Посмотрите на заднюю стенку своего аппарата. Вы увидите там множество всяких разъемов: последовательные и параллельный порты, разъемы для подключения джойстика, колонок, клавиатуры, мыши и еще множество других. Такое изобилие не есть очень хорошо, так как, во-первых, это не сказывается положительно на стоимости материнской платы (незначительно, конечно, но все-таки), а, во-вторых (что более важно) создает некоторые трудности для подключения внешней перифирии. В самом деле, если человек никогда не видел компьютера, а тут ему стало нужно подключить мышь, то он просто не будет знать, куда ее вставлять. Кроме того, программное обеспечение должно поддерживать все эти стандарты, а это только зря усложняет его (обеспечение), и создает дополнительные трудности для установки драйверов, настройки и т. п. Конечно, для знающего пользователя все это мелочи, но весь компьютерный мир стремится сделать "easy PC", то есть когда пришел, поставил, воткнул, включил, загрузил и играй в Unreal Tournament, а все остальное сделается само. Да и, как уже говорилось, не все же знают, куда же надо мышку пихать, а без мышки, сами понимаете, Unreal не Unreal. Кстати, тут я полностью разделяю позицию производителей железа - пользователь должен использовать компьютер, а не возиться со всякими прерываниями, разъемами и проч., потому что даже если все это и не составляет особого труда, то все равно очень неприятно. И все эти проблемы, как вы наверное, уже догадались, "должна решить шина USB". Поэтому перейдем сразу к делу.
Шина USB (Universal Serial Bus ) - универсальная шина, предназначенная для легкого и быстрого подключения периферийных устройств. Стандарт разработали семь компаний: Compaq, Digital Equipment, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. USB-шнур представляет собой две скрученные пары: по одной паре происходит передача данных в каждом направлении (дифференциальное включение), а другая есть линия питания (+5 V). Благодаря встроенным линиям питания, обеспечивающим ток до 500 мА, USB часто позволяет применять устройства без собственного блока питания (если эти устройства потребляют ток силой не более 500 мА).
К одному компьютеру можно подсоединить до 127 устройств
через цепочку концентраторов (они используют топологию
звезда). Причем эти устройства могут быть самыми
разными - начиная от клавиатуры с мышью и кончая
сканерами и цифровыми камерами. Представьте себе
принтер, сканер, клавиатуру, колонки, джойстик и
еще десяток мышек, подключенных сразу к одному порту
и еще одновременно работающих! Правда, нужно сделать
небольшое уточнение: все эти устройства для эффективной
работы должны иметь в своем расоряжении необходимую
им полосу пропускания, а она ограничена 12-ю мегабитами,
которые может дать USB, то есть один сканер с хорошим
принтером сожрут больше, а тут еще и 
колонки, и модем и что угодно. Иначе говоря,
работать то оно будет, но получится ситуация, как
в том анекдоте: "А теперь попробуем со всем этим
взлететь". Я бы не рекомендовал на один USB-разъем
(системные платы имеют два и более разъема) вешать
слишком много скоростных устройств, которые предполагается
использовать одновременно. Кстати, все эти мышки
и модемы потребляют определенный ток, который поставляется
шиной (если устройство не имеет собственного блока
питания), а он не должен превысить максимального
значения, что тоже снижает 127 до некоторого другого,
значительно меньшего числа.
Передача данных по шине может осуществляться как в асинхронном, так и в синхронном режиме. В USB обмен информации с быстрыми устройствами идет на скорости 12 Мbits/s, а с медленными - 1.5 Мbits/s. Все подключенные к USB-устройства конфигурируются автоматически (PnP) и допускают Hot-Swap включение/выключение (без перезагрузки или выключения компьютера). Достигается это следующим образом. При подключении кабеля к USB-разъему контроллер USB-контроллер чувствует скачок напряжения и подает соответствующий сигнал операционной системе, а она загружает драйвер, который и обеспечивает работу устрйства на программном уровне. Или, если драйвер не был установлен, система, видя это безобразие, опознает устройство и самостоятельно или с помощью пользователя ставит необходимые драйвера. При дальнейшем включении/выключении этого устройство инициализация происходит, как описано в первом случае. Во время опознавания на экране появляется соответствующее сообщение, а изменения в Device Manager"е происходят автоматически. Устройство также сообщает информацию о его типе, производителе, назначении и требуемой пропускной способности. Ему назначается уникальный идентификационный номер. Это все, что нужно, никаких вопросов об IRQ, адресах портов и DMA больше не будет. Правда, одно прерывание все же нужно - для самого контроллера USB.
Для взаимодействия устройств используется вышеупомянутый
кабель, имеющий на концах разъемы, напоминающие
телефонные. Существует два вида разъемов: разем
типа "А" и разем типа "B". Как правило, устройство
подключается к кабелю одним разъемом (B), 
а другим к USB-порту (A). Устройства можно подключать по цепочке,
для этого они могут иметь дополнительный порт для
подключения кабеля, идущего на следующее устройство.
Однако 
это
не всегда так. Поэтому существуют специальные USB-хабы,
подключаемые к порту USB и делящих его на несколько.
Есть хабы с блоком питания, они позволяют в некоторой
степени обойти ограничение на электрическую нагрузку.
На рисунке слева приведен внутренний хаб, вставляющийся
в 5" отсек и соединяющийся с USB-портом внешним
кабелем, выходящим наружу из задней стенки PC. Наб
является обычным USB-устрйством, поэтому их количество
может быть более одного; их тоже можно включать
в цепочку. Старые компьютеры, не имеющие USB (сейчас
USB-контроллер встраивается непосредственно в чипсет),
можно оснастить картой типа PCI to USB.
В отличие от чуть ли не всей компьютерной индустрии, когда еще далеко до принятия стандарта, а устройства, поддерживающие его, уже вовсю продаются на рынке, с шиной USB все получилось наоборот. Стандарт был принят аж в 1995-м году, а в 1997-м еще никто толком не мого объяснить, что такое USB. Причина - поддержка (точнее ее отсутствие) со стороны программного обеспечения. Здесь производители устройств ждали, пока Microsoft выпустит ОС с поддержкой USB, а Microsoft в свою очередь заявляла: зачем делать новую систему, когда USB-устройства можно пересчитать по пальцам. К тому же Windows 95 все же может работать с USB, пусть и плохо. Получился в своем роде замкнутый круг. Но в 1998-м году фирма Microsoft напряглась и сделала наконец-то операционную систему с более или менее полноценной поддержкой USB (имеется ввиду Windows 98). Естественно, в последующих версиях систем от дядюшки Билли эта поддержка сохранилась. И тут устройства USB начали появляться словно грибы после дождя. Так что сейчас практически вся периферия имеет USB-варианты, а очень большое количество устройств и вовсе делается только под эту шину. Более подробную информацию о том, что можно подключить к USB, можно найти на http://www.allusb.com/ .
Теоретически к шине USB можно подключить все что угодно - хоть жесткий диск или систему видеомонтажа. Такие устройства даже существуют (смотрите, например, фотографию конвертера ниже) и покупаются. Но это уже, как говориться, попытка совместить несовместимое. Все упирается в максимальную пропускную способность шины. Ее хватает только для передачи видео очень посредственного качества. Жесткий диск тоже будет сильно притормаживать, так как 12 мегабит для жесткого диска, сами понимаете, не скорость. Единствнная область, где ему можно найти применение, это роль "большой дискеты" или использование в качестве второго диска большой емкости в портативном компьютере, но уж писать высококачественный AVI-файл в реальном времени на такой арегат никак не получится. Правда, на подходе USB 2.0, где скорость будет намного увеличена.
В последнее время Microsoft вместе с Intel
и другими компаниями всюду продвигают идею компьютера,
в котором чего-либо нет. И если в 1999-м под горячую
руку попала ISA , то теперь в компьютере "не должно быть никаких
последованельных, параллельных или PS/2 портов".
Все это хозяйство должна заменить USB. Вполне возможно,
что в скорем времени именно так и случится - уже
практически убрана ведь из РС поддержка ISA. Ну
да ладно, бог с ней, в общем, с ISA, - не велика
потеря. Сейчас все современые устройства поставляются
в PCI-варианте, а для ISA уже мало что хорошего
осталось, а если у кого-то и осталось что-то любимое,
то можно найти современную плату со слотами ISA
и работать себе в Windows 98, а если очень хочется
чего-то посовременнее, то можно потратить деньги
и заменить устройства на новые, а денег хватит,
потому что для работы современными приложениями
(иначе зачем тогда современное железо?) нужен не
самый дешевый компьютер, и если хватило на компьютер,
то хватит и на тот же FM-тюнер для PCI. Мы же обсуждаем
USB. Тут ситуация такая же, как и с ISA в свое время,
но только сейчас она актуальней. Ну с какой стати
кто-то захочет менять свою дорогую и любимую мышь
с PS/2 на USB, пусть даже она плавней ползает? А
модем, который вот уже сколько гигабайт перекачал
из интернета и еще с не меньшим успехом может перекачать
столько же? Ну с принтерами еще ладно, все нормальные
современные принтеры могут работать как и с LPT,
так и с USB. Но отдавать лишние деньги за чисто
альтернативные устройства для USB мало кто захочет,
так как те же клавиатуры с мышами стоят дороже долларов
на 10-20, чем точно такие же, но "не USB".
Но, тем не менее, по моему, если вы покупаете что-нибудь новое, то внимание на USB все же стоит обратить в первую очередь. Во первых, для некоторых устройств (принтеров, сканеров, причем цена последних, кстати, зачастую даже ниже в USB-варианте) USB дает прирост призводительности вследствие большей пропускной способности. С другой стороны, вы получате удобство пользования и, возможно, некоторые дополнительные возможности. В-третьих, становитесь обладателем современного устройства, а не всякого там антиквариата. Я полностью согласен с концепцией необходимости полного перехода USB, предлагаемой некоторыми фирмами, - нужно избавляться от технологий каменного века.
USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Версия стандарта 1.0 была опубликована в начале 1996 года, большинство устройств поддерживают стандарт 1.1, который вышел осенью 1998 года, — в нем были устранены обнаруженные проблемы первой редакции. Весной 2000 года опубликована спецификация USB 2.0, в которой предусмотрено 40-кратное увеличение пропускной способности шины. 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, что позволяет существенно расширить круг устройств, подключаемых к шине. В одной и той же системе могут присутствовать и одновременно работать устройства со всеми тремя скоростями. Шина позволяет с использованием промежуточных хабов соединять устройства, удаленные от компьютера на расстояние до 25 м. Подробную и оперативную информацию по USB (на английском языке) можно найти на сайте http://www.usb.org . Разработку устройств и их классификацию и стандартизацию координирует USB-IF (USB Implementers Forum, Inc.).
Шина USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). USB является единой централизованной аппаратно-программной системой массового обслуживания множества устройств и множества прикладных программных процессов. Связь программных процессов со всеми устройствами обеспечивает хост-контроллер с многоуровневой программной поддержкой. Этим USB существенно отличается от традиционных периферийных интерфейсов (портов LPT, COM, GAME, клавиатуры, мыши и т. п.), сравнение этих типов подключений приводится в таблице.
| Традиционные интерфейсы (COM, LPT, Game…) | Шина USB |
| Подключение каждого устройства в общем случае требует присутствия собственного контроллера (адаптера) 1 | Все устройства подключены через один хостконтроллер |
| Каждый контроллер занимает свои ресурсы (области в пространстве памяти, ввода/вывода, а также запросы прерывания) | Ресурсы занимает только хост-контроллер |
| Малое количество устройств, которые возможно одновременно подключить к компьютеру | Возможность подключения до 127 устройств |
| Драйверы устройств могут обращаться непосредственно к контроллерам своих устройств, независимо друг от друга | Драйверы устройств обращаются только к общему драйверу хост-контроллера |
| Независимость драйверов оборачивается непредсказуемостью результата одновременной работы с множеством устройств, отсутствием гарантий качества обслуживания (возможность задержек и уменьшения скорости передачи) для различных устройств |
Централизованный планируемый обмен обеспечивает гарантии качества обслуживания, что позволяет передавать мультимедийные изохронные данные наряду с обычным асинхронным обменом |
| Разнообразие интерфейсов, разъемов и кабелей, специфичных для каждого типа устройств | Единый удобный и дешевый интерфейс для подключения устройств всех типов. Возможность выбора скорости работы устройства (1,5-15-480 Мбит/с) в зависимости от потребности |
| Отсутствие встроенных средств обнаружения подключения/отключения и идентификации устройств, сложность поддержки PnP | Возможность «горячего» подключения/отключения устройств, полная поддержка PnP, динамическое конфигурирование |
| Отсутствие средств контроля ошибок | Встроенные средства обеспечения надежной передачи данных |
| Отсутствие штатного питания устройств | Возможность питания устройств от шины, а также наличие средств управления энергопотреблением |
1 - Возможностью подключения к одному контроллеру множества устройств обладает и шина SCSI, но ее параллельный интерфейс по сравнению с USB слишком дорог, громоздок и более ограничен в топологии.
Архитектура USB допускает четыре базовых типа передач данных между хостом и периферийными устройствами:
Аппаратная часть USB включает:
Программная часть USB включает:
Драйверы USBD и HCD составляют хост-часть ПО USB; спецификация USB очерчивает круг их задач, но не описывает интерфейс между ними. Физическое устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Физические устройства USB могут быть комбинированными (compound devices): включать в себя несколько устройств-функций, подключенных к внутреннему хабу, а также предоставлять своим внутренним хабом дополнительные внешние точки подключения.
Работой всех устройств шины USB управляет хост-контроллер (host controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера. Хост-контроллер является интеллектуальным устройством шины PCI или составной частью «южного» хаба (моста) системной платы, интенсивно взаимодействующим с оперативной памятью.
Физическая топология шины USB — многоярусная звезда (см. рисунок, а). Ее вершиной является хост-контроллер, объединенный с корневым хабом (root hub). Хаб является устройством-разветвителем, он может служить и источником питания для подключенных к нему устройств. К каждому порту хаба может непосредственно подключаться периферийное устройство или промежуточный хаб; шина допускает до пяти уровней (ярусов) каскадирования хабов (не считая корневого). Поскольку комбинированные устройства содержат внутри себя хаб, их подключение к хабу пятого яруса уже недопустимо. 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.
Логическая топология USB — звезда. Хабы (включая корневой) создают иллюзию непосредственного подключения каждого логического устройства к хост-контроллеру (см. рисунок ниже, б). В этой звезде устанавливаются сугубо подчиненные отношения по системе опроса-ответа: хост-контроллер по своей инициативе передает данные к выбранному устройству или принимает их. Устройство по своей инициативе передавать данные не может; непосредственные передачи данных между устройствами невозможны. Устройство по своей инициативе может лишь сигнализировать о «пробуждении» (wakeup), для чего используется специальная сигнализация, но не передача данных.
Физический интерфейс USB прост и изящен. Конструкция кабелей и коннекторов USB не дает возможности ошибиться при подключении устройств (см. рисунок ниже, а и б). Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение (см. рисунок ниже, в). Гнезда типа «A» устанавливаются только на нисходящих портах хабов, вилки типа «A» — на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов. Гнезда и вилки типа «B» 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). Для малогабаритных устройств имеются разъемы mini-B, а для поддержки OTG (On-the-Go) имеются и вилки mini-A, и розетки miniAB. Хабы и устройства обеспечивают возможность «горячего» подключения и отключения с сигнализацией об этих событиях хосту.
При планировании соединений следует учитывать способ питания устройств: устройства, питающиеся от шины, как правило, подключают к хабам, питающимся от сети. К хабам, питающимся от шины, подключают лишь маломощные устройства — так, к клавиатуре USB, содержащей внутри себя хаб, подключают мышь USB и другие устройства-указатели (трекбол, планшет).
Логическое устройство USB представляет собой набор независимых конечных точек (Endpoint, EP), с которыми хост-контроллер (и клиентское ПО) обменивается информацией. Каждому логическому устройству USB (как функции, так и хабу) конфигурационная часть ПО хоста назначает свой адрес (1-127), уникальный на данной шине USB. Каждая конечная точка логического устройства идентифицируется своим номером (0-15) и направлением передачи (IN — передача к хосту, OUT — от хоста). Точки IN4 и OUT4, к примеру, представляют собой разные конечные точки, с которыми могут общаться даже модули клиентского ПО. Набор конечных точек зависит от устройства, но всякое устройство USB обязательно имеет двунаправленную конечную точку 0 (EP0), через которую осуществляется его общее управление. Для прикладных целей используются конечные точки с номерами 1-15 (1-2 для низкоскоростных устройств). Адрес устройства, номер и направление конечной точки однозначно идентифицируют приемник или источник информации при обмене хост-контроллера с устройствами USB. Каждая конечная точка имеет набор характеристик, описывающих поддерживаемый тип передачи данных (изохронные данные, массивы, прерывания, управляющие передачи), размер пакета, требования к частоте обслуживания.
Устройство может выполнять несколько различных функциональных задач: например, привод CD-ROM может обеспечивать проигрывание аудиодисков и работать как устройство хранения данных. Для решения каждой задачи в устройстве определяется интерфейс — набор конечных точек, предназначенных для выполнения данной задачи, и правила их использования. Таким образом, каждое устройство должно обеспечивать один или несколько интерфейсов. Наличие нескольких интерфейсов позволяет нескольким драйверам, каждый из которых обращается только к своему интерфейсу (представляющему часть устройства USB), работать с одним и тем же устройством USB. Каждый интерфейс может иметь один или несколько альтернативных вариантов (альтернативных установок — alternate settings), из которых в данный момент активным может быть только один. Варианты различаются наборами (возможно, и характеристиками) используемых конечных точек.
Набор одновременно поддерживаемых интерфейсов составляет конфигурацию устройства. Устройство может иметь одну или несколько возможных конфигураций, из которых на этапе конфигурирования хост выбирает одну, делая ее активной. От выбранной конфигурации зависит доступная функциональность, и зачастую — потребляемая мощность. Пока устройству не назначен номер выбранной конфигурации, оно не может функционировать в прикладном смысле и ток потребления от шины не должен превышать 100 мА. Хост выбирает конфигурацию исходя из доступности всех ресурсов, затребованных данной конфигурацией, включая и ток потребления от шины.
Каждая единица клиентского ПО (обычно представляемая драйвером) связывается с одним интерфейсом своего устройства (функции) монопольно и независимо (см. рисунок ниже). Связи на этом рисунке обозначают коммуникационные каналы (communication pipes), которые устанавливаются между драйверами устройств и их конечными точками. Каналы устанавливаются только с конечными точками устройств, относящимися к выбранным (из альтернативных) вариантам интерфейсов активной конфигурации. Другие конечные точки недоступны.
Для передачи или приема данных клиентское ПО посылает к каналу пакет запроса ввода/вывода — IRP (Input/Output Request Packet) и ждет уведомления о завершении его отработки. Формат IRP определяется реализацией драйвера USBD в конкретной ОС. В IRP имеются только сведения о запросе (местоположение буфера передаваемых данных в оперативной памяти и длина передачи); от свойств конкретного текущего подключения (скорость, допустимый размер пакета) драйвер устройства абстрагируется. Отработкой запроса в виде транзакций на шине USB занимается драйвер USBD; при необходимости он разбивает на части длинные запросы (пакеты), пригодные для передачи за одну транзакцию. Транзакция на шине USB — это последовательность обмена пакетами между хостом и ПУ, в ходе которой может быть передан или принят один пакет данных (возможны транзакции, в которых данные не передаются). Отработка запроса считается завершенной, когда успешно выполняются все связанные с ним транзакции. «Временные трудности», встречающиеся при их выполнении (неготовность к обмену данными), до сведения клиентского драйвера не доводятся — ему остается только ждать завершения обменов (или выхода по тайм-ауту). Однако устройство может сигнализировать о серьезных ошибках (ответом STALL), что приводит к аварийному завершению запроса, о чем уведомляется клиентский драйвер. В этом случае отбрасываются и все последующие запросы к данному каналу. Возобновление работы с данным каналом возможно лишь после явного уведомления об обработке ошибочной ситуации, которое драйвер устройства делает с помощью специального запроса (тоже вызова USBD).
Длинные запросы разбиваются на транзакции так, чтобы использовать максимальный размер пакета. Последний пакет с остатком может оказаться короче максимального размера. Хост-контроллер имеет средства обнаружения приема от устройства «неполновесного» пакета, размер которого меньше ожидаемого. В запросе IRP указывается, следует ли особым образом реагировать на это событие. Особая реакция может быть двоякой:
При передаче массивов использование укороченных пакетов в качестве разделителей наиболее естественно. Таким образом, например, в одном из вариантов протоколов для устройств хранения данных укороченные пакеты известной длины используются в качестве управляющих.
Коммуникационные каналы USB разделяются на два типа:
С каналами связаны характеристики, соответствующие конечной точке (полоса пропускания, тип сервиса, размер буфера и т. п.). Каналы организуются при конфигурировании устройств USB. Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Выделенная полоса закрепляется за каналом, и если установление нового канала требует такой полосы, которая не вписывается в уже существующее распределение, запрос на выделение канала отвергается.
Каналы различаются и по назначению:
Интерфейс устройства, с которым работает клиентский драйвер, представляет собой связку клиентских каналов (pipe’s bundle). Для этих каналов драйверы устройств являются единственными источниками и потребителями передаваемых данных.
Владельцем основных каналов сообщений всех устройств является драйвер USB (USBD); по этим каналам передается информация конфигурирования, управления и состояния. Основным каналом сообщений может пользоваться и клиентский драйвер для текущего управления и чтения состояния устройства, но опосредованно через USBD. Например, сообщения, передаваемые по основному каналу, используются драйвером принтера USB для опроса текущего состояния (передаются три признака в формате регистра состояния LPT-порта: ошибка ввода/вывода, принтер выбран, отсутствие бумаги).
Хост организует обмены с устройствами согласно своему плану распределения ресурсов. Для этого хост-контроллер циклически с периодом 1 мс формирует кадры (frames), в которые укладываются все запланированные транзакции (cм. рисунок ниже). Каждый кадр начинается с посылки пакета-маркера SOF (Start Of Frame), который является синхронизирующим сигналом для изохронных устройств, а также для хабов. Кадры нумеруются последовательно, в маркере SOF передаются 11 младших бит номера кадра. В режиме HS каждый кадр делится на 8 микрокадров, и пакеты SOF передаются в начале каждого микрокадра (с периодом 125 мкс). При этом во всех восьми микрокадрах SOF несет один и тот же номер кадра; новое значение номера кадра передается в нулевом микрокадре. В каждом микрокадре может быть выполнено несколько транзакций, их допустимое число зависит от скорости, длины поля данных каждой из них, а также от задержек, вносимых кабелями, хабами и устройствами. Все транзакции кадров должны быть завершены до начала интервала времени EOF (End of Frame). Период (частота) генерации микрокадров может немного варьироваться с помощью специального регистра хост-контроллера, что позволяет подстраивать частоту для изохронных передач.
Кадрирование используется и для обеспечения живучести шины. В конце каждого микрокадра выделяется интервал времени EOF (End Of Frame), на время которого хабы запрещают передачу по направлению к контроллеру. Если хаб обнаружит, что с какого-то порта в это время ведется передача данных (к хосту), этот порт отключается, изолируя «болтливое» устройство, о чем информируется USBD.
Счетчик микрокадров в хост-контроллере используется как источник индекса при обращении к таблице дескрипторов кадров. Обычно драйвер USB составляет таблицу дескрипторов для 1024 последовательных кадров1, к которой он обращается циклически. С помощью этих дескрипторов хост планирует загрузку кадров так, чтобы кроме запланированных изохронных транзакций и прерываний в них всегда находилось место для транзакций управления. Свободное время кадров может заполняться передачами массивов. Спецификация USB позволяет занимать под периодические транзакции (изохронные и прерывания) до 90% пропускной способности шины, то есть времени в каждом микрокадре.
Шина USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно – версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициировна весьма авторитетными фирмами – Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq.
Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками – создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов.
Возможности USB следуют из ее технических характеристик: высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) – 12 Mбит/с; максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена – 5 м; низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) – 1,5 Mбит/с; максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена – 3 м; максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) – 127; возможно подключение устройств с различными скоростями обмена; напряжение питания для периферийных устройств – 5 В; максимальный ток потребления на одно устройство – 500 мA (это не означает, что через USB можно запитать устройства с общим током потребления 127 ´ 500 мA = 63,5 A)
Топология USB практически не отличается от топологии обычной локальной сети на витой паре, обычно называемой «звездой». Даже терминология похожа – размножители шины также называются HUB.
Условно дерево подключения USB устройств к компьютеру можно изобразить так (см. рис. 5.22) (цифрами обозначены периферийные устройства с USB интерфейсом):
Вместо любого из устройств может также стоять HUB. Основное отличие от топологии обычной локальной сети – компьютер (или host устройство) может быть только один. HUB может быть как отдельным устройством с собственным блоком питания, так и встроенным в периферийное устройство. Наиболее часто HUB"ы встраиваются в мониторы и клавиатуры.
Сигналы USB передаются по 4-х проводному кабелю, схематично показанному на рис. 5.22:
Рис. 5.22. Передача сигнала по USB-кабелю
Здесь GND – цепь «корпуса» для питания периферийных устройств, VBus – +5 V также для цепей питания. Шина D+ предназначена для передачи данных по шине, а шина D – для приема данных. 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.
В 1999 году тот же консорциум компьютерных компаний, который инициировал разработку первой версии стандарта на шину USB, начал активно разрабатывать версию 2.0 USB, которая отличается тем, что полоса пропускания шины увеличена в 20 раз, до 250 Mбит/с, что делает возможным передачу видеоданных по USB и делает ее прямым конкурентом IEEE-1394 (FireWire). Совместимость всей ранее выпущенной периферии и высокоскоростных кабелей полностью сохраняется и сохраняется одно из самых главных достоинств USB – низкая стоимость контроллера.
Толковый словарь по вычислительным системам определяет понятие интерфейс (interface) как границу раздела двух систем, устройств или программ; элементы соединения и вспомогательные схемы управления, используемые для соединения устройств. Мы же поговорим о интерфейсах, позволяющих подключать к персональным (и не только) компьютерам разнообразные периферийные устройства и их контроллеры. По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на параллельные и последовательные. В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно. В PC традиционно используется параллельный интерфейс Centronics, реализуемый LPT-портами. В последовательном же интерфейсе биты передаются друг за другом, обычно по одной линии. СОМ порты PC обеспечивают последовательный интерфейс в соответствии со стандартом RS-232C. При рассмотрении интерфейсов важным параметром является пропускная способность.
В архитектуре современных компьютеров все большее значение приобретают внешние шины, служащие для подключения различных устройств. Сегодня это могут быть, например, внешние жесткие диски, CD-, DVD-устройства, сканеры, принтеры, цифровые камеры и прочее.
Широко используемый последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных.
2.Шина USB.Общая характеристика.
USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Версия 1.0 была опубликована в январе 1996 года. Архитектура USB определяется следующими критериями:
Легко реализуемое расширение периферии PC.
Дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Mбит/с.
Полная поддержка в реальном времени передачи аудио и (сжатых) видеоданных.
Гибкость протокола смешанной передачи изохронных данных и асинхронных сообщений.
Интеграция с выпускаемыми устройствами.
Доступность в PC всех конфигураций и размеров.
Обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок.
Создание новых классов устройств, расширяющих PC.
С точки зрения конечного пользователя, привлекательны следующие черты USB:
Простота кабельной системы и подключений.
Скрытие подробностей электрического подключения от конечного пользователя.
Самоидентифицирующиеся ПУ, автоматическая связь устройств с драйверами и конфигурирование.
Возможность динамического подключения и конфигурирования ПУ.
С середины 1996 года выпускаются PC со встроенным контроллером USB, реализуемым чипсетом. Уже появились модемы, клавиатуры, сканеры, динамики и другие устройства ввода/вывода с поддержкой USB, а также мониторов с USB-адаптерами - они играют роль концентраторов для подключения других устройств.
Структура USB
USB обеспечивает одновременный обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Распределение пропускной способности шины между ПУ планируется хостом и реализуется им с помощью посылки маркеров. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.
Ниже приводится авторский вариант перевода терминов из спецификации "Universal Serial Bus Specification", опубликованной Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Более подробную и оперативную информацию можно найти по адресу:
Устройства (Device) USB могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Хаб (Hub) обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Функции (Function) USB предоставляют системе дополнительные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Многие устройства, подключаемые к USB, имеют в своем составе и хаб, и функции. Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (Host Controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера.
Физическое соединение устройств осуществляется по топологии многоярусной звезды. Центром каждой звезды является хаб, каждый кабельный сегмент соединяет две точки - хаб с другим хабом или с функцией. В системе имеется один (и только один) хост-контроллер, расположенный в вершине пирамиды устройств и хабов. Хост-контроллер интегрируется с корневым хабом (Root Hub), обеспечивающим одну или несколько точек подключения - портов. Контроллер USB, входящий в состав чипсетов, обычно имеет встроенный двухпортовый хаб. Логически устройство, подключенное к любому хабу USB и сконфигурированное (см. ниже), может рассматриваться как непосредственно подключенное к хост-контроллеру.
Функции представляют собой устройства, способные передавать или принимать данные или управляющую информацию по шине. Типично функции представляют собой отдельные ПУ с кабелем, подключаемым к порту хаба. Физически в одном корпусе может быть несколько функций со встроенным хабом, обеспечивающим их подключение к одному порту. Эти комбинированные устройства для хоста являются хабами с постоянно подключенными устройствами-функциями.
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.
Примерами функций являются:
Указатели - мышь, планшет, световое перо.
Устройства ввода - клавиатура или сканер.
Устройство вывода - принтер, звуковые колонки (цифровые).
Телефонный адаптер ISDN.
Хаб - ключевой элемент системы РпР в архитектуре USB. Хаб является кабельным концентратором. Точки подключения называются портами хаба. Каждый хаб преобразует одну точку подключения в их множество. Архитектура допускает соединение нескольких хабов.
У каждого хаба имеется один восходящий порт (Upstream Port), предназначенный для подключения к хосту или хабу верхнего уровня. Остальные порты являются нисходящими (Downstream Ports), предназначенными для подключения функций или хабов нижнего уровня. Хаб может распознать подключение устройств к портам или отключение от них и управлять подачей питания на их сегменты. 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.
Хабы могут управлять подачей питания на нисходящие порты; предусматривается установка ограничения на ток, потребляемый каждым портом.
Система USB разделяется на три уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит интерфейсную часть, часть устройства и функциональную часть. Хост тоже делится на три части - интерфейсную, системную и ПО устройства. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач, логическое и реальное взаимодействие между ними иллюстрирует рис. 7.1.
В рассматриваемую структуру входят следующие элементы:
Физическое устройство USB - устройство на шине, выполняющее функции, интересующие конечного пользователя.
Client SW - ПО, соответствующее конкретному устройству, исполняемое на хост-компьютере. Может являться составной частью ОС или специальным продуктом.
USB System SW - системная поддержка USB, независимая от конкретных устройств и клиентского ПО.
USB Host Controller - аппаратные и программные средства для подключения устройств USB к хост-компьютеру.
3.Физический интерфейс
Стандарт USB определяет электрические и механические спецификации шины. Информационные сигналы и питающее напряжение 5 В передаются по четырехпроводному кабелю. Используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Уровни сигналов передатчиков в статическом режиме должны быть ниже 0,3 В (низкий уровень) или выше 2,8 В (высокий уровень). Приемники выдерживают входное напряжение в пределах - 0,5...+3,8 В. Передатчики должны уметь переходить в высокоимпедансное состояние для двунаправленной полудуплексной передачи по одной паре проводов.
Передача по двум проводам в USB не ограничивается дифференциальными сигналами. Кроме дифференциального приемника каждое устройство имеет линейные приемники сигналов D+ и D-, а передатчики этих линий управляются индивидуально. Это позволяет различать более двух состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса. Состояния Diff0 и Diff1 определяются по разности потенциалов на линиях D+ и D- более 200 мВ при условии, что на одной из них потенциал выше порога срабатывания VSE. Состояние, при котором на обоих входах D+ и D- присутствует низкий уровень, называется линейным нулем (SEO - Single-Ended Zero). Интерфейс определяет следующие состояния:
Data J State и Data К State - состояния передаваемого бита (или просто J и К), определяются через состояния Diff0 и Diff1.
Idle State - пауза на шине.
Resume State - сигнал "пробуждения" для вывода устройства из "спящего" режима.
Start of Packet (SOP) - начало пакета (переход из Idle State в К).
End of Packet (EOP) - конец пакета.
Disconnect - устройство отключено от порта.
Connect - устройство подключено к порту.
Reset - сброс устройства.
Состояния определяются сочетаниями дифференциальных и линейных сигналов; для полной и низкой скоростей состояния DiffO и Diff1 имеют противоположное назначение.
В декодировании состояний Disconnect, Connect и Reset учитывается время нахождения линий (более 2,5 мс) в определенных состояниях.
Шина имеет два режима передачи. Полная скорость передачи сигналов USB составляет 12 Мбит/с, низкая - 1,5 Мбит/с. Для полной скорости используется экранированная витая пара с импедансом 90 Ом и длиной сегмента до 5 м, для низкой - невитой неэкранированньгй кабель до 3 м. Низкоскоростные кабели и устройства дешевле высокоскоростных. Одна и та же система может одновременно использовать оба режима; переключение для устройств осуществляется прозрачно.
Низкая скорость предназначена для работы с небольшим количеством ПУ, не требующих высокой скорости. Скорость, используемая устройством, подключенным к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов
на линиях D+ и D-, смещаемых нагрузочными резисторами R2 приемопередатчиков (см. рис. 7.2 и 7.3)
С
игналы синхронизации кодируются вместе с данными по методу NRZI (Non Return to Zero Invert), его работу иллюстрирует рис. 7.4. Каждому пакету предшествует поле синхронизации SYNC, позволяющее приемнику настроиться на частоту передатчика. 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. Стандарт определяет два типа разъемов (см. табл. 7.1 и рис. 7.5).
Р
азъемы типа "А" применяются для подключения к хабам (Upstream Connector). Вилки устанавливаются на кабелях, не отсоединяемых от устройств (например, клавиатура, мышь и т. п.). Гнезда устанавливаются на нисходящих портах (Downstream Port) хабов. Разъемы типа "В" (Downstream Connector) устанавливаются на устройствах, от которых соединительный кабель может отсоединяться (принтеры и сканеры). Ответная часть (вилка) устанавливается на соединительном кабеле, противоположный конец которого имеет вилку типа "А".
Разъемы типов "А" и "В" различаются механически (рис. 7.5), что исключает недопустимые петлевые соединения портов хабов. Четырехконтактные разъемы имеют ключи, исключающие неправильное присоединение. Конструкция разъемов обеспечивает позднее соединение и раннее отсоединение сигнальных цепей по сравнению с питающими. Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение.
Р
ис. 7.5. Гнезда USB: а - типа "А", б - типа "В", в - символическое обозначение
Питание устройств USB возможно от кабеля (Bus-Powered Devices) или от собственного блока питания (Self-Powered Devices). Хост обеспечивает питанием непосредственно подключенные к нему ПУ. Каждый хаб, в свою очередь, обеспечивает питание устройств, подключенных к его нисходящим портам. При некоторых ограничениях топологии допускается применение хабов, питающихся от шины. На рис. 7.6 приведен пример схемы соединения устройств USB.
Здесь клавиатура, перо и мышь могут питаться от шины. 
USB поддерживает как однонаправленные, так и двунаправленные режимы связи. Передача данных производится между ПО хоста и конечной точкой устройства. Устройство может иметь несколько конечных точек, связь с каждой из них (канал) устанавливается независимо.
Архитектура USB допускает четыре базовых типа передачи данных:
Управляющие посылки (Control Transfers), используемые для конфигурирования во время подключения и в процессе работы для управления устройствами. Протокол обеспечивает гарантированную доставку данных. Длина поля данных управляющей посылки не превышает 64 байт на полной скорости и 8 байт на низкой.
Сплошные передачи (Bulk Data Transfers) сравнительно больших пакетов без жестких требований ко времени доставки. Передачи занимают всю свободную полосу пропускания шины. Пакеты имеют поле данных размером 8, 16, 32 или 64 байт. Приоритет этих передач самый низкий, они могут приостанавливаться при большой загрузке шины. Допускаются только на полной скорости передачи.
Прерывания (Interrupt) - короткие (до 64 байт на полной скорости, до 8 байт на низкой) передачи типа вводимых символов или координат. Прерывания имеют спонтанный характер и должны обслуживаться не медленнее, чем того требует устройство. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 1-255 мс для полной скорости и 10-255 мс - для низкой.
Изохронные передачи (Isochronous Transfers) - непрерывные передачи в реальном времени, занимающие предварительно согласованную часть пропускной способности шины и имеющие заданную задержку доставки. В случае обнаружения ошибки изохронные данные передаются без повтора - недействительные пакеты игнорируются. Пример - цифровая передача голоса. Пропускная способность определяется требованиями к качеству передачи, а задержка доставки может быть критичной, например, при реализации телеконференций.
Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Выделенная полоса закрепляется за каналом, и если установление нового канала требует такой полосы, которая не вписывается в уже существующее распределение, запрос на выделение канала отвергается.
Архитектура USВ предусматривает внутреннюю буферизацию всех устройств, причем чем большей полосы пропускания требует устройство, тем больше должен быть его буфер. USB должна обеспечивать обмен с такой скоростью, чтобы задержка данных в устройстве, вызванная буферизацией, не превышала нескольких миллисекунд.
Изохронные передачи классифицируются 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.
Протокол
Все обмены (транзакции) по USB состоят из трех пакетов. Каждая транзакция планируется и начинается по инициативе контроллера, который посылает пакет-аркер (Token Packet). Он описывает тип и направление передачи, адрес ус-тройства USB и номер конечной точки. В каждой транзакции возможен обмен только между адресуемым устройством (его конечной точкой) и хостом. Адресуемое маркером устройство распознает свой адрес и готовится к обмену. Источник данных (определенный маркером) передает пакет данных (или уведомление об отсутствии данных, предназначенных для передачи). После успешного приема пакета приемник данных посылает пакет подтверждения (Handshake Packet).
Планирование транзакций обеспечивает управление поточными каналами. На аппаратном уровне использование отказа от транзакции (NAck) при недопустимой интенсивности передачи предохраняет буферы от переполнения сверху и снизу. Маркеры отвергнутых транзакций повторно передаются в свободное для шины время. Управление потоками позволяет гибко планировать обслуживание одновременных разнородных потоков данных.
Устойчивость к ошибкам обеспечивают следующие свойства USB:
Высокое качество сигналов, достигаемое благодаря дифференциальным приемникам/передатчикам и экранированным кабелям.
Защита полей управления и данных CRC-кодами.
Обнаружение подключения и отключения устройств и конфигурирование ресурсов на системном уровне.
Самовосстановление протокола с тайм-аутом при потере пакетов.
Управление потоком для обеспечения изохронности и управления аппаратными буферами.
Независимость функций от неудачных обменов с другими функциями.
Для обнаружения ошибок передачи каждый пакет имеет контрольные поля CRC-кодов, позволяющие обнаруживать все одиночные и двойные битовые ошибки. Аппаратные средства обнаруживают ошибки передачи, а контроллер автоматически производит трехкратную попытку передачи. Если повторы безуспешны, сообщение об ошибке передается клиентскому ПО.
Устройства USB - функции и хабы
Возможности шины USB позволяют использовать ее для подключения разнообразных устройств. Не касаясь "полезных" свойств ПУ, остановимся на их интерфейсной части, связанной с шиной USB. Все устройства должны поддерживать набор общих операций, перечисленных ниже. Динамическое подключение и отключение. Эти события отслеживаются хабом, который сообщает о них хост-контроллеру и выполняет сброс подключенного устройства. Устройство после сигнала сброса должно отзываться на нулевой адрес, при этом оно не сконфигурировано и не приостановлено. После назначения адреса, за которое отвечает хост-контроллер, устройство должно отзываться только на свой уникальный адрес.
Конфигурирование устройств, выполняемое хостом, является необходимым для их использования. Для конфигурирования обычно используется информация, считанная из самого устройства. Устройство может иметь множество интерфейсов, каждому из которых соответствует собственная конечная точка, представляющая хосту функцию устройства. Интерфейс в конфигурации может иметь альтернативные наборы характеристик; смена наборов поддерживается протоколом. Для поддержки адаптивных драйверов дескрипторы устройств и интерфейсов имеют поля класса, подкласса и протокола.
Передача данных возможна посредством одного из четырех типов передач (см. выше). Для конечных точек, допускающих разные типы передач, после конфигурирования доступен только один из них.
Управление энергопотреблением является весьма развитой функцией USB. Для устройств, питающихся от шины, мощность ограничена. Любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. Рабочий ток (не более 500 мА) заявляется в конфигурации, и если хаб не сможет обеспечить устройству заявленный ток, оно не конфигурируется и, следовательно, не может быть использовано.
Устройство USB должно поддерживать приостановку (Suspended Mode), в котором его потребляемый ток не превышает 500 мкА. Устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины.
Возможность удаленного пробуждения (Remote Wakeup) позволяет приостановленному устройству подать сигнал хосткомпьютеру, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена.
Хаб в USB 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). Повтори Повторитель представляет собой управляемый ключ, соединяющий выходной порт со входным. Он имеет средства поддержки сброса и приостановки передачи сигналов. 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 наблюдать их состояние.
Нисходящие (Downstream) порты хабов могут находиться в следующих состояниях:
Powered (питание отключено) - на порт не подается питание (возможно только для хабов, коммутирующих питание). Выходные буферы переводятся в высокоимпедансное состояние, входные сигналы игнорируются.
Disconnected (отсоединен) - порт не передает сигналы ни в одном направлении, но способен обнаружить подключение устройства (по отсутствию состояния SEO в течение 2,5 мкс). Тогда порт переходит в состояние Disabled, а по уровням входных сигналов {DiffO или Diff1 в состоянии Idle) он определяет скорость подключенного устройства.
Disabled (запрещен) - порт передает только сигнал сброса (по команде от контроллера), сигналы от порта (кроме обнаружения отключения) не воспринимаются. По обнаружении отключения (2,5 мкс состояния SEO) порт переходит в состояние Disconnect, а если отключение обнаружено "спящим" хабом, контроллеру будет послан сигнал Resume.
Enabled (разрешен) - порт передает сигналы в обоих направлениях. По команде контроллера или по обнаружении ошибки кадра порт переходит в состояние Disabled, а по обнаружении отключения - в состояние Disconnect.
Suspended (приостановлен) - порт передает сигнал перевода в состояние останова ("спящий" режим). Если хаб находится в активном состоянии, сигналы через порт не пропускаются ни в одном направлении. Однако "спящий" хаб воспринимает сигналы смены состояния незапрещенных портов, подавая "пробуждающие" сигналы от активизировавшегося устройства даже через цепочку "спящих" хабов. Состояние каждого порта идентифицируется контроллером хаба с помощью отдельных регистров. Имеется общий регистр, биты которого отражают факт изменения состояния каждого порта (фиксируемый во время EOF). Это позволяет хост-контроллеру быстро узнать состояние хаба, а в случае обнаружения изменений специальными транзакциями уточнить состояние.
машины - процессора, даже в ущерб эффективности работы использующих его специалистов. Рис. 1.2. Централизованная система ...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. Спецификация
USB 2.0 позволяет говорить и о подключении традиционных «клиентов» шин АТА и SCSI, а также захвате части ниши применения
шины FireWire. Привлекательность USB придает возможность подключения/отключения устройств на ходу и возможность их
использования практически сразу, без перезагрузки ОС. Удобна и возможность подключения большого количества (до 127)
устройств к одной шине, правда, при наличии хабов. Хост-контроллер интегрирован в большинство современных системных плат.
Выпускаются и карты расширения с контроллерами USB (обычно для шины PCI). Однако повсеместное применение USB сдерживается
недостаточной активностью разработчиков ПО (производителей оборудования): просматривая перечни устройств, мы видим, что
для всех указывается поддержка в Windows 98/SE/ME, а вот в графах Linux, MacOS, Unix и даже Windows 2000 часто стоят
неприятные пометки N/A (Not Allowed - «не дозволено»).
Для того чтобы
система USB заработала, необходимо, чтобы были загружены драйверы хост-контроллера (или контроллеров, если их несколько).
При подключении устройства к шине USB ОС Windows выдает сообщение «Обнаружено новое устройство» и, если устройство
подключается впервые, предлагает загрузить для него драйверы. Многие модели устройств уже известны системе, и драйверы
входят в дистрибутив ОС. Однако может потребоваться и драйвер изготовителя устройства, который должен входить в комплект
поставки устройства, или его придется искать в Сети. К сожалению, не все драйверы работают корректно - «сырой» драйвер
начальной версии, возможно, потребуется заменить более «правильным», чтобы устройство нормально опознавалось и хорошо
работало. Но это общее горе пользователей любых устройств, а не только устройств для шины USB.
Перечислим основные области применения USB.
* Устройства ввода
- клавиатуры, мыши, трекболы,
планшетные указатели и т. п. Здесь USB предоставляет для различных устройств единый интерфейс. Целесообразность
использования USB для клавиатуры неочевидна, хотя в паре с мышью USB (подключаемой к порту хаба, встроенного в клавиатуру)
сокращается количество кабелей, тянущихся от системного блока на стол пользователя.
* Принтеры.
USB 1.1 обеспечивает примерно ту же
скорость, что и LPT-порт в режиме ЕСР, но при использовании USB не возникает проблем с длиной кабеля и подключением
нескольких принтеров к одному компьютеру (правда, требуются хабы). USB 2.0 позволит ускорить печать в режиме высокого
разрешения за счет сокращения времени на передачу больших массивов данных. Однако есть проблема со старым ПО, которое
непосредственно работает с LPT-портом на уровне регистров, - на принтер USB оно печатать не сможет.
* Сканеры.
Применение USB позволяет отказаться от
контроллеров SCSI или от занятия LPT-порта. USB 2.0 при этом позволит еще и повысить скорость передачи данных.
* Аудиоустройства
- колонки, микрофоны, головные
телефоны (наушники). USB позволяет передавать потоки аудиоданных, достаточные для обеспечения самого высокого качества.
Передача в цифровом виде от самого источника сигнала (микрофона со встроенным преобразователем и адаптером) до приемника
и цифровая обработка в хост-компьютере позволяют избавиться от наводок, свойственных аналоговой передачи аудиосигналов.
Использование этих аудиокомпонентов позволяет в ряде случаев избавиться от звуковой карты компьютера - аудиокодек (АЦП и
ЦАП) выводится за пределы компьютера, а все функции обработки сигналов (микшер, эквалайзер) реализуются центральным
процессором чисто программно. Аудиоустройства могут и не иметь собственно колонок и микрофона, а ограничиться
преобразователями и стандартными гнездами («Джеками») для подключения обычных аналоговых устройств.
* Музыкальные синтезаторы и MIDI-контроллеры
с
интерфейсом USB. Шина USB позволяет компьютеру обрабатывать потоки множества каналов MIDI (пропускная способность
традиционного интерфейса MIDI уже гораздо ниже возможностей компьютера).
* Видео- и фотокамеры.
USB 1.1 позволяет передавать
статические изображения любого разрешения за приемлемое время, а также передавать поток видеоданных (живое видео) с
достаточной частотой кадров (25-30 Кбит/с) только с невысоким разрешением или сжатием данных, от которого, естественно,
страдает качество изображения. USB 2.0 позволяет передавать поток видеоданных высокого разрешения без сжатия (и потери
качества). С интерфейсом USB выпускают как камеры, так и устройства захвата изображения с телевизионного сигнала и
TV-тюнеры.
* Коммуникации.
С интерфейсом USB выпускают
разнообразные модемы, включая кабельные и xDSL, адаптеры высокоскоростной инфракрасной связи (IrDA FIR) - шина позволяет
преодолеть предел скорости СОМ-порта (115, 2 Кбит/с), не повышая загрузку центрального процессора. Выпускаются и сетевые
адаптеры Ethernet, подключаемые к компьютеру по USB. Для соединения нескольких компьютеров в локальную сеть выпускаются
специальные устройства, выполняющие коммутацию пакетов между компьютерами. Непосредственно (без дополнительных устройств)
портами USB соединить между собой даже два компьютера нельзя - на одной шине может присутствовать лишь один
хост-контроллер (см. выше). Специальное устройство для связи пары компьютеров выглядит как «таблетка», врезанная в кабель
USB с двумя вилками типа «А» на концах. Объединение более двух компьютеров осложняется и топологическими ограничениями USB:
длина одного сегмента кабеля не должна превышать 5 м, а использовать хабы для увеличения дальности неэффективно (каждый
хаб дает всего 5 м дополнительного удаления).
* Преобразователи интерфейсов
позволяют через порт USB,
имеющийся теперь практически на всех компьютерах, подключать устройства с самыми разнообразными интерфейсами: Centronics
и IEEE 1284 (LPT-порты), RS-232C (эмуляция UART 16550A - основы СОМ-портов) и другие последовательные интерфейсы (RS-422,
RS-485, V. 35...), эмуляторы портов клавиатуры и даже Game-порта, переходники на шину AT A, ISA, PC Card и любые другие,
для которых достаточно производительности. Здесь USB становится палочкой-выручалочкой, когда встает проблема 2-го (3-го)
LPT- или СОМ-порта в блокнотном ПК и в других ситуациях. При этом ПО преобразователя может обеспечить эмуляцир
классического варианта «железа» стандартных портов IBM PC, но только под управлением ОС защищенного режима. Приложение
MS-DOS может обращаться к устройствам по адресам ввода-вывода, памяти, прерываниями, каналами DMA, но только из сеанса
MS-DOS, открытого в ОС с поддержкой USB (чаще это Windows). При загрузке «голой» MS-DOS «палочка-выручалочка» не работает.
Преобразователи интерфейсов позволяют продлить жизнь устройствам с традиционными интерфейсами, изживаемыми из PC
спецификациями РС"99 и РС"2001. Скорость передали данных через конвертер USB - LPT может оказаться даже выше, чем у
реального LPT-порта, работающего в режиме SPP.
* Устройства хранения
- винчестеры, устройства чтения и
записи CD и DVD, стриммеры - при использовании USB 1.1 получают скорость передачи, соизмеримую со скоростью их
подключения к LPT, но более удобный интерфейс (как аппаратный, так и программный). При переходе на USB 2.0 скорость
передачи данных становится соизмеримой с АТА и SCSI, а ограничений по количеству устройств достичь трудно. Особенно
интересно использование USB для электронных устройств энергонезависимого хранения (на флэш-памяти) - такой накопитель
может быть весьма компактным (размером с брелок для ключей) и емким (пока 16-256 Мбайт, в перспективах - гигабайт и более).
Выпускаются устройства для мобильного подключения накопителей с интерфейсом АТА-AT API - по сути, это лишь преобразователи
интерфейсов, помещенные в коробку-отсек формата 5" или 3, 5", а иногда выполненные прямо в корпусе 36-контактного
азъема АТА. Имеются и устройства чтения-записи карт SmartMedia Card и CompactFlash Card.
* Игровые устройства
- джойстики всех видов (от
«палочек» до автомобильных рулей), пульты с разнообразными датчиками (непрерывными и дискретными) и исполнительными
механизмами (почему бы не сделать кресло автогонщика с вибраторами и качалками?) - подключаются унифицированным способом.
При этом исключается ресурсопожирающий интерфейс старого игрового адаптера (упраздненного уже в спецификации РС"99).
* Телефоны
- аналоговые и цифровые (ISDN). Подключение
телефонного аппарата позволяет превратить компьютер в секретаря с функциями автодозвона, автоответчика, охраны и т. п.
* Мониторы
- здесь шина USB используется для управления
параметрами монитора. Монитор сообщает системе свой тип и возможности (параметры синхронизации) - это делалось и без USB
по шине DDC. Однако USB-мониторы позволяют системе еще и управлять ими - регулировки яркости, контраста, цветовой
температуры и т. п. могут теперь выполняться программно, а не только от кнопок лицевой панели монитора. В мониторы, как
правило, встраивают хабы. Это удобно, поскольку настольную периферию не всегда удобно включать в «подстольный» системный
блок.
* Электронные ключи
- устройства с любым уровнем
интеллектуальности защиты - могут быть выполнены в корпусе вилок USB. Они гораздо компактнее и мобильнее аналогичных
устройств для СОМ- и LPT-портов.
Конечно же, перечисленными классами устройств сфера применения шины USB
не ограничивается.
Хабы USB выпускаются как в виде отдельных устройств, так и встраиваются
в периферийные устройства (клавиатуры, мониторы). Как правило, хабы питаются от сети переменного тока (они должны питать
подключаемые устройства). Выпускают и хабы, устанавливаемые внутрь системного блока компьютера и питающиеся от его блока
питания. Такие хабы дешевле внешних и не требуют дополнительной питающей розетки. Один из вариантов исполнения - установка
хаба на скобку, монтируемую в окно для дополнительных разъемов. Доступ к их разъемам со «спины» системного блока не очень
удобен для пользователей. Другой вариант - хаб, устанавливаемый в 3"-отсек. Его разъемы легкодоступны, индикаторы
состояния портов хорошо видны, но не всегда удобны кабели, выходящие с передней панели системного блока. С другой стороны,
для подключения электронных ключей (если их приходится часто менять) или миниатюрных накопителей этот вариант - самый
удобный.
Недавно появились и новые вспомогательные устройства, увеличивающие
дальность связи (distance extender). Это пара устройств, соединяемых между собой обычным кабелем «витая пара» (или
оптоволокном), включаемая между периферийным устройством и хабом. «Удлинитель» со стороны периферии может иметь и хаб на
несколько портов. К сожалению, увеличение дистанции упирается в ограничения на время задержки сигнала, свойственные
протоколу шины USB, и достижимо лишь удаление до 100 м. Но даже и эта длина позволяет расширить сферу применения USB,
например для удаленного видеонаблюдения.
