USB (Universal Serial Bus - «универсальная последовательная шина») - последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. Для подключения используется 4-х проводный кабель, при этом два провода используются для приёма и передачи данных, а 2 провода - для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания.
Кабель USB состоит из 4 медных проводников - 2 проводника питания и 2 проводника данных в витой паре, и заземленной оплётки (экрана). Кабели USB имеют физически разные наконечники «к устройству» и «к хосту». Возможна реализация USB устройства без кабеля, со встроенным в корпус наконечником «к хосту». Возможно и неразъёмное встраивание кабеля в устройство (например, USB-клавиатура, Web-камера, USB-мышь) , хотя стандарт запрещает это для устройств full и high speed.
Шина USB
строго ориентирована, т. е. имеет понятие «главное устройство» (хост, он же USB контроллер, обычно встроен в микросхему южного моста на материнской плате) и «периферийные устройства».
Устройства могут получать питание +5 В от шины, но могут и требовать внешний источник питания. Поддерживается и дежурный режим для устройств и разветвителей по команде с шины со снятием основного питания при сохранении дежурного питания и включением по команде с шины.
USB поддерживает «горячее» подключение и отключение устройств . Это возможно благодаря увеличения длинны проводника заземляющего контакта по отношению к сигнальным. При подключении разъёма USB первыми замыкаются заземляющие контакты , потенциалы корпусов двух устройств становятся равны и дальнейшее соединение сигнальных проводников не приводит к перенапряжениям, даже если устройства питаются от разных фаз силовой трёхфазной сети.
На логическом уровне устройство USB поддерживает транзакции приема и передачи данных. Каждый пакет каждой транзакции содержит в себе номер оконечной точки (endpoint) на устройстве. При подключении устройства драйверы в ядре ОС читают с устройства список оконечных точек и создают управляющие структуры данных для общения с каждой оконечной точкой устройства. Совокупность оконечной точки и структур данных в ядре ОС называется каналом (pipe) .
Оконечные точки , а значит, и каналы, относятся к одному из 4 классов:
Низкоскоростные устройства, такие, как мышь, не могут иметь изохронные и поточные каналы
.
Управляющий канал предназначен для обмена с устройством короткими пакетами «вопрос-ответ». Любое устройство имеет управляющий канал 0, который позволяет программному обеспечению ОС прочитать краткую информацию об устройстве, в том числе коды производителя и модели, используемые для выбора драйвера, и список других оконечных точек.
Канал прерывания позволяет доставлять короткие пакеты и в том, и в другом направлении, без получения на них ответа/подтверждения, но с гарантией времени доставки - пакет будет доставлен не позже, чем через N миллисекунд. Например, используется в устройствах ввода (клавиатуры, мыши или джойстики).
Изохронный канал позволяет доставлять пакеты без гарантии доставки и без ответов/подтверждений, но с гарантированной скоростью доставки в N пакетов на один период шины (1 КГц у low и full speed, 8 КГц у high speed). Используется для передачи аудио- и видеоинформации.
Поточный канал дает гарантию доставки каждого пакета, поддерживает автоматическую приостановку передачи данных по нежеланию устройства (переполнение или опустошение буфера), но не дает гарантий скорости и задержки доставки. Используется, например, в принтерах и сканерах.
Время шины делится на периоды, в начале периода контроллер передает всей шине пакет «начало периода». Далее в течение периода передаются пакеты прерываний, потом изохронные в требуемом количестве, в оставшееся время в периоде передаются управляющие пакеты и в последнюю очередь поточные.
Активной стороной шины всегда является контроллер, передача пакета данных от устройства к контроллеру реализована как короткий вопрос контроллера и длинный, содержащий данные, ответ устройства. Расписание движения пакетов для каждого периода шины создается совместным усилием аппаратуры контроллера и ПО драйвера, для этого многие контроллеры используют Прямой доступ к памяти DMA (Direct Memory Access ) - режим обмена данными между устройствами или же между устройством и основной памятью, без участия Центрального Процессора (ЦП). В результате скорость передачи увеличивается, так как данные не пересылаются в ЦП и обратно.
Размер пакета для оконечной точки есть вшитая в таблицу оконечных точек устройства константа, изменению не подлежит. Он выбирается разработчиком устройства из числа тех, что поддерживаются стандартом USB.
Сигналы USB передаются по двум проводам экранированного 4-хпроводного кабеля.
| Тип А | Тип В | ||
| Вилка (на кабеле) |
Розетка (на компьютере) |
Вилка (на кабеле) |
Розетка (на периферийном устройстве) |
 |
|||
Названия и функциональные назначения выводов USB 1.0 и USB 2.0
Хоть максимальная скорость передачи данных USB 2.0 составляет 480 Мбит/с (60 Мбайт/с), в реальной жизни достичь таких скоростей нереально (~33,5 Мбайт/сек на практике). Это объясняется большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, шина FireWire , хотя и обладает меньшей пиковой пропускной способностью 400 Мбит/с, что на 80 Мбит/с (10 Мбайт/с) меньше, чем у USB 2.0, в реальности позволяет обеспечить бо́льшую пропускную способность для обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации. В связи с этим разнообразные мобильные накопители уже давно «упираются» в недостаточную практическую пропускную способность USB 2.0.
USB (универсальная последовательная шина) – Интерфейс передачи данных USB сегодня распространён повсеместно, используется практически во всех устройствах телефонах, ПК, МФУ, магнитофонов и в других устройствах применяются как для передачи данных так и для зарядки батарей телефона.
Существует большое количество разновидностей типов разъёмов ЮСБ. Все они показаны ниже.
Тип А - активное, питающее устройство (компьютер, хост). Тип B - пассивное, подключаемое устройство (принтер, сканер)
USB является последовательная шина. Он использует 4 экранированных провода: два для питания (+ 5v & GND) и два для дифференциальных сигналов данных (помечены как D + и D-).
USB micro используется с 2011 г. в телефонах, Mp3 и в других устройствах. Micro — это более новая разновидность разъема mini. У него есть преимущество в соединение разъемов, разъем соединен плотно со штекером и обеспечивает плотное соединения.
В данной статье приведена общая информация о стандарте USB, а также распиновка USB разъема по цветам всех видов (USB, mini-USB, micro-USB, USB-3.0).
Разъем USB (Universal Serial Bus) – это последовательная шина универсального назначения, современный способ подсоединения внешних устройств к персональному компьютеру. Заменяет ранее используемые способы подключения (последовательный и параллельный порт, PS/2, Gameport и т.д.) для обычных видов периферийных устройств — принтеры, мыши, клавиатуры, джойстики, камеры, модемы и т.д. Также данный разъем позволяет организовывать обмен данными между компьютером и видеокамерой, карт-ридером, MP3 — плеером, внешним жестким диском.
Преимуществом USB разъема перед иными разъемами заключается в возможности подключения Plug&Play устройств без необходимости перезагрузки компьютера или ручной установке драйверов. Устройства Plug&Play могут быть подключены во время работы компьютера и в течение нескольких секунд приступить к работе.
При подключении нового устройства сначала хаб (кабельный концентратор) получает высокий уровень по линии передачи данных, которое сообщает, что появилось новое оборудование. Затем следуют следующие шаги:
Создание USB — результат сотрудничества таких компаний как Compaq, NEC, Hewlett-Packard, Philips, Intel, Lucent и Microsoft. USB стандарт был призван заменить широко используемый последовательный порт RS-232. USB в целом облегчает работу пользователю и имеет большую пропускную способность, чем последовательный порт RS-232. Первая спецификация USB была разработана в 1995 году, как недорогой универсальный интерфейс для подсоединения внешних устройств, которые не требовали большую пропускную способность данных.
Версия USB 1.1 предназначен был для обслуживания медленных периферийных устройств (Low-Speed) со скоростью передачи данных 1,5 Мбит/с и быстрых устройств (Full-Speed) со скоростью передачи данных 12 Мбит/с. USB 1.1, однако, был не в состоянии конкурировать с высокоскоростным интерфейсом, например. FireWire (IEEE 1394) от компании Apple со скоростью передачи данных до 400 Мбит/с.
В 1999 году стали задумываться о втором поколении USB, который был бы применим и для более сложных устройств (например, цифровых видеокамер). Эта новая версия, обозначаемая как USB 2.0 была выпущена 2000 году и обеспечивала максимальную скорость до 480 Мбит/с в режиме Hi-Speed и сохранила обратную совместимость с USB 1.1 (тип передачи данных: Full-Speed , Low-Speed).
Третья версия (обозначаемая также как Super-speed USB) была спроектирована в ноябре 2008 года, но, вероятно, из-за финансового кризиса ее массовое распространение было отложено вплоть до 2010. USB 3.0 имеет более чем в 10 раз большую скорость по сравнению с USB 2.0 (до 5 Гбит/с). Новая разработка имеет 9 проводов вместо первоначальных 4 (шина данных уже состоит из 4 проводов), тем не менее, этот стандарт по-прежнему поддерживает и USB 2.0 и обеспечивает пониженное энергопотребление. Благодаря этому можно использовать любую комбинацию устройств и портов USB 2.0 и USB 3.0.
USB разъем имеет 4 контакта. К контактам DATA+ и DATA- подключается витая пара (скрученные между собой два провода), а к выводам VCC (+5 В) и GND подключаются обычные провода. Затем весь кабель (все 4 провода) экранируется алюминиевой фольгой.
Ниже представлена распиновка (распайка) всех видов USB разъемов.
Проблемы при зарядке различных устройств через USB часто возникают, когда используются нештатные зарядники. При этом зарядка происходит довольно медленно и не полностью либо вовсе отсутствует.
Следует сказать и о том, что зарядка через USB возможна не со всеми мобильными устройствами. Этот порт у них имеется только для передачи данных, а для зарядки применяется отдельный круглое гнездо.
Выходной ток в компьютерных USB составляет не больше пол-ампера для USB 2.0, а для USB 3.0 – 0,9 А. Ряду девайсов этого может быть недостаточно для нормального заряда.
Бывает, что в вашем распоряжении имеется зарядник, но он не заряжает ваш гаджет (об этом может сообщить надпись на дисплее или будет отсутствовать индикация заряда). Такое ЗУ не поддерживается вашим девайсом, и возможно это из-за того, что ряд гаджетов до начала процесса зарядки сканирует присутствие определенного напряжения на пинах 2 и 3. Для других девайсов может быть важным присутствие перемычки между этими пинами, а также их потенциал.
Таким образом, если устройство не поддерживает предлагаемый тип зарядника, то процесс зарядки не начнется никогда.
Чтобы девайс начал заряжаться от предоставленного ему зарядника, необходимо обеспечить на 2 и 3 пине USB, необходимые напряжения. Для разных устройств эти напряжения тоже могут отличаться.
Для многих устройств требуется, чтобы пины 2 и 3 имели перемычку или элемент сопротивления, номинал которого не больше 200 Ом. Такие изменения можно сделать в гнезде USB_AF, которое находится в вашем ЗУ. Тогда зарядку станет возможно производить стандартным Data-кабелем.
Гаджет Freelander Typhoon PD10 требует той же схемы подключения, но напряжение заряда должно быть на уровне 5,3 В.
В случае если у зарядника отсутствует гнездо USB_AF, а шнур выходит прямо из корпуса ЗУ, то можно припаять к кабелю штекеры mini-USB или micro-USB. Соединения необходимо произвести, как показано на следующей картинке:
Различная продукция фирмы Apple имеет такой вариант соединения:
При отсутствии элемента сопротивления номиналом 200 кОм на пинах 4 и 5 устройства фирмы Motorola не могут осуществить полный заряд.
Для зарядки Samsung Galaxy необходимо наличие перемычки на пинах 2 и 3, а также элемента сопротивления на 200 кОм на контактах 4 и 5.
Полный заряд Samsung Galaxy Tab в щадящем режиме рекомендуется производить при использовании двух резисторов номиналом 33 кОм и 10 кОм, как изображено на картинке ниже:
Такое устройство, как E-ten может заряжаться любым ЗУ, но лишь при условии, что пины 4 и 5 будут соединены перемычкой.
Такая схема реализована в кабеле USB-OTG. Но в этом случае необходимо использовать дополнительный переходник USB папа-папа.
Универсальное ЗУ Ginzzu GR-4415U и другие аналогичные устройства имеют гнезда с различным соединением резисторов для зарядки девайсов iPhone/Apple и Samsung/HTC. Распиновка этих портов выглядит так:
Чтобы зарядить навигатор Garmin, необходим тот же кабель с перемычкой на контактах 4 и 5. Но в этом случае устройство не может заряжаться во время работы. Для того чтобы навигатор мог подзаряжаться, необходимо заменить перемычку на резистор номиналом 18 кОм.
Для зарядки планшетов обычно необходимо 1-1,5 А, но как было упомянуто ранее, USB-порты не смогут нормально заряжать их, поскольку USB 3.0 выдаст максимум 900 мА.
В некоторых моделях планшетов для зарядки имеется круглое коаксиальное гнездо. Плюсовой пин гнезда mini-USB/micro-USB в таком случае не имеет соединения с контроллером заряда аккумулятора. По утверждениям некоторых пользователей таких планшетов, если соединить плюс от гнезда USB с плюсом коаксиального гнезда перемычкой, то зарядка может осуществляться через USB.
А можно и изготовить переходник для подключения в коаксиальное гнездо, как показано на рисунке ниже:
Вот схемы перемычек с указанием напряжения и номиналов резисторов:
В итоге, чтобы осуществлять зарядку различных гаджетов от неродных ЗУ необходимо убедиться в том, что зарядка выдает напряжение 5 В и ток не меньше 500 мА, и внести изменения в гнезде или штекере USB согласно требованиям вашего устройства.
Удобное хранение радиодеталей
Интерфейс USB (универсальная последовательная шина) активно используется уже 2 десятилетия, и за это время было создано несколько стандартов. Впервые это произошло в 1997 году, когда на материнских платах появился соответствующий разъем. Сегодня речь пойдет о стандартах и распиновке USB, но сначала необходимо отметить преимущества шины.
Одним из главных среди них является поддержка Plug & Play. Сейчас после подключения девайса уже не требуется вручную устанавливать нужные драйвера и производить перезагрузку персонального компьютера.
Шина не только позволяет передавать информацию, но и обеспечивает питанием подключенное устройство. В результате появилась возможность создавать мобильные сетевые и звуковые карты, а также другие виды контролеров.
В настоящее время создано 3 стандарта этого интерфейса. Основные отличия между ними заключаются не в распиновке разъема USB, а d скорости обмена информацией. При этом обеспечивается совместимость новых версий с предыдущими, что значительно облегчило жизнь пользователям.
Этот стандарт способен обеспечить скорость передачи информации до 12 Мб/с. Во время его создания это был хороший показатель, но все же существовал более скоростной интерфейс- IEEE 1394 или FireWire (до 400 Мб/с), разработанный компанией Apple. Однако ЮСБ 1.1 получил довольно широкое распространение и применялся на протяжении нескольких лет.
Среди основных характеристик данной спецификации следует отметить:
С появление сложных девайсов, например, цифровых фотокамер, возникла необходимость в более быстром интерфейсе. В результате появилась версия USB 2.0, который обеспечил скорость передачи информации до 480 Мб/с. Наличие аппаратной совместимости со стандартом 1.1 позволяет использовать старые устройства, но пропускная способность шины в такой ситуации резко снижается.
Следует учесть тот факт, что реальная пропускная способность ЮСБ 2.0 значительно отличалась от указанной в спецификации. Связано это с реализацией работы протокола, допускающего задержки в передаче пакетов данных. За последние годы появилась масса девайсов, для нормальной работы которых требовалась большая пропускная способность шина.
Это новый стандарт, массовое распространение которого началось в 2010 году. Он позволяет передавать информацию со скоростью до 5 Гб/с. Хотя распиновка ЮСБ разъема 3.0 и имеет некоторые отличия от 2-й версии, они полностью совместимы. Чтобы различать коннекторы этих стандартов, гнезда и штекера USB 3.0 маркируются синим цветом.
Также существуют определенные несоответствия в распайке разъемов. Показатель номинального тока увеличен до 0.9 А. В результате увеличилось количество периферийных устройств, для работы которых уже не требуется отдельный источник питания. Имеют собственную классификацию и коннекторы ЮСБ:
Коннекторы второго типа имеют довольно большие размеры и не могут быть установлены на портативные гаджеты. Для исправления ситуации были созданы стандарты micro- и мини ЮСБ.
Так как коннекторы первых версий универсальной последовательной шины не отличаются физически, то достаточно знать распайку последнего стандарта. На первый контакт подается питание в 5 В, а для передачи сигнала задействованы 2-й и 3-й провода. Распиновка USB кабеля по цветам выглядит следующим образом:
В последней версии стандарта вместо 4 контактов используется 9. Цветовая схема распайки приведена на рисунке и имеет следующий вид:
Разъемы типа В версии 3.0 несовместимы с предыдущими стандартами.
Распиновка mini-USB аналогична микро, но в третьей версии интерфейса применяется только разъем последнего типа. Micro-USB 2.0 имеет 5 контактов, однако, используется лишь 4. В последней версии количество проводов увеличено в 2 раза. Контакты 1−5 выполняют те же функции, что и в коннекторах прежнего стандарта, а остальные предназначены для решения следующих задач:
Хотя все мобильные гаджеты заряжаются через разъем USB, единого стандарта нет, и каждый производитель разработал собственную схему. Можно использовать любой адаптер питания для подзарядки аккумулятора. Например, в iPhone для этого необходимо соединить контакты 2, 3 с 4 посредством резистора с номинальным сопротивлением в 50 кОм, а с 5 - 75 кОм. У главного конкурента Samsung Galaxy распиновка микро-USB разъема для зарядки более простая. Потребуется поставить перемычку между контактами 2 и 3, а 4 соединить с 5 резистором в 200 кОм.
