История и тенденции развития порта USB

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Омский государственный университет путей сообщения

ОмГУПС (ОмИИТ)

Кафедра «Информатика, прикладная математика и механика»

Тематический реферат

по дисциплине «Информатика»

История и тенденции развития порта USB

Студент гр. 53Я К.И. Шихова

Омск 2013

Содержание

• Предметный указатель
• Введение
• 1. Устройство USB
• 2. История развития USB
• 3. Версии USB
• 4. Тенденции развития USB
• Заключение
• Литература
• Предметный указатель
• Временное согласование - асинхронная дифференциальная передача данных с произвольными интервалами времени и нестрогими требованиями ко времени ожидания (появления информации).
• Концентратор - устройство для объединения компьютеров в сеть Ethernet c применением кабельной инфраструктуры типа витая пара. В настоящее время вытеснены сетевыми коммутаторами.
• Мультиплексирование - передача адреса, данных, управления и состояния по одной и той же шине в режиме разделения времени. Вид передачи с учетом направления - полудуплексный (данные передаются в обе стороны по двум дифференциальным линиям D+ и D- в различные моменты времени).
• Памтч (англ. patch заплатка) -- информация, предназначенная для автоматизированного внесения определённых изменений в компьютерные файлы.
• Режим обмена - программный (драйвер хоста выполняет все программные операции, необходимые для обслуживания устройств).
• Способ коммутации - временной с централизованным управлением, типа «точка - много точек» (один хост и много устройств). В шине USB связь хоста с устройствами выполняется в режиме разделения времени (возможна передача данных между хостом и только одним каким-либо устройством).
• Структура данных - специальные пакеты различного формата, определяемые требованиями передачи данных, их контроля, синхронизации и настройки разнообразных типов устройств.
• Тип передачи байтов и битов - последовательно-последовательный, то есть последовательно передаются байты данных один за другим и последовательно - биты, размещенные в байтах (младший разряд байта поступает первым).
• Хост - центральное устройство - является полным хозяином шины, а все подключенные к шине называются устройствами-исполнителями.
• Хаб - сетевой концентратор.
• Шина - в архитектуре компьютера подсистема, которая передаёт данные между функциональными блоками компьютера.
• шина хаб периферийный компьютер
• Введение
• Тема данного реферата - история и тенденции развития универсальной последовательной шины USB. USB (англ. Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) - последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике. Символом USB являются четыре геометрические фигуры: большой круг, малый круг, треугольник и квадрат, расположенные на концах древовидной блок-схемы (рис. 1).

Рисунок 1 - Символ USB

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

Задачи работы: 1) раскрыть особенности устройства USB через историю его развития; 2) перечислить современные модификации USB; 3) определить основные тенденции дальнейшего развития USB.

1. Устройство USB

Разработка спецификаций на шину USB производится в рамках международной некоммерческой организации USB Implementers Forum (USB-IF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шиной USB [7].

Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводный 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. На одной шине USB может быть до 127 устройств и до 5 уровней каскадирования хабов, не считая корневого.

Рисунок 2 - USB-хаб с круглой основой

В настоящее время широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB 2.0. Ведётся внедрение в производство устройств спецификации USB 3.0 [7].

Шина USB предназначена для сопряжения ПК с различными устройствами типа телефона, факса, модема, сканера, автоответчика, клавиатуры, мыши и т. д. Авдеев В.А. Периферийные устройства: интерфейсы, схемотехника, программирование. - М.: ДМК Пресс, 2009. - С. 124. Эта шина для настольных систем отвечает требованиям технологии plug and play и является среднескоростной, двунаправленной дешевой шиной, повышающей взаимосвязность компонентов ПК и расширяющей его архитектуру. Основные свойства шины USB:

· возможность подключения до 127 физических устройств;

· автоматическое распознавание периферии;

· образование различных конфигураций;

· поддержка передачи голоса, звука и сжатого видео;

· реализация как изохронных, так и синхронных типов передач с широким диапазоном скоростей;

· наличие механизма обработки ошибок;

· управление питанием и т. д.

Технология шины USB представлена имеет многоуровневую звездообразную структуру (древовидную конфигурацию). Каждую звезду образует хаб (пункт присоединения), обеспечивающий подключение одного или нескольких функционеров (функ), периферийных устройств. Шина USB содержит один хост (контроллер), образующий корневой уровень и управляющий работой функционеров. Хаб является основным элементом в архитектуре USB, поддерживающей соединение нескольких хабов. В состав хаба входит один верхний потоковый порт ВПП, необходимый для подключения хаба к «хвосту», и несколько нижних потоковых портов (НПП), соединяющих его с другими хабами и (или) функционерами Там же..

Хаб выполняет следующие функции: обнаружение присоединения (отсоединения) другого хаба или функционера; управление питанием и конфигурированием устройств, подключенных к соответствующим НПП. Хаб содержит контроллер и репитер (управляемый протоколом переключатель портов). Контроллер использует интерфейсные регистры для выполнения связи с хостом, который с помощью управляющих команд конфигурирует хаб и следит за его партнерами. Функционер представляет собой отдельное USB-устройство, которое кабелем подключается к какому-либо порту хаба. Хаб/функционер выполняется как устройство, содержащее встроенный хаб. Каждый функционер перед его использованием должен быть сконфигурирован хостом, который включает распределение диапазона частот и выбор специфических опций для конфигурации [1, с. 124].

USB-хост (центральная ЭВМ) осуществляет доступ к USB-устройствам с помощью хост-контроллера, который выполняет следующие действия:

* координацию потоков управления и данных между хостом и устройствами;

* обнаружение подключенных (отключенных) устройств;

* сбор информации о состоянии системы;

* управление питанием.

Протокол шины выполняется следующим образом. Хост направляет по шине USB эстафетный пакет, в котором указываются тип пакета, направление транзакции (действия на шине), адрес устройства и номер конечной точки. Конечная точка - это уникально определяемая часть USB-устройства, содержащего несколько таких точек (конечных пунктов связи). Комбинация адреса устройства и номера конечной точки в этом устройстве позволяет выбрать каждую точку в отдельности. Любая конечная точка должна быть сконфигурирована перед употреблением и характеризуется частотой, временем ожидания доступа к шине, шириной полосы частот, максимальным размером пакета, типом и направлением передачи.

Устройства с низким быстродействием содержат не более двух конечных точек, а устройства с высоким быстродействием - до 16 выходных точек. После того как передача данных завершена, USB-устройство [2, с.221] (приемник) отвечает пакетом подтверждения, в котором отмечается успешность этой передачи. Сигналы данных D+ и D- и питание (V и G - земля) в шине USB передаются от точки к точке по четырем проводам 90-омного кабеля с максимальной длиной 5 м. Номинальное напряжение питания - 5 В.

Рисунок 3 - Многозвенная коммутация информационного канала

Хост (хаб) обеспечивает питанием устройства USB, которые подключены к нему. Кроме того, устройства USB могут иметь автономное питание. Питание по шине USB имеет ограниченную величину [4]. Шина USB обеспечивает два диапазона скоростей передачи информации: низкая скорость (1,5 Мбита/с) и высокая скорость (12 Мбит/с). Низкоскоростной режим применяется для взаимодействия с интерактивными устройствами (мышью, трекболом и т. п.), а высокоскоростной режим - с адаптером телефона, аудио- или видеоустройствами. Каждому пакету данных предшествует поле синхронизации, которое позволяет приемникам согласовывать во времени их таймеры (генераторы) для приема данных. Поле синхронизации содержит синхроимпульсы, закодированные по методу NRZI с битовым заполнением. В шине USB используется метод кодирования NRZI (без возвращения к нулю с инверсией).

В этом случае метод кодирования NRZI состоит в том, что если бит передаваемых данных равен 0, то происходит изменение уровня напряжения, а если равен 1, то уровень напряжения сохраняется. Таким образом, строка нулей вызывает переключение уровней сигналов, а строка единиц образует длительные отрезки уровней без всяких переходов, что может нарушить условие синхронизации при выделении каждого бита. Поэтому при передаче данных через каждые шесть последовательных единиц вставляется нуль, чтобы гарантировать достоверное определение каждого битового интервала при приеме в наиболее худшем случае, когда передаются единичные значения битов данных. Приемник декодирует код NRZI и отбрасывает вставленные биты нулей. Устройство USB может иметь конечную точку, поддерживающую только канал управления, или конечную точку, использующую канал для передачи данных [1, с. 124, 125].

2. История развития USB

Первые спецификации для USB 1.0 были представлены в 1994-1995 гг. Разработка USB поддерживалась фирмами Intel, Microsoft, Philips, US Robotics. USB стал «общим знаменателем» под тремя не связанными друг с другом стремлениями разных компаний:

* Расширение функциональности компьютера. На тот момент для подключения внешних периферийных устройств к персональному компьютеру использовалось несколько «традиционных» (англ. legacy) интерфейсов (PS/2, последовательный порт, параллельный порт, порт для подключения джойстика, SCSI), и с появлением новых внешних устройств разрабатывали и новый разъём. Предполагалось, что USB заменит их все и заодно подхлестнёт разработку нетрадиционных устройств.

* Подключить к компьютеру мобильный телефон. В то время поднимались на ноги компьютерные сети, телефоны переходили на цифровую передачу голоса, и ни один из имеющихся интерфейсов не годился для передачи с телефона на компьютер как речи, так и данных.

* Простота для пользователя. Старые интерфейсы (например, COM- и LPT-порты) были крайне просты для разработчика, но не давали настоящего plug and play.

Требовались новые механизмы взаимодействия компьютера с низко- и среднескоростными внешними устройствами - возможно, более сложные для конструкторов, но надёжные, дружественные и пригодные к «горячему» подключению.

Рисунок 4 - USB-разветвитель

Поддержка USB вышла в виде патча к Windows 95b, в дальнейшем она вошла в стандартную поставку Windows 98. Устройств было мало, и шину называли Useless serial bus - бесполезная последовательная шина. Впрочем, производители быстро осознали пользу USB, и уже к 2000 году большинство принтеров и сканеров работали с новым интерфейсом. 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 середине 2000-х годов BIOS'ы компьютеров начали массово поддерживать USB. Это позволило загружаться с флэш-дисков; пропала надобность в PS/2-клавиатуре, например, для переустановки ОС. На современных материнских платах устанавливают до 10 USB-контроллеров, по два порта на каждом. В большинстве современных ноутбуков COM- и LPT-портов нет, всё чаще появляются настольные компьютеры без этих портов.

3. Версии USB

В 1990-е годы были выпущены следующие предварительные версии USB: USB 0.7: спецификация выпущена в ноябре 1994 года; USB 0.8: спецификация выпущена в декабре 1994 года; USB 0.9: спецификация выпущена в апреле 1995 года; USB 0.99: спецификация выпущена в августе 1995 года; USB 1.0 Release Candidate: спецификация выпущена в ноябре 1995 года.

USB 1.1 - Спецификация выпущена в сентябре 1998 года. Исправлены проблемы и ошибки, обнаруженные в версии 1.0. Первая версия, получившая массовое распространение.

USB 2.0 - Логотип USB 2.0 High Speed. Спецификация выпущена в апреле 2000 года.

USB 2.0 отличается от USB 1.1 введением режима Hi-speed.

Для устройств USB 2.0 регламентировано три режима работы:

* Low-speed, 10-1500 Кбит/c (используется для интерактивных устройств: клавиатуры, мыши, джойстика)

* Full-speed, 0,5-12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства)

* Hi-speed, 25-480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации)

Кабели и разъёмы USB 1.0 и 2.0

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 - 4Ч12 мм, USB Тип B - 7Ч8 мм, USB mini A и USB mini B - 2Ч7 мм.

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

В отличие от других стандартных типов разъёмов, USB-A удачно сочетает долговечность и механическую прочность, несмотря на отсутствие винтовой затяжки. Однако уменьшенные варианты разъёмов, имеющие тонкие пластмассовые выступы, высоко выступающие из подложки гнезда, плохо переносят частое смыкание-размыкание и требуют более бережного обращения.

Сигналы USB передаются по двум проводам экранированного четырёхпроводного кабеля.

Кабели и разъёмы USB 3.0

USB Тип А

USB Тип В

USB Тип B micro

USB тип mini B

Недостатки USB 2.0

Хотя пиковая пропускная способность USB 2.0 составляет 480 Мбит/с (60 Мбайт/с), на практике обеспечить пропускную способность, близкую к пиковой, не удаётся (~33,5 Мбайт/сек на практике). 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 10 Мбайт/с меньше, чем у USB 2.0, в реальности позволяет обеспечить бомльшую пропускную способность для обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации. В связи с этим разнообразные мобильные накопители уже давно упираются в недостаточную практическую пропускную способность USB 2.0

4. Тенденции развития USB

Последующие модификации к спецификации USB публикуются в рамках Извещений об инженерных изменениях (англ. Engineering Change Notices - ECN). Самые важные из модификаций ECN представлены в наборе спецификаций USB 2.0 (англ. USB 2.0 specification package), доступном на сайте USB Implementers Forum.

* Mini-B Connector ECN: извещение выпущено в октябре 2000 года.

* Errata, начиная с декабря 2000: извещение выпущено в декабре 2000 года.

* Pull-up/Pull-down Resistors ECN: извещение выпущено в мае 2002 года.

* Errata, начиная с мая 2002: извещение выпущено в мае 2002 года.

* Interface Associations ECN: извещение выпущено в мае 2003 года.

* Были добавлены новые стандарты, позволяющие ассоциировать множество интерфейсов с одной функцией устройства.

* Rounded Chamfer ECN: извещение выпущено в октябре 2003 года.

* Unicode ECN: извещение выпущено в феврале 2005 года.

* Данное ECN специфицирует, что строки закодированы с использованием UTF-16LE.

* Inter-Chip USB Supplement: извещение выпущено в марте 2006 года.

* On-The-Go Supplement 1.3: извещение выпущено в декабре 2006 года.

* USB On-The-Go делает возможным связь двух USB-устройств друг с другом без отдельного USB-хоста. На практике одно из устройств играет роль хоста для другого.

Одной из последних версий USB стала версия USB 3.0.

Area SD-PEU3N-2EL (USB 3.0 PCIe card), USB 3.0 хост на базе микросхемы мPD720200 фирмы Renesas USB 3.0 хаб, демонстрационная плата на базе микросхемы VL810 фирмы VIA

Окончательная спецификация USB 3.0 появилась в 2008 году. Созданием USB 3.0 занимались компании Intel, Microsoft, Hewlett-Packard, Texas Instruments, NEC и NXP Semiconductors.

В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели обновлённого стандарта физически и функционально совместимы с USB 2.0. Кабель USB 2.0 содержит в себе четыре линии - пару для приёма/передачи данных, плюс и ноль питания. В дополнение к ним USB 3.0 добавляет еще четыре линии связи (две витых пары), в результате чего кабель стал гораздо толще. Hовые контакты в разъемах USB 3.0 расположены отдельно от старых на другом контактном ряду. Теперь можно будет с лёгкостью определить принадлежность кабеля к той или иной версии стандарта, просто взглянув на его разъём. Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 5,0 Гбит/с - что более чем на порядок больше 480 Мбит/с, которые может обеспечить USB 2.0.

Версия 3.0 может похвастаться не только более высокой скоростью передачи информации, но и увеличенной силой тока с 500 мА до 900 мА. Отныне пользователь может не только подпитывать от одного хаба большее количество устройств, но и сами устройства во многих случаях смогут избавиться от отдельных блоков питания.

Компания Asus выпустила материнскую плату P6X58 Premium, у которой есть два USB 3.0 порта. А компания Gigabyte выпустила первую материнскую плату с поддержкой USB 3.0 и SATA 6Gb/s для процессоров AMD - Gigabyte GA-790FXTA-UD5.Порты USB 3.0 на материнской плате синего цвета.

В блоге разработчика Linux USB subsystem Sarah Sharp объявлено о поддержке USB 3.0 ядром Linux.

Фирмой Intel анонсирована предварительная версия программной модели контроллера USB 3.0.

Но в октябре 2009 года появилась информация (от EE Times со ссылкой на сотрудника одной из крупнейших компаний по производству персональных компьютеров), что корпорация

Большой популярностью вот уже несколько лет пользуются флешки (USB Flash Drive). Эту миниатюрную, но необходимую в повседневной жизни вещь старается приобрести буквально каждый второй человек, имеющий дело с любой электронной информацией.

Flash-карта памяти позволяет получать быстрый, высокоскоростной доступ к данным, обеспечивает надежное хранение информации, и, наконец, флешка обладает мобильностью, превосходящей аналогичные переносные накопители. Флешки, как и карты памяти, имеют различный объем (от 64 Мb до 8 Gb), дизайн и скорость передачи данных.

Заключение

На наш взгляд, USB выполняет важную технологическую функцию: это устройство расширяет функциональность компьютера, позволяет беспроблемно подключать различные периферийные устройства. Удобство представляет и простота использования, которая позволяет пользователю чаще обращаться к USB в работе. Развитие USB получила и в появлении различных периферийных устройств, основанных на USB, например, USB Flash Drive.

Литература

1. Авдеев В.А. Периферийные устройства: интерфейсы, схемотехника, программирование. - М.: ДМК Пресс, 2009. - 848 с.

2. Агуров П.В. Интерфейс USB. Практика использования и программирования. - СПб: БХВ-Петербург, 2004. - 576 с.

3. Губарев В.В. Информатика: прошлое, настоящее, будущее. - M.: Техносфера, 2011. - 432 с.

4. Гусева Е.Н., Ефимова И.Ю., Коробков Р.И., Коробкова К.В., Мовчан И.Н. Информатика: учебное пособие. - М.: Флинта, 2011. - 260 с.

5. Даниленков А.О. USB-drive: секреты использования. - Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2008. - 112 с.

6. Тимченко С.В., Сметанин С.В., Артемов И.Л., Гураков А.В., Абдалова О.И. Информатика. Учебное пособие. - Томск: Эль Контент, 2011. - 160 с.

7. Фисун А.П., Минаев В.А., Хохлов Н.С., Никитин М.М., Дворянкин С.В., Скрыль С.В. Информатика. Том 1: Концептуальные основы. Учебник - М.: Маросейка, 2008. - 464 с.

Размещено на Allbest.ru