Сигналы интерфейса USB

Интерфейс USB характеризуется тем, что его архитектура напоминает собой локальную сеть, где все узлы являются хабами — кабельными концентраторами, к которым возможно подключить следующий хаб. То есть например, через монитор или клавиатуру можно подключить принтер или CD-ROM. На системном блоке установлен центральный хаб, чаще всего имеющий два порта, к которому пользователь вправе подключить либо любое внешнее устройство с интерфейсом USB, либо вход другого хаба, который может быть либо встроен в принтер или монитор, либо выполнен в виде отдельной конструкции.

Для интерфейса USB используют четырехжильный кабель, в котором два провода обеспечивают питание маломощных внешних устройств, а два, представляющих скрученную пару, являются информационной линией. Назначение выводов разъема интерфейса USB приведено в табл.

 

Назначение выводов разъема интерфейса USB

 

	Контакт	Назначение	Контакт	Назначение
		+ 5В		+ Data
		- Data		Земля

 

Спецификация интерфейса USВ предусматривает, что любое внешнее устройство может потреблять ток до 100 мА (точнее, объявлять, что оно желает потреблять определенную величину). Если устройство заявит, что потребляемая мощность больше, то оно не будет зарегистрировано, т. е. ему не будет выделен интерфейсный адрес, а это не позволит периферийному устройству пользоваться возможностями интерфейса. К хабу допускается подключить несколько устройств, которые могут потреблять суммарный ток не более 500 мА.

Конструкция USB-разъемов такова, что при подсоединении вилки кабеля к розетке хаба первыми соединяются два контакта, которые отвечают за питание внешних устройств, а уже потом информационные контакты. Такая последовательность обеспечивает защиту информационных линий от электрических перегрузок.

 

В операционной системе Windows параметры USB-интерфейса доступны на вкладке Устройства окна Свойства: Система. Информацию о параметрах питания подключаемых устройств можно узнать, если выделить категорию Корневой разветвитель для USB и щелкнуть мышью на кнопке Свойства. На вкладке Питание окна Свойства: Корневой разветвитель для USB находится кнопка Параметры питания, которая открывает окно Питание, где приведены сведения о хабе (концентраторе), установленном на системной плате.

Интерфейс USB поддерживает режим Plug and Play для подключаемых устройств.

В операционной системе Windows для интерфейса USB отведено аппаратное прерывание 10. Но чтобы можно было пользоваться интерфейсом USB, в настройках BIOS должно быть разрешено использование функций USB.

 

 

 

 

Проблемы USB

Традиции и нежелание пользователей отказываться от старых периферийных устройств до сих пор вынуждают производителей компьютеров сохранять в составе современного компьютера старинные интерфейсы. Только в 2002 г. появились системные платы, на которых нет ни параллельного, ни последовательного портов. Вместо них остались только с десяток разъемов для интерфейсов USB и FireWare. На рис. приведен вариант такой системной платы, на которой установлены шесть разъемов для USB-портов, из которых два поддерживают спецификацию USB 2.0. Заметьте, что на системных платах, кроме портов для подключения внешних USB-устройств, устанавливаются переходные разъемы для подключения дополнительных портов, которые обычно выводятся на лицевую панель компьютера.

Вообще, история внедрения интерфейса USB весьма плачевна. Появившаяся давно спецификация на этот интерфейс заставила производителей системных плат еще для простых процессоров Pentium добавлять поддержку двух портов USB. Вот только заглушек с разъемами для подключения USB-устройств на большинстве компьютеров форм-фактора AT не обнаружить. К тому же, пользователь, который хотел воспользоваться USB-интерфейсом, с любопытством узнавал, что переходник для выведения USB-порта на корпус компьютера — редкая вещь. Далее выяснялось, что производители системных плат устанавливали на них разъемы для подключения USB-портов самых разнообразных стандартов (двух- и однорядные, с разной разводкой), а неправильное подключение грозило выгоранием системной платы.

 

При появлении компьютеров с форм-фактором АТХ казалось, что дело широкого внедрения нового интерфейса не за горами. Ведь теперь на системной плате непосредственно устанавливалось два разъема для подключения USB-устройств. Но слишком мало было устройств, которые имели новый интерфейс, т. к. пользователи не спешили выбрасывать на свалку вполне приличные модемы и принтеры.

Усилия крупнейших компьютерных фирм по продвижению USВ особого успеха не приносили, а все пожелания в виде спецификаций на будущие компьютеры так и оставались пожеланиями. Конечно, согласно требованиям спецификаций РС2002, для подключения периферии должны использоваться исключительно порты типа USB и FireWire, но, во-первых, она не является документом прямого действия, а во-вторых, скорее всего пользователи в который раз проголосуют кошельком в пользу более дешевых вариантов. Заметим, что уже налажен выпуск адаптеров USB-PS/2, чтобы сохранить устарелые, но более дешевые устройства.

 

Видимо, дело сдвинулось с мертвой точки только тогда, когда стали массово производиться сканеры с USB-интерфейсом, что было принято пользователями с восторгом. Тут сыграл фактор нехватки обычных портов, т. к. приходилось подключать сканер либо вместо принтера, либо устанавливать SCSI-интерфейс. Также внедрению USB-интерфейса способствовало распространение цифровых камер.

Только после успеха сканеров с USB-интерфейсом пользователи стали покупать новые мыши и модемы. Правда, обнаружились и неприятные стороны нового интерфейса. Оказалось, что он не такой уж и быстрый, как хотелось бы. А при установке операционных систем Windows и Linux выяснилось, что все USB-устройства надо отключать, чтобы правильно установились драйверы USB (для старых интерфейсов такой операции просто не требовалось). Дополнительно, почти для всех системных плат после установки операционной системы требовалась отдельная установка драйверов USB.

Как говорится, и плюсы и минусы налицо. Но все же, если немного попривыкнуть, удобство и простота подключения USB-устройств через некоторое время начинает нравиться. Особенно, когда можно без проблем отсоединить модем или цифровую камеру от одного компьютера и подсоединить к другому без выключения питания и многократной перезагрузки компьютера. К тому же, в последнее время становится популярным метод построения локальной сети с использованием интерфейса USB.

Интерфейс FireWire

Очень похожими на интерфейс USB возможностями обладает еще один стандарт на подключение периферии к персональному компьютеру. Этот интерфейс с красивым названием FireWire (огненный провод) стал популярен благодаря стараниям компании Apple, которая применяет его в своих компьютерах Macintosh и др.

В 1995 г. появился официальный стандарт на высокопроизводительную последовательную шину (High Performance Serial Bus), являющуюся реализацией FireWire для персональных компьютеров линейки IBM PC, который получил наименование IEEE 1394. Последние пару лет порты для подключения устройств с таким интерфейсом появились на наиболее современных системных платах.

Максимальная скорость передачи данных по интерфейсу IEEE 1394 достигает 400 Мбит/с или 50 Мбайт/с. Количество устройств, подключаемых к одному порту, — 63.

Так как организация и назначение интерфейсов USB и IEEE 1394 очень близки друг другу, то и внешне порты и кабели обоих интерфейсов неискушенный пользователь легко может перепутать. Основное внешнее отличие заключается в том, что интерфейс IEEE 1394 предусматривает использование 6 проводов в кабеле (конечно, протокол обмена и архитектура не совместимы друг с другом). Правда, для подключения устройств, которым не требуется питание от интерфейса IEEE 1394, используется разъем с 4 контактами.

Для пользователей персональных компьютеров следует заметить, что интерфейс IEEE 1394 не позиционируется как конкурент для USB. Его назначение — это связь высокопроизводительных периферийных устройств с компьютером. Например, для организации двух каналов живого видео или подключения высокоскоростных внешних накопителей данных.

 

Интерфейс SCSI

С интерфейсом SCSI (Small Computer System Interface), произносится как "скази", пользователь персонального компьютера может столкнуться, в основном, в двух случаях — при подключении сканеров и винчестеров. Остальные варианты у рядовых пользователей встречаются крайне редко, т. к. стоимость устройств со SCSI-интерфейсом в 1,5—2 раза выше аналогичных, но имеющих более "простые" интерфейсы.

 

 

Кроме того, для использования интерфейса SCSI в персональный компьютер требуется установить дорогостоящую плату контроллера (SCSI Host Adapter Card), к которой подключается интерфейсный кабель для соединения устройств, установленных внутри корпуса компьютера. Для подключения внешних, устройств контроллер снабжается разъемом.

Первый стандарт SCSI-1 предусматривал высокоскоростной обмен 8-байтными данными через интерфейсный 50-жильный кабель. Для данного стандарта скорость передачи данных составляет 5 Мбайт/с в синхронном режиме

Наибольший интерес интерфейс SCSI ранее представлял из-за того, что к нему можно было подключить до 15 устройств. Каждое устройство имеет свой адрес, который назначается с помощью джамперов, расположенных на устройстве или интерфейсной плате. С помощью перемычек ID1—ID3 указывается двоичный адрес устройства.

 

 

Указание адреса для SCSI-устройства

	ID number	Jumper setting
		OFF ON OFF ON	OFF OFF ON ON	OFF OFF OFF OFF

 

		OFF	OFF	ON
		ON	OFF	ON
		OFF	ON	ON

Стандарт интерфейса SCSI подвергался неоднократной доработке, что позволило использовать 16- или 32-разрядный формат данных. В последнем варианте требуется уже 68-жильный интерфейсный кабель. С появлением каждого нового стандарта на интерфейс SCSI увеличивалась скорость передачи данных, например, последний вариант — Wide Ultra3 SCSI — обеспечивает скорость до 160 Мбайт/с.

В 1998 г. ряд компаний объединились для разработки и продвижения технологии беспроводной передачи данных, которая получила название Bluetooth. Новый интерфейс должен был позволить соединять друг с другом практически любые устройства -- ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мобильные телефоны, а в перспективе, и бытовые приборы, оснащенные блоками "интеллекта", например холодильники, микроволновые печи и кондиционеры. То есть требовался способ соединять друг с другом любые устройства без проводов и сложной настройки.

Для беспроводного интерфейса Bluetooth отведен частотный диапазон от 2,4 до 2,48 ГГц. А поскольку радиоэфир полон помех естественного и искусственного происхождения, то для использования в интерфейсе Bluetooth был предложен принцип скачкообразной перестройки частоты в пределах отведенного диапазона.по псевдослучайному алгоритму, например до 1600 изменений в секунду между 79 точками. Кроме передачи данных через интерфейс, можно организовать три голосовых канала.

Дальность надежного соединения для устройств с интерфейсом Bluetooth составляет 10 м (существуют варианты с дальностью до 100 м). Скорость передачи данных в асимметричном режиме до 721 Кбит/с, а в симметричном — 432,6 Кбит/с в обоих направлениях. Для целей безопасности в спецификации интерфейса предложено использовать аутентификацию и шифрование данных с ключом длиной от 8 до 128 битов.

Для приемопередатчиков интерфейса Bluetooth разработаны специальные маломощные чипы, которые можно встраивать в любые устройства, даже в наушники и микрофоны.

В настоящее время существуют самые разнообразные устройства, которые используют данную технологию. Но можно отметить, что наибольший интерес этот интерфейс вызвал у фирм, которым требовалось быстро и просто создавать небольшие локальные сети. Правда, в процессе эксплуатации нашлись и слабые стороны спецификации Bluetooth, которая разрешала пользователям не применять шифрование данных, что привело к новой разновидности хакерских атак на локальные сети.