Технологія USB 2.0

Діджитал 29 червня 2022 Перегляди: 170

Наступний рік, за прогнозами аналітиків, повинен стати переломним на користь нового (щодо) USB 2.0. А адже багато хто ще й з першим-то незнайомі. Швидкості з якою виробники «» комп'ютерних залізяк «» розроджуються новими творіннями можна тільки дивуватися.

Хост. Як вже було сказано раніше, програмно-апаратний комплекс.
Концентратор (хаб). Дозволяє численні підключення до одного порту, створюючи додаткові порти. Кожен хаб має один висхідний порт, призначений для підключення до наявного вільного порту, і кілька спадних, до яких можуть бути підключені або знову концентратори, або кінцеві пристрої, або поєднані пристрої.

Бідолашна користувач у такому величезному потоці високотехнологічних пристроїв часто втрачається, і багато технологій залишаються за межею його уваги. Так от і шина USB, якою б новою багатьом вона не здавалася, - технологія у віці. Десятирічний ювілей не за горами. Життя її почалося в далекому 1995 році, коли багато компаній, прагнучи слідувати проголошеним принципом Plug'n'Play прагнули створити щось, що дозволяє зробити процедуру додавання нових пристроїв в систему настільки простою, наскільки це взагалі можливо, та й до того ж універсальне, придатне для великого числа різного виду пристроїв. Ця ідея об'єднала лідерів комп'ютерної та телекомунікаційної промисловості в особах Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC і Northern Telecom. Ми ж прості користувачі, з трепетом очікували закінчення розробок.

Адже якщо нова технологія дійсно буде працювати, то це дозволить забути про проблему постійної нестачі комунікаційних портів, з якою в ті роки завдяки значно збільшилася доступність периферії багатьом вже довелося зіткнутися.

Що ж. Їх муки не пройшли даром. І хоча спочатку впровадження йшло з дуже великим скрипом, сьогодні сотні мільйонів комп'ютерів по всьому світу оснащені шиною USB, а периферійних пристроїв з цим інтерфейсів всіх не перечесть: від мишок і клавіатур до жорстких дисків, приводів для запису CD і DVD тощо.

Причиною скрипу при впровадженні було замкнуте коло: природно, що нова шина повинна була підтримуватися операційною системою, а Windows 95 цим похвалитися не могла. Microsoft не горіла бажанням працювати не зрозумій для чого - пристрої з USB інтерфейсом можна було перерахувати чи не на пальцях, а у виробники апаратного забезпечення в свою чергу не хотіли робити пристрої для не підтримуваної популярної ОС шини.

Вихід оновлень OSR2.1 не сильно змінив ситуацію, оскільки зроблено все було в ньому через пень-колоду (до речі, а в NT системах вона так і не з'явилася. до Windows 2000). Основна підтримка була з боку компаній виробників систем і системних компонентів - для них це було джерелом прибутку (за даними аналітиків Dataquest обсяг продажів систем з USB повинен був скласти в 1997 році 30 млн штук і в 1998 всі продавані комп'ютери повинні були бути оснащені цією шиною (можливо так і було, але не у нас:-)), і, потім, товариші вірили, що зійде вона, зірка полоненого щастя.

Нехай не сьогодні, завтра, але зійде. Так і сталося. Переломним моментом в історії USB став вихід Windows 98: з'явилася підтримка, почався випуск пристроїв, і технологія почала своє існування не тільки у розробників, але і у користувачів, до речі, багато з яких відносять появу саме до цього моменту.

Сьогодні USB - це дуже популярна універсальна послідовна шина. Призначена для легкого підключення різного виду пристроїв це клавіатури, миші, джойстики, колонки, модеми, мобільні телефони, стрічкові, дискові, оптичні і магнітооптичні накопичувачі, флеш-диски, сканери і принтери, дигітайзери, словом все, що підключається до ПК. Також, з очікуванням великого зростання в області інтеграції комп'ютерів і телефонії, шина USB може виступати в якості інтерфейсу для підключення пристроїв цифрової мережі з інтегрованими послугами (ISDN) і цифрових пристроїв Private Branch eXchange (PBX).

Пропускної здатності в 480 Мбіт/с у версії 2.0 достатньо для задоволення потреб всіх цих застосувань повною мірою. Додавання пристроїв більше не пов'язане з установкою додаткових адаптерів, виконанням складного конфігурування, ручним інсталюванням додаткового програмного забезпечення: система автоматично визначає, який ресурс, включаючи програмний драйвер і пропускну здатність, потрібен кожному периферійному пристрою і робить цей ресурс доступним без втручання користувача. Популярна периферія сьогодні доступна у варіантах з USB набагато частіше, ніж з іншими.

Існуючої раніше різниці в ціні в 10-15-20 доларів (автор пам'ятає як 5 років тому купуючи сканер переплачував 20 доларів за USB модель) і захмарних цін на зовнішні USB-контролери немає, більш того, вже давно USB-контролери інтегруються в чіпсети материнських плат, і користувач отримує їх у своє розпорядження практичною USB вийшов у маси і потрібно констатувати той факт, що COM LPT і PS/2 порти повільно вмирають. Давно пора была избавиться от многочисленных пережитков прошлого. Це та красива зовнішня сторона, якою USB звернена до користувача.

Всередині все дещо складніше. Взагалі я вже говорив, що останнім часом прагнення виробників до чіткої внутрішньої організації/структуризації мені весь час нагадує про модель OSI мереж передачі даних. Хтось до них далі, хтось ближче але в цілому:

Виділення окремих функціональних блоків вдалий і зручний підхід. І немає ніякої необхідності шукати пригод винаходячи щось нове. Отже.

Напевно багато хто чув про те що USB шина дозволяє підключати до 127 пристроїв. І в той же час на задній стінці зазвичай знаходиться 2 або 4 порти. І у багатьох напевно виникло питання - нас обдурили, на нас заощадили (менше портів - дешевше система. Хоча... 127 портів розмістити на задній панелі... Навіть уявити складно) або щось ще. Виявляється справа все в тому, що шина USB дозволяє багаторівневе каскадування. Наочно це пояснює наступний малюнок:

Так ми виходимо на першу архітектурну особливість шини USB: її логічна топологія - багаторівнева зірка.

Верхнім рівнем є кореневий концентратор, який зазвичай поєднується з USB контролером. Якщо функції контролера зрозумілі, то концентратор - пристрій для периферійних інтерфейсів не звичний. В даному випадку його функція така ж, що і концентраторів мереж передачі даних - додавання нових портів для підключення більшого числа пристроїв. Нічого більшого, ніж просто розгалужувач.

До кореневого концентратора можуть бути підключені або пристрої, або ще концентратори, для збільшення числа доступних портів. Допускається організація до п'яти рівнів. Концентратор може бути виконаний у вигляді окремого пристрою, або бути вбудованим в якесь інше. З цієї точки зору пристрої підключаються до USB можна підрозділити на функціональні пристрої, тобто ті які виконують якусь конкретну функцію і не беруть на себе ніяких додаткових завдань (наприклад, миші) пристрої-концентратори в чистому вигляді виконують тільки функцію тільки розгалуження, і поєднані (комбіновані) пристрої, тобто ті, що мають у своєму складі концентратор, розширюють набір портів і дозволяють підключати інші пристрої (як найбільш часто зустрічаються приклади можна назвати монітори, що дозволяють USB здійснювати налаштування параметрів, і зазвичай мають ще кілька додаткових порти, для підключення інших пристроїв або клавіатури, з роз'ємами для з'єднання мишей).

Зверніть увагу, на те, що на п'ятому рівні комбінований пристрій використовуватися не може. Крім того окремо варто згадати про хост, що є швидше програмно-апаратним комплексом, ніж просто пристроєм. Фізична топологія шини - зірка

Це пояснюється тим, що кожен концентратор забезпечує прозоро для хосту з'єднання з пристроєм.

А відносини клієнтського програмного забезпечення і USB пристроїв взагалі казка. На відміну від звичних старих інтерфейсів, де взаємодія можна було (і потрібно) здійснювати звертаючись до пристрою за конкретними фізичними адресами пам'яті і портами введення висновку, USB надає для взаємодії програмний інтерфейс і тільки його, дозволяючи клієнтському ПЗ існувати у відриві від конкретного підключеного до шини пристрою і його конфігурації. Для клієнтської програми USB - це лише набір функцій.

Всі класи пристроїв вже були згадані. Тепер можна про кожного поговорити трохи детальніше.

Хост. Як вже було сказано раніше, програмно-апаратний комплекс.

В обов'язки хоста входить:

Стеження за з'єднанням і вимкненням пристроїв
Організація керуючих потоків між USB-пристроєм і хостом.
Організація потоків даних між USB-пристроєм і хостом
Контроль стану пристроїв і ведення статистики активності
Постачання підключених пристроїв електроживленням

Апаратною частиною є хост контролер - посередник між хостом і пристроями на шині.

Програмні функції (перерахування пристроїв та їх конфігурування, управління енергоспоживанням, процесами передачі, пристроями на шині і самою шиною) покладено на операційну систему. Першою популярною операційною системою, в якій підтримка USB реалізована була в повному обсязі стала Windows 98 Second Edition. Деякі пристрої можуть бути працездатними і під більш ранніми версіями (98 без SE, і зрідка 95), але далеко не всі і не завжди.

Концентратор (хаб). Дозволяє численні підключення до одного порту, створюючи додаткові порти. Кожен хаб має один висхідний порт, призначений для підключення до наявного вільного порту, і кілька спадних, до яких можуть бути підключені або знову концентратори, або кінцеві пристрої, або поєднані пристрої.

Хаб повинен стежити за підключенням і відключенням пристроїв, повідомляючи хост про зміни, керувати харчуванням портів. У концентраторі стандарту USB 2.0 можна виділити 3 функціональні блоки: контролер, повторювач, транслятор транзакцій. Контролер відповідає за з'єднання з хостом. Поняття повторювач у USB дещо відрізняється від прийнятого в мережах передачі даних. Його обов'язок - з'єднувати вхідний і якийсь потрібний з вихідних портів. Транслятор транзакцій з'явився лише в USB 2.0 і потрібен, як завжди, з міркувань сумісності з попередніми версіями. Коротко його суть в тому, що б забезпечувати максимальну швидкість з'єднання з хостом. Підключений до високошвидкісного (USB 2.0) порту старий повільний (USB 1.1) пристрій з'їдав би значну частину часу, а отже і корисної пропускної здатності шини, ведучи обмін з хостом на низькій швидкості (чому так відбувається ми з'ясуємо пізніше при розгляді механізму обміну даними хост-пристрій). Як метод боротьби транслятор транзакцій буферизує кадр, що надходить з повільного порту, а потім на максимальній швидкості передає його хосту, або ж буферизує одержуваний на максимальній швидкості кадр від хосту, передаючи його потім пристрою на меншій, прийнятній для нього швидкості. Крім розгалуження і трансляції транзакцій хаб повинен здійснювати конфігурування портів і стеження за коректним функціонуванням підключених до них пристроїв. Потрібно сказати також, що при використанні старих і нових концентраторів разом можливо створення неоптимальних з точки зору продуктивності конфігурацій. Щоб уникнути створення вузьких місць у своєму ланцюгу, підключайте низькошвидкісні пристрої до низькошвидкісних хабів, які в свою чергу робіть останніми рівнями гілки і не підключайте їх в середину високошвидкісного ланцюжка.

Наступна сторінка

⇣ Зміст