Интерфейс USB

История USB. 
Увеличение числа устройств, подключаемых к персональному компьютеру, и, соответственно, развитие внешних интерфейсов привело к довольно неприятной ситуации: с одной стороны, компьютер должен иметь множество различных разъёмов, а с другой большая часть из них не используется. Такая ситуация определяется историческим развитием интерфейсов ПК – каждый интерфейс имел свой специализированный разъём. Например, к последовательному порту можно подключить мышь, или модем, к параллельному принтер или сканер, для клавиатуры стало необходимо иметь два порта старый клавиатурный и PS/2 и т.д. Более того, к одному порту можно подключить только одно устройство (если не считать подключение «прозрачных» ключей защиты, но это, скорее, исключение). Кроме этой проблемы, многочисленность разнообразных подключений добавляет и другие «радости»:

• практически для каждого из устройств необходимо выделение аппаратного прерывания (IRQ);
• большая часть устройств требует наличия внешнего блока питания;
• каждое устройство имеет свой, придуманный разработчиком, протокол обмена, мнoгoкpaтнo увеличивая необходимое количество драйверов, как в памяти, так и в инсталляции операционной системы;
• конфигурирование огромного числа устройств, многие из которых не поддерживают спецификации Plug and Рlау, практически невыполнимая работа для обычного пользователя;
• огромное число разнокалиберных шлейфов, тянущихся от компьютера, превращает его перестановку в сложную проблему.

Естественно, что производители  компьютерного «железа» задумались о создании единого и универсального интерфейса. В начале 1996 года была опубликована версия 1.0 нового интерфейса, названного USB (Universal Serial Bus, универсальная последовательная шина), а осенью 1998 спецификация 1.1, исправляющая проблемы, обнаруженные в первой редакции. Весной 2000 года была опубликована версия 2.0, в которой предусматривалось 40-кpaтнoe повышение пропускной способности шины. Так, спецификации 1.0 и 1.1 обеспечивают работу на скоростях 12 Мбит/с и 1,5 Мбит/с, а спецификация 2.0 на скорости 480 Мбит/с. При этом предусматривается обратная совместимость USB 2.0 с USB 1.х, т. е. «старые» USB 1.Х устройства будут работать с USB 2.0 контроллерами, правда, на скорости 12 Мбит/с. Скорость 480 Мбит/с достигается только при одновременном использовании USB 2.0 контроллера и USB 2.0 периферии. Изначально в гpуппу разработчиков входили компании Compaq, DЕС, IВM, Intel, Microsoft, NEC и Nоrthеrn Telecom, а затем количество заинтересованных участников стало расширяться. Шина USB разрабатывалась для обеспечения механизма взаимодействия компьютерных и телефонных систем (CTI, Computer Telephony Integration), однако вскоре члены комитета разработки поняли, что USB может удовлетворить потребности многих приложений и все сферы компьютерной телефонии.

Окончательная спецификация USB 3.0 (SuperSpeed USB) появилась в 2008 году. Созданием USB 3.0 занимались компании Intel, Microsoft, Hewlett-Packard, Texas Instruments, NEC и NXP Semiconductors. В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели обновлённого стандарта физически и функционально совместимы с USB 2.0. Кабель USB 2.0 содержит в себе четыре линии – пару для приёма/передачи данных, плюс и ноль питания. В дополнение к ним USB 3.0 добавляет ещё четыре линии связи (две витых пары), в результате чего кабель стал гораздо толще. Новые контакты в разъёмах USB 3.0 расположены отдельно от старых на другом контактном ряду. Теперь можно будет с лёгкостью определить принадлежность кабеля к той или иной версии стандарта, просто взглянув на его разъём. Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 4,8 Гбит/с – что на порядок больше 480 Мбит/с, которые может обеспечить USB 2.0.

Версия 3.0 может похвастаться не только более высокой скоростью  передачи информации, но и увеличенной  силой тока с 500 мА до 900 мА. Отныне пользователь может не только подпитывать от одного хаба большее количество устройств, но и сами устройства во многих случаях смогут избавиться от отдельных блоков питания. Разработчики шины ориентировались на создание интерфейса, обладающего следующими свойствами:

• легко реализуемое расширение периферии ПК;
• дешёвое решение, позволяющее передавать данные со скоростью до 12 Мбит/с (5 Гбит/с для USB 3.0);
• полная поддержка в реальном времени голосовых, аудио и видеопотоков;
• гибкость протокола смешанной передачи изохронных данных и асинхронных сообщений;
• интеграция с выпускаемыми устройствами;
• охват всевозможных конфигураций и конструкций ПК;
• обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок;
• создание новых классов устройств, расширяющих ПК.

Спецификация USB определяет следующие функциональные возможности  интерфейса:

• простота использования для конечного пользователя:
• простота кабельной системы и подключений;
• скрытие подробностей электрического подключения от конечного пользователя;
• самоидентифицирующиеся устройства с автоматическим конфигyрированием;
• динамическое подключение и переконфигyрирование периферийных устройств;
• широкие возможности работы:
• пропускная способность от нескольких Кбайт/с до нескольких Мбайт/с;
• поддержка одновременно как изохронной, таки асинхронной передачи данных;
• поддержка одновременных операций со многими устройствами (multiple connections);
• поддержка до 127 устройств на шине;
• передача разнообразных потоков данных и сообщений;
• поддержка составных устройств (т.е. периферийное устройство, выполняющее несколько функций);
• низкие накладные расходы передачи данных;
• равномерная пропускная способность:
• гарантированная пропускная способность и низкие задержки голосовых и аудиоданных;
• возможность использования всей полосы пропускания;
• гибкость:
• поддержка разных размеров пакетов, которые позволяют настраивать функции буферизации устройств;
• настраиваемое соотношение размера пакета и задержки данных;
• управление потоком (flow control) данных на уровне протокола;
• надёжность:
• контроль ошибок и восстановление на уровне протокола;
• динамическое добавление и удаление устройств прозрачно для конечного пользователя;
• поддержка идентификации неисправных устройств;
• исключение неправильного соединения устройств;
• выгода для разработчиков:
• простота реализации и внедрения;
• объединение с архитектурой Plug and Play;
• дешёвая реализация:
• дешевые каналы со скоростью работы до 1,5 Мбайт/с;
• оптимизация для интеграции с периферией;
• применимость для реализации дешёвой периферии;
• дешёвые кабели и разъёмы;
• использование выгодных товарных технологий;
• возможность простого обновления.

Практически все поставленные задачи были решены, и весной 1997 года стали появляться компьютеры, оборудованные  разъёмами для подключения USВ-устройств. Иконкой, показанной на рис. 1.1, официально обозначается шина USB, как в Windows, так и на USВ-разъёмах в феврале 2004 года корпорация Intel совместно с Agere, Systems, НР, Мiсrоsоft Corporation, NEC, Philips Semiconductors и Samsung Electronics объявила о создании гpуппы Wireless USB Promoter Group (группа продвижения беспроводного USB). В задачу консорциума входит продвижение первой высокоскоростной технологии для беспроводного подключения внешних устройств Wireless USB на скорости 480 Мбит/с (что сопоставимо с характеристикой стандарта USB 2.0) с дальностью действия при низком энергопотреблении до 10 метров.

Логотип USB всегда присутствует на разъёмах, USB 1.1; USB 2.0; USB 3.0

Сравнение USB с другими интерфейсами

В табл. 1.1 приведено сравнение  интерфейса USB с другими интерфейсами персонального компьютера. Видно, что  достойной альтернативы USB не существует (пожалуй, кроме "изначального" конкурента—  FireWire, но у этой шины принципиально другая система соединения!).

Примечание: FireWire (IEEE-1394) реализует систему "Maстер-Мастер", а USB - "мастер-ведомый".

Таблица 1.1. Сравнение USB с  другими интерфейсами

Интерфейсы, сравнимые с USB по скорости обмена, требуют специальных  преобразователей. Интерфейсы, не требующие  дополнительных элементов, либо низкоскоростные, либо узконаправленные. Кроме того, к несомненным плюсам USB относятся  организация помехозащищённости на уровне аппаратного и машинного  протоколов и "встроенная" поддержка  Plug and Play, а также отсутствие дополнительных элементов для подключения устройств (как, Например, терминаторы ДЛЯ SСSI-интерфейса). Пожалуй, единственным минусом можно считать довольно короткое кабельное соединение, но следует помнить, что шина USB разрабатывалась как шина для домашних устройств, стоящих на столе, и дальние соединения не закладывались в неё изначально.

Ограничения USB

Согласно спецификации USB, к одному разъёму можно подключить до 127 устройств, но на практике это  совсем не так. Ограничение накладывают  пропускная способность и мощность USВ-шины. Для USB 1.1 между устройствами делится всего 12 Мбит/с, поэтому одновременная работа особо «прожорливых» устройств будет затруднена. 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 избавиться добавлением хаба с питанием от сети. С точки зрения работоспособности устройств USВ-шина может ограничивать их быстродействие только ограниченностью пропускной способности. Так, при подключении к USB 2.0 CDROM может работать на скорости 52х, но для USB 1.1 не стоит ожидать более 8х. Ещё одно ограничение: стандарт USB был разработан как «настольная шина» (desktop bus), с тем расчётом, что все внешние устройства будут в пределах досягаемости. Максимальная длина кабеля для FS-режима может быть всего 5 метров (и 3 метра в LS-режиме). Другие интерфейсы, такие как RS-232, RS-485 или Ethernet, позволяют использовать значительно более длинные кабели (см. табл. 1.). Конечно, можно использовать 5 хабов для увеличения длины кабеля до 30 метров или преобразователи в RS-485.

Разъёмы USB

Спецификация 1.0 регламентировала два типа разъёмов: A - на стороне  контроллера или концентратора USB и B - на стороне периферийного устройства. Впоследствии были разработаны миниатюрные  разъёмы для применения USB в переносных и мобильных устройствах, получившие название Mini-USB. Новая версия миниатюрных разъёмов, называемых Micro-USB, была представлена USB Implementers Forum 4 января 2007 года.

Разъём типа А используется для организации входного/исходящего потока данных между устройством и портом/концентратором USB. Порты USB, имеющиеся в системных платах и концентраторах, обычно относятся к серии А. Разъёмы серии В разработаны для передачи нисходящего потока данных к устройству с отсоединяемыми кабелями. В любом случае мини-разъёмы являются просто уменьшенной версией стандартных разъёмов, имеющей физически меньший формфактор.

Разъёмы USB совсем небольшие (особенно мини-разъёмы), что выгодно  отличает их от последовательных и  параллельных кабелей, которые, кроме  всего прочего, приходится прикреплять  винтами или держателями. У разъёма USB нет контактов, которые могут  погнуться или сломаться, поэтому  надёжность разъёма очень велика.