Univerzalna serijska sabirnica USB. Karakteristike namjene USB sabirnice univerzalne serijske sabirnice

USB serijska sabirnica (Universal Serial Bus) postoji već duže vrijeme po računalnim standardima - prva odobrena verzija standarda pojavila se 15. siječnja 1996. godine. Razvoj standarda pokrenule su vrlo renomirane tvrtke - Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom i Compaq.

Glavni cilj standardnog skupa za njegove programere je stvoriti stvarnu priliku za korisnike da rade u Plug&Play modu s perifernim uređajima. To znači da mora biti moguće spojiti uređaj na računalo koje radi, automatski ga prepoznati odmah nakon povezivanja i zatim instalirati odgovarajuće upravljačke programe. Osim toga, preporučljivo je napajati uređaje male snage iz same sabirnice. Brzina sabirnice trebala bi biti dovoljna za veliku većinu perifernih uređaja. Istodobno je riješen povijesni problem nedostatka resursa na internim sabirnicama IBM PC kompatibilnog računala - USB kontroler zauzima samo jedan prekid, bez obzira na broj uređaja spojenih na sabirnicu.

Mogućnosti USB serijske sabirnice proizlaze iz njenih tehničkih karakteristika:

Visoka brzina prijenosa (brzina signalizacije pune brzine) – 12 Mb/s

Maksimalna duljina kabela za velike brzine prijenosa – 5 m

Brzina prijenosa signala niske brzine – 1,5 Mb/s

Maksimalna duljina kabela za niske brzine prijenosa – 3 m

Maksimalan broj povezanih uređaja (uključujući množitelje) je 127.

Moguće je spojiti uređaje s različitim brzinama prijenosa podataka

Nema potrebe da korisnik instalira dodatne elemente kao što su SCSI terminatori

Napon napajanja perifernih uređaja – 5 V

Maksimalna potrošnja struje po uređaju je 500 mA.

Stoga je preporučljivo spojiti gotovo sve periferne uređaje na USB, osim digitalnih video kamera i tvrdih diskova velike brzine. USB konektori su dizajnirani da izdrže višestruko spajanje/odspajanje.

Mogućnost korištenja samo dvije brzine prijenosa podataka ograničava upotrebljivost sabirnice, ali značajno smanjuje broj linija sučelja i pojednostavljuje hardversku implementaciju.

Napajanje izravno s USB-a moguće je samo za uređaje male snage kao što su tipkovnice, miševi, joystickovi itd.

USB signali se prenose putem 4-žilnog kabela.

Kabel sabirnice pune brzine je kabel s upredenom paricom, zaštićen oklopom, a može se koristiti i za rad niske brzine. Kabel za rad samo pri minimalnoj brzini (na primjer, za spajanje miša) može biti bilo koji i neoklopljen.

USB sustav je podijeljen na tri razine s određenim pravilima interakcije. USB uređaj sadrži dio sučelja, dio uređaja i funkcionalni dio. Host je također podijeljen u tri dijela - sučelje, sustav i softver uređaja. Svaki je dio odgovoran samo za određeni raspon zadataka; logična i stvarna interakcija između njih ilustrirana je na slici. 69.

Struktura koja se razmatra uključuje sljedeće elemente:

Fizički USB uređaj je uređaj na sabirnici koji obavlja funkcije od interesa za krajnjeg korisnika.

Klijentski SW – softver koji odgovara određenom uređaju, a izvršava se na glavnom računalu. Može biti dio OS-a ili poseban proizvod.

USB System SW – sistemska podrška za USB, neovisno o određenim uređajima i klijentskom softveru.

USB Host Controller – hardver i softver za povezivanje USB uređaja s glavnim računalom.

Riža. 69 Interakcija USB komponenti

Fizičko sučelje

Informacijski signali i napon napajanja od 5V prenose se četverožilnim kabelom. Koristi se diferencijalna metoda prijenosa D+ i D– signala preko dvije žice. Razine signala odašiljača u statičkom načinu rada moraju biti ispod 0,3 V (niska razina) ili iznad 2,8 V (visoka razina). Prijemnici mogu izdržati ulazni napon u rasponu od -0,5...+3,8 V. Odašiljači moraju imati mogućnost prebacivanja u stanje visoke impedancije za dvosmjerni polu-dupleksni prijenos preko jednog para žica.

Dvožilni prijenos u USB-u nije ograničen na diferencijalne signale. Osim diferencijalnog prijamnika, svaki uređaj ima linearne prijamnike za D+ i D– signale, a odašiljači ovih linija se pojedinačno kontroliraju. To omogućuje razlikovanje više od dva stanja linije koja se koriste za uspostavljanje hardverskog sučelja. Stanja DiffO i Diff1 određena su razlikom potencijala na D+ i D – linijama većim od 200 mV, pod uvjetom da je na jednom od njih potencijal veći od VSE praga odziva. Stanje u kojem je niska razina prisutna na oba ulaza D+ i D– naziva se linearna nula (SEO – Single-Ended Zero). Sučelje definira sljedeća stanja:

DataJ State i Data K State – stanja poslanog bita (ili jednostavno J i K), određuju se kroz stanja DiffO i Diff1.

Stanje mirovanja – pauza u autobusu.

Nastavi stanje – signal za buđenje uređaja iz stanja mirovanja.

Start of Packet (SOP) – početak paketa (prijelaz iz stanja mirovanja u K).

End of Packet (EOP) – kraj paketa.

Isključi – uređaj je isključen iz priključka.

Spoji – uređaj je spojen na port.

Reset – resetirajte uređaj.

Stanja su određena kombinacijama diferencijalnih i linearnih signala; za pune i niske brzine, stanja DiffO i Diff1 imaju suprotne svrhe. Kod dekodiranja stanja Disconnect, Connect i Reset uzima se u obzir vrijeme u kojem su linije u određenim stanjima (više od 2,5 ms).

Autobus ima dva načina prijenosa. Puna brzina USB signala je 12 Mbps, niska brzina je 1,5 Mbps. Za punu brzinu koristi se oklopljeni upredeni kabel s impedancijom od 90 Ohma i duljinom segmenta do 5 m, za malu brzinu koristi se neupleteni neoklopljeni kabel do 3 m.

Sinkronizacijski signali kodirani su zajedno s podacima korištenjem metode NRZI (bez povratka na nulu), čiji je rad ilustriran na slici. 72. Svakom paketu prethodi SYNC polje koje omogućuje prijamniku da se prilagodi frekvenciji odašiljača.

Kabel također ima VBus i GND linije za prijenos napona napajanja od 5V na uređaje. Presjek vodiča odabire se u skladu s duljinom segmenta kako bi se osigurala zajamčena razina signala i napon napajanja.

Riža. 70 Povezivanje uređaja pune brzine

Riža. 71 Spajanje uređaja niske brzine

Riža. 72. Kodiranje podataka metodom NRZI

Norma definira dvije vrste spojnica (tablica 7 i slika 73).

Konektori tipa "A" služe za spajanje na čvorišta (Upstream Connector). Utikači se postavljaju na kabele koji se ne mogu odvojiti od uređaja (primjerice tipkovnice, miša itd.). Utičnice su instalirane na nizvodne priključke čvorišta.

Konektori tipa B (Downstream konektori) ugrađuju se na uređaje s kojih se priključni kabel može odvojiti (pisači i skeneri). Priključni dio (utikač) postavlja se na spojni kabel, na suprotnom kraju ima utikač tipa “A”.

Konektori tipa “A” i “B” mehanički su različiti (Sl. 73), što eliminira neprihvatljive spojeve petlji hub portova. Četveropinski konektori imaju ključ za sprječavanje neispravnog spajanja. Dizajn konektora osigurava kasno spajanje i rano isključivanje signalnih krugova u usporedbi s krugovima napajanja. Za prepoznavanje USB priključka, na kućištu uređaja nalazi se standardna simbolička oznaka.

Riža. 73. USB utičnice: a – tip “A”, b – tip “B”, c – simbolička oznaka

Model prijenosa podataka

Svaki USB uređaj skup je neovisnih krajnjih točaka s kojima glavni kontroler razmjenjuje informacije. Krajnje točke opisane su sljedećim parametrima:

potrebna frekvencija pristupa autobusu i prihvatljiva kašnjenja usluge;

potrebna propusnost kanala;

broj točke;

zahtjevi za rukovanje greškama;

maksimalne veličine odaslanih i primljenih paketa;

vrsta razmjene;

smjer razmjene (za kontinuiranu i izokronu razmjenu).

Svaki uređaj mora imati krajnju točku s brojem 0, koja se koristi za inicijalizaciju, opće upravljanje i ispitivanje njegovog statusa. Ova se točka uvijek konfigurira kada je napajanje uključeno i kada je uređaj spojen na sabirnicu. Podržava prijenose tipa kontrole.

Osim nulte točke, funkcijski uređaji mogu imati dodatne točke koje provode korisnu razmjenu podataka. Uređaji niske brzine mogu imati do dvije dodatne točke, uređaji pune brzine mogu imati do 16 ulaznih točaka i 16 izlaznih točaka (ograničenje protokola). Bodovi se ne mogu koristiti dok se ne konfiguriraju (uspostavi se kanal povezan s njima).

Kanal (Pipe) u USB-u je model prijenosa podataka između glavnog kontrolera i krajnje točke (Endpoint) uređaja. Postoje dvije vrste kanala: tokovi (Stream) i poruke (Message). Stream isporučuje podatke s jednog kraja kanala na drugi, uvijek je jednosmjeran. Isti broj krajnje točke može se koristiti za dva kanala protoka - ulazni i izlazni. Nit može implementirati sljedeće vrste komunikacije: kontinuiranu, izokronu i prekide. Isporuka je uvijek na principu prvi ušao, prvi izašao (FIFO); Iz perspektive USB-a, tok podataka je nestrukturiran. Poruke su u formatu definiranom USB specifikacijom. Domaćin šalje zahtjev krajnjoj točki, nakon čega se šalje (prima) paket poruka, nakon čega slijedi paket koji sadrži podatke o statusu krajnje točke. Sljedeća poruka obično se ne može poslati prije nego što se obradi prethodna, ali prilikom rukovanja pogreškama moguće je poništiti neobrađene poruke. Dvosmjerna razmjena poruka upućena je istoj krajnjoj točki. Za isporuku poruka koriste se samo razmjene tipa kontrole.

Kanali imaju karakteristike povezane s krajnjom točkom (propusnost, vrsta usluge, veličina međuspremnika, itd.). Kanali se stvaraju prilikom konfiguracije USB uređaja. Za svaki omogućeni uređaj postoji kanal poruka (Control Pipe 0) kroz koji se prenose konfiguracijske, upravljačke i statusne informacije.

Vrste prijenosa podataka

USB podržava i jednosmjerne i dvosmjerne načine komunikacije. Prijenos podataka odvija se između glavnog softvera i krajnje točke uređaja. Uređaj može imati više krajnjih točaka, a komunikacija sa svakom od njih (kanalom) se uspostavlja neovisno.

USB arhitektura omogućuje četiri osnovne vrste prijenosa podataka:

Kontrolni prijenosi koji se koriste za konfiguraciju tijekom povezivanja i tijekom rada za upravljanje uređajima. Protokol osigurava zajamčenu isporuku podataka. Duljina podatkovnog polja kontrolne poruke ne prelazi 64 bajta pri punoj brzini i 8 bajta pri maloj brzini.

Skupni prijenosi podataka relativno velikih paketa bez strogih zahtjeva za vrijeme isporuke. Prijenosi zauzimaju cijeli slobodni pojas sabirnice. Paketi imaju podatkovno polje od 8, 16, 32 ili 64 bajta. Ovi stupnjevi prijenosa imaju najniži prioritet i mogu biti suspendirani kada je autobus jako opterećen. Dopušteno samo pri punoj brzini prijenosa.

Prekidi su kratki (do 64 bajta punom brzinom, do 8 bajta malom brzinom) prijenosi kao što su ulazni znakovi ili koordinate. Prekidi su po prirodi spontani i ne smiju se servisirati sporije nego što to zahtijeva uređaj. Ograničenje vremena usluge postavljeno je u rasponu od 1–255 ms za punu brzinu i 10–255 ms za malu brzinu.

Izokroni prijenosi su kontinuirani prijenosi u stvarnom vremenu koji zauzimaju unaprijed dogovoreni dio propusnosti sabirnice i imaju određeno kašnjenje isporuke. Ako se otkrije pogreška, izokroni podaci se prenose bez ponavljanja - nevažeći paketi se ignoriraju. Primjer je digitalni prijenos glasa. Širina pojasa određena je zahtjevima kvalitete prijenosa, a kašnjenje isporuke može biti kritično, na primjer, kada se provodi telekonferencija.

Propusnost sabirnice podijeljena je između svih instaliranih kanala. Dodijeljena širina pojasa dodjeljuje se kanalu, a ako je za uspostavu novog kanala potrebna širina pojasa koja se ne uklapa u postojeću dodjelu, zahtjev za dodjelu kanala se odbija.

USB arhitektura omogućuje interno spremanje svih uređaja u međuspremnik, a što uređaj zahtijeva veću propusnost, to bi njegov međuspremnik trebao biti veći. USB mora omogućiti prijenos podataka takvom brzinom da kašnjenje podataka u uređaju uzrokovano spremanjem u međuspremnik ne prelazi nekoliko milisekundi.

Izokroni prijenosi klasificiraju se prema načinu sinkronizacije krajnjih točaka - izvora ili primatelja podataka - sa sustavom: razlikuju se asinkroni, sinkroni i adaptivni razredi uređaja, od kojih svaki ima svoju vrstu USB kanala.

Protokol

Sve razmjene (transakcije) putem USB-a sastoje se od tri paketa. Svaku transakciju zakazuje i pokreće kontroler koji šalje paket tokena. Opisuje vrstu i smjer prijenosa, adresu USB uređaja i broj krajnje točke. U svakoj transakciji razmjena je moguća samo između adresiranog uređaja (njegove krajnje točke) i glavnog računala. Uređaj kojem se marker obraća prepoznaje svoju adresu i priprema se za razmjenu. Izvor podataka (identificiran tokenom) šalje paket podataka (ili obavijest da nema podataka za prijenos). Nakon uspješnog primanja paketa, primatelj podataka šalje potvrdni paket (Handshake Packet).

Zakazivanje transakcija omogućuje kontrolu nad kanalima protoka. Na hardverskoj razini korištenje prekida transakcije (NAck) kada je brzina prijenosa neprihvatljiva sprječava prelijevanje međuspremnika na vrhu i dnu. Tokeni odbijenih transakcija ponovno se šalju kada je autobus slobodan. Upravljanje protokom omogućuje vam fleksibilno planiranje servisiranja istodobnih heterogenih tokova podataka.

Sljedeća USB svojstva pružaju otpornost na pogreške:

Visoka kvaliteta signala postignuta diferencijalnim prijemnicima/odašiljačima i oklopljenim kabelima.

Zaštita kontrolnih polja i podataka CRC kodovima.

Otkriva povezivanje i odspajanje uređaja i konfigurira resurse na razini sustava.

Protokol samoispravljanja s vremenskim ograničenjem kada se paketi izgube.

Kontrola protoka za upravljanje izokronom i hardverskim međuspremnikom.

Neovisnost funkcija od neuspješnih razmjena s drugim funkcijama.

Za otkrivanje pogrešaka u prijenosu, svaki paket ima CRC kontrolna polja za otkrivanje svih jednostrukih i dvostrukih bitnih pogrešaka. Hardver detektira pogreške u prijenosu i kontroler automatski pokušava prijenos tri puta. Ako su ponovni pokušaji neuspješni, klijentskom softveru prijavljuje se poruka o pogrešci.

Formati paketa

Bajtovi se prenose sabirnicom sekvencijalno, počevši od najmanjeg bita. Sve su pošiljke organizirane u pakete. Svaki paket počinje s poljem Sync, koje je predstavljeno nizom stanja KJKJKJKK (NRZI kodirano) nakon stanja mirovanja. Zadnja dva bita (CC) su početak markera SOP paketa, koji se koristi za identifikaciju prvog bita identifikatora PID paketa. Identifikator paketa je 4-bitno PID polje koje identificira vrstu paketa (tablica 8), nakon čega slijede ista 4 bita, ali invertirana, kao kontrolni bitovi.

Adresna polja u paketima markera IN, SETUP i OUT su 7-bitna adresa funkcije i 4-bitna adresa krajnje točke. Omogućuju adresiranje do 127 USB funkcija (nulta adresa se koristi za konfiguraciju) i 16 krajnjih točaka po funkciji.

SOF paket ima 11-bitno polje broja okvira, koje se sekvencijalno (ciklički) povećava za svaki okvir.

Podatkovno polje može biti veličine od 0 do 1023 cijela bajta. Veličina polja ovisi o vrsti prijenosa i dogovara se prilikom uspostavljanja kanala.

Polje SCS-col prisutno je u svim tokenima i paketima podataka; ono štiti sva polja paketa, osim PID-a. CRC za tokene (5 bita) i podatke (11 bita) izračunavaju se pomoću različitih formula.

Tablica 8

Svaku transakciju inicira glavni kontroler slanjem tokena i završava paketom rukovanja. Redoslijed paketa u transakcijama ilustriran je na slici. 7.7.

Glavni kontroler organizira razmjenu s uređajima prema svom planu raspodjele resursa. Kontroler ciklički (s periodom od 1 ms) generira okvire u koje stanu sve zakazane transakcije. Svaki okvir počinje slanjem markera SOF (Start Of Frame), koji je signal sinkronizacije za sve uređaje, uključujući čvorišta. Na kraju svakog okvira dodjeljuje se EOF (End Of Frame) vremenski interval tijekom kojeg čvorišta zabranjuju prijenos prema kontroleru. Svaki okvir ima svoj broj. Kontroler glavnog računala upravlja 32-bitnim brojačem, ali prenosi samo nižih 11 bitova u SOF tokenu. Broj okvira raste (ciklički) tijekom EOF. Host raspoređuje učitavanje okvira tako da uvijek ima prostora za kontrolu i prekid transakcija. Slobodno vrijeme okvira može se popuniti kontinuiranim prijenosima (Bulk Transfers).

Zadatak za dovršetak rada

1. Opišite funkcije upravljanja sabirnicom i portom

a) formiranje adrese porta

b) organizacija end-to-end kanala u sučelju sustava za prijenos podataka između porta I/O uređaja i MP.

2. Struktura memorije mikroprocesora.

3. USB serijska sabirnica. Načini prijenosa podataka.

4. Čipset. Njegova namjena. Dijagram skupa čipova.

5. Memorija mikroprocesora. Registri i njihova namjena.

6. Standardna sučelja i formati prijenosa podataka.

7. Navedite dijagrame za spajanje modema, printera, crtača na COM port.

8. Nacrtajte dijagram međudjelovanja \USB komponenti.

Povijest nastanka i razvoja standarda Universal Serial Bus (USB).

    Prije prve implementacije USB sabirnice, standardna konfiguracija osobnog računala uključivala je jedan paralelni port, obično za spajanje pisača (LPT port), dva serijska komunikacijska porta (COM porta), obično za spajanje miša i modema, i jedan priključak za joystick (GAME priključak). Ova je konfiguracija bila sasvim prihvatljiva u ranim danima osobnih računala, a dugi niz godina bila je praktični standard za proizvođače opreme. Međutim, napredak nije stao na mjestu, raspon i funkcionalnost vanjskih uređaja stalno su se poboljšavali, što je u konačnici dovelo do potrebe za revizijom standardne konfiguracije, koja je ograničavala mogućnost povezivanja dodatnih perifernih uređaja, kojih je svakim danom bilo sve više.

    Pokušaji povećanja broja standardnih ulazno-izlaznih priključaka nisu mogli dovesti do radikalnog rješenja problema te se ukazala potreba za razvojem novog standarda koji bi omogućio jednostavno, brzo i praktično povezivanje velikog broja perifernih uređaja različite namjene na bilo koje računalo standardne konfiguracije, što je na kraju dovelo do pojave univerzalne serijske sabirnice Univerzalna serijska sabirnica (USB)

    Prva specifikacija serijskog sučelja USB (Univerzalna serijska sabirnica), nazvao USB 1.0, pojavio se u 1996. godine, poboljšana verzija temeljena na njemu, USB 1.1- V 1998. godine Propusnost sabirnica USB 1.0 i USB 1.1 - do 12 Mbit/s (zapravo do 1 megabajta u sekundi) bila je sasvim dovoljna za periferne uređaje niske brzine, poput analognog modema ili računalnog miša, ali nedostatna za uređaje s visoke brzine prijenosa podataka, što je glavni nedostatak ove specifikacije. Međutim, praksa je pokazala da je univerzalna serijska sabirnica vrlo uspješno rješenje, koje su usvojili gotovo svi proizvođači računalne opreme kao glavni smjer razvoja računalne periferije.

U 2000. godine postoji nova specifikacija - USB 2.0, već osigurava brzine prijenosa podataka do 480 Mbit/s (zapravo do 32 megabajta u sekundi). Specifikacija je pretpostavljala punu kompatibilnost s prijašnjim USB 1.X standardom i sasvim prihvatljive performanse za većinu perifernih uređaja. Počinje procvat u proizvodnji uređaja opremljenih USB sučeljem. "Klasična" ulazno-izlazna sučelja potpuno su potisnuta i postala su egzotična. Međutim, za neke periferne uređaje velike brzine čak je i uspješna specifikacija USB 2.0 ostala usko grlo, što je zahtijevalo daljnji razvoj standarda.

U 2005. godine Objavljena je specifikacija za bežičnu implementaciju USB-a - Bežični USB - WUSB, omogućujući bežično povezivanje uređaja na udaljenosti do 3 metra s maksimalnom brzinom prijenosa podataka od 480 Mbit/s, te na udaljenosti do 10 metara s maksimalnom brzinom od 110 Mbit/s. Specifikacija nije dobila brz razvoj i nije riješila problem povećanja stvarne brzine prijenosa podataka.

U 2006 objavljena je specifikacija USB-OTG (USB O n- T on- G o, zahvaljujući kojem je postalo moguće komunicirati između dva USB uređaja bez zasebnog USB hosta. Ulogu hosta u ovom slučaju obavlja jedan od perifernih uređaja. Pametni telefoni, digitalni fotoaparati i drugi mobilni uređaji moraju djelovati i kao host i kao periferni uređaj. Na primjer, kada je kamera spojena putem USB-a na računalo, ona je periferni uređaj, a kada je spojen printer, ona je host. Podrška za specifikacije USB-OTG postupno postao standard za mobilne uređaje.

Godine 2008 pojavila se konačna specifikacija novog standarda univerzalne serijske sabirnice - USB 3.0. Kao i kod prethodnih verzija implementacije sabirnice, osigurana je električna i funkcionalna kompatibilnost s prethodnim standardima. Brzina prijenosa podataka za USB 3.0 povećana je 10 puta - do 5 Gbps. Kabelu sučelja dodane su 4 dodatne jezgre, a njihovi kontakti su postavljeni odvojeno od 4 kontakta prethodnih standarda, u dodatnom redu kontakata. Osim povećane brzine prijenosa podataka, USB sabirnicu karakterizira i povećana jakost struje u strujnom krugu u odnosu na prethodne standarde. Maksimalna brzina prijenosa podataka preko USB 3.0 sabirnice postala je prihvatljiva za gotovo svaku masovno proizvedenu perifernu računalnu opremu.

U 2013 Usvojena je sljedeća specifikacija sučelja - USB 3.1, čija brzina prijenosa podataka može doseći 10 Gbit/s. Osim toga, pojavio se kompaktni 24-pinski USB konektor Tip-C, koji je simetričan, što omogućuje umetanje kabela s obje strane.

Uz izdavanje standarda USB 3.1, Forum implementatora USB-a (USB-IF) objavio je da će USB 3.0 konektori s brzinama do 5 Gbps (SuperSpeed) sada biti klasificirani kao USB 3.1 Gen 1, a novi USB 3.1 konektori s brzinama do 10 Gbps s (SuperSpeed ​​​​USB 10Gbps) - poput USB 3.1 Gen 2. USB 3.1 standard je unazad kompatibilan s USB 3.0 i USB 2.0.

U 2017 godine, USB Implementers Forum (USB-IF) objavio je specifikaciju USB 3.2. Maksimalna brzina prijenosa je 10 Gbit/s. Međutim, USB 3.2 pruža mogućnost spajanja dviju veza ( Rad s dvije trake), što vam omogućuje povećanje teorijske propusnosti na 20 Gbit/s. Implementacija ove značajke je izborna, odnosno njena podrška na hardverskoj razini ovisit će o specifičnom proizvođaču i tehničkim potrebama, koje se razlikuju, na primjer, za pisač i prijenosni tvrdi disk. Mogućnost implementacije ovog načina rada dostupna je samo pri korištenju USB Type-C.

www.usb.org- USB specifikacijska dokumentacija za programere na engleskom jeziku.

Treba napomenuti da je postojala, i još uvijek postoji, alternativa USB sabirnici. Čak i prije uvođenja, Apple je razvio specifikaciju serijske sabirnice FireWire(drugo ime - iLink), koji je 1995. godine standardiziran od strane Američkog instituta inženjera elektrotehnike i elektronike (IEEE) pod brojem 1394. Autobus IEEE 1394 može raditi u tri načina: s brzinama prijenosa podataka do 100, 200 i 400 Mbit/s. Međutim, zbog visoke cijene i složenije implementacije od USB-a, ova vrsta brze serijske sabirnice nije postala široko rasprostranjena, te se postupno zamjenjuje USB 2.0 - USB 3.2.

Opći principi rada perifernih uređaja univerzalne serijske sabirnice (USB).

    USB sučelje pokazalo se toliko uspješnim rješenjem da je opremljeno gotovo svim klasama perifernih uređaja, od mobilnog telefona do web kamere ili prijenosnog tvrdog diska. Najrašireniji uređaji (za sada) su oni koji podržavaju USB 2.0. Međutim, USB 3.0 – 3.1 je traženiji za uređaje velike brzine, gdje postaje glavni, postupno zamjenjujući USB 2.0.

    Periferne uređaje s podrškom za USB, kada su spojeni na računalo, sustav automatski prepoznaje (osobito upravljački softver i propusnost sabirnice) i spremni su za rad bez intervencije korisnika. Uređaji s niskom potrošnjom energije (do 500mA) možda nemaju vlastito napajanje i napajaju se izravno s USB sabirnice.

Korištenje USB-a eliminira potrebu uklanjanja kućišta računala za instaliranje dodatnih perifernih uređaja i eliminira potrebu za složenim postavkama prilikom njihove instalacije.

USB eliminira problem ograničenja broja povezanih uređaja. Kada koristite USB, do 127 uređaja može raditi istovremeno s računalom.

USB omogućuje vruće priključivanje. Ovo ne zahtijeva prvo isključivanje računala, zatim povezivanje uređaja, ponovno pokretanje računala i konfiguriranje instaliranih perifernih uređaja. Za odspajanje perifernog uređaja ne morate slijediti obrnuti postupak opisan gore.

Jednostavno rečeno, USB vam omogućuje da virtualno ostvarite sve prednosti moderne plug and play tehnologije. Uređaji dizajnirani za USB 1.x mogu raditi s USB 2.0 kontrolerima. i USB 3.0

Kada je spojen periferni uređaj, generira se hardverski prekid i upravljački program HCD prima kontrolu ( Upravljački program kontrolera glavnog računala) USB kontroler ( USB host kontroler - UHC), koji je trenutno integriran u sve proizvedene čipsetove matičnih ploča. Anketira uređaj i od njega prima identifikacijske podatke na temelju kojih se kontrola prenosi na vozača koji servisira ovu vrstu uređaja. UHC kontroler ima root hub (Hub), koji omogućuje spajanje na sabirnicu USB uređaja.

Hub (USB HUB).

Spojne točke se nazivaju luke. Drugi hub se može spojiti na port kao uređaj. Svako čvorište ima odlazni port ( uzvodna luka), povezujući ga s glavnim kontrolerom i nizvodnim priključcima ( nizvodna luka) za spajanje perifernih uređaja. Čvorišta mogu otkriti, spojiti se i odspojiti na svakom ulazu za silaznu vezu i osigurati distribuciju energije za uređaje za silaznu vezu. Svaki od priključaka za silaznu vezu može se zasebno omogućiti i konfigurirati pri punoj ili maloj brzini. Hub se sastoji od dva bloka: hub kontrolera i hub repetitora. Repetitor je protokolom kontrolirani prekidač između uplink porta i downlink portova. Hub također sadrži hardver za podršku resetiranja i pauziranja/nastavljanja veze. Kontroler ima registre sučelja koji omogućuju prijenos podataka od i do glavnog kontrolera. Definirani status koncentratora i kontrolne naredbe omogućuju glavnom procesoru da konfigurira koncentrator te nadzire i upravlja njegovim portovima.

Vanjska čvorišta mogu imati vlastito napajanje ili se napajati iz USB sabirnice.

USB kablovi i konektori

Svi USB priključci koji se mogu međusobno spojiti dizajnirani su za zajednički rad.

Svi pinovi USB 2.0 konektora su električno kompatibilni s odgovarajućim pinovima USB 3.0 konektora. U isto vrijeme, USB 3.0 konektor ima dodatne kontakte koji nemaju korespondenciju u USB 2.0 konektoru, pa se, prema tome, pri spajanju konektora različitih verzija neće koristiti "dodatni" kontakti, osiguravajući normalan rad veza verzije 2.0. Svi priključci i utikači između USB 3.0 tipa A i USB 2.0 tipa A dizajnirani su za zajednički rad. Utičnica USB 3.0 tipa B malo je veća od onoga što bi bilo potrebno za USB 2.0 vrste B i starije utičnice. Istovremeno, moguće je priključiti ovaj tip utikača na ove utičnice. U skladu s tim, za povezivanje perifernog uređaja s USB 3.0 priključkom tipa B na računalo možete koristiti obje vrste kabela, ali za uređaj s priključkom USB 2.0 tipa B - samo USB 2.0 kabel. eSATAp utičnice, označene kao eSATA/USB Combo, odnosno s mogućnošću spajanja USB utikača na njih, imaju mogućnost spajanja USB Type A utikača: USB 2.0 i USB 3.0, ali u USB 2.0 modu brzine.

USB Type-C konektori pružaju veze s perifernim uređajima i računalima, zamjenjujući različite tipove A i B tipove konektore i kabele prijašnjih USB standarda i pružajući buduće mogućnosti proširenja. 24-pinski dvostrani konektor prilično je kompaktan, po veličini blizu mikro-B konektora standarda USB 2.0. Dimenzije konektora su 8,4 mm sa 2,6 mm. Konektor ima 4 para kontakata za napajanje i uzemljenje, dva diferencijalna para D+/D- za prijenos podataka pri brzinama manjim od SuperSpeed ​​​​(u Type-C kabelima samo je jedan od para spojen), četiri diferencijalna para za prijenos brzi SuperSpeed ​​​​signali, dva pomoćna kontakta (bočni pojas), dva konfiguracijska pina za određivanje orijentacije kabela, namjenski konfiguracijski podatkovni kanal (BMC kodiranje - dvofazni kod) i +5 V naponski pin za aktivne kabele.

Kontakti konektora i raspored USB Type-C kabela

Tip-C - utikač i utičnica

Povezivanje naslijeđenih uređaja s računalima opremljenim USB Type-C konektorom zahtijevat će kabel ili adapter koji ima utikač ili konektor tipa A ili tipa B na jednom kraju i USB Type-C utikač na drugom kraju. Standard ne dopušta adaptere s USB Type-C konektorom, budući da bi njihova uporaba mogla stvoriti "mnoge netočne i potencijalno opasne" kombinacije kabela.

USB 3.1 kabeli s dva Type-C utikača na krajevima moraju u potpunosti biti u skladu sa specifikacijom - sadržavati sve potrebne vodiče, moraju biti aktivni, uključivati ​​elektronički identifikacijski čip koji ispisuje funkcije identifikatora ovisno o konfiguraciji kanala i poruke definirane dobavljačem (VDM) iz specifikacije USB Power Delivery 2.0. Uređaji s USB Type-C konektorom mogu dodatno podržati strujne vodilice sa strujom od 1,5 ili 3 ampera pri naponu od 5 volti uz glavno napajanje. Napajanja moraju oglašavati sposobnost isporuke povećanih struja putem konfiguracijskog kanala ili u potpunosti podržavati specifikaciju USB Power Delivery putem konfiguracijskog pina (BMC kodiranje) ili starije signale kodirane kao BFSK putem VBUS pina. USB 2.0 kabeli koji ne podržavaju SuperSpeed ​​​​sabirnicu možda neće sadržavati elektronički identifikacijski čip osim ako mogu nositi 5 ampera struje.

USB Type-C konektor specifikacije verzije 1.0 objavio je USB Developers Forum u kolovozu 2014. Razvijen je otprilike u isto vrijeme kad i specifikacija USB 3.1.

Korištenje USB Type-C konektora ne znači nužno da uređaj implementira brzi USB 3.1 Gen1/Gen2 standard ili USB Power Delivery protokol.

    Univerzalna serijska sabirnica je najraširenije, a vjerojatno i najuspješnije računalno sučelje za periferne uređaje u cjelokupnoj povijesti razvoja računalne opreme, o čemu svjedoči ogroman broj USB uređaja od kojih se neki mogu činiti pomalo

Organizacija USB sabirnice

USB (Universal Serial Bus) je industrijski standard za proširenje PC arhitekture, usmjeren na integraciju s telefonijom i uređajima potrošačke elektronike. Verzija 1.0 standarda objavljena je početkom 1996., većina uređaja podržava standard 1.1, koji je objavljen u jesen 1998. - riješio je probleme pronađene u prvom izdanju. U proljeće 2000. godine objavljena je USB 2.0 specifikacija koja predviđa 40 puta povećanje propusnosti sabirnice. U početku (u verzijama 1.0 i 1.1) sabirnica je pružala dvije brzine prijenosa informacija: punu brzinu, FS (punu brzinu) - 12 Mbit/s i malu brzinu, LS (nisku brzinu) - 1,5 Mbit/s. Verzija 2.0 također definira veliku brzinu, HS (high speed) - 480 Mbit/s, što vam omogućuje značajno proširenje raspona uređaja spojenih na sabirnicu. Uređaji sa sve tri brzine mogu biti prisutni i raditi istovremeno u istom sustavu. Sabirnica omogućuje, pomoću međurazdjelnika, povezivanje uređaja udaljenih od računala na udaljenosti do 25 m. Detaljne i ažurne informacije o USB-u (na engleskom) možete pronaći na web stranici http://www. usb.org. Razvoj uređaja te njihovu klasifikaciju i standardizaciju koordinira USB-IF (USB Implementers Forum, Inc.).

USB sabirnica omogućuje razmjenu podataka između glavnog računala i raznih perifernih uređaja (PU). USB je jedan centralizirani hardverski i softverski sustav za stavljanje više uređaja u red čekanja i više procesa aplikacijskog softvera. Komunikaciju softverskih procesa sa svim uređajima osigurava host kontroler s višerazinskom softverskom podrškom. Time se USB značajno razlikuje od tradicionalnih perifernih sučelja (LPT, COM, GAME priključci, tipkovnica, miš, itd.); usporedba ovih vrsta veza data je u tablici.

Stol. Usporedba USB sabirnice s tradicionalnim perifernim sučeljima

Tradicionalna sučelja (COM, LPT, Game...)	USB sabirnica
Spajanje svakog uređaja općenito zahtijeva prisutnost vlastitog kontrolera (adaptera) 1	Svi uređaji povezani su preko jednog host kontrolera
Svaki kontroler zauzima vlastite resurse (memorijski prostor, I/O prostor i zahtjeve za prekid)	Samo glavni kontroler zauzima resurse
Mali broj uređaja koji se mogu spojiti na računalo istovremeno	Povežite do 127 uređaja
Upravljački programi uređaja mogu izravno pristupiti svojim kontrolerima uređaja, neovisno jedan o drugom	Upravljački programi uređaja pristupaju samo zajedničkom upravljačkom programu kontrolera glavnog računala
Neovisnost vozača rezultira nepredvidljivošću rezultata istovremenog rada s više uređaja, nedostatkom garancije kvalitete usluge (mogućnost kašnjenja i smanjene brzine prijenosa) za razne uređaje	Centralizirana zakazana razmjena jamči kvalitetu usluge koja omogućuje prijenos izokronih multimedijskih podataka uz normalnu asinkronu razmjenu
Raznolikost sučelja, konektora i kabela specifičnih za svaku vrstu uređaja	Jedno praktično i jeftino sučelje za povezivanje uređaja svih vrsta. Mogućnost odabira brzine uređaja (1,5-15-480 Mbit/s) ovisno o potrebi
Nedostatak ugrađene detekcije spajanja/prekida veze i identifikacije uređaja, poteškoće u podršci za PnP	Mogućnost "vrućeg" spajanja/isključivanja uređaja, puna PnP podrška, dinamička konfiguracija
Nedostatak kontrole grešaka	Ugrađena sredstva za osiguranje pouzdanog prijenosa podataka
Nedostatak standardnog napajanja za uređaje	Mogućnost napajanja uređaja iz sabirnice, kao i dostupnost alata za upravljanje napajanjem

1 - SCSI sabirnica također ima mogućnost spajanja više uređaja na jedan kontroler, ali je njeno paralelno sučelje, u usporedbi s USB-om, preskupo, glomazno i ​​topološki ograničenije.

USB arhitektura omogućuje četiri osnovne vrste prijenosa podataka između glavnog računala i perifernih uređaja:

• izokroni transferi - Strujanje u stvarnom vremenu, zauzima unaprijed dogovoreni dio propusnosti sabirnice sa zajamčenom latencijom isporuke. Pri punoj brzini (FS) možete organizirati jedan kanal s propusnošću do 1,023 MB/s (ili dva od 0,5 MB/s), zauzimajući 70% raspoložive propusnosti (ostatak mogu zauzeti kanali manjeg kapaciteta) . Pri velikoj brzini (HS) možete dobiti kanal do 24 MB/s (192 Mbit/s). Pouzdanost isporuke nije zajamčena—ako se otkrije pogreška, izokroni podaci se ne ponavljaju i nevažeći paketi se zanemaruju. USB sabirnica omogućuje organiziranje sinkronih veza između uređaja i aplikacijskih programa pomoću izokronih prijenosa. Izokroni prijenosi potrebni su za uređaje za strujanje: video kamere, digitalne audio uređaje (USB zvučnici, mikrofon), uređaje za reprodukciju i snimanje zvuka i videa (CD i DVD). USB sabirnica može prenositi video stream (bez kompresije) samo velikom brzinom;
• prekida — prijenos spontanih poruka, koji se treba provoditi s odgodom ne većom od one koju zahtijeva uređaj. Vremensko ograničenje usluge postavljeno je u rasponu od 10-255 ms za nisku i 1-255 ms za punu brzinu. Pri velikoj brzini možete naručiti 125 µs. Isporuka je zajamčena; u slučaju slučajnih pogrešaka u razmjeni vrši se ponavljanje, ali to produljuje vrijeme usluge. Prekidi se koriste, primjerice, prilikom unosa znakova s ​​tipkovnice ili za prijenos poruka o pokretima miša. Prekidi se također mogu koristiti za prijenos podataka na uređaj (čim uređaj signalizira potrebu za podacima, host ih šalje na vrijeme). Veličina poruke može biti 0-8 bajta za malu brzinu, 0-64 bajta za punu i 0-1024 bajta za veliku brzinu;
• masovni prijenosi podataka - to su transferi bez ikakvih obveza u pogledu pravovremenosti i brzine isporuke. Prijenosi polja mogu zauzeti cijelu propusnost sabirnice koja je oslobođena drugih vrsta prijenosa. Ovi stupnjevi prijenosa imaju najniži prioritet i mogu biti suspendirani kada je autobus jako opterećen. Isporuka je zajamčena - u slučaju slučajne greške vrši se ponavljanje. Prijenosi polja prikladni su za razmjenu podataka s pisačima, skenerima, uređajima za pohranu itd.;
• kontrolni prijenosi koriste se za konfiguriranje uređaja dok su povezani i za upravljanje uređajima tijekom rada. Protokol osigurava zajamčenu isporuku podataka i potvrdu uređaja o uspješnom izvršenju upravljačke naredbe. Prijenos kontrole omogućuje slanje naredbe uređaju (zahtjev, po mogućnosti s dodatnim podacima) i primanje odgovora na nju (potvrda ili odbijanje izvršenja zahtjeva i, po mogućnosti, podataka). Samo USB kontrolni prijenosi osiguravaju sinkronizaciju zahtjeva i odgovora; u drugim vrstama prijenosa nema eksplicitne sinkronizacije ulaznog toka s izlaznim tokom.

USB hardver uključuje:

• USB periferni uređaji koji nose korisne funkcije (USB-funkcije);
• Host Controller, koji osigurava bus komunikaciju sa središtem računala, u kombinaciji s Root Hub-om, koji osigurava spojne točke za USB uređaje. Postoje dvije opcije za USB 1.x host kontrolere - UHC (Universal Host Controller) i OHC (Open Host Controller), koji podržavaju FS/LS brzine; brzu USB 2.0 sabirnicu (samo HS) podržava EHC (Enhanced Host Controller);
• USB čvorišta (USB čvorišta), koja pružaju dodatne priključne točke za uređaje;
• USB kabeli za povezivanje uređaja s čvorištima.

USB softver uključuje:

• klijentski softver (CSw, Client Software) - upravljački programi USB uređaja koji omogućuju pristup uređajima iz aplikacijskog softvera. Ovi upravljački programi komuniciraju s uređajima samo putem softverskog sučelja USB Generic Driver (USBD). Upravljački programi USB uređaja ne pristupaju izravno registrima hardvera;
• USB drajver (USBD, USB Driver), “upravitelj” svih USB uređaja sustava, njihovo numeriranje, konfiguracija, pružanje usluga, raspodjela propusnosti sabirnice, napajanje itd.;
• upravljački program host kontrolera (HCD, Host Controller Driver), koji pretvara I/O zahtjeve u podatkovne strukture smještene u komunikacijskom području RAM-a i pristupa registrima host kontrolera. Kontroler glavnog računala izvodi fizičke transakcije na temelju ovih struktura podataka.

USBD i HCD upravljački programi čine dio USB glavnog softvera; USB specifikacija ocrtava njihove zadatke, ali ne opisuje sučelje između njih. Fizički USB uređaj mora imati USB sučelje koje pruža potpunu podršku za USB protokol, obavlja standardne operacije (konfiguracija i reset) i pruža informacije koje opisuju uređaj. Fizički USB uređaji mogu biti složeni uređaji: oni uključuju nekoliko funkcijskih uređaja povezanih s unutarnjim čvorištem, a također pružaju dodatne vanjske priključne točke sa svojim unutarnjim čvorištem.

Radom svih uređaja USB sabirnice upravlja host kontroler, koji je hardverski i softverski podsustav glavnog računala. Host kontroler je inteligentni PCI bus uređaj ili sastavni dio "južnog" čvorišta (mosta) matične ploče, koji intenzivno komunicira s RAM-om.

Fizička topologija USB sabirnice - višeslojna zvijezda (vidi sliku, a). Njegov vrh je glavni kontroler u kombinaciji s glavnim čvorištem. Hub je razdjelnik, a može poslužiti i kao izvor napajanja za uređaje spojene na njega. Svaki priključak čvorišta može izravno spojiti periferni uređaj ili posredni čvorište; sabirnica dopušta do pet razina (slojeva) kaskadnih čvorišta (ne računajući korijen). Budući da kombinirani uređaji unutar sebe sadrže čvorište, njihovo povezivanje s čvorištem petog sloja više nije prihvatljivo. Svako srednje čvorište ima nekoliko nizvodnih priključaka za povezivanje perifernih uređaja (ili temeljnih čvorišta) i jedan uzvodni priključak za povezivanje s glavnim čvorištem ili nizvodnim priključkom uzvodnog čvorišta.

USB logička topologija je zvijezda. Čvorišta (uključujući root) stvaraju iluziju izravne veze svakog logičkog uređaja s glavnim kontrolerom (vidi sliku u nastavku, b). U ovoj zvijezdi se uspostavljaju čisto podređeni odnosi prema sustavu anketa-odgovor: host kontroler samoinicijativno šalje podatke odabranom uređaju ili ih prima. Uređaj ne može samoinicijativno prenositi podatke; Izravni prijenos podataka između uređaja nije moguć. Uređaj samoinicijativno može signalizirati samo "buđenje", za što se koristi posebna signalizacija, ali ne i prijenos podataka.

USB fizičko sučelje je jednostavno i elegantno. Dizajn USB kabela i konektora onemogućuje pogreške prilikom povezivanja uređaja (vidi sliku ispod, a i b). Za prepoznavanje USB priključka, standardna simbolička oznaka postavljena je na kućište uređaja (vidi sliku ispod, c). Priključci tipa “A” postavljaju se samo na nizvodne priključke čvorišta, utikači tipa “A” postavljaju se na kabele perifernih uređaja ili uzvodne priključke čvorišta. Utičnice i utikači tipa “B” koriste se samo za kabele koji su isključeni iz perifernih uređaja i uzvodnih priključaka hubova (kablovi iz “malih” uređaja - miševa, tipkovnica itd. u pravilu se ne odspajaju). Za male uređaje postoje mini-B konektori, a za OTG (On-the-Go) podršku tu su i mini-A utikači i miniAB utičnice. Čvorišta i uređaji pružaju mogućnost "vrućeg" uključivanja i isključivanja uz signaliziranje tih događaja hostu.

Kada planirate veze, trebali biste razmotriti kako se uređaji napajaju: uređaji koji se napajaju sabirnicom obično se spajaju na čvorišta s mrežnim napajanjem. Na koncentratore koji se napajaju sabirnicom povezuju se samo uređaji male snage - na primjer, USB miš i drugi uređaji za pokazivanje (trackball, tablet) povezani su na USB tipkovnicu koja sadrži hub.

USB logički uređaj je skup neovisnih krajnjih točaka (Endpoint, EP) s kojima host kontroler (i klijentski softver) razmjenjuje informacije. Svakom USB logičkom uređaju (i funkcije i čvorišta) konfiguracijski dio glavnog softvera dodjeljuje vlastitu adresu (1-127), jedinstvenu na danoj USB sabirnici. Svaka krajnja točka logičkog uređaja identificirana je svojim brojem (0-15) i smjerom prijenosa (IN - prijenos do glavnog računala, OUT - od glavnog računala). IN4 i OUT4, na primjer, različite su krajnje točke s kojima čak i softverski moduli klijenta mogu komunicirati. Skup krajnjih točaka razlikuje se ovisno o uređaju, ali svaki USB uređaj mora imati dvosmjernu krajnju točku 0 (EP0) preko koje se njime općenito upravlja. Za potrebe primjene koriste se krajnje točke označene brojevima 1-15 (1-2 za uređaje niske brzine). Adresa uređaja, broj krajnje točke i smjer jedinstveno identificiraju primatelja ili izvor informacija kada glavni kontroler komunicira s USB uređajima. Svaka krajnja točka ima skup karakteristika koje opisuju vrstu podržanog prijenosa podataka (izokroni podaci, nizovi, prekidi, prijenosi kontrole), veličinu paketa i zahtjeve za frekvencijom usluge.

Uređaj može obavljati nekoliko različitih funkcionalnih zadataka: na primjer, CD-ROM pogon može reproducirati audio CD-ove i djelovati kao uređaj za pohranu podataka. Za rješavanje svakog zadatka uređaj definira sučelje - skup krajnjih točaka dizajniranih za obavljanje zadanog zadatka i pravila za njihovu upotrebu. Dakle, svaki uređaj mora imati jedno ili više sučelja. Posjedovanje više sučelja omogućuje više upravljačkih programa, od kojih svaki pristupa samo drugom sučelju (koje predstavlja dio USB uređaja), da rade s istim USB uređajem. Svako sučelje može imati jednu ili više alternativnih opcija (alternativnih postavki), od kojih samo jedna može biti aktivna u određenom trenutku. Opcije se razlikuju u skupovima (i mogućim karakteristikama) korištenih krajnjih točaka.

Skup istovremeno podržanih sučelja čini konfiguraciju uređaja. Uređaj može imati jednu ili više mogućih konfiguracija, od kojih host odabire jednu tijekom konfiguracijske faze, čineći je aktivnom. Odabrana konfiguracija određuje dostupnu funkcionalnost, a često i potrošnju energije. Sve dok se uređaju ne dodijeli odabrani konfiguracijski broj, on ne može funkcionirati u aplikativnom smislu i potrošnja struje sa sabirnice ne smije prijeći 100 mA. Host odabire konfiguraciju na temelju dostupnosti svih resursa koje zahtijeva ova konfiguracija, uključujući trenutnu potrošnju sabirnice.

Svaki dio klijentskog softvera (obično predstavljen upravljačkim programom) komunicira s jednim sučeljem svog uređaja (funkcije) isključivo i neovisno (vidi sliku u nastavku). Veze na ovoj slici predstavljaju komunikacijske cijevi koje se uspostavljaju između upravljačkih programa uređaja i njihovih krajnjih točaka. Kanali se uspostavljaju samo s krajnjim točkama uređaja koje pripadaju odabranim (od alternativnih) opcijama sučelja aktivne konfiguracije. Druge krajnje točke nisu dostupne.

Zahtjevi, serije i transakcije

Za prijenos ili primanje podataka, klijentski softver šalje ulazno/izlazni paket zahtjeva - IRP (Input/Output Request Packet) na kanal i čeka obavijest o završetku njegove obrade. IRP format određen je implementacijom USBD drajvera u određenom OS-u. IRP sadrži samo informacije o zahtjevu (mjesto međuspremnika podataka prijenosa u RAM-u i duljinu prijenosa); Pokretački program uređaja je apstrahiran od svojstava specifične trenutne veze (brzina, dopuštena veličina paketa). USBD driver obrađuje zahtjev u obliku transakcija na USB sabirnici; ako je potrebno, razbija duge zahtjeve (pakete) na dijelove pogodne za prijenos u jednoj transakciji. Transakcija na USB sabirnici je slijed razmjene paketa između glavnog računala i PU-a, tijekom koje se može poslati ili primiti jedan paket podataka (moguće su transakcije u kojima se ne prenose podaci). Obrada zahtjeva smatra se dovršenom kada su sve transakcije povezane s njim uspješno dovršene. "Privremene poteškoće" na koje naiđe tijekom njihovog izvođenja (nepripremljenost za razmjenu podataka) ne skreću se pozornost vozaču klijenta - on može samo čekati da se razmjene završe (ili istekne vrijeme). Međutim, uređaj može signalizirati ozbiljne pogreške (odgovorom STALL), što uzrokuje prekid zahtjeva i obavještava upravljački program klijenta. U tom slučaju, svi naknadni zahtjevi za ovaj kanal također se odbacuju. Nastavak rada s ovim kanalom moguć je tek nakon eksplicitne obavijesti o obradi situacije pogreške, koju upravljački program uređaja postavlja posebnim zahtjevom (također USBD pozivom).

Dugi upiti se dijele na transakcije kako bi se koristila maksimalna veličina serije. Posljednja serija ostatka može biti kraća od maksimalne veličine. Kontroler glavnog računala ima sredstva za otkrivanje kada uređaj primi paket s "manjkavošću" koji je manji od očekivanog. IRP zahtjev navodi treba li odgovoriti na ovaj događaj na određeni način. Posebna reakcija može biti dvojaka:

• tretirajte kratki paket kao graničnik koji označava kraj bloka podataka. U ovom slučaju, ovaj IRP dovršava normalno i izvršavaju se sljedeći zahtjevi za ovaj kanal;
• kratki paket smatrajte znakom greške, što uzrokuje zaustavljanje kanala (svi njegovi kasniji zahtjevi na čekanju se poništavaju).

Prilikom prijenosa nizova najprirodnije je korištenje skraćenih paketa kao graničnika. Tako se, primjerice, u jednoj od opcija protokola za uređaje za pohranu podataka kao kontrolni paketi koriste skraćeni paketi poznate duljine.

USB komunikacijski kanali podijeljeni su u dvije vrste:

• strujna cijev isporučuje podatke s jednog kraja kanala na drugi, uvijek je jednosmjeran. Isti broj krajnje točke može se koristiti za dva različita strujna kanala, ulazni i izlazni. Prijenosi podataka u različitim kanalima strujanja nisu međusobno sinkronizirani. To znači da se zahtjevi pokretača klijenta za različite kanale postavljeni određenim redoslijedom međusobno mogu izvršavati različitim redoslijedom. Zahtjevi za jedan kanal izvršavat će se strogo redoslijedom kojim su primljeni; Ako se tijekom izvođenja bilo kojeg zahtjeva dogodi ozbiljna pogreška (uređaj to javlja STALL odgovorom), nit se zaustavlja. Nit može implementirati prijenos niza, izokrone prijenose i prekide. Streamovi prenose podatke u proizvoljnom formatu definiranom od strane proizvođača uređaja (ali ne USB specifikacijom). Streamovi obično koriste transakcije u kojima duljina podatkovnog polja odgovara maksimalnoj veličini koju dopušta krajnja točka. Ako je potrebno tok podijeliti na logičke blokove podataka, to se može učiniti korištenjem skraćenih paketa kao znaka kraja bloka. Ako se pokaže da blok stane u cijeli broj paketa maksimalne veličine, paketi s nultom duljinom podatkovnog polja mogu se koristiti kao graničnik;
• cijev za poruke ) je dvosmjeran. Prijenosi poruka u suprotnim smjerovima međusobno su sinkronizirani i strogo poredani. Na svaku poruku suprotna strana mora odgovoriti potvrdom primitka i obrade iste. Sljedeća poruka ne može se poslati prije nego što se obradi prethodna, ali prilikom obrade grešaka moguće je poništiti neobrađene poruke. Formati poruka definirani su USB specifikacijom: postoji skup standardnih poruka (zahtjeva i odgovora) i rezerviranih identifikatora poruka, čiji format određuje programer uređaja ili sučelja.

Kanali imaju karakteristike povezane s krajnjom točkom (propusnost, vrsta usluge, veličina međuspremnika, itd.). Kanali se stvaraju prilikom konfiguracije USB uređaja. Propusnost sabirnice podijeljena je između svih instaliranih kanala. Dodijeljena širina pojasa dodjeljuje se kanalu, a ako je za uspostavu novog kanala potrebna širina pojasa koja se ne uklapa u postojeću dodjelu, zahtjev za dodjelu kanala se odbija.

Kanali se razlikuju i po namjeni:

• glavni kanal za poruke (zadani kanal, poznat i kao kontrolni kanal 0) , u vlasništvu USBD-a, koristi se za pristup informacijama o konfiguraciji svih uređaja. Ovaj kanal je uspostavljen s nultom krajnjom točkom, EP0 (krajnja točka zero), koja za sve uređaje uvijek podržava samo prijenose kontrole;
• Klijentske cijevi , čiji su vlasnici vozači uređaja. Ovi kanali mogu prenositi i streamove i poruke; podržavaju bilo koju vrstu USB prijenosa (izokroni, prekidni, niz i upravljanje).

Sučelje uređaja s kojim radi upravljački program klijenta je skup klijentskih kanala (pipe’s bundle). Za te kanale pogonski programi jedini su izvori i potrošači prenesenih podataka.

Vlasnik glavnih kanala poruka svih uređaja je USB upravljački program (USBD); Ovi kanali nose informacije o konfiguraciji, kontroli i statusu. Glavni kanal poruka također može koristiti klijentski upravljački program za trenutnu kontrolu i očitavanje statusa uređaja, ali neizravno preko USBD-a. Na primjer, poruke koje se prenose preko glavnog kanala koristi USB upravljački program pisača za provjeru trenutnog statusa (tri znaka se prenose u formatu registra statusa LPT porta: I/O greška, pisač odabran, nema papira).

Host organizira razmjenu s uređajima u skladu sa svojim planom raspodjele resursa. Da bi to učinio, host kontroler ciklički s periodom od 1 ms generira okvire u koje stanu sve planirane transakcije (pogledajte donju sliku). Svaki okvir počinje slanjem SOF (Start Of Frame) paketa markera, koji je sinkronizacijski signal za izokrone uređaje, kao i za čvorišta. Okviri su numerirani sekvencijalno; SOF marker sadrži najmanje značajnih 11 bitova broja okvira. U HS modu, svaki okvir je podijeljen u 8 mikrookvira, a SOF paketi se prenose na početku svakog mikrookvira (s periodom od 125 µs). Štoviše, u svih osam mikrookvira SOF nosi isti broj okvira; nova vrijednost broja okvira prenosi se u nultom mikrookviru. U svakom mikrookviru može se izvršiti nekoliko transakcija, dopušteni broj ovisi o brzini, duljini podatkovnog polja svake od njih, kao i o kašnjenjima koje unose kabeli, čvorišta i uređaji. Sve transakcije okvira moraju biti dovršene prije početka vremenskog intervala EOF (End of Frame). Razdoblje (učestalost) generiranja mikrookvira može se malo mijenjati korištenjem posebnog registra u glavnom kontroleru, koji omogućuje podešavanje frekvencije za izokrone prijenose.

Okvir se također koristi kako bi se osiguralo preživljavanje autobusa. Na kraju svakog mikrookvira dodjeljuje se EOF (End Of Frame) vremenski interval tijekom kojeg čvorišta zabranjuju prijenos prema kontroleru. Ako koncentrator otkrije da se podaci prenose s nekog priključka u ovom trenutku (do glavnog računala), ovaj priključak je onemogućen, izolirajući "brbljavi" uređaj, što prijavljuje USBD.

Brojač mikrookvira u glavnom kontroleru koristi se kao izvor indeksa kada se pristupa tablici deskriptora okvira. Tipično, USB upravljački program gradi tablicu deskriptora za 1024 uzastopna okvira1, kojima pristupa ciklički. Pomoću ovih deskriptora host raspoređuje učitavanje okvira tako da u njima, osim zakazanih izokronih transakcija i prekida, uvijek ima mjesta za kontrolne transakcije. Slobodno vrijeme okvira može se popuniti prijenosom polja. USB specifikacija dopušta da periodične transakcije (izokrone i prekidi) zauzmu do 90% propusnosti sabirnice, odnosno vremena u svakom mikrookviru.

USB omogućuje razmjenu podataka između glavnog računala i raznih perifernih uređaja (PU). Prema USB specifikaciji, uređaji mogu biti čvorišta, funkcije ili kombinacija obojega. Hub uređaj pruža samo dodatne točke za spajanje uređaja na sabirnicu. USB funkcijski uređaj daje dodatnu funkcionalnost sustavu, kao što je ISDN veza, digitalni joystick, zvučnici s digitalnim sučeljem, itd. Složeni uređaj koji sadrži nekoliko funkcija predstavlja se kao čvorište s nekoliko povezanih uređaja. USB uređaj mora imati USB sučelje koje pruža potpunu podršku za USB protokol, obavlja standardne operacije (konfiguracija i reset) i daje informacije koje opisuju uređaj. Radom cijelog USB sustava upravlja host kontroler, koji je hardverski i softverski podsustav glavnog računala. Sabirnica omogućuje povezivanje, konfiguriranje, korištenje i odspajanje uređaja dok host i sami uređaji rade. USB sabirnica je usmjerena na hosta: jedini glavni uređaj koji kontrolira razmjenu je glavno računalo, a svi periferni uređaji spojeni na njega isključivo su podređeni uređaji. Fizička topologija USB sabirnice je višeslojna zvijezda. Njegov vrh je glavni kontroler, u kombinaciji s glavnim čvorištem, obično s dva priključka. Hub je razdjelnik, a može poslužiti i kao izvor napajanja za uređaje spojene na njega. Svaki priključak čvorišta može izravno spojiti periferni uređaj ili posredni čvorište; Sabirnica dopušta do 5 razina kaskadnih čvorišta (ne računajući korijen). Budući da kombinirani uređaji unutar sebe sadrže čvorište, njihovo povezivanje s čvorištem 6. razine više nije prihvatljivo. Svako srednje čvorište ima nekoliko nizvodnih priključaka za povezivanje perifernih uređaja (ili temeljnih čvorišta) i jedan uzvodni priključak za povezivanje s glavnim čvorištem ili nizvodnim priključkom uzvodnog čvorišta. USB logička topologija jednostavno je zvijezda: za glavni kontroler, čvorišta stvaraju iluziju izravne veze sa svakim uređajem. Za razliku od sabirnica za proširenje (ISA, PCI, PC Card), gdje program komunicira s uređajima pristupajući fizičkim adresama memorijskih ćelija, I/O portovima, prekidima i DMA kanalima, interakcija aplikacije s USB uređajima odvija se samo preko softverskog sučelja. Ovo sučelje, koje osigurava neovisnost o uređaju, osigurava softver sustava USB kontrolera.

Za razliku od glomaznih skupih kabela paralelnih AT A sabirnica, a posebno SCSI sabirnice sa svojim raznolikim konektorima i složenošću pravila povezivanja, upravljanje USB kabelom je jednostavno i elegantno. USB kabel sadrži jednu oklopljenu upredenu paricu s impedancijom od 90 Ohma za signalne krugove i jednu neoklopljenu za napajanje (+5 V), dopuštena duljina segmenta je do 5 m. Za male brzine, neupleteni neoklopljeni kabel do Može se koristiti i dužine 3 m (jeftinije je). Sustav USB kabela i konektora onemogućuje pogreške prilikom povezivanja uređaja (Sl. 13.1, a i b). Za prepoznavanje USB priključka, standardna simbolička oznaka postavljena je na tijelo uređaja (Sl. 13.1, c). Utičnice tipa "A" postavljaju se samo na nizvodne priključke čvorišta, utikači tipa "A" postavljaju se na kabele perifernih uređaja ili uzvodne priključke čvorišta. Utičnice i utikači tipa “B” koriste se samo za kabele koji su isključeni iz perifernih uređaja i uzvodnih priključaka hubova (kablovi iz “malih” uređaja - miševa, tipkovnica itd. u pravilu se ne odspajaju). Uz standardne spojnice prikazane na slici 19, koriste se i minijaturne izvedbe (slika 20, c, d, e). Čvorišta i uređaji pružaju mogućnost uključivanja i uključivanja bez prekida rada. U tu svrhu konektori omogućuju ranije spajanje i kasnije isključivanje strujnih strujnih krugova u odnosu na signalne strujne krugove, uz to je predviđen signalni protokol za spajanje i isključivanje uređaja. Raspored pinova USB konektora dat je u tablici. 9, numeriranje kontakata prikazano je na sl. 20. Svi USB kabeli su "ravni" - povezuju istoimene konektore.

Riža. 19. USB konektori: a - utikač tipa "A", b - utikač tipa "B", c - simbolička oznaka

Riža. 20. USB utičnice: a - tip “A”, b - tip “B” standard, c, d, e - minijaturni tip “B”

Tablica 9. Raspored pinova USB konektora

Sabirnica koristi diferencijalnu metodu prijenosa D+ i D- signala preko dvije žice. Brzinu uređaja spojenog na određeni priključak određuje čvorište na temelju razina signala na D+ i D- linijama, prednapregnutih otpornicima opterećenja primopredajnika: uređaji s malom brzinom "povlače" D-liniju na visoku razinu, i to s punom brzinom, D+. Povezivanje HS uređaja utvrđuje se u fazi razmjene konfiguracijskih informacija - fizički, prvi put, HS uređaj mora biti spojen kao FS. Dvožilni prijenos u USB-u nije ograničen na diferencijalne signale. Osim diferencijalnog prijamnika, svaki uređaj ima linijske prijamnike za D+ i D- signale, a odašiljači ovih linija se pojedinačno kontroliraju. To omogućuje razlikovanje više od dva stanja linije koja se koriste za uspostavljanje hardverskog sučelja.

Uvođenje velike brzine (480 Mbit/s - samo 2 puta sporije od Gigabit Etherneta) zahtijeva pažljivo usklađivanje primopredajnika i komunikacijske linije. Ovom brzinom može raditi samo oklopljeni kabel s upredenom paricom za signalne vodove. Za velike brzine, USB oprema mora imati dodatne posebne primopredajnike. Za razliku od potencijalnih kondicionera za FS i LS modove, HS odašiljači su izvori struje koji se oslanjaju na prisutnost završnih otpornika na obje signalne linije.

Brzinu prijenosa podataka (LS, FS ili HS) odabire dizajner perifernih uređaja prema potrebama tog uređaja. Implementacija malih brzina za uređaj je nešto jeftinija (primopredajnici su jednostavniji, a kabel za LS može biti neoklopljena neupredena parica). Ako ste se u "starim" USB uređajima mogli bez oklijevanja spojiti na bilo koji slobodni priključak bilo kojeg čvorišta, tada je u USB 2.0, u prisutnosti uređaja i čvorišta različitih verzija, postalo moguće birati između optimalnih, neoptimalnih i neoperabilne konfiguracije.

USB 1.1 čvorišta potrebna su za podršku FS i LS brzinama; brzina uređaja spojenog na čvorište određuje se automatski razlikom potencijala signalnih vodova. Prilikom prijenosa paketa, USB 1.1 čvorišta su jednostavno repetitori koji pružaju transparentnu komunikaciju između perifernog uređaja i kontrolera. Prijenosi male brzine prilično su rasipni u pogledu potencijalne propusnosti sabirnice: u vremenu kada zauzimaju sabirnicu, uređaj velike brzine može prenijeti 8 puta više podataka. Ali kako bi se pojednostavio i smanjio trošak cijelog sustava, napravljene su te žrtve, a raspodjelu propusnosti između različitih uređaja nadzire planer transakcija glavnog kontrolera.

U specifikaciji 2.0 brzina od 480 Mbit/s trebala bi biti kompatibilna s prethodnima, no s takvim omjerom brzina razmjene na FS i LS će bez ikakvog “zadovoljstva” “pojesti” moguću propusnost sabirnice (za korisnika ). Kako bi spriječili da se to dogodi, USB 2.0 čvorišta preuzimaju karakteristike paketnih preklopnika. Ako je uređaj velike brzine (ili sličan hub) spojen na priključak takvog huba, tada hub radi u načinu rada repetitora, a transakcija s uređajem na HS-u zauzima cijeli kanal do glavnog kontrolera za cijeli trajanje njegovog izvršenja. Ako je uređaj ili koncentrator 1.1 spojen na priključak USB 2.0 koncentratora, tada paket putuje duž dijela kanala do kontrolera brzinom HS, pohranjuje se u međuspremnik koncentratora i odlazi na stari uređaj ili koncentrator na njegovu “native” FS ili LS brzine. U isto vrijeme, funkcije kontrolera i čvorišta 2.0 (uključujući root) postaju kompliciranije, budući da su transakcije na FS i LS podijeljene, a prijenosi velike brzine uglavljeni su između njihovih dijelova. Sve te suptilnosti skrivene su od starijih (1.1) uređaja i čvorišta, što osigurava kompatibilnost s prethodnim verzijama. Sasvim je jasno da će USB 2.0 uređaj moći postići veliku brzinu samo ako na putu od njega do host kontrolera (također 2.0) postoje samo 2.0 čvorišta. Ako se ovo pravilo prekrši i između njega i kontrolera 2.0 postoji stari hub, tada se komunikacija može uspostaviti samo u FS modu. Ako su uređaj i klijentski softver zadovoljni ovom brzinom (na primjer, za pisač i skener to će rezultirati samo duljim vremenom čekanja za korisnika), tada će povezani uređaj raditi, ali poruka o konfiguraciji veze koja nije optimalna pojavit će se. Ako je moguće, to (konfiguraciju) treba ispraviti, budući da se USB kabeli mogu mijenjati u pokretu. Uređaji i softver koji su ključni za propusnost sabirnice odbit će raditi u pogrešnoj konfiguraciji i apsolutno će zahtijevati prebacivanje. Ako je host kontroler star, tada sve prednosti USB 2.0 neće biti dostupne korisniku. U tom slučaju morat ćete promijeniti glavni kontroler (promijeniti matičnu ploču ili kupiti PCI karticu kontrolera). USB 2.0 kontroler i čvorišta omogućuju povećanje ukupne propusnosti sabirnice za starije uređaje. Ako su FS uređaji spojeni na različite priključke USB 2.0 čvorišta (uključujući glavni), tada će se ukupna propusnost USB sabirnice za njih povećati u usporedbi s 12 Mbit/s onoliko puta koliko se koristi brzih priključaka čvorišta .

Hub je ključni element PnP sustava u USB arhitekturi. Središte obavlja mnoge funkcije:

• omogućuje fizičko povezivanje uređaja,

oblikovanje i sagledavanje

• signale prema specifikaciji sabirnice na

svaka njegova luka;

• kontrolira dovod opskrbnog napona na

downstream portove, a moguće je postaviti ograničenje struje koju troši svaki port;

• prati status uređaja spojenih na njega,

obavještavanje domaćina o promjenama;

• otkriva greške na sabirnici, provodi procedure

obnavlja i izolira neispravne segmente sabirnice;

• osigurava komunikaciju između segmenata sabirnice koji rade na

različite brzine.

Hub prati signale koje generiraju uređaji. Neispravan uređaj može "utihnuti" (izgubiti aktivnost) u krivo vrijeme ili, obrnuto, nešto "promrmljati" (brbljati). Te situacije nadzire čvorište najbliže uređaju i zabranjuje uzvodne prijenose s takvog uređaja najkasnije na granici (mikro)okvira. Zahvaljujući budnosti čvorišta, ove će situacije spriječiti da neispravan uređaj blokira cijeli autobus.

Svaki od nizvodnih priključaka može se omogućiti ili onemogućiti i konfigurirati za visoku, punu ili ograničenu brzinu prijenosa podataka. Čvorišta mogu imati svjetla statusa nizvodnog priključka, kontrolirana automatski (logikom čvorišta) ili softverom (kontroler glavnog računala). Indikator može biti par LED dioda - zelena i žuta (jantarna) ili jedna LED dioda koja mijenja boju. Status porta predstavljen je na sljedeći način:

• ne svijetli - port se ne koristi;
• zeleno - normalan rad;
• žuto - greška;
• zeleno treperi - program zahtijeva pozornost

korisnik (pozornost softvera);

• žuto treperi - oprema zahtijeva pažnju

korisnik (pozornost na hardver).

Uzvodni priključak čvorišta je konfiguriran i eksterno predstavljen kao pune brzine ili velike brzine (samo USB 2.0). Kada je spojen, USB 2.0 hub priključak daje završetak prema FS shemi, a prebacuje se u HS mod samo na naredbu iz kontrolera.

Na sl. 13.3 prikazuje opciju povezivanja uređaja i čvorišta, gdje je USB 2.0 uređaj velike brzine samo televizijska kamera koja prenosi video stream bez kompresije. Spajanje USB 1.1 pisača i skenera na odvojene priključke 2.0 čvorišta, pa čak i njihovo odvajanje od audio uređaja, omogućuje im korištenje propusnosti sabirnice od 12 Mbit/s svaki. Dakle, od ukupne propusnosti od 480 Mbit/s, 3x12=36 Mbit/s je dodijeljeno “starim” uređajima (USB 1.0). Zapravo, možemo govoriti o pojasu od 48 Mbit/s, budući da su tipkovnica i miš spojeni na zasebnu utičnicu USB 2.0 glavnog kontrolera, ali ovi uređaji će "savladati" samo mali dio od dodijeljenih 12 Mbit/s njima. Naravno, možete spojiti tipkovnicu i miša na port vanjskog čvorišta, ali sa stajališta povećanja pouzdanosti, bolje je spojiti sistemske ulazne uređaje na najkraći mogući način (u smislu broja kabela, konektori i međuuređaji). Neuspješna konfiguracija bila bi spajanje pisača (skenera) na USB 1.1 čvorište - pri radu s audio uređajima (ako su kvalitetni) brzina ispisa (skeniranja) će pasti. Neupotrebljiva konfiguracija bila bi spajanje kamere na USB 1.1 koncentrator.

Kada planirate veze, trebali biste razmotriti kako se uređaji napajaju: uređaji koji se napajaju sabirnicom obično se spajaju na čvorišta s mrežnim napajanjem. Na koncentratore koji se napajaju sabirnicom povezuju se samo uređaji male snage - na primjer, USB miš i drugi uređaji za pokazivanje (trackball, tablet) povezani su na USB tipkovnicu koja sadrži hub.

Upravljanje napajanjem vrlo je napredna značajka USB-a. Za uređaje koji se napajaju sabirnicom, snaga je ograničena. Kada je spojen, bilo koji uređaj ne bi trebao trošiti struju veću od 100 mA iz sabirnice. Radna struja (ne više od 500 mA) navedena je u konfiguraciji. Ako hub ne može opskrbiti uređaj navedenom strujom, nije konfiguriran i stoga se ne može koristiti.

USB uređaj mora podržavati suspendirani način rada, u kojem njegova potrošnja struje ne prelazi 500 µA. Uređaj bi se trebao automatski obustaviti kada prestane aktivnost sabirnice.

Riža. 21. Primjer konfiguracije veze

Mogućnost daljinskog buđenja omogućuje suspendiranom uređaju da signalizira glavno računalo, koje također može biti u suspendiranom stanju. Značajka daljinskog buđenja opisana je u konfiguraciji uređaja. Ova funkcija može biti onemogućena tijekom konfiguracije.