USB obecně

Účelem USB je sjednotit způsob připojování periférií k PC.
USB vzniklo za spolupráce firem Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent, NEC, Microsoft a Philips
využívá se pro připojení periférií( Myš, Tiskárna, Tablet, Skener, Fotoaparát, Plotter, Klávesnice, Infraport, Bluetooth ) k PC

Komunikační systém USB se skládá z následujících prvků:

USB propojení - Definuje, jakým způsobem jsou zařízení připojena a jakým způsobem spolu komunikují
USB hostitel - Řadič USB, který se skládá z hardwaru, softwaru a firmware (vnitřní software hardwaru)
USB zařízení - Samotné periférie, které chceme připojit a USB Hub (rozbočovač, pomocí kterého zvýšíme počet zásuvek)

Rychlost přenosu dat je rozdělena do tří skupin:

Low Speed - 1,5 Mb/s
Full Speed - 12 Mb/s
High Speed - 480 Mb/s (USB 2.0)

Princip funkce

USB je sběrnice jen s jedním zařízením typu Master, tj. všechny aktivity vycházejí z PC. Data se vysílají v

1. krátkých paketech o 8 bajtech
2. delších paketech o délce až 256 bajtů.
a přijímají

1. PC může požadovat data od zařízení.
2. Naopak žádné zařízení nemůže vysílat data samo od sebe.

Data se přenášejí v tzv. rámcích(frame).Každý rámec trvá 1 milisekundu.
Uvnitř jednoho rámce mohou být postupně zpracovávány pakety pro několik zařízení. Přitom se mohou spolu vyskytovat pomalé (low-speed) i rychlé (full-speed) pakety.Obrací-li se PC na více zařízení, zajišťuje jejich rozdělení jako rozdělovač sběrnice (hub). Zabraňuje také, aby signály s plnou rychlostí (full-speed) byly vedeny na pomalá zařízení. Pomalá zařízení pracují s přenosovou rychlostí 1,5 Mb/s. Rychlé přenosy pracují s rychlostí 12 Mb/s. Časový průběh přenosu informace je předepisován výhradně masterem. Zařízení typu slave se musí synchronizovat s datovým tokem.
Používá se k tomu metoda NRZI (Non-Return-To Zero). Nuly v datech vedou ke změně úrovně, jedničky nechávají úroveň beze změny. Kódování a dekódování signálů je čistě hardwarovou záležitostí. Přijímač musí být schopen získat signál, přijmout a dekódovat data. Speciální prostředky zajišťují, aby nedocházelo ke ztrátě synchronizace.

Obsahuje-li původní datový tok šest po sobě jdoucích jedniček, přidá vysílač automaticky jednu nulu (vkládání bitů – bit-stuffing), aby se tím vynutila změna úrovně. Přijímač tuto nulu z datového toku opět odstraní. Každý datový paket má za účelem synchronizace speciální zaváděcí bajt (00000001b). Přijímač v důsledku kódování NRZI a vsouvání bitů vidí osm střídajících se bitových stavů, na které se může zasynchronizovat. Během následujícího přenosu musí synchronizace zůstat zachována. Všechny tyto procesy se odehrávají pouze v odpovídajících hardwarových součástkách. Přijímač a vysílač jsou realizovány vždy společně v jedné součástce.

Zařízení USB obsahuje jednotku zvanou SIE Serial Interface Engine, která přebírá vlastní práci. K výměně dat mezi SIE a zbytkem zařízení slouží buffery FIFO. FIFO (First In First Out) to jsou paměti, které mohou postupně přijímat a vydávat data podobně jako posuvné registry. Připojený mikrořadič tedy potřebuje jen přečíst data z FIFO a jiná data do FIFO zapsat. Všechno ostatní vyřídí SIE. Ve většině případů je SIE součástí mikrořadiče USB. Zařízení USB má obecně několik pamětí FIFO, jejichž prostřednictvím je možno přenášet data.

Uspořádání kabelů

Dvojice datových vodičů (DATA+ a DATA-) je kroucená, vodiče VCC (+5 V) a GND nikoli. Celý kabel je potom stíněný hliníkovou fólií.

Plug and Play

Výhodou je možnost připojování Plug & Play bez nutnosti restartování počítače nebo instalování ovladačů. Zařízení lze připojit za chodu k počítači a během několika sekund je přístupné. Při připojení nového zařízeni nejprve hub podle zdvižené datové linky pozná, že se objevilo nové zařízení. Pak proběhnou následující kroky:

1. Hub informuje hostitelský počítač (host) o tom, že bylo připojeno nové zařízení.
2. Hostitelský počítač se dotáže hubu, na který port bylo zařízení připojeno.
3. Hostitelský počítač nyní ví, na který port bylo zařízení připojeno. Vydá příkaz tento port zapnout a provést vynulování (reset) sběrnice.
4. Hub vyrobí nulovací signál (reset) o délce 10 ms. Uvolní pro zařízení napájecí proud 100 mA. Zařízení je nyní připraveno a odpovídá na implicitní (default) adrese.
5. Než zařízení USB obdrží svou vlastní adresu sběrnice, je možno se na ně obracet přes implicitní adresu 0. Hostitel si přečte první bajty deskriptoru zařízení, aby stanovil, jakou délku mohou mít datové pakety.
6. Hostitel přiřadí zařízení jeho adresu na sběrnici.
7. Hostitel si ze zařízení pod novou sběrnicovou adresou načte všechny konfigurační informace.
8. Hostitel přiřadí zařízení jednu z možných konfigurací. Zařízení nyní může odebírat tolik proudu, kolik je uvedeno v jeho deskriptoru zařízení. Tím je připraveno k použití.. Hostitel přiřadí zařízení jeho adresu na sběrnici.

Specifikace USB obsahuje čtyři základní typy datových přenosů:

Řídící (control) přenosy jsou používány ke konfiguraci zařízení při jeho připojení a mohou být použity k dalším účelům, jako např. k řízení dalších komunikačních rour.
Hromadné (bulk) přenosy slouží k přenosům velkého množství dat a jsou na ně kladena nejmenší omezení.
Přerušovací (interrupt) přenosy slouží k včasnému a spolehlivému doručení dat, nejčastěji pro asynchronní události.
Izochronní (isochronous) přenosy zabírají předem smluvené množství přenosového pásma a mají předem dohodnuté zpoždění. Tento druh přenosů je také nazýván proudový přenos v reálném čase (streaming real-time transfer).

Hromadné přenosy

obsahují velká množství dat, např. data pro tiskárny nebo získaná ze scannerů. Hromadná data jsou přenášena sekvenčně a spolehlivost jejich přenosu je zajišťována detekcí chyb na hardwarové úrovni a omezeným počtem opakovaných pokusů. Šířka pásma, využitá hromadným přenosem, může být různá a záleží na ostatním provozu na sběrnici.

Přerušovací přenosy

přenášejí data do nebo ze zařízení. Zařízení může požádat o přenos těchto dat v kterýkoliv okamžik a tato data jsou doručena USB sběrnicí v nejkratším možném čase. Nejčastěji se jedná o upozornění na nějakou událost, například na stisk klávesy na klávesnici nebo změnu pozice myši, tedy taková data, která zaberou jen několik bajtů.

Izochronní přenosy ("stejnodobé", plynulé)

jsou trvalé přenosy, u nichž probíhá vytváření, přenos a zpracování dat v reálném čase. Přesné časování přenosu je zajištěno rovnoměrným rozložením úseků, ve kterých jsou izochronní data přijímána a odesílána, v čase. Izochronní data musí být předávána hubem se stejnou frekvencí, s jakou jsou přijímána, aby bylo dodrženo časování. Tato data mohou být také citlivá na zpoždění při přenosu. Izochronní roury mívají šířku přenosového pásma odvozenou nejčastěji od vzorkovací frekvence daného zařízení. Požadavky na zpoždění (latency) jsou dány velikostí vyrovnávací paměti daného koncového bodu.

Typický příklad izochronních dat je digitálně zpracovaný hlas. Pokud není zajištěn stejnoměrný tok dat, objeví se ve výsledném zvuku výpadky, způsobené podtečením či přetečením bufferů. I v případě, že jsou data doručována v pravidelných intervalech, může zpoždění při přenosu vést až k nepoužitelným výsledkům, zejména v aplikacích vyžadujících plynulou a rychlou odezvu v reálném čase, jako jsou např. audiokonference.

Za přesně časované doručování izochronních dat se na druhou stranu platí rizikem možných ztrát při přenosu. Případná chyba při přenosu není totiž opravena hardwarovými prostředky, jako jsou např. opakovaná vysílání. V praxi se předpokládá, že ztráty dat nebudou tak velké, aby přinesly problémy.

Klady a zápory USB

+

I ta nejnižší přenosová rychlost mnohonásobně překračuje možnosti sériového portu.
při připojení přídavného rozdělovače sběrnice (hub) jsou k dispozici tři nové porty.
Celkem je možno na USB připojit až 127 zařízení.

-

Maximální délka kabelu mezi sousedními zařízeními je 5 m.

USB 1.0

vznik: 1995

USB 1.1

rychlost:

pomalá (Low-Speed) zařízení s přenosovou rychlostí 1,5 Mb/s
rychlá zařízení (Full-Speed) s rychlostí 12 Mb/s

konkurence: FireWire (IEEE 1394) od firmy Apple (400 Mb/s; až 63 zařízení).
vznik: 1995

rozšíření se dočkalo až v roce 1998 díky revolučnímu počítači Apple iMac

USB 2.0

vznik: 2000

rychlost:

maximální rychlost 480 Mbit/s v režimu Hi-Speed
zachovala zpětnou kompatibilitu s USB 1.1 (režimy Low-Speed a Full-Speed)

USB sběrnice používá tři rychlosti toku dat:

Low speed - max. 1.5 Mbit/s
Full speed - max. 12 Mbit/s
High speed - max. 480 Mbit/s

High speed huby jsou kompatibilní s low / full speed zařízeními, stejně tak high speed zařízení lze připojit k low / full speed hubu a
provozovat je (samosebou s omezením rychlosti). USB navíc není omezeno "nejslabším článkem" a je-li ke kořenovému high speed hubu zapojen
další high speed hub a k němu pomalé zařízení, tak komunikace mezi high speed zařízeními probíhá v režimu high speed.

USB sběrnice využívá čtyři vodiče. Po dvou vodičích je přenášeno napájecí napětí a zem, po dalších dvou (pro full / high speed se používá
kroucený pár) jsou přenášena diferenciálně vlastní data. Díky tomu má USB sběrnice i při vysokých přenosových rychlostech značnou odolnost
proti šumu a proti rušení. USB 2.0 specifikuje parametry kabelů pro propojování zařízení. Pro full / high speed je vyžadován stíněný kabel maximální délky 5 metrů, pro low speed není stínění vyžadováno a délka kabelu je pak omezena na tři metry.

USB 3.0

Finální specifikace USB 3.0 (SuperSpeed) byla schválena už v roce 2008.
Mezi hlavní přednosti nového standardu USB 3.0 patří až 10x větší přenosová rychlost a lepší power management.
rychlost přenosu: 5GBit/s
používá 8 vodičů(4 pro SuperSpeed, 2 pro nižší rychlosti a 2 napájení) a tedy nutně i jiný typ konektoru

novinkou je víceúrovňové napájení

3 režimy napájení

idle
sleep
suspend

má 2 diferenciální páry:

SSTX (+/-) - twistovaný pár pro Super Speed (USB 3.0) ve směru vysílání
SSRX (+/-) - twistovaný pár pro Super Speed (USB 3.0) ve směru příjmu

1 pár (standardní USB 2.0 sběrnice)

Dva vodiče D(+/-) slouží pro zpětnou kompatibilitu s USB 2.0

a zbylé dva vodiče jsou napájecí

konektory

konektor typu A

konektor typu B - samička

konektor typu B - sameček

konektor micro USB 3.0

zdroje informací:

http://cs.wikipedia.org/wiki/USB
http://hps.mallat.cz/view.php?cisloclanku=1970010101
http://hw.cz/teorie-a-praxe/art2569-vysla-specifikace-usb-30.html
http://hw.cz/Rozhrani/ART1232-USB-2.0---dil-1.html

Předmět: AIT

--Dtousek 11. 6. 2010, 08:10 (UTC)