USB (Universal Serial Bus). Universal Serial Bus Ποια είναι τα πλεονεκτήματα του USB

Δίαυλος USB ( Uπανηγυρική μικρό erial σι us - γενικός σειριακός δίαυλος) εμφανίστηκε με πρότυπα υπολογιστών πριν από πολύ καιρό - μια έκδοση της πρώτης εγκεκριμένης έκδοσης του προτύπου εμφανίστηκε στις 15 Ιανουαρίου 1996. Η ανάπτυξη του προτύπου ξεκίνησε από εταιρείες με μεγάλη εκτίμηση - Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom και Compaq.

Ο κύριος στόχος του προτύπου για τους προγραμματιστές του είναι να δημιουργήσει μια πραγματική ευκαιρία για τους χρήστες να εργάζονται σε λειτουργία Plug & Play με περιφερειακές συσκευές. Αυτό σημαίνει ότι θα πρέπει να υπάρχει πρόβλεψη για τη σύνδεση της συσκευής σε έναν υπολογιστή που λειτουργεί, την αυτόματη αναγνώριση αμέσως μετά τη σύνδεση και στη συνέχεια την εγκατάσταση των κατάλληλων προγραμμάτων οδήγησης. Επιπλέον, είναι επιθυμητό να παρέχεται ισχύς σε συσκευές χαμηλής κατανάλωσης από το ίδιο το λεωφορείο. Η ταχύτητα του διαύλου θα πρέπει να είναι επαρκής για τη συντριπτική πλειοψηφία των περιφερειακών. Στην πορεία, επιλύεται το ιστορικό πρόβλημα της έλλειψης πόρων στους εσωτερικούς διαύλους ενός υπολογιστή IBM ενός συμβατού υπολογιστή - ο ελεγκτής USB λαμβάνει μόνο μία διακοπή, ανεξάρτητα από τον αριθμό των συσκευών που είναι συνδεδεμένες στο δίαυλο.

Σχεδόν όλες οι εργασίες επιλύθηκαν στο πρότυπο USB και την άνοιξη του 1997 άρχισαν να εμφανίζονται υπολογιστές εξοπλισμένοι με υποδοχές σύνδεσης συσκευών USB (δείτε φωτογραφία στα αριστερά), αλλά περιφερειακά με σύνδεση USB ουσιαστικά δεν εμφανίστηκαν μέχρι τα μέσα του 1998. Τι συμβαίνει? Γιατί μόλις στα τέλη του 1998 οι κατασκευαστές εξοπλισμού άρχισαν να προσφέρουν πιο ενεργά συσκευές USB στην αγορά; Υπάρχουν πολλές εξηγήσεις για αυτό:

Εξαλείψτε την κρίσιμη ανάγκη για χρήστες επιτραπέζιων υπολογιστών για συσκευές πλήρως Plug & Play. Τα περιφερειακά σε έναν επιτραπέζιο υπολογιστή συνδέονται συνήθως σοβαρά και για μεγάλο χρονικό διάστημα και η συντριπτική πλειοψηφία των χρηστών δεν έχει ιδιαίτερη ανάγκη για συχνή αντικατάσταση περιφερειακών.

υψηλότερο κόστος συσκευών USB σε σύγκριση με παρόμοιες συσκευές με τυπικές διεπαφές

έλλειψη υποστήριξης από τους κατασκευαστές λογισμικόκαι κυρίως η Microsoft, αν και ήταν ένας από τους συντάκτες του προτύπου. Μόνο στα Windows 98 υπήρχε ένα πλήρες Υποστήριξη USB, και στα Windows NT θα πρέπει να είναι μόνο το 1999.

Τώρα το USB έχει εφαρμοστεί ενεργά από κατασκευαστές περιφερειακών υπολογιστών. Η αίσθηση ήταν η παρουσία μόνο USB ως εξωτερικού διαύλου στο iMAC της Apple Computers.

Προδιαγραφές

Οι δυνατότητες USB προκύπτουν από τις τεχνικές προδιαγραφές του:

Υψηλή ταχύτητα ανταλλαγής (ρυθμός bit σηματοδότησης πλήρους ταχύτητας) - 12 Mb / s

Μέγιστο μήκος καλωδίου για υψηλό ρυθμό baud - 5 m

Ρυθμός bit σηματοδότησης χαμηλής ταχύτητας - 1,5 Mb / s

Μέγιστο μήκος καλωδίου για χαμηλό ρυθμό baud - 3 m

Ο μέγιστος αριθμός συνδεδεμένων συσκευών (συμπεριλαμβανομένων των πολλαπλασιαστών) - 127

Είναι δυνατή η σύνδεση συσκευών με διαφορετικούς ρυθμούς baud

Δεν χρειάζεται ο χρήστης να εγκαταστήσει πρόσθετα στοιχεία όπως τερματιστές για SCSI

Τάση τροφοδοσίας περιφερειακών συσκευών - 5 V

Η μέγιστη κατανάλωση ρεύματος ανά συσκευή είναι 500 mA (αυτό δεν σημαίνει ότι συσκευές με συνολικό ρεύμα κατανάλωσης 127 x 500 mA = 63,5 A μπορούν να τροφοδοτηθούν μέσω USB)

Επομένως, συνιστάται να συνδέσετε σχεδόν οποιαδήποτε περιφερειακή συσκευή σε USB, εκτός από τις ψηφιακές βιντεοκάμερες και τους σκληρούς δίσκους υψηλής ταχύτητας. Αυτή η διεπαφή είναι ιδιαίτερα βολική για τη σύνδεση συσκευών που συνδέονται συχνά/αποσυνδέονται, όπως ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές. Οι υποδοχές USB έχουν σχεδιαστεί για ζευγάρωμα / διαχωρισμό.
Η δυνατότητα χρήσης μόνο δύο ρυθμών baud περιορίζει τη χρήση του διαύλου, αλλά μειώνει σημαντικά τον αριθμό των γραμμών διεπαφής και απλοποιεί την υλοποίηση υλικού.
Η τροφοδοσία απευθείας από USB είναι δυνατή μόνο για συσκευές χαμηλής κατανάλωσης όπως πληκτρολόγια, ποντίκια, joysticks κ.λπ.

Τοπολογία

Αυτό το εικονίδιο χαρακτηρίζεται επίσημα ως ο δίαυλος USB τόσο στα Windows 98 όσο και στα πίσω τοιχώματα των υπολογιστών (δυστυχώς, όχι σε όλους), καθώς και σε όλες τις υποδοχές USB. Αυτό το εικονίδιο αντιπροσωπεύει στην πραγματικότητα σωστά την ιδέα της τοπολογίας USB. Η τοπολογία του USB είναι σχεδόν πανομοιότυπη με αυτή ενός τυπικού LAN συνεστραμμένου ζεύγους, που συνήθως αναφέρεται ως "αστέρι". Ακόμη και η ορολογία είναι παρόμοια - οι εκτροφείς ελαστικών ονομάζονται επίσης HUB.

Συμβατικά, το δέντρο για τη σύνδεση συσκευών USB σε υπολογιστή μπορεί να απεικονιστεί ως εξής (οι αριθμοί υποδεικνύουν περιφερειακές συσκευές με διασύνδεση USB):

Ένα HUB μπορεί επίσης να σταθεί στη θέση οποιασδήποτε συσκευής. Η κύρια διαφορά από την τοπολογία ενός συμβατικού τοπικού δικτύου είναι ότι μπορεί να υπάρχει μόνο ένας υπολογιστής (ή συσκευή υποδοχής). Το HUB μπορεί να είναι είτε αυτόνομη συσκευή με δική του μονάδα τροφοδοσίας, είτε ενσωματωμένη σε περιφερειακή συσκευή. Τις περισσότερες φορές τα HUB είναι ενσωματωμένα σε οθόνες και πληκτρολόγια

Η παραπάνω εικόνα δείχνει ένα παράδειγμα σωστή σύνδεσηπεριφερειακές συσκευές σε ένα συμβατικό δίκτυο USB. Δεδομένου ότι τα δεδομένα ανταλλάσσονται μέσω USB μόνο μεταξύ ενός υπολογιστή και μιας περιφερειακής συσκευής (δεν υπάρχει ανταλλαγή μεταξύ συσκευών), συσκευές με μεγάλους όγκους λήψης ή/και μετάδοσης δεδομένων πρέπει να συνδέονται είτε στον ίδιο τον υπολογιστή είτε στον πλησιέστερο ελεύθερο κόμβο. Σε αυτήν την περίπτωση, τα ηχεία έχουν την υψηλότερη επισκεψιμότητα (~ 1,3 Mb / s), ακολουθούμενα από ένα μόντεμ και έναν σαρωτή συνδεδεμένο στο HUB στην οθόνη και το πληκτρολόγιο, το joystick και το ποντίκι, των οποίων η κίνηση είναι κοντά στο μηδέν, ολοκληρώνουν το κύκλωμα .
Μπορεί να προκύψει το ερώτημα - γιατί οι στήλες έχουν τόσο μεγάλη επισκεψιμότητα; Το γεγονός είναι ότι τα ηχεία με διασύνδεση USB διαφέρουν σημαντικά από τα συνηθισμένα. ΔΕΝ ΑΠΑΙΤΕΙΤΑΙ η χρήση αυτών των ηχείων κάρτα ήχου... Το πρόγραμμα οδήγησης του ηχείου στέλνει τον ψηφιοποιημένο ήχο απευθείας στα ηχεία, όπου μετατρέπεται σε αναλογικό σήμα χρησιμοποιώντας ένα ADC και τροφοδοτείται στα ηχεία.

Καλώδια και σύνδεσμοι

Τα σήματα USB μεταδίδονται μέσω ενός καλωδίου 4 συρμάτων, που φαίνεται σχηματικά στην παρακάτω εικόνα:

Εδώ το GND είναι το κύκλωμα "θήκης" για την τροφοδοσία περιφερειακών συσκευών, VBus - + 5V επίσης για κυκλώματα ισχύος. Ο δίαυλος D + είναι για τη μετάδοση δεδομένων στο δίαυλο και ο δίαυλος D- για τη λήψη δεδομένων.
Το καλώδιο για την υποστήριξη του διαύλου πλήρους ταχύτητας εκτελείται ως συνεστραμμένο ζευγάρι, είναι θωρακισμένο και μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για λειτουργία σε χαμηλή ταχύτητα. Το καλώδιο για λειτουργία μόνο στην ελάχιστη ταχύτητα (για παράδειγμα, για σύνδεση ποντικιού) μπορεί να είναι οποιοδήποτε καλώδιο και μπορεί να μην θωρακιστεί.
Οι σύνδεσμοι που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση περιφερειακών συσκευών φαίνονται στην παρακάτω εικόνα.

Υποδοχές σειράς "Α".		Υποδοχές σειράς "Β".
προορίζονται ΜΟΝΟ για να συνδεθούν σε μια πηγή, π.χ. υπολογιστή ή HUB "στο.		σχεδιασμένο για σύνδεση ΜΟΝΟ σε περιφερειακή συσκευή
	Τύπος βύσματος "A".		Τύπος βύσματος "Β".
	Υποδοχή τύπου "A"		Υποδοχή τύπου "Β"

Όπως μπορείτε να δείτε από το σχήμα, είναι αδύνατη η εσφαλμένη σύνδεση της συσκευής, καθώς η υποδοχή της σειράς "A" μπορεί να συνδεθεί μόνο σε μια ενεργή συσκευή στο USB-HUB ή σε έναν υπολογιστή και η σειρά "B" μόνο στο πραγματική περιφερειακή συσκευή.

Οι υποδοχές USB έχουν την ακόλουθη αρίθμηση pin:

Αριθμός επαφής	Ραντεβού	Χρώμα σύρματος

Pinout υποδοχής USB

Ανάπτυξη USB Το 1999, η ίδια κοινοπραξία εταιρειών υπολογιστών που ξεκίνησε την ανάπτυξη της πρώτης έκδοσης του προτύπου για το δίαυλο USB άρχισε να αναπτύσσει ενεργά την έκδοση 2.0 του USB, η οποία διαφέρει στο ότι το εύρος ζώνης του διαύλου αυξάνεται 20 (!) Φορές, έως 250 Mbit / s, που καθιστά δυνατή τη μεταφορά δεδομένων βίντεο μέσω USB και το καθιστά άμεσο ανταγωνιστή του IEEE-1394 (FireWire). Η συμβατότητα όλων των περιφερειακών συσκευών και των καλωδίων υψηλής ταχύτητας που κυκλοφόρησαν προηγουμένως διατηρείται πλήρως και διατηρείται ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα του USB - το χαμηλό κόστος του ελεγκτή. Ο τυπικός ελεγκτής 2.0 υποτίθεται ότι είναι επίσης ενσωματωμένος στο chipset. Όλα είναι εντάξει, αλλά υπάρχει ένα πράγμα: το λεωφορείο IEEE-1394 χρησιμοποιείται ήδη πολύ ενεργά ακόμη και σε καταναλωτικές ψηφιακές βιντεοκάμερες, υπάρχουν κάρτες επεξεργασίας βίντεο για αυτό και με τη συνεχή πτώση των τιμών για τις ψηφιακές βιντεοκάμερες, θα είναι χρησιμοποιείται όλο και ευρύτερα. Η νέα έκδοση USB θα πρέπει τελικά να αναπτυχθεί μόλις στα μέσα του 2000 και οι πρώτες συσκευές που υποστηρίζουν τη νέα έκδοση USB δεν θα εμφανιστούν νωρίτερα από τα τέλη του 2000. Αυτό είναι ένα πολύ μεγάλο χρονικό πλαίσιο για τη βιομηχανία υπολογιστών. Ήδη τον Ιούλιο του 1999, για παράδειγμα, η ASUSTeK Computers κυκλοφόρησε την πρώτη μητρική πλακέτα (P3B-1394) με ενσωματωμένο ελεγκτή IEEE-1394. Σίγουρα αυτό δεν θα περάσει απαρατήρητο και άλλοι κατασκευαστές θα αρχίσουν επίσης να παράγουν παρόμοιες σανίδες. Επομένως, από τη στιγμή που οι συσκευές απελευθερωθούν στο USB 2.0, η θέση κάτω από τον ήλιο μπορεί να έχει ήδη καταληφθεί.

USB (Universal Serial Bus) είναι μια βιομηχανική επέκταση αρχιτεκτονικής Η/Υ που επικεντρώνεται στην ενσωμάτωση με συσκευές τηλεφωνίας και ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης.

Πλεονεκτήματα του λεωφορείου:

• Η συσκευή USB μπορεί να συνδεθεί στον υπολογιστή ανά πάσα στιγμή, ακόμη και όταν είναι ενεργοποιημένη.
• Όταν ο υπολογιστής εντοπίζει μια συνδεδεμένη συσκευή USB, την ψηφίζει αυτόματα για να μάθει τις δυνατότητες και τις απαιτήσεις της.
• φορτώνει το πρόγραμμα οδήγησης και όταν η συσκευή αποσυνδεθεί, το πρόγραμμα οδήγησης εκφορτώνεται αυτόματα.
• Η συσκευή USB δεν χρησιμοποιεί βραχυκυκλωτήρες, διακόπτες DIP, δεν προκαλεί ποτέ συγκρούσεις διακοπών, DMA, μνήμη.
• Η επέκταση των διανομέων USB επιτρέπει τη σύνδεση μεγάλου αριθμού συσκευών (έως 127 συσκευές) σε ένα δίαυλο.
• χαμηλό κόστος συσκευών USB.

Η έλευση του USB κατέστησε δυνατή τη δημιουργία USB Flash Drive (αποθηκευτικός χώρος USB).

Ιστορικό δημιουργίας και ανάπτυξης της διεπαφής USB

Η πρώτη έκδοση της διεπαφής υπολογιστή USB εμφανίστηκε στις 15 Ιανουαρίου 1996. Η Alliance 7 ήταν ο εμπνευστής του έργου. μεγάλες εταιρείεςκατασκευαστές Intel, DEC, IBM, Northen Telecom, Compaq.

Ο λόγος για την εμφάνιση ενός νέου προτύπου για τη μεταφορά πληροφοριών ήταν η επιθυμία να απλοποιηθεί η σύνδεση των Η/Υ με περιφερειακές συσκευές. Ο κύριος στόχος του προτύπου ήταν να δημιουργήσει μια ευκαιρία για τους χρήστες να χρησιμοποιήσουν μια τέτοια διεπαφή που θα έχει τη μέγιστη απλότητα, ευελιξία και θα χρησιμοποιεί την αρχή του Plug & Play ή της hot-plugging.

Αυτό θα καθιστούσε δυνατή τη σύνδεση διαφόρων συσκευών εισόδου-εξόδου στον υπολογιστή κατά τη λειτουργία, με την προϋπόθεση της άμεσης αυτόματης αναγνώρισης του τύπου και του μοντέλου της συνδεδεμένης συσκευής. Επίσης, τέθηκε ο στόχος - να απαλλαγούμε από το πρόβλημα της έλλειψης εσωτερικών πόρων διακοπών στο δίαυλο συστήματος.

Όλες αυτές οι εργασίες επιλύθηκαν με επιτυχία μέχρι το τέλος του 1996 και την άνοιξη του 1997 άρχισαν να εμφανίζονται οι πρώτοι υπολογιστές εξοπλισμένοι με υποδοχές USB. Η πλήρης υποστήριξη για συσκευές USB πραγματοποιήθηκε μόνο μέχρι τα τέλη του 1998, στο λειτουργικό σύστημα Windows98, και μόνο από αυτό το στάδιο ξεκίνησε μια ιδιαίτερα γρήγορη ανάπτυξη και κυκλοφορία περιφερειακού εξοπλισμού, εξοπλισμένου με αυτή τη διεπαφή.

Η πραγματική μαζική υιοθέτηση του USB ξεκίνησε με την ευρεία υιοθέτηση θηκών και μητρικών ATX γύρω στο 1997-1998. Η Apple δεν έχασε την ευκαιρία να εκμεταλλευτεί την πρόοδο που σημειώθηκε και αποκάλυψε το πρώτο της iMac, εξοπλισμένο επίσης με υποστήριξη USB, στις 6 Μαΐου 1998.

Αυτό το πρότυπο γεννήθηκε σε μια εποχή που υπήρχε ήδη μια παρόμοια διεπαφή σειριακής μεταφοράς δεδομένων που αναπτύχθηκε από την Apple Computer και ονομαζόταν FireWare ή IEE1394. Η διασύνδεση USB δημιουργήθηκε ως εναλλακτική του IEE1394, και δεν προοριζόταν να την αντικαταστήσει, αλλά να υπάρξει παράλληλα με τον ήδη υπάρχοντα τύπο σύνδεσης.

Η πρώτη έκδοση του USB είχε κάποια προβλήματα συμβατότητας και αρκετά σφάλματα υλοποίησης. Ως αποτέλεσμα, τον Νοέμβριο του 1998 βγήκε η προδιαγραφή USB 1.1.

Η προδιαγραφή USB 2.0 εισήχθη τον Απρίλιο του 2000. Αλλά πέρασε περισσότερο από ένας χρόνος για να υιοθετηθεί ως πρότυπο. Μετά από αυτό, ξεκίνησε η μαζική εισαγωγή της δεύτερης έκδοσης του καθολικού σειριακού λεωφορείου. Το κύριο πλεονέκτημά του ήταν η 40πλάσια αύξηση της ταχύτητας μεταφοράς δεδομένων. Αλλά εκτός από αυτό υπήρχαν και άλλες καινοτομίες. Έτσι εμφανίστηκαν νέοι τύποι υποδοχών Mini-B και Micro-USB, προστέθηκε υποστήριξη για την τεχνολογία USB On-The-Go (επιτρέπει στις συσκευές USB να ανταλλάσσουν δεδομένα μεταξύ τους χωρίς τη συμμετοχή κεντρικού υπολογιστή USB), κατέστη δυνατή η χρησιμοποιήστε την τάση που παρέχεται μέσω USB για τη φόρτιση των συνδεδεμένων συσκευών.

Πώς λειτουργεί ο δίαυλος USB

Το USB επιτρέπει την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ ενός κεντρικού υπολογιστή και μιας ποικιλίας περιφερειακών συσκευών (CP). Σύμφωνα με την προδιαγραφή USB, οι συσκευές (συσκευές) μπορεί να είναι διανομείς, λειτουργίες ή συνδυασμός και των δύο. Ένας διανομέας παρέχει μόνο πρόσθετα σημεία για τη σύνδεση συσκευών στο δίαυλο. Η συσκευή λειτουργίας USB παρέχει στο σύστημα επιπλέον λειτουργικότηταπ.χ. σύνδεση ISDN, ψηφιακό joystick, ηχεία με ψηφιακή διεπαφή κ.λπ. Μια σύνθετη συσκευή που υλοποιεί πολλαπλές λειτουργίες εμφανίζεται ως διανομέας με πολλαπλές συσκευές συνδεδεμένες σε αυτήν.

Ολόκληρο το σύστημα USB ελέγχεται από τον κεντρικό ελεγκτή, ο οποίος είναι το υποσύστημα υλικού και λογισμικού του υπολογιστή. Ο δίαυλος σάς επιτρέπει να συνδέετε, να διαμορφώνετε, να χρησιμοποιείτε και να αποσυνδέετε συσκευές ενώ ο κεντρικός υπολογιστής και οι ίδιες οι συσκευές βρίσκονται σε λειτουργία.

Ο δίαυλος USB είναι κεντρικός στον κεντρικό υπολογιστή: ο μόνος κύριος που ελέγχει την ανταλλαγή είναι ο κεντρικός υπολογιστής και όλα τα περιφερειακά που είναι συνδεδεμένα σε αυτόν είναι αποκλειστικά σκλάβοι. Η φυσική τοπολογία του διαύλου USB είναι ένα αστέρι πολλαπλών επιπέδων. Στην κορυφή του βρίσκεται ο ελεγκτής κεντρικού υπολογιστή σε συνδυασμό με τον κεντρικό κόμβο. Ένας διανομέας είναι μια συσκευή διαχωρισμού· επιπλέον, μπορεί να είναι πηγή ενέργειας για συσκευές που είναι συνδεδεμένες σε αυτό. Κάθε θύρα διανομέα μπορεί να συνδεθεί απευθείας σε περιφερειακή συσκευή ή ενδιάμεσο διανομέα. ο δίαυλος επιτρέπει έως και 5 επίπεδα διαδοχικής πλήμνης (χωρίς να υπολογίζεται η ρίζα). Κάθε ενδιάμεσος διανομέας έχει πολλαπλές θύρες κατάντη για τη σύνδεση περιφερειακών συσκευών (ή διανομέων κατάντη) και μία θύρα ανοδικής ροής για σύνδεση στον κεντρικό διανομέα ή στη θύρα κατάντη ενός διανομέα ανάντη.

Τα δεδομένα από τις συνδεδεμένες συσκευές συγκλίνουν στον κεντρικό υπολογιστή USB και παρέχουν επίσης αλληλεπίδραση με τον υπολογιστή. Όλες οι συσκευές είναι συνδεδεμένες σε τοπολογία αστεριού. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε διανομείς USB για να αυξήσετε τον αριθμό των ενεργών θυρών USB. Έτσι, παίρνετε ένα ανάλογο της λογικής δομής "δέντρο". Ένα τέτοιο δέντρο μπορεί να έχει έως και 127 κλάδους ανά ελεγκτή κεντρικού υπολογιστή και το επίπεδο ένθεσης των διανομέων USB δεν πρέπει να υπερβαίνει τα πέντε. Επιπλέον, ένας μεμονωμένος κεντρικός υπολογιστής USB μπορεί να έχει πολλαπλούς ελεγκτές κεντρικού υπολογιστή, γεγονός που αυξάνει αναλογικά τον μέγιστο αριθμό συνδεδεμένων συσκευών.

Οι κόμβοι είναι δύο τύπων. Ορισμένες απλώς αυξάνουν τον αριθμό των θυρών USB σε έναν υπολογιστή, ενώ άλλες σας επιτρέπουν να συνδέσετε πολλούς υπολογιστές. Η δεύτερη επιλογή επιτρέπει σε πολλά συστήματα να χρησιμοποιούν τις ίδιες συσκευές. Ανάλογα με τον διανομέα, η εναλλαγή μπορεί να γίνει είτε χειροκίνητα είτε αυτόματα.

Μια φυσική συσκευή που είναι συνδεδεμένη μέσω USB μπορεί λογικά να υποδιαιρεθεί σε "υπο-συσκευές" που εκτελούν συγκεκριμένες συγκεκριμένες λειτουργίες. Για παράδειγμα, μια κάμερα web μπορεί να έχει ενσωματωμένο μικρόφωνο - αποδεικνύεται ότι έχει δύο υποσυσκευές: για μετάδοση ήχου και βίντεο.

Η μεταφορά δεδομένων πραγματοποιείται μέσω ειδικών λογικών καναλιών. Κάθε συσκευή USB μπορεί να αντιστοιχιστεί έως και 32 κανάλια (16 λήψη και 16 μετάδοση). Κάθε κανάλι συνδέεται με ένα συμβατικά αποκαλούμενο "τελικό σημείο". Ένα τελικό σημείο μπορεί είτε να λάβει δεδομένα είτε να τα μεταδώσει, αλλά δεν μπορεί να το κάνει ταυτόχρονα. Η ομάδα των τελικών σημείων που απαιτούνται για να λειτουργήσει μια συνάρτηση ονομάζεται διεπαφή. Εξαίρεση αποτελεί το "null" τελικό σημείο, το οποίο προορίζεται για τη διαμόρφωση της συσκευής.

Όταν μια νέα συσκευή είναι συνδεδεμένη στον κεντρικό υπολογιστή USB, ξεκινά η διαδικασία εκχώρησης ενός αναγνωριστικού σε αυτήν. Αρχικά, αποστέλλεται ένα σήμα επαναφοράς στη συσκευή. Ταυτόχρονα, λαμβάνει χώρα ο προσδιορισμός της ταχύτητας με την οποία μπορεί να πραγματοποιηθεί η ανταλλαγή δεδομένων. Μετά από αυτό, οι πληροφορίες διαμόρφωσης διαβάζονται από τη συσκευή και της εκχωρείται μια μοναδική διεύθυνση επτά bit. Εάν η συσκευή υποστηρίζεται από τον κεντρικό υπολογιστή, τότε φορτώνονται όλα τα απαραίτητα προγράμματα οδήγησης για να δουλέψουν μαζί της και μετά ολοκληρώνεται η διαδικασία. Η επανεκκίνηση ενός κεντρικού υπολογιστή USB θα εκχωρεί πάντα τα αναγνωριστικά και τις διευθύνσεις σε όλες τις συνδεδεμένες συσκευές.

Σε αντίθεση με τους διαύλους επέκτασης (ISA / EISA, PCI, PC Card), όπου το πρόγραμμα αλληλεπιδρά με συσκευές με πρόσβαση σε φυσικές διευθύνσεις κυψελών μνήμης, θύρες I/O, διακοπές και κανάλια DMA, οι εφαρμογές αλληλεπιδρούν με συσκευές USB μόνο μέσω της διεπαφής προγράμματος. Αυτή η διεπαφή ανεξάρτητη από τη συσκευή παρέχεται από το λογισμικό συστήματος ελεγκτή USB.

Ένα καλώδιο τεσσάρων συρμάτων χρησιμοποιείται για τη σύνδεση περιφερειακών συσκευών στο δίαυλο USB, με δύο καλώδια (συνεστραμμένο ζεύγος) σε διαφορική σύνδεση που χρησιμοποιούνται για λήψη και μετάδοση δεδομένων και δύο καλώδια για την τροφοδοσία της περιφερειακής συσκευής. Χάρη στις ενσωματωμένες γραμμές τροφοδοσίας, ο δίαυλος USB σάς επιτρέπει να συνδέετε περιφερειακές συσκευές χωρίς τη δική του πηγή τροφοδοσίας (το μέγιστο ρεύμα που καταναλώνει η συσκευή μέσω των γραμμών τροφοδοσίας του διαύλου USB δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 500 mA).

Κωδικοποίηση δεδομένων

Ο δίαυλος χρησιμοποιεί μια διαφορική μέθοδο μετάδοσης σημάτων D + και D- σε δύο καλώδια. Όλα τα δεδομένα κωδικοποιούνται χρησιμοποιώντας μια μέθοδο που ονομάζεται NRZI με πλήρωση bit (NRZI - Non Return to Zero Invert).

Αντί να κωδικοποιεί τα λογικά επίπεδα ως επίπεδα τάσης, το USB ορίζει τη λογική 0 ως αλλαγή τάσης και τη λογική 1 ως σταθερή τάση. Αυτή η μέθοδος είναι μια τροποποίηση της μεθόδου κωδικοποίησης κανονικού δυναμικού NRZ (Μη Επιστροφή στο Μηδέν), όπου δυναμικά δύο επιπέδων χρησιμοποιούνται για να αναπαραστήσουν το 1 και το 0, αλλά στη μέθοδο NRZI το δυναμικό που χρησιμοποιείται για την κωδικοποίηση του τρέχοντος bit εξαρτάται από το δυναμικό που χρησιμοποιήθηκε για την κωδικοποίηση του προηγούμενου bit. Εάν το τρέχον bit είναι 0, τότε το τρέχον δυναμικό είναι το αντίστροφο του δυναμικού του προηγούμενου bit, ανεξάρτητα από την τιμή του. Εάν το τρέχον bit έχει τιμή 1, τότε το τρέχον δυναμικό επαναλαμβάνει το προηγούμενο. Προφανώς, εάν τα δεδομένα περιέχουν μηδενικά, τότε είναι πολύ εύκολο για τον δέκτη και τον πομπό να διατηρήσουν το συγχρονισμό - το επίπεδο σήματος θα αλλάζει συνεχώς. Αλλά εάν τα δεδομένα περιέχουν μια μεγάλη ακολουθία, τότε το επίπεδο σήματος θα αλλάξει και ο αποσυγχρονισμός είναι δυνατός. Επομένως, για αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων, είναι απαραίτητο να εξαιρεθούν πολύ μεγάλες ακολουθίες από τους κωδικούς. Αυτή η ενέργεια ονομάζεται Bit stuffing: μετά από κάθε έξι μονάδες, προστίθεται αυτόματα ένα 0.

Υπάρχουν μόνο τρία δυνατά byte με έξι διαδοχικά: 00111111, 01111110, 111111100.

Η γέμιση μπορεί να αυξήσει τον αριθμό των bit που μεταδίδονται έως και 17%, αλλά στην πράξη αυτή η τιμή είναι πολύ μικρότερη. Για συσκευές που είναι συνδεδεμένες στο δίαυλο USB, η κωδικοποίηση είναι διαφανής: οι ελεγκτές USB εκτελούν αυτόματα κωδικοποίηση και αποκωδικοποίηση.

Λειτουργίες λεωφορείου

• Χαμηλή ταχύτητα υποστηρίζεται από τα πρότυπα 1.1 και 2.0. Μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων - 1,5 Mbit / s (187,5 Kb / s). Συχνά χρησιμοποιείται για συσκευές HID (πληκτρολόγια, ποντίκια, joysticks).
• Ολοταχώς υποστηρίζεται από τα πρότυπα 1.1 και 2.0. Μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων - 12 Mbps (1,5 Mbps). Πριν από την κυκλοφορία, το USB 2.0 ήταν ο ταχύτερος τρόπος λειτουργίας.
• Υψηλή ταχύτητα υποστηρίζεται από τα πρότυπα 2.0 και 3.0. Μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων - 480 Mbps (60 Mbps).
• Υπερταχύτητα υποστηρίζεται από το πρότυπο 3.0. Μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων - 4,8 Gb / s (600 MB / s).

Μεταφορά δεδομένων

Ο μηχανισμός μεταφοράς δεδομένων είναι ασύγχρονος και βασίζεται σε μπλοκ. Το μπλοκ των μεταδιδόμενων δεδομένων ονομάζεται πλαίσιο USB ή πλαίσιο USB και μεταδίδεται σε ένα σταθερό χρονικό διάστημα. Οι λειτουργίες με εντολές και μπλοκ δεδομένων υλοποιούνται χρησιμοποιώντας μια λογική αφαίρεση που ονομάζεται κανάλι. Η εξωτερική συσκευή χωρίζεται επίσης σε λογικές αφαιρέσεις που ονομάζονται τελικά σημεία. Έτσι, ένα κανάλι είναι ένας λογικός σύνδεσμος μεταξύ του ελεγκτή κεντρικού υπολογιστή και του τελικού σημείου μιας εξωτερικής συσκευής. Ένα κανάλι μπορεί να συγκριθεί με ένα ανοιχτό αρχείο.

Το προεπιλεγμένο κανάλι χρησιμοποιείται για τη μετάδοση εντολών (και τα δεδομένα που περιλαμβάνονται στις εντολές) και είτε τα κανάλια ροής είτε τα κανάλια μηνυμάτων ανοίγουν για μεταφορά δεδομένων.

Οι πληροφορίες για το κανάλι μεταδίδονται με τη μορφή πακέτων (Packet). Κάθε πακέτο ξεκινά με ένα πεδίο SYNC (SYNChronization) ακολουθούμενο από ένα PID (Packet IDentifier).

Το σύστημα USB θα πρέπει να χωριστεί σε τρία λογικά επίπεδα με συγκεκριμένους κανόνες αλληλεπίδρασης. Μια συσκευή USB περιέχει διεπαφή, λογικά και λειτουργικά μέρη. Ο κεντρικός υπολογιστής χωρίζεται επίσης σε τρία μέρη - διεπαφή, σύστημα και λογισμικό. Κάθε τμήμα είναι υπεύθυνο μόνο για ένα συγκεκριμένο φάσμα εργασιών.

Η λειτουργία ανταλλαγής δεδομένων μεταξύ του προγράμματος εφαρμογής και του διαύλου USB πραγματοποιείται με μεταφορά buffer μνήμης μέσω των ακόλουθων επιπέδων: Επίπεδο λογισμικού πελάτη στον κεντρικό υπολογιστή:

• συνήθως αντιπροσωπεύεται από ένα πρόγραμμα οδήγησης συσκευής USB.
• διασφαλίζει την αλληλεπίδραση του χρήστη με λειτουργικό σύστημααπό τη μια και το πρόγραμμα οδήγησης συστήματος από την άλλη.

Επίπεδο συστήματος USB κεντρικού υπολογιστή (USBD, Universal Serial Bus Driver):

• ελέγχει την αρίθμηση των συσκευών στο λεωφορείο.
• ελέγχει την κατανομή του εύρους ζώνης του διαύλου και της τροφοδοσίας.
• χειρίζεται προσαρμοσμένα αιτήματα προγραμμάτων οδήγησης.

Ελεγκτής υποδοχής διασύνδεσης διαύλου USB(HCD, Host Controller Driver):

• μετατρέπει αιτήματα I/O σε δομές δεδομένων στις οποίες ο κεντρικός ελεγκτής εκτελεί φυσικές συναλλαγές.
• λειτουργεί με καταχωρητές ελεγκτή κεντρικού υπολογιστή.

Το επίπεδο λογισμικού πελάτη καθορίζει τον τύπο της μεταφοράς δεδομένων που απαιτείται για την εκτέλεση της λειτουργίας που ζητείται από την εφαρμογή. Μετά τον προσδιορισμό του τύπου μεταφοράς δεδομένων, αυτό το επίπεδο μεταφέρει τα ακόλουθα στο επίπεδο συστήματος:

• ένα buffer μνήμης που ονομάζεται buffer πελάτη.
• ένα πακέτο αιτήματος εισόδου/εξόδου (IRP) που υποδεικνύει τον τύπο της λειτουργίας που απαιτείται.
• Το IRP περιέχει μόνο πληροφορίες σχετικά με το αίτημα (διεύθυνση και μήκος του buffer στη μνήμη RAM). Το πρόγραμμα οδήγησης συστήματος USB χειρίζεται απευθείας το αίτημα.

Επίπεδο πρόγραμμα οδήγησης συστήματοςΑπαιτείται USB για τη διαχείριση των πόρων USB. Είναι υπεύθυνος να κάνει τα εξής:

• κατανομή εύρους ζώνης του διαύλου USB.
• εκχώρηση λογικών διευθύνσεων συσκευής σε κάθε φυσική συσκευή USB.
• προγραμματισμός συναλλαγών.

Λογικά, η μεταφορά δεδομένων μεταξύ του τελικού σημείου και του λογισμικού γίνεται με την εκχώρηση ενός καναλιού και την ανταλλαγή δεδομένων μέσω αυτού του καναλιού.Το λογισμικό πελάτη στέλνει αιτήματα IPR στο επίπεδο USBD. Το πρόγραμμα οδήγησης USBD αναλύει τα αιτήματα σε συναλλαγές σύμφωνα με τους ακόλουθους κανόνες:

• η εκτέλεση του αιτήματος θεωρείται ολοκληρωμένη όταν έχουν ολοκληρωθεί επιτυχώς όλες οι συναλλαγές που το απαρτίζουν·
• όλες οι λεπτομέρειες της επεξεργασίας συναλλαγών (όπως η αναμονή για ετοιμότητα, η επανάληψη της συναλλαγής σε περίπτωση σφάλματος, η μη διαθεσιμότητα του παραλήπτη, κ.λπ.) δεν κοινοποιούνται στο λογισμικό πελάτη.
• Το λογισμικό μπορεί μόνο να ξεκινήσει ένα αίτημα και να περιμένει είτε να ολοκληρωθεί το αίτημα είτε να λήξει.
• η συσκευή μπορεί να σηματοδοτήσει σοβαρά σφάλματα, με αποτέλεσμα τον ασυνήθιστο τερματισμό του αιτήματος, το οποίο κοινοποιείται στον συντάκτη του αιτήματος.

Το πρόγραμμα οδήγησης του ελεγκτή κεντρικού υπολογιστή λαμβάνει μια λίστα συναλλαγών από το πρόγραμμα οδήγησης συστήματος διαύλου και εκτελεί τις ακόλουθες ενέργειες:

• προγραμματίζει την εκτέλεση των λαμβανόμενων συναλλαγών προσθέτοντάς τες στη λίστα συναλλαγών·
• ανακτά την επόμενη συναλλαγή από τη λίστα και τη μεταφέρει στο επίπεδο του κεντρικού ελεγκτή της διεπαφής διαύλου USB.
• παρακολουθεί την κατάσταση κάθε συναλλαγής μέχρι να ολοκληρωθεί.

Ο ελεγκτής υποδοχής διασύνδεσης διαύλου USB αποδίδει καρέ. Τα πλαίσια μεταδίδονται με σειριακή μεταφορά bit χρησιμοποιώντας τη μέθοδο NRZI.

Με αυτόν τον τρόπο:

• κάθε πλαίσιο αποτελείται από τα μηνύματα υψηλότερης προτεραιότητας, η σύνθεση των οποίων σχηματίζεται από το πρόγραμμα οδήγησης κεντρικού υπολογιστή.
• κάθε μεταφορά αποτελείται από μία ή περισσότερες συναλλαγές·
• κάθε συναλλαγή αποτελείται από παρτίδες.
• κάθε πακέτο αποτελείται από ένα αναγνωριστικό πακέτου, δεδομένα (εάν υπάρχουν) και ένα άθροισμα ελέγχου.

Τύποι μεταφοράς δεδομένων

Η προδιαγραφή διαύλου ορίζει τέσσερις διαφορετικούς τύπους μεταφοράς για τα τελικά σημεία.

Έλεγχος μεταβιβάσεων- χρησιμοποιούνται από τον κεντρικό υπολογιστή για τη διαμόρφωση της συσκευής κατά τη σύνδεση, τον έλεγχο της συσκευής και τη λήψη πληροφοριών κατάστασης κατά τη λειτουργία. Το πρωτόκολλο διασφαλίζει την εγγυημένη παράδοση τέτοιων πακέτων. Το μήκος του πεδίου δεδομένων του μηνύματος ελέγχου δεν μπορεί να υπερβαίνει τα 64 byte σε πλήρη ταχύτητα και τα 8 byte σε χαμηλή ταχύτητα. Για τέτοια πακέτα, ο κεντρικός υπολογιστής είναι εγγυημένος ότι θα εκχωρήσει το 10% του εύρους ζώνης.

Μαζικές Μεταφορές Δεδομένων- χρησιμοποιούνται όταν είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί η εγγυημένη παράδοση δεδομένων από κεντρικό υπολογιστή σε λειτουργία ή από λειτουργία σε κεντρικό υπολογιστή, αλλά ο χρόνος παράδοσης δεν είναι περιορισμένος. Αυτή η μετάδοση καταλαμβάνει ολόκληρο το διαθέσιμο εύρος ζώνης διαύλου. Τα πακέτα έχουν πεδίο δεδομένων 8, 16, 32 ή 64 byte. Αυτά τα γρανάζια έχουν τη χαμηλότερη προτεραιότητα, μπορούν να αναρτηθούν όταν το λεωφορείο είναι πολύ φορτωμένο. Επιτρέπεται μόνο σε πλήρη ταχύτητα baud. Τέτοια πακέτα χρησιμοποιούνται, για παράδειγμα, από εκτυπωτές ή σαρωτές.

Διακοπή μεταγραφών- χρησιμοποιούνται όταν απαιτείται η μετάδοση μεμονωμένων μικρών πακέτων δεδομένων. Κάθε πακέτο πρέπει να μεταδοθεί σε περιορισμένο χρόνο. Οι μεταφορές είναι αυθόρμητες και θα πρέπει να συντηρούνται όχι πιο αργά από όσο απαιτεί η συσκευή. Το πεδίο δεδομένων μπορεί να είναι έως και 64 byte σε πλήρη ταχύτητα και έως 8 byte σε χαμηλή ταχύτητα. Το χρονικό όριο σέρβις ορίζεται στην περιοχή 1-255 ms για πλήρη ταχύτητα και 10-255 ms για χαμηλή ταχύτητα. Τέτοιες μεταφορές χρησιμοποιούνται σε συσκευές εισόδου όπως το ποντίκι και το πληκτρολόγιο.

Ισόχρονες Μεταγραφές- χρησιμοποιούνται για ανταλλαγή δεδομένων σε "πραγματικό χρόνο", όταν απαιτείται να μεταδοθεί αυστηρά καθορισμένος όγκος δεδομένων σε κάθε χρονικό διάστημα, αλλά η παράδοση των πληροφοριών δεν είναι εγγυημένη (η μετάδοση δεδομένων πραγματοποιείται χωρίς επανάληψη σε περίπτωση αστοχίας, απώλεια πακέτων επιτρέπεται). Τέτοιες μεταφορές καταλαμβάνουν ένα προδιαπραγματευμένο τμήμα του εύρους ζώνης του διαύλου και έχουν μια προκαθορισμένη καθυστέρηση παράδοσης. Οι ισόχρονες μεταφορές χρησιμοποιούνται συνήθως σε συσκευές πολυμέσων για τη μεταφορά δεδομένων ήχου και εικόνας, όπως η ψηφιακή μετάδοση φωνής. Οι ισόχρονες μεταφορές διαχωρίζονται με τον τρόπο που τα τελικά σημεία — πηγές ή παραλήπτες δεδομένων — συγχρονίζονται με το σύστημα. Διακρίνετε μεταξύ ασύγχρονων, σύγχρονων και προσαρμοστικών κατηγοριών συσκευών, καθεμία από τις οποίες αντιστοιχεί στον δικό της τύπο καναλιού USB.

Όλες οι λειτουργίες μεταφοράς δεδομένων εκκινούνται μόνο από τον κεντρικό υπολογιστή, ανεξάρτητα από το εάν λαμβάνει δεδομένα ή τα στέλνει σε περιφερειακή συσκευή. Όλες οι εκκρεμείς συναλλαγές αποθηκεύονται σε τέσσερις λίστες ανά τύπο μεταφοράς. Οι λίστες ενημερώνονται συνεχώς με νέα αιτήματα. Ο προγραμματισμός των λειτουργιών μεταφοράς πληροφοριών σύμφωνα με τα αιτήματα που διατάσσονται με τη μορφή λιστών εκτελείται από τον κεντρικό υπολογιστή σε διάστημα ενός πλαισίου. Η εξυπηρέτηση των αιτημάτων πραγματοποιείται σύμφωνα με τους ακόλουθους κανόνες:

• Οι ισόχρονες μεταφορές έχουν την υψηλότερη προτεραιότητα.
• Μετά την επεξεργασία όλων των ισόχρονων μεταδόσεων, το σύστημα προχωρά στην εξυπηρέτηση των μεταδόσεων διακοπής.
• στην τελευταία στροφή, εξυπηρετούνται αιτήματα για μεταφορά συστοιχιών δεδομένων.
• Αφού παρέλθει το 90% του καθορισμένου διαστήματος, ο κεντρικός υπολογιστής μεταβαίνει αυτόματα σε εξυπηρέτηση αιτημάτων για μετάδοση εντολών ελέγχου, ανεξάρτητα από το αν έχει καταφέρει να εξυπηρετήσει πλήρως τις άλλες τρεις λίστες ή όχι.

Η συμμόρφωση με αυτούς τους κανόνες διασφαλίζει ότι τουλάχιστον το 10% του εύρους ζώνης του διαύλου USB διατίθεται πάντα για τον έλεγχο των μεταφορών. Εάν η μετάδοση όλων των πακέτων ελέγχου ολοκληρωθεί πριν από τη λήξη του κλάσματος του διαστήματος προγραμματισμού που τους έχει εκχωρηθεί, τότε ο υπολειπόμενος χρόνος θα χρησιμοποιηθεί από τον κεντρικό υπολογιστή για μεταδόσεις δεδομένων.

Εκδόσεις προδιαγραφών

Η ανάπτυξη προδιαγραφών για το δίαυλο USB πραγματοποιείται στο πλαίσιο του διεθνούς μη κερδοσκοπικού οργανισμού USB Implementers Forum (USB-IF), ο οποίος ενώνει προγραμματιστές και κατασκευαστές εξοπλισμού με δίαυλο USB.

Από τα μέσα του 1996, οι υπολογιστές παράγονται με ενσωματωμένο ελεγκτή USB που υλοποιείται από το chipset της μητρικής πλακέτας.

Η πρώτη έκδοση της προδιαγραφής USB 1.0 υποστηρίζει δύο λειτουργίες ρυθμού baud μεταξύ της συσκευής και του υπολογιστή:

• Χαμηλή ταχύτητα (1,5 Mbits / sec), για συσκευές όπως ποντίκια, πληκτρολόγια και joysticks.
• Πλήρης Ταχύτητα (12 Mbit / sec), για μόντεμ και σαρωτές.

Το φθινόπωρο του 1998 κυκλοφόρησε η έκδοση 1.1 - διόρθωσε τα προβλήματα που ανακαλύφθηκαν της πρώτης έκδοσης.

Κύρια τεχνικά χαρακτηριστικά του USB 1.1:

• Επαρκώς υψηλή μέγιστη συναλλαγματική ισοτιμία - έως 12 Mbit / s.
• Το μέγιστο μήκος καλωδίου για υψηλό ρυθμό baud είναι 4,5 m.
• Ο μέγιστος αριθμός συνδεδεμένων συσκευών (συμπεριλαμβανομένων των πολλαπλασιαστών) είναι έως 127.
• Είναι δυνατή η σύνδεση συσκευών με διαφορετικές συναλλαγματικές ισοτιμίες.
• Δεν απαιτείται η χρήση πρόσθετων συσκευών και τερματιστών.
• Η τάση τροφοδοσίας για περιφερειακές συσκευές είναι 5 V.
• Η μέγιστη κατανάλωση ρεύματος ανά συσκευή είναι 500 mA.

Την άνοιξη του 2000 δημοσιεύτηκε η προδιαγραφή USB 2.0, η οποία παρέχει 40πλάσια αύξηση στο εύρος ζώνης του διαύλου (έως 480 Mbps σε λειτουργία υψηλής ταχύτητας). Ωστόσο, οι συσκευές USB 2.0 εισήλθαν στην κύρια αγορά το 2002 όταν νέα διεπαφήτελικά μπόρεσε να εδραιωθεί.

Η δεύτερη έκδοση της προδιαγραφής USB 2.0 σάς επιτρέπει να χρησιμοποιήσετε μια άλλη λειτουργία υψηλής ταχύτητας (480 Mbit / sec) για συσκευές όπως π.χ. σκληροι ΔΙΣΚΟΙ, CD-ROM, ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές. Το εύρος ζώνης των 480 Mbps επαρκεί για εξωτερικές μονάδες δίσκου, συσκευές αναπαραγωγής MP3, smartphone και ψηφιακές κάμερεςπου απαιτούνται για τη μεταφορά μεγάλου όγκου δεδομένων. Επίσης, η προδιαγραφή USB 2.0 υποστηρίζει πλήρως τις συσκευές που αναπτύχθηκαν για την πρώτη έκδοση. Οι ελεγκτές και οι διανομείς εντοπίζουν αυτόματα την έκδοση της προδιαγραφής που υποστηρίζεται από τη συσκευή. Το λεωφορείο σάς επιτρέπει να συνδέσετε έως και 127 συσκευές απομακρυσμένα από τον υπολογιστή σε απόσταση έως και 25 m (χρησιμοποιώντας ενδιάμεσους διανομείς).

Από την ευρεία υιοθέτησή του, το USB 2.0 έχει καταφέρει να αντικαταστήσει πλήρως τις σειριακές και τις παράλληλες διεπαφές.

Επί του παρόντος, οι συσκευές που κατασκευάζονται σύμφωνα με την προδιαγραφή USB 2.0 χρησιμοποιούνται ευρέως.

USB 3.0

Υποστηρίζει USB 3.0 μέγιστη ταχύτηταΜετάδοση 5 Gbps.

Υποδοχή USB 3.0 τύπου A

Ωστόσο, ο κύριος σκοπός της διεπαφής USB 3.0 είναι να αυξήσει το διαθέσιμο εύρος ζώνης νέο πρότυποβελτιστοποιεί αποτελεσματικά την κατανάλωση ενέργειας. Το USB 3.0 έχει τέσσερις καταστάσεις σύνδεσης που ονομάζονται U0-U3. Η κατάσταση σύνδεσης U0 αντιστοιχεί στην ενεργή μεταφορά δεδομένων και το U3 θέτει τη συσκευή σε "αδράνεια". Εάν η σύνδεση είναι αδρανής, τότε στην κατάσταση U1, οι δυνατότητες λήψης και μετάδοσης δεδομένων θα απενεργοποιηθούν. Η κατάσταση U2 πηγαίνει ένα βήμα παραπέρα απενεργοποιώντας το εσωτερικό ρολόι.

Υποδοχή USB 3.0 τύπου B

Κατά συνέπεια, οι συνδεδεμένες συσκευές μπορούν να μεταβούν στην κατάσταση U1 αμέσως μετά την ολοκλήρωση της μεταφοράς δεδομένων, κάτι που αναμένεται να προσφέρει απτά οφέλη στην κατανάλωση ενέργειας σε σύγκριση με το USB 2.0.

εκτός διαφορετικά κράτηΗ τυπική κατανάλωση ενέργειας USB 3.0 διαφέρει από το USB 2.0 και υψηλότερο υποστηριζόμενο ρεύμα. Εάν η έκδοση USB 2.0 παρείχε τρέχον όριο 500 mA, τότε στην περίπτωση του νέου προτύπου, ο περιορισμός μετατοπίστηκε στη γραμμή 900 mA. Το ρεύμα κατά την έναρξη της σύνδεσης έχει αυξηθεί από 100 mA για USB 2.0 σε 150 mA για USB 3.0. Και οι δύο παράμετροι είναι πολύ σημαντικές για φορητούς σκληρούς δίσκους, οι οποίοι συνήθως απαιτούν ελαφρώς υψηλότερα ρεύματα. Προηγουμένως, το πρόβλημα επιλύθηκε χρησιμοποιώντας ένα πρόσθετο βύσμα USB, λαμβάνοντας τροφοδοσία από δύο θύρες, αλλά χρησιμοποιώντας μόνο μία για μεταφορά δεδομένων.

Καλώδια και υποδοχές USB

Σε αντίθεση με τους ογκώδεις, ακριβούς παράλληλους βρόχους διαύλου ATA και ειδικά τον δίαυλο SCSI με την ποικιλία συνδετήρων και τους περίπλοκους κανόνες σύνδεσης, την καλωδίωση USB απλόκαι χαριτωμένη.

Υπάρχει πέντε είδη υποδοχών USB:

Από αριστερά προς τα δεξιά: micro USB, mini USB, τύπου B, υποδοχή τύπου A, υποδοχή τύπου A

• micro USB- χρησιμοποιείται στις μικρότερες συσκευές όπως συσκευές αναπαραγωγής και κινητά τηλέφωνα.
• mini USB- επίσης συχνά βρίσκεται σε συσκευές αναπαραγωγής, κινητά τηλέφωνα και ταυτόχρονα σε ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, PDA και παρόμοιες συσκευές.
• Β-τύπου- Υποδοχή πλήρους μεγέθους, εγκατεστημένη σε εκτυπωτές, σαρωτές και άλλες συσκευές όπου το μέγεθος δεν είναι πολύ σημαντικό.
• Α-τύπου (δέκτης)- μια υποδοχή που είναι εγκατεστημένη σε υπολογιστές (ή σε επεκτάσεις USB), όπου είναι συνδεδεμένη μια υποδοχή τύπου Α.
• τύπου Α (βύσμα)- μια υποδοχή συνδεδεμένη απευθείας στον υπολογιστή στην κατάλληλη υποδοχή.

Το σύστημα καλωδίων και υποδοχών USB δεν σας επιτρέπει να κάνετε λάθη κατά τη σύνδεση συσκευών. Οι υποδοχές τύπου "A" ταιριάζουν μόνο σε θύρες διανομέα κατάντη, βύσματα τύπου "Α" σε περιφερειακά ή ανοδικά καλώδια διανομέα. Οι πρίζες και τα βύσματα τύπου Β χρησιμοποιούνται μόνο για καλώδια που είναι αποσυνδεδεμένα από περιφερειακές συσκευές και θύρες ανάντη διανομέων (από "μικρές" συσκευές - ποντίκια, πληκτρολόγια κ.λπ., τα καλώδια συνήθως δεν αποσυνδέονται). Οι διανομείς και οι συσκευές παρέχουν δυνατότητες ζεστής πρίζας και αποσύνδεσης.

Το μέγιστο μήκος του καλωδίου USB μπορεί να είναι 5 μέτρα. Αυτός ο περιορισμός εισήχθη για να μειωθεί ο χρόνος απόκρισης της συσκευής. Ο ελεγκτής κεντρικού υπολογιστή περιμένει να φτάσουν τα δεδομένα για περιορισμένο χρονικό διάστημα και, εάν καθυστερήσει, η σύνδεση μπορεί να χαθεί.

Το καλώδιο για την υποστήριξη του διαύλου πλήρους ταχύτητας είναι συνεστραμμένο ζεύγος, θωρακισμένο και μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για λειτουργία σε χαμηλή ταχύτητα. Το καλώδιο για λειτουργία μόνο στην ελάχιστη ταχύτητα (για παράδειγμα, για σύνδεση ποντικιού) μπορεί να είναι οποιοδήποτε καλώδιο και μπορεί να μην θωρακιστεί.

Βιβλιογραφία

1. A. Kostsov, V. Kostsov, PC Iron. Εγχειρίδιο χρήστη. - M .: Martin, 2006 .-- 480 p.

Ο δίαυλος USB έχει σχεδιαστεί για διασύνδεση υπολογιστή με διάφορες συσκευέςτύπος τηλεφώνου, φαξ, μόντεμ, σαρωτής, τηλεφωνητής, πληκτρολόγιο, ποντίκι κ.λπ. Αυτός ο επιτραπέζιος δίαυλος plug and play είναι ένας δίαυλος μεσαίας ταχύτητας, αμφίδρομης κατεύθυνσης, χαμηλού κόστους που αυξάνει τη συνδεσιμότητα και την αρχιτεκτονική του υπολογιστή.

Οι κύριες ιδιότητες του διαύλου USB:

Δυνατότητα σύνδεσης έως και 127 φυσικών συσκευών.

Αυτόματη αναγνώριση περιφερειακών συσκευών.

Σχηματισμός διαφόρων διαμορφώσεων.

Υλοποίηση τύπων ισόχρονων και σύγχρονων μετάδοσης με μεγάλο εύρος ταχυτήτων.

Η παρουσία μηχανισμού διαχείρισης σφαλμάτων.

Διαχείριση ενέργειας κ.λπ.

Η τεχνολογία διαύλου USB φαίνεται στο Σχήμα 7.1 και έχει δομή αστεριού πολλαπλών επιπέδων (διαμόρφωση δέντρου).

Εικόνα 7.1. Τοπολογία διαύλου USB

Κάθε αστέρι σχηματίζεται από ένα hub (σημείο σύνδεσης), το οποίο παρέχει σύνδεση ενός ή περισσότερων λειτουργών (func), περιφερειακών συσκευών. Ο δίαυλος USB περιέχει έναν κεντρικό υπολογιστή (ελεγκτή), ο οποίος σχηματίζει το επίπεδο ρίζας και ελέγχει την εργασία των λειτουργών. Ο διανομέας είναι βασικό στοιχείο στην αρχιτεκτονική USB, υποστηρίζοντας τη σύνδεση πολλαπλών διανομέων. Ο κόμβος περιλαμβάνει μια ανώτερη θύρα ροής του διαδρόμου, η οποία απαιτείται για τη σύνδεση του διανομέα με την "ουρά" και αρκετές χαμηλότερες θύρες ροής (NPP), συνδέοντάς το με άλλους κόμβους ή/και λειτουργούς (Εικόνα 7.2).

Εικόνα 7.2. Γενική άποψη του κόμβου

Ο διανομέας εκτελεί τις ακόλουθες λειτουργίες: ανίχνευση της σύνδεσης (αποσύνδεσης) ενός άλλου διανομέα ή λειτουργού. διαχείριση ενέργειας και διαμόρφωση συσκευών που είναι συνδεδεμένες στον αντίστοιχο NPP. Ο διανομέας περιέχει έναν ελεγκτή και έναν επαναλήπτη (εναλλαγή θύρας ελεγχόμενη από πρωτόκολλο μεταξύ VFP και NPP1-NPP7). Ο ελεγκτής χρησιμοποιεί καταχωρητές διεπαφής για να επικοινωνεί με τον κεντρικό υπολογιστή, ο οποίος χρησιμοποιεί εντολές ελέγχου για να διαμορφώσει τον διανομέα και να παρακολουθεί τους συνεργάτες του. Το σχήμα 7.3 δείχνει ένα επιτραπέζιο σύστημα που περιέχει διανομείς και λειτουργούς.

Το λειτουργικό είναι μια ξεχωριστή συσκευή USB που συνδέεται με ένα καλώδιο σε μια θύρα στο διανομέα. Το hub / λειτουργικό λειτουργεί ως συσκευή που περιέχει ένα ενσωματωμένο hub. Κάθε λειτουργός πρέπει να έχει διαμορφωθεί από τον κεντρικό υπολογιστή πριν από τη χρήση του, η οποία περιλαμβάνει την κατανομή του εύρους συχνοτήτων και την επιλογή συγκεκριμένων επιλογών για διαμόρφωση.

Εικόνα 7.3. Επιτραπέζιο σύστημα που περιέχει κόμβους και λειτουργούς

Ο κεντρικός υπολογιστής USB (κεντρικός υπολογιστής) έχει πρόσβαση σε συσκευές USB χρησιμοποιώντας τον ελεγκτή κεντρικού υπολογιστή, ο οποίος κάνει τα εξής:

Συντονισμός ελέγχου και ροών δεδομένων μεταξύ κεντρικού υπολογιστή και συσκευών.

Ανίχνευση συνδεδεμένων (αποσυνδεδεμένων) συσκευών.

Συλλογή πληροφοριών σχετικά με την κατάσταση του συστήματος.

Διαχείριση ισχύος.

Το πρωτόκολλο διαύλου εκτελείται ως εξής. Ο κεντρικός υπολογιστής στέλνει ένα πακέτο αναμετάδοσης μέσω του διαύλου USB, το οποίο υποδεικνύει τον τύπο του πακέτου, την κατεύθυνση της συναλλαγής (ενέργεια στο δίαυλο), τη διεύθυνση της συσκευής και τον αριθμό τελικού σημείου. Ένα τελικό σημείο είναι ένα μοναδικά αναγνωρίσιμο τμήμα μιας συσκευής USB που περιέχει πολλά τέτοια σημεία (τελικά σημεία επικοινωνίας). Ο συνδυασμός της διεύθυνσης της συσκευής και του αριθμού τελικού σημείου σε αυτήν τη συσκευή σάς επιτρέπει να επιλέξετε κάθε σημείο ξεχωριστά. Οποιοδήποτε τελικό σημείο πρέπει να διαμορφωθεί πριν από τη χρήση και χαρακτηρίζεται από συχνότητα, καθυστέρηση διαύλου, εύρος ζώνης, μέγιστο μέγεθος πακέτου, τύπο και κατεύθυνση μετάδοσης. Οι συσκευές χαμηλής ταχύτητας περιέχουν έως και δύο τερματικά σημεία και οι συσκευές υψηλής ταχύτητας έχουν έως και 16 σημεία εξόδου.

Αφού ολοκληρωθεί η μεταφορά δεδομένων, η συσκευή USB (δέκτης) απαντά με ένα πακέτο επιβεβαίωσης που υποδεικνύει ότι η μεταφορά ήταν επιτυχής.

Τα σήματα δεδομένων D + και D- και η ισχύς (V και G - γείωση) στο δίαυλο USB μεταδίδονται από σημείο σε σημείο κατά μήκος τεσσάρων καλωδίων ενός καλωδίου 90 ohm (Εικ. 7.4.) Με μέγιστο μήκος 5 m. Η ονομαστική τάση τροφοδοσίας είναι 5v.

Εικόνα 7.4. καλώδιο USB

Ο κεντρικός υπολογιστής (hub) παρέχει τροφοδοσία στις συσκευές USB που είναι συνδεδεμένες σε αυτόν. Επιπλέον, οι συσκευές USB μπορούν να αυτοτροφοδοτούνται. Η ισχύς του διαύλου USB είναι περιορισμένη.

Ο δίαυλος USB παρέχει δύο εύρη ρυθμών μεταφοράς δεδομένων: χαμηλή ταχύτητα(1,5 Mbps) και υψηλή ταχύτητα(12 Mbps). Η λειτουργία χαμηλής ταχύτητας χρησιμοποιείται για αλληλεπίδραση με διαδραστικές συσκευές (ποντίκι, trackball, κ.λπ.) και η λειτουργία υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιείται με προσαρμογέα τηλεφώνου, συσκευές ήχου ή βίντεο. Κάθε πακέτο δεδομένων προηγείται από ένα πεδίο συγχρονισμού που επιτρέπει στους δέκτες να ευθυγραμμίζουν χρονικά τους χρονοδιακόπτες τους (ταλαντωτές) για να λαμβάνουν δεδομένα. Το πεδίο συγχρονισμού περιέχει παλμούς συγχρονισμού με κωδικοποίηση NRZI με γεμισμένα bit.

Η σύνδεση μεταξύ του κεντρικού υπολογιστή και του τελικού σημείου σχηματίζει ένα κανάλι. Μια συσκευή USB μπορεί να έχει ένα τελικό σημείο που υποστηρίζει μόνο ένα κανάλι ελέγχου ή ένα τελικό σημείο που χρησιμοποιεί ένα κανάλι για τη μετάδοση δεδομένων.

Το USB εκτελεί τους ακόλουθους τύπους μεταφορών στα αντίστοιχα κανάλια προς μία ή και τις δύο κατευθύνσεις:

Έλεγχος αυτόματης (μη περιοδικής) μετάδοσης αιτήματος / απόκρισης, που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά εντολών / κατάστασης και συνήθως χρησιμοποιείται για τη διαμόρφωση της συσκευής τη στιγμή της σύνδεσής της.

Μεταφορά εμπορευματοκιβωτίου, που λαμβάνει χώρα τυχαία στο χρόνο, που αποτελείται από ένας μεγάλος αριθμόςΈξοδος δεδομένων, για παράδειγμα, σε εκτυπωτή ή σαρωτή.

Διακοπή μετάδοσης (μη περιοδική μετάδοση δεδομένων σε χαμηλή συχνότητα από τη συσκευή ανά πάσα στιγμή, που αποτελείται από ένα ή περισσότερα byte που αποστέλλονται στον κύριο υπολογιστή και απαιτούν συντήρηση της συσκευής).

Ισόχρονη (περιοδική ροή) μετάδοση, που παρέχει συνεχή επικοινωνία μεταξύ του κεντρικού υπολογιστή και της συσκευής, σε πραγματικό χρόνο με προκαθορισμένη ταχύτητα και καθυστέρηση.

Όλες οι συσκευές USB περιέχουν ένα τελικό σημείο O στο οποίο έχει πρόσβαση το κανάλι ελέγχου από προεπιλογή. Οι πληροφορίες Endpoint O περιγράφουν μια συσκευή USB και αποτελούνται από τα ακόλουθα μέρη: ένα πρότυπο που χρησιμοποιεί περιγραφείς για τη συσκευή, τη δομή, τη διεπαφή και τα τελικά σημεία της. πληροφορίες κατηγορίας συσκευής και προμηθευτή. Το Endpoint O χρησιμοποιείται για την προετοιμασία και τη διαμόρφωση της συσκευής USB.

Τα κανάλια μετακινούν πληροφορίες μεταξύ του κεντρικού υπολογιστή και του τελικού σημείου χρησιμοποιώντας την προσωρινή μνήμη. Υπάρχουν δύο τρόποι λειτουργίας καναλιού: μια ροή - δεδομένα που δεν έχουν συγκεκριμένη δομή και ένα μήνυμα - δεδομένα που μεταδίδονται σύμφωνα με μια δεδομένη σειρά. Το λογισμικό συστήματος (λογισμικό) κατέχει αποκλειστικά το κανάλι και το εκθέτει σε άλλο λογισμικό. Ο χρήστης του λογισμικού ζητά μεταφορές μέσω του καναλιού, τις περιμένει και στη συνέχεια ειδοποιείται για την ολοκλήρωση των μεταφορών δεδομένων. Ένα τελικό σημείο μπορεί να σηματοδοτήσει το NAK στον κεντρικό υπολογιστή ότι είναι απασχολημένος.

Τα κανάλια ροής μεταφέρουν πακέτα δεδομένων που δεν είναι USB προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση (μεταφορά μονής κατεύθυνσης). Οι σωλήνες ροής υποστηρίζουν μεταφορές εμπορευματοκιβωτίων, ισόχρονες και διακόπτες.

Η μεταφορά ελέγχου επιτρέπει την πρόσβαση σε οποιοδήποτε μέρος της συσκευής και προορίζεται για την ανταλλαγή πληροφοριών, όπως διαμόρφωση / εντολή / κατάσταση, μεταξύ του λογισμικού χρήστη και του λειτουργού. Η μετάδοση ελέγχου περιέχει γενικά πληροφορίες αιτήματος (πακέτο εγκατάστασης), δεδομένα και πληροφορίες κατάστασης λειτουργίας που επιστρέφονται στον κεντρικό υπολογιστή. Το πακέτο εγκατάστασης έχει μια συγκεκριμένη δομή που αποτελείται από ένα σύνολο εντολών που απαιτούνται για τη δημιουργία επικοινωνίας μεταξύ ενός κεντρικού υπολογιστή και μιας συσκευής USB. Η περιγραφή της κατάστασης της συσκευής έχει επίσης μια συγκεκριμένη δομή και τα δεδομένα ελέγχου μετά το πακέτο εγκατάστασης δεν έχουν καμία δομή και περιέχουν πληροφορίες σχετικά με την ζητούμενη πρόσβαση. Η μετάδοση ελέγχου εκτελείται ως αμφίδρομη ροή πληροφοριών στα κανάλια μηνυμάτων. Το πρότυπο διαύλου USB περιορίζει το μέγεθος του πακέτου δεδομένων για συσκευές υψηλής ταχύτητας σε 8, 16, 32 ή 64 byte, ενώ οι συσκευές χαμηλής ταχύτητας μπορούν να έχουν ένα πακέτο δεδομένων που δεν υπερβαίνει τα 8 byte. Το πακέτο εγκατάστασης περιέχει πάντα 8 byte. Αρχικά (μετά από επαναφορά), ο κεντρικός υπολογιστής χρησιμοποιεί ένα πακέτο δεδομένων 8 byte, το οποίο επαρκεί για τυπικές λειτουργίες, και μετά τον προσδιορισμό του τύπου τελικού σημείου από τις πληροφορίες διαμόρφωσης του, ένα μεγάλο πακέτο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση συγκεκριμένων λειτουργιών. Έτσι, όλα τα δεδομένα κατά τη μετάδοση χωρίζονται σε ίσα μέρη (πακέτα), εκτός από το τελευταίο μέρος που περιέχει τα υπόλοιπα δεδομένα.

Σε περίπτωση που το τελικό σημείο είναι απασχολημένο για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, ο κεντρικός υπολογιστής θα προσπαθήσει ξανά να αποκτήσει πρόσβαση σε αυτό μετά από λίγο. Εάν ο κεντρικός υπολογιστής εντοπίσει σφάλμα, μεταδίδει ξανά.

Το σχήμα 7.5 δείχνει ένα γενικό διάγραμμα του τρόπου αλληλεπίδρασης των στοιχείων του διαύλου USB.

Εικόνα 7.5. Γενικό σχήμα αλληλεπίδρασης εξαρτημάτων διαύλου USB

Ο κεντρικός υπολογιστής (κέντρο συντονισμού) περιέχει: Λογισμικό συστήματος USB που υποστηρίζει τη διεπαφή USB σε ένα συγκεκριμένο λειτουργικό σύστημα και παρέχεται μαζί του. Απαιτείται λογισμικό χρήστη για τον έλεγχο της λειτουργίας μιας συγκεκριμένης συσκευής USB που περιλαμβάνεται στο λειτουργικό σύστημα ή παρέχεται με τη συσκευή, και ένας ελεγκτής που επιτρέπει στις συσκευές να συνδέονται με έναν κεντρικό υπολογιστή. Μια συσκευή USB έχει επίσης πολλά επίπεδα υλοποίησης: διεπαφή διαύλου, λογική συσκευής (συλλογή σημείων) και λειτουργικό (λειτουργικό επίπεδο συσκευής).

Ο δίαυλος USB χρησιμοποιεί τη μέθοδο κωδικοποίησης NRZI (χωρίς επιστροφή στο μηδέν με αντιστροφή). Σε αυτήν την περίπτωση, η μέθοδος κωδικοποίησης NRZI είναι ότι εάν το μεταδιδόμενο bit δεδομένων είναι ίσο με 0, τότε το επίπεδο τάσης αλλάζει και εάν είναι ίσο με 1, τότε το επίπεδο τάσης διατηρείται. Το σχήμα 7.6 δείχνει ένα παράδειγμα κωδικοποίησης δεδομένων χρησιμοποιώντας τη μέθοδο NRZI.

Εικόνα 7.6. Παράδειγμα κωδικοποίησης NRZI

Έτσι, η συμβολοσειρά των μηδενικών προκαλεί εναλλαγή των επιπέδων σήματος και η συμβολοσειρά των μονάδων σχηματίζει μεγάλα τμήματα επιπέδων χωρίς μεταβάσεις, γεγονός που μπορεί να παραβιάσει τη συνθήκη συγχρονισμού κατά την επιλογή κάθε bit. Επομένως, κατά τη μετάδοση δεδομένων, εισάγεται ένα μηδέν κάθε έξι διαδοχικά για να διασφαλιστεί ότι κάθε διάστημα bit ανιχνεύεται αξιόπιστα κατά τη λήψη στη χειρότερη περίπτωση όταν τα bit δεδομένων είναι ένα προς ένα. Ο δέκτης αποκωδικοποιεί τον κωδικό NRZI και απορρίπτει τα μηδενικά μπιτ που έχουν εισαχθεί. Το σχήμα 7.7 δείχνει ένα διάγραμμα χρονισμού των βημάτων κωδικοποίησης δεδομένων.

Το διάγραμμα εμφανίζει αρχικά ακατέργαστα δεδομένα που περιέχουν ένα πεδίο συγχρονισμού και ένα πακέτο δεδομένων, με το μοτίβο συγχρονισμού να έχει 7 μηδενικά και να τελειώνει με ένα bit, μετά το οποίο ξεκινά το πακέτο δεδομένων. Στη συνέχεια, το διάγραμμα δείχνει τα συμπληρωμένα δεδομένα, τα οποία επιπλέον περιέχουν το εισαγόμενο bit 0 μετά από έξι μονάδες. Τα έξι περιλαμβάνουν επίσης το τελευταίο bit συγχρονισμού. Μετά από αυτό, τα συμπληρωμένα δεδομένα κωδικοποιούνται χρησιμοποιώντας τη μέθοδο NRZI, λαμβάνοντας υπόψη το πεδίο συγχρονισμού. Ο κανόνας padding απαιτεί να εισαχθεί το bit 0, ακόμα κι αν αυτό το bit είναι το τελευταίο, πριν από το σήμα EOP (τέλος πακέτου).

Εικόνα 7.7. Διάγραμμα χρονισμού βημάτων κωδικοποίησης δεδομένων

Ας ρίξουμε μια ματιά σε μερικές από τις ηλεκτρικές απαιτήσεις του διαύλου USB. Το Σχήμα 7.8 δείχνει ένα σχηματικό σχέδιο ενός συμμετρικού προγράμματος οδήγησης διαύλου USB (προγράμματος οδήγησης) που περιέχει δύο όμοια buffer CMOS.

Εικόνα 7.8. Διαφορικό κύκλωμα διαμορφωτή

Το εξισορροπημένο πρόγραμμα οδήγησης διαφορικού περιέχει δύο αντίθετα πολωμένες εξόδους, D + και D-, με τρεις καταστάσεις για την πραγματοποίηση αμφίδρομης λειτουργίας ημιαμφίδρομης λειτουργίας. Μία από τις εξόδους αντιπροσωπεύει τον επαναλήπτη εισόδου σε προσωρινή μνήμη και η άλλη είναι το συμπλήρωμά του. Αυτές οι έξοδοι συνδέονται με ένα ζεύγος διασταυρούμενων καλωδίων στις εισόδους του διαφορικού δέκτη. Έτσι, τα καλώδια μεταφέρουν δύο σήματα που επηρεάζονται εξίσου από τον θόρυβο κοινής λειτουργίας που εξαλείφεται από τον διαφορικό δέκτη.

Δεδομένου ότι οι έξοδοι του προγράμματος οδήγησης έχουν διαφορετικές πολικότητες, κατά τη μετάδοση δεδομένων με υψηλή συχνότητα, εμφανίζονται ανακλώμενα διπολικά σήματα, τα οποία δεν είναι θόρυβος κοινής λειτουργίας. Επομένως, η πιθανότητα εμφάνισης ανακλώμενων σημάτων στην πλευρά λήψης της διεπαφής θα πρέπει να εξαλειφθεί.

Η εφαρμογή της αρχής της διαφορικής μετάδοσης αυξάνει την ατρωσία του θορύβου και, κατά συνέπεια, επιτρέπει την αύξηση του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων.

Το σχήμα 7.9 δείχνει ένα διάγραμμα των σημάτων στις εξόδους του διαμορφωτή για ρυθμό μετάδοσης 12 Mbit / s (a) και 1,5 Mbit / s (b).

Εικόνα 7.9. Διαγράμματα σημάτων στις εξόδους των διαμορφωτών για ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων 12 Mbit / s (α) και 1,5 Mbit / s (β)

Το θωρακισμένο καλώδιο συνεστραμμένου ζεύγους χρησιμοποιείται στα 12 Mbps και ένα μη θωρακισμένο καλώδιο με ένα μη συνεστραμμένο ζεύγος αγωγών χρησιμοποιείται για 1,5 Mbps. Η σύζευξη πομποδέκτη (PP) με χρήση καλωδίου USB στην περίπτωση μετάδοσης υψηλής ταχύτητας (a) και χαμηλής ταχύτητας (b) φαίνεται στην Εικόνα 7.10.

Από τα διαγράμματα φαίνεται ότι οι συσκευές υψηλής ταχύτητας περιέχουν αντίσταση φορτίου (R H) στη γραμμή D + και χαμηλής ταχύτητας στη γραμμή D, η οποία σας επιτρέπει να προσδιορίσετε τον τύπο της συνδεδεμένης συσκευής USB. Όταν η συσκευή USB δεν οδηγεί τις γραμμές D + και D-, η γραμμή RH έχει τάση περίπου 3V και η άλλη είναι κοντά στα 0V. Αυτή η κατάσταση του διαύλου ονομάζεται παθητική.

Εικόνα 7.10. Σχέδια διεπαφής του κεντρικού υπολογιστή (hub) και του λειτουργικού (hub) για μεταδόσεις υψηλής ταχύτητας (a) και χαμηλής ταχύτητας (b)

Εάν η συσκευή δεν είναι συνδεδεμένη στην κάτω θύρα του κεντρικού υπολογιστή (hub) (ή δεν υπάρχει ρεύμα), τότε η ασύμμετρη ορίζεται και στις δύο γραμμές D + και D-. χαμηλό επίπεδοτάση (0,6V), η οποία χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της κατάστασης αποσύνδεσης ή του μηνύματος λήξης ριπής (EOP). Για μεταδόσεις υψηλής ταχύτητας, η κατάσταση αποσύνδεσης είναι ένα ασύμμετρο μηδέν για 2,5 ms (μονάδες χρόνου 30 bit).

Η επικοινωνία με τη συσκευή θεωρείται ότι έχει δημιουργηθεί εάν η τάση σε μία από τις γραμμές D + (D-) υπερβεί ένα ασύμμετρο υψηλό όριο 1,5 V εντός 2,5 ms.

Δείτε την Εικόνα 7.11 για να προσδιορίσετε εάν μια συσκευή USB είναι αποσυνδεδεμένη και συνδεδεμένη.

Εικόνα 7.11. Διαπίστωση του γεγονότος της αποσύνδεσης (α) και της σύνδεσης της συσκευής USB (β)

Ο συνολικός χρόνος μεταφοράς δεδομένων υπολογίζεται με τον αριθμό των δυαδικών ψηφίων δεδομένων πολλαπλασιασμένο με την περίοδο (T) που καθορίζεται από τον ρυθμό μεταφοράς δεδομένων. Το σχήμα 7.12 δείχνει το διάγραμμα χρονισμού για τις γραμμές διαφορικών δεδομένων D + και D-.

Εικόνα 7.12. Χρονισμός μεταφοράς δεδομένων

Σύμφωνα με τον κώδικα NRZI, το bit 0 προκαλεί εναλλαγή των επιπέδων τάσης και το bit 1 διατηρεί τα αντίστοιχα επίπεδα τάσης στις γραμμές D + και D-. Η διάρκεια του ασύμμετρου μηδενός στο EOP είναι 2T, εξαιρουμένου του χρόνου καθυστέρησης.

Η έναρξη του πακέτου (SOF) καθορίζεται από το πρώτο bit του πεδίου συγχρονισμού όταν η παθητική κατάσταση των γραμμών D + και D- ενεργοποιείται. Οι συσκευές USB υποστηρίζουν τη λειτουργία αναστολής, η οποία προκαλείται από τη διατήρηση της παθητικής κατάστασης των γραμμών D + και D- για περισσότερο από 3 ms.

Η εντολή host μπορεί να ορίσει ένα σήμα επαναφοράς που διαδίδεται σε όλους τους διανομείς και φέρνει τις συνδεδεμένες συσκευές στην αρχική τους κατάσταση. Το σήμα επαναφοράς είναι ένα ασύμμετρο μηδέν που διατηρείται στο δίαυλο για 10 ms.

Ανάλογα με την πηγή κατανάλωσης ενέργειας, διακρίνονται οι ακόλουθοι τύποι συσκευών:

Διανομείς που αντλούν ισχύ από το δίαυλο και παρέχουν ρεύμα σε εσωτερικές λειτουργικές συσκευές και χαμηλότερες θύρες.

Αυτοτροφοδοτούμενοι κόμβοι που σας επιτρέπουν να τροφοδοτείτε πέντε μονάδες, καθεμία από τις οποίες καταναλώνει 100 mA, που είναι το φορτίο της μονάδας.

Συσκευές χαμηλής ισχύος (με φορτίο μίας μονάδας) και υψηλής ισχύος (με φορτίο πέντε μονάδων) που καταναλώνουν ενέργεια από το δίαυλο.

Λειτουργικές συσκευές που διαθέτουν εξωτερικό τροφοδοτικό και φέρουν το φορτίο μιας μονάδας που παρέχεται από το δίαυλο.

Ας ρίξουμε μια ματιά στις μορφές πακέτων που ορίζονται από το πρότυπο διαύλου USB. Γίνεται διάκριση μεταξύ πακέτων ελέγχου ταυτότητας, πληροφοριών και επιβεβαίωσης. Σε κάθε πακέτο προηγείται η μετάδοση ενός πεδίου συγχρονισμού 8 bit. Η μορφή του πακέτου αναγνώρισης φαίνεται στο Σχ. 7.13.

Εικόνα 7.13. Μορφή πακέτου αναγνώρισης

Ακολουθώντας το πεδίο συγχρονισμού για κάθε πακέτο, μεταδίδεται ένα αναγνωριστικό (ID) 8-bit, πρώτο το λιγότερο σημαντικό bit. Τα bit D0-D3 του πεδίου ID καθορίζουν τον τύπο του πακέτου (μορφή και μέθοδος ανίχνευσης σφαλμάτων του αντίστοιχου πακέτου) και τα bit D4-D7 είναι οι αντίστροφες τιμές των λιγότερο σημαντικών τεσσάρων bit και χρησιμεύουν ως πεδίο για έλεγχο τη σωστή μετάδοση του πεδίου ταυτότητας, τα οποία χωρίζονται σε αναγνώριση, πληροφορίες, αναγνώριση και ειδικές.

Χρησιμοποιεί μια διεύθυνση συσκευής 7-bit και έναν αριθμό CT 4-bit για να επιλέξει μια συσκευή και ένα τελικό σημείο (CT). Το πεδίο διεύθυνσης προορίζεται για την εισαγωγή δεδομένων (έξοδο) και τη ρύθμιση αναγνωριστικών. Κατά την επαναφορά ή την απενεργοποίηση, η διεύθυνση της συσκευής ορίζεται στο 0 και στη συνέχεια προγραμματίζεται από τον κεντρικό υπολογιστή. Οι συσκευές χαμηλής ταχύτητας περιέχουν έως και δύο τελικά σημεία και οι συσκευές υψηλής ταχύτητας περιέχουν έως και 16 τελικά σημεία. Το πεδίο διεύθυνσης και οι αριθμοί CT προστατεύονται από έναν κωδικό κυκλικού ελέγχου 5 bit (CCC). Ο κυκλικός έλεγχος πλεονασμού είναι ότι τα bit του πεδίου KCC είναι οι συντελεστές ενός δυαδικού πολυωνύμου (ισοδύναμο 5 bit) και τα byte ελέγχου σφάλματος λαμβάνονται με διαίρεση αυτού του πολυωνύμου με ένα δεδομένο πολυώνυμο 16 bit. Η παρουσία ή η απουσία σφάλματος προσδιορίζεται από τον δυαδικό κώδικα του υπολοίπου.

Το πακέτο πεδίου δεδομένων αποτελείται από ένα πεδίο ID 8 bit, ένα πεδίο δεδομένων (0-1023 byte) και ένα πεδίο KCC 16 bit (Εικόνα 7.14).

Εικόνα 7.14. Μορφή πακέτου δεδομένων

Υπάρχουν δύο πακέτα δεδομένων (Δεδομένα (0) και Δεδομένα (1)) με διαφορετικά αναγνωριστικά που απαιτούνται για τη διατήρηση του σωστού συγχρονισμού. Τα δεδομένα στο πακέτο αντιπροσωπεύονται ως μια ακολουθία byte.

Το πακέτο χειραψίας περιέχει μόνο το πεδίο ID και προορίζεται να επαληθεύσει την επιτυχία της μεταφοράς δεδομένων. Υπάρχουν τρεις τύποι αυτού του πακέτου: ACK (επιβεβαίωση) - το πακέτο δεδομένων ελήφθη χωρίς σφάλματα και το πακέτο ID είναι σωστό (το πακέτο χρησιμοποιείται για μετάδοση δεδομένων). NAK (μη επιβεβαιωμένο) - ένα πακέτο που υποδεικνύει την αδυναμία της συσκευής να λάβει δεδομένα από τον κεντρικό υπολογιστή (προσωρινή αποτυχία) ή η συσκευή δεν έχει δεδομένα για μετάδοση στον κεντρικό υπολογιστή (επιπλέον, το πακέτο χρησιμοποιείται για την αναφορά προσωρινής παύσης στο μετάδοση ή λήψη δεδομένων από τη συσκευή)· Το STALL είναι ένα πακέτο απόκρισης που υποδεικνύει μια μόνιμη αποτυχία και την ανάγκη παρέμβασης από το πρόγραμμα υποδοχής.

Το πακέτο αναγνώρισης SOF (Start of Frame) επιτρέπει στους διανομείς ή τις συσκευές να αναγνωρίζουν την αρχή ενός πλαισίου και να συγχρονίζουν τους εσωτερικούς χρονοδιακόπτες τους με το χρονόμετρο του κεντρικού υπολογιστή. Η μορφή του πακέτου ελέγχου ταυτότητας φαίνεται στην Εικόνα 7.15.

Εικόνα 7.15. Μορφή πακέτου αναγνώρισης

Ένα πλαίσιο αποτελείται από μια σειρά συναλλαγών (ενέργειες λεωφορείου) που ξεκινούν από ένα διακριτικό SOF και συνεχίζονται μέχρι την αρχή του επόμενου διακριτικού SOF. Η συσκευή ή ο διανομέας προσδιορίζει την έναρξη ενός πλαισίου με το αναγνωριστικό πακέτου 8-bit SOF.

Υπάρχουν οι ακόλουθες συναλλαγές: πίνακας δεδομένων, έλεγχος, διακοπή και ισόχρονος τύπος.

Μια συναλλαγή δεδομένων κατά την εισαγωγή δεδομένων σε έναν κεντρικό υπολογιστή αποτελείται από ένα πακέτο ελέγχου ταυτότητας με αίτημα εισαγωγής, ένα πακέτο δεδομένων (Δεδομένα (0/1)) από τη συσκευή και ένα πακέτο επιβεβαίωσης (NAK ή STALL) που αποστέλλεται από τη συσκευή μετά τα δεδομένα . Εάν το πακέτο δεδομένων ληφθεί έγκυρο, τότε ο κεντρικός υπολογιστής απαντά στη συσκευή με ένα πακέτο ACK.

Κατά την εισαγωγή δεδομένων από έναν κεντρικό υπολογιστή σε μια συσκευή, ο κεντρικός υπολογιστής στέλνει ένα πακέτο ελέγχου ταυτότητας με ένα αίτημα εξόδου, ακολουθούμενο από ένα πακέτο δεδομένων. Η συσκευή ανταποκρίνεται στον κεντρικό υπολογιστή με ένα από τα τρία πακέτα χειραψίας (ACK, NAK ή STALL).

Η ακολουθία ενεργειών του κεντρικού υπολογιστή και της συσκευής κατά τη μεταφορά συστοιχιών δεδομένων φαίνεται στην Εικόνα 7.16.

Εικόνα 7.16. Ακολουθία κεντρικού υπολογιστή και συσκευής

Το Σχήμα 7.17 δείχνει την ακολουθία των αναγνωριστικών κατά την εγγραφή και την ανάγνωση ενός πίνακα δεδομένων.

Εικόνα 7.17. Ακολουθία αναγνωριστικών κατά την εγγραφή και την ανάγνωση ενός πίνακα δεδομένων

Για να συγχρονιστούν τα στοιχεία του διαύλου USB, τα πακέτα με το αναγνωριστικό δεδομένων (0) και τα πακέτα με το αναγνωριστικό δεδομένων (1) παρεμβάλλονται. Η εναλλαγή πακέτων δεδομένων στον πομπό πραγματοποιείται μετά τη λήψη του πακέτου ACK και στον δέκτη - μετά τη λήψη του επόμενου πακέτου.

Οι μεταβάσεις ελέγχου περιέχουν δύο στάδια: Εγκατάσταση και Κατάσταση, μεταξύ των οποίων μπορεί να υπάρχει ένα στάδιο πληροφοριών. Κατά τη φάση εγκατάστασης, μόνο δεδομένα με τη μορφή του πεδίου Data ID (0) μεταφέρονται στο τελικό σημείο ελέγχου της συσκευής.

Η συναλλαγή Install φαίνεται στο Σχήμα 7.18.

Εικόνα 7.18. Εγκατάσταση συναλλαγής

Το ACK δεν εκδίδεται εάν τα δεδομένα δεν είναι έγκυρα. Εάν υπάρχει στάδιο δεδομένων, μεταφέρονται προς μία κατεύθυνση σύμφωνα με τις απαιτήσεις του πρωτοκόλλου. Αυτό το στάδιο μπορεί να αποτελείται από πολλές συναλλαγές εισόδου και εξόδου και το μέγεθος του πίνακα δεδομένων καθορίζεται στο πακέτο εγκατάστασης.

Το State Stage είναι το τελευταίο στην ακολουθία που εξετάζουμε και χρησιμοποιεί το αναγνωριστικό Data 0.

Το σχήμα 7.19 δείχνει τη σειρά των συναλλαγών και των αναγνωριστικών δεδομένων για έλεγχο ανάγνωσης ή εγγραφής.

Εικόνα 7.19. Ακολουθία συναλλαγών και αναγνωριστικό δεδομένων

Στο στάδιο Κατάσταση, οι ακόλουθες πληροφορίες μεταδίδονται από τη συσκευή στον κεντρικό υπολογιστή: η συσκευή έχει ολοκληρώσει την εργασία (ACK), η συσκευή δεν περιέχει σφάλματα (STALL) και η συσκευή είναι κατειλημμένη (NACK).

Οι συναλλαγές διακοπής περιέχουν αναγνωριστικά εισόδου. Το σχήμα 7.20 δείχνει τη σειρά των συναλλαγών διακοπής.

Εικόνα 7.20. Διακοπή ακολουθιών συναλλαγών

Εάν η συσκευή λάβει ένα αναγνωριστικό εισόδου, τότε εκδίδει τα δεδομένα διακοπής με τη μορφή πακέτου και λαμβάνει ένα ACK ή στέλνει ένα NACK / STALL. Ένα πακέτο NAK αποστέλλεται από μια συσκευή όταν δεν περιέχει πληροφορίες για μια νέα διακοπή και ένα πακέτο STALL αποστέλλεται από μια συσκευή εάν έχει προσωρινά ανασταλεί η λειτουργία της.

Οι ισόχρονες συναλλαγές δεν έχουν στάδιο επιβεβαίωσης. Το σχήμα 7.21 δείχνει τα στάδια των ισόχρονων συναλλαγών.

Εικόνα 7.21. Ισόχρονα στάδια συναλλαγής

Όταν εκτελείται η ισόχρονη λειτουργία, τα πακέτα δεδομένων με τα αντίστοιχα αναγνωριστικά αλλάζουν με τη σειρά τους, δηλ. Ακολουθεί πρώτο το πακέτο δεδομένων Data (0) και ακολουθεί το πακέτο δεδομένων (1) και ούτω καθεξής.

Προηγούμενος

Πρότυπα USB 1.1 και 2.0

Ο Universal Serial Bus (USB) είναι μια άλλη σειριακή διεπαφή. Δεδομένου ότι είναι η πιο δημοφιλής σειριακή διεπαφή, αξίζει το δικό της κεφάλαιο.

Ο δίαυλος USB επιτρέπει σειριακή σύνδεση έως και 127 συσκευών (μπορείτε να συνδέσετε μια συσκευή σε μια συσκευή εάν ο κατασκευαστής της συσκευής έχει παράσχει αυτήν τη δυνατότητα). Όπως και στην περίπτωση του IEEE, υποστηρίζεται η hot-plugging / plugging συσκευών, δηλαδή δεν χρειάζεται να απενεργοποιήσετε τον υπολογιστή για να συνδέσετε / αποσυνδέσετε μια συσκευή. Επιπλέον, όπως και με το IEEE, οι συσκευές μπορούν να τροφοδοτούνται μέσω USB, εξαλείφοντας την ανάγκη για επιπλέον τροφοδοτικά.

Ο δίαυλος USB εμφανίστηκε τον Ιανουάριο του 1996 - τότε ανακοινώθηκε η έκδοση USB 1.0. Δύο χρόνια αργότερα, το 1998, εμφανίστηκε ο δίαυλος USB 1.1. Σχεδόν όλες οι συσκευές της έκδοσης 1.0 είναι συμβατές με USB 1.1 και αντίστροφα - υπήρξαν απλώς μικρές αλλαγές.

Ο δίαυλος USB 2.0 εμφανίστηκε το 2003. Είναι συμβατό με τις εκδόσεις 1.0 και 1.1. Αυτό σημαίνει ότι μπορείτε να συνδέσετε συσκευές έκδοσης 1.0 και 1.1 στο δίαυλο USB 2.0. Είναι πολύ εύκολο να προσδιορίσετε την έκδοση της συσκευής - από το λογότυπο USB. Στο σχ. Το 10.1 δείχνει το λογότυπο των εκδόσεων USB 1.0 και 1.1 (τώρα η έκδοση 1.1 της συσκευής είναι πιο κοινή) και στην εικ. 10.2 - Λογότυπο USB 2.0.

Ρύζι. 10.1. Λογότυπο USB 1.1: παλιό (αριστερά) και νέο (δεξιά)

Ρύζι. 10.2. Λογότυπο USB 2.0

ΠροδιαγραφέςΟι δίαυλοι USB 1.1 φαίνονται στον πίνακα. 10.1.
// - Πίνακας 10.1. Προδιαγραφές διαύλου USB1.1 - //


Λάβετε υπόψη ότι ο δίαυλος USB 1.1 μπορεί να λειτουργήσει σε δύο λειτουργίες: χαμηλή ταχύτητα και υψηλή ταχύτητα. Στο πρώτο, η συναλλαγματική ισοτιμία είναι 1,5 Mbit / s, στο δεύτερο - 12 Mbit / s.
Οι προδιαγραφές για το δίαυλο USB 2.0 είναι σχεδόν οι ίδιες, αλλά υπάρχουν τρεις λειτουργίες ταχύτητας για το USB 2.0:
Χαμηλή ταχύτητα (ταχύτητα 10-1500 Kbps) - για συσκευές εισόδου (πληκτρολόγιο, ποντίκι, joysticks).
Πλήρης ταχύτητα (0,5–12 Mbit / s) - διάφορες συσκευές μέσης ταχύτητας.
Υψηλή ταχύτητα (5-480 Mbit / s) - φορείς δεδομένων, συσκευές βίντεο.

Σύνδεση συσκευών USB

Στο πίσω μέρος της μονάδας συστήματος, μπορείτε συνήθως να βρείτε τέσσερις θύρες USB (μερικές φορές 6 ή και 8). Αυτές οι θύρες (Εικόνα 10.3) ανήκουν σε κεντρικούς διανομείς USB. Κάθε Root Hub έχει δύο θύρες USB. Επομένως, εάν έχετε τέσσερις θύρες USB στη μητρική πλακέτα, τότε υπάρχουν δύο διανομείς ρίζας στο σύστημα, εάν υπάρχουν οκτώ θύρες, τότε υπάρχουν τέσσερις διανομείς ρίζας στο σύστημα.

//-- Ρύζι. 10.3. Θύρες USB - //
Ανοίξτε τη Διαχείριση Συσκευών (για να το κάνετε αυτό, εκτελέστε την εντολή Έναρξη, Ρυθμίσεις, Πίνακας Ελέγχου, Σύστημα, μεταβείτε στην καρτέλα Υλικό και κάντε κλικ στο κουμπί Διαχείριση Συσκευών). Στο παράθυρο Διαχείριση Συσκευών, αναπτύξτε την ομάδα Ελεγκτές ενιαίου σειριακού διαύλου (Εικόνα 10.4).

//-- Ρύζι. 10.4. Διαχειριστή της συσκευής --//
Κάντε δεξί κλικ σε οποιοδήποτε κεντρικό διανομέα και επιλέξτε Ιδιότητες. Στο παράθυρο που εμφανίζεται, μεταβείτε στην καρτέλα Power. Θα δείτε τις ακόλουθες πληροφορίες (Εικόνα 10.5):
Ο τύπος ισχύος του διανομέα είναι ο κεντρικός μας κόμβος, επομένως έχει τη δική του ισχύ.
πληροφορίες για τις συσκευές που είναι συνδεδεμένες στις θύρες του διανομέα και για την τροφοδοσία τους - στην περίπτωσή μας, είναι συνδεδεμένη μία συσκευή και απαιτεί τροφοδοσία 100 mA. Το μέγιστο που μπορεί να μεταδώσει ο διανομέας μας έως και 500 mA ανά θύρα.
αριθμός ελεύθερων θυρών - ο κεντρικός διανομέας έχει μόνο δύο θύρες, η μία από αυτές είναι απασχολημένη (μια συσκευή αποθήκευσης είναι συνδεδεμένη - ένας δίσκος USB), επομένως μια θύρα είναι δωρεάν.

//-- Ρύζι. 10.5. Λεπτομέρειες κέντρου - //
Εάν έχετε μόνο δύο διανομείς και μπορείτε να συνδέσετε μόνο δύο συσκευές στον καθένα, τότε πώς, ρωτάτε, μπορείτε να συνδέσετε έως και 127 συσκευές USB στον υπολογιστή σας; Αρχικά, μπορείτε να συνδέσετε πρόσθετους διανομείς USB στις θύρες του διανομέα ρίζας (Εικόνα 10.6). Ένας διανομέας USB συνδέεται σε μια θύρα USB, αλλά αντ' αυτού παρέχει τουλάχιστον τρεις δωρεάν θύρες USB. Υπάρχουν δύο τύποι διανομέων USB: αυτοτροφοδοτούμενοι και τροφοδοτούμενοι από τη γονική θύρα. Καλύτερα να αγοράσετε κόμβους με δικό τους τροφοδοτικό. Γιατί; Όπως γνωρίζουμε, μεταδίδεται μέγιστο ρεύμα 500 mA ανά θύρα. Θα απαιτηθούν 100 mA για την τροφοδοσία του ίδιου του διανομέα, επομένως θα απομένουν 400 mA για τις συσκευές. Αποδεικνύεται ότι δεν θα μπορείτε πλέον να συνδέσετε καμία ισχυρή συσκευή USB σε κάθε θύρα ενός τέτοιου διανομέα, αλλά θα μπορείτε να συνδέσετε συσκευές όπως δίσκους USB που χρειάζονται μόνο 100 mA.

//-- Ρύζι. 10.6. Διανομέας USB - //
Εάν ο διανομέας έχει τη δική του τροφοδοσία, τότε θα είναι δυνατή η παροχή 500 mA για κάθε θύρα, δηλαδή, οι θύρες USB θα είναι πλήρεις, όπως στους διανομείς root.
Επιπλέον, ορισμένες συσκευές, όπως ένα πληκτρολόγιο, μπορούν να λειτουργήσουν ως διανομέας USB (αυτές οι συσκευές πρέπει να είναι συσκευές USB). Συνδέετε το πληκτρολόγιο σε μια θύρα USB και μπορείτε να συνδέσετε περισσότερες συσκευές σε αυτό. Συνήθως, στο πληκτρολόγιο συνδέονται ποντίκια USB και μερικές φορές δίσκοι USB. Είναι σαφές ότι αυτές οι συσκευές δεν πρέπει να είναι "λαίμαργος", αφού συνολικά τα ίδια 500 mA τροφοδοτούνται στη θύρα? 100 mA πηγαίνουν στην τροφοδοσία του πληκτρολογίου και το υπόλοιπο μοιράζεται μεταξύ των συσκευών που είναι συνδεδεμένες στο πληκτρολόγιο. Λαμβάνοντας υπόψη μια τέτοια ιεραρχική σύνδεση συσκευών, είναι εύκολο να φανταστεί κανείς μόνο 127 συσκευές συνδεδεμένες σε έναν υπολογιστή. Δεν είναι 63.000, όπως συμβαίνει με το IEEE-1394!
Τώρα σχετικά με τις υποδοχές USB. Οι υποδοχές στο πίσω μέρος της μονάδας συστήματος (οι πιο συνηθισμένες υποδοχές USB) καλούνται Τύπος USB A. Καλώδιο για βύσμα τύπου Α φαίνεται στην εικ. 10.7.

//-- Ρύζι. 10.7. Καλώδιο τύπου Α - //
Ο σύνδεσμος και το καλώδιο τύπου Β φαίνονται στο σχ. 10.8. Συνήθως χρησιμοποιείται βύσμα τύπου Β σε περιφερειακές συσκευές (εκτυπωτές, σαρωτές). Το καλώδιο USB για τη σύνδεση περιφερειακής συσκευής σε υπολογιστή (Εικ. 10.9) είναι εξοπλισμένο με βύσμα τύπου Β (για σύνδεση σε εκτυπωτή / σαρωτή) και υποδοχή τύπου Α (για σύνδεση σε υπολογιστή).

//-- Ρύζι. 10.8. Σύνδεσμος (θηλυκό) και καλώδιο τύπου Β - //
//-- Ρύζι. 10.9. Καλώδιο εκτυπωτή USB - //
Εκτός από τις υποδοχές τύπου Α και Β, υπάρχει και ένας mini-connector, ο οποίος ονομάζεται mini-USB (Εικ.10.10). Συνήθως χρησιμοποιείται για τη σύνδεση καλωδίου USB σε ψηφιακή κάμερα, κινητό τηλέφωνο. Σε αυτήν την περίπτωση, το ένα άκρο του καλωδίου είναι mini-USB και το άλλο είναι τύπου Α.

//-- Ρύζι. 10.10. Καλώδιο mini-USB - //

Αναβάθμιση παλιών υπολογιστών

Οι παλαιότεροι υπολογιστές δεν διαθέτουν θύρες USB, αλλά μπορείτε να εγκαταστήσετε έναν ελεγκτή USB σχεδιασμένο ως κάρτα επέκτασης PCI (Εικόνα 10.11) ή ως κάρτα υπολογιστή (για φορητούς υπολογιστές). Όταν αγοράζετε έναν ελεγκτή, βεβαιωθείτε ότι υποστηρίζει USB 2.0 (Εικ. 10.12) - εάν είναι εγκατεστημένο, τότε το νεότερο.

//-- Ρύζι. 10.11. Ελεγκτής USB σε μορφή πλακέτας PCI (4 θύρες USB) - //

//-- Ρύζι. 10.12. Κάρτα υπολογιστή διπλής θύρας (Προσθέτει υποστήριξη USB σε παλιό φορητό υπολογιστή) - //
Μερικές φορές ο υπολογιστής δεν είναι πολύ παλιός - υπάρχει υποστήριξη USB, αλλά έκδοση 1.1, αλλά πρέπει να συνδέσετε μια συσκευή USB 2.0. Σε αυτή την περίπτωση, ένας ελεγκτής PCI θα βοηθήσει επίσης. Επαναλαμβάνω για άλλη μια φορά: κατά την αγορά, πρέπει να βεβαιωθείτε ότι αγοράζετε ακριβώς τον ελεγκτή USB 2.0.

Επί του παρόντος, το πρότυπο USB 3.0 δεν έχει ακόμη υιοθετηθεί, αλλά βρίσκεται ήδη υπό ανάπτυξη. Υποτίθεται ότι μεταδίδει σήματα χρησιμοποιώντας ένα καλώδιο οπτικών ινών. Το USB 3.0 θα είναι συμβατό με τις εκδόσεις 2.0 και 1.1.
Οι ακόλουθες εταιρείες εργάζονται επί του παρόντος για τη δημιουργία του USB 3.0: Intel, Microsoft, Hewlett-Packard, Texas Instruments, NEC και NXP Semiconductors. Προγραμματισμένη ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων (αιχμή) - 4,8 Gbps.

Το σύστημά σας υποστηρίζει USB

Φαίνεται ότι εάν υπάρχουν θύρες USB, τότε θα πρέπει να υπάρχει και υποστήριξη USB. Αλλά αυτό δεν συμβαίνει πάντα. Για παράδειγμα, τα Windows 2000 και τα Windows XP SP1 δεν διαθέτουν πρόγραμμα οδήγησης USB 2.0. Ακόμα κι αν έχετε ελεγκτή USB 2.0, χωρίς να εγκαταστήσετε πρόγραμμα οδήγησης για USB 2.0, ο δίαυλος USB θα λειτουργεί ως USB 1.1.
Κάντε λήψη του προγράμματος USB Ready στη διεύθυνση http://www.usb.org/about/ faq / ans3 / usbready.exe, το οποίο θα ελέγξει το σύστημά σας για υποστήριξη USB (Εικόνα 10.13).

//-- Ρύζι. 10.13. Πρόγραμμα έτοιμο για USB - //
Τι πρέπει να κάνουν όσοι διαθέτουν νέο ελεγκτή USB; Υπάρχουν πολλές επιλογές:
εγκαταστήστε μια νέα έκδοση του λειτουργικού συστήματος - Windows Vista, αλλά δεν είναι φθηνή.
αναβάθμιση της έκδοσης του λειτουργικού συστήματος σε Windows XP SP2. εγκαταστήστε το πρόγραμμα οδήγησης USB 2.0.

Δεν θέλετε πάντα να επανεγκαθιστάτε ένα σύστημα που λειτουργεί καλά. Μετά θα ψάξουμε για οδηγό. Μερικές φορές συνοδεύεται από τη μητρική πλακέτα - τότε είστε τυχεροί. Αν όμως δεν περιλαμβάνεται στο κιτ, τότε θα το αναζητήσουμε στο Διαδίκτυο. Το πιο ενδιαφέρον είναι ότι δεν υπάρχει πλέον στον ιστότοπο της Microsoft. Βρήκα το πρόγραμμα οδήγησης που χρειαζόμουν στο softodrom.ru:
http://soft.softodrom.ru/ap/p4515.shtml.
Εάν μέχρι να εξαντληθεί το βιβλίο, δεν υπάρχει πλέον, επικοινωνήστε μαζί μου - θα το μοιραστώ μαζί σας.

Η πρώτη προδιαγραφή USB (έκδοση 1.0) δημοσιεύτηκε στις αρχές του 1996 και η προδιαγραφή 1.1 εμφανίστηκε το φθινόπωρο του 1998, διορθώνοντας τα προβλήματα που εντοπίστηκαν στην πρώτη έκδοση. Την άνοιξη του 2000 δημοσιεύτηκε η έκδοση 2.0, η οποία προέβλεπε 40πλάσια αύξηση του εύρους ζώνης διαύλου. Έτσι, οι προδιαγραφές 1.0 και 1.1 παρέχουν λειτουργία με ταχύτητες 12 Mbit / s και 1,5 Mbit / s και η προδιαγραφή 2.0 - σε ταχύτητες 480 Mbit / s. Αυτό παρέχει συμβατότητα προς τα πίσω του USB 2.0 με το USB 1.x.

Η τελική προδιαγραφή USB 3.0 εμφανίστηκε το 2008. Το USB 3.0 δημιουργήθηκε από τις Intel, Microsoft, Hewlett-Packard, Texas Instruments, NEC κ.λπ. NXP Semiconductors Στην προδιαγραφή USB 3.0, οι ενημερωμένες τυπικές υποδοχές και τα καλώδια είναι φυσικά και λειτουργικά συμβατά με το USB 2.0. Εκτός από τις τέσσερις γραμμές USB 2.0, το USB 3.0 προσθέτει τέσσερις ακόμη γραμμές επικοινωνίας (δύο συνεστραμμένα ζεύγη). Οι νέες επαφές στις υποδοχές USB 3.0 βρίσκονται χωριστά από τις παλιές σε διαφορετική σειρά επαφών. Η προδιαγραφή USB 3.0 αυξάνει τη μέγιστη ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων στα 4,8 Gb / s, επομένως, η ταχύτητα μεταφοράς αυξάνεται από 60 MB / s σε 600 MB / s και σας επιτρέπει να μεταφέρετε 1 TB όχι σε 8-10 ώρες, αλλά σε 40 λεπτά -1 ώρα. Η έκδοση 3.0 διαθέτει επίσης αυξημένη ισχύ ρεύματος από 500 mA έως 900 mA, έτσι ώστε ο χρήστης να μπορεί όχι μόνο να τροφοδοτεί περισσότερες συσκευές από έναν διανομέα, αλλά και οι ίδιες οι συσκευές σε πολλές περιπτώσεις θα μπορούν να απαλλαγούν από ξεχωριστά τροφοδοτικά.

Κοινή αρχιτεκτονική USB

Η φυσική αρχιτεκτονική του USB διέπεται από τους ακόλουθους κανόνες:

• συσκευές συνδέονται με τον κεντρικό υπολογιστή?
• Η φυσική σύνδεση των συσκευών μεταξύ τους πραγματοποιείται σύμφωνα με την τοπολογία ενός αστεριού πολλαπλών επιπέδων, η κορυφή του οποίου είναι ο κεντρικός κόμβος.
• το κέντρο κάθε αστεριού είναι ένας κόμβος.
• κάθε τμήμα καλωδίου συνδέει δύο σημεία μεταξύ τους: κεντρικός υπολογιστής σε διανομέα ή λειτουργία , έναν κόμβο με μια λειτουργία ή άλλο διανομέα.
• Μια περιφερειακή συσκευή USB ή άλλος διανομέας μπορεί να συνδεθεί σε κάθε θύρα του διανομέα, ενώ επιτρέπονται έως και 5 επίπεδα διαδοχής διανομέων, χωρίς να υπολογίζεται η ρίζα.

Το ανώτατο επίπεδο είναι ο κεντρικός διανομέας, ο οποίος είναι συνήθως κοινόχρηστος με τον ελεγκτή USB.

Είτε συσκευές είτε άλλοι διανομείς μπορούν να συνδεθούν στο κεντρικό διανομέα για να αυξηθεί ο αριθμός των διαθέσιμων θυρών. Ο συγκεντρωτής μπορεί να κατασκευαστεί ως ξεχωριστή συσκευή, ή να ενσωματωθεί σε κάποια άλλη, δηλ. Οι συσκευές USB μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως λειτουργικές συσκευές, π.χ. αυτές που εκτελούν μια συγκεκριμένη λειτουργία (για παράδειγμα, ποντίκια), συσκευές διανομέα που εκτελούν μόνο μια λειτουργία fanout και συσκευές που βρίσκονται μαζί που περιλαμβάνουν έναν διανομέα που επεκτείνει το σύνολο των θυρών (για παράδειγμα, οθόνες με θύρες για τη σύνδεση άλλων).

Στο πέμπτο επίπεδο, η σύνθετη συσκευή δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Επιπλέον, αξίζει να αναφέρουμε ξεχωριστά τον κεντρικό υπολογιστή, ο οποίος είναι περισσότερο ένα σύμπλεγμα λογισμικού και υλικού παρά απλώς μια συσκευή.

Οι λεπτομέρειες της φυσικής αρχιτεκτονικής είναι κρυμμένες από τα προγράμματα εφαρμογής στο λογισμικό συστήματος (λογισμικό), έτσι η λογική αρχιτεκτονική μοιάζει με ένα κανονικό αστέρι, με το λογισμικό εφαρμογής στο κέντρο του και ένα σύνολο τελικών σημείων ως κορυφές. Η εφαρμογή επικοινωνεί με κάθε τελικό σημείο.

Εξαρτήματα USB

Ο δίαυλος USB αποτελείται από τα ακόλουθα στοιχεία:

Ιδιότητες συσκευής USB

• διευθυνσιοδότηση - η συσκευή πρέπει να ανταποκρίνεται στη μοναδική διεύθυνση που της έχει εκχωρηθεί και μόνο σε αυτήν.
• διαμόρφωση - μετά την ενεργοποίηση ή την επαναφορά, η συσκευή πρέπει να παρέχει μηδενική διεύθυνση για να μπορεί να διαμορφώσει τις θύρες της.
• μεταφορά δεδομένων - η συσκευή διαθέτει ένα σύνολο τελικών σημείων για την επικοινωνία με τον κεντρικό υπολογιστή. Για τελικά σημεία που δέχονται διαφορετικούς τύπους μεταφοράς, μόνο ένα από αυτά είναι διαθέσιμο μετά τη διαμόρφωση.
• διαχείριση ενέργειας - οποιαδήποτε συσκευή όταν είναι συνδεδεμένη δεν πρέπει να αντλεί ρεύμα από το bus πάνω από 100 mA. Κατά τη διαμόρφωση, η συσκευή δηλώνει τις τρέχουσες απαιτήσεις της, αλλά όχι περισσότερο από 500 mA. Εάν ο διανομέας δεν μπορεί να παρέχει στη συσκευή το δηλωμένο ρεύμα, η συσκευή δεν θα χρησιμοποιηθεί.
• αναστολή - Η συσκευή USB πρέπει να υποστηρίζει τη λειτουργία αναστολής έτσι ώστε η τρέχουσα κατανάλωσή της να μην υπερβαίνει τα 500 μA. Η συσκευή USB θα πρέπει να διακόπτεται αυτόματα όταν το bus δεν είναι πλέον ενεργό.
• απομακρυσμένη αφύπνιση - Η δυνατότητα απομακρυσμένης αφύπνισης επιτρέπει σε μια συσκευή USB σε αναστολή να σηματοδοτεί έναν κεντρικό υπολογιστή, ο οποίος μπορεί επίσης να βρίσκεται σε κατάσταση αναστολής. Η δυνατότητα απομακρυσμένης αφύπνισης περιγράφεται στη διαμόρφωση της συσκευής USB. Αυτή η λειτουργία μπορεί να απενεργοποιηθεί κατά τη διαμόρφωση.

Λογικά επίπεδα ανταλλαγής δεδομένων

Η προδιαγραφή USB ορίζει τρία λογικό επίπεδομε ορισμένους κανόνες αλληλεπίδρασης. Η συσκευή USB περιέχει διεπαφή, λογικά και λειτουργικά μέρη. Ο κεντρικός υπολογιστής χωρίζεται επίσης σε τρία μέρη - διεπαφή, σύστημα και λογισμικό. Κάθε τμήμα είναι υπεύθυνο μόνο για ένα συγκεκριμένο φάσμα εργασιών.

Έτσι, η λειτουργία ανταλλαγής δεδομένων μεταξύ του προγράμματος εφαρμογής και του διαύλου USB πραγματοποιείται περνώντας buffer μνήμης από τα ακόλουθα επίπεδα:

• επίπεδο λογισμικού πελάτη στον κεντρικό υπολογιστή:
  • συνήθως αντιπροσωπεύεται από ένα πρόγραμμα οδήγησης συσκευής USB.
  • παρέχει αλληλεπίδραση χρήστη με το λειτουργικό σύστημα αφενός και το πρόγραμμα οδήγησης συστήματος αφετέρου.
• επίπεδο συστήματος Πρόγραμμα οδήγησης USBστον κεντρικό υπολογιστή (USB, Universal Serial Bus Driver):
  • ελέγχει την αρίθμηση των συσκευών στο λεωφορείο.
  • ελέγχει την κατανομή του εύρους ζώνης του διαύλου και της τροφοδοσίας.
  • χειρίζεται αιτήματα από προσαρμοσμένα προγράμματα οδήγησης·
• Επίπεδο προγράμματος οδήγησης ελεγκτή κεντρικού υπολογιστή (HCD):
  • μετατρέπει τις αιτήσεις εισόδου/εξόδου σε δομές δεδομένων στις οποίες εκτελούνται φυσικές συναλλαγές.
  • λειτουργεί με καταχωρητές κεντρικού υπολογιστή.

Σχέση μεταξύ λογισμικού πελάτη και συσκευών USB: Το USB παρέχει μια διεπαφή προγραμματισμού και μόνο αυτή για αλληλεπίδραση, επιτρέποντας στο λογισμικό πελάτη να υπάρχει μεμονωμένα από μια συγκεκριμένη συσκευή συνδεδεμένη στο δίαυλο και τη διαμόρφωσή του. Για πελάτη Προγράμματα USBείναι απλώς ένα σύνολο λειτουργιών.

Η αλληλεπίδραση των στοιχείων USB φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα:

Η υπό εξέταση δομή περιλαμβάνει τα ακόλουθα στοιχεία:

Φυσική συσκευή USB- μια συσκευή στο δίαυλο που εκτελεί λειτουργίες που ενδιαφέρουν τον τελικό χρήστη.

Πελάτης SW- Λογισμικό για συγκεκριμένη συσκευή που εκτελείται στον κεντρικό υπολογιστή. Μπορεί μέρος τουΛΣ ή ειδικό προϊόν.

Σύστημα USB SW- Υποστήριξη συστήματος USB, ανεξάρτητα από συγκεκριμένες συσκευές και λογισμικό πελάτη.

Ελεγκτής κεντρικού υπολογιστή USB- υλικό και λογισμικό για τη σύνδεση συσκευών USB στον κεντρικό υπολογιστή.

Αρχές μεταφοράς δεδομένων

Ο μηχανισμός μεταφοράς δεδομένων είναι ασύγχρονος και βασίζεται σε μπλοκ. Το μπλοκ των μεταδιδόμενων δεδομένων ονομάζεται Πλαίσιο USBή Πλαίσιο USBκαι μεταδίδεται σε σταθερό χρονικό διάστημα. Η λειτουργία των εντολών και των μπλοκ δεδομένων υλοποιείται χρησιμοποιώντας μια λογική αφαίρεση που ονομάζεται Κανάλι.Ένα κανάλι είναι μια λογική σύνδεση μεταξύ ενός κεντρικού υπολογιστή και ενός τερματικού σημείου εξωτερικής συσκευής.

Για τη μετάδοση εντολών (και δεδομένων που περιλαμβάνονται στις εντολές), χρησιμοποιείται το προεπιλεγμένο κανάλι και για τη μετάδοση δεδομένων, είτε ροής κανάλια,ή κανάλια μηνυμάτων.

Η ροή μεταφέρει δεδομένα από τη μια άκρη του καναλιού στην άλλη, είναι πάντα μονής κατεύθυνσης. Ο ίδιος αριθμός τελικού σημείου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για δύο κανάλια ροής, εισόδου και εξόδου. Ένα ρεύμα μπορεί να υλοποιήσει τους ακόλουθους τύπους ανταλλαγής: συνεχής, ισόχρονος και διακόπτης. Η παράδοση γίνεται πάντα με σειρά first-in-first-out (FIFO). από την άποψη USB, τα δεδομένα ροής δεν είναι δομημένα. Τα μηνύματα έχουν τη μορφή που ορίζεται από την προδιαγραφή USB. Ο κεντρικός υπολογιστής στέλνει ένα αίτημα στο τελικό σημείο, ακολουθούμενο από ένα πακέτο μηνύματος (λήφθηκε), ακολουθούμενο από ένα πακέτο πληροφοριών κατάστασης τελικού σημείου. Ένα επόμενο μήνυμα κανονικά δεν μπορεί να σταλεί πριν από την επεξεργασία του προηγούμενου, αλλά κατά τον χειρισμό σφαλμάτων, είναι δυνατή η απόρριψη των μη χειρισμένων μηνυμάτων. Τα αμφίδρομα μηνύματα απευθύνονται στο ίδιο τελικό σημείο. Για την παράδοση μηνυμάτων χρησιμοποιείται μόνο η ανταλλαγή ελέγχου.

Τα κανάλια συνδέονται με χαρακτηριστικά που αντιστοιχούν στο τελικό σημείο. Τα κανάλια οργανώνονται κατά τη διαμόρφωση συσκευών USB. Για κάθε συσκευή που είναι ενεργοποιημένη, υπάρχει ένα κανάλι μηνυμάτων (Control Pipe 0) που μεταφέρει πληροφορίες διαμόρφωσης, ελέγχου και κατάστασης.

Οποιαδήποτε ανταλλαγή στο δίαυλο USB ξεκινά από τον κεντρικό ελεγκτή. Οργανώνει ανταλλαγές με συσκευές σύμφωνα με το σχέδιο κατανομής πόρων.

Ο ελεγκτής κυκλικά (με περίοδο 1,0 ± 0,0005 ms) σχηματίζει πλαίσια (πλαίσια) στα οποία χωρούν όλες οι προγραμματισμένες μεταδόσεις.

Κάθε πλαίσιο ξεκινά με την αποστολή ενός πακέτου δείκτη Start Of Frame (SOF), το οποίο είναι ένα σήμα ρολογιού για όλες τις συσκευές, συμπεριλαμβανομένων των διανομέων. Στο τέλος κάθε καρέ, εκχωρείται ένα χρονικό διάστημα EOF (End Of Frame), κατά το οποίο οι διανομείς απαγορεύουν τη μετάδοση προς τον ελεγκτή. Εάν ο διανομέας εντοπίσει ότι τα δεδομένα μεταδίδονται από κάποια θύρα αυτήν τη στιγμή, αυτή η θύρα απενεργοποιείται.

Στη λειτουργία μετάδοσης υψηλής ταχύτητας, τα πακέτα SOF μεταδίδονται στην αρχή κάθε μικροπλαισίου (περίοδος 125 ± 0,0625 µs).

Ο κεντρικός υπολογιστής προγραμματίζει τη λήψη των καρέ έτσι ώστε να υπάρχει πάντα χώρος για τις μεταδόσεις υψηλότερης προτεραιότητας σε αυτά, και ελεύθερο μέροςΤα πλαίσια είναι γεμάτα με μεταδόσεις χαμηλής προτεραιότητας μεγάλων ποσοτήτων δεδομένων. Η προδιαγραφή USB επιτρέπει τον δανεισμό έως και 90% του εύρους ζώνης του διαύλου για περιοδικές συναλλαγές (ισόχρονες και διακοπές).

Κάθε πλαίσιο έχει τον δικό του αριθμό. Ο κεντρικός ελεγκτής λειτουργεί με μετρητή 32 bit, αλλά μόνο τα λιγότερο σημαντικά 11 bit μεταδίδονται στο διακριτικό SOF. Ο αριθμός μπλοκ αυξάνεται κυκλικά κατά τον ΕΟΦ.

Ο συγχρονισμός συσκευών και ελεγκτής είναι σημαντικός για την ισόχρονη μεταφορά. Υπάρχουν τρεις επιλογές συγχρονισμού:

• συγχρονισμός της εσωτερικής γεννήτριας της συσκευής με δείκτες SOF.
• προσαρμογή του ρυθμού καρέ στη συχνότητα της συσκευής.
• αντιστοίχιση του ρυθμού μετάδοσης (λήψης) της συσκευής με τον ρυθμό καρέ.

Μπορούν να πραγματοποιηθούν αρκετές συναλλαγές σε κάθε πλαίσιο, ο επιτρεπόμενος αριθμός τους εξαρτάται από την ταχύτητα, το μήκος του πεδίου δεδομένων καθενός από αυτές, καθώς και από τις καθυστερήσεις που εισάγονται από καλώδια, διανομείς και συσκευές. Όλες οι συναλλαγές πλαισίου πρέπει να έχουν ολοκληρωθεί πριν την ώρα ΕΟΦ. Ο ρυθμός καρέ μπορεί να μεταβληθεί ελαφρώς χρησιμοποιώντας έναν ειδικό καταχωρητή στον κεντρικό ελεγκτή, ο οποίος επιτρέπει την προσαρμογή του ρυθμού για ισόχρονες μεταφορές. Ο ρυθμός καρέ του ελεγκτή μπορεί να ρυθμιστεί στην εσωτερική συχνότητα ρολογιού μόνο μιας συσκευής.

Οι πληροφορίες για το κανάλι μεταδίδονται με τη μορφή πακέτων (Packet). Κάθε πακέτο ξεκινά με ένα πεδίο SYNC (SYNChronization) ακολουθούμενο από ένα PID (Packet IDentifier). Το πεδίο Έλεγχος είναι το αντίστροφο bit του PID.

Η δομή δεδομένων ενός πακέτου εξαρτάται από την ομάδα στην οποία ανήκει.

1. Το λογισμικό πελάτη στέλνει αιτήματα IPR στο επίπεδο USBD.

2. Το πρόγραμμα οδήγησης USBD χωρίζει τα αιτήματα σε συναλλαγές σύμφωνα με τους ακόλουθους κανόνες:

• η εκτέλεση του αιτήματος θεωρείται ολοκληρωμένη όταν έχουν ολοκληρωθεί επιτυχώς όλες οι συναλλαγές που το απαρτίζουν·
• όλες οι λεπτομέρειες της επεξεργασίας συναλλαγών (όπως η αναμονή για ετοιμότητα, η επανάληψη της συναλλαγής σε περίπτωση σφάλματος, η μη διαθεσιμότητα του παραλήπτη, κ.λπ.) δεν κοινοποιούνται στο λογισμικό πελάτη.
• Το λογισμικό μπορεί μόνο να ξεκινήσει ένα αίτημα και να περιμένει είτε να ολοκληρωθεί το αίτημα είτε να λήξει.
• η συσκευή μπορεί να σηματοδοτήσει σοβαρά σφάλματα, με αποτέλεσμα τον ασυνήθιστο τερματισμό του αιτήματος, το οποίο κοινοποιείται στον συντάκτη του αιτήματος.

3. Το πρόγραμμα οδήγησης του ελεγκτή κεντρικού υπολογιστή λαμβάνει τη λίστα συναλλαγών από το πρόγραμμα οδήγησης συστήματος διαύλου και εκτελεί τις ακόλουθες ενέργειες:

• προγραμματίζει την εκτέλεση των λαμβανόμενων συναλλαγών προσθέτοντάς τες στη λίστα συναλλαγών·
• ανακτά την επόμενη συναλλαγή από τη λίστα και τη μεταφέρει στο επίπεδο του κεντρικού ελεγκτή της διεπαφής διαύλου USB.

4. Ο κεντρικός ελεγκτής της διεπαφής διαύλου USB σχηματίζει πλαίσια.

5. Τα πλαίσια μεταδίδονται με διαδοχική μετάδοση bit χρησιμοποιώντας τη μέθοδο NRZI

Έτσι, μπορεί να διαμορφωθεί το ακόλουθο απλοποιημένο σχήμα:

1. κάθε πλαίσιο αποτελείται από τα μηνύματα υψηλότερης προτεραιότητας, η σύνθεση των οποίων σχηματίζεται από το πρόγραμμα οδήγησης κεντρικού υπολογιστή.

2. Κάθε μεταφορά αποτελείται από μία ή περισσότερες συναλλαγές.

3. Κάθε συναλλαγή αποτελείται από πακέτα.

4. Κάθε πακέτο αποτελείται από ένα αναγνωριστικό πακέτου, δεδομένα (εάν υπάρχουν) και ένα άθροισμα ελέγχου.

Τύποι μηνυμάτων USB

Η προδιαγραφή διαύλου ορίζει τέσσερις διαφορετικούς τύπους μεταφοράς για τα τελικά σημεία:

• γρανάζια ελέγχου (Έλεγχος μεταβιβάσεων) - χρησιμοποιούνται από τον κεντρικό υπολογιστή για τη διαμόρφωση της συσκευής κατά τη σύνδεση, τον έλεγχο της συσκευής και τη λήψη πληροφοριών κατάστασης κατά τη λειτουργία. Το πρωτόκολλο διασφαλίζει την εγγυημένη παράδοση τέτοιων πακέτων. Το μήκος του πεδίου δεδομένων του μηνύματος ελέγχου δεν μπορεί να υπερβαίνει τα 64 byte σε πλήρη ταχύτητα και τα 8 byte σε χαμηλή ταχύτητα. Για τέτοια πακέτα, ο κεντρικός υπολογιστής είναι εγγυημένος ότι θα εκχωρήσει το 10% του εύρους ζώνης.
• μεταφορά συστοιχιών δεδομένων (Μαζικές Μεταφορές Δεδομένων) - χρησιμοποιούνται όταν είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί η εγγυημένη παράδοση δεδομένων από κεντρικό υπολογιστή σε λειτουργία ή από λειτουργία σε κεντρικό υπολογιστή, αλλά ο χρόνος παράδοσης δεν είναι περιορισμένος. Αυτή η μεταφορά καταλαμβάνει ολόκληρο το διαθέσιμο εύρος ζώνης διαύλου. Τα πακέτα έχουν πεδίο δεδομένων 8, 16, 32 ή 64 byte. Αυτά τα γρανάζια έχουν τη χαμηλότερη προτεραιότητα, μπορούν να αναρτηθούν όταν το λεωφορείο είναι πολύ φορτωμένο. Επιτρέπεται μόνο σε πλήρη ταχύτητα baud. Τέτοια δέματα χρησιμοποιούνται, για παράδειγμα, από εκτυπωτές ή σαρωτές.
• διακοπή μετάδοσης (Διακοπή μεταγραφών) - χρησιμοποιούνται όταν απαιτείται η μετάδοση μεμονωμένων μικρών πακέτων δεδομένων. Κάθε πακέτο πρέπει να μεταδοθεί σε περιορισμένο χρόνο. Οι μεταφορές είναι αυθόρμητες και θα πρέπει να συντηρούνται όχι πιο αργά από όσο απαιτεί η συσκευή. Το πεδίο δεδομένων μπορεί να είναι έως και 64 byte σε πλήρη ταχύτητα και έως 8 byte σε χαμηλή ταχύτητα. Το όριο χρόνου σέρβις ορίζεται στην περιοχή από 1–255 ms για πλήρη ταχύτητα και 10–255 ms για χαμηλή ταχύτητα. Τέτοιες μεταφορές χρησιμοποιούνται σε συσκευές εισόδου όπως το ποντίκι και το πληκτρολόγιο.
• ισόχρονες μεταφορές (Ισόχρονες Μεταγραφές) - χρησιμοποιούνται για ανταλλαγή δεδομένων σε "πραγματικό χρόνο", όταν απαιτείται η μετάδοση ενός αυστηρά καθορισμένου όγκου δεδομένων σε κάθε χρονικό διάστημα, αλλά η παράδοση των πληροφοριών δεν είναι εγγυημένη (η μετάδοση δεδομένων πραγματοποιείται χωρίς επανάληψη σε περίπτωση αστοχίας , επιτρέπεται η απώλεια πακέτων). Τέτοιες μεταφορές καταλαμβάνουν ένα προδιαπραγματευμένο τμήμα του εύρους ζώνης του διαύλου και έχουν μια προκαθορισμένη καθυστέρηση παράδοσης. Οι ισόχρονες μεταφορές χρησιμοποιούνται συνήθως σε συσκευές πολυμέσων για τη μεταφορά δεδομένων ήχου και εικόνας, όπως η ψηφιακή μετάδοση φωνής. Οι ισόχρονες μεταφορές χωρίζονται ανάλογα με τη μέθοδο συγχρονισμού των τελικών σημείων - πηγών ή παραληπτών δεδομένων - με το σύστημα: διακρίνουν μεταξύ ασύγχρονων, σύγχρονων και προσαρμοστικών κατηγοριών συσκευών, καθεμία από τις οποίες αντιστοιχεί στον δικό της τύπο καναλιού USB.

Μηχανισμός διακοπής

Δεν υπάρχει πραγματικός μηχανισμός διακοπής για το δίαυλο USB. Αντίθετα, ο κεντρικός υπολογιστής ελέγχει τις συνδεδεμένες συσκευές για δεδομένα διακοπής. Η ψηφοφορία πραγματοποιείται σε σταθερά διαστήματα, συνήθως κάθε 1 έως 32 ms. Η συσκευή επιτρέπεται να στέλνει έως και 64 byte δεδομένων.

Από την άποψη του προγράμματος οδήγησης, οι δυνατότητες διακοπής καθορίζονται στην πραγματικότητα από τον κεντρικό υπολογιστή, ο οποίος παρέχει υποστήριξη για τη φυσική υλοποίηση της διεπαφής USB.

Τρόποι μεταφοράς δεδομένων

Ο δίαυλος USB έχει τρεις τρόπους μεταφοράς δεδομένων:

• χαμηλή ταχύτητα (LS, χαμηλή ταχύτητα) 1,5 Mbit / s;
• πλήρης ταχύτητα (LF, Full-speed) 12 Mbit / s;
• υψηλής ταχύτητας (HS, High-speed, μόνο για USB 2.0) 480 Mbps.

Σύνδεση περιφερειακών συσκευών στο δίαυλο USB

Για τη σύνδεση περιφερειακών συσκευών στο δίαυλο USB, χρησιμοποιείται ένα καλώδιο τεσσάρων συρμάτων, με δύο καλώδια (συνεστραμμένο ζεύγος) σε διαφορική σύνδεση που χρησιμοποιούνται για λήψη και μετάδοση δεδομένων και δύο καλώδια για την τροφοδοσία της περιφερειακής συσκευής.

Η προδιαγραφή 1.0 καθόρισε δύο τύπους συνδέσμων:

Στη συνέχεια, αναπτύχθηκαν μικροσκοπικές υποδοχές για τη χρήση USB σε φορητές και κινητές συσκευές, που ονομάζονται Mini-USB.

Υπάρχουν επίσης υποδοχές Mini AB και Micro AB στις οποίες συνδέονται οι αντίστοιχες υποδοχές A και B.

Υπάρχουν επίσης μικροσκοπικές υποδοχές - Micro USB.

Τύπος USB 2.0	Το νόημα των επαφών		Χρώμα σύρματος

Σύνδεση συσκευής πλήρους ταχύτητας

Σύνδεση συσκευής χαμηλής ταχύτητας

Τα σήματα συγχρονισμού κωδικοποιούνται μαζί με τα δεδομένα χρησιμοποιώντας τη μέθοδο NRZI (Μη επιστροφή σε μηδενική αναστροφή). Πριν από κάθε πακέτο υπάρχει ένα πεδίο SYNC που επιτρέπει στον δέκτη να συντονιστεί στη συχνότητα του πομπού.

Το καλώδιο διαθέτει επίσης γραμμές VBus και GND για να μεταφέρει την τάση τροφοδοσίας 5 V στις συσκευές. Η διατομή των αγωγών επιλέγεται σύμφωνα με το μήκος του τμήματος για να διασφαλιστεί η εγγυημένη στάθμη σήματος και η τάση τροφοδοσίας.