Usb universal Serial Bus



Дата22.07.2017
Размер159.75 Kb.
Универсалната серийна шина (USB - Universal Serial Bus) е стандарт за свързване на електронни устройства, най-често към компютър. USB е еднa от онези абревиатури, които променят живота на хората. Това е най-масово разпространеният стандарт за пренос на данни. В глобален мащаб са произведени повече от шест милиарда технологични устройства, които се възползват от него. Фирмите, които разработват електроника, имат доверие в USB, заради постоянната му еволюция. Основните компании участвали в разработването на този продукт са: Compaq, Digital, IBM, Microsoft, NEC и Northern Telecom. USB шината е с отворена спецификация, което означава, че стандарта е публично достъпен и всеки желаещ може да произвежда USB устройства, без да плаща лиценз. Създадена е още през 1994 г., като дълго време е била наричана Безполезна серийна шина (Useless Serial Bus). Стандартът придобива популярност с въвеждането на драйверна поддръжка в Windows 95, а масовото предлагане на USB-съвместими устройства започва през 1998-99 г.

USB използва кодиране на данните, наречено NRZI (Non Return to Zero Invert - без връщане към нулата с инвертиране). NRZI е метод за кодиране на серийни данни, при който единиците и нулите се представят чрез противоположни и редуващи се високи и ниски напрежения, където няма връщане към нулево (или опорно) напрежение между кодираните битове. В NRZI кодирането единицата се представя без изменение в нивото на сигнала, а нулата се представя с изменение в нивото. Поредица от нули кара NRZI данните да променят състоянието си при всеки следващ бит. Поредица от единици води до дълги периоди без промяна в данните. Това е ефективна схема за кодиране, защото тя елиминира необходимостта от допълнителни синхронизиращи импулси, които в противен случай биха прахосали време и пропускателна способност


1.1 Организация на USB

USB шината се храктеризира с Master-Slave организация, в която едно главно усторйство, наричано master или host (най-често компютър) управлява до 127 свързани устройства.




Свързването става чрез кабели с макс. дължина 5m и няколко различни типа конектори.Стандартът не допуска директното свързване на 2 хоста по между си, но чрез специализирани "нестандартни" кабели това ограничение може да бъде заобиколено. Една от най-важните характеристики на USB шината е, че тя осигурява захранващо напрежение за свързаните устройства и те (в общия случай) не се нуждаят от допълнително външно захранване.

USB устройствата се считат за хъбове, за функции или и за двете едновременно. Функциите са индивидуални устройства, които се свързват към USB шината – например клавиатура, мишка, принтер, скенер, телефон и т.н. Хъбовете осигуряват допълнителни точки за свързване към USB.

Хъбовете по същество са концентратори на проводници, позволяващи свързване на множество устройства в звездна топология.Хъбът няма логически функции, а служи като разпределител с интегриран сигнален усилвател (Repeater). Всяка точка за свързване се нарича порт. Kъм него могат да се включват USB устройства. Техният брой може да бъде най-различен. На снимката след това е даден 7 портов хъб със собствено захранване:


За по-надеждна работа се препоръчват хъбове със собствено захранване, които се включват чрез адаптер към електрическата мрежа. Хъбовете, без допълнително захранване, черпят захранването си от USB портовете на хоста и не винаги той е способен да осигури адекватно захранване за изискващите по-голяма мощност устройства, каквито са например твърдите дискове с голям капацитет (над 250GB)

1.2 USB хъб контролер

µPD720114 на фирмата NEC е част от ECOUSB™ серията и се използва в 4 портовите хъбове и е подходящ за „Екологични Решения”. Контролер със такива малки размери обединява 2,5V вътрешен заряд за регулатора на ядрото на логиката, за крайното съпротивление и намалява нуждата от броя на външните компоненти. Позволява да се намали дизайна на платката. Също така консумираната енергия от контролера е значително намалена, когато хъба е активен или е в режим на изчакване. Хъбът e изграден с помощта на контролера на NEC има 4 порта за изход на данни и ЛЕД индикатор за статуса на всеки порт.

Контролера е с размери- (7мм х 7мм)

Сертифициран е за Windows XP и Windows 2000

Има драйверна поддръжка от Windows

Съвместим е с USB 2.0



1.3 Различия от приложна гледна точка между RS232 и USB


RS232 дефинира интерфейсен слой, но не дефинира приложен слой. За да се използва RS232 в конкретната ситуация трябва да бъде написан специфичен софтуер за устройствата от двете страни.

USB от друга страна е шина, която позволява да се включат повече от едно устройство към порта на компютъра. Стандартът описва не само физическите свойства на интерфейса, но и протокола, който се използва за връзка.

Лесно можем да видим от къде се появява проблема при тези конектори. Разработчиците имат голяма свобода да определят портовете на RS232, които са достъпни директно в програмата или почти директно. Настройки като датабит, софтуерен и хардуерен контрол винаги могат да бъдат променени според приложението. USB интерфейса не дават тази гъвкава възможност.

RS232 портовете, които са физически добавени към компютъра често са захранени от 3 напрежения: + 5V, -12V и + 12V за изходните устройства. USB-то от своя страна се снабдява с 5V. Някой от преобразувателите USB-RS232 използват интегрирани преобразуватели за постоянен ток, за да създадът подходящи нива на волтажа на сигналите на RS232, но в много евтини варианти +5V се използва директно за да се изкарат данните. Много от RS232 портовете разпознават волтажа под 2V като празен сигнал.

Друга особеност се появява при предотвратяването на препълването на буфера от страна на получатела. RS232 използва два похвата за тази цел – контролиране на командния поток от данни наречен – software flow control или физически линии наречени hardware flow control. Не всички преобразуватели използват този втори похват за предотвратяване на грешките. Те могат да бъдат определени като евтини устройства. Заради нестандартните серий на RS232 е много трудно да се избере подходящ преходник за извършване на операцията без да се получи препълване от страна на получатела. Поради тази причина е най-подходящо да се постави платка с RS232 изход на компютъра, вместо да се използва този преходник.



1.4 Интерфейс за връзка

Кабелът USB 2.0 съдържа в себе си четири линии – двойка за приемане/предаване на данни, една за захранване и още една – за заземяване(+5 V и маса). На захранващите кабели могат да се пуснат 500mA при 5V.






1. Червен

+5V

2. Бял

D-

3. Зелен

D+

4. Черен

GND




Това е стандартния куплунг за USB.
Още от 1995 г. много дънни платки вече разполагат стандартно с куплунг USB. В днешно време всяка една дънна платка разполага с от 4 до 6 куплунга на задния панел и със още от 2 до 4 на така наречения преден панел на кутията. Пиновете за предния панел са разположени на дънната платка, най-често в долната и част и най-често са групирани по двойки. С помощтта на 4 кабелчета свързани с предния панел се осъществява свързването на куплунга на този панел с пиновете на дънната платка. Свъзрването става като се наредят червен, бял, зелен и черен, кабелчетата от предния панел, като черния кабел остава към липсващия пин от гнездото(като на снимката по-долу). Най-често пиновете за предния панел са именовани – F_USB.

Към стандартните 4 линии USB 3.0 добавя пет нови линии (в резултат на което кабелът става по-дебел), но новите контакти са разположени паралелно по отношение на старите.От петте нови линии, които се появиха в USB 3.0, една двойка е предназначена за приемане на данни, а втора – за тяхното предаване. Сечението на USB 3.0 кабела ще е колкото това на стандартен Ethernet кабел.

Високата скорост е постигната в резултат на организиране на синхронен обмен на информацията. В USB 2.0 двойката линии, използвани за обмен на данните, може да управлява трафика само в една посока.
1.5 Скоростни характеристики

Скоростта на трансфер при USB v1.1 е максимум 12Mbit/s

Скоростта на трансфер при USB v 2.0 е до 480 Mbit/s (60 MB/s) близка до тази на FireWire. При USB 3.0 се увеличава максималната скорост на предаване на данни до 4,8 Gbit/s, което е 10 пъти повече, отколкото при USB 2.0 (480 Mbit/s). Според Intel, копирането на филм с висока резолюция и обем 27 GB ще отнеме през USB 3.0 само 70 секунди, докато през USB 2.0 за това са нужни 15 минути.

1.6. Работа на USB

Когато хостът (компютърът) започне да работи, той назначава на всяко от устройствата адрес. Този процес е известен като номериране. То се извършва и когато се включва ново устройство. Хостът също установява по какъв начин устройствата искат да предават:



Interrupt (прекъсване) – за устройство, което изпраща малко количество информация.
BulkУстройство като принтер, което получава данните на големи порции, комуникира по този начин. Блок от данни се праща към принтера (на 64 – байтови парчета) и се проверява дали е коректно.
Isochronous (изохронен)- Устройства, които работят с поток от данни (като говорители) използват изохронен режим. Непрекъснато текат данни между компютъра и устройството и няма проверка за грешка.
Хостът може да изпраща и контролни пакети.
Когато се номерират устройствата, компютърът следи за честотната лента на изохронните устройства и тези, които работят с прекъсване. Те могат да консумират до 90% от честотната лента. При превишаване на този лимит се отказва достъп. Контролните пакети и bulk устройствата използват останалия ресурс.
USB разделя честотната лента на кадри, а хоста ги контролира. Кадрите са с капацитет 1 500 байта и всеки нов кадър стартира всяка милисекунда. По време на квант изохронните устройства и тези, които работят с прекъсване получават гарантирано необходимият им канал с определена ширина. Bulk устройствата и контролните данни използват остатака от честотната лента.
USB On-The-Go
През декември 2001г. организацията USB-IF пусна допълнение към стандарта USB 2.0, наречено USB On-The-Go. То беше създадено с цел да поправи един основен недостатък на USB – фактът, че за да прехвърлите данни между две устройства е необходимо РС. С други думи, преди появата на това допълнение не можехте да свържете два фотоапарата един към друг и да прехвърлите снимки, без за целта да използвате РС, което да управлява трансферите. Обаче с появяването на USB On-The-Go, устройствата, които отговарят на това изискване, работят нормално дори когато са свързани с РС.

Въпреки че тази възможност може да работи и с РС, тя беше добавена главно заради USB устройствата в областта на битовата електроника, където не винаги е задължително да имате компютър. Използвайки този стандарт, устройства като цифрови видеокамери могат да се свързват с телевизори с цел възпроизвеждане на заснетото. Добавянето на USB On-The-Go значително разшири използването на USB 2.0 и разшири възможностите му както при РС-тата, така и при битовата електроника.




1.7 USB флаш устройства

Тези малки, стилни и преносими устройства за няколко години получиха изключителна популярност и сред българските потребители. Непрекъснатото понижаване на цените ги направи масово достъпни и от доста време те се превърнаха в задължителен аксесоар за почти всеки РС потребител.




Отдавана се търсеше някакъв заместител на твърде остарялото флопидисково устройство, което реално не можеше да отговори адекватно на постоянно нарастващите нужди от обем за съхранение на информация. През годините на съществуването му имаше доста опити да бъде зaменено от други устройства, но нито едно от тях нямаше необходимите качества и в крайна сметка, след като премина еуфорията около тях, си останаха само статистически факт. Сега ситуацията е съвсем различна с USB флаш устройствата, които притежават много предимства и са на път да направят това, което нито едно друго устройство не постигна за изминалите години. Производителите са доста изобретателни и решиха да разчупят традиционната представа на потребителя за тези устройства, като започнаха да ги оборудват с какви ли не други функции, като започнем от вградените MP3 плейъри и стигнем до ексцентричното USB устройство на Pinnacle с интегриран DVB-T тунер за приемане на TV и радио програми. В началото, когато се появиха първите USB флаш устройства, производителите на дънни платки не им обръщаха особено внимание и нямаха предвидени възможности в продуктите си, за да ги третират като системни устройства, от които да се зарежда някаква миниоперационна система. Но вече нещата доста се промениха и едва ли може да се срещне съвременна дънна платка, в чийто BIOS да не е предвидена тази възможност.

USB флаш устройството е малка преносима, енергонезависима флаш памет, която се включва в някой от USB портовете на компютъра и функционира като преносим твърд диск. USB устройствата са направени за улесняване на потребителите при пренасяне на информация. Малкият им размер позволява да се носят в джоб и да се включат в който и да е компютър, притежаващ USB порт (на практика това е всеки един съвременен компютър). USB флаш устройствата имат значително по-малък капацитет на съхранение спрямо преносимите твърди дискове, но за сметка на това физическият им размер е много по-малък (колкото ключодържател), а и са много по-здрави, тъй като те не съдържат никакви подвижни части. Като недостатък на флаш паметта и оттам на USB флаш устройствата може да се спомене фактът за ограничения брой цикли на запис и висока цена за гигабайт спрямо твърдите дискове.


NAND памет

Разновидностите на флаш паметта, които се произвеждат и използват в момента, са два – NOR и NAND чипове, чиято архитектура се различава основно. Разбира се, никак не е трудно да се досетим защо съществуват тези две разновидности – производството на NOR е многократно по-скъпо от това на NAND паметите. От друга страна, NAND е много по-бавна, което я прави неподходяща за използване като кеш памет в хибридните твърди дискове или като цялостен техен заместител. И докато за производството на NOR няма изгледи да стане по-евтино, съществува възможност за ускоряване на NAND чрез различни методи.

В исторически план флаш паметта е изобретена доста отдавна – още през 1984 г. д-р Фуджио Масука от Toshiba разработва изцяло нов тип памет, която нарича flash, тъй като за изтриването й се е използвала светкавица. По-късно бива разработена разновидността NAND, която е значително по-евтина, макар и по-бавна. Основната разлика между двете се състои във възможността на NOR паметта да адресира всяка своя клетка, което позволява произволния достъп до нея. Това я превръща в алтернатива на класическата RAM памет, понеже, макар и по-бавна, няма нужда от постоянно захранване, за да съхранява информацията си.

NAND, от друга страна, наподобява много повече класически твърд диск, при който адресът на всеки бит записана информация се придобива след прочитане на таблицата FAT. Поради тази причина NAND е значително по-бавна при четене и запис в сравнение с NOR, но пък е и по-евтина. Друг сериозен недостатък на NAND e по-краткият живот, който напоследък се удължава сериозно чрез използването на нови технологии.



Технологично погледнато, освен поради самия начин на опериране, флаш паметите са бавни и по още една причина – контролерите, които ги управляват. За да се промени това, трябва да се премине към технология, много подобна на двуканалната RAM памет, която се използва в момента. Разбира се, в случая става въпрос за паралелната работа на повече от два контролера, за да се постигне наистина забележим скок в производителността.



Устройство:

Основните компоненти, от които се състои едно USB флаш устройство:


USB конектор – чрез него то се свързва с компютъра
USB Mass Storage контролер – съдържа USB хост контролер и предоставя сериен интерфейс за връзка и управление на блоково ориентираната флаш памет. Сам по себе си контролерът е съставен от малък RISK микроконтролер и малко количество ROM и RAM памет.

NAND флаш памет – в нея се съхраняват данните
Осцилатортова е тактовия генератор, който е необходим, за да функционира контролерът. Обикновено генерира тактова честота 12 MHz
Допълнителни компоненти, които обикновено се срещат в устройствата, са:
джъмпери и тестови изводи – използват се от производителя за тестване на устройството и за въвеждане на микрокода (фърмуера) на микроконтролера.
Светодиоден (LED) индикатор – служи за светлинна индикация при трансфер на данни при четене и запис.
ключ за защита от запис и изтриване – с него сего се забранява и разрешава записа на данни във флаш паметта
Предпазна капачка за USB конектора – служи за предпазване на конектора от прах и мръсотия, както и и от статични електричества, които могат да възникнат при триене със синтетични материи.
1.8 USB конектори

V 2.0


2. USB V 3.0 ( SuperSpeed USB)

Въпреки че стандартния куплунг тип А за USB 3.0 на вънчен вид не се различава от този при USB 2.0, вътрешно има значителни разлики:



  • Освен Vbus, D-, D+ и GND пиновете, които са необходими при USB 2.0, стандартният куплунг от тип А за USB 3.0 включва още 5 пина, които са разделени в 2 диференциални усукани двойки и един за земя(GND_DRAIN). Двете добавени двойки са за SuperSpeed трансфер на данни.

  • Контактната площ на петте SuperSpeed пин-а е разположена до предната част на куплунга като остриета, докато четирите USB 2.0 пина са разположени в задната част на куплунга като наподобяват пружинки. С други думи USB 3.0 стандартен конектор от тип А има две контактни площи.

  • Може да има увеличение в дълбочината на гнездото при стандартното USB 3.0, което се намира на дънната платка, заради двете контактни площи, в сравнение с едната при USB 2.0.

  • Когато дизайнерите доуточняват вида на детайлите трябва да вземат в предвид това, че интерфейсът, който служи за връзка между SuperSpeed и USB 2.0, трябва да избегне възможността от късо съединение между пиновете на двата стандарта - когато се поставя стандартен USB 2.0 жак в стандартен USB3.0 куплунг или обратното.

USB 3.0 може да се похвали не само с висока скорост на обмен на информация, но и с по-голяма сила на тока – от 100 mA до 900 mA. Отсега нататък потребителите могат не само да включат в един хъб доста повече устройства, но и различен хардуер, който преди се продаваше с отделен захранващ блок. Наред с по-големия ампераж, разработчиците са се погрижили за по-ефективното потребление на енергия. Вместо постоянно да сканира хардуера, новият протокол за предаване на информация се базира на прекъсванията, в резултат на което неактивните или захранвани от собствени източници устройства няма да получават енергия от USB порта.


Механичните спецификации на SuperSpeed USB са развивани в няколко конкретни посоки:

  • Поддръжка на трансфер на данни със скорост 4,8 Gbps

  • Съвместимост със по-стария стандарт USB 2.0

  • Ръководенето на електромагнетичната интерференция (EMI)

  • По-ниска цена



2.1 USB v 3.0 конектори
Type A Jack





Type A Plug




Type B Jack



Type B Plug



2.2 Интерфейс за връзка


Номер на пин

Име на сигнала

Описание

1

Vbus

Захранване

2

D-

USB 2.0 усукана двойка

3

D+

4

GND

Земя

5

MicA_SSTX-

SuperSpeed двойка за предаване на данни

6

MicA_SSTX+

7

GND_Drain

Земя за SuperSpeed

8

MicA_SSRX-

SuperSpeed двойка за приемане на данни

9

MicA_SSRX+


Сечение на USB 3.0 кабел



2.3 USB 3.0 Системно описание:

USB 3.0 е физическа SuperSpeed шина комбинирана паралелно със USB 2.0

и има подобна архитектура като тази на версия 2.0, която включва следното:


  • USB 3.0 свързване – начин, по който USB 3.0 устройства и USB 2.0 устройства се свързват и комуникират със USB 3.0 хост

  • USB 3.0 устройства

  • USB 3.0 хост



3. USB устройства:
Компанията IOGEAR представи първия в света набор, който позволява да се предава видео изображение на монитор или проектор без проводници. Създателите на това устройство са го нарекли Wireless USB to VGA Kit, което напълно отговаря на неговото предназначение.
Наборът представлява двойка външни USB и VGA адаптери, които са снабдени с антени и портове VGA и USB съответно. Wireless USB to VGA Kit от IOGEAR позволява да се предава поточно видео HD с максимална резолюция 720p на разстояние до 10 метра и поддържа функцията Picture in Picture. Всичко това позволява изделието да се използва за безжична домашна видео система, която е напълно съвместима с интерфейса. USB.
Производителите уверяват, че Wireless USB to VGA Kit съответства на всички екологични стандарти за домашна електроника и е съвместимо с операционните системи Microsoft Windows XP (SP2) и Vista.

Pinnacle Systems представи интересна комбинация от USB-Flash и DVB-T TV-приемник. С помощта на PCTV-Flash-стикът потребителите могат да приемат различни TV и радио канали на компютър или лаптоп с USB 2.0 порт. Нужният за това софтуер е инсталиран предварително на паметта на 1 GB-овата флашка. При необходимост приетите канали могат директно да бъдат записани на стика в MPEG2 или Divx формат. Възможно е и директното записване на файлове в DVD-формат на хард диска. Всички настройки или приети канали също се запазват в собствената памет на PCTV-флаша.



Вече сме виждали какви ли не USB джаджи на пазара и ако започнем да ги изброяваме списъкът ще бъде доста дълъг. Поредното такова предложение вече се появи в няколко онлайн магазина, а то е USB микроскоп. Устройството е предназначенино по-скоро за любители отколкото за професионалисти, но все пак разполага с няколко доста забележителни функции. "Микроскопчето" може да увеличи образа 20х, 50х или 200х пъти, а четирите LED светлини ви помагат за изчистване на картината. Други удобни функции на микроскопа са възможноста му да засенема изображения на приближените обекти с резолюция 1024х768 и възжмостноста за запис на кратки видео клипчета със звук.







Японската компания Thanko представи няколко доста разнообразни USB продукта. Това са:



USB Flower pot speaker

На пръв поглед всеки може да помисли, че това е поредното японско изобретени, което да накара децата да отглеждат растение. Но колкото и странно да изглежда, това не е така. В саксията на това растения има поставени говорители, което автоматично го превръща в най-странните тонколонки в света.



USB heating gloves

Според създателите си USB загряващите ръкавички са много полезни. Те ги препоръчват на всички, които имат студени ръце и на всеки, който прекарва дълги часове пред компютъра.




USB heated slippers

Естественото продължение на аксесоарите представени от японската фирма Thanko са затоплящите пантофки. Може би това изобретени би било полезно, като изключим факта, че сме овити от 2 метра USB кабел.


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница