Конспект лекций Часть 2 Челябинск 2015

Интерфейс USB 
Спецификация периферийной шины USB была разработана лидерами 
компьютерной и телекоммуникационной промышленности (Compaq, DEC, IBM, 
Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom) для подключения компьютерной 
периферии вне корпуса вычислительной машины с автоконфигурированием (Plug 
& Play). Первая версия стандарта появилась в 1996 г.
Интерфейс USB представляет собой последовательную, полудуплексную, 
двунаправленную шину со скоростью обмена: 
USB 1.1 – 1,5 Мбит/с или 12 Мбит/с; 
USB 2.0 – 480 Мбит/с. 
Шина позволяет подключить к вычислительной машине до 127 физических 
устройств. Каждое физическое устройство может, в свою очередь, состоять из 
нескольких логических (например, клавиатура со встроенным манипулятором –
трекболом). 
Кабельная разводка USB начинается с узла (host). Хост обладает 
интегрированным корневым концентратором (root hub), который предоставляет 
несколько разъемов USB для подключения внешних устройств. Затем кабели идут 
к другим устройствам USB, которые также могут быть концентраторами, и 
функциональным компонентам (например, модем или акустическая система). 
Концентраторы часто встраиваются в мониторы и клавиатуры (которые являются 
типичными составными устройствами). Концентраторы могут содержать до семи 
«исходящих» портов (рис. 39). 

---

71 
Рис. 39. Топология подключения устройств к USB 
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 (таблица 4). 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). 
Спецификация USB-интерфейса регламентирует два типа разъёмов: A – на 
стороне контроллера или концентратора USB, B – на стороне периферийного 
устройства. Впоследствии были разработаны миниатюрные разъёмы для 
применения USB в переносных и мобильных устройствах, получившие название 
Mini-B. Новая версия миниатюрных разъёмов, называемых Micro-USB, была 
представлена USB Implementers Forum 4 января 2007 года (рис. 40).
а)
б)
в)
Рис. 40. Разъемы: а)USB Тип A – 4x12 мм, б)USB Тип B – 7x8 мм, в) USB mini B – 2x7 мм 
Таблица 4 
Размещение проводников разъема USB 
Номер контакта
Обозначение
Цвет провода 
1
VBus 
красный 
2
D−
белый 
3
D+
зелёный 
4
GND
чёрный 

---

72 
В отличие от многих других стандартных типов разъёмов, для USB 
характерны долговечность и механическая прочность. 
Здесь GND – цепь «корпуса» для питания периферийных устройств, VBus – 
напряжение питания +5 
В. Данные передаются по проводам D+ и D− 
дифференциально (состояния «0» и «1» (в терминологии официальной 
документации diff0 и diff1 соответственно) определяются по разности 
потенциалов межу линиями более 0,2 В и при условии, что на одной из линий (D− 
в случае diff0 и D+ при diff1) потенциал относительно GND выше 2,8 В. 
Дифференциальный способ передачи является основным, но не единственным. 
Также иногда вокруг провода присутствует волокнистая обмотка для защиты от 
физических повреждений 
Высокопроизводительные 
устройства 
подключаются 
с 
помощью 
экранированного кабеля, длина которого не должна превышать 3 м. Если же 
устройство не формулирует особых требований к полосе пропускания, его можно 
подключить и неэкранированным кабелем (который может быть более тонким и 
гибким). Максимальная длина кабеля для низкоскоростных устройств – 5 м. 
Требования устройства к питанию (диаметр проводников, потребляемая 
мощность) могут обусловить необходимость использования кабеля меньшей 
длины. Из-за особенностей распространения сигнала по кабелю число 
последовательно соединенных концентраторов ограничено шестью (и семью 
пятиметровыми отрезками кабеля). 
Хост узнает о подключении или отключении устройства из сообщения от 
концентратора (эта процедура называется опросом шины – bus enumeration). 
Затем хост присваивает устройству уникальный адрес USB (1:127). После 
отключения устройства от шины USB его адрес становится доступным для других 
устройств. 
Для 
индивидуального 
обращения 
к 
конкретным 
функциональным 
возможностям составного устройства применяется 4-битное поле конечной точки. 
В низкоскоростных устройствах за каждой функцией закрепляется не более двух 
адресов конечных точек: нулевая конечная точка используется для конфигурации 
и определения состояния USB, а также управления функциональным 
компонентом; а другая точка – в соответствии с функциональными 
возможностями компонента. Устройства с максимальной производительностью 
могут поддерживать до 16 конечных точек, резервируя нулевую точку для задач 
конфигурации и управления USB. 
Хост опрашивает все устройства и выдает им разрешения на передачу данных 
(рассылая для этого пакет-маркер – Token Packet). Таким образом, устройства 
лишены возможности непосредственного обмена данными – все данные проходят 
через хост. Это условие сильно мешало внедрению интерфейса USB на рынок 
портативных устройств. В результате в конце 2001 года было принято дополнение 
к стандарту USB 2.0 – спецификация USB OTG (On-The-Go), предназначенная для 
соединения периферийных USB-устройств друг с другом без необходимости 
подключения к хосту (например, цифровая камера и фотопринтер). Устройство, 
поддерживающее USB OTG, способно частично выполнять функции хоста и 

---

73 
распознавать, когда оно подключено к полноценному хосту (на основе ПК), а 
когда – к другому периферийному устройству. Спецификация описывает также 
протокол согласования выбора роли хоста при соединении двух USB OTG –
устройств. 
Данные на шине передаются транзакциями (посылками), интервал между 
которыми составляет 1 мс. Предусмотрено четыре типа транзакций: 
• управляющие передачи используются для конфигурации вновь 
подключенных устройств (например, присвоения им адреса USB) и их 
компонентов; устройства с максимальной производительностью могут быть 
настроены на работу с конфигурационными сообщениями длиной 8, 16, 32 
или 64 байта (по умолчанию – 8 байт), устройства с низкой 
производительностью в состоянии распознавать управляющие сообщения 
длиной не более 8 байт; 
• групповая передача (bulk) используется для адресной пересылки данных 
большого объема (до 1023 байт), например, посылка данных на принтер,
устройства с низкой производительностью не поддерживают этот режим; 
• передача данных прерывания, например, введенных с клавиатуры данных 
или сведений о перемещении мыши, данные должны быть переданы 
достаточно быстро (в течение нескольких миллисекунд) для того чтобы 
пользователь не заметил никакой задержки; 
• изохронные передачи (передачи в реальном масштабе времени): пропускная 
способность и задержка доставки оговариваются до начала передачи 
данных, за один сеанс в таком режиме может быть передано до 1023 байт, 
устройства с низкой производительностью не поддерживают этот режим.