Интернет магазин радиооборудования и радиодеталей!
Посетить магазин!
 
 

Интерфейс USB

Интерфейс USB

Примеры применения USB в микроконтроллерах
USB (англ. Universal Serial Bus) - универсальная последовательная шина, предназначенная для подключения периферийных устройств. Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для высоко-, средне- и низкоскоростных периферийных устройств.

Разработка спецификаций на шину USB производится в рамках международной некоммерческой организации USB Implementers Forum (USB-IF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шиной USB.

Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёх проводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода - для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания, USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА).

К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств по топологии "звезда", в том числе и концентраторы, к которым можно еще присоединить 127 устройств.

В настоящее время широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB 2.0. Ведётся внедрение в производство устройств спецификации USB 3.0.

История создания

Причиной возникновения нового стандарта для передачи информации, послужило желание упростить соединение ПК с периферийными устройствами. Основная цель стандарта - создать для пользователей возможность пользоваться таким интерфейсом, который бы обладал максимальной простотой, универсальностью, и использовал и использовал принципы Plug&Play (автоматическое распознавание подключенного устройства) и горячее соединение (hot-plugin).

Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками, - обеспечить пользователям реальную возможность работы в режиме Plug&Play (автоматическое распознавание подключенного устройства) и горячее соединение (hot-plugin) 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 (если это необходимо). Кроме того, желательно обеспечить подачу питания для маломощных устройств с самой шины. Скорость шины должна быть достаточной для подавляющего большинства низкоскоростных периферийных устройств. При этом контроллер USB занимает только одно прерывание независимо от количества подключенных к шине устройств. Это позволило бы подключать к ПК во время работы различные устройства ввода-вывода, с условием немедленного автоматического распознавания типа и модели подключённого устройства. Также, была поставлена цель, - избавиться от проблемы нехватки внутренних ресурсов прерываний системной шины.

Все эти задачи успешно были решены к концу 1996 года, а к весне 1997 года, стали появляться первые ПК, оборудованные разъёмами USB. Полная поддержка USB устройств была осуществлена только к концу 1998 года, в операционной системе Windows98, и только с этого этапа, началось особенно бурное развитие и выпуск периферийного оборудования, оснащённого этим интерфейсом.

Практически все поставленные задачи были решены в стандарте USB 1.1.

Спецификация USB 1.1 вышла в сентябре 1998 года, в ней были исправлены ошибки версии 1.0.

Hewlett-Packard, Intel, Lucent (ныне Alcatel-Lucent), Microsoft, NEC, и Philips совместно выступили с инициативой по разработке более скоростной версии USB. Спецификация USB 2.0 была опубликована в апреле 2000 года, и в конце 2001 года эта версия была стандартизирована USB Implementers Forum. USB 2.0 является обратно совместимой со всеми предыдущими версиями USB.

В настоящее время USB активно внедряется производителями компьютерной периферии, а фирма Apple выпускает компьютеры только с USB в качестве внешней шины.

В настоящее время существуют следующие спецификации шины USB:

USB 1.0
USB 1.1
USB 2.0
USB 3.0

Кроме спецификаций на саму шину USB существуют дополнительные спецификации на стандартные классы USB-устройств и расширения USB-шины:

USB OTG
USB Wireless
USB Human Interface Device
USB Mass Storage Device

Недостатки USB

Хотя пиковая пропускная способность USB 2.0 составляет 480 Мбит/с (60 Мбайт/с), на практике обеспечить пропускную способность, близкую к пиковой, не удаётся. Это объясняется достаточно большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, шина FireWire хотя и обладает меньшей пиковой пропускной способностью 400 Мбит/с, что на 80 Мбит/с меньше, чем у USB 2.0, в реальности позволяет обеспечить большую пропускную способность для обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации.

Реализация USB-устройств

Существует несколько способов реализации USB-устройств: можно использовать специализированные микросхемы преобразующие поток данных по шине USB к какому-либо стандартному интерфейсу (USART, SPI и др.) либо реализовывать интерфейс USB в микроконтроллере. Для этого способа тоже возможно два варианта: программная реализация и аппаратная.


Кабели и разъёмы USB 1.0, 2.0 и 3.0


USB Тип A

USB Тип A

USB Тип В

USB Тип В

Спецификация 1.0 регламентировала два типа разъёмов: A - на стороне контроллера или концентратора USB и B - на стороне периферийного устройства. Впоследствии были разработаны миниатюрные разъёмы для применения USB в переносных и мобильных устройствах, получившие название Mini-USB. Новая версия миниатюрных разъёмов, называемых Micro-USB, была представлена USB Implementers Forum 4 января 2007 года.

Размеры разъёмов: USB Тип A - 4x12 мм, USB Тип B - 7x8 мм, USB mini A и USB mini B - 2x7 мм.

Mini USB Тип A (слева) и Mini USB Тип B (справа)

Mini USB Тип A (слева)
и Mini USB Тип B (справа)

Micro USB Тип B

Micro USB Тип B

Существуют также разъёмы типа Mini-AB и Micro-AB с которыми соединяются соответствующие коннекторы как типа A, так и типа B.

В отличие от многих других стандартных типов разъёмов, для USB характерны долговечность и механическая прочность.

Сигналы USB передаются по двум проводам четырёхпроводного кабеля.

usb 

Размещение проводников
Номер контактаОбозначениеЦвет провода
1V BUSкрасный
2D-белый
3D+зелёный
4GNDчёрный

Здесь GND - цепь "корпуса" для питания периферийных устройств, VBus - +5 В, так же для цепей питания. Данные передаются по проводам D+ и D- дифференциально (состояния 0 и 1 (в терминологии официальной документации diff0 и diff1 соответственно) определяются по разности потенциалов межу линиями более 0,2 В и при условии, что на одной из линий (D- в случае diff0 и D+ при diff1) потенциал относительно GND выше 2,8 В. Дифференциальный способ передачи является основным, но не единственным (например, при инициализации устройство сообщает хосту о режиме, поддерживаемом устройством (Full-Speed или Low-Speed), подтягиванием одной из линий данных к V_BUS через резистор 1.5 кОм (D- для режима Low-Speed и D+ для режима Full-Speed, устройства, работающие в режиме Hi-Speed, ведут себя на этой стадии как устройства в режиме Full-Speed). Так же иногда вокруг провода присутствует волокнистая обмотка для защиты от физических повреждений.

Коннектор USB 3.0 тип А

Коннектор USB 3.0 тип А

Коннектор USB 3.0 тип B

Коннектор USB 3.0 тип B

  •  
 
Ссылка на источник: http://andys.ru/interface-usb




Наверх