Сделай Сам Свою Работу на 5

Аппаратное обеспечение USB





Кабели

Спецификация USB предъявляет следующие требования к кабельному соединению:

1. Предотвращение ошибки соединения (см. рис. 3) (должна обеспечиваться невозможность соединения выходного порта одного хаба с выходным портом другого, т.к. это приводит к образованию замкнутых контуров в иерархии USB, не допускать соединения входного порта одного устройства с входным портом другого).

Рис. 3. Возможность ошибки соединения USB -устройств

2. Обеспечивать возможность подключения как устройств с питанием от шины и устройств, имеющих внешнее питание.

3. Простое подключение устройств дешевыми кабелями и разъемами.

Спецификация USB 2.0 определяет следующие типы используемых кабелей: стандартный съемный кабель, высокоскоростной (полноскоростной) несъемный кабель; низкоскоростной несъемный кабель; кабель-адаптер для прямого соединения двух компьютеров через USB – порт.

Стандартный объемный кабель служит для соединения хоста или хаба с устройством. С одной стороны он заканчивается разъемом типа «А» для подключения к хосту или хабу, а с другой – разъемом типа «В» или «mini-В» для подключения к устройству. Оба разъема маркируются логотипом USB.



Несъемный кабель заканчивается с одной стороны разъемом типа «А» (С маркировкой) для подключения к хосту или хабу, а другим концом жестко присоединен к устройству.

Высокоскоростной кабель обязательно должен иметь витую пару из сигнальных проводников, внутренний экран.

Отметим, что этот кабель можно использовать для низкоскоростного соединения.

Низко-скоростной кабель предназначен для работы на скоростях до 1,5 Мбит/с. В связи с этим к кабелю предъявляются меньшие требования: низкоскоростной кабель не использует витую пару для сигнальных проводников.

Длина соединительного кабеля в среднем составляет 3-5 метров, причем сечение проводников выбирается в соответствии с длиной для обеспечения гарантированного уровня сигнала и питающего напряжения.

Разъемы

Для предотвращения ошибочных соединений USB использует USB-кабели с различными разъемами. Согласно спецификации все устройства, работающие с шиной USB, могут использовать только три типа разъемов: «А», «В» и «mini-В». Разъем типа «А» (рис. 5 кабель подключения устройства к хосту), (рис. 6 разъем на хосте или хабе) обозначают принадлежность к «ведущему» устройству, они используются в хостах и хабах.



Рис. 5

Разъем типа «В» (рис. 7, рис. 8) используют «ведомые» устройства: сканеры, принтеры, мониторы, (USB – монитор обязательно подключается к видеоадаптеру через интерфейс VGA RGB Analog или DVI. USB в названии монитора означает лишь наличие на нем USB – портов, позволяющих подключать USB – устройства непосредственно к монитору, а также возможность программного конфигурирования настроек монитора по USB – интерфейсу).

Рис. 7

Тип разъемов «mini-B» (рис. 9, рис. 10) появился в спецификации в 2000 году с введением стандарта USB 2.0. Этот разъем позиционируется для применения в малогабаритных устройствах, например, в сотовых телефонах, когда габариты самого устройства соизмеримы с размерами разъема.

Рис. Micro USB Тип B (слева)
Mini USB Тип B (справа)

Все типы разъемов конструктивно выполнены так, что при подключении сначала происходит соединение шины питания, а затем шины данных. Это позволяет производить подключение и отключение USB – устройств без отключения питания («горячее» подключение).

 

Питание

Спецификация USB жестко оговаривает условия питания устройств, подключенных к шине и, кроме того, определяет дополнительные возможности энергопотреблением.

В зависимости от принципа питания можно выделить три класса USB-устройств:

1. С питанием от шины (Bus Powered Devices) и малым потреблением: такие устройства должны потреблять не более 100 мА;

2. С питанием от шины и большим потреблением: такие устройства должны потреблять не более 100 мА при включении и не более 500мА после конфигурирования;



3. С собственным источником питания (Self Powered Devices): такие устройства должны потреблять ток от шины не более 100мА, а остальную мощность потреблять от собственного блока питания; при пропадании питания устройство должно обеспечивать потребление тока от шины, не превышающее 100 мА.

Хост обеспечивает питанием непосредственно подключенные к нему ПУ. Каждый хаб, в свою очередь, обеспечивает питание устройств, подключенных к его нисходящим портам.

Устройство указывает потребляемую мощность в дескрипторе конфигурации (поле Max Power), который передается хосту при нумерации устройств на шине (см. с 112 Агурова). Значение поля Max Power равно максимальному току в мА, потребляемому устройством от шины USB, деленному 2. Например, если устройство потребляет ток от USB-шины 100 мА, то в поле Max Power дескриптора конфигурации должна фигурировать цифра 50 (50 *2 мА = 100 мА). Потребление тока устройством не должно превышать значения, указанного в процессе нумерации.

Потребляемая мощность, согласно спецификации USB, измеряется в блоках (unit). Один блок составляет 100 мА. Таким образом, устройства с малым потреблением используют 1 блок, а с большим потреблением – до 5 блоков.

Все USB – устройства должны поддерживать режим низкого энергопотребления. Ток, потребляемый устройством в таком режиме, пропорционален указанному потреблению в блоках. Для устройства с потреблением тока в 1 блок ток в энергосберегающем режиме не должен превышать 500 мкА с учетом тока через резисторы. подключенные к сигнальным линиям, регуляторы напряжения на 3.3 В, встроенные в микросхемы контроллеров USB – шины. Для полной уверенности, что устройство не выйдет за недопустимую черту потребления тока в режиме энергосбережения, необходимо переводить и управляющий микроконтроллер в режим «сна» (Idle Mode). При превышении лимита хаб отключит USB – устройство от шины.

USB – устройство входит в режим пониженного энергопотребления, когда на шине нет активности более 3мс. У USB – устройства есть еще 7мс для того, чтобы переключиться в режим «сна» и установить ток потребления от шины не более заявленного. Чтобы поддерживать связь с хостом в состоянии пониженного энергопотребления, устройство должно обеспечить протекание тока через резистор выбора скорости, наличие которого будет сигнализировать о том, что устройство все еще подключено к шине. Хост-контроллер периодически может выдавать на шину сигнал начала пакета SOF для того, чтобы предотвратить вхождение подключенных устройств в энергосберегающий режим.

 

Физический интерфейс

Как указывалось ранее, информационные сигналы и питающее напряжение 5В передаются по четырехжильному кабелю. Для передачи данных по шине используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Сигналы синхронизации и данные кодируются по методу NRZI (Non Return to Zero Invert, метод возврата к нулю с инвертированием единиц). В этой кодировке логическая «1» представлена неизменным уровнем на протяжении битового интервала, а логический «0» представляет собой смену уровня на противоположный на протяжении битового интервала.

Скорость, используемая устройством, подключенным к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов D+ и D-, смещаемых нагрузочными резисторами приемопередатчиков: в устройствах с низкой скоростью линию D- подключают через резистор 1,5 кОм к уровню +3,3В; в устройствах с полной скоростью линию D+ подключают через резистор 1,5 кОм к уровню +3,3В.

Передача по двум проводам в USB не ограничивается дифференциальными сигналами. Кроме дифференциального приемника каждое устройство имеет линейные приемники сигналов D+ и D-, а передатчики этих линий управляются индивидуально. Это позволяет различать более двух состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса. Состояние, при котором разность потенциалов на линиях D+ и D- составляет более 200 мВ при условии, что на одной из линий потенциал выше порога срабатывания Vse, называются состоянием Diff0 или Diff1. Состояние, при котором на обоих входах D+ и D- присутствует низкий уровень, называется линейным нулем SEO (Single Ended Zero). Интерфейс определяет 8 состояний: Data J State и Data K State (или просто J и K) – состояние передаваемого бита; Idle State – состояние паузы на шине; Resume State – сигнал «пробуждения» для вывода устройства из «спящего» режима; Start of Packet (SOP) – начало пакета (переход из Idle State в K); End of Packet (EOP) – конец пакета; Disconnect – устройство отключено от порта; Connect – устройство подключено к порту; Reset – сброс устройства.

Состояния определяются сочетаниями дифференциальных и линейных сигналов. В декодировании состояний Disconnect, Connect и Reset учитывается время нахождения линий (более 2б5 мс) в определенных состояниях.

 

Ограничения USB

Согласно спецификации USB, к одному разъему можно подключить до 127 устройств, но на практике это не так. Ограничения накладывают пропускная способность и мощность USB-шины, расстояние между внешними устройствами.

Для USB 1.1 между устройствами делится всего 12 Мбит/с, поэтому одновременная работа особо «прожорливых» устройств невозможна. Интерфейс USB 2.0 более быстрый, однако ограничение и тут существует.

Ограничение мощности актуально для устройств, которые берут питание непосредственно от шины, однако от него легко избавится добавлением хаба с питанием от сети.

Стандарт USB был разработан как «настольная шина» (desktop bus), с тем расчетом, что внешние устройства будут в пределах досягаемости. Максимальная длина кабеля для FS – режима может быть 5 метров. Можно использовать 5 хабов для увеличения длины кабеля до 25 метров.

USB 3.0

Недостаток USB 2.0 в современных условиях – низкая скорость передачи данных. Теоретически USB 2.0 имеет максимальную скорость передачи 480 Мбит/с, на практике примерно – 320 Мбит/с, которых недостаточно для задач, требующих высокой скорости: передачи видео в высоком разрешении, работы с хранилищами данных большого объема и т.п. Поэтому продолжалась работа по повышению скорости передачи данных.

Разработка спецификации USB 3.0 была завершена в 2008 году. Устройства, использующие новый интерфейс начали появляться в продаже с 2009 года. У USB 3.0 максимальная скорость передачи возросла в 10 раз и в режиме Super-Speed составляет 4.8 Гбит/с. Для протокола USB 3.0 сохранена преемственность и предусмотрены четыре типа скоростей передачи данных:Low-Speed(LS), Full-Speed(FS), High-Speed(HS) и Super-Speed(SS).

В таблице приведены типы скоростей, поддерживаемые версиями USB.

Таблица

 

Минимальная сила тока для подключаемых устройств выросла со 100 до 150 мА, максимальная с 500 до 900мА, что позволяет питать большее число устройств и в некоторых случаях отказаться от отдельного блока питания или питания устройства от двух портов.

Для оптимизации энергопотребления в USB 3.0 используются четыре состояния подключения. Первое соответствует активной передаче данных, при ее завершении возможность приема и передачи отключается, в следующем режиме отключаются внутренние тактовые импульсы, и, наконец, последнее состояние аналогично режиму простоя в предыдущих версиях. Изменять состояние подключения теперь могут как хост, так и устройство.

На рис. х приведены логотип (a) и иконка интерфейса USB 3.0 (б).

   
а) б)

 

Рис. х

Разъемы и кабели

Для подключения периферийных устройств к шине USB 2.0 используется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Первоначальный проект кабеля USB 3.0, разработанный Intel, предусматривал использование оптического волокна для передачи данных на скоростях Super-Speed. В окончательной версии нового стандарта вместо оптоволокна решили использовать медные провода.

К имевшимся в предыдущих вариантах 4 линиям были добавлены еще 4, образующие две дополнительные витые пары для передачи и приема.

Разрез кабеля изображен на рис. U

Рис. U

В USB 3.0 используются следующие разъемы.

Разъем типа А (рис. UU) физически и функционально совместим с USB 2.0. Пять новых контактов для двух витых пар и заземления располагаются в глубине разъема.

 

а) б)

 

 

Рис. UU

Разъем типа B (рис. UUU) изменился сильнее, увеличившись в размерах, поэтому вилку USB 2.0 можно подключить к розетке третьей версии, но не наоборот.

 

а) б)

Рис. UUU

 

Новый разъем - USB 3.0 Powered-B совместим с USB 3.0 типа В и использует два дополнительных контакта, позволяющие подавать питание до 1 А USB-адаптерам от устройств. В табл. приведено назначение контактов разъема, на рис. UUUU – внешний вид разъема.

 

Рис. UUUU

 

Разъем Micro USB 3.0 частично совместим с Micro USB 2.0. Внешний вид разъема Micro USB 3.0 приведен на рис. UUUUU.

Рис. UUUUU

 

Сводный список совместимости разъемов приведен в табл.

Таблица

Cтруктурная схема контроллера USB 3.0 приведена на рис. UUUUUU.

Видно, что для обеспечения обратной совместимости он используется параллельно с USB 2.0.

Рис. UUUUUU

 

Беспроводные интерфейсы

Однако даже самые прогрессивные проводные шины сегодня подвластны проблеме "отрезания проводов" и переход на беспроводные решения.

Особенно восприимчивым к новым тенденциям оказался сектор локальных интерфейсов - все, что работает на расстоянии до 10 метров, обеспечивает обмен данными и/или связь всевозможной электроники с периферией или друг с другом.

Нельзя сказать, что современные фавориты рынка исчерпали свои возможности и застыли в своем развитии. Тот же USB, изначально нацеленный на подключение периферии, после ратификации скоростной 480 Мбит/с версии USB 2.0 дополнительно обзавелся расширением "On-The-Go", наконец-то позволившим создавать одноранговые соединения класса "периферия-периферия". Мультимедийный 400 Мбит/с интерфейс FireWire, даже в изначальной версии IEEE1394a не страдавший иерархической болезнью USB, в последнее время обзавелся скоростю 800 Мбит/с и увеличенной длиной интерфейсного кабеля. Но у спектра перечисленного есть один большой минус - совершенно неуместные в наш век проводные соединения, особенно нелепые на столь небольших расстояниях.

Список устройств, которым уже сейчас очень пригодился бы беспроводной USB, достаточно широк (см. рис.4), однако помимо традиционных сфер применения привычного проводного USB, который, без сомнения, со временем в значительной степени будет вытеснен своим WUSB тезкой, есть подозрение, что наряду с этим беспроводная версия интерфейса будет востребована в случаях, которые пока совершенно невозможно представить.

 

Рис.4. Список устройств, которым необходим WUSB сегодня

 

Wireless USB

В феврале 2004 года корпорация Intel совместно с Agree, Systems, HP, Microsoft, NEC, Philips Semiconductors и Samsung Electronics объявила о создании группы Wireless USB Promoter Group (группа продвижения беспроводного USB). В задачу консорциума входило продвижение высокоскоростной технологии для беспроводного подключения внешних устройств со скоростью передачи данных до 480 Мбит/с и дальностью действия до 10 м при низком энергопотреблении.

Беспроводной USB-интерфейс предназначен для подключения различных периферийных устройств, таких как принтеры, внешние жесткие диски, звуковые карты, мультимедийные плееры и даже мониторы к компьютеру беспроводным способом. Подключение можно реализовать двумя способами:

· Если компьютер и (или) периферийное устройство не обладает родной поддержкой беспроводного USB-интерфейса, пользователю придется установить адаптер, который обеспечит обычному USB порту поддержку беспроводного USB-интерфейса.

· Если компьютер и (или) периферийное устройство обладает родной поддержкой беспроводного USB-интерфейса, т. е. имеют антенну для беспроводного USB-соединения, никаких дополнительных устройств для подключения периферийного устройства к компьютеру с помощью такого соединения не нужно. Одна WUSB-антенна позволяет подключить к компьютеру до 127 периферийных устройств.

Максимальная теоретическая скорость передачи данных по беспроводному USB-интерфейсу аналогична скорости проводного USB-соединения спецификации 2.0, т. е. составляет 480 Мбит/сек (60 Мбайт/сек), если устройство находится на расстоянии не более 3 метров от компьютера, и 110 Мбит/сек (13.73 Мбайт/сек), если расстояние между периферийным устройством и компьютером составляет не более 10 м. Иными словами, с увеличением расстояния между соединяемыми устройствами скорость передачи данных падает.

Беспроводной USB-интерфейс использует для передачи данных широкий диапазон частот от 3.1 до 10.6 ГГц.

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.