USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Версия 1.0 была опубликована в январе 1996 года. Архитектура USB определяется следующими критериями:
* Легко реализуемое расширение периферии PC.
* Дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Мбит/с.
* Полная поддержка в реальном времени передачи аудио и (сжатых) видеоданных.
* Гибкость протокола смешанной передачи изохронных данных и асинхронных сообщений.
* Интеграция с выпускаемыми устройствами. ^ Доступность в PC всех конфигураций и размеров.
* Обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок.
* Создание новых классов устройств, расширяющих PC.
С точки зрения конечного пользователя, привлекательны следующие черты USB:
* Простота кабельной системы и подключений.
* Скрытие подробностей электрического подключения от конечного пользователя.
* Самоидентифицирующиеся ПУ, автоматическая связь устройств с драйверами и конфигурирование.
* Возможность динамического подключения и конфигурирования ПУ.
С середины 1996 года выпускаются PC со встроенным контроллером USB, реализуемым чипсетом. Ожидается появление модемов, клавиатур, сканеров, динамиков и других устройств ввода/вывода с поддержкой USB, а также мониторов с USB-адаптерами - они будут играть роль хабов для подключения других устройств.
1.1. Структура USB
USB обеспечивает одновременный обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Распределение пропускной способности шины между ПУ планируется хостом и реализуется им с помощью посылки маркеров. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время ра- боты хоста и самих устройств.
Ниже приводится авторский вариант перевода терминов из спецификации "Universal Serial Bus Specification. Revi- sion I.O.January 15, 1996", опубликованной Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Более подробную и оперативную информацию можно найти по адресу: http://www.usb.org .
Устройства (Device) USB могут являться хабами, функция- ми или их комбинацией. Хаб (Hub) обеспечивает дополни- тельные точки подключения устройств к шине. Функции (Function) USB предоставляют системе дополнительные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Многие устройства, подключаемые к USB, имеют в своем соста- ве и хаб, и функции. Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (Host Controller), являющийся программно- аппаратной подсистемой хост-компьютера.
Физическое соединение устройств осуществляется по топологии многоярусной звезды. Центром каждой звезды является хаб, каждый кабельный сегмент соединяет две точки - хаб с другим хабом или с функцией. В системе имеется один (и только один) хост-контроллер, расположенный в верши- не пирамиды устройств и хабов. Хост-контроллер интегрируется с корневым хабом (Root Hub), обеспечивающим одну или несколько точек подключения - портов. Контроллер USB, входящий в состав чипсетов, обычно имеет встроенный двухпортовый хаб. Логически устройство, подключенное к любому хабу USB и сконфигурированное (см. ниже), может рассматриваться как непосредственно подключенное к хост-контроллеру.
Функции представляют собой устройства, способные передавать или принимать данные или управляющую информацию по шине. Типично функции представляют собой отдельные ПУ с кабелем, подключаемым к порту хаба. Физически в одном корпусе может быть несколько функций со встроенным хабом, обеспечивающим их подключение к одному порту. Эти комбинированные устройства для хоста являются хабами с постоянно подключенными устройствами-функциями.
Каждая функция предоставляет конфигурационную информацию, описывающую возможности ПУ и требования к ресурсам. Перед использованием функция должна быть сконфигурирована хостом - ей должна быть выделена полоса в канале и выбраны опции конфигурации.
Примерами функций являются:
^ Указатели - мышь, планшет, световое перо. ^ Устройства ввода - клавиатура или сканер.
^ Устройство вывода - принтер, звуковые колонки (цифровые).
т Телефонный адаптер ISDN.
Хаб - ключевой элемент системы РпР в архитектуре USB. Хаб является кабельным концентратором. Точки подключения называются портами хаба. Каждый хаб преобразует одну точку подключения в их множество. Архитектура допускает соединение нескольких хабов.
У каждого хаба имеется один восходящий порт (Upstream Port}, предназначенный для подключения к хосту или хабу верхнего уровня. Остальные порты являются нисходящими (Downstream Ports), предназначенными для подключения функций или хабов нижнего уровня. Хаб может распознать подключение устройств к портам или отключение от них и управлять подачей питания на их сегменты. Каждый из портов может быть разрешен или запрещен и сконфигурирован на полную или ограниченную скорость обмена. Хаб обеспечивает изоляцию сегментов с низкой скоростью от высоко-скоростных.
Хабы могут управлять подачей питания на нисходящие порты; предусматривается установка ограничения на ток, потребляемый каждым портом.
Система USB разделяется на три уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит интерфейсную часть, часть устройства и функциональную часть. Хост тоже делится на три части - интерфейсную, системную и ПО устройства. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач, логическое и реальное взаимодействие между ними иллюстрирует рис. 7.1.
В рассматриваемую структуру входят следующие элементы:
Физический интерфейс
Стандарт USB определяет электрические и механические спецификации шины.
Информационные сигналы и питающее напряжение 5 В передаются по четырехпроводному кабелю. Используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Уровни сигналов передатчиков в статическом режиме должны быть ниже 0,3 В (низкий уровень) или выше 2,8 В (высокий уровень). Приемники выдерживают входное напряжение в пределах - 0,5...+3,8 В. Передатчики должны уметь переходить в высокоимпедансное состояние для двунаправленной полудуплексной передачи по одной паре проводов.
Передача по двум проводам в USB не ограничивается дифференциальными сигналами. Кроме дифференциального приемника каждое устройство имеет линейные приемники сигналов D+ и D-, а передатчики этих линий управляются индивидуально. Это позволяет различать более двух состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса. Состояния DiffO и Diff1 определяются по разности потенциалов на линиях D+ и D- более 200 мВ при условии, что на одной из них потенциал выше порога срабатывания VSE. Состояние, при котором на обоих входах D+ и D- присутствует низкий уровень, называется линейным нулем (SEO - Single-Ended Zero). Интерфейс определяет следующие состояния:
йа DataJ State и Data К State - состояния передаваемого бита (или просто J и К), определяются через состояния DiffO и Diff1.
^ Idle State - пауза на шине.
^ Resume State - сигнал "пробуждения" для вывода устрой- ства из "спящего" режима.
^ Start of Packet (SOP) - начало пакета (переход из Idle State в К).
т End of Packet (EOP) - конец пакета.
^ Disconnect - устройство отключено от порта.
^ Connect - устройство подключено к порту.
^ Reset - сброс устройства.
Состояния определяются сочетаниями дифференциальных и линейных сигналов; для полной и низкой скоростей состояния DiffO и Diff1 имеют противоположное назначение. В декодировании состояний Disconnect, Connect и Reset учитывается время нахождения линий (более 2,5 мс) в определенных состояниях.
Шина имеет два режима передачи. Полная скорость передачи сигналов USB составляет 12 Мбит/с, низкая - 1,5 Мбит/с. Для полной скорости используется экранированная витая пара с импедансом 90 Ом и длиной сегмента до 5 м, для низкой - не витой не экранированный кабель до 3 м. Низкоскоростные кабели и устройства дешевле высокоскоростных. Одна и та же система может одновременно использовать оба режима; переключение для устройств осуществляется прозрачно. Низкая скорость предназначена для работы с небольшим количеством ПУ, не требующих высокой скорости.
Скорость, используемая устройством, подключенным к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов на линиях D+ и D-, смещаемых нагрузочными резисторами R2 приемопередатчиков (см. рис. 7.2 и 7.3).
Сигналы синхронизации кодируются вместе с данными по методу NRZI (Non Return to Zero Invert), его работу иллюстрирует рис. 7.4. 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 выби- рается в соответствии с длиной сегмента для обеспечения гарантированного уровня сигнала и питающего напряжения.
Рис. 7.4. Кодирование данных по методу NRZI
Стандарт определяет два типа разъемов (см. табл. 7.1 и рис. 7.5).
| Контакт | Цепь | Контакт | Цепь |
| 1 | VBus | 3 | D+ |
| 2 | D- | 4 | GND |
Разъемы типа "А" применяются для подключения к хабам (Upstream Connector). Вилки устанавливаются на кабелях, не отсоединяемых от устройств (например, клавиатура, мышь и т. п.). Гнезда устанавливаются на нисходящих портах (Downstream Port) хабов.
Разъемы типа "В" (Downstream Connector) устанавливаются на устройствах, от которых соединительный кабель может отсоединяться (принтеры и сканеры). Ответная часть (вилка) устанавливается на соединительном кабеле, противоположный конец которого имеет вилку типа "А".
Разъемы типов "А" и "В" различаются механически (рис. 7.5), что исключает недопустимые петлевые соединения портов хабов. Четырехконтактные разъемы имеют ключи, исключающие неправильное присоединение. Конструкция разъемов обеспечивает позднее соединение и раннее отсоединение сигнальных цепей по сравнению с питающими. Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение.
Рис. 7.5. Гнезда USB: а - типа "А", б - типа "В", в - символическое обозначение
Питание устройств USB возможно от кабеля (Bus-Powered Devices) или от собственного блока питания (Self-Powered Devices). Хост обеспечивает питанием непосредственно подключенные к нему ПУ. Каждый хаб, в свою очередь, обеспечивает питание устройств, подключенных к его нисходящим портам. При некоторых ограничениях топологии допускается применение хабов, питающихся от шины. На рис. 7.6 приведен пример схемы соединения устройств USB. Здесь клавиатура, перо и мышь могут питаться от шины.
Модель передачи данных
Каждое устройство USB представляет собой набор независимых конечных точек (Endpoint), с которыми хост-контроллер обменивается информацией. Конечные точки описываются следующими параметрами:
^ требуемой частотой доступа к шине и допустимыми задержками обслуживания;
^ требуемой полосой пропускания канала;
^ номером точки;
^ требованиями к обработке ошибок;
^ максимальными размерами передаваемых и принимаемых пакетов;
^ типом обмена;
^ направлением обмена (для сплошного и изохронного об- менов).
Каждое устройство обязательно имеет конечную точку с номером 0, используемую для инициализации, общего управления и опроса его состояния. Эта точка всегда сконфигурирована при включении питания и подключении устройства к шине. Оно поддерживает передачи типа "управление" (см. далее).
Кроме нулевой точки, устройства-функции могут иметь дополнительные точки, реализующие полезный обмен данными. Низкоскоростные устройства могут иметь до двух дополнительных точек, полноскоростные - до 16 точек ввода и 16 точек вывода (протокольное ограничение). Точки не могут быть использованы до их конфигурирования (установления согласованного с ними канала).
Каналом {Pipe) в USB называется модель передачи данных между хост-контроллером и конечной точкой (Endpoint) устройства. Имеются два типа каналов: потоки (Stream) и со- общения (Message). 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 во- шел - первым вышел" (FIFO); с точки зрения USB, данные потока неструктурированы. Сообщения имеют формат, определенный спецификацией USB. Хост посылает запрос к конечной точке, после которого передается (принимается) па- кет 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 (полоса пропускания, тип сервиса, размер буфера и т. п.). Каналы организуются при конфигурировании устройств USB. Для каждого включенного устройства существует канал сообщений (Control Pipe 0), по которому передается информация конфигурирования, управления и состояния.
Типы передачи данных
USB поддерживает как однонаправленные, так и двунаправленные режимы связи. Передача данных производится между ПО хоста и конечной точкой устройства. Устройство может иметь несколько конечных точек, связь с каждой из них (канал) устанавливается независимо.
Архитектура USB допускает четыре базовых типа передачи данных:
^ Управляющие посылки (Control Transfers), используемые для конфигурирования во время подключения и в процессе работы для управления устройствами. Протокол обеспечивает гарантированную доставку данных. Длина поля данных управляющей посылки не превышает 64 байт на полной скорости и 8 байт на низкой.
^ Сплошные передачи (Bulk Data Transfers) сравнительно больших пакетов без жестких требований ко времени до- ставки. Передачи занимают всю свободную полосу про- пускания шины. Пакеты имеют поле данных разме- ром 8, 16, 32 или 64 байт. Приоритет этих передач самый низкий, они могут приостанавливаться при большой загрузке шины. Допускаются только на полной скорости передачи.
^ Прерывания (Interrupt) - короткие (до 64 байт на полной скорости, до 8 байт на низкой) передачи типа вводимых символов или координат. Прерывания имеют спонтанный характер и должны обслуживаться не медленнее, чем того требует устройство. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 1-255 мс для полной скорости и 10-255 мс - для низкой.
^ Изохронные передачи (Isochronous Transfers) - непрерывные передачи в реальном времени, занимающие предварительно согласованную часть пропускной способности шины и имеющие заданную задержку доставки. В случае обнаружения ошибки изохронные данные передаются без повтора - недействительные пакеты игнорируются. Пример - цифровая передача голоса. Пропускная способность определяется требованиями к качеству передачи, а задержка доставки может быть критичной, например, при реализации телеконференций.
Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Выделенная полоса закрепляется за каналом, и если установление нового канала требует такой полосы, которая не вписывается в уже существующее распределение, запрос на выделение канала отвергается.
Архитектура US В предусматривает внутреннюю буферизацию всех устройств, причем чем большей полосы пропускания требует устройство, тем больше должен быть его буфер. USB должна обеспечивать обмен с такой скоростью, чтобы задержка данных в устройстве, вызванная буферизацией, не превышала нескольких миллисекунд.
Изохронные передачи классифицируются по способу синхронизации конечных точек - источников или получателей данных - с системой: различают асинхронньй, синхронный и адаптивный классы устройств, каждому из которых соответствует свой тип канала USB.
Протокол
Все обмены (транзакции) по USB состоят из трех пакетов. Каждая транзакция планируется и начинается по инициативе контроллера, который посылает пакет-маркер {Token Packet). Он описывает тип и направление передачи, адрес устройства USB и номер конечной точки. В каждой транзакции возможен обмен только между адресуемым устройством (его конечной точкой) и хостом. Адресуемое маркером устройство распознает свой адрес и готовится к обмену. Источник данных (определенный маркером) передает пакет данных (или уведомление об отсутствии данных, предназначенных для передачи). После успешного приема пакета приемник данных посылает пакет подтверждения (Handshake Packet).
Планирование транзакций обеспечивает управление поточными каналами. На аппаратном уровне использование отказа от транзакции (NAck) при недопустимой интенсивности передачи предохраняет буферы от переполнения сверху и снизу. Маркеры отвергнутых транзакций повторно пере- даются в свободное для шины время. Управление потоками позволяет гибко планировать обслуживание одновременных разнородных потоков данных.
Устойчивость к ошибкам обеспечивают следующие свойства USB:
^ Высокое качество сигналов, достигаемое благодаря дифференциальным приемникам/передатчикам и экранированным кабелям.
^ Защита полей управления и данных CRC-кодами.
^ Обнаружение подключения и отключения устройств и конфигурирование ресурсов на системном уровне.
^ Самовосстановление протокола с тайм-аутом при потере пакетов.
^ Управление потоком для обеспечения изохронности и управления аппаратными буферами.
^ Независимость функций от неудачных обменов с другими функциями.
Для обнаружения ошибок передачи каждый пакет имеет контрольные поля CRC-кодов, позволяющие обнаруживать все одиночные и двойные битовые ошибки. Аппаратные средства обнаруживают ошибки передачи, а контроллер автоматически производит трехкратную попытку передачи. Если повторы безуспешны, сообщение об ошибке передается клиентскому ПО.
Форматы пакетов
Байты передаются по шине последовательно, начиная с младшего бита. Все посылки организованы в пакеты. Каждый пакет начинается с поля синхронизации Sync, которое представляется последовательностью состояний KJKJKJKK (кодированную по NRZI), следующую после состояния Idle. Последние два бита (КК) являются маркером начала пакета SOP, используемым для идентификации первого бита идентификатора пакета PID. Идентификатор пакета является 4-битным полем PID, идентифицирующим тип пакета (табл. 7.2), за которым в качестве контрольных следуют те же 4 бита, но инвертированные.
| Тип PID | Имя PID | PID | Содержимое и назначение |
| Token | OUT | 0001 | Адрес функции и номер конечной точки - маркер транзакции функ- ции |
| Token | IN | 1001 | Адрес функции и номер конечной точки - маркер транзакции хоста |
| Token | SOF | 0101 | Маркер начала кадра |
| Token | SETUP | 1101 | Адрес функции и номер конечной точки - маркер транзакции с управляющей точкой |
| Data | DataO Datal | 0011 1011 | Пакеты данных с четным и нечетным PID чередуются для точной идентификации подтверждений |
| Handshake | Ack | 0010 | Подтверждение безошибочного приема пакета |
| Handshake | NAK | 1010 | Приемник не сумел принять или передатчик не сумел передать данные. Может использоваться для управления потоком данных (неготовность). В транзакциях прерываний является признаком отсутствия необслуженных прерываний |
| Handshake | STALL | 1110 | Конечная точка требует вмешательства хоста |
| Special | PRE | 1100 | Преамбула передачи на низкой скорости |
В пакетах-маркерах IN, SETUP и OUT следующими являются адресные поля: 7-битный адрес функции и 4-битный адрес конечной точки. Они позволяют адресовать до 127 функций USB (нулевой адрес используется для конфигурирования) и по 16 конечных точек в каждой функции.
В пакете SOF имеется 11-битное поле номера кадра (Frame Number Field), последовательно (циклически) увеличиваемое для очередного кадра.
Поле данных может иметь размер от 0 до 1023 целых байт. Размер поля зависит от типа передачи и согласуется при установлении канала.
Поле СКС-кола присутствует во всех маркерах и пакетах данных, оно защищает все поля пакета, исключая PID. CRC для маркеров (5 бит) и данных (11 бит) подсчитываются по разным формулам.
Каждая транзакция инициируется хост-контроллером посылкой маркера и завершается пакетом квитирования. Последовательность пакетов в транзакциях иллюстрирует рис. 7.7.
Хост-контроллер организует обмены с устройствами согласно своему плану распределения ресурсов. Контроллер цикли- чески (с периодом 1 мс) формирует кадры (Frames), в которые укладываются все запланированные транзакции. Каж- дый кадр начинается с посылки маркера SOF (Start Of Frame), который является синхронизирующим сигналом для всех устройств, включая хабы. В конце каждого кадра выделяет- ся интервал времени EOF (End Of Frame), на время которого хабы запрещают передачу по направлению к контроллеру. Каждый кадр имеет свой номер. Хост-контроллер оперирует 32-битным счетчиком, но в маркере SOF передает только младшие 11 бит. Номер кадра увеличивается (циклически) во время EOF. Хост планирует загрузку кадров так, чтобы в них всегда находилось место для транзакций управления и прерывания. Свободное время кадров может заполняться сплошными передачами (Bulk Transfers).
Рис. 7.8. Поток кадров USB
Для изохронной передачи важна синхронизация устройств и контроллера. Есть три варианта:
^ синхронизация внутреннего генератора устройства с маркерами SOF;
^ подстройка частоты кадров под частоту устройства;
^ согласование скорости передачи (приема) устройства с частотой кадров.
Подстройка частоты кадров контроллера возможна, естественно, под частоту внутренней синхронизации только одного устройства. Подстройка осуществляется через механизм обратной связи, который позволяет изменять период кадра в пределах ±1 битового интервала.
1.2. Системное конфигурирование
USB поддерживает динамическое подключение и отключение устройств. Нумерация устройств шины является постоянным процессом, отслеживающим изменения физической топологии.
Все устройства подключаются через порты хабов. Хабы определяют подключение и отключение устройств к своим портам и сообщают состояние портов при запросе от контроллера. Хост разрешает работу порта и адресуется к устройству через канал управления, используя нулевой адрес - USB Default Address. При начальном подключении или пос- ле сброса все устройства адресуются именно так.
Хост определяет, является новое подключенное устройство хабом или функцией, и назначает ему уникальный адрес USB. Хост создает канал управления (Control Pipe) с этим устрой- ством, используя назначенный адрес и нулевой номер точки назначения.
Если новое устройство является хабом, хост определяет подключенные к нему устройства, назначает им адреса и устанавливает каналы. Если новое устройство является функ цией, уведомление о подключении передается диспетчером USB заинтересованному ПО.
Когда устройство отключается, хаб автоматически запрещает соответствующий порт и сообщает об отключении контроллеру, который удаляет сведения о данном устройстве из всех структур данных. Если отключается хаб, процесс удаления выполняется для всех подключенных к нему устройств. Если отключается функция, уведомление посылается заинтересованному ПО.
Нумерация устройств, подключенных к шине (Bus Enumeration), осуществляется динамически по мере их подключения (или включения их питания) без какого-либо вмешательства пользователя или клиентского ПО. Процедура нумерации выполняется следующим образом:
1. Хаб, к которому подключилось устройство, информирует хост о смене состояния своего порта ответом на опрос состояния. С этого момента устройство переходит в состояние Attached (подключено), а порт, к которому оно подключилось, в состояние Disabled.
2. Хост уточняет состояние порта.
3. Узнав порт, к которому подключилось новое устройство, хост дает команду сброса и разрешения порта.
4. Хаб формирует сигнал Reset для данного порта (10 мс) и переводит его в состояние Enabled. Подключенное устройство может потреблять от шины ток питания до 100 мА. Устройство переходит в состояние Powered (питание подано), все его регистры переводятся в исходное состояние, и оно отзывается на обращение по нулевому адресу.
5. Пока устройство не получит уникальный адрес, оно доступно по дежурному каналу, по которому хост-контроллер определяет максимально допустимый размер поля данных пакета.
6. Хост сообщает устройству его уникальный адрес, и оно переводится в состояние Addressed (адресовано).
7. Хост считывает конфигурацию устройства, включая за- явленный потребляемый ток от шины. Считывание может затянуться на несколько кадров.
8. Исходя из полученной информации, хост конфигурирует все имеющиеся конечные точки данного устройства, которое переводится в состояние Configured (сконфигурировано). Теперь хаб позволяет устройству потреблять от шины полный ток, заявленный в конфигурации. Устройство готово.
Когда устройство отключается от шины, хаб уведомляет об этом хост и работа порта запрещается, а хост обновляет свою текущую топологическую информацию.
1.3. Устройства USB - функции и хабы
Возможности шины USB позволяют использовать ее для подключения разнообразных устройств. Не касаясь "полезных" свойств ПУ, остановимся на их интерфейсной части, связанной с шиной USB. Все устройства должны поддерживать набор общих операций, перечисленных ниже.
Динамическое подключение и отключение. Эти события отслеживаются хабом, который сообщает о них хост-контроллеру и выполняет сброс подключенного устройства. Устройство после сигнала сброса должно отзываться на нулевой адрес, при этом оно не сконфигурировано и не приостановлено. После назначения адреса, за которое отвечает хост-контроллер, устройство должно отзываться только на свой уникальный адрес.
Конфигурирование устройств, выполняемое хостом, является необходимым для их использования. Для конфигурирования обычно используется информация, считанная из самого устройства. Устройство может иметь множество интерфейсов, каждому из которых соответствует собственная конечная точка, представляющая хосту функцию устройства. Интерфейс в конфигурации может иметь альтернативные наборы характеристик; смена наборов поддерживается протоколом. Для поддержки адаптивных драйверов дескрипторы устройств и интерфейсов имеют поля класса, подкласса и протокола.
Передача данных возможна посредством одного из четырех типов передач (см. выше). Для конечных точек, допускающих разные типы передач, после конфигурирования доступен только один из них.
Управление энергопотреблением является весьма развитой функцией USB. Для устройств, питающихся от шины, мощность ограничена. Любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. Рабочий ток (не более 500 мА) заявляется в конфигурации, и если хаб не сможет обеспечить устройству заявленный ток, оно не конфигурируется и, следовательно, не может быть использовано.
Устройство USB должно поддерживать приостановку (Suspended Mode), в котором его потребляемый ток не превышает 500 мкА. Устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины.
Возможность удаленного пробуждения (Remote Wakeup) позволяет приостановленному устройству подать сигнал хост- компьютеру, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена.
Хаб в USB выполняет коммутацию сигналов и выдачу пи- тающего напряжения, а также отслеживает состояние подключенных к нему устройств, уведомляя хост об изменениях. Хаб состоит из двух частей - контроллера (Hub Controller) и повторителя (Hub Repeater). Повторитель представляет собой управляемый ключ, соединяющий выходной порт со входным. Он имеет средства поддержки сброса и приостановки передачи сигналов. Контроллер содержит регистры для взаимодействия с хостом. Доступ к регистрам осуществляется по специфическим командам обращения к хабу. Команды позволяют конфигурировать хаб, управлять нисходящими портами и наблюдать их состояние.
Нисходящие (Downstream) порты хабов могут находиться в следующих состояниях:
^ Powered (^(питание отключено) - на порт не подается питание (возможно только для хабов, коммутирующих
питание). Выходные буферы переводятся в высокоимпедансное состояние, входные сигналы игнорируются.
^ Disconnected (отсоединен) - порт не передает сигналы ни в одном направлении, но способен обнаружить подключение устройства (по отсутствию состояния SEO в течение 2,5 мкс). Тогда порт переходит в состояние Disabled, а по уровням входных сигналов {DiffO или Diff1 в состоянии Idle) он определяет скорость подключенного устройства.
s^ Disabled (запрещен) - порт передает только сигнал сброса (по команде от контроллера), сигналы от порта (кроме обнаружения отключения) не воспринимаются. По обнаружении отключения (2,5 мкс состояния SEO) порт переходит в состояние Disconnect, а если отключение обнаружено "спящим" хабом, контроллеру будет послан сигнал Resume.
ш Enabled (разрешен) - порт передает сигналы в обоих на- правлениях. По команде контроллера или по обнаружении ошибки кадра порт переходит в состояние Disabled, а по обнаружении отключения - в состояние Disconnect.
^ Suspended (приостановлен) - порт передает сигнал пере- вода в состояние останова ("спящий" режим). Если хаб находится в активном состоянии, сигналы через порт не пропускаются ни в одном направлении. Однако "спящий" хаб воспринимает сигналы смены состояния незапрещенных портов, подавая "пробуждающие" сигналы от активизировавшегося устройства даже через цепочку "спящих" хабов.
Состояние каждого порта идентифицируется контроллером хаба с помощью отдельных регистров. Имеется общий регистр, биты которого отражают факт изменения состояния каждого порта (фиксируемый во время EOF). Это позволяет хост-контроллеру быстро узнать состояние хаба, а в случае обнаружения изменений специальными транзакциями уточнить состояние.
1.4. Хост-контроллер
Хост-компьютер общается с устройствами через контроллер. Хост имеет следующие обязанности:
^ обнаружение подключения и отсоединения устройств USB;
^ манипулирование потоком управления между устройства- ми и хостом;
^ управление потоками данных;
^ сбор статистики;
^ обеспечение энергосбережения подключенными ПУ.
Системное ПО контроллера управляет взаимодействием между устройствами и их ПО, функционирующим на хост-компьютере, для согласования:
^ нумерации и конфигурации устройств;
^ изохронных передач данных;
^ асинхронных передач данных;
^ управления энергопотреблением;
^ информации об управлении устройствами и шиной.
По возможности ПО USB использует существующее систем- ное ПО хост-компьютера - например, Advanced Power Management для управления энергопотреблением.
2. Шина IEEE 1394-FireWire
Стандарт для высокопроизводительной последовательной шины (High Performance Serial Bus), получивший официальное название IEEE 1394, был принят в 1995 году. Целью являлось создание шины, не уступающей современным стандартным параллельным шинам, при существенном удешевлении и повышении удобства подключения (за счет перехода на последовательный интерфейс). Стандарт основан на шине FireWire, используемой Apple Computer в качестве дешевой альтернативы SCSI в компьютерах Macintosh и PowerMac. Название FireWire ("огненный провод") теперь применяется и к реализациям IEEE 1394, оно сосуществует с кратким обозначением 1394.
Преимущества FireWire перед другими последовательными шинами:
s? Многофункциональность: шина обеспечивает цифровую связь до 63 устройств без применения дополнительной аппаратуры (хабов). Устройства - цифровые камкодеры, сканеры, принтеры, камеры для видеоконференций, дисковые накопители - могут обмениваться данными не только с PC, но и между собой. FireWire по инициативе VESA позиционируется и для "домашних сетей".
^ Высокая скорость обмена и изохронные передачи позволяют даже на начальном уровне (100 Мбит/с) передавать одновременно два канала видео (30 кадров в секунду) широковещательного качества и стереоаудиосигнал с качеством CD.
s§ Низкая цена компонентов и кабеля.
si Легкость установки и использования. FireWire расширяет систему РпР. Устройства автоматически распознаются и конфигурируются при включении/отключении. Питание от шины (ток до 1,5 А) позволяет ПУ общаться с системой даже при отключении их питания. Управлять шиной и другими устройствами могут не только PC, но и другие "интеллектуальные" устройства, например VCR.
2.1. Структура и взаимодействие устройств шины
Стандарт 1394 определяет две категории шин: кабельные шины и кросс-шины (Backplane). Под кросс-шинами обычно подразумеваются параллельные интерфейсы, объединяющие внутренние подсистемы устройства, подключенного к кабелю 1394.
В отличие от USB, управляемой одним хост-контроллером, стандарт 1394 допускает соединение равноправных устройств в сеть. Сеть может состоять из множества шин, соединенных мостами. В пределах одной шины устройства объединяются соединительными кабелями без применения дополнительных устройств. Мосты представляют собой специальные интеллектуальные устройства. Интерфейсная карта шины FireWire для PC представляет собой мост PCI - 1394. Мостами являются также соединения кабельной шины 1394 с кросс- шинами устройств, 16-битная адресация узлов сети допускает до 63 устройств в каждой шине, адресуемых 6-битным полем идентификатора узла. 10-битное поле идентификатора шины допускает использование в системе до 1023 мостов, соединяющих шины разного типа.
Кабельная шина представляет собой сеть, состоящую из уз- лов и кабельных мостов. Гибкая топология позволяет строить сети, сочетающие древовидную и цепочечную архитектуры (рис. 7.9). Каждый узел обычно имеет три равноправных соединительных разъема. Допускается множество вариантов подключения устройств со следующими ограничениями:
ssi между любой парой узлов может быть не более 16 кабельных сегментов;
^ длина сегмента стандартного кабеля не должна превышать 4,5 м;
2Й суммарная длина кабеля не должна превышать 72 м (применение более качественного кабеля позволяет ослабить это ограничение).
Некоторые устройства могут иметь только один разъем, что ограничивает возможные варианты их местоположения. Стандарт допускает до 27 разъемов на одном устройстве.
Рис. 7.9. Соединение устройств на шине FireWire
Рис. 7.10. Разъем FireWire
Стандарт предусматривает связь узлов с помощью 6-проводного кабеля, заключенного в общий экран. Две витые пары используются для передачи сигналов (раздельные для приемника и передатчика), два провода задействованы для питания устройств (8-40 В, до 1,5 А). Для гальванической развязки интерфейса используются трансформаторы (напряжение изоляции развязки до 500 В) или конденсаторы (в дешевых устройствах с напряжением развязки до 60 В относительно общего провода). Представление о разъемах дает рис. 7.10. Некоторые устройства (камкодеры Sony DCR- VX700 и DCR-VX1000, а также DHR-1000 DVCR) имеют только один 4-контактный разъем меньшего размера, у которого реализованы только сигнальные цепи. Эти устройства подключаются к шине через специальный переходной кабель только как оконечные (хотя возможно применение специальных адаптеров-разветвителей).
Стандарт 1394 определяет три возможные частоты передачи сигналов по кабелям: 98,304, 196,608 и 393,216 Мбит/с, которые округляют до 100, 200 и 400 Мбит/с. Частоты в стандарте обозначаются как S100, S200 и S400 соответствен- но. Бытовые устройства обычно поддерживают S100, большинство адаптеров допускают S200. К одной шине могут подключаться устройства, рассчитанные на разные скорости. Обмен будет происходить на минимальной для всех активных узлов скорости. Однако, если хост-контроллер реализует карту топологии и скоростей (Topology_Мар и Speed_Map), возможно использование нескольких частот в одной шине, в соответствии с возможностями конкретной пары, участвующей в обмене.
Система допускает динамическое (горячее) подключение и отключение устройств. Идентификаторы подключаемым
устройствам назначаются автоматически, без участия пользователя. Изменения топологии (состава подключенных устройств) автоматически отслеживаются шиной и передаются управляющему ПО.
Протокол IEEE 1394
Протокол 1394 реализуется на трех уровнях (рис. 7.11).
^ Уровень транзакций (Transaction Layer) преобразует пакеты в данные, предоставляемые приложениям, и наоборот. Он реализует протокол запросов-ответов, соответствующий стандарту ISO/IEC 13213:1994 (ANSI/IEEE 1212, редакции 1994 г.), архитектуры регистров управления и состояния CSR (Control and Status Register) для микро-компьютерных шин (чтение, запись, блокировка). Это облегчает связь шины 1394 со стандартными параллельными шинами.
^ Уровень связи (Link Layer) из данных физического уровня формирует пакеты и выполняет обратные преобразования. Он обеспечивает обмен узлов датаграммами с подтверждениями. Уровень отвечает за передачу пакетов и управление изохронными передачами.
Аппаратная часть FireWire обычно состоит из двух специализированных микросхем - трансиверов физического уровня PHY Transceiver и моста связи с шиной LINK Chip. Связь между ними возможна, например, по интерфейсу IBM-Apple LINK-PHY. Микросхемы уровня связи выполняют все функции своего уровня и часть функций уровня транзакций, остальная часть уровня транзакций выполня ется программно.
Коннекторы
Рис. 7.11. Трехуровневая структура FireWire
Управление шиной
Протокол 1394 имеет гибкий механизм управления связью между различными устройствами. Для этого не обязательно присутствие на шине PC или иного контроллера шины. Управление включает три сервиса:
^ Мастер циклов, посылающий широковещательные паке- ты начала циклов (требуемые для изохронных обменов).
^ Диспетчер изохронных ресурсов, если какой-либо узел поддерживает изохронный обмен (для цифрового видео и аудио).
^ Необязательный контроллер шины (Bus Master) - им может являться PC или редактирующий DVCR.
По сбросу производится определение структуры шины, каждому узлу назначаются физические адреса и производится арбитраж мастера циклов, диспетчера изохронных ресурсов и контроллера шины. Через секунду после сброса все ресурсы становятся доступными для последующего использования.
Принципиальным преимуществом шины является отсутствие необходимости в контроллере. Любое передающее устрой- ство может получить полосу изохронного трафика и начинать передачу по сигналу автономного или дистанционного управления - приемник "услышит" эту информацию. При наличии контроллера (PC) соответствующее ПО может управлять работой устройств, реализуя, например, цифровую студию нелинейного видеомонтажа.
Изохронная транспортировка данных
Изохронная транспортировка шины 1394 обеспечивает гарантированную пропускную способность и ограниченную задержку при высокоскоростной передаче по множеству каналов. Диспетчер изохронных ресурсов содержит регистр BANDWIDTH^AVAILABLE, который определяет доступность оставшейся части полосы пропускания для узлов с изохронной передачей. По сбросу вновь появившийся узел с изо- хронной передачей запрашивает выделение полосы. Для цифрового видео, например, требуется полоса 30 Мбит/с (25 Мбит/с на видеоданные и 3-4 Мбит/с на аудио, синхронизацию и заголовки пакетов). Полоса измеряется в специальных единицах распределения, число которых в 125-миллисекундном цикле составляет 6144. Единица занимает около 20 нс, что соответствует времени, требуемому для передачи одного квадлета (Quadlet) на частоте 1600 Мбит/с. Квадлет (32-битное слово) является единицей передачи данных по шине. 25 мс цикла резервируется под асинхронный трафик, поэтому начальное значение регистра после сброса состав- ляет 4915 единиц. В S100 устройства цифрового видео запрашивают около 1800 единиц, в S200 - около 900. Если со- ответствующая полоса недоступна, запрашивающее ее устройство будет периодически повторять запрос.
Диспетчер изохронных ресурсов каждому изохронному узлу назначает номер канала (0-63) из числа доступных (регистр
CHANNELS_AVAILABLE). Он является идентификатором изохронного пакета. Когда изохронный обмен становится не- нужным узлу, он должен освободить свою полосу и номер канала. Обмен управляющей информацией производится по асинхронному каналу.
2.2. Синонимы и дополнения стандарта IEEE 1394
Шина IEEE 1394 имеет множество псевдонимов:
^ IEEE 1394-1995 Standard for a High Performance Serial Bus - полное название документа, описывающего стандарт, действующий в настоящее время.
т FireWire - торговая марка реализации IEEE-1394 фирмой Apple Computer, Inc.
^ Р1394 - название предварительной версии IEEE-1394 (до принятия в декабре 1995 г.).
^ DigitalLink - торговая марка Sony Corporation, используемая применительно к реализации IEEE-1394 в цифровых камерах.
ш MultiMedia Connection - имя, используемое в логотипе 1394 High Performance Serial Bus Trade Association (1394TA).
Поскольку фирма Apple разрабатывала концепцию FireWire еще с 1986 года, имя FireWire является самым распространенным синонимом IEEE 1394.
Кроме основного стандарта IEEE 1394-1995, имеется несколько его модификаций:
^ 1394а рассматривается как чистовой документ, заполняющий некоторые пробелы исходного стандарта и имеющий небольшие изменения (например, ускоренную операцию сброса на шине). Продуктам 1394а обеспечена обратная совместимость с устройствами, выпущенными до принятия основного стандарта. Версия вводилась для повышения скорости до 800 Мбит/с и выше, высокоскоростные версии входят и в 1394Ь.
^ 1394.1 определяет 4-проводной соединитель и устанавливает стандарт на шинные мосты.
^ 1394.2 предполагается как стандарт на соединение кластера станций со скоростью обмена 1 Гбит/с и выше, не- совместимый с 1394. Этот стандарт проистекает из IEEE 1596 SCI (Scalable Coherent Interface - масштабируемый когерентный интерфейс) для суперкомпьютеров и иногда называется Serial Express или SCILite. Сигнальный интерфейс 1394.2 похож на FCAL и допускает кольцевую топологию, запрещаемую стандартом 1394.
2.3. Сравнение FireWire и USB
Последовательные интерфейсы FireWire и USB, имея общие черты, являются существенно различными технологиями. Обе шины обеспечивают простое подключение большого числа ПУ (127 для USB и 63 для FireWire), допуская ком- мутации и включение/выключение устройств при работающей системе. Топология обеих шин достаточно близка. Хабы USB входят в состав ЦУ; для пользователя их присутствие незаметно. Обе шины имеют линии питания устройств, но допустимая мощность для FireWire значительно выше. Обе шины поддерживают систему РпР (автоматическое конфигурирование при включении/выключении) и снимают проблему дефицита адресов, каналов DMA и прерываний. Различаются пропускная способность и управление шиной.
USB ориентирована на ПУ, подключаемые к PC. Ее изохронные передачи позволяют передавать только цифровые аудиосигналы. Все передачи управляются централизованно, и PC является необходимым управляющим узлом, находящимся в корне древовидной структуры шины. Соединение нескольких PC этой шиной не предусматривается.
FireWire ориентирована на интенсивный обмен между любыми подключенными к ней устройствами. Изохронный трафик позволяет передавать "живое" видео. Шина не требует централизованного управления со стороны PC. Возможно использование шины для объединения нескольких PC и ПУ в локальную сеть.
Новые устройства цифрового видео и аудио имеют встроенные адаптеры 1394. Подключение к шине FireWire традиционных аналоговых и цифровых устройств (плееров, камер, мониторов) возможно через адаптеры-преобразователи ин терфейсов и сигналов. Стандартные однотипные кабели и разъемы FireWire заменяют множество разнородных соединений устройств бытовой электроники с PC. Разнотипные цифровые сигналы мультиплексируются в одну шину. В от личие от сетей Ethernet, высокоскоростные передачи потоков данных по FireWire в реальном времени не требуют дополнительных протоколов. Кроме того, имеются средства арбитража, гарантирующие доступ к шине за заданное время. Применение мостов в сетях FireWire позволяет изолировать трафик групп узлов друг от друга.
7.3. Шина ACCESS.Bus и интерфейс PC
Последовательная шина ACCESS.Bus (Accessory Bus), разработанная фирмой DEC, является шиной взаимодействия компьютера с его аксессуарами - например, монитором (канал VESA DDC), интеллектуальными источниками питания (Smart Battery) и т. п. Шина позволяет по двум сигнальным и двум питающим (12 В, 500 мА) проводам подключить до 14 устройств ввода/вывода, длина шины может достигать 8 м. Аппаратной основой является интерфейс PC, характеризуемый простотой реализации, но, даже по сравнению с USB, низкой производительностью. Над аппаратным протоколом PC для шины ACCESS.Bus имеется базовый программный протокол, с которым взаимодействуют протоколы конкретных подключенных устройств. Протоколы обеспечивают подключение/отключение устройств без перезагрузки ОС. Назначение сигналов разъема ACCESS.Bus, предложенное VESA, приведено в табл. 7.3.
Интерфейс К, разработанный фирмой Philips, в PC появился недавно и используется как внутренняя вспомогательная шина системной платы для общения с энергонезависимой памятью идентификации установленных компонентов (мо- дулей памяти DIMM). Шина отличается предельной простотой реализации - две сигнальные линии, с которыми работают программно. По прямому назначению эту шину применяет пока только BIOS при определении аппаратных средств, но использование перезаписываемой памяти конфигурирования открывает новые возможности для привязки ПО к конкретной системе (точнее, установленному модулю) и... для вирусов. Способ программного доступа к шине пока не стандартизован, но при желании его можно "вычислить", изучив документацию на чипсет.
Рис. 7.12. Протокол передачи данных PC
Последовательный интерфейс УС обеспечивает двунаправленную передачу данных между парой устройств, используя два сигнала: данные SDA (Serial Data) и синхронизацию SCL (Serial Clock). В обмене участвуют два устройства - ведущее (Master) и ведомое (Slave). Каждое из них может вы- ступать в роли передатчика, помещающего на линию SDA информационные биты, или приемника. Протокол обмена иллюстрирует рис. 7.12. Синхронизацию задает ведущее устройство - контроллер. Линия данных - двунаправленная с выходом типа "открытый коллектор" - управляется обоими устройствами поочередно. Частота обмена (не обязательно постоянная) ограничена сверху величиной 100 кГц для стандартного режима и 400 кГц для скоростного, что позволяет организовать программно-управляемую реализацию контроллера интерфейса.
Начало любой операции - условие Start - инициируется переводом сигнала SDA из высокого в низкий при высоком уровне SCL. Завершается операция переводом сигнала SDA
из низкого уровня в высокий при высоком уровне SCL - условие Stop. При передаче данных состояние линии SDA может изменяться только при низком уровне SCL, биты данных стробируются положительным перепадом SCL Каждая посылка состоит из 8 бит данных, формируемых передатчиком (старший бит - MSB - передается первым), после чего передатчик на один такт освобождает линию данных для получения подтверждения. Приемник во время девятого так- та формирует нулевой бит подтверждения Ack. После пере- дачи бита подтверждения приемник может задержать следующую посылку, удерживая линию SCL на низком уровне. Приемник также может замедлить передачу по шине на уровне приема каждого бита, удерживая SCL на низком уровне после его спада, сформированного передатчиком.
Каждое ведомое устройство имеет свой адрес, разрядность которого по умолчанию составляет 7 бит. Адрес А передается ведущим устройством в битах первого байта, бит 0 содержит признак операции Я1У(Я1/У=1 - чтение, RW=Q -запись). 7-битный адрес содержит две части: старшие 4 бита А не- сут информацию о типе устройства (например, для EEPROM - 1010), а младшие 3 бита А определяют номер устройства данного типа. Многие микросхемы с интерфейсом PC имеют три адресных входа, коммутацией которых на логические уровни 1 и 0 задается требуемый адрес. Некоторые значения полного адреса зарезервированы (табл. 7.4).
Общий вызов позволяет включившемуся устройству заявить о себе широковещательным способом. Байт Start предназначен для привлечения внимания процессора к интерфейсу, если в устройстве он организован программным (не аппаратным) способом. До получения этого байта микроконтроллер устройства не опрашивает состояние и не следит за сигналами интерфейса. При использовании 10-битной адресации биты содержат старшую часть адреса, а младшие 8 бит будут переданы в следующем байте, если признак RW=0.
Адрес ведомого устройства и тип обращения задается кон- троллером при инициировании обмена. Обмен с памятью иллюстрирует рис. 7.13. Здесь SA - адрес устройства, DA - адрес данных, D - данные, W - признак записи (0), R - признак чтения (1).
Рис. 7.13. Обмен с памятью по интерфейсу PC: a - запись, б - чтение с текущего адреса, в - чтение с произвольного адреса
Выполнив условие Start, контроллер передает байт, содержащий адрес устройства и признак операции RW, и ожидает подтверждения. При операции записи следующей посылкой от контроллера будет 8-битный адрес записываемой ячейки, а за ней - байт данных (для микросхем объемом памяти более 256 байт адрес ячейки посылается двумя байтами). Получив подтверждения, контроллер завершает цикл условием Stop, а адресованное устройство может начать свой внутренний цикл записи, во время которого не реагирует на сигналы интерфейса. Контроллер проверяет готовность устройства посылкой команды записи (байт адреса устройства) и анализом бита подтверждения, формируя затем условие Stop. Если устройство откликнулось битом подтверждения, значит, оно завершило внутренний цикл и готово к следую- щей операции.
Операция считывания инициируется так же, как и запись, но с признаком RW=\. Возможно чтение по заданному адресу, по текущему адресу или последовательное. Текущий адрес хранится во внутреннем счетчике ведомого устройства, он содержит увеличенный на единицу адрес ячейки, участвовавшей в последней операции.
Получив команду чтения, устройство дает бит подтверждения и посылает байт данных, соответствующий текущему адресу. Контроллер может ответить подтверждением, тогда устройство пошлет следующий байт (последовательное чтение). Если на принятый байт данных контроллер ответит условием Stop, операция чтения завершается (случай чтения по текущему адресу). Начальный адрес для считывания контроллер задает фиктивной операцией записи, в которой передается байт адреса устройства и байт адреса ячейки, а после подтверждения приема байта адреса снова формируется условие Start и передается адрес устройства, но уже с указанием на операцию чтения. Так реализуется считывание произвольной ячейки (или последовательности ячеек).
Интерфейс позволяет контроллеру с помощью пары сигналов обращаться к любому из 8 однотипных устройств, подключенных к данной шине и имеющих уникальный адрес (рис. 7.14). При необходимости увеличения количества устройств возможно подключение групп. При этом допустимо как использование общего сигнала SCL и раздельных сигналов SDA (двунаправленных), так и общего сигнала SDA и раздельных однонаправленных сигналов SCL. Для обращения к одной из нескольких микросхем (или устройств), не имеющих выводов для задания собственного адреса, также применяют разделение линий SCL (или SDA).
Протокол PC позволяет нескольким контроллерам использовать одну шину, определяя коллизии и выполняя арбитраж. Эти функции реализуются достаточно просто: если два передатчика пытаются установить на линии SDA различные
логические уровни сигналов, то "победит" тот, который установит низкий уровень. Передатчик следит за уровнями управляемых им сигналов и при обнаружении несоответствия (передает высокий уровень, а "видит" низкий) отказывается от дальнейшей передачи. Устройство может инициировать обмен только при пассивном состоянии сигналов. Коллизия может возникнуть лишь при одновременной попытке начала обмена - как только конфликт обнаружен, "проигравший" передатчик отключится, а "победивший" продолжит работу.
Рис.7.14. Подключение устройств к контроллеру ^С
Приложение А. Системотехника IBM PC-совместимых компьютеров
Здесь рассмотрено взаимодействие программ с интерфейсными адаптерами. Приведены краткие сведения по архитектуре PC. Описаны организация пространств памяти и ввода/вывода, система прерываний и прямой доступ к памяти. Более подробные сведения можно найти в книге "Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия" ("Питер", 1998).
А.1. Пространство памяти
Логическая структура памяти PC обусловлена системой адресации процессоров семейства х86. Процессоры 8086/88, применявшиеся в первых моделях IBM PC, имели адресное пространство 1 Мбайт (20 бит шины адреса). Начиная с процессора 80286 шина адреса была расширена до 24 бит, затем (386DX, 486, Pentium) до 32 и, наконец, до 36 бит (Pentium Pro, Pentium II). В реальном режиме процессора, используемом в DOS, формально доступен лишь 1 Мбайт памяти. Однако из-за ошибки эмуляции процессора 8086 в реальном режиме процессоры 80286 и выше имеют максимально доступный адрес lOFFEFh, что на (64К-16) байт больше. Область lOOOOOh-lOFFEFh называется высокой памятью - High Memory Area (HMA). В нее помещают часть ОС реального режима и небольшие резидентные программы. Для полной совместимости с процессором 8086/88 имеется вентиль линии А20 шины адреса - GateA20, который либо пропускает сигнал от процессора, либо принудительно обнуляет линию А20 системной шины адреса.
USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Версия стандарта 1.0 была опубликована в начале 1996 года, большинство устройств поддерживают стандарт 1.1, который вышел осенью 1998 года, — в нем были устранены обнаруженные проблемы первой редакции. Весной 2000 года опубликована спецификация USB 2.0, в которой предусмотрено 40-кратное увеличение пропускной способности шины. Первоначально (в версиях 1.0 и 1.1) шина обеспечивала две скорости передачи информации: полная скорость, FS (full speed) — 12 Мбит/с и низкая скорость, LS (low speed) — 1,5 Мбит/с. В версии 2.0 определена еще и высокая скорость, HS (high speed) — 480 Мбит/с, что позволяет существенно расширить круг устройств, подключаемых к шине. В одной и той же системе могут присутствовать и одновременно работать устройства со всеми тремя скоростями. Шина позволяет с использованием промежуточных хабов соединять устройства, удаленные от компьютера на расстояние до 25 м. Подробную и оперативную информацию по USB (на английском языке) можно найти на сайте http://www.usb.org . Разработку устройств и их классификацию и стандартизацию координирует USB-IF (USB Implementers Forum, Inc.).
Шина USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). USB является единой централизованной аппаратно-программной системой массового обслуживания множества устройств и множества прикладных программных процессов. Связь программных процессов со всеми устройствами обеспечивает хост-контроллер с многоуровневой программной поддержкой. Этим USB существенно отличается от традиционных периферийных интерфейсов (портов LPT, COM, GAME, клавиатуры, мыши и т. п.), сравнение этих типов подключений приводится в таблице.
| Традиционные интерфейсы (COM, LPT, Game…) | Шина USB |
| Подключение каждого устройства в общем случае требует присутствия собственного контроллера (адаптера) 1 | Все устройства подключены через один хостконтроллер |
| Каждый контроллер занимает свои ресурсы (области в пространстве памяти, ввода/вывода, а также запросы прерывания) | Ресурсы занимает только хост-контроллер |
| Малое количество устройств, которые возможно одновременно подключить к компьютеру | Возможность подключения до 127 устройств |
| Драйверы устройств могут обращаться непосредственно к контроллерам своих устройств, независимо друг от друга | Драйверы устройств обращаются только к общему драйверу хост-контроллера |
| Независимость драйверов оборачивается непредсказуемостью результата одновременной работы с множеством устройств, отсутствием гарантий качества обслуживания (возможность задержек и уменьшения скорости передачи) для различных устройств |
Централизованный планируемый обмен обеспечивает гарантии качества обслуживания, что позволяет передавать мультимедийные изохронные данные наряду с обычным асинхронным обменом |
| Разнообразие интерфейсов, разъемов и кабелей, специфичных для каждого типа устройств | Единый удобный и дешевый интерфейс для подключения устройств всех типов. Возможность выбора скорости работы устройства (1,5-15-480 Мбит/с) в зависимости от потребности |
| Отсутствие встроенных средств обнаружения подключения/отключения и идентификации устройств, сложность поддержки PnP | Возможность «горячего» подключения/отключения устройств, полная поддержка PnP, динамическое конфигурирование |
| Отсутствие средств контроля ошибок | Встроенные средства обеспечения надежной передачи данных |
| Отсутствие штатного питания устройств | Возможность питания устройств от шины, а также наличие средств управления энергопотреблением |
1 - Возможностью подключения к одному контроллеру множества устройств обладает и шина SCSI, но ее параллельный интерфейс по сравнению с USB слишком дорог, громоздок и более ограничен в топологии.
Архитектура USB допускает четыре базовых типа передач данных между хостом и периферийными устройствами:
Аппаратная часть USB включает:
Программная часть USB включает:
Драйверы USBD и HCD составляют хост-часть ПО USB; спецификация USB очерчивает круг их задач, но не описывает интерфейс между ними. Физическое устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Физические устройства USB могут быть комбинированными (compound devices): включать в себя несколько устройств-функций, подключенных к внутреннему хабу, а также предоставлять своим внутренним хабом дополнительные внешние точки подключения.
Работой всех устройств шины USB управляет хост-контроллер (host controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера. Хост-контроллер является интеллектуальным устройством шины PCI или составной частью «южного» хаба (моста) системной платы, интенсивно взаимодействующим с оперативной памятью.
Физическая топология шины USB — многоярусная звезда (см. рисунок, а). Ее вершиной является хост-контроллер, объединенный с корневым хабом (root hub). Хаб является устройством-разветвителем, он может служить и источником питания для подключенных к нему устройств. К каждому порту хаба может непосредственно подключаться периферийное устройство или промежуточный хаб; шина допускает до пяти уровней (ярусов) каскадирования хабов (не считая корневого). Поскольку комбинированные устройства содержат внутри себя хаб, их подключение к хабу пятого яруса уже недопустимо. Каждый промежуточный хаб имеет несколько нисходящих (downstream) портов для подключения периферийных устройств (или нижележащих хабов) и один восходящий (upstream) порт для подключения к корневому хабу или нисходящему порту вышестоящего хаба.
Логическая топология USB — звезда. Хабы (включая корневой) создают иллюзию непосредственного подключения каждого логического устройства к хост-контроллеру (см. рисунок ниже, б). В этой звезде устанавливаются сугубо подчиненные отношения по системе опроса-ответа: хост-контроллер по своей инициативе передает данные к выбранному устройству или принимает их. Устройство по своей инициативе передавать данные не может; непосредственные передачи данных между устройствами невозможны. Устройство по своей инициативе может лишь сигнализировать о «пробуждении» (wakeup), для чего используется специальная сигнализация, но не передача данных.
Физический интерфейс USB прост и изящен. Конструкция кабелей и коннекторов USB не дает возможности ошибиться при подключении устройств (см. рисунок ниже, а и б). Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение (см. рисунок ниже, в). Гнезда типа «A» устанавливаются только на нисходящих портах хабов, вилки типа «A» — на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов. Гнезда и вилки типа «B» используются только для шнуров, отсоединяемых от периферийных устройств и восходящих портов хабов (от «мелких» устройств — мышей, клавиатур и т. п. кабели, как правило, не отсоединяются). Для малогабаритных устройств имеются разъемы mini-B, а для поддержки OTG (On-the-Go) имеются и вилки mini-A, и розетки miniAB. Хабы и устройства обеспечивают возможность «горячего» подключения и отключения с сигнализацией об этих событиях хосту.
При планировании соединений следует учитывать способ питания устройств: устройства, питающиеся от шины, как правило, подключают к хабам, питающимся от сети. К хабам, питающимся от шины, подключают лишь маломощные устройства — так, к клавиатуре USB, содержащей внутри себя хаб, подключают мышь USB и другие устройства-указатели (трекбол, планшет).
Логическое устройство USB представляет собой набор независимых конечных точек (Endpoint, EP), с которыми хост-контроллер (и клиентское ПО) обменивается информацией. Каждому логическому устройству USB (как функции, так и хабу) конфигурационная часть ПО хоста назначает свой адрес (1-127), уникальный на данной шине USB. Каждая конечная точка логического устройства идентифицируется своим номером (0-15) и направлением передачи (IN — передача к хосту, OUT — от хоста). Точки IN4 и OUT4, к примеру, представляют собой разные конечные точки, с которыми могут общаться даже модули клиентского ПО. Набор конечных точек зависит от устройства, но всякое устройство USB обязательно имеет двунаправленную конечную точку 0 (EP0), через которую осуществляется его общее управление. Для прикладных целей используются конечные точки с номерами 1-15 (1-2 для низкоскоростных устройств). Адрес устройства, номер и направление конечной точки однозначно идентифицируют приемник или источник информации при обмене хост-контроллера с устройствами USB. Каждая конечная точка имеет набор характеристик, описывающих поддерживаемый тип передачи данных (изохронные данные, массивы, прерывания, управляющие передачи), размер пакета, требования к частоте обслуживания.
Устройство может выполнять несколько различных функциональных задач: например, привод CD-ROM может обеспечивать проигрывание аудиодисков и работать как устройство хранения данных. Для решения каждой задачи в устройстве определяется интерфейс — набор конечных точек, предназначенных для выполнения данной задачи, и правила их использования. Таким образом, каждое устройство должно обеспечивать один или несколько интерфейсов. Наличие нескольких интерфейсов позволяет нескольким драйверам, каждый из которых обращается только к своему интерфейсу (представляющему часть устройства USB), работать с одним и тем же устройством USB. Каждый интерфейс может иметь один или несколько альтернативных вариантов (альтернативных установок — alternate settings), из которых в данный момент активным может быть только один. Варианты различаются наборами (возможно, и характеристиками) используемых конечных точек.
Набор одновременно поддерживаемых интерфейсов составляет конфигурацию устройства. Устройство может иметь одну или несколько возможных конфигураций, из которых на этапе конфигурирования хост выбирает одну, делая ее активной. От выбранной конфигурации зависит доступная функциональность, и зачастую — потребляемая мощность. Пока устройству не назначен номер выбранной конфигурации, оно не может функционировать в прикладном смысле и ток потребления от шины не должен превышать 100 мА. Хост выбирает конфигурацию исходя из доступности всех ресурсов, затребованных данной конфигурацией, включая и ток потребления от шины.
Каждая единица клиентского ПО (обычно представляемая драйвером) связывается с одним интерфейсом своего устройства (функции) монопольно и независимо (см. рисунок ниже). Связи на этом рисунке обозначают коммуникационные каналы (communication pipes), которые устанавливаются между драйверами устройств и их конечными точками. Каналы устанавливаются только с конечными точками устройств, относящимися к выбранным (из альтернативных) вариантам интерфейсов активной конфигурации. Другие конечные точки недоступны.
Для передачи или приема данных клиентское ПО посылает к каналу пакет запроса ввода/вывода — IRP (Input/Output Request Packet) и ждет уведомления о завершении его отработки. Формат IRP определяется реализацией драйвера USBD в конкретной ОС. В IRP имеются только сведения о запросе (местоположение буфера передаваемых данных в оперативной памяти и длина передачи); от свойств конкретного текущего подключения (скорость, допустимый размер пакета) драйвер устройства абстрагируется. Отработкой запроса в виде транзакций на шине USB занимается драйвер USBD; при необходимости он разбивает на части длинные запросы (пакеты), пригодные для передачи за одну транзакцию. Транзакция на шине USB — это последовательность обмена пакетами между хостом и ПУ, в ходе которой может быть передан или принят один пакет данных (возможны транзакции, в которых данные не передаются). Отработка запроса считается завершенной, когда успешно выполняются все связанные с ним транзакции. «Временные трудности», встречающиеся при их выполнении (неготовность к обмену данными), до сведения клиентского драйвера не доводятся — ему остается только ждать завершения обменов (или выхода по тайм-ауту). Однако устройство может сигнализировать о серьезных ошибках (ответом STALL), что приводит к аварийному завершению запроса, о чем уведомляется клиентский драйвер. В этом случае отбрасываются и все последующие запросы к данному каналу. Возобновление работы с данным каналом возможно лишь после явного уведомления об обработке ошибочной ситуации, которое драйвер устройства делает с помощью специального запроса (тоже вызова USBD).
Длинные запросы разбиваются на транзакции так, чтобы использовать максимальный размер пакета. Последний пакет с остатком может оказаться короче максимального размера. Хост-контроллер имеет средства обнаружения приема от устройства «неполновесного» пакета, размер которого меньше ожидаемого. В запросе IRP указывается, следует ли особым образом реагировать на это событие. Особая реакция может быть двоякой:
При передаче массивов использование укороченных пакетов в качестве разделителей наиболее естественно. Таким образом, например, в одном из вариантов протоколов для устройств хранения данных укороченные пакеты известной длины используются в качестве управляющих.
Коммуникационные каналы USB разделяются на два типа:
С каналами связаны характеристики, соответствующие конечной точке (полоса пропускания, тип сервиса, размер буфера и т. п.). Каналы организуются при конфигурировании устройств USB. Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Выделенная полоса закрепляется за каналом, и если установление нового канала требует такой полосы, которая не вписывается в уже существующее распределение, запрос на выделение канала отвергается.
Каналы различаются и по назначению:
Интерфейс устройства, с которым работает клиентский драйвер, представляет собой связку клиентских каналов (pipe’s bundle). Для этих каналов драйверы устройств являются единственными источниками и потребителями передаваемых данных.
Владельцем основных каналов сообщений всех устройств является драйвер USB (USBD); по этим каналам передается информация конфигурирования, управления и состояния. Основным каналом сообщений может пользоваться и клиентский драйвер для текущего управления и чтения состояния устройства, но опосредованно через USBD. Например, сообщения, передаваемые по основному каналу, используются драйвером принтера USB для опроса текущего состояния (передаются три признака в формате регистра состояния LPT-порта: ошибка ввода/вывода, принтер выбран, отсутствие бумаги).
Хост организует обмены с устройствами согласно своему плану распределения ресурсов. Для этого хост-контроллер циклически с периодом 1 мс формирует кадры (frames), в которые укладываются все запланированные транзакции (cм. рисунок ниже). Каждый кадр начинается с посылки пакета-маркера SOF (Start Of Frame), который является синхронизирующим сигналом для изохронных устройств, а также для хабов. Кадры нумеруются последовательно, в маркере SOF передаются 11 младших бит номера кадра. В режиме HS каждый кадр делится на 8 микрокадров, и пакеты SOF передаются в начале каждого микрокадра (с периодом 125 мкс). При этом во всех восьми микрокадрах SOF несет один и тот же номер кадра; новое значение номера кадра передается в нулевом микрокадре. В каждом микрокадре 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 начала интервала времени EOF (End of Frame). Период (частота) генерации микрокадров может немного варьироваться с помощью специального регистра хост-контроллера, что позволяет подстраивать частоту для изохронных передач.
Кадрирование используется и для обеспечения живучести шины. В конце каждого микрокадра выделяется интервал времени EOF (End Of Frame), на время которого хабы запрещают передачу по направлению к контроллеру. Если хаб обнаружит, что с какого-то порта в это время ведется передача данных (к хосту), этот порт отключается, изолируя «болтливое» устройство, о чем информируется USBD.
Счетчик микрокадров в хост-контроллере используется как источник индекса при обращении к таблице дескрипторов кадров. Обычно драйвер USB составляет таблицу дескрипторов для 1024 последовательных кадров1, к которой он обращается циклически. С помощью этих дескрипторов хост планирует загрузку кадров так, чтобы кроме запланированных изохронных транзакций и прерываний в них всегда находилось место для транзакций управления. Свободное время кадров может заполняться передачами массивов. Спецификация USB позволяет занимать под периодические транзакции (изохронные и прерывания) до 90% пропускной способности шины, то есть времени в каждом микрокадре.
Стандарты USB 1.1 и 2.0
Универсальная последовательная шина USB (Universal Serial Bus) является еще одним последовательным интерфейсом. Поскольку это самый популярный последовательный интерфейс, то он заслуживает отдельной главы.
Шина USB позволяет последовательное подсоединение до 127 устройств (вы можете подключать устройство к устройству, если производитель устройства предусмотрел такую возможность). Как и в случае с IEEE, поддерживается «горячее» отключение/подключение устройств, то есть вам для подключения/отключения устройства не нужно выключать питание компьютера. Более того, как и в случае с IEEE, устройства могут получать питание по шине USB, что позволяет обходиться без дополнительных блоков питания.
Шина USB появилась в январе 1996 года – тогда была анонсирована версия USB 1.0. Два года спустя, в 1998 году, появилась шина USB 1.1. Практически все устройства версии 1.0 совместимы с USB 1.1, и наоборот – просто изменения были незначительные.
Шина USB 2.0 появилась в 2003 году. Она обратно совместима с версиями 1.0 и 1.1. Это означает, что к шине USB 2.0 можно подключить устройства версии 1.0 и 1.1. Определить версию устройства очень легко – по логотипу USB. На рис. 10.1 изображен логотип USB версий 1.0 и 1.1 (сейчас чаще встречается устройство версии 1.1), а на рис. 10.2 – логотип USB 2.0.
Рис. 10.1. Логотип usb 1.1: старый (слева) и новый (справа)
Рис. 10.2. Логотип usb 2.0
Технические характеристики шины USB 1.1 приведены в табл. 10.1.
//-- Таблица 10.1. Технические характеристики шины USB1.1 --// 
Обратите внимание, что шина USB 1.1 может работать в двух режимах: в низкоскоростном и высокоскоростном. В первом скорость обмена составляет 1,5 Мбит/с, во втором – 12 Мбит/с.
Технические характеристики шины USB 2.0 практически такие же, но для USB 2.0 предусмотрено три скоростных режима:
Low-speed (скорость 10–1500 Кбит/c) – для устройств ввода (клавиатуры, мыши, джойстиков);
Full-speed (0,5–12 Мбит/с) – различные среднескоростные устройства;
Hi-speed (5–480 Мбит/с) – носители данных, видеоустройства.
Подключение USB-устройств
На задней стенке системного блока обычно можно обнаружить четыре USB-порта (иногда 6 или даже 8). Данные порты (рис. 10.3) принадлежат к корневым концентраторам USB. У каждого корневого концентратора есть два USB-порта. Следовательно, если у вас на системной плате четыре USB-порта, то всего в системе два корневых концентратора, если восемь портов – в системе четыре корневых концентратора.
//-- Рис. 10.3. USB-порты --//
Откройте Диспетчер устройств (для этого выполните команду Пуск, Настройка, Панель управления, Система, перейдите на вкладку Оборудование и нажмите кнопку Диспетчер устройств). В окне Диспетчера устройств раскройте группу Контроллеры универсальной последовательной шиныUSB (рис. 10.4).
//-- Рис. 10.4. Диспетчер устройств --//
Щелкните правой кнопкой по любому корневому концентратору и выберите команду Свойства. В появившемся окне перейдите на вкладку Питание. Вы увидите следующую информацию (рис. 10.5):
тип питания концентратора – наш концентратор корневой, поэтому имеет свое собственное питание;
информацию о подключенных к портам концентратора устройствах и об их питании – в нашем случае подключено одно устройство и оно требует питания в 100 мА. Максимум наш концентратор может передать до 500 мА на порт;
количество свободных портов – у корневого концентратора всего два порта, один из них занят (подключено запоминающее устройство – USB-диск), поэтому свободен один порт.
//-- Рис. 10.5. Подробная информация о концентраторе --//
Если у вас всего два концентратора и к каждому можно подключить всего два устройства, то как, спрашивается, можно подключить к компьютеру до 127 USB-устройств? Во-первых, к портам корневого концентратора вы можете подключить дополнительные USB-концентраторы (рис. 10.6). USB-концентратор подключается к USB-порту, но взамен предоставляет как минимум три свободных USB-порта. Бывают два типа USB-концентраторов: с собственным питанием и с питанием от родительского порта. Лучше покупать концентраторы с собственным питанием. Почему? Как мы знаем, на один порт передается сила тока максимум 500 мА; 100 мА потребуется для питания самого концентратора, поэтому для устройств останется 400 мА. Выходит, что к каждому порту такого концентратора вы уже не сможете подключить какое-либо мощное USB-устройство, а сможете подключать устройства вроде USB-дисков, которым необходимо всего 100 мА.
//-- Рис. 10.6. USB-концентратор --//
Если же концентратор будет обладать собственным питанием, то можно будет обеспечить по 500 мА на каждый порт, то есть USB-порты будут полноценными, как на корневых концентраторах.
Кроме того, некоторые устройства, например клавиатура, могут выступать в роли USB-концентратора (данные устройства должны быть USB-устройствами). Вы подключаете клавиатуру к USB-порту, а к ней можно подключить еще несколько устройств. Обычно к клавиатуре подключают USB-мыши и иногда USB-дис-ки. Понятно, что данные устрой ства должны быть не «обжорливыми», поскольку всего на порт подаются те самые 500 мА; 100 мА уходит на питание клавиатуры, а остальное делится между подключенными к клавиатуре устройствами. Учитывая такое иерархическое подключение устройств, несложно себе представить всего 127 подключенных к компьютеру устройств. Это же не 63 000, как в случае с IEEE-1394!
Теперь о разъемах USB. Разъемы, имеющиеся на задней стенке системного блока (самые обычные USB-разъемы), называются USB типа А. Кабель для разъема типа А изображен на рис. 10.7.
//-- Рис. 10.7. Кабель типа А --//
Разъем и кабель типа B изображены на рис. 10.8. Обычно разъем типа B используется на периферийных устройствах (принтерах, сканерах). USB-кабель для подключения периферийного устройства к компьютеру (рис. 10.9) оснащен разъемом типа B (для подклю че-ния к прин теру/сканеру) и разъемом типа A (для подключения к компьютеру).
//-- Рис. 10.8. Разъем (гнездо) и кабель типа B --// 
//-- Рис. 10.9. Кабель для подключения USB-принтера --//
Кроме разъемов типа A и B, есть еще мини-разъем, который так и называется – mini-USB (рис. 10.10). Обычно он используется для подсоединения USB-кабеля к цифровому фотоаппарату, мобильному телефону. При этом один конец кабеля – mini-USB, а второй – типа A.
//-- Рис. 10.10. Кабель mini-USB --//
Модернизация старых компьютеров
На старых компьютерах нет USB-портов, но можно установить USB-кон-троллер, выполненный в виде PCI-платы расширения (рис. 10.11) или в виде PC-карты (для ноутбуков). При покупке контроллера убедитесь, что он поддер живает USB 2.0 (рис. 10.12) – если ставить, то самое новое.
//-- Рис. 10.11. USB-контроллер в виде PCI-платы (4 USB-порта) --// 
//-- Рис. 10.12. Двухпортовая РС-карта (добавляет поддержку USB в старый ноутбук) --//
Иногда компьютер не очень старый – поддержка USB есть, но версии 1.1, а нужно подключить устройство USB 2.0. В этом случае тоже поможет PCI-контроллер. Еще раз повторюсь: при покупке нужно убедиться, что вы покупаете именно контроллер USB 2.0.
В настоящее время стандарт USB 3.0 еще не принят, но уже находится на стадии разработки. Предполагается, что он будет передавать сигналы с помощью оптоволоконного кабеля. USB 3.0 будет обратно совместим с версиями 2.0 и 1.1.
Сейчас над созданием USB 3.0 работают следующие компании: Intel, Microsoft, Hewlett-Packard, Texas Instruments, NEC и NXP Semiconductors. Планируемая скорость передачи данных (пиковая) – 4,8 Гбит/с.
Поддерживает ли ваша система USB
Казалось бы, если есть USB-порты, то и поддержка USB тоже должна быть. Но это не всегда так. Например, в Windows 2000 и в Windows XP SP1 нет драйвера для USB 2.0. Даже если у вас контроллер USB 2.0, то без установки драйвера для USB 2.0 шина USB будет работать как USB 1.1.
Скачайте программу USB Ready по адресу http://www.usb.org/about/ faq/ans3/usbready.exe, которая протестирует вашу систему на предмет наличия поддержки USB (рис. 10.13).
//-- Рис. 10.13. Программа usb ready --//
Что же делать тем, у кого новый USB-контроллер? Есть несколько вариантов:
установить новую версию ОС – Windows Vista, но это стоит не дешево;
обновить версию ОС до Windows XP SP2; установить драйвер USB 2.0.
Далеко не всегда хочется переустанавливать хорошо работающую систему. Тогда будем искать драйвер. Иногда он поставляется вместе с материнской платой – тогда вам повезло. Но если его в комплекте нет, тогда будем искать его в Интернете. Самое интересное, что на сайте Microsoft его уже нет. Я нашел нужный драйвер на сайте softodrom.ru:
http://soft.softodrom.ru/ap/p4515.shtml.
Если к моменту выхода книги из печати его там уже не будет, обращайтесь ко мне – я поделюсь им с вами.
Шина USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно – версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициировна весьма авторитетными фирмами – Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq.
Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками – создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов.
Возможности USB следуют из ее технических характеристик: высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) – 12 Mбит/с; максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена – 5 м; низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) – 1,5 Mбит/с; максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена – 3 м; максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) – 127; возможно подключение устройств с различными скоростями обмена; напряжение питания для периферийных устройств – 5 В; максимальный ток потребления на одно устройство – 500 мA (это не означает, что через USB можно запитать устройства с общим током потребления 127 ´ 500 мA = 63,5 A)
Топология USB практически не отличается от топологии обычной локальной сети на витой паре, обычно называемой «звездой». Даже терминология похожа – размножители шины также называются HUB.
Условно дерево подключения USB устройств к компьютеру можно изобразить так (см. рис. 5.22) (цифрами обозначены периферийные устройства с USB интерфейсом):
Вместо любого из устройств может также стоять HUB. Основное отличие от топологии обычной локальной сети – компьютер (или host устройство) может быть только один. HUB может быть как отдельным устройством с собственным блоком питания, так и встроенным в периферийное устройство. Наиболее часто HUB"ы встраиваются в мониторы и клавиатуры.
Сигналы USB передаются по 4-х проводному кабелю, схематично показанному на рис. 5.22:
Рис. 5.22. Передача сигнала по USB-кабелю
Здесь GND – цепь «корпуса» для питания периферийных устройств, VBus – +5 V также для цепей питания. Шина D+ предназначена для передачи данных по шине, а шина D – для приема данных. Кабель для поддержки полной скорости шины (full-speed) выполняется как витая пара, защищается экраном и может также использоваться для работы в режиме минимальной скорости (low-speed). Кабель для работы только на минимальной скорости (например, для подключения мыши) может быть любым и неэкранированным.
В 1999 году тот же консорциум компьютерных компаний, который инициировал разработку первой версии стандарта на шину USB, начал активно разрабатывать версию 2.0 USB, которая отличается тем, что полоса пропускания шины увеличена в 20 раз, до 250 Mбит/с, что делает возможным передачу видеоданных по USB и делает ее прямым конкурентом IEEE-1394 (FireWire). Совместимость всей ранее выпущенной периферии и высокоскоростных кабелей полностью сохраняется и сохраняется одно из самых главных достоинств USB – низкая стоимость контроллера.
Посмотрите на заднюю стенку своего аппарата. Вы увидите там множество всяких разъемов: последовательные и параллельный порты, разъемы для подключения джойстика, колонок, клавиатуры, мыши и еще множество других. Такое изобилие не есть очень хорошо, так как, во-первых, это не сказывается положительно на стоимости материнской платы (незначительно, конечно, но все-таки), а, во-вторых (что более важно) создает некоторые трудности для подключения внешней перифирии. В самом деле, если человек никогда не видел компьютера, а тут ему стало нужно подключить мышь, то он просто не будет знать, куда ее вставлять. Кроме того, программное обеспечение должно поддерживать все эти стандарты, а это только зря усложняет его (обеспечение), и создает дополнительные трудности для установки драйверов, настройки и т. п. Конечно, для знающего пользователя все это мелочи, но весь компьютерный мир стремится сделать "easy PC", то есть когда пришел, поставил, воткнул, включил, загрузил и играй в Unreal Tournament, а все остальное сделается само. Да и, как уже говорилось, не все же знают, куда же надо мышку пихать, а без мышки, сами понимаете, Unreal не Unreal. Кстати, тут я полностью разделяю позицию производителей железа - пользователь должен использовать компьютер, а не возиться со всякими прерываниями, разъемами и проч., потому что даже если все это и не составляет особого труда, то все равно очень неприятно. И все эти проблемы, как вы наверное, уже догадались, "должна решить шина USB". Поэтому перейдем сразу к делу.
Шина USB (Universal Serial Bus ) - универсальная шина, предназначенная для легкого и быстрого подключения периферийных устройств. Стандарт разработали семь компаний: Compaq, Digital Equipment, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. USB-шнур представляет собой две скрученные пары: по одной паре происходит передача данных в каждом направлении (дифференциальное включение), а другая есть линия питания (+5 V). Благодаря встроенным линиям питания, обеспечивающим ток до 500 мА, USB часто позволяет применять устройства без собственного блока питания (если эти устройства потребляют ток силой не более 500 мА).
К одному компьютеру можно подсоединить до 127 устройств
через цепочку концентраторов (они используют топологию
звезда). Причем эти устройства могут быть самыми
разными - начиная от клавиатуры с мышью и кончая
сканерами и цифровыми камерами. Представьте себе
принтер, сканер, клавиатуру, колонки, джойстик и
еще десяток мышек, подключенных сразу к одному порту
и еще одновременно работающих! Правда, нужно сделать
небольшое уточнение: все эти устройства для эффективной
работы должны иметь в своем расоряжении необходимую
им полосу пропускания, а она ограничена 12-ю мегабитами,
которые может дать USB, то есть один сканер с хорошим
принтером сожрут больше, а тут еще и 
колонки, и модем и что угодно. Иначе говоря,
работать то оно будет, но получится ситуация, как
в том анекдоте: "А теперь попробуем со всем этим
взлететь". Я бы не рекомендовал на один USB-разъем
(системные платы имеют два и более разъема) вешать
слишком много скоростных устройств, которые предполагается
использовать одновременно. Кстати, все эти мышки
и модемы потребляют определенный ток, который поставляется
шиной (если устройство не имеет собственного блока
питания), а он не должен превысить максимального
значения, что тоже снижает 127 до некоторого другого,
значительно меньшего числа.
Передача данных по шине может осуществляться как в асинхронном, так и в синхронном режиме. В USB обмен информации с быстрыми устройствами идет на скорости 12 Мbits/s, а с медленными - 1.5 Мbits/s. Все подключенные к USB-устройства конфигурируются автоматически (PnP) и допускают Hot-Swap включение/выключение (без перезагрузки или выключения компьютера). Достигается это следующим образом. При подключении кабеля к USB-разъему контроллер USB-контроллер чувствует скачок напряжения и подает соответствующий сигнал операционной системе, а она загружает драйвер, который и обеспечивает работу устрйства на программном уровне. Или, если драйвер не был установлен, система, видя это безобразие, опознает устройство и самостоятельно или с помощью пользователя ставит необходимые драйвера. При дальнейшем включении/выключении этого устройство инициализация происходит, как описано в первом случае. Во время опознавания на экране появляется соответствующее сообщение, а изменения в Device Manager"е происходят автоматически. Устройство также сообщает информацию о его типе, производителе, назначении и требуемой пропускной способности. Ему назначается уникальный идентификационный номер. Это все, что нужно, никаких вопросов об IRQ, адресах портов и DMA больше не будет. Правда, одно прерывание все же нужно - для самого контроллера USB.
Для взаимодействия устройств используется вышеупомянутый
кабель, имеющий на концах разъемы, напоминающие
телефонные. Существует два вида разъемов: разем
типа "А" и разем типа "B". Как правило, устройство
подключается к кабелю одним разъемом (B), 
а другим к USB-порту (A). Устройства можно подключать по цепочке,
для этого они могут иметь дополнительный порт для
подключения кабеля, идущего на следующее устройство.
Однако 
это
не всегда так. Поэтому существуют специальные USB-хабы,
подключаемые к порту USB и делящих его на несколько.
Есть хабы с блоком питания, они позволяют в некоторой
степени обойти ограничение на электрическую нагрузку.
На рисунке слева приведен внутренний хаб, вставляющийся
в 5" отсек и соединяющийся с USB-портом внешним
кабелем, выходящим наружу из задней стенки PC. Наб
является обычным USB-устрйством, поэтому их количество
может быть более одного; их тоже можно включать
в цепочку. Старые компьютеры, не имеющие USB (сейчас
USB-контроллер встраивается непосредственно в чипсет),
можно оснастить картой типа PCI to USB.
В отличие от чуть ли не всей компьютерной индустрии, когда еще далеко до принятия стандарта, а устройства, поддерживающие его, уже вовсю продаются на рынке, с шиной USB все получилось наоборот. Стандарт был принят аж в 1995-м году, а в 1997-м еще никто толком не мого объяснить, что такое USB. Причина - поддержка (точнее ее отсутствие) со стороны программного обеспечения. Здесь производители устройств ждали, пока Microsoft выпустит ОС с поддержкой USB, а Microsoft в свою очередь заявляла: зачем делать новую систему, когда USB-устройства можно пересчитать по пальцам. К тому же Windows 95 все же может работать с USB, пусть и плохо. Получился в своем роде замкнутый круг. Но в 1998-м году фирма Microsoft напряглась и сделала наконец-то операционную систему с более или менее полноценной поддержкой USB (имеется ввиду Windows 98). Естественно, в последующих версиях систем от дядюшки Билли эта поддержка сохранилась. И тут устройства USB начали появляться словно грибы после дождя. Так что сейчас практически вся периферия имеет USB-варианты, а очень большое количество устройств и вовсе делается только под эту шину. Более подробную информацию о том, что можно подключить к USB, можно найти на http://www.allusb.com/ .
Теоретически к шине USB можно подключить все что угодно - хоть жесткий диск или систему видеомонтажа. Такие устройства даже существуют (смотрите, например, фотографию конвертера ниже) и покупаются. Но это уже, как говориться, попытка совместить несовместимое. Все упирается в максимальную пропускную способность шины. Ее хватает только для передачи видео очень посредственного качества. Жесткий диск тоже будет сильно притормаживать, так как 12 мегабит для жесткого диска, сами понимаете, не скорость. Единствнная область, где ему можно найти применение, это роль "большой дискеты" или использование в качестве второго диска большой емкости в портативном компьютере, но уж писать высококачественный AVI-файл в реальном времени на такой арегат никак не получится. Правда, на подходе USB 2.0, где скорость будет намного увеличена.
В последнее время Microsoft вместе с Intel
и другими компаниями всюду продвигают идею компьютера,
в котором чего-либо нет. И если в 1999-м под горячую
руку попала ISA , то теперь в компьютере "не должно быть никаких
последованельных, параллельных или PS/2 портов".
Все это хозяйство должна заменить USB. Вполне возможно,
что в скорем времени именно так и случится - уже
практически убрана ведь из РС поддержка ISA. Ну
да ладно, бог с ней, в общем, с ISA, - не велика
потеря. Сейчас все современые устройства поставляются
в PCI-варианте, а для ISA уже мало что хорошего
осталось, а если у кого-то и осталось что-то любимое,
то можно найти современную плату со слотами ISA
и работать себе в Windows 98, а если очень хочется
чего-то посовременнее, то можно потратить деньги
и заменить устройства на новые, а денег хватит,
потому что для работы современными приложениями
(иначе зачем тогда современное железо?) нужен не
самый дешевый компьютер, и если хватило на компьютер,
то хватит и на тот же FM-тюнер для PCI. Мы же обсуждаем
USB. Тут ситуация такая же, как и с ISA в свое время,
но только сейчас она актуальней. Ну с какой стати
кто-то захочет менять свою дорогую и любимую мышь
с PS/2 на USB, пусть даже она плавней ползает? А
модем, который вот уже сколько гигабайт перекачал
из интернета и еще с не меньшим успехом может перекачать
столько же? Ну с принтерами еще ладно, все нормальные
современные принтеры могут работать как и с LPT,
так и с USB. Но отдавать лишние деньги за чисто
альтернативные устройства для USB мало кто захочет,
так как те же клавиатуры с мышами стоят дороже долларов
на 10-20, чем точно такие же, но "не USB".
Но, тем не менее, по моему, если вы покупаете что-нибудь новое, то внимание на USB все же стоит обратить в первую очередь. Во первых, для некоторых устройств (принтеров, сканеров, причем цена последних, кстати, зачастую даже ниже в USB-варианте) USB дает прирост призводительности вследствие большей пропускной способности. С другой стороны, вы получате удобство пользования и, возможно, некоторые дополнительные возможности. В-третьих, становитесь обладателем современного устройства, а не всякого там антиквариата. Я полностью согласен с концепцией необходимости полного перехода USB, предлагаемой некоторыми фирмами, - нужно избавляться от технологий каменного века.
