Elektronika - baza wiedzy

Interface szeregowy USB


USB ( Universal Serial Bus). Intrfejs ten został opracowany jako uniwersalny interfejs szeregowy wbudowany w architekturę komputerów PC przeznaczony do współpracy komputerów z urządzeniami: przemysłowymi, urządzeniami powszechnego urzytku oraz do integracji z sieciami telekomunikacyjnymi (CTI).

Podstawowymi założeniami do jego opracowania było :

Prostota w dołączaniu różnych urządzeń
Niska cena przy zapewnieniu prędkości przesyłania danych do 12[Mbitów/s]
Pełna obsługa w czasie rzeczywistym danych, audio i skompresowanego video
Protokół umożliwiający asynchroniczne przesyłanie danych i synchroniczne komunikatów
Wyposażenie komputerów PC przez producentów w ten interfejs jako standardowy do obsługi urządzeń peryferyjnych takich jak: myszka, klawiatura, monitor itp.
Znormalizowanie intefejsu na wszystkich poziomach modelu OSI
Przekonanie producentów sprzętu: komputerów, audio, video i sprzętu telekomunikacyjnego do przystosowania tych produktów do pracy w standardzie USB.
Urządzenia współpracujące poprzez USB zostały podzielone na trzy kategorie:

Wolne, pracujące w trybie interaktywnym (10-100[kbitów/s]) takie jak klawiatura, mysz, gry, urządzenia wirtualne.
Średniej prędkości (500[kbitów/s]-10[Mbitów/s] takie jak audio, skompresowane video, ISDN, PBX.
Szybkie (25[Mbitów/s]-500[Mbitów/s]) takie jak video, dyski.
Przyjęto następującą topologię systemu, jeden host (komputer zarządzający) połączony z pierwszym Hubem, do którego można podłączyć na zasadzie drzewa następujące Huby lub urządzenia.

Topologia systemu z interfejsem USB Taka topologia zapewnia możliwość współpracy różnych urządzeń poprzez wyspecjalizowane Huby, które z kolei współpracują ze sobą tworząc jednolity system, wygodny do użycia przez końcowego użytkownika dzięki :

Prostemu i znormalizowanemu okablowaniu
Izolacji elektrycznej
Samoidentyfikacji urządzeń
Automatycznej konfiguracji ich sterowników
Automatycznej rejestracji w systemie
Niskich kosztów sprzętu i okablowania.
Podstawowym elementem systemu są Huby.

Typowy Hub Hub posiada port do połączenia z hostem (Upstream Port) oraz do siedmiu portów do podłączenia urządzeń lub innych Hubów (Downstream Port), z których każdy może być indywidualnie konfigurowany i kontrolowany poprzez komputer-host. Huby składają się z dwóch części:

Hub Controllera
Hub Repeatera.
Hub Repeater jest protokołem kontrolującym połączenie pomiędzy Upstrem Port i Downstream Port, dostarcza on rejestr służący do komunikacji z hostem.

Wszystkie elementy systemu połączone są magistralą składającą się z czterech elementów :

Vbus, przewód zasilania +5[V]
D+, przewód symetrycznej skrętki sygnałowej
D-, pezewód symetrycznej skrętki sygnałowej
GND, przewód masy zasilania.
Typowym kablem sygnałowym jest skrętka ekranowana o impedancji charakterystycznej 90[ohm]+-15[%] i maksymalnej długości 5[m]. Maksymalne opóźnienie sygnału między punktami końcowymi, tzn. hostem i urządzeniem musi być mniejsze od 70[ns]. Do transmisji danych USB wykorzystuje się kodowanie danych NRZI. Kodowanie to polega na braku zmiany poziomu dla jedynki logicznej i zmianie poziomu dla zera logicznego.

Zadaniem USB jest zapewnienie bezkonfliktowej komunikacji między każdym dołączonym urządzeniem a hostem.

Struktura przepływu danych przez interfejs USB

Urządzenie fizyczne poprzez blok funkcji (zbiór specyfikacji interfejsów) i blok urządzenia logicznego zostaje zidentyfikowane przez oprogramowanie typu klient, zainstalowane na komputerze (host). Następnie zostaje zainicjowane połączenie pomiędzy urządzeniem a hostem, umożliwiające przesyłanie komunikatów i danych. dane odebrane z urządzenia zostają sformatowane zgodnie z wymaganiami protokołu USB i przekazane do hosta dzięki współpracy oprogramowania systemu USB, oprogramowania hosta oraz współpracującego sprzętu. Mechanizm taki zapewnia bezkolizyjną współpracę hosta z wszystkimi dołączonymi urządzeniami.

Typowa topologia połączenia urządzeń peryferyjnych poprzez USB

Jaka będzie przyszłość tego standardu zależy od wielu czynników. Za jego sukcesem przemawia otwarta struktura, kapitał i potencjał rozwojowy firm wprowadzających, oraz olbrzymie zapotrzebowanie na istnienie jednolitego i wydajnego interfejsu szeregowego, wspólnego dla telekomunikacji, komputerów oraz sprzętu audio i video. Potwierdzeniem tego może być już oferowany przez firmę Philips Semiconduktors układ scalony PDIUSBHI 1 stanowiący kompletny Hub interfejsu USB umożliwiający podłączenie czterech urządzeń wyposażonych w interfejs I2C.