История появления и развития стандартов Universal Serial Bus (USB)
До появления первой реализации шины USB стандартная комплектация
персонального компьютера включала один параллельный порт, обычно для подключения принтера (порт LPT), два последовательных коммуникационных порта (порты COM), обычно для
подключения мыши и модема, и один порт для джойстика (порт GAME). Такая
конфигурация была вполне приемлемой на заре появления персональных компьютеров, и долгие годы являлась практическим стандартом для производителей оборудования. Однако прогресс не стоял на месте, номенклатура и функциональность внешних устройств постоянно совершенствовались, что в конце концов привело к необходимости пересмотра стандартной конфигурации, ограничивающей возможность подключения дополнительных периферийных устройств, которых, с каждым днем становилось все больше и больше. Общие принципы функционирования Universal Serial Bus (USB)
Попытки увеличения количества стандартных портов ввода-вывода не могли привести к кардинальному решению проблемы, и возникла необходимость разработки нового стандарта, который бы обеспечивал простое, быстрое и удобное подключение большого количества разнообразных по назначению периферийных устройств к любому компьютеру стандартной конфигурации, что, в конце концов, привело к появлению универсальной последовательной шины
Universal Serial Bus (USB)
Первая спецификация последовательного интерфейса
USB (Universal Serial Bus), получившая название USB 1.0,
появилась в 1996 г., усовершенствованная версия на ее основе, USB 1.1 - в 1998 г.
Пропускная способность шин USB 1.0 и USB 1.1 - до 12 Мбит/с (реально до 1
мегабайта в секунду) была вполне достаточной для низкоскоростных периферийных устройств, вроде аналогового модема или компьютерной мышки, однако недостаточной для устройств с высокой скоростью передачи данных, что являлось главным недостатком данной спецификации. Однако, практика показала, что универсальная последовательная шина - это очень удачное решение, принятое практически всеми производителями компьютерного оборудования в качестве магистрального направления развития компьютерной периферии.
В 2000 г. появилась новая спецификация - USB 2.0, обеспечивающая уже скорость передачи данных до 480 Мбит/с (реально до 30 мегабайт в секунду). Спецификация предполагала полную совместимость с предыдущим стандартом USB 1.X и вполне приемлемое быстродействие для большинства периферийных устройств. Начинается бум производства устройств, оснащенных интерфейсом USB. "Классические" интерфейсы ввода - вывода были полностью вытеснены и стали экзотикой. Однако, для части высокоскоростного периферийного оборудования даже удачная спецификация USB 2.0 оставалась узким местом, что требовало дальнейшего развития стандарта.
В 2005 г. была анонсирована спецификация для беспроводной
реализации USB - Wireless USB - WUSB, позволяющей выполнять беспроводное
подключение устройств на расстоянии до 3-х метров с максимальной скоростью передачи
данных 480 Мбит/сек, и на расстоянии до 10 метров с максимальной скоростью
110 Мбит/сек. Спецификация не получила бурного развития и не решала задачу повышения реальной скорости передачи данных.
В 2008 г. появилась окончательная спецификация нового стандарта универсальной
последовательной шины - USB 3.0 . Как и в предыдущих версиях реализации
шины, предусмотрена электрическая и функциональная совместимость с предыдущими
стандартами. Скорость передачи данных для USB 3.0 увеличилась в 10 раз -
до 4.8 Гбит/сек. В интерфейсном кабеле добавились 4 дополнительные жилы, и их контакты
были выведены отдельно от 4-х контактов предыдущих стандартов, в дополнительном контактном
ряду. Кроме повышенной скорости передачи данных шина USB характеризуется еще и
увеличившейся, по сравнению с предыдущими стандартами, силой тока в цепи питания
(900 мА по сравнению с 500мА). Максимальная скорость передачи данных по шине USB 3.0 стала приемлемой практически для любого, массово производимого периферийного компьютерного оборудования.
www.usb.org - Документация по спецификациям USB для разработчиков на английском языке.
SuperSpeed USB 3.0 - Интерфейс
SuperSpeed USB: характеристики, распиновка разъёмов, вопросы и ответы,
совместимые устройства
Нельзя не отметить, что существовала, и пока еще существует, альтернатива шине USB.
Еще до ее появления, компания Apple разработала спецификацию
последовательной шины FireWire (другое название - iLink), которая в 1995 г.
была стандартизована Американским Институтом инженеров по электротехнике и
электронике (IEEE) под номером 1394. Шина IEEE 1394 может работать в трех
режимах: со скоростью передачи данных до 100, 200 и 400 Мбит/с. Однако, по
причине высокой стоимости и более сложной реализации, чем USB, эта разновидность высокоскоростной последовательной шины, большого распространения не получила, и постепенно вытесняется USB 2.0, контроллеры которого стали частью чипсета любого компьютера стандартной конфигурации.
Интерфейс USB оказался настолько удачным решением, что им оснастили практически все классы периферийных устройств, от мобильного телефона до веб-камеры или переносного жесткого диска. Наибольшее распространение получили (пока) устройства с поддержкой USB 2.0. Однако, потенциал, заложенный в спецификацию USB 3.0, позволяет предположить, что в последующие минимум 5 лет после появления данного стандарта, для высокоскоростных устройств он станет основным, постепенно вытесняя USB 2.0
Периферийные устройства, с поддержкой USB при подключении к компьютеру
автоматически распознаются системой, (в частности, программное обеспечение
драйвера и пропускную способность шины), и готовы к работе без вмешательства
пользователя. Устройства с небольшим энергопотреблением (до 500мА) могут не иметь своего
блока питания и запитываться непосредственно от шины USB.
Благодаря использованию USB отпадает необходимость снятия корпуса компьютера для установки дополнительных периферийных устройств, а также необходимость выполнения сложных настроек при их установке.
USB устраняет проблему ограничения числа подключаемых устройств. При использовании USB с компьютером может одновременно работать до 127 устройств.
USB позволяет выполнять "горячее" (оперативное) подключение. При этом не требуется предварительное выключение компьютера, затем подключение устройства, перезагрузка компьютера и настройка установленных периферийных устройств. Для отключения периферийного устройства не требуется выполнять процедуру, обратную описанной.
Проще говоря, USB позволяет фактически реализовать все преимущества современной технологии "plug and play" ("включай и работай"). Устройства, разработанные для USB 1.x могут работать с контроллерами USB 2.0. и USB 3.0
При подключении периферийного устройства вырабатывается аппаратное прерывание и управление получает драйвер HCD (Host Controller Driver) контроллера USB (USB Host Controller - UHC ), который на сегодняшний день интегрирован во все выпускаемые чипсеты материнских плат. Он опрашивает устройство и получает от него идентификационную информацию, исходя из которой управление передается драйверу, обслуживающему данный тип устройств. UHC контроллер имеет корневой (root) концентратор (Hub), обеспечивающий подключение к шине устройств USB.
Концентратор (USB HUB).
Точки подключения называются портами. К порту, в качестве устройства, может быть подключен другой концентратор. Каждый концентратор имеет исходящий порт (upstream port), соединяющие его с главным контроллером и нисходящие порты (downstream port) для подключения периферийных устройств. Концентраторы могут обнаруживать, выполнять соединение и отсоединение в каждом порте нисходящей связи и обеспечивать распределение напряжения питания в устройства нисходящего соединения. Каждый из портов нисходящей связи может быть индивидуально активизирован и сконфигурирован на полной или низкой скорости. Концентратор состоит из двух блоков: контроллера концентратора и ретранслятора концентратора. Ретранслятор - работающий под управлением протокола коммутатор между портом восходящей связи и портами нисходящей связи. Концентратор содержит также аппаратные средства поддержки перевода в исходное состояние и приостановки/возобновления подключения. Контроллер обеспечивает интерфейсные регистры, обеспечивающие передачу данных в главный контроллер и обратно. Определенное состояние и управляющие команды концентратора позволяют главному процессору конфигурировать концентратор, а также контролировать и управлять его портами.
Внешние концентраторы могут иметь собственный блок питания или же запитываться от шины USB.
