USB (Universal Serial Bus, универсальная последовательная шина)

История

USB шина появилась в 1996 году как попытка решения проблемы множественности интерфейсов. К тому времени персональные компьютеры (ПК) были оснащены большим количеством разнообразных внешних полезных и необходимых интерфейсов, но все они требовали своего специального разъема и, чаще всего, выделенного аппаратного прерывания (IRQ, Interrupt ReQuest).

USB была разработана группой из семи компаний(Compaq, Digital Equipment Corp, IBM PC Co., Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom).

Первая спецификация (версия 1.0) USB была опубликована в начале 1996 года, а осенью 1998 года появилась спецификация 1.1, исправляющая проблемы, обнаруженные в первой редакции. Весной 2000 года была опубликована версия 2.0, в которой предусматривалось 40-кратное повышение пропускной способности шины. Так, спецификация 1.0 и 1.1 обеспечивает 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.

Окончательная спецификация USB 3.0 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. В дополнение к четырем линиям USB 2.0 в USB 3.0 добавляется еще четыре линии связи (две витых пары). Новые контакты в разъемах USB 3.0 расположены отдельно от старых на другом контактном ряду. Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 4,8 Гбит/с, таким образом, скорость передачи возрастает с 60 Мбайт/с до 600 Мбайт/с и позволяет передать 1 Тб не за 8-10 часов, а за 40 минут-1 час. Версия 3.0 так же может похвастаться увеличенной силой тока с 500 мА до 900 мА, поэтому пользователь может не только подпитывать от одного хаба большее количество устройств, но и сами устройства во многих случаях смогут избавиться от отдельных блоков питания.

Общая архитектура USB

Физическая архитектура USB определяется следующими правилами:

• устройства подключаются к хосту;
• физическое соединение устройств между собой осуществляется по топологии многоярусной звезды, вершиной которой является корневой хаб;
• центром каждой звезды является хаб;
• каждый кабельный сегмент соединяет между собой две точки: хост с хабом или функцией, хаб с функцией или другим хабом;
• к каждому порту хаба может подключаться периферийное USB-устройство или другой хаб, при этом допускаются до 5 уровней каскадирования хабов, не считая корневого.

Самым верхним уровнем является корневой концентратор, который обычно совмещается с USB контроллером.

К корневому концентратору могут быть подключены либо устройства, либо еще концентраторы, для увеличения числа доступных портов. Концентратор может быть выполнен в виде отдельного устройства, либо быть встроенным в какое-то другое, т.е. устройства, подключаемые к USB, можно подразделить на функциональные устройства, т.е. те, которые выполняют какую-то конкретную функцию (например, мыши), устройства-концентратор, выполняющие только функцию только разветвления, и совмещенные устройства, имеющие в своем составе концентратор, расширяющие набор портов (например, мониторы, с портами для подключения других).

На пятом уровне комбинированное устройство использоваться не может. Кроме того отдельно стоит упомянуть о хосте, являющемся скорее программно-аппаратным комплексом, нежели просто устройством.

Детали физической архитектуры скрыты от прикладных программ в системном программном обеспечении (ПО), поэтому логическая архитектура выглядит как обычная звезда, центром которой является прикладное ПО, а вершинами – набор конечных точек. Прикладная программа ведет обмен информацией с каждой конечной точкой.

Составляющие USB

Шина USB состоит из следующих элементов:

• хост-контроллер (host controller, коротко хост) – главный контроллер, который входит в состав системного блока компьютера и управляет работой всех устройств на шине USB. На шине USB допускается наличие только одного хоста. Системный блок персонального компьютера содержит один или несколько хостов, каждый из которых управляет отдельной шиной USB.
  В обязанности хоста входит:
  • слежение за подключением и отключением устройств;
  • организация управляющих потоков между USB-устройством и хостом;
  • организация потоков данных между USB-устройством и хостом;
  • контроль состояния устройств и ведение статистики активности;
  • снабжение подключенных устройств электропитанием.
• устройство (device) может представлять собой хаб, функцию или их комбинацию (compound device); порт (port) – точка подключения;
• хаб (hub, концентратор) – устройство, которое обеспечивает дополнительные порты на шине USB, т.е. хаб преобразует один порт (восходящий порт, upstream port) во множество портов (нисходящие порты, downstream ports). Архитектура допускает соединение нескольких хабов (не более 5). Хаб распознает подключение и отключение устройств к портам и может управлять подачей питания на порты. Каждый из портов может быть разрешен или запрещен и сконфигурирован на полную или ограниченную скорость обмена. Хаб обеспечивает изоляцию сегментов с низкой скоростью от высокоскоростных. Хаб может ограничивать ток, потребляемый каждым портом;
• корневой хаб (root hub) – это хаб, входящий в состав хоста;
• функция (function) – это переферийное USB-устройство или его отдельный блок, способный передавать и принимать информацию по шине USB. Перед использованием функция должна быть сконфигурирована хостом – ей должна быть выделена полоса в канале и выбраны опции конфигурации;
• логическое USB-устройство (logical device) представляет собой набор конечных точек, с которыми возможен обмен данными. Число и функции точек зависят от устройства и выполняемых им функций, и определяются при производстве. В обязательном порядке присутствует точка с номером 0 - для контроля состояния устройства и управления им. До осуществления конфигурирования устройства через точку 0 остальные каналы не доступны.
  Каждая конечная точка устройства описывается следующими параметрами:
  • частотой обращения к шине и требованиями к задержкам;
  • необходимой полосой пропускания;
  • номером конечной точки;
  • требованиями к обработке ошибок;
  • максимальным размером кадра, который может быть принят или послан;
  • типом поддерживаемой передачи данных;
  • направлением осуществления передачи между конечной точной и хостом.

Свойства USB-устройств

• адресация – устройство должно отзываться на назначенный ему уникальный адрес и только на него;
• конфигурирование – после включения или сброса устройство должно предоставлять нулевой адрес для возможности конфигурирования его портов;
• передача данных – устройство имеет набор конечных точек для обмена данными с хостом. Для конечных точек, допускающих разные типы передач, после конфигурирования доступен только один из них;
• управление энергопотреблением – любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. При конфигурировании устройство заявляет свои потребности тока, но не более 500 мА. Если хаб не может обеспечить устройству заявленный ток, устройство не будет использоваться;
• приостановка – USB-устройство должно поддерживать приостановку (suspended mode), при которой его потребляемый ток не превышает 500 мкА. USB-устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины;
• удаленное пробуждение – возможность удаленного пробуждения (remote wakeup) позволяет приостановленному USB-устройству подать сигнал хосту, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации USB-устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена.

Логические уровни обмена данными

Спецификация USB определяет три логических уровня с определенными правилами взаимодействия. USB-устройство содержит интерфейсную, логическую и функциональную части. Хост тоже делится на три части – интерфейсную, системную и ПО. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач.

Таким образом, операция обмена данными между прикладной программой и шиной USB выполняется путем передачи буферов памяти через следующие уровни:

• уровень клиентского ПО в хосте:
  • обычно представляется драйвером USB-устройства;
  • обеспечивает взаимодействие пользователя с операционной системой с одной стороны и системным драйвером с другой;
• уровень системного драйвера USB в хосте(USB, Universal Serial Bus Driver):
  • управляет нумерацией устройств на шине;
  • управляет распределением пропускной способности шины и мощности питания;
  • обрабатывает запросы пользовательских драйверов;
• уровень хост-контроллера интерфейса шины USB (HCD, Host Controller Driver):
  • преобразует запросы ввода/вывода в структуры данных, по которым выполняются физические транзакции;
  • работает с регистрами хоста.

Отношения клиентского программного обеспечения и USB устройств: USB предоставляет для взаимодействия программный интерфейс и только его, позволяя клиентскому ПО существовать в отрыве от конкретного подключенного к шине устройства и его конфигурации. Для клиентской программы USB - это лишь набор функций.

Взаимодействие компонентов USB представлено на схеме ниже:

В рассматриваемую структуру входят следующие элементы:

Физическое устройство USB — устройство на шине, выполняющее функции, интересующие конечного пользователя.

Client SW — ПО, соответствующее конкретному устройству, исполняемое на хост-компьютере. Может являться составной частью ОС или специальным продуктом.

USB System SW — системная поддержка USB, независимая от конкретных устройств и клиентского ПО.

USB Host Controller — аппаратные и программные средства для подключения устройств USB к хост-компьютеру.

Принципы передачи данных

Механизм передачи данных является асинхронным и блочным. Блок передаваемых данных называется USB-фреймом или USB-кадром и передается за фиксированный временной интервал. Оперирование командами и блоками данных реализуется при помощи логической абстракции, называемой каналом. Канал является логической связкой между хостом и конечной точкой внешнего устройства.

Для передачи команд (и данных, входящих в состав команд) используется канал по умолчанию, а для передачи данных открываются либо потоковые каналы, либо каналы сообщений.

Поток доставляет данные от одного конца канала к другому, он всегда однонаправленный. Один и тот же номер конечной точки может использоваться для двух поточных каналов — ввода и вывода. Поток может реализовывать следующие типы обмена: сплошной, изохронный и прерывания. Доставка всегда идет в порядке «первым вошел — первым вышел» (FIFO); с точки зрения USB, данные потока неструктурированны. Сообщения имеют формат, определенный спецификацией USB. Хост посылает запрос к конечной точке, после которого передается (принимается) пакет сообщения, за которым следует пакет с информацией состояния конечной точки. Последующее сообщение нормально не может быть послано до обработки предыдущего, но при отработке ошибок возможен сброс необслуженных сообщений. Двухсторонний обмен сообщениями адресуется к одной и той же конечной точке. Для доставки сообщений используется только обмен типа «управление».

С каналами связаны характеристики, соответствующие конечной точке. Каналы организуются при конфигурировании устройств USB. Для каждого включенного устройства существует канал сообщений (Control Pipe 0), по которому передается информация конфигурирования, управления и состояния.

Любой обмен по шине USB инициируется хост-контроллером. Он организует обмены с устройствами согласно своему плану распределения ресурсов.

Контроллер циклически (с периодом 1,0 ± 0,0005 мс) формирует кадры (frames), в которые укладываются все запланированные передачи.

Каждый кадр начинается с посылки пакета-маркера SOF (Start Of Frame, начало кадра), который является синхронизирующим сигналом для всех устройств, включая хабы. В конце каждого кадра выделяется интервал времени EOF (End Of Frame, конец кадра), на время которого хабы запрещают передачу по направлению к контроллеру. Если хаб обнаружит, что с какого-то порта в это время ведется передача данных, этот порт отключается.

В режиме высокоскоростной передачи пакеты SOF передаются в начале каждого микрокадра (период 125 ± 0,0625 мкс).

Хост планирует загрузку кадров так, чтобы в них всегда находилось место для наиболее приоритетных передач, а свободное место кадров заполняется низкоприоритетными передачами больших объемов данных. Спецификация USB позволяет занимать под периодические транзакции (изохронные и прерывания) до 90% пропускной способности шины.

Каждый кадр имеет свой номер. Хост-контроллер оперирует 32-битным счетчиком, но в маркере SOF передает только младшие 11 бит. Номер кадра циклически увеличивается во время EOF.

Для изохронной передачи важна синхронизация устройств и контроллера. Есть три варианта синхронизации:

• синхронизация внутреннего генератора устройства с маркерами SOF;
• подстройка частоты кадров под частоту устройства;
• согласование скорости передачи (приема) устройства с частотой кадров.

В каждом кадре может быть выполнено несколько транзакций, их допустимое число зависит от скорости, длины поля данных каждой из них, а также от задержек, вносимых кабелями, хабами и устройствами. Все транзакции кадров должны быть завершены до момента времени EOF. Частота генерации кадров может немного варьироваться с помощью специального регистра хост-контроллера, что позволяет подстраивать частоту для изохронных передач. Подстройка частоты кадров контроллера возможна под частоту внутренней синхронизации только одного устройства.

Информация по каналу передается в виде пакетов (Packet). Каждый пакет начинается с поля синхронизации SYNC (SYNChronization), за которым следует идентификатор пакета PID (Packet IDentifier). Поле Check представляет собой побитовую инверсию PID.

Структура данных пакета зависит от группы, к которой он относится.

1. Клиентское ПО посылает IPR-запросы уровню USBD.

2. Драйвер USBD разбивает запросы на транзакции по следующим правилам:

• выполнение запроса считается законченным, когда успешно завершены все транзакции, его составляющие;
• все подробности отработки транзакций (такие как ожидание готовности, повтор транзакции при ошибке, неготовность приемника и т. д.) до клиентского ПО не доводятся;
• ПО может только запустить запрос и ожидать или выполнения запроса или выхода по тайм-ауту;
• устройство может сигнализировать о серьезных ошибках, что приводит к аварийному завершению запроса, о чем уведомляется источник запроса.

3. Драйвер контроллера хоста принимает от системного драйвера шины перечень транзакций и выполняет следующие действия:

• планирует исполнение полученных транзакций, добавляя их к списку транзакций;
• извлекает из списка очередную транзакцию и передает ее уровню хост-контроллера интерфейса шины USB;

4. Хост-контроллер интерфейса шины USB формирует кадры;

5. Кадры передаются последовательной передачей бит по методу NRZI

Таким образом, можно сформировать следующую упрощенную схему:

1. каждый кадр состоит из наиболее приоритетных посылок, состав которых формирует драйвер хоста;

2. каждая передача состоит из одной или нескольких транзакций;

3. каждая транзакция состоит из пакетов;

4. каждый пакет состоит из идентификатора пакета, данных (если они есть) и контрольной суммы.

Типы сообщений в USB

Спецификация шины определяет четыре различных типа передачи (transfer type) данных для конечных точек:

• управляющие передачи (Control Transfers) — используются хостом для конфигурирования устройства во время подключения, для управления устройством и получения статусной информации в процессе работы. Протокол обеспечивает гарантированную доставку таких посылок. Длина поля данных управляющей посылки не может превышать 64 байт на полной скорости и 8 байт на низкой. Для таких посылок хост гарантированно выделяет 10% полосы пропускания;
• передачи массивов данных (Bulk Data Transfers) — применяются при необходимости обеспечения гарантированной доставки данных от хоста к функции или от функции к хосту, но время доставки не ограничено. Такая передача занимает всю доступную полосу пропускания шины. Пакеты имеют поле данных размером 8, 16, 32 или 64 байт. Приоритет у таких передач самый низкий, они могут приостанавливаться при большой загрузке шины. Допускаются только на полной скорости передачи. Такие посылки используются, например, принтерами или сканерами;
• передачи по прерываниям (Interrupt Transfers) — используются в том случае, когда требуется передавать одиночные пакеты данных небольшого размера. Каждый пакет требуется передать за ограниченное время. Операции передачи носят спонтанный характер и должны обслуживаться не медленнее, чем того требует устройство. Поле данных может содержать до 64 байт на полной скорости и до 8 байт на низкой. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 1—255 мс для полной скорости и 10—255 мс — для низкой. Такие передачи используются в устройствах ввода, таких как мышь и клавиатура;
• изохронные передачи (Isochronous Transfers) — применяются для обмена данными в "реальном времени", когда на каждом временном интервале требуется передавать строго определенное количество данных, но доставка информации не гарантирована (передача данных ведется без повторения при сбоях, допускается потеря пакетов). Такие передачи занимают предварительно согласованную часть пропускной способности шины и имеют заданную задержку доставки. Изохронные передачи обычно используются в мультимедийных устройствах для передачи аудио- и видеоданных, например, цифровая передача голоса. Изохронные передачи разделяются по способу синхронизации конечных точек — источников или получателей данных — с системой: различают асинхронный, синхронный и адаптивный классы устройств, каждому из которых соответствует свой тип канала USB.

Механизм прерываний

Для шины USB настоящего механизма прерываний не существует. Вместо этого хост опрашивает подключенные устройства на предмет наличия данных о прерывании. Опрос происходит в фиксированные интервалы времени, обычно каждые 1 – 32 мс. Устройству разрешается посылать до 64 байт данных.

С точки зрения драйвера, возможности работы с прерываниями фактически определяются хостом, который и обеспечивает поддержку физической реализации USB-интерфейса.

Режимы передачи данных

Шина USB имеет три режима передачи данных:

• низкоскоростной (LS, Low-speed) 1.5 Мбит/с;
• полноскоростной (LF, Full-speed) 12 Мбит/с;
• высокоскоростной (HS, High-speed, только для USB 2.0) 480 Мбит/с.

Подключение периферийных устройств к шине USB

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.

Спецификация 1.0 регламентировала два типа разъёмов:

Впоследствии были разработаны миниатюрные разъёмы для применения USB в переносных и мобильных устройствах, получившие название Mini-USB.

Существуют также разъёмы типа Mini AB и Micro AB, с которыми соединяются соответствующие коннекторы как типа A, так и типа B.

Так же существуют миниатюрные разъёмы - Micro USB.

Тип USB 2.0	Значение контактов		Цвет провода
USB тип A	№PIN	SIGNAL
	1	+5V	Красный
	2	-Data	Белый
	3	+Data	Зелёный
	4	GND	Чёрный
USB тип B	№PIN	SIGNAL
	1	+5V	Красный
	2	-Data	Белый
	3	+Data	Зелёный
	4	GND	Чёрный

Подключение полноскоростного устройства

Подключение низкоскоростного устройства

Сигналы синхронизации кодируются вместе с данными по методу NRZI (Non Return to Zero Invert). Каждому пакету предшествует поле синхронизации SYNC, позволяющее приемнику настроиться на частоту передатчика.

Кабель также имеет линии VBus и GND для передачи питающего напряжения 5 В к устройствам. Сечение проводников выбирается в соответствии с длиной сегмента для обеспечения гарантированного уровня сигнала и питающего напряжения.