USB

USB (англ. Universal Serial Bus — «универсальная последовательная шина») — последовательный интерфейс для подключения периферийных устройств к вычислительной технике. Получил широчайшее распространение и фактически стал основным интерфейсом подключения периферии к бытовой цифровой технике.

Интерфейс позволяет не только обмениваться данными, но и обеспечивать электропитание периферийного устройства. Сетевая архитектура позволяет подключать большое количество периферии даже к устройству с одним разъёмом USB.

Разработка спецификаций USB производится в рамках международной некоммерческой организации USB Implementers Forum (USB-IF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шиной USB. В процессе развития выработано несколько версий спецификаций. Тем не менее разработчикам удалось сохранить высокую степень совместимости оборудования разных поколений. Спецификация интерфейса охватывает беспрецедентно широкий круг вопросов подключения и взаимодействия периферийных устройств с вычислительной системой:

унификацию разъёмов и кабелей
нормирование энергопотребления
протоколы обмена данными
унификацию функциональности и драйверов устройств

История
В Intel днем рождения USB называют 15 ноября 1995 года. Первые спецификации для USB 1.0 были представлены в 1994—1995 годах. 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 мобильные сети 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, последовательный (COM) и параллельный (LPT) порты) были крайне просты для разработчика, но не давали настоящего «подключи и работай». Требовались новые механизмы взаимодействия компьютера с низко- и среднескоростными внешними устройствами — возможно, более сложные для конструкторов, но надёжные, дружественные и пригодные к «горячему» подключению.
Поддержка USB вышла в виде патча к Windows 95 OEM Service Release 2, в дальнейшем она вошла в стандартную поставку Windows 98. В первые годы устройств было мало, поэтому шину в шутку 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.

Следует отметить, что в начале 2000-х годов корпорация Apple отдавала приоритет шине FireWire, в разработке которой она принимала активное участие. Ранние модели iPod были оснащены только интерфейсом FireWire, а USB отсутствовал. Впоследствии компания отказалась от FireWire в пользу USB, оставив в некоторых моделях FireWire только для подзарядки. Однако часть выпускавшихся клавиатур и мышей, начиная со второй половины 1990-х годов, имела интерфейс USB.

С начала 2000-х годов в BIOS компьютеров массового сегмента включена поддержка USB (поддержка USB в корпоративном сегменте началась с середины 1990-х). Это позволило загружаться с флеш-дисков, например, для переустановки ОС; пропала надобность в PS/2-клавиатуре. Современные настольные материнские платы поддерживают свыше 10 USB-портов. В подавляющем большинстве современных ноутбуков и настольных компьютеров COM- и LPT-портов нет.

Пока происходило распространение USB-портов второй версии, производители внешних жёстких дисков уже «упёрлись» в ограничение USB 2.0 — и по току, и по скорости. Потребовался новый стандарт, который и вышел в 2008 году. Уложиться в старые четыре жилы не удалось, поэтому было добавлено пять новых. Первые материнские платы с поддержкой USB 3.0 вышли в 2010 году. К 2013 году USB 3.0 стал массовым. В продаже имеются платы расширения, добавляющие поддержку USB 3.0 в старых компьютерах.

Уже в первые годы обнаружился серьёзный конструктивный недостаток разъёма USB-A: он асимметричен, но не показывает, какой стороной его подключать. Кроме того, в мобильных телефонах стали расширять функциональность USB, чтобы подключать нетрадиционные устройства: Motorola RAZR V3 подключала через MiniUSB гарнитуру, в смартфонах Samsung между пятью штырями MicroUSB добавили шесть новых. Обе эти проблемы решил симметричный разъём USB-C, появившийся в 2013 году. Одни провода продублированы на обеих сторонах, о назначении других контроллеры «договариваются» при подключении. В дополнение USB-C имеет несколько резервных проводов, чтобы передавать, например, аналоговый звук или HDMI-видео.

Основные сведения
Кабель USB (до 2.0 включительно) состоит из четырех медных проводников. Два проводника питания и два проводника данных в витой паре — и заземлённой оплётки (экрана).

Кабели USB ориентированы, то есть имеют физически разные наконечники «к устройству» (Тип B) и «к хосту» (Тип A). Возможна реализация USB устройства без кабеля, со встроенным в корпус наконечником «к хосту». Возможно и неразъёмное встраивание кабеля в устройство, как в мышь (стандарт запрещает это для устройств full и high speed, но производители его нарушают). Существуют, хотя и запрещены стандартом, и пассивные USB удлинители, имеющие разъёмы «от хоста» и «к хосту».

С помощью кабелей формируется интерфейс между USB устройствами и USB хостом. В качестве хоста выступает программно-управляемый USB контроллер, который обеспечивает функциональность всего интерфейса. Контроллер, как правило, интегрирован в микросхему южного моста, хотя может быть исполнен и в отдельном корпусе. Соединение контроллера с внешними устройствами происходит через USB концентратор (USB hub). В силу того, что USB шина имеет древовидную топологию, концентратор самого верхнего уровня называется корневым (root hub). Он встроен в USB контроллер и является его неотъемлемой частью.

Для подключения внешних устройств к USB концентратору в нём предусмотрены порты, заканчивающиеся разъёмами. К разъёмам с помощью кабельного хозяйства могут подключаться USB устройства либо USB концентраторы нижних уровней. Такие концентраторы — активные электронные устройства (пассивных не бывает), обслуживающие несколько собственных USB портов. С помощью USB концентраторов допускается до пяти уровней каскадирования, не считая корневого. Сам USB интерфейс не позволяет соединять между собой два компьютера (хост-устройства), это возможно лишь при использовании специальной электроники, имеющей два USB входа и специализированный мост, например, эмулирующей два соединённых Ethernet адаптера. По одному для каждой из сторон — либо использующие специализированное ПО для обмена файлами.

Устройства могут быть запитаны от шины, но могут и требовать внешний источник питания. По умолчанию устройствам гарантируется ток до 100 мА, а после согласования с хост-контроллером — до 500 мА. Поддерживается и дежурный режим для устройств и концентраторов по команде с шины со снятием основного питания при сохранении дежурного питания и включением по команде с шины.

USB поддерживает «горячее» подключение и отключение устройств. Это достигнуто увеличенной длиной заземляющего контакта разъёма по отношению к сигнальным. При подключении разъёма USB первыми замыкаются заземляющие контакты, потенциалы корпусов двух устройств становятся равны и дальнейшее соединение сигнальных проводников не приводит к перенапряжениям, даже если устройства питаются от разных фаз силовой трёхфазной сети.

На логическом уровне устройство USB поддерживает транзакции приёма и передачи данных. Каждый пакет каждой транзакции содержит в себе номер оконечной точки (endpoint) на устройстве. При подключении устройства драйверы в ядре ОС читают с устройства список оконечных точек и создают управляющие структуры данных для общения с каждой оконечной точкой устройства. Совокупность оконечной точки и структур данных в ядре ОС называется каналом (pipe).

Оконечные точки, а значит, и каналы, относятся к одному из четырех классов — поточный (bulk), управляющий (control), изохронный (isoch) и прерывание (interrupt). Низкоскоростные устройства, такие, как мышь, не могут иметь изохронных и поточных каналов.

Управляющий канал предназначен для обмена с устройством короткими пакетами «вопрос-ответ». Любое устройство имеет управляющий канал 0, который позволяет программному обеспечению ОС прочитать краткую информацию об устройстве, в том числе коды производителя и модели, используемые для выбора драйвера, и список других оконечных точек.

Канал прерывания позволяет доставлять короткие пакеты и в том, и в другом направлении, без получения на них ответа/подтверждения, но с гарантией времени доставки — пакет будет доставлен не позже, чем через N миллисекунд. Например, используется в устройствах ввода (клавиатуры, мыши, джойстики).

Изохронный канал позволяет доставлять пакеты без гарантии доставки и без ответов/подтверждений, но с гарантированной скоростью доставки в N пакетов на один период шины (1 кГц у low и full speed, 8 кГц у high speed). Используется для передачи аудио- и видеоинформации.

Поточный канал даёт гарантию доставки каждого пакета, поддерживает автоматическую приостановку передачи данных по нежеланию устройства (переполнение или опустошение буфера), но не даёт гарантий скорости и задержки доставки. Используется, например, в принтерах и сканерах.

Время шины делится на периоды, в начале периода контроллер передаёт всей шине пакет «начало периода». Далее в течение периода передаются пакеты прерываний, потом изохронные в требуемом количестве, в оставшееся время в периоде передаются управляющие пакеты и в последнюю очередь — поточные.

Активной стороной шины всегда является контроллер, передача пакета данных от устройства к контроллеру реализована как короткий вопрос контроллера и длинный, содержащий данные, ответ устройства. Расписание движения пакетов для каждого периода шины создаётся совместными усилиями аппаратуры контроллера и ПО драйвера, для этого многие контроллеры используют крайне сложный DMA со сложной DMA-программой, формируемой драйвером.

Размер пакета для оконечной точки — это константа, встроенная в таблицу оконечных точек устройства и изменению не подлежит. Он выбирается разработчиком устройства из числа тех, что поддерживаются стандартом USB.

usb