Шина USB

 

Универсальная последовательная шина (Universal Serial Bus) разработана в качестве средства подключения к компьютеру периферийных устройств различного класса. Первая спецификация шины утверждена в 1996 г., в настоящее время действует спецификация версии 2.0, описывающая шину с расширенными возможностями.

Архитектура интерфейса USB включает три категории компонентов:

  • коммуникации;
  • устройства;
  • хост-контроллеры.

Коммуникации определяют топологию шины (модель соединения контроллера и устройств), модель выполнения задач, модель обмена данными и разделения ресурсов шины.

В категории устройств различают устройства-хабы (концентраторы), то есть компоненты, способные обеспечить дополнительные точки подключения, и функциональные устройства, которые являются конечным звеном топологии сети USB. Корневой концентратор (хост-контроллер) является ведущим компонентом интерфейса USB, обеспечивая все функции.

К хост-контроллеру подключают либо функциональные устройства, либо концентраторы для увеличения числа доступных портов. Допускается организация до пяти уровней топологии, что в сумме обеспечивает подключение до 127 абонентов.

Хост-контроллер следит за подключением и отключением устройств, организует управляющие потоки между USB -устройством и хостом, потоки данных между USB -устройством и хостом, контролирует состояние устройств и ведет статистику функционирования, снабжает подключенные устройства электропитанием.

Многие функции контроллера USB возложены на операционную систему: адресация устройств и их конфигурирование, управление энергопотреблением и процессами передачи данных на логическом уровне.

Концентратор (хаб) служит разветвителем шины, создавая дополнительные порты. Каждый хаб имеет один восходящий канал, предназначенный для подключения к имеющемуся в наличии свободному порту, и несколько нисходящих, к которым могут быть подключены или другие концентраторы, или конечные устройства. Хаб должен следить за подключением и отключением устройств, уведомляя хост об изменениях, распределять электропитание между потребителями.

Функциональное устройство с позиции контроллера USB — это конечная точка в топологии шины, с которой возможен обмен данными. Одно физическое устройство может содержать несколько точек. В обязательном порядке в устройстве присутствует точка с номером 0. До конфигурирования устройства через точку 0 остальные каналы недоступны.

Таким образом, конечная точка — это тупик логического канала данных между хостом и устройством. В свою очередь канал — это логическое соединение между хостом и устройством. Если конечных точек в физическом устройстве несколько, то обмен данными между хост-контроллером и устройством проходит в многоканальном режиме.

Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Шина USB предоставляет каналы нескольких типов.
Каналы сообщений являются двунаправленными и служат для передачи сообщений, имеющих строго определенный формат, необходимый для обеспечения надежной идентификации устройств.
Потоковые каналы являются однонаправленными. Они не имеют определенного формата, то есть обеспечивают обмен данными любого типа.

С практической точки зрения особый интерес представляет изохронный режим передачи потоковых данных в реальном времени. Этот режим используют для аудио- и видеоданных.


На некоторых материнских платах параметр «USB Controllers» по умолчанию выставлен в режим USB 1.1. Это связано с тем, что операционная система \Л/1пс1о\л/5 ХР без пакетов исправлений не поддерживает USB версии 2.0.
Для включения USB 2.0 в BIOS Setup необходимо сделать следующее.

  1. Перейдите в раздел On CHIP PCI Device (или Integrated Peripherals в других версиях BIOS).
  2. Установите значение Enabled в строке USB 2.0 Controlled.
  3. В некоторых версиях BIOS следует установить значение V1.0+V2.0 в строке USB Controllers version.

Интерфейс USB 2.0 поддерживается всеми версиями операционной системы Windows XP, начиная с Service Pack 1.

Информация по шине USB передается пакетами. Обмен данными возможен только между хостом и устройством и не допускается напрямую между устройствами на шине. Предусмотрено три скоростных режима:

  • Low Speed (низкоскоростной режим) с пропускной способностью до 1,5 Мбит/с;
  • Full Speed (полноскоростной режим) с пропускной способностью до 12 Мбит/с;
  • Hight Speed (высокоскоростной режим) с пропускной способностью до 480 Мбит/с.

Физические каналы связи организуются концентраторами и кабеля­ми. Кабель представляет собой экранированную витую пару. Всего в USB-кабеле применяют 4 провода: два для передачи сигнала и два для подачи напряжения.

Для подключения устройств предназначены соединители типа «А» и типа «В». Разъемы типа «А» используют для постоянно подключенных устройств, например принтеров.

Соединители типа «В» используются для периодически подключаемой периферии, например флэш-накопителей. Разъем mini- USB типа «В» предназначен для подключения малогабаритных устройств (мобильные телефоны, фотоаппараты, плееры).

Конструктивно разъемы сделаны так, что сначала происходит соединение шины питания, потом шины данных. Устройства, потребляющие небольшой ток (до 500 мА), могут быть запитаны от шины USB.


При подключении к шине USB нескольких устройств бывает так, что некоторые из них не работают или работают нестабильно. Обычно это объясняется превышением максимально допустимого тока нагрузки шины USB.

  1. Даем команду Пуск > Панель управления > Система. В диалоговом окне Система открываем вкладку Оборудование, щелчком на кнопке Диспетчер устройств открываем одноименное диалоговое окно.
  2. В диалоговом окне Диспетчер устройств раскрываем список Контроллеры универсальной последовательной шины USB, выбираем строку Корневой USB концентратор. Щелчком дополнительной кнопки мыши открываем контекстное меню, выбираем пункт Свойства.
  3. В диалоговом окне Свойства открываем вкладку Питание. На панели Подключенные устройства в столбце Требует питания проверяем энергопотребление устройств.
  4. Если общее энергопотребление устройств, подключенных к концентратору, близко к значению 500 мА или превышает его, физически переключаем одно из устройств на порт USB, принадлежащий другому концентратору.
  5. Если в компьютере не хватает свободных мощностей концентраторов USB, требуется установить внешний концентратор с собственным питанием или перевести одно из устройств на питание от электросети.
  6. В некоторых версиях BIOS существует параметр USB 2.0 HS Reference Voltage , управляющий питанием портов USB. Выставьте значение параметра Hight или Maximum.