USB
Начнем с нашего "первопроходца" – USB. Аббревиатура USB (Universal Serial Bus) может быть расшифрована и переведена как "универсальная последовательная шина", из чего явно следует, что передача данных через этот интерфейс происходит последовательно. Но прежде чем углубляться в особенности работы быстро пройдемся по его основным периодам развития и внедрения.
Логотип USB
USB ведет свою историю с первой половины 90-х годов прошлого века. Предварительные версии стандарта были выпущены еще в 1994 году, то есть даже до выхода Windows 95. Тем не менее, завершили его к началу 1996 года – 1 января была представлена финальная спецификация USB 1.0.
В разработке участвовали (и участвуют) крупнейшие компании IT-индустрии. В частности Intel разработала UHCI (Universal Host Controller Interface), Microsoft обеспечила программную поддержку нового интерфейса в Windows, а Philips сделала возможным увеличение числа разъемов USB за счет хабов.
По-настоящему массовое внедрение USB началось с широким распространением корпусов и системных плат форм-фактора ATX примерно в 1997-1998 годах. Не упустила шанс воспользоваться достижениями прогресса и компания Apple, представившая 6 мая 1998 года свой первый iMac, также оснащенный поддержкой USB.
Как это часто бывает первая версия USB имела некоторые проблемы совместимости и содержала несколько ошибок в реализации. В итоге ноябрь 1998 года озарился выходом спецификаций USB 1.1. Как и в случае с Bluetooth, именно данная версия стала наиболее распространенной. До выхода USB 2.0 конечно.
Логотип USB 2.0
Спецификация USB 2.0 была представлена в апреле 2000 года. Но до принятия ее в качестве стандарта прошло больше года. После этого началось массовое внедрение второй версии универсальной последовательной шины. Главным ее достоинством было 40-кратное увеличение скорости передачи данных. Но кроме этого были и другие нововведения. Так появились новые типы разъемов Mini-B и Micro-USB, добавилась поддержка технологии USB On-The-Go (позволяет USB-устройствам вести обмен данными между собой без участия USB-хоста), появилась возможность использования напряжения, подаваемого через USB, для зарядки подключенных устройств, а также некоторые другие.
Совсем недавно было объявлено о разработке USB 3.0. Не сложно догадаться, что его главная "фишка" будет заключаться в очередном повышении скорости обмена данными. Она вырастит в 10 раз в сравнении с USB 2.0.
Теперь подробнее о том, как работает шина USB. Все начинается с так называемого USB-хоста. К нему сходятся данные от подключенных устройств и он же обеспечивает взаимодействие с компьютером. Все устройства подключаются по топологии "звезда". Чтобы увеличить число активных разъемов USB можно воспользоваться USB-хабами. Таким образом получится аналог логической структуры "дерево". "Ветвей" у такого дерева может быть до 127 штук на один хост-контроллер, а уровень вложенности USB-хабов не должен превышать пяти. Кроме того, в одном USB-хосте может быть несколько хост-контроллеров, что пропорционально увеличивает максимальное число подключенных устройств.
USB-хабы
Хабы бывают двух видов. Одни просто увеличивают число USB-разъемов в одном компьютере, а другие позволяют подключать несколько компьютеров. Второй вариант позволяет использовать нескольким системам одни и те же устройства. Например, вместо покупки дорого сетевого принтера можно приобрести обычный с интерфейсом USB, подключить его к такому специальному хабу, после чего печатать на нем смогут все подсоединенные к хабу ПК. В зависимости от хаба переключение может производится как вручную, так и автоматически.
Фотопринтер со встроенным карт-ридером
Одно физическое устройство, подключенное через USB, может логически подразделяться на "под-устройства", выполняющие те или иные определенные функции. Например, сегодня фотопринтер может быть оснащен карт-ридером. Таким образом одно под-устройство печатает, а второе — считывает информацию с карт памяти. Либо же у веб-камеры может быть встроенные микрофон — получается, что у нее два под-устройства: для передачи аудио и видео.
Передача данных происходит через специальные логические каналы. Каждому USB-устройству может быть выделено до 32 каналов (16 на прием и 16 на передачу). Каждый канал подключается к условно называемой "конечной точке". Конечная точка может либо принимать данные, либо передавать их, но не способна делать это одновременно. Группа конечных точек, необходимых для работы какой-либо функции, называется интерфейсом. Исключение составляет "нулевая" конечная точка, предназначающаяся для конфигурации устройства.
Когда к USB-хосту подключается новое устройство начинается процесс присвоения ему идентификатора. Первым делом устройству посылается сигнал перехода в исходное состояние. Тогда же происходит и определение скорости, с которой может вестись обмен данными. После считывается конфигурационная информация с устройства, и ему присваивается уникальный семибитный адрес. Если устройство поддерживается хостом, то загружаются все необходимые драйвера для работы с ним, после чего процесс завершен. Перезагрузка USB-хоста всегда вызывает повторное присвоение идентификаторов и адресов всем подключенным девайсам.
Углубляться в особенности определения типа подключенного устройства мы не станем. Согласитесь, ведь это мало кого волнует. Главное, чтобы нашелся разъем USB. А если такой есть, то значит и с подключением проблем возникнуть не должно. Давайте лучше разберем режимы работы универсальной последовательной шины. Пока их три, но скоро будет четыре.
- Low Speed. Поддерживается стандартами версии 1.1 и 2.0. Пиковая скорость передачи данных — 1.5 Мбит/с (187.5 Кбайт/с). Чаще всего применяется для HID-устройств (клавиатур, мышей, джойстиков).
- Full Speed. Поддерживается стандартами версии 1.1 и 2.0. Пиковая скорость передачи данных — 12 Мбит/с (1.5 Мбайт/с). До выхода USB 2.0 был наиболее быстрым режимом работы.
- Hi-Speed. Поддерживается стандартом версии 2.0 (в перспективе и 3.0). Пиковая скорость передачи данных — 480 Мбит/с (60 Мбайт/с).
- Super-Speed. Поддерживается стандартом версии 3.0. Пиковая скорость передачи данных — 4.8 Гбит/с (600 Мбайт/с).
Зачем нужны столь высокие скорости для USB версии 2.0 и тем более 3.0? Если разобраться, то весьма ограниченное число устройств может загрузить такой широкий канал, но они все же есть. В первую очередь это современные жесткие диски. В среднем скорость чтения настольных 3.5-дюймовых моделей составляет порядка 80-85 Мбайт/с, а если взять какой-нибудь внешний RAID-массив от LaCie, то это значение смело можно увеличить на 30-40%. Но для жестких дисков придуман eSATA, о котором речь идет дальше.
Оптическим приводам пока хватает USB 2.0, хотя с ростом скоростей Blu-ray накопителей эта ситуация может измениться. И третий тип скоростных устройств — флэш-память. Пока USB-флэшки редко работают на скоростях выше 30 Мбайт/с, но этот показатель постоянно растет. Заметим также, что 60 Мбайт/с — это теоретическое пиковое значение. На практике скорость передачи данных редко превышает 53-54 Мбайт/с. В этом свете выход USB 3.0 становится вполне обоснованным.
Немаловажное значение имеют и электрические характеристики интерфейса USB. По спецификации его рабочее напряжение составляет 5 В ±5%. При этом сила тока может составлять от 2 до 500 мА. При подключении устройства через хаб, поддерживающий передачу питания, сила тока может составлять не более 100 мА и не более 400 мА на хаб. Поэтому такие хабы имеют не более четырех разъемов. Так что не удивляйтесь проблемам работы той или иной флэшки, либо другого устройства, подключенного к компьютеру через хаб — ему (устройству) банально может не хватить электричества.
Логотип USB On-The-Go
В последнее время были приняты спецификации USB On-The-Go и Battery Charging Specification. Повторимся, что первая позволяет вести обмен данными между USB-устройствами без участия хост-контроллера, а вторая обеспечивает зарядку аккумуляторов через шину USB. Само собой на это требуется дополнительная энергия. В итоге самые последние версии контроллеров способны обеспечить силу тока до 1.5 А.
Хаб с четырьмя портами PoweredUSB
Но это еще не предел. Для самых "суровых" пользователей существует дополнение PoweredUSB, также известное как Retail USB, USB PlusPower и USB +Power. Оно обеспечивает силу тока до 6 А, а напряжение может быть 5, 12 или 24 В. При этом используется другая, нестандартная, версия разъема, позволяющая передавать больше энергии. Кстати, о разъемах. Надо разобраться и с ними.
Существует пять видов USB-разъемов:
Слева направо: micro USB, mini USB, B-type, A-type разъем, A-type коннектор
- micro USB — используется в самых миниатюрных устройствах вроде плееров и мобильных телефонов;
- mini USB — также часто обнаруживается на плеерах, мобильных телефонах, а заодно и на цифровых фотоаппаратах, КПК и тому подобных устройствах;
- B-type — полноразмерный разъем, устанавливаемый в принтерах, сканерах и других устройствах, где размер не имеет очень принципиального значения;
- A-type (приемник) — разъем, устанавливаемый в компьютерах (либо на удлинителях USB), куда подключается коннектор типа A-type;
- A-type (вилка) — коннектор, подключаемый непосредственно к компьютеру в соответствующий разъем.
И немного о кабелях (те, которые длинные и из проводов, а не живые, волосатые и постоянно гавкают). Максимальная длина USB-кабеля может составлять 5 метров. Данное ограничение введено для снижения времени отклика устройства. Хост-контроллер ожидает поступление данных ограниченное время, и если они задерживаются, то соединение может быть потеряно.
В качестве основного материала стандартного USB-кабеля используется витая пара, чтобы снизить помехи. Но для обеспечения скоростей 4.8 Гбит/с, которые нам наобещали с приходом USB 3.0, потребуется использовать специальные кабеля. В них для передачи данных будут использоваться две пары проводов, вместо одной, а максимальная длина не сможет превысить 3 метра. Также стандартом предусмотрена поддержка оптоволоконных кабелей, которые позволят передавать информацию на большее расстояние с такой же скоростью, но из-за более высокой стоимости они определенно получат меньшее распространение.
Ну и в конце раздела немного о сроках внедрения нового поколения шины USB. Окончательная спецификация ее третей версии должна быть представлена уже во второй половине этого года. Первые устройства с ее поддержкой ожидаются примерно во втором квартале следующего года.
Теперь переходим к главному оппоненту USB — стандарту FireWire (IEEE 1394 в девичестве).
