Перспективы USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0

XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Перспективы USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0

Еркин Н.А. 1
1МБОУ Школа №16
Галкина И.В. 1
1МБОУ Школа №16
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Увеличение числа устройств, подключаемых к персональному компьютеру, и, соответственно, развитие внешних интерфейсов привело к противоречивой ситуации: с одной стороны, компьютер должен иметь множество различных разъемов, а с другой - большая часть из них не используется. Такая ситуация определяется историческим развитием интерфейсов ПК - каждый интерфейс имел свой специализированный разъем. Более того, к одному порту в большинстве случаев можно подключить только одно устройство. Кроме того, проблема многочисленности разнообразных подключений включает в себя и следующие аспекты: практически для каждого из устройств необходимо выделение аппаратного прерывания (IRQ); большая часть устройств требует наличия внешнего блока питания; каждое устройство имеет свой протокол обмена, многократно увеличивая необходимее количество драйверов; конфигурирование огромного числа устройств, многие из которых не поддерживают спецификации Plug and Play, достаточно сложно для обычного пользователя и др. Естественно, что производители аппаратного обеспечения задумались о создании единого и универсального интерфейса. И в начале 1996 года была опубликована версия 1.0 нового интерфейса USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина). Последовательные шины позволяют объединять множество устройств, используя всего 1-2 пары проводов. Функциональные возможности этих шин гораздо шире, чем у традиционных интерфейсов локальных сетей. Шина USB ориентирована именно на периферийные устройства, подключаемые к персональному компьютеру. Устройства могут подключаться к USB четырехпроходным кабелем без выключения компьютера. Изохронные передачи USB позволяют передавать цифровые аудиосигналы, а шина USB 2.0 способна нести и видеоданные. Все передачи управляются централизованно, и ПК является необходимым управляющим узлом, находящимся в корне древовидной структуры шины. Спецификация USB подразумевает прозрачное подключение устройств к шине и позволяет иметь несколько устройств на одном порту. Адаптер USB входит в состав всех современных чипсетов системных плат.

Актуальность:

Актуальность работы обусловлена распространенностью использования данного устройства передачи и приема данных, а также его постоянной модернизацией.

Цель:

Выяснить насколько велико влияние USB в современном мире.

Для достижения цели необходимо решение следующих задач:

1. Изучить историю USB.

2. Изучить характеристики технологии USB.

3. Сравнение USB с другими интерфейсами.

Методы исследования:

Изучение литературы, интернет ресурсов, методический материал по теме, сравнение, вывод.

  1. Что такое USB

USB порт – это универсальный последовательный интерфейс для передачи данных между компьютером и внешними устройствами. USB является самым распространенным типом интерфейса на современных компьютерах и позволяет подключать к ним различные устройства, такие как принтеры, сканеры, флэшки, жесткие диски, мобильные телефоны и т.д.

  1. История USB

Интерфейс USB появился по компьютерным меркам довольно давно. Спецификация версии 1.1 на этот интерфейс была опубликована в начале 1996 года, большинство устройств поддерживает версию 1.1, которая вышла осенью 1998 года, - в ней были устранены обнаруженные проблемы первой редакции. Весной 2000 года опубликована спецификация USB 2.0, в которой предусмотрено 40-кратное повышение пропускной способности шины. В конце 2008 года USB Implementers Forum финализировал спецификации стандарта USB 3.0. Новый стандарт увеличил пропускную способность еще в 10 раз (пиковая производительность - 5 Гбит/с). 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, которая позволяет существенно расширить круг устройств, подключаемых к шине. В одной и той же системе могут присутствовать и одновременно работать устройства со всеми тремя скоростями. При этом предусматривается обратная совместимость устройств USB 2.0 с USB 1.x, т.е. «старые» USB 1.x устройства будут работать с USB 2.0 контроллерами, правда на скорости 12 Мбит/с. Скорость 480 Мбит/с достигается только при одновременном использовании USB 2.0 контроллера и USB 2.0 периферии. Шина USB разрабатывалась для обеспечения механизма взаимодействия компьютерных и телефонных систем, однако вскоре члены комитета разработки поняли, что USB может удовлетворить потребности многих приложения и все сферы компьютерной телефонии. Разработчики шины ориентировались на создание интерфейса, обладающего следующими свойствами: легко реализуемое расширение периферии ПК; дешевое решение, позволяющее передавать данные с высокой скоростью; полная поддержка в реальном времени голосовых, аудио- и видеопотоков; гибкость протокола смешанной передачи изохронных данных и асинхронных сообщений; интеграция с выпускаемыми устройствами; охват всевозможных конфигураций и конструкций ПК; обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок; создание новых классов устройств, расширяющих ПК.

Практически все поставленные задачи были решены, и весной 1997 года стали появляться компьютеры, оборудованные разъемами для подключения USB-устройств. Иконкой, официально обозначается шина USB, как в Windows, так и на USB-разъемах. В феврале 2004 года корпорация Intel совместно с Agere, Systems, HP, Microsoft Corporation, NEC, Philips Semiconductors и Samsung Electronics объявила о создании группы продвижения беспроводного USB (Wireless USB Promoter Group). Ее задача - продвижение высокоскоростной технологии беспроводного подключения внешних устройств Wireless USB на скорости 480 Мбит/с с дальностью действия при низком энергопотреблении до 10 метров.

  1. Работа USB

При подключении устройства к USB порту, компьютер автоматически определяет его и запускает драйверы, необходимые для его работы. Если устройство подключено впервые, то система может запросить установку дополнительных драйверов.

После подключения устройства, оно становится доступным в системе, и пользователь может работать с ним. Например, если это жесткий диск или флеш-накопитель, то он появится в проводнике и можно скопировать на него файлы. Если это принтер, то можно начать печать документов.

USB порты поддерживают также «горячее подключение», то есть возможность подключения и отключения устройств без выключения компьютера. Это удобно, например, при подключении флеш-накопителя, чтобы скопировать файлы и затем отключить устройство.

Важно помнить, что USB порты имеют ограничения по мощности, которую они могут обеспечить устройствам. Поэтому при подключении более мощных устройств, например внешних жестких дисков, следует использовать отдельный источник питания.

Ключевые особенности USB портов:

  • автоматическое определение подключенных устройств;

  • возможность подключения и отключения устройств «на ходу»;

  • ограничения по мощности;

  • широкое распространение и поддержка большинства устройств.

3.1 Назначение USB порта

USB порты являются на сегодняшний день одним из наиболее распространенных интерфейсов для подключения устройств к компьютеру. Они существуют на всех современных компьютерах, от настольных до ноутбуков и планшетов.

Основное назначение USB порта – подключение внешних устройств, таких как мыши, клавиатуры, принтеры, сканеры, флешки, жесткие диски, фотоаппараты, смартфоны и другие. Используя один или несколько USB портов можно легко расширить функционал компьютера и подключить к нему нужные устройства.

Кроме того, USB порты используются для зарядки многих портативных устройств, например, смартфонов, планшетов, MP3-плееров и т.д. Это особенно удобно в поездках или в случаях, когда нет возможности пользоваться розеткой.

Самым современным и быстрым типом USB является USB 3.0, который обеспечивает передачу данных со скоростью до 5 Гбит/с. Однако на многих компьютерах все еще используется более старый USB 2.0 с меньшей скоростью передачи данных. В любом случае, использование USB портов является неотъемлемой частью работы с компьютером и подключения внешних устройств.

    1. Преимущества и недостатки USB порта

Преимущества USB порта:

  • Удобство подключения — USB порт имеет универсальный разъем, подходящий для большинства устройств;

  • Скорость передачи данных — USB порт может передавать данные значительно быстрее, чем другие порты;

  • Поддержка горячей замены — Вы можете подключать или отключать устройства, не выключая компьютер;

  • Простота управления — Порт USB обеспечивает простое управление устройствами и конфигурации.

Недостатки USB порта:

  • Ограниченная мощность питания — USB порт не всегда может обеспечить необходимый ток для работы тяжелых устройств;

  • Ограниченное расстояние передачи — Расстояние передачи данных через USB порт ограничено;

  • Конфликты с другими устройствами — Некоторые устройства могут конфликтовать с другими, используя один и тот же порт;

  • Проблемы с совместимостью — Не все устройства могут быть совместимы с портом USB на всех компьютерах.

  1. USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0

В настоящее время существует несколько версий USB портов:

  • USB 1.x — первая версия стандарта USB, которая обеспечивала скорость передачи данных до 12 Мбит/с.

  • USB 2.0 — более новая версия стандарта, обладает скоростью передачи данных до 480 Мбит/с.

  • USB 3.x — самая актуальная версия стандарта, которая позволяет достигнуть скорость передачи данных до 5 Гбит/с.

Кроме того, существуют различные типы USB портов, включая:

  • USB-A — наиболее распространенный тип USB портов, который используется для подключения различных устройств и аксессуаров, таких как мышь, клавиатура, флеш-накопитель и т.д.

  • USB-B — используется для подключения принтеров, сканеров, камер и других устройств.

  • USB-C — относительно новый тип USB портов, который обычно применяется в ноутбуках, планшетах и смартфонах. Он может быть использован как для подключения различных периферийных устройств, так и для зарядки устройств.

Несмотря на различия в скорости и типах портов, все устройства, подключенные через USB, могут быть легко распознаны и управляемы компьютером благодаря стандартизации этого интерфейса

  1. Принципы передачи данных по интерфейсу USB.

Принципы передачи данных

Механизм передачи данных является асинхронным и блочным. Блок передаваемых данных называется USB-фреймом или USB-кадром  и передается за фиксированный временной интервал. Оперирование командами и блоками данных реализуется при помощи логической абстракции, называемой каналом. Внешнее устройство также делится на логические абстракции, называемые конечными точками.  Таким образом, канал является логической связкой между хостом и конечной точкой внешнего устройства. Канал можно сравнить с открытым файлом.

Для передачи команд (и данных, входящих в состав команд) используется канал по умолчанию, а для передачи данных открываются либо потоковые каналы, либо каналы сообщений.

Все операции по передачи данных по шине USB инициируются хостом. Периферийные USB-устройства сами начать обмен данными не могут. Они могут только реагировать на команды хоста.

Механизм прерываний

Для шины USB настоящего механизма прерываний (как, например, для последовательного порта) не существует. Вместо этого хост опрашивает подключенные устройства на предмет наличия данных о прерывании. Опрос происходит в фиксированные интервалы времени, обычно каждые 1 – 32 мс. Устройству разрешается посылать до 64 байт данных.

С точки зрения драйвера, возможности работы с прерываниями фактически определяются хостом, который и обеспечивает поддержку физической реализации USB-интерфейса.

 Режимы передачи данных

Пропускная способность шины USB, соответствующей спецификации 1.1, составляет 12Мбит/с (т.е. 1,5 Мбит/с). Спецификация 2.0 определяет шину с пропускной способностью 400 Мбайт/с. Полоса пропускания делится между всеми устройствами, подключенными к шине.

Шина USB имеет три режима передачи данных:

  • низкоскоростной (LS, Low-speed);

  • полноскоростной (LF, Full-speed);

  • высокоскоростной (HS, High-speed, только для USB 2.0).

Логические уровни обмена данными

Спецификация USB определяет три логических уровня с определенными правилами взаимодействия. USB-устройство содержит интерфейсную, логическую и функциональную части. Хост тоже делится на три части – интерфейсную, системную и ПО. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач.

Таким образом, операция обмена данными между прикладной программой и шиной USB выполняется путем передачи буферов памяти через следующие уровни:

уровень клиентского ПО в хосте:

  • обычно представляется драйвером USB-устройства;

  • обеспечивает взаимодействие пользователя с операционной системой с одной стороны и системным драйвером с другой;

уровень системного драйвера USB в хосте (USB, Universal Serial Bus Driver):

  • управляет нумерацией устройств на шине;

  • управляет распределением пропускной способности шины и мощности питания;

  • обрабатывает запросы пользовательских драйверов;

уровень хост-контроллера интерфейса шины USB (HCD, Host Controller Driver):

  • преобразует запросы ввода/вывода в структуры данных, по которым выполняются физические транзакции;

  • работает с регистрами хоста.

В обязанности хоста входит:

  • слежение за подключением и отключением устройств;

  • организация управляющих потоков между USB-устройством и хостом;

  • организация потоков данных между USB-устройством и хостом;

  • контроль состояния устройств и ведение статистики активности;

  • снабжение подключенных устройств электропитанием Аппаратной частью является хост контроллер - посредник между хостом и устройствами на шине.

  1. Сравнение USB с другими интерфейсами

В настоящее время достойной альтернативы USB не существует (кроме, пожалуй, изначального конкурента - Fire Wire, но у этой шины принципиально другая система соединения). Интерфейсы, сравнимые с USB по скорости обмена, требуют специальных преобразователей (например, RS-485). Интерфейсы, не требующие дополнительных элементов, либо низкоскоростные, либо узконаправленные (RS-232, LPT, MIDI и др.).

Кроме того, к несомненным плюсам USB относятся организация помехозащищенности на уровне аппаратного и шинного протоколов и «встроенная» поддержка Plug and Play, а также отсутствие дополнительных элементов для подключения устройств (как, например, терминаторы для SCSI-интерфейса). Единственным минусом можно считать довольно короткое кабельное соединение, но следует помнить, что шина USB разрабатывалась как шина для домашних устройств и дальние соединения не закладывались в нее изначально.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Универсальная последовательная шина USB призвана заменить такие устаревшие интерфейсы, как RS-232 (COM-порт) и параллельный интерфейс IEEE 1284 (LPT-порт), то есть заменить последовательные и параллельные, клавиатурные и мышиные порты - все устройства подключаются к одному разъему, допускающему установку многочисленных устройств с легкостью технологии Plug & Play. Технология Plug & Play позволяет производить «горячую» замену без необходимости выключения и перезагрузки компьютера. После физического подсоединения устройства правильно опознаются и автоматически конфигурируются: USB самостоятельно определяет, что именно подключили к компьютеру, какой драйвер и ресурсы понадобятся устройству, после чего все это выделяет без вмешательства пользователя. Для адекватной работы шины необходима операционная система, которая корректно с ней работает.

К шине USB можно одновременно подключить до 127 устройств: мониторы, принтеры, сканеры, клавиатуры и т.д. Каждое устройство, подключенное на первом уровне, может работать в качестве концентратора-то есть к нему, при наличии соответствующих разъемов, могут подключаться еще несколько устройств. Обмен по интерфейсу - пакетный, скорость обмена - от 1,5 Мбит/с до 480 Мбит/с.

Кроме этого, питание маломощных устройств подается с самой шины. Попутно решается историческая проблема нехватки ресурсов на внутренних шинах IBM PC совместимого компьютера - контроллер USB занимает только одно прерывание независимо от количества подключенных к шине устройств.

Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение / расчленение.

Все эти возможности и достоинства интерфейса USB сыграли решающую роль в том, что данная технология получила такую популярность. Универсальность соединения по типу USB привела к тому, что настоящее время интерфейс USB распространился повсеместно, вытеснив устаревшие порты на компьютерах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ И ИНТЕРНЕТ-ИСТОЧНИКОВ

1. m. 3dnews.ru

2. www.digit.ru

3. www.gaw.ru

4. www.kazus.ru

5. www.winline.ru

6. Агуров П.В. Интерфейсы USB. Практика использования и программирования. - СПб.: БХВ-Петербург, 2004

7. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. - СПб: Питер, 2002

8. Гук М. Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия. - СПб.: Питер, 2002

9. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. - СПб: Питер, 2002

10. Танненбаум Э. Архитектура компьютера. 4-е изд. - СПб: Питер, 2003

11. Хамакер К., Вранешич З., Заки С. Организация ЭВМ. 5-е изд. - СПб: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2003

Просмотров работы: 133