Шина USB: архитектура, протоколы, принципы работы, перспективы развития

В USB-концентратор выполняет сигнал и выходное напряжение переключения, а также отслеживает состояние подключенных устройств, уведомляя хост об изменениях. Концентратор состоит из двух частей - контроллера (контроллер-концентратор) и ретранслятора (повторителя концентратор). Повторитель представляет собой управляемый ключ, соединяющий выходной порт на вход. Он имеет средства поддержки и приостановления передачи сигнала сброса. Контроллер содержит регистры для взаимодействия с хостом. Доступ к регистрам осуществляется в соответствии с конкретными командами относятся к ступице. Команды позволяют конфигурировать хаб для управления портами вниз по течению и контролировать их состояние.Downstream (вниз по течению, нисходящие) порты концентратора могут находиться в следующих состояниях: * Работает (* (выключен) - порт не получает питание (только для концентраторов, импульсный источник питания) Выходные буферы переводятся в высокоимпедансное состояние, входные сигналы игнорируются ..* Disconnected (отсоединен) - порт не передает звуковые сигналы в одном направлении, но способен обнаружить соединительное устройство (при отсутствии SEO состояния в течение 2,5 мс). Затем порт изменяет свое состояние на отключение, а уровни входных сигналов {Diff0 или Diff1 в состоянии ожидания), он определяет скорость подключенного устройства.* Запрещено (запрещено) - порт передает только сигнал сброса (команда от контроллера), сигналы от портов (кроме обнаружения отключения) не воспринимаются. Для обнаружения разрыва (2,5 микросекунд условия SEO) порт переходит в Disconnect, а если отключение обнаружено «спящий» Контроллер-концентратор будет послан сигнал возобновления.* Enabled (разрешено) - порт передает сигналы в обоих направлениях. По команде контроллера или обнаружена ошибка кадра порт переходит в инвалидов, а также в обнаружении отключения - состояние Disconnect.* Подвесные (условно) - Порт передачи сигналов передает в (режим «сна») остановка состояния. Если концентратор находится в активном состоянии, сигналы передаются через порт не в любом направлении. Тем не менее, «сон» Концентратор принимает сигналы изменение состояния законных портов подачи «пробуждается» сигналов от активированного устройства даже после «сна» узлов цепи. Состояние каждого порта идентифицируется контроллером хаба с отдельными регистрами. Существует общий регистр, чьи биты отражают тот факт изменения состояния каждого порта (зафиксированное в ходе EOF). Это позволяет хост-контроллеру, чтобы быстро узнать состояние хаба, а в случае обнаружения изменений уточнить состояние.10. Хост-контроллерХост-компьютер осуществляет связь с устройствами через контроллер. Хост имеет следующие обязанности:* Обнаружение подключения и отключения устройства USB; * Манипулирование управления потоком между устройствами и хостом; * Управление потоком; * Сбор статистических данных; * экономия энергии Обеспечение подключен ПУ. Системное программное обеспечение контроллера управляет взаимодействием между устройствами и их функционирования в хост-компьютере, для утверждения: Модуль шины USB* Нумерация и конфигурация устройств; * Изохронные передачи данных; * Асинхронная передача данных; * Управление энергией; * Информация о том, как управлять устройствами и шиной. Всякий раз, когда это возможно, программа использует существующую систему USB программное обеспечение хост-компьютера - например, AdvancedPowerManagementдля управления питанием.11. Перспективы развития USBИспользуемый на протяжении долгого времени во множестве устройств интерфейс USB 2.0 хотя и продолжает функционировать и поддерживаться, носледует отметить что он сильно устарел и перспектив для дальнейшего использованияне имеет. Это связано с рядом ограничений в первую очередь с низкой скоростью передачи верхним пределом для которой является 480 МБ/с чего уже явно не достаточно для многих приложений. Следующим шагом в развитии данного интерфейса явился разработанный к 2008 году стандарт USB 3.0.USB 3.0К 2008 была окончательно разработана спецификация нового стандарта USB 3.0 появилась. К процессу разработки данного стандарта были привлечены такие ведущиемировыеразработчики как: Intel, Microsoft, Hewlett-Packard, TexasInstruments, NEC и NXP Semiconductors.Стандарт USB 3.0 поднимаетзначение максимальной скорости передачи информации до 5 Гбит/с. Это значение на порядок выше чем у предыдущего стандартаUSB 2.0 (480 Мбит/с). Стандарт 3.0 имеет не только более высокую скорость передачи данных, но большее энергопотребление, потребляемая сила тока увеличилась с 500 мА до 900 мА. Здесь следует отметить что повышенное энергопотребление позволяет осуществлять питание от одного порта большего чем в предыдущей версии количества устройств, также исчезает потребностьприменения внешних источников питания для ряда устройств. Спецификация стандарта USB 3.0 включает разъёмы и кабели имеющие физическую и функциональную совместимость с предыдущимстандартом USB 2.0. Для того что пользователямможнобыло однозначно идентифицировать разъёмы стандарта USB 3.0 производителями было принято решениепроизводить разъемы из пластика синего цвета (или красного цвета – у ряда производителей).Рисунок 11.1 –Внешний вид разъемом разъёмов USB 3.0 (тип А)Рисунок 11.2–Внешний вид разъёмов USB 3.0 (тип В)USB 3.1На смену стандарту USB 3.0,31 июля 2013 компанияPromoterGroupобъявляет о создании спецификации нового стандарта USB 3.1. Заявленная на тот момент максимальная скорость передачи которого должна была достигать значения в 10 Гбит/с. Стандарт USB 3.1 имеет обратную совместимость со стандартами USB 3.0 и USB 2.0.В ходе практических испытаний первая реализация USB 3.1 в виде IP-блока от Synopsysпродемонстрировала в декабре 2013 года макисмальную скорость передачи данных равную 7,2 Гбит/с что эквивалентно 900 МБ в секунду[3].USB 3.2Следующим шагом в развитии интерфейса и последним на настоящее время стала спецификация стандарта USB 3.2 опубликованная 22 сентября 2017 некоммерческой организацией USB ImplementersForum (USB-IF).Спецификация стандарта USB 3.2имеетувеличенную вдвое максимальную скорость передачи данных в сравнении с предыдущимстандартом USB 3.1 Gen 2 — с 10 до 20 Гбит/с. Это предполагается возможным достигнутьпри использовании двух линий по 5 Гбит/с или 10 Гбит/с. Созданные в к настоящему времени кабели USB Type-C, и выпускаемые промышленностью, уже имеют поддержкутакого «двухлинейного» режима. Для нового стандарта USB 3.2 разработчики предусмотрелиналичие возможности агрегации до 4 подключений одновременно, что допускает увеличение теоретической величины пропускной способности до значенияв 40 Гбит/с для каждого направления. Следует отметить, что реализация данного подключенияреализована опциональной, иначе говоряреализация поддержки на уровне системных плат зависит производителя. Получить выгоду от подключения на высоких скоростях, в первую смогут внешние накопители и возможнографические карты. Если данный вид агрегации будет поддерживаться то на это предполагается сделать указание с помощью видоизмененного логотипа.Еще одним новшеством привнесенным стандартом USB 3.2 является меньшиеразмеры разъемом USB Type-C или USB-C, прототип новых разъемовбыл продемонстрирован на MWC 2016. Имеяглавноепреимуществопредыдущей версии — отсутствие чувствительности к ориентации, новая версия разъемом стала уже на 40 процентов. Из заявления разработчиков стандарта, это было сделано дляв связи с общим трендовв снижении габаритов мобильных устройств. Из заявления разработчиковследует что механические и электрические характеристики разъема не изменились — как и ранее, разъем гарантирует нормальную работупри количестве циклов подключения-отключения равном 500 и обеспечивает поддержку заявленной максимальной скорости передачи. Технологически снижениегабаритных размеров разъема выполнено за счетснижения ширины и конфигурации проводящих контактных площадок, но в связи с этим нагрузочная способностьнового разъема, все таки нескольконижев сравнении с исходным вариантом, допустимаяпотребляемая новым разъемоммощностьне должга превышать отметкив 5 Вт.По заявлению ряда крупнейших компаний производителей первые устройства поддерживающие новый стандарт USB 3.2 должны поступитьна рынокко второй половине 2019 года.ЗаключениеУниверсальная последовательная шина USB предназначена для замены этих устаревших интерфейсов, таких как RS-232 (COM-порт) и параллельный интерфейс IEEE 1284 (LPT-порт), который должен заменить последовательный и параллельный, клавиатуры и мыши порты - все устройства подключены к одному разъему, разрешенное многочисленные устройства установки перемещения технологии Plug & Play. Подключите & Play технологии позволяет «горячую замену» без необходимости выключения и перезагрузки компьютера. После физического подключения устройства правильно идентифицирована и настроены автоматически: USB определяет, что он подключен к компьютеру, будет необходим водитель и устройство ресурсы, а затем выделяет все без вмешательства пользователя. Для адекватной работы требует операционной системы шины, которая правильно работает с ним.К шине USB можно одновременно подключить до 127 устройств: мониторы, принтеры, сканеры, клавиатуры и т.д. Каждый устройство, подключенное к первому уровню, может работать в качестве концентратора, то есть к нему с соответствующими разъемами могут быть подключены к нескольким устройствам. Интерфейс обмена - пакетный, скорость передачи данных - 1,5 Мбит / с до 480 Мбит / с.Кроме того, питание подается от маломощных устройств самой шины. Попутно решил историческую проблему нехватки ресурсов на внутренней шине IBM PC совместимого компьютера - контроллер USB принимает только один прерывание, независимо от количества устройств, подключенных к шине.дизайн разъема для USB предназначен для многократного совместного / расчленения.Все эти особенности и преимущества интерфейса USB играет решающую роль в том, что эта технология так популярна. Универсальность USB типа подключения привела к тому, что теперь интерфейс USB распространился повсеместно, заменив устаревший порт на вашем компьютере.Однако пропускная способность USB 2.0 уже недостаточно для многих современных устройств. Новые стандарты USB 3.0, 3.1, 3.2 обеспечивают повышенную пропускную способность, а также предоставляет другие нововведения. Таким образом на сегодняшний день наиболее новой и перспективной версией стандарта USBявляется принятый в 2017 новейший стандарт 3.2. который обеспечил следующие улучшения по сравнения с предыдущими версиями.Спецификация стандарта USB 3.2имеетувеличенную вдвое максимальную скорость передачи данных в сравнении с предыдущимстандартом USB 3.1 – с 10 до 20 Гбит/с,использованы две линий по 5 Гбит/с или 10 Гбит/с. Кабеливыпускаемые промышленностью, уже имеют поддержкутакого «двухлинейного» режима. Спецификация стандарта USB 3.2 предусмотрела наличие возможности агрегации до 4 подключений одновременно, что допускает увеличение теоретической величины пропускной способности до значения в 40 Гбит/с для каждого направления, реализация опциональная, если данный вид агрегации будет поддерживаться то на это предполагается сделать указание с помощью видоизмененного логотипа. Получить выгоду от подключения на высоких скоростях, в первую смогут внешние накопители и возможно графические карты. Спецификация стандарта USB 3.2отличилась еще одним новшеством – меньшие размеры разъемом USB Type-C или USB-C, прототип новых разъемов был продемонстрирован на MWC 2016. Имея главное преимущество предыдущей версии — отсутствие чувствительности к ориентации, новая версия разъемом стала уже на 40 процентов. Из заявления разработчиков стандарта, это было сделано для в связи с общим трендов в снижении габаритов мобильных устройств, при этом механические и электрические характеристики разъема не изменились – как и ранее, разъем гарантирует нормальную работу при количестве циклов подключения-отключения равном 500 и обеспечивает поддержку заявленной максимальной скорости передачи. Допустимая потребляемая новым разъемом мощность не должна превышать отметки в 5 Вт.На данный момент оборудование и устройства поддерживающие стандарты USB 3.0, 3.1 уже реализованы, в то время как поддерживающие стандарт 3.2 только начинают реализовывать.азмещенные на Allbest.RuСписок использованных источников1. Агуров П.В. Практика программирования USB. — СПб.: БХВ – Петербург, 2007. — 624 с 2. www.usb.org3. https://ru.wikipedia.org/wiki/USB#USB_3.04. Компьютерный интерфейс (электронные публикации). 1999г.- 385с.