USB

Универсальная последовательная шина (USB) является отраслевым стандартом, который устанавливает спецификации для кабелей и разъемов и протоколов для подключения, связи и питания между компьютерами, периферийными устройствами и другими компьютерами. выпущенный в 1996 году, стандарт USB в настоящее время поддерживается форумом разработчиков USB (USB IF). Было три поколения спецификаций USB: USB 1.x, USB 2.0 и USB 3.X; четвертый под названием USB4 планируется опубликовать в середине 2019 .

Обзор

USB был разработан для стандартизации подключения периферийных устройств , таких как клавиатуры , указательные устройства, цифровые фото-и видеокамеры, принтеры , портативные медиаплееры , дисководы и сетевые адаптеры к персональным компьютерам, как для связи, так и для подачи электроэнергии . Это в значительной степени заменило интерфейсы , такие как последовательные порты и параллельные порты, и стало обычным явлением на широком диапазоне устройств.

Разъемы USB все чаще заменяют другие типы для зарядных устройств портативных устройств.

Идентификация сосуда (гнезда)

Главная статья: Разъемы § оборудования USB

Данный раздел предназначен для быстрой идентификации разъемов (розеток) USB на оборудовании. Дальнейшие схемы и обсуждение штепселей и розеток можно найти в основной статье выше.

Розетки для разьёма

Разьём	USB 1 1996	USB 2 2001	USB 2	USB 3 2011	USB 3.1 2014	USB 3.2 2017	USB 4 2019
скорост	1.5мб\сек-12Мб\с	480 Мб\с	Т	5Гб\с	10 Гб\с	20 Гб\с	40 Гб\с
Норматив	Тип А Тип В	Т	Т	Т	USB С	Т
Мини	Т	мини А	мини В	Т	Т	Нет	Нет
Микро	Т	Т	микро АВ	микро В	Нет	Нет

Цели

Универсальная последовательная шина была разработана для упрощения и улучшения интерфейса между персональными компьютерами и периферийными устройствами по сравнению с ранее существовавшими стандартными или специальными проприетарными интерфейсами.

С точки зрения пользователя компьютера, интерфейс USB улучшил простоту использования несколькими способами. Интерфейс USB является самонастраивающимся, поэтому пользователю не нужно настраивать параметры на устройстве и интерфейсе для скорости или формата данных или настраивать прерывания, адреса ввода/вывода или прямые каналы доступа к памяти. Разъемы USB унифицированы на хозяине, поэтому любое периферийное устройство может использовать любую доступную штепсельную розетку. USB в полной мере использует дополнительную вычислительную мощность, которая может быть экономично вложена в периферийные устройства, чтобы они могли управлять собой; USB-устройства часто не имеют настраиваемых пользователем настроек интерфейса. Интерфейс USB "hot pluggable", что означает, что устройства могут быть обменены без перезагрузки компьютера. Небольшие устройства могут питаться непосредственно от интерфейса USB, вытесняя дополнительные кабели питания. Поскольку использование логотипов USB разрешено только после проверки соответствия, пользователь может быть уверен, что устройство USB будет работать, как ожидалось, без обширного взаимодействия с настройками и конфигурацией; интерфейс USB определяет протоколы для восстановления от распространенных ошибок, повышая надежность по сравнению с предыдущими интерфейсами. Установка устройства на основе стандарта USB требует минимальных действий оператора. Когда устройство подключено к порту в работающей системе персонального компьютера, оно либо полностью автоматически настраивается с использованием существующих драйверов устройств, либо система предлагает пользователю найти драйвер, который затем устанавливается и настраивается автоматически.

Для производителей оборудования и разработчиков программного обеспечения стандарт USB исключает необходимость разработки проприетарных интерфейсов для новой периферии. Широкий диапазон скоростей передачи доступных от интерфейса USB одевает приборы колебаясь от клавиатур и мышей до течь видео-интерфейсы. Интерфейс USB можно конструировать для того чтобы обеспечить самую лучшую доступную задержку для врем-критических функций, или может быть настроен для того чтобы сделать передачи предпосылки Навальных данных с меньшим ударом на ресурсах системы. Интерфейс USB обобщен без сигнальных линий, предназначенных только для одной функции одного устройства.

Ограничения

USB-кабели ограничены по длине, так как стандарт предназначался для подключения к периферийным устройствам на одной столешнице, а не между комнатами или между зданиями. Однако USB-порт может быть подключен к шлюзу, который обращается к удаленным устройствам. USB имеет строгую" древовидную "топологию и протокол" master-slave " для адресации периферийных устройств; периферийные устройства не могут взаимодействовать друг с другом, кроме как через хост, а два хоста не могут напрямую общаться через свои USB-порты. Некоторое расширение этого ограничения возможно через USB On-The-Go. Хост не может "транслировать" сигналы на все периферийные устройства одновременно, каждый из них должен быть адресован индивидуально. Некоторые очень высокоскоростные периферийные устройства требуют длительных скоростей, недоступных в стандарте USB.[5] хотя конвертеры существуют между некоторыми "устаревшими" интерфейсами и USB, они могут не обеспечивать полную реализацию устаревшего оборудования; например, конвертер USB в параллельный порт может хорошо работать с принтером, но не со сканером, который требует двунаправленного использования контактов данных.

Для разработчика продукта использование USB требует реализации сложного протокола и подразумевает наличие "интеллектуального" контроллера в периферийном устройстве. Разработчики USB-устройств, предназначенных для публичной продажи, как правило, должны получить USB ID, который требует плату, уплаченную форуму разработчиков. Разработчики продуктов, использующих спецификацию USB, должны подписать соглашение с форумом разработчика. Использование логотипов USB на изделии требует ежегодных сборов и членства в организации.

История

Группа из семи компаний начала разработку USB в 1994 году: Compaq , DEC , IBM , Intel , Microsoft , NEC и Nortel .[8] цель состояла в том, чтобы существенно облегчить подключение внешних устройств к ПК путем замены множества разъемов на задней панели ПК, решения проблем удобства использования существующих интерфейсов и упрощения конфигурации программного обеспечения всех устройств, подключенных к USB, а также обеспечения более высоких скоростей передачи данных для внешних устройств. Аджай Бхатт и его команда работали над стандартом в Intel; первые интегральные схемы, поддерживающие USB, были произведены Intel в 1995.

Первоначально спецификация USB 1.0, которая была введена в январе 1996, определила скорости передачи данных 1.5 Mbit/s низкоскоростных и 12 Mbit / s Полноскоростных . Microsoft Windows 95, OSR 2.1 обеспечила OEM-поддержку устройств. Первая широко используемая версия USB была 1.1, которая была выпущена в сентябре 1998 года. Скорость передачи данных 12 Мбит/с была предназначена для высокоскоростных устройств, таких как дисководы, и более низкая скорость 1.5 Мбит / с для устройств с низкой скоростью передачи данных, таких как джойстики . Apple Inc.iMac был первым основным продуктом с USB, и успех iMac популяризировал сам USB. После дизайнерского решения Apple, чтобы удалить все устаревшие порты из iMac, многие производители ПК начали строить устаревшие ПК, что привело к более широкому рынку ПК с использованием USB в качестве стандарта.

Спецификация USB 2.0 была выпущена в апреле 2000 года и была ратифицирована форумом разработчиков USB (USB-IF) в конце 2001 года. Hewlett-Packard, Intel, Lucent Technologies (теперь Nokia), NEC и Philips совместно возглавили инициативу по разработке более высокой скорости передачи данных, в результате чего спецификация достигла 480 Мбит/с, в 40 раз быстрее, чем оригинальная спецификация USB 1.1.

Спецификация USB 3.0 была опубликована 12 ноября 2008 года. Его основными целями были увеличение скорости передачи данных (до 5 Гбит/с), снижение энергопотребления, увеличение выходной мощности и обратная совместимость с USB 2.0. ( 3-1 ) USB 3.0 включает в себя новую высокоскоростную шину SuperSpeed параллельно с шиной USB 2.0. (1-3 ) по этой причине новая версия также называется SuperSpeed.[18] первые устройства, оснащенные USB 3.0, были представлены в январе 2010 года

По состоянию на 2008 , приблизительно 6 миллиардов USB-портов и интерфейсов были на мировом рынке, и приблизительно 2 миллиарда продавались каждый год.

Спецификация USB 3.1 была опубликована в июле 2013 года.

В декабре 2014 года, USB-порт-если представлен порт USB 3.1, разъем USB мощность 2.0 и USB-С спецификации МЭК (ТК 100 – аудио, видео и мультимедийные системы и оборудование) для включения в международный стандарт IEC 62680 (универсальной последовательной шины интерфейсы для данных и питания), которая в настоящее время базируется на USB 2.0.

Спецификация USB 3.2 была опубликована в сентябре 2017 года.

USB 1.x

Выпущенный в январе 1996, USB 1.0 определил скорости передачи данных 1.5 Мбит/с (низкая пропускная способность или низкая скорость) и 12 Мбит / с (полная скорость) . это не учитывало удлинительные кабели или сквозные мониторы, из-за ограничений времени и власти. Немногие USB-устройства вышли на рынок, пока USB 1.1 не был выпущен в августе 1998 года. USB 1.1 был самой ранней версией, которая была широко принята и привела к тому, что Microsoft назвала " ПК без наследия ".

Ни USB 1.0, ни 1.1 не указали конструкцию для любого разъема, меньшего, чем стандартный тип A или тип B. Хотя многие конструкции для миниатюрного разъема типа B появились на многих периферийных устройствах, соответствие USB 3.стандарт X был затруднен путем обрабатывать периферийные устройства которые имели миниатюрные разъемы как если бы они имели привязанное соединение (то есть: никакие штепсельная вилка или штепсельная розетка на периферийном конце). Не было никакого известного миниатюрного разъема типа A, пока USB 2.0 (версия 1.01) не ввел один.

USB 2.0

USB 2.0 был выпущен в апреле 2000 года, добавив более высокую максимальную скорость передачи сигналов 480 Мбит/с (60 Мбит / с) под названием High Speed или High Bandwidth , в дополнение к USB 1.скорость передачи сигналов полной скорости 12 Мбит/с.

Изменения к спецификации USB были сделаны через извещения об изменении инженерства (ECN). Самые важные из этих ECN включены в пакет спецификации USB 2.0 доступный от USB.org:

• Разъем Mini-A и Mini-B;
• Микро-USB кабели и разъемы спецификация 1.01;
• Дополнение USB InterChip;
• Дополнение 1.3 USB On-The-Go позволяет двум USB-устройствам взаимодействовать друг с другом, не требуя отдельного USB-хоста;
• Спецификация зарядки аккумулятора 1.1 добавлена поддержка выделенных зарядных устройств, поведение хост-зарядных устройств для устройств с разряженными батареями;
• Спецификация 1.2: с увеличенным течением 1.5 A на зарядных портах для unconfigured приборов, позволяющ высокоскоростному сообщению пока имеющ течение до 1.5 A и позволяющ максимальному течению 5 A;
• Ссылка управления питанием добавление ECN, который добавляет состояние мощности сна.

USB 3.x

Главная статья: USB 3.0 Спецификация USB 3.0 была выпущена 12 ноября 2008, с ее управлением, переходящим от USB 3.0 Promoter Group к форуму разработчиков USB (USB-IF) и объявленным 17 ноября 2008 на конференции разработчиков USB SuperSpeed.[25]]

USB 3.0 добавляет режим передачи SuperSpeed, с соответствующими обратно совместимыми разъемами, розетками и кабелями. Штепсельные вилки и штепсельные розетки SuperSpeed определены с определенным Логосом и голубыми вставками в штепсельных розетках стандартного формата.

Шина SuperSpeed обеспечивает для режима передачи на номинальном тарифе 5.0 Gbit / s, в дополнение к 3 существующим режимам передачи. Его эффективность зависит от ряда факторов, включая физическое кодирование символов и накладные расходы на уровне канала. При скорости передачи сигналов 5 Гбит/с (625 Мбайт/с) при кодировании 8b/10b пропускная способность raw составляет 500 Мбайт / с. Когда управление потоком, кадрирование пакетов и служебные данные протокола рассматриваются, это реалистично для 400 Мбайт/с (3,2 Гбит/с) или более для доставки в приложение.[17] ( 4-19 ) связь полнодуплексная в режиме сверхскоростной передачи; более ранние режимы полудуплексны, арбитрируются хостом.[26]]

Маломощные и высокомощные приборы остают рабочими с этим стандартом, но приборы используя SuperSpeed могут воспользоваться увеличенным имеющимся течением между 150 mA и 900 mA, соответственно. (9-9)

USB 3.1, выпущенный в июле 2013 года, сохраняет режим SuperSpeed transfer USB 3.0 под новым лейблом USB 3.1 Gen 1 и вводит новый режим SuperSpeed+ transfer под лейблом USB 3.1 Gen 2 . SuperSpeed + удваивает максимальную скорость передачи данных до 10 Гбит/с (1,25 Гбит/с), при этом сокращает накладные расходы на кодирование строк всего до 3%, изменяя схему кодирования на 128b / 132b .

USB 3.2, выпущенный в сентябре 2017 года, сохраняет существующие режимы USB 3.1 SuperSpeed и SuperSpeed+ data, но вводит два новых режима передачи SuperSpeed+ через разъем USB-C со скоростью передачи данных 10 и 20 Гбит/с (1.25 и 2.5 Гбит / с). Увеличение пропускной способности является результатом многополосной работы по существующим проводам, которые были предназначены для триггерных возможностей разъема USB-C.[30]]

USB4

Предстоящий выпуск спецификации USB4 был анонсирован USB Promoter Group в марте 2019 года.архитектура USB4 основана на спецификации протокола Thunderbolt 3. он поддерживает пропускную способность 40 Гбит/с, совместим с Thunderbolt 3 и обратно совместим с USB 3.2 и USB 2.0. архитектура определяет способ совместного использования одной высокоскоростной линии связи с несколькими типами конечных устройств динамически, который наилучшим образом служит передаче данных по типу и приложению.

Спецификация USB4 будет опубликована примерно в середине 2019 года.[4]]

История версий

См.на википедии.

Системный дизайн

Система USB состоит из хоста с одним или несколькими выходными портами и несколькими периферийными устройствами, образующими многоуровневую топологию . Дополнительные USB-концентраторы могут быть включены, что позволяет до пяти уровней. Хост USB может иметь несколько контроллеров, каждый с одним или несколькими портами. К одному хост-контроллеру может быть подключено до 127 устройств.( 8-29 ) USB-устройства соединены последовательно через концентраторы. Концентратор, встроенный в хост-контроллер, называется корневым концентратором .

Устройство USB может состоять из нескольких логических подустройств, которые называются функциями устройства . Составное устройство может обеспечивать несколько функций, например веб-камеру (функцию видеоустройства) со встроенным микрофоном (функцию аудиоустройства). Альтернативой этому является составное устройство, в котором хост назначает каждому логическому устройству отдельный адрес, а все логические устройства подключаются к встроенному концентратору, который подключается к физическому USB-кабелю.

Связь с USB-устройством осуществляется по каналам (логическим каналам). Канал-это соединение от хост-контроллера к логическому объекту внутри устройства, называемому конечной точкой . Поскольку трубы соответствуют конечным точкам, термины иногда используются взаимозаменяемо. Каждое USB-устройство может иметь до 32 конечных точек (16 дюймов и 16 выходов ), хотя редко бывает так много. Конечные точки определяются и нумеруются устройством во время инициализации (период после физического соединения, называемый "перечислением") и поэтому являются относительно постоянными, тогда как каналы могут быть открыты и закрыты.

Существует два типа каналов: поток и сообщение.

• Канал сообщений является двунаправленным и используется для передачи управления. Каналы сообщений обычно используются для коротких простых команд устройству и для ответов состояния от устройства, используемых, например, каналом управления шиной с номером 0.
• Труба потока-однонаправленная труба, связанная с однонаправленной конечной точкой, которая передает данные, используя изохронное, прерывание или массовую передачу:

• Изохронные переводы
  • При некоторой гарантированной скорости передачи данных (для потоковых данных с фиксированной полосой пропускания), но с возможной потерей данных (например, аудио или видео в реальном времени)
• Передача прерываний
  • Устройства, требующие гарантированного быстрого реагирования (ограниченная задержка), такие как указательные устройства, мыши и клавиатуры
• Оптовые передачи
  • Большие спорадические передачи, использующие всю оставшуюся доступную полосу пропускания, но без гарантий пропускной способности или задержки (например, передача файлов)

Когда хост начинает передачу данных, он отправляет пакет маркеров, содержащий конечную точку, указанную кортежем (device_address, endpoint_number). Если передача осуществляется от хоста к конечной точке, хост отправляет выходной пакет (специализацию пакета токенов) с требуемым адресом устройства и номером конечной точки. Если передача данных осуществляется от устройства к хосту, то вместо этого хост отправляет пакет IN. Если конечная точка назначения является однонаправленной конечной точкой, назначенное производителем направление которой не совпадает с пакетом маркеров (например, назначенное производителем направление находится в то время, когда пакет маркеров является пакетом OUT), пакет маркеров игнорируется. В противном случае он будет принят и транзакция данных может начаться. С другой стороны, двунаправленная конечная точка принимает как входящие, так и исходящие пакеты.

Конечные точки группируются в интерфейсы, и каждый интерфейс связан с одной функцией устройства. Исключением является endpoint zero, которая используется для настройки устройства и не связана ни с каким интерфейсом. Функция одного устройства, состоящая из независимо управляемых интерфейсов, называется составным устройством . Составное устройство имеет только один адрес устройства, поскольку хост назначает функции только адрес устройства.

При первом подключении устройства USB к узлу USB запускается процесс перечисления устройств USB. Перечисление начинается с отправки сигнала сброса на USB-устройство. Скорость передачи данных USB-устройства определяется во время сигнализации сброса. После перезагрузки хост считывает информацию с USB-устройства и ему присваивается уникальный 7-битный адрес. Если устройство поддерживается хостом, драйверы устройств необходимые для связи с устройством загружаются и устройство устанавливается в настроенное состояние. Если USB-хост перезапущен, процесс перечисления повторяется для всех подключенных устройств.

Хост-контроллер направляет поток трафика на устройства, поэтому ни одно USB-устройство не может передавать какие-либо данные по шине без явного запроса от хост-контроллера. В USB 2.0 хост-контроллер опрашивает шину для трафика, как правило, по циклу. Пропускная способность каждого порта USB определяется более низкой скоростью порта USB или устройства USB, подключенного к порту.

Высокоскоростные концентраторы USB 2.0 содержат устройства, называемые переводчиками транзакций, которые преобразуют между высокоскоростными шинами USB 2.0 и шинами полной и низкой скорости. На концентратор или на порт может приходиться один транслятор.

Поскольку в каждом хосте USB 3.0 есть два отдельных контроллера, устройства USB 3.0 передают и получают данные со скоростью USB 3.0 независимо от USB 2.0 или более ранних устройств, подключенных к этому хосту. Скорость обработки данных для более ранних устройств устанавливается прежним способом.

Классы устройств

Функциональность USB-устройства определяется кодом класса, отправляемым на USB-хост. Это позволяет хосту загружать программные модули для устройства и поддерживать новые устройства от разных производителей.

Классы устройств включают в себя:

Класс	использование	описание	примеры для исключн
00h	Устройство	Unspecified[	Класс устройства не указан, дескрипторы интерфейса используются для определения необходимых драйверов
01h	Взаимодействие	Аудио	Динамик, микрофон, звуковая карта, MIDI
02h	Оба на	Связь и контроль CDC	Модем, адаптер Ethernet, адаптер Wi-Fi, последовательный адаптер RS-232 . Используется вместе с классом 0Ah (CDC-Data, ниже)
03h	Взаимодействие	Прибор интерфейса человека (спрятанный)	Клавиатура, мышь, кнюппель
0	о	о	о
05h	Взаимодействие	Устройство физического интерфейса (PID)	Джойстик обратной связи по усилию
06h	Взаимодействие	Изображение ( PTP / MTP)	Веб-камера, сканер
07h	Взаимодействие	Принтер	Лазерный принтер, струйный принтер, машина КНК
08h	Взаимодействие	Массовое хранение (MSC или UMS)	Привод вспышки УСБ , читатель карты памяти, цифровой аудио плеер, цифровая фотокамера, внешний привод
09h	Устройство	USB-концентратор	Полный концентратор полосы пропускания
0Ah	Текст ячейки	CDC-данные	Использованный вместе с типом 02h (сообщения и управление CDC, выше)
Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки	Текст ячейки