Usb использует всю шину

ПК «Сплайн-Технолоджис»

Профессиональный подход.
Разумность решений.

Новости

Шина USB

При подготовке этого раздела использовались материалы с USB Implementers Forum.

Практически все поставленные задачи были решены в стандарте на USB и весной 1997 года стали появляться компьютеры, оборудованные разъемами для подключения USB устройств (см. фото слева), но периферия с подключением к USB до середины 1998 года так практически и не появилась. В чем дело? Почему только к концу 1998 года уже существенно активнее производители оборудования стали предлагать на рынке устройства с USB интерфейсом? Этому есть несколько объяснений:

отсутствие острой необходимости для пользователей настольных компьютеров в устройствах с полной поддержкой Plug&Play. Периферия к настольному компьютеру подключается, как правило, всерьез и надолго и особой нужды в частой смене периферии у подавляющего большинства пользователей нет.

более высокая стоимость устройств с USB по сравнению с аналогичными устройствами, имеющими стандартные интерфейсы

отсутствие поддержки со стороны производителей программного обеспечения и, главным образом, Microsoft, хотя она и была одним из авторов стандарта. Только в Windows 98 появилась полная поддержка USB, а в Windows NT она только должна быть в 1999 году.

Сейчас USB стала активно внедряться производителями компьютерной периферии. Сенсацией стало наличие в компьютере iMAC фирмы Apple Computers только USB в качестве внешней шины.

Возможности USB следуют из ее технических характеристик:

Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена

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

Поэтому целесообразно подключать к USB практически любые периферийные устройства, кроме цифровых видеокамер и высокоскоростных жестких дисков. Особенно удобен этот интерфейс для подключения часто подключаемых/отключаемых приборов, таких как цифровые фотокамеры. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение/расчленение.
Возможность использования только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины, но существенно уменьшает количество линий интерфейса и упрощает аппаратную реализацию.
Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джойстики и т.п.

Условно дерево подключения USB устройств к компьютеру можно изобразить так (цифрами обозначены периферийные устройства с USB интерфейсом):

На рисунке выше показан пример правильного соединения периферийных устройств в условную USB сеть. Так как обмен данными по USB идет только между компьютером и периферийным устройством (между устройствами обмена нет), то устройства с большими объемами приема и/или передачи данных должны подключаться либо к самому компьютеру, либо к ближайшему свободному узлу. В данном случае наивысший трафик у колонок (

Сигналы USB передаются по 4-х проводному кабелю, схематично показанному на рисунке ниже:

предназначены ТОЛЬКО для подключения к источнику, т.е. компьютеру или HUB’у.

предназначены ТОЛЬКО для подключения к периферийному устройству

Источник

Типы стандартов USB и разница между ними

Содержание

Содержание

Вроде мы слышали, что USB 3.0 — это круче, чем USB 2.0. Но чем именно — знают не все. А тут еще появляются какие-то форматы Gen 1, Gen 2, маркировки Superspeed. Разбираемся, что значат все эти маркировки и чем они отличаются друг от друга. Спойлер: версий USB всего четыре.

USB 2.0

Когда-то было слово только USB 1.0. Сейчас это уже практически архаика, которую даже на старых устройствах почти не встретить. Еще 20 лет назад на смену первопроходцу USB 1.0 пришел улучшенный USB 2.0. Как и первая версия, эта спецификация использует два вида проводов. По витой паре идет передача данных, а по второму типу провода — питание устройства, от которого и идет передача информации. Но такой тип подключения подходил только для устройств с малым потреблением тока. Для принтеров и другой офисной техники использовались свои блоки питания.

USB версии 2.0 могут работать в трех режимах:

USB 3.0

Стандарт USB 3.0 появился в 2008 году и до сих пор используется во многих устройствах. Скорость передачи данных выросла с 480 Мбит/с до 5 Гбит/с. Помимо скорости передачи данных, USB 3.0 отличается от версии 2.0 и силой тока. В отличие от более ранней версии, которая выдавала 500 мА, USB 3.0 способен отдавать до 4.5 Вт (5 В, 900 мА).

Новое поколение USB обратно совместима с предыдущими версиями. То есть USB 3.0 может работать и с разъемами USB 2.0 и даже 1.1. Но в этом случае буду ограничения по скорости. Подключив USB 3.0 к устройству с USB 2.0 скорость, вы получите не больше 480 Мбит/с — стандарт для версии 2.0. И наоборот, кабель 2.0 не станет более скоростным, если подключить его в устройство с USB 3.0. Это связано с количеством проводов, используемых в конкретной технологии. В версии USB 2.0 всего 4 провода, тогда как у USB 3.0 их 8.

Если вы хотите получить скорость передачи, заявленную стандартом USB 3.0, оба устройства и кабель должны быть именно версии 3.0.

USB 3.1

В 2013 году появляется версия USB 3.1 с максимальной заявленной скорость передачи данных до 10 Гбит/с, выходной мощностью до 100 Вт (20 В, 5 А). С появлением USB 3.1 произошла революция в маркировках всех стандартов. Но с ней мы разберемся чуть позже. А пока запомним главное: пропускная способность USB 3.1 увеличилась вдвое по сравнению с версией 3.0. И одновременно с обновленным стандартом появился и принципиально новый разъем — USB type-С. Он навсегда решил проблему неправильного подключения кабеля, так как стал симметричным и универсальным, и теперь все равно, какой стороной подключать провод к устройству.

USB 3.2

В 2017 году появилась информация о новой версии — USB 3.2. Она получила сразу два канала (больше проводов богу проводов) по 10 Гбит/с в каждую сторону и суммарную скорость в 20 Гбит/с. Стандарт USB 3.2 также обратно совместим с режимами USB 3.1, 3.0 и ниже. Поддерживается типом подключения USB-C на более современных гаджетах.

Типы разъемов

Версий разъемов USB несколько, и для каждого есть свое предназначение.

Superspeed, Gen или как разобраться в маркировках стандартов USB

Как только в типах стандартов появилась USB 3.1, привычная цифровая маркировка изменилась и здорово запуталась. Вполне понятный и простой USB 3.0 автоматически превратился в USB 3.1 Gen 1 и ему была присвоена маркировка SuperSpeed. А непосредственно сам USB 3.1 стал называться USB 3.1 Gen 2 с маркировкой SuperSpeed +.

Но и это уже потеряло свою актуальность с выходом стандарта USB 3.2. Он получил название USB 3.2 Gen 2×2 и маркировку SuperSpeed ++. В итоге маркировка всех предшествующих стандартов опять меняется. Теперь USB 3.0, она же USB 3.1 Gen 1, превращается задним числом в USB 3.2 Gen 1 с прежней маркировкой SuperSpeed. А USB 3.1, ставшая USB 3.1 Gen 2, тоже поднялась до USB 3.2 Gen 2. При этом конструктивно все стандарты остались прежними — изменяются только названия. Если вы уже запутались во всех этих цифрах и маркировках, таблица ниже поможет внести ясность в актуальных названиях.

Если еще более кратко, то сейчас опознать стандарты USB можно так:

USB 3.0 — это USB 3.2 Gen 1, он же Superspeed
USB 3.1 — это USB 3.2 Gen 2, он же Superspeed+
USB 3.2 — это USB 3.2 Gen 2×2, он же Superspeed++

Источник

Интерфейс USB. Часть 2. Как происходит передача данных по шине

Собственно говоря, про то, как происходит передача данных мы уже начали говорить ещё в прошлой статье (помните, мы обсуждали конечные точки, коммуникационные каналы и прочее), просто здесь мы обсудим это более детально и обстоятельно.

Итак, пусть мы хотим из клиентского ПО отправить какие-то данные к конечной точке нашего девайса. Мы посылаем IRP к каналу, который USBD установил с нашей точкой и сообщаем адрес буфера, где лежат данные, которые нам нужно отправить, и размер пересылаемого блока данных. Что происходит с этими данными дальше?

А дальше с ними начинает работать USBD.

Он нарезает наш блок данных на кусочки, которые можно передать за одну транзакцию и, в соответствии с приоритетом выбранного нами для данной конечной точки типа передачи, для каждого кусочка планирует, когда он может его отправить (т.е. планирует транзакции). Далее, в запланированное время он эти кусочки посылает конечной точке. И таким образом всю нашу посылку получит конечная точка.

Здесь у нас всплыл термин «транзакции», поэтому поясню, что это такое. Транзакция — это один сеанс связи с устройством. Поскольку к шине у нас подключено много устройств, то хост физически не может постоянно и одновременно обмениваться данными со всеми этими устройствами. Вместо этого он организует циклы (фреймы, кадры) в каждом из которых осуществляет несколько сеансов связи с различными устройствами. Вот эти сеансы связи и называются транзакциями.

Кадры следуют друг за другом с периодичностью 1 кадр в мс. Ещё раз замечу, что в одном кадре не обязательно должны присутствовать сеансы связи со всеми устройствами на шине или сразу все кусочки информации, предназначенные для одного устройства. Расписание транзакций планируется USBD с учётом приоритета выбранных типов передач и с какими-то конечными точками хост может не осуществлять транзакций несколько фреймов подряд, даже при наличии запроса на обмен данными с этими точками (помните, мы в первой части обсуждали, что принтер может и подождать, а вот передача музыки в USB колонки ждать никак не может). Образно кадры и транзакции показаны на рисунке справа, подробнее их структуру мы рассмотрим позднее.

Вот теперь, с учётом новой информации, мы можем снова вернуться к типам передач и пропускной способности канала. Что для изохронных передач означает способность занять 90% пропускной способности канала. Это значит, что в каждом кадре 90% времени может быть отведено для транзакций этого типа передач. Аналогично, 10% пропускной способности канала, гарантированных для управляющих передач, означают, что в каждом кадре 10% времени гарантированно могут занять транзакции управляющих передач.

Далее ещё раз внимательно посмотрите на рисунок выше. На рисунке я не случайно выделил небольшие интервалы в начале и в конце каждого кадра. В реальности, в начале и конце каждого кадра тоже выделяются небольшие интервалы времени, которые используются специальным образом.

Начало каждого кадра помечается посылкой специального маркер-пакета SOF (start of frame), в состав которого входят 11 младших бит номера кадра. Этот маркер-пакет используется для синхронизации изохронных точек и хабов. В режиме HS каждый кадр делится на 8 микрокадров по 125 мкс, каждый из которых начинается с посылки маркер-пакета SOF (при этом в SOF всех микрокадров, относящихся к одному кадру, передаётся одинаковый номер).

Интервал времени в конце каждого кадра называется EOF. EOF — это время тишины. До наступления этого времени должны быть завершены все транзакции. Если в это время хаб обнаружит, что в какой-то нисходящий порт ему сыпят данные, то он этот порт просто отключит и сообщит об этом хосту.

Теперь вернёмся к транзакциям и разберём более подробно, что же происходит во время сеанса связи с конечной точкой и из чего состоят транзакции.

Сразу отвечу на второй поставленный нами вопрос — транзакции состоят из пакетов. Если помните, мы уже говорили, что любые сеансы обмена данными могут начинаться только по инициативе хоста. Так вот, любая транзакция начинается хостом. И начинается она с отправки маркер-пакета транзакции, в котором указывается адрес устройства, адрес конечной точки, с которой хост хочет «пообщаться», а также направление передачи данных. Получив такой пакет, адресуемое устройство готовится к обмену. Далее, после небольшого таймаута, следует пакет данных от источника (источник определяется направлением, указанным в маркер-пакете). Для изохронных передач транзакция на этом заканчивается (поскольку им не нужно никаких подтверждений доставки данных). Для всех остальных типов передач в транзакцию входит ещё третий пакет — пакет подтверждения или пакет квитирования (handshake). Для наглядности структура транзакций показана на рисунке ниже.

Далее подробнее поговорим про пакеты. Всего существует 4 типа пакетов: маркер-пакеты (token), пакеты данных (data), пакеты подтверждения (handshake) и специальные пакеты (special). Эти пакеты имеют строго определённую структуру, которая зависит от типа пакета, хотя у всех типов пакетов можно выделить и некоторые общие поля. Общая структура пакетов показана на рисунке справа (для скоростей передачи LS/HS). Пакет можно условно разделить на заголовок (2 байта), имеющий общую для всех пакетов структуру (Sync+PID+Check), и тело, защищённое контрольной суммой. Наличие, размер и структура тела, а также количество бит контрольной суммы зависят от типа пакета.

Итак, любой пакет на LS/FS начинается с 8 бит синхронизации — поле Sync. Для синхронизации используется битовая последовательность b’10000000′. (Для HS длина поля синхронизации составляет 32 бита.)

Далее следует 4 бита идентификатора пакета — PID и его инверсная копия — Check. PID определяет назначение пакета и, соответственно, его последующую структуру. В таблице ниже представлено небольшое описание различных идентификаторов пакетов шины USB.

Остальные специальные пакеты не будем рассматривать, поскольку они нам пока не понадобятся.

Идём дальше. Во всех полях пакетов, кроме поля CRC, данные передаются младшим битом вперёд.

Все пакеты состоят из целого числа байт (разрядность полей, входящих в пакет, специально так подобрана, чтобы сумма разрядов всех этих полей была кратна восьми).

Все пакеты заканчиваются специальным сигналом EOP, для LS/FS этот сигнал длится 2 битовых интервала (позже, когда дойдём до физики, мы рассмотрим, как формируется этот сигнал), для HS — таким специальным сигналом является передача определённой последовательности бит.

Передаваемые по шине данные кодируются по методу NRZI с техникой вставки бит (bit stuffing). Расшифруем что это значит. Это значит, что при передаче нулевого бита состояние сигнала на шине меняется на противоположное, а при перередаче единицы — состояние сигнала не меняется. Вставка бит используется для того, чтобы не потерять синхронизацию при монотонном единичном сигнале. Суть этой вставки сводится к тому, что после каждых 6 подряд единиц в передаваемые данные вставляется нулевой бит, независимо от того, какое значение имеет бит, следующий за этой группой единиц. (чтобы использовать NRZI и технику bit staffing — придётся разработать специальную процедурку для перекодирования передаваемых и принимаемых данных. )

Теперь поговорим про интервал ожидания (помните, на рисунке со структурой транзакций, между пакетами нарисованы небольшие интервалы). Вот давайте поговорим, откуда они и зачем. Как все мы понимаем, сигнал не может дойти от источника до приёмника мгновенно. Во-первых, задержку вносят кабели, во-вторых, задержку вносят хабы (они, как мы помним, должны принять сигнал от источника и ретранслировать его приёмнику), в-третьих, нужно учитывать, что хабов в цепочке от хоста до устройства может быть несколько, ну и наконец, нужно понимать, что приёмник должен иметь некоторое время, чтобы «осмыслить» принятый пакет, решить есть ли в нём ошибки, кому он предназначен и т.д.

Таким образом, ответный пакет источник не может получить мгновенно, потому что приёмнику нужно время чтобы «подумать» над ответом, и всей этой транспортной сети нужно время чтобы «доставить» ответ. С другой стороны, ответ нельзя ждать бесконечно долго, вдруг он вообще не придёт.

Поэтому в устройствах USB нормируется, во-первых, «максимальное время оборота по шине» — это время, за которое данные должны добежать до приёмника и вернуться назад к источнику в самом худшем случае — при прохождении последовательно через 5 хабов (время на то, чтобы «доставить»), и, во-вторых, «максимальная задержка ответа» — максимальное время от конца увиденного EOP до начала передачи ответного пакета (время на то, чтобы «подумать»). В устройствах при ожидании пакета запускаются специальные таймеры, которые отсчитывают интервал, достаточный для формирования ответа и его доставки, и если ответ за это время не получен — это воспринимается как ошибка.

Для FS интервал ожидания составляет 16-18 битовых интервалов, для HS — 736-816 битовых интервалов. Максимальное время, за которое мы должны всё обдумать и начать посылать ответ, составляет 7,5 битовых интервалов на FS и 192 битовых интервала для HS.

Ну и раз уж мы заговорили про битовые интервалы, то следует сказать, что длительность битового интервала для скорости LS составляет примерно 667 нс (1,5 Мбит/с), для FS примерно 83 нс, для HS примерно 2 нс.

Ещё один интересный вопрос. Зачем придумали аж целых 4 идентификатора пакетов данных? Сделали это вот почему. При передачах типа bulk (массивы), control (управляющие) и interrupt (прерывания) приёмник после получения пакета данных должен послать назад к источнику пакет подтверждения. Этот пакет подтверждения (так же, как и сам пакет данных) может испортиться. А если источник не получит подтверждения успешной передачи пакета данных, то в следующей транзакции он повторит отправку отправку этого пакета. Чтобы приёмник понял, что он эти данные уже получал, пакеты данных посылают с чередующимся PID. Чётные пакеты посылают с PID Data0, а нечётные — с PID Data1. Таким образом, получив два раза пакет данных с одним и тем же PID, приёмник понимает, что это не какие-то новые данные, а просто повторная отправка предыдущего пакета, потому что источник в предыдущей транзакции не увидел пакет подтверждения. Специальный бит в конечной точке, который указывает, пакет данных с каким PID мы ждём, называется Toggle Bit.

Ладно, с Data0, Data1 всё ясно, а для чего нужны PID Data2 и MData? Да примерно для того же самого. Они позволяют различить пакеты данных внутри микрокадра для широкополосных изохронных точек (USB2.0).

Ну, на этом пожалуй хватит про всякие транзакции и пакеты (если что — потом допишем), перейдём теперь к самому низкому уровню реализации — к физике.

С точки зрения физики в USB всё достаточно просто. Для связи по USB используются 4 провода: +5В, D+, D- и GND. Эти провода имеют стандартную цветовую маркировку: красный провод — это +5В, чёрный — GND, зелёный — D+, белый — D-.

Для передачи битов используется дифференциальный сигнал между проводами D+ и D-. Провода +5В и GND используются для питания устройства, а так же для индикации некоторых специальных состояний (вместе с D+ и D-).

На линиях D+ и D- высокий уровень соответствует напряжению +3,3 В (от 2,7 до 3,6).

Дифференциальный сигнал, при котором разница между D+ и D- больше 200 мВ при уровне напряжения на линии D+ > 2В называется Diff1.

Дифференциальный сигнал, при котором разница между D- и D+ больше 200 мВ при уровне напряжения на линии D- > 2В называется Diff0.

Состояние, когда на обоих сигнальных линиях присутствует низкий уровень относительно GND (D+

Добавить комментарий Отменить ответ

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

Источник