, что он перевернут.

Type-C поддерживает стандарт USB 3.1 и обеспечивает максимальную скорость 10 Гбит/с. Он также имеет значительно более высокую выходную мощность до 100 Вт при напряжении 20 В и токе 5 А. Поскольку ноутбуки обычно потребляют 40-70 Вт, то это означает, что тип C легко покрывает их требования к питанию. Другая функциональность, предлагаемая USB Type-C, - двунаправленная мощность. Говоря другими словами, можно не только заряжать свой смартфон через ноутбук, но и наоборот.

Type-C получил восторженные отзывы от пользователей по всему миру и появился в популярных смартфонах Chromebook Pixel и Nexus 6P, а также планшете Nokia N1.

Можно уверенно говорить о том, что в ближайшие годы все электронные устройства будут оборудоваться портами данного типа. Это сделает работу с ними легкой и удобной. Все, что понадобится, - это единственный кабель Type-C, что позволит в конечном итоге избавиться от запутанного клубка проводов в ящике стола.

Хотя спецификации были впервые опубликованы в 2014 г., технология по-настоящему была реализована только в 2016 г. Сегодня она стала реальной заменой не только старым стандартам USB, но и другим, таким как Thunderbolt и DisplayPort. Новое решение для аудио на базе Type-C также является потенциальной заменой 3,5-мм гнезда подключения гарнитуры. Тип C тесно переплетается с другими новыми стандартами: USB 3.1 обеспечивает большую пропускную способность и USB Power Delivery - лучшую подачу питания.

Форма разъема

USB Type-C представляет собой новый крошечный разъем, размеры которого едва соответствуют microUSB. Он поддерживает различные новые стандарты, такие как USB 3.1 и USB PD.

Привычным разъемом, с которым знакомы все, является Type-A. Даже после перехода с USB 1.0 к 2.0 и далее к современным устройствам он остался прежним. Разъем такой же массивный, как и раньше, и подключается только при правильной ориентации (что, очевидно, никогда не получается с первого раза). Но по мере того как устройства становились меньше и тоньше, массивные порты просто перестали подходить. Это привело к появлению множества других форм соединителей USB, таких как Mini и Micro.

Такой неудобный набор разъемов различной формы для устройств всевозможных размеров наконец уходит в прошлое. Тип C представляет собой новый стандарт очень маленького размера. Он составляет примерно треть от старого USB Type-A. Это единый стандарт, который должны использовать все устройства, поэтому для подключения к ноутбуку внешнего накопителя или зарядки смартфона от ЗУ потребуется только один кабель. Этот крошечный разъем достаточно мал, чтобы вписаться в сверхтонкий смартфон, но достаточно мощный, чтобы через него можно было подключить все периферийные устройства. Сам кабель имеет одинаковые разъемы типа C на обоих концах.

У Type-C есть множество преимуществ. Ориентация разъема не имеет значения, поэтому больше не придется переворачивать штекер несколько раз в поисках правильного положения. Это единая форма USB-коннектора, которую должны принять все, поэтому для различных устройств не нужно иметь большое количество разных USB-кабелей с разными штекерами. И не будет множества разных портов, занимающих дефицитное пространство на все более тонких гаджетах.

Более того, разъемы типа C также могут поддерживать различные протоколы, используя «альтернативные режимы», которые позволяют иметь адаптеры, способные выводить HDMI, VGA, DisplayPort или другие типы соединений с этого единственного подключения. Хорошим примером этого является мультипортовый адаптер Apple, который позволяет подключать HDMI, VGA, USB Type-A и Type-C. Таким образом, множество разъемов на обычных ноутбуках можно свести к портам одного типа.

Питание

Спецификация USB PD также тесно переплетается с Type-C. В настоящее время подключение USB 2.0 обеспечивает до 2,5 Вт мощности. Этого достаточно только для зарядки телефона или планшета. Спецификация, поддерживаемая стандартом USB-C, предусматривает подачу питания мощностью до 100 Вт. Такое подключение двунаправленное, поэтому устройство способно через него как заряжаться, так и заряжать. При этом одновременно может происходить передача данных. Порт позволяет зарядить даже ноутбук, для которого обычно требуется до 60 Вт.

В Apple MacBook и Chromebook Pixel компании Google разъем USB-C используется для зарядки, что позволяет отказаться наконец от всех фирменных кабелей питания. При этом появляется возможность заряжать ноутбуки от портативных батарей, которые обычно используются для подзарядки смартфонов и другой электроники. А если подключить лэптоп к внешнему дисплею, питаемому от сети, то при этом будет происходить зарядка его аккумулятора.

Однако следует помнить, что наличие разъема типа C не означает автоматической поддержки USB PD. Поэтому перед покупкой устройств и кабелей необходимо убедиться, что они совместимы с обоими стандартами.

Скорости передачи

USB 3.1 - новейший стандарт универсальной последовательной шины с теоретической пропускной способностью 10 Гбит/с, что вдвое больше скорости передачи данных Thunderbolt первого поколения и USB 3.0.

Но Туре-C - это не то же самое, что USB 3.1. Это всего лишь форма разъема, а технология в его основе может опираться и на стандарты 2.0 или 3.0. Например, планшет Nokia N1 использует разъем USB типа C версии 2.0. Однако эти технологии тесно связаны. При покупке просто нужно следить за деталями и убедиться, что приобретаемое устройство или кабель поддерживают стандарт USB 3.1.

Обратная совместимость

Физический разъем типа C в отличие от базового стандарта обратной совместимости не имеет. Нельзя подключить старые USB-устройства к современному крошечному Type-C-порту, и нельзя подключить штекер USB-C к более старому порту большего размера. Но это не значит, что придется избавиться от всей старой периферии. USB 3.1 по-прежнему совместим с предыдущими версиями, поэтому потребуется только физический переходник для USB-C. А к нему уже можно подключить старые устройства непосредственно.

В ближайшем будущем многие компьютеры будут иметь как USB-разъемы типа C, так и большие типа A, как это реализовано, например, в Chromebook Pixel. Таким образом пользователи смогут постепенно переходить со старых устройств, подключая новые к USB Type-C. Но даже если компьютер производится только с портами типа C, адаптеры и концентраторы восполнят этот пробел.

Type-С является достойным обновлением. Хотя данный порт уже появился в ноутбуках и некоторых смартфонах, только ими данная технология не ограничивается. Со временем им будут оборудованы устройства всех типов. В один прекрасный день стандарт может даже заменить разъем Lightning, используемый в iPhone и iPad. У порта Apple не так много преимуществ по сравнению с USB Type-С, кроме того, что эта технология запатентована и компания может взимать плату за лицензирование.