Шина USB Universal Serial Bus

Шина USB Universal Serial Bus. Что такое USB? Спецификация периферийной шины USB разработана лидерами компьютерной и телекоммуникационной промышленности Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom для подключения компьютерной периферии вне корпуса машины по стандарту plug n play, в результате отпадает необходимость в установке дополнительных плат в слоты расширения и переконфигурировании системы.

Персональные компьютеры, имеющие шину USB, позволяют подключать периферийные устройства и осуществляют их автоматическое конфигурирование, как только устройство физически будет присоединено к машине, и при этом нет необходимость перезагружать или выключать компьютер, а так же запускать программы установки и конфигурирования.

Шина USB позволяет одновременно подключать последовательно до 127 устройств, таких, как мониторы или клавиатуры, выполняющие роль дополнительно подключенных компонентов, или хабов т.е. устройство, через которое подключается еще несколько. Кто создал USB? USB была разработана группой из семи компаний, которые видели необходимость во взаимодействии для обеспечения дальнейшего роста и развития расцветающей индустрии интегрированных компьютеров и телефонии. Эти семь компаний, продвигающие USB, следующие Compaq, Digital Equipment Corp, IBM PC Co Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom.

Как это работает? USB определяет, добавлено устройство или отключено, благодаря своей разумности, обеспечиваемой основной системой. Шина автоматически определяет, какой системный ресурс, включая программный драйвер и пропускную способность, нужен каждому периферийному устройству и делает этот ресурс доступным без вмешательства пользователя. Владельцы компьютеров, оснащенных шиной USB имеют возможность переключать совместимые периферийные устройства, так же просто, как они вкручивают новуюлампочку в лампу.

Какие виды периферийного оборудования поддерживает USB для подключения к моему PC? Вы знаете эти устройства телефоны, модемы, клавиатуры, мыши, устройства чтения CD ROM, джойстики, ленточные и дисковые накопители, сканеры и принтеры. Скорость прокачки в 12 мегабит секунду позволяет подключать через USB все современное поколение периферийных устройств, включая аппаратуру для обработки видео данных формата MPEG-2, перчатки для управления виртуальными объектами и дигитайзеры.

Также, с ожиданием большого роста в области интеграции компьютеров и телефонии, шина USB может выступать в качестве интерфейса для подключения устройств Цифровой сети с интегрированными услугами ISDN и цифровых устройств Private Branch eXchange PBX , позволяющих подключать большое количество телефонов к небольшому количеству линий связи. Что означает существование USB для поставщиков систем и периферии? Совместимость USB строится на основе технологически целостной и открытой спецификации, которая удовлетворяет потребностям потребителей в легко расширяемых компьютерах. В свою очередь, для поставщиков и реселлеров компьютеров, периферии и программного обеспечения, совместимость USB принесет прибыль, за счет использования новых методов маркетинга Готовая платформа позволяет логично связать аппаратное и программное обеспечение для совместной поставки покупателю.

USB может снизить риск возможной несовместимости периферийного и программного обеспечения, поставляемого с компьютерами, за счет поставки готовых систем по ключ, которые удовлетворяют требованиям специализированных рыночных ниш. USB-совместимая периферия может предложить частным и корпоративным покупателям больший выбор оборудования, без страха снижения функциональных возможностей аппаратных средств.

Реселлеры получают большую гибкость в подборе аппаратуры и готовых систем, для стимуляции покупательского спроса, за счет возможности комбинирования комплектов поставляемой периферии, без опасений, что что-то с чем-то не будет работать в паре. USB может обеспечить поставщикам периферии дополнительную выгоду, за счет поставки нового оборудования для систем, использующих технологию MMX . USB может помочь поставщикам снизить их затраты на разработки, что в свою очередь позволит им устанавливать новые, более конкурентноспособные, цены. Как много USB-совместимых компьютеров можно ожидать на рынке? Компания Dataquest считает, что до 30 миллионов USB-совместимых персональных компьютеров было продано в течение 1997, а в 1998-99 году, все персональные компьютеры будут оснащены шиной USB. Есть ли уже устройства для USB шины? Персональные компьютеры с шиной USB начали поставляться на рынок еще в середине 1996 года, и первая волна периферии с подключением через USB шину уже доступна пользователям.

Так же доступны технологии, используемые для разработки и создания USB систем, таких как коннекторов, чипсетов и материнских плат. Как может применяться USB при наличие двух систем, например ноутбука и настольного компьютера? Ответом является применение маленького адаптера, который будет определен в качестве устройства для каждой USB системы, которая входит в соединение.

Два USB контроллера периферии с общим буфером памяти будет наиболее оптимальным решением, стоимость которого не должна превысить 50. Корпус адаптера может выглядеть, как маленькая капля в середине кабеля или, может быть, небольшое утолщение, расположенное на одном из его концов.

Кабель, подобный описанному, сможет выполнять так же и функции хаба, всего лишь за небольшую дополнительную плату, а это уже гораздо более ценный продукт.

Как можно сравнить USB со стандартом Sony FireWire IEEE 1394? Основные отличия состоят в области применения, доступности и цене. Использование USB доступно уже сейчас для традиционных устройств, подключаемых к PC, таких, как клавиатуры, мыши, джойстики и ручные сканнеры.

Тем не менее, пропускная возможность USB в 12 Mb сек более чем достаточна для большинства применений ее пользователями, включая более продвинутые игровые устройства, высококачественный звук и сжатое видео стандартов MPEG-1 и MPEG-2. Но, что более важно, применение USB не увеличивает стоимость готовой системы в силу интегрирования контроллера в чипсет. FireWire будет доступна в простейших вариантах не ранее начала 1999. FireWire ориентирована на подключение к персональному компьютеру бытовой электроники, требующей высокой полосы пропускания, например, цифровых камер, проигрывателей цифровых видеодисков и цифровых устройств записи.

Шина Скорость передачи данных Топология Длина соединительного кабеля Поддерживаемые устройства USB 12 Мб с Звезда 5 м на сегмент Периферия устройства ввода, телекоммуникационное оборудование, принтеры, аудио видео устройства Firewire IEEE P1394 100 Мб с Дерево 4.5 м Устройства хранения данных и цифровая видеоэлектроника Заменит ли FireWire шину USB после своего появления? Нет. Две технологии ориентированы на подключение разных периферийных устройств и следовательно будут дополнять друг друга.

Если FireWire станет превалирующей, где-то через год, все будет зависить от конкретного покупателя и его требований к своему новому компьютеру. Кажется вполне вероятным, что в будущем персональные компьютеры будут одновременно оснащены соединительными портами шины USB и FireWire. Что такое интеллектуальные вопросы собственности Intellectual Property - IP в отношении USB, лицензия ли это, сколько она стоит, что такое Обратный Договор Reciprocal Covenent Agreement о котором я слышал? Использование USB свободно от авторского гонорара, т.е. создатели спецификации разрешают любому разрабатывать на ее основании продукцию без какой либо платы за это. Разработчики спецификации шины подписали IP соглашение, в котором обещается, что не будет никакого судебного преследования по любому включенному пункту в IP в пределах спецификации.

Обратный Договор является копией этого соглашения с возможностью для любого, кто внедряет шину USB, подписать этот договор и вернуть его в администрацию USB-IF, для внесения записи о том, что соглашение прочитано и понято.

Обратный Договор доступен каждому членам USB-IF или нет для разъяснения лицензионного соглашения на USB. Что такое сцпецификации OHCI и UHCI? OHCI и UHCI, являются спецификациями, совместимыми с USB, и описывают интерфейс различных аппаратных реализаций встраиваемого контроллера. Многообразие встраиваимых в аппаратную часть систем контроллеров, является естественным развитием и создается в рамках спецификации USB. Есть ли возможность увеличить длину соединения устройств через шину USB до 50-200 метров например, используя оптоволокно, если это понадобится пользователям? Периферийный интерфейс USB предназначен для настольных систем, а расстояние в 200 метров, похоже, соответствует очень большему столу.

Многие компании, входящие в сообщество внедрения USB, уже долгое время обсуждают проблему применения шины на больших расстояниях и думают о создании продуктов, которые позволили бы сделать это возможным.

Устройство расширения выглядит как два хаба для шины USB, однако использует другие протоколы например, для оптоволокна между точками соединения кабеля. На каждом конце электрический сигнал в USB должен быть транслирован в или из сигнала для длинных расстояний. Для того, что бы все это стало возможным, необходимо решить вопросы, связанные с протоколом передачи пакетов данных и временными задержками, которые должны быть совместимы и соответствовать спецификации USB. Когда устройство отключено, его драйвер выгружается из памяти, если опять подключить это же устройство, будет ли его драйвер снова загружен? Да, динамическое конфигурирование и инициализация операционной системой включает в себя автоматическую загрузку и выгрузку из памяти драйверов, при возникновении необходимости. Существуют ли планы по увеличению пропускной способности шины USB вдвое, втрое? Нет, шина USB была разработана в качестве периферийного интерфеса для настольных систем и имеет оптимальное соотношение производительности и цены на сегодняшний день. Новый интерфейс, такой как FireWire, для будущих высокоскоростных периферийных устройств, уже в стадии внедрения.

Может ли кто нибудь разъяснить разницу между соединителями серии A и B ? Коннекторы серии A разработаны для всех устройств USB, и являются разъемом для периферии и гнездом для персонального компьютера.

В большинстве случаев, кабель USB должен быть встроен в периферийное устройство.

Это снижает стоимость соединителей, избавляет от несовместимости, возможной в случае разного сопротивления кабелей, и упрощает действия пользователей по подключению. Однако в некоторых случаях встроенный кабель нельзя использовать. Хорошим примером могут служить очень большие и тяжелые устройства, плохо сочетатающиеся с тонким кабелем, который нельзя удалить, а так же устройства, подключаемые только изредка, которые интенсивно используются, когда не являются подключенными.

Для таких случаев и были созданы коннекторы серии B . Две серии коннекторов различаются внешне, это сделано для предотвращения соединений, которые бы могли нарушить топологию архитектуры USB. В чем разница между основным хабом и обычным с точки зрения аппаратной реализации и программного обеспечения? Все хабы совершенно одинаковы с точки зрения программного обеспечения кроме разницы, как устройств имеющих питание и нет. Основной хаб или корневой, это просто первый хаб, обнаруженный при нумерации.

Во многих реализациях основной хаб может быть интегрирован в ту же микросхему, что и основной контроллер, это позволяет снизить стоимость. Возможно ли использование шины USB для подключения таких периферийных устройств, как CD-R, ленточных накопителей или жестких дисков? Возможность применения основана на приемлемости уровня производительности.

Если какое-то из этих устройств предполагается часто использовать, то, обычно предъявляются требования, что бы оно было механически интегрированно в систему и имело высокую производительность, опять же соответствующую уровню системы в целом. Шина USB не разрабатывалась для обеспечения постоянного соединения высокоскоростных периферийных устройств внутри корпуса компьютера. Если устройство используется время от времени или подключается к разным компьютерам, тогда, производительность, обеспечиваемая шиной USB будет более чем достаточной.

Удобства использования и подключения устройств, обеспечиваемые USB с лихвой перевешивают параметры скорости предачи данных. Но все таки, USB обеспечивает скорость передачи на уровне 4x или 6x скоростных приводов CD чего недостаточно для перезаписывающих устройств, но при этом лучшую, чем обеспечивают обычные ленточные накопители, подключенные через параллельный порт, дисководы для гибких магнитных дисков или съемные жесткие диски типа SyQuest. IEEE 1394 Firewire - новая последовательная шина IEEE 1394 или Firewire - это последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами.

Благодаря невысокой цене и большой скорости передачи данных эта шина становится новым стандартом шины ввода-вывода для персонального компьютера. Ее изменяемая архитектура и одноранговая топология делают Fireware идеальным вариантом для подключения жестких дисков и устройств обработки аудио- и видеоинформации. Эта шина также идеально подходит для работы мультимедийных приложений в реальном времени.

В этом материале приведены некоторые общие сведения о стандарте IEEE 1394. Зачем нужен новый интерфейс Прежде всего, посмотрите на заднюю стенку своего компьютера. Там можно найти множество всяких разъемов последовательный порт для модема, принтерный порт для принтера, разъемы для клавиатуры, мыши и монитора, SCSI-интерфейс, предназначенный для подключения внешних носителей информации и сканеров, разъемы для подключения аудио и MIDI устройств, а также для устройств захвата и работы с видеоизображениями.

Это изобилие сбивает с толка пользователей и создает беспорядок из соединительных кабелей. Причем, нередко производители ноутбуков используют и другие типы коннекторов. Новый интерфейс призван избавить пользователей от этой мешанины и к тому же имеет полностью цифровой интерфейс. Таким образом, данные с компакт-дисков и цифровых магнитофонов смогут передаваться без искажений, потому что в настоящее время эти данные сначала конвертируются в аналоговый сигнал, а затем обратно оцифровываются устройством-получателем сигнала.

Кабельное телевидение, радиовещание и видео CD передают данные также в цифровом формате. Цифровые устройства генерируют большие объемы данных, необходимые для передачи качественной мультимедиа-информации. Например Высококачественное видео Цифровые данные 30 frames second 640 x 480 pels 24-bit color pel 221 Mbps Видео среднего качества Цифровые данные 15 frames second 320 x 240 pels 16-bit color pel 18 Mbps Высококачественное аудио Цифровые данные 44,100 audio samples sec 16-bit audio samples 2 audio channels for stereo 1.4 Mbps Аудио среднего качества Цифровые данные 11,050 audio samples sec 8-bit audio samples 1 audio channel for monaural 0.1 Mbps Обозначение Mbps - мегабит в секунду.

Для решения всех этих проблем и высокоскоростной передачи данных была разработана шина IEEE 1394 Firewire. IEEE 1394 - высокоскоростная последовательная шина Стандарт поддерживает пропускную способность шины на уровнях 100, 200 и 400 Мбит с. В зависимости от возможностей подключенных устройств одна пара устройств может обмениваться сигналами на скорости 100 Мбит с, в то время как другая на той же шине - на скорости 400 Мбит с. В начале следующего года будут реализованы две новые скорости - 800 и 1600 Мбит с, которые в настоящее время предлагаются как расширение стандарта.

Такие высокие показатели пропускной способности последовательной шины практически исключают необходимость использования параллельных шин, основной задачей которых станет передача потоков данных, например несжатых видеосигналов, внутри компьютера.

Таким образом, Firewire удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям, включая Цифровой интерфейс - позволяет передавать данные между цифровыми устройствами без потерь информации Небольшой размер - тонкий кабель заменяет груду громоздких проводов Простота в использовании - отсутствие терминаторов, идентификаторов устройств или предварительной установки Горячее подключение - возможность переконфигурировать шину без выключения компьютера Небольшая стоимость для конечных пользователей Различная скорость передачи данных - 100, 200 и 400 Мбит с Гибкая топология - равноправие устройств, допускающее различные конфигурации Высокая скорость - возможность обработки мультимедиа-сигнала в реальном времени Открытая архитектура - отсутствие необходимости использования специального программного обеспечения Благодаря этому шина IEEE 1394 может использоваться с Компьютерами Аудио и видео мультимедийными устройствами Принтерами и сканерами Жесткими дисками, массивами RAID Цифровыми видеокамерами и видеомагнитофонами Простейшая система для видеоконференций, построенная на шине IEEE 1394, использующая два 15 fps аудио видео канала загрузит всего третью часть 100Mbps интерфейса 1394. Но, в принципе, для этой задачи возможно и использование 400Mbps интерфейса.

Шесть контактов FireWire подсоединены к двум проводам, идущим к источнику питания, и двум витым парам сигнальных проводов.

Каждая витая пара и весь кабель в целом экранированы.

Провода питания рассчитаны на ток до 1,5 А при напряжении от 8 до 40 В, поддерживают работу всей шины, даже когда некоторые устройства выключены. Они также делают ненужными кабели питания во многих устройствах. Не так давно инженеры Sony разработали еще более тонкий четырехпроводный кабель, в котором отсутствуют провода питания.

Они намерены добавить свою разработку к стандарту. Этот так называемый AV-разъем будет связывать небольшие устройства, как листья с ветками 1394. Гнездо разъема имеет небольшие размеры. Ширина его составляет 1 10 ширины гнезда разъема SCSI, у него всего шесть контактов у SCSI - 25 или 50 разъемов. К тому же кабель 1394 тонкий - приблизительно в три раза тоньше, чем кабель SCSI. Секрет тут прост - ведь это последовательная шина. Все данные посылаются последовательно, а не параллельно по разным проводам, как это делает шина SCSI. Топология Стандарт 1394 определяет общую структуру шины, а также протокол передачи данных и разделения носителя.

Древообразная структура шины всегда имеет корневое устройство, от которого происходит ветвление к логическим узлам, находящимся в других физических устройствах. Корневое устройство отвечает за определен-ные функции управле-ния. Так, если это ПК, он может содержать мост между шинами 1394 и PCI и выпол-нять некоторые дополнительные функ-ции по управлению шиной.

Корневое устр-ойство определяется во время инициализации и, будучи однажды выбранным, остается таковым на все время подключения к шине. Сеть 1394 может включать до 63 узлов, каждый из которых имеет свой 6-разрядный физический идентификационный номер. Несколько сетей могут быть соединены между собой мостами. Максимальное количество соединенных шин в системе - 1023. При этом каждая шина идентифицируется отдельным 10-разрядным номером.

Таким образом, 16-разрядный адрес позволяет иметь до 64449 узлов в системе. Поскольку разрядность адресов устройств 64 бита, а 16 из них используются для спецификации узлов и сетей, остается 48 бит для адресного пространства, максимальный размер которого 256 Терабайт 256х10244 байт для каждого узла. Конструкция шины удивительно проста. Устройства могут подключаться к любому доступному порту на каждом устройстве обычно 1 - 3 порта. Шина допускает горячее подключение - соединение или разъединение при включенном питании.

Нет также необходимости в каких-либо адресных переключателях, поскольку отсутствуют электронные адреса. Каждый раз, когда узел добавляется или изымается из сети, топология шины автоматически переконфигурируется в соответствии с шинным протоколом. Однако есть несколько ограничений. Между любыми двумя узлами может существовать не больше 16 сетевых сегментов, а в результате соединения устройств не должны образовываться петли. К тому же для поддержки качества сигналов длина стандартного кабеля, соединяющего два узла, не должна превышать 4,5 м. Протокол Интерфейс позволяет осуществлять два типа передачи данных синхронный и асинхронный.

При асинхронном методе получатель подтверждает получение данных, а синхронная передача гарантирует доставку данных в необходимом объеме, что особенно важно для мультимедийных приложений. Протокол IEEE 1394 реализует три нижних уровня эталонной модели Международной организации по стандартизации OSI физический, канальный и сетевой. Кроме того, существует менеджер шины, которому доступны все три уровня.

На физическом уровне обеспечивается электрическое и механическое соединение с коннектором, на других уровнях - соединение с прикладной программой. На физическом уровне осуществляется передача и получение данных, выполняются арбитражные функции - для того чтобы все устройства, подключенные к шине Firewire, имели равные права доступа. На канальном уровне обеспечивается надежная передача данных через физический канал, осуществляется обслуживание двух типов доставки пакетов - синхронного и асинхронного.

На сетевом уровне поддерживается асинхронный протокол записи, чтения и блокировки команд, обеспечивая передачу данных от отправителя к получателю и чтение полученных данных. Блокировка объединяет функции команд записи чтения и производит маршрутизацию данных между отправителем и получателем в обоих направлениях. Менеджер шины обеспечивает общее управление ее конфигурацией, выполняя следующие действия оптимизацию арбитражной синхронизации, управление потреблением электрической энергии устройствами, подключенными к шине, назначение ведущего устройства в цикле, присвоение идентификатора синхронного канала и уведомление об ошибках.

Чтобы передать данные, устройство сначала запрашивает контроль над физическим уровнем. При асинхронной передаче в пакете, кроме данных, содержатся адреса отправителя и получателя. Если получатель принимает пакет, то подтверждение возвращается отправителю. Для улучшения производительности отправитель может осуществлять до 64 транзакций, не дожидаясь обработки.

Если возвращено отрицательное подтверждение, то происходит повторная передача пакета. В случае синхронной передачи отправитель просит предоставить синхронный канал, имеющий полосу частот, соответствующую его потребностям. Идентификатор синхронного канала передается вместе с данными пакета. Получатель проверяет идентификатор канала и принимает только те данные, которые имеют определенный идентификатор.

Количество каналов и полоса частот для каждого зависят от