Введение. 
История и тенденции развития порта USB

Тема данного реферата — история и тенденции развития универсальной последовательной шины USB. USB (англ. Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) — последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике. Символом USB являются четыре геометрические фигуры: большой круг, малый круг, треугольник и квадрат, расположенные на концах древовидной блок-схемы (рис. 1).

Рисунок 1 — Символ USB.

Актуальность работы обусловлена распространенностью использования данного устройства передачи и приема данных, а также его постоянной модернизацией.

Задачи работы: 1) раскрыть особенности устройства USB через историю его развития; 2) перечислить современные модификации USB; 3) определить основные тенденции дальнейшего развития USB.

Устройство USB

Разработка спецификаций на шину USB производится в рамках международной некоммерческой организации USB Implementers Forum (USB-IF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шиной USB [7].

Для подключения периферийных устройств к шине USB 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.

Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА).

К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств по топологии «звезда», в том числе и концентраторы. На одной шине USB может быть до 127 устройств и до 5 уровней каскадирования хабов, не считая корневого.

В настоящее время широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB 2.0. Ведётся внедрение в производство устройств спецификации USB 3.0 [7].

Шина USB предназначена для сопряжения ПК с различными устройствами типа телефона, факса, модема, сканера, автоответчика, клавиатуры, мыши и т. д. Авдеев В. А. Периферийные устройства: интерфейсы, схемотехника, программирование. — М.: ДМК Пресс, 2009. — С. 124. Эта шина для настольных систем отвечает требованиям технологии plug and play и является среднескоростной, двунаправленной дешевой шиной, повышающей взаимосвязность компонентов ПК и расширяющей его архитектуру. Основные свойства шины USB:

• · возможность подключения до 127 физических устройств;
• · автоматическое распознавание периферии;
• · образование различных конфигураций;
• · поддержка передачи голоса, звука и сжатого видео;
• · реализация как изохронных, так и синхронных типов передач с широким диапазоном скоростей;
• · наличие механизма обработки ошибок;
• · управление питанием и т. д.

Технология шины USB представлена имеет многоуровневую звездообразную структуру (древовидную конфигурацию). Каждую звезду образует хаб (пункт присоединения), обеспечивающий подключение одного или нескольких функционеров (функ), периферийных устройств. Шина USB содержит один хост (контроллер), образующий корневой уровень и управляющий работой функционеров. Хаб является основным элементом в архитектуре USB, поддерживающей соединение нескольких хабов. В состав хаба входит один верхний потоковый порт ВПП, необходимый для подключения хаба к «хвосту», и несколько нижних потоковых портов (НПП), соединяющих его с другими хабами и (или) функционерами Там же.

Хаб выполняет следующие функции: обнаружение присоединения (отсоединения) другого хаба или функционера; управление питанием и конфигурированием устройств, подключенных к соответствующим НПП. Хаб содержит контроллер и репитер (управляемый протоколом переключатель портов). Контроллер использует интерфейсные регистры для выполнения связи с хостом, который с помощью управляющих команд конфигурирует хаб и следит за его партнерами. Функционер представляет собой отдельное USB-устройство, которое кабелем подключается к какому-либо порту хаба. Хаб/функционер выполняется как устройство, содержащее встроенный хаб. Каждый функционер перед его использованием должен быть сконфигурирован хостом, который включает распределение диапазона частот и выбор специфических опций для конфигурации [1, с. 124].

USB-хост (центральная ЭВМ) осуществляет доступ к USB-устройствам с помощью хост-контроллера, который выполняет следующие действия:

• * координацию потоков управления и данных между хостом и устройствами;
• * обнаружение подключенных (отключенных) устройств;
• * сбор информации о состоянии системы;
• * управление питанием.

Протокол шины выполняется следующим образом. Хост направляет по шине USB эстафетный пакет, в котором указываются тип пакета, направление транзакции (действия на шине), адрес устройства и номер конечной точки. Конечная точка — это уникально определяемая часть USB-устройства, содержащего несколько таких точек (конечных пунктов связи). Комбинация адреса устройства и номера конечной точки в этом устройстве позволяет выбрать каждую точку в отдельности. Любая конечная точка должна быть сконфигурирована перед употреблением и характеризуется частотой, временем ожидания доступа к шине, шириной полосы частот, максимальным размером пакета, типом и направлением передачи.

Устройства с низким быстродействием содержат не более двух конечных точек, а устройства с высоким быстродействием — до 16 выходных точек. После того как передача данных завершена, USB-устройство [2, с.221] (приемник) отвечает пакетом подтверждения, в котором отмечается успешность этой передачи. Сигналы данных D+ и Dи питание (V и G — земля) в шине USB передаются от точки к точке по четырем проводам 90-омного кабеля с максимальной длиной 5 м. Номинальное напряжение питания — 5 В.

Рисунок 3 — Многозвенная коммутация информационного канала.

Хост (хаб) обеспечивает питанием устройства USB, которые подключены к нему. Кроме того, устройства USB могут иметь автономное питание. Питание по шине USB имеет ограниченную величину [4]. Шина USB обеспечивает два диапазона скоростей передачи информации: низкая скорость (1,5 Мбита/с) и высокая скорость (12 Мбит/с). Низкоскоростной режим применяется для взаимодействия с интерактивными устройствами (мышью, трекболом и т. п.), а высокоскоростной режим — с адаптером телефона, аудиоили видеоустройствами. Каждому пакету данных предшествует поле синхронизации, которое позволяет приемникам согласовывать во времени их таймеры (генераторы) для приема данных. Поле синхронизации содержит синхроимпульсы, закодированные по методу NRZI с битовым заполнением. В шине USB используется метод кодирования NRZI (без возвращения к нулю с инверсией).

В этом случае метод кодирования NRZI состоит в том, что если бит передаваемых данных равен 0, то происходит изменение уровня напряжения, а если равен 1, то уровень напряжения сохраняется. Таким образом, строка нулей вызывает переключение уровней сигналов, а строка единиц образует длительные отрезки уровней без всяких переходов, что может нарушить условие синхронизации при выделении каждого бита. Поэтому при передаче данных через каждые шесть последовательных единиц вставляется нуль, чтобы гарантировать достоверное определение каждого битового интервала при приеме в наиболее худшем случае, когда передаются единичные значения битов данных. Приемник декодирует код NRZI и отбрасывает вставленные биты нулей. Устройство USB может иметь конечную точку, поддерживающую только канал управления, или конечную точку, использующую канал для передачи данных [1, с. 124, 125].