Sterowanie za pomocą bitów
USB - Uniwersalna Magistrala Szeregowa


Bramki logiczne
Cyfrowe układy scalone TTL i CMOS
Zasilanie układów TTL i CMOS
Zjawisko hazardu w sieciach logicznych
Przerzutniki
Pamięć
Wejście / wyjście
  Centronics
RS-232
PS/2
USB

 

Informacje wstępne

Nazwa USB pochodzi od angielskiego terminu Universal Serial Bus - Uniwersalna Magistrala Szeregowa. Każdy współczesny komputer osobisty jest wyposażony w porty USB, dzięki którym mozna do niego podłączać zewnętrzne urządzenia takie jak klawiatury, myszki, joysticki, drukarki, modemy, pendrive'y itp. USB nadaje tym urządzeniom jakby wspólny standard współpracy z komputerem i jest rozwiązaniem jak najbardziej przyszłościowym. Dlatego warto poznać zasady pracy USB.

Podłączanie urządzenia USB do komputera jest bardzo proste - wystarczy znaleźć gniazdo USB (większość komputerów ma je z przodu obudowy, jedynie starsze modele posiadają gniazda USB z tyłu - w takim przypadku dobrze jest się zaopatrzyć w kabel przedłużający USB) i włożyć weń wtyczkę USB. Jeśli urządzenie USB jest podłączane po raz pierwszy, to system operacyjny automatycznie wykrywa je i instaluje odpowiednie oprogramowanie (dla niektórych urządzeń w trakcie tego procesu może być potrzebny dysk ze sterownikami od producenta, jednakże większość zostanie rozpoznana i zainstalowana automatycznie). Jeśli urządzenie jest już zainstalowane w systemie, komputer aktywuje je i rozpocznie z nim wymianę danych. Urządzenia USB można podłączać do komputera i odłączać od niego w dowolnym momencie w trakcie pracy.

 

Gniazdo USB-A Gniazdo USB-B Pendrive z wtyczką USB-A Gniazdko mini USB
Wtyczka USB-A Wtyczka USB-B Zewnętrzny dysk twardy USB-A Wtyczka mini USB

 

Duża ilość urządzeń USB wyposażona jest we własny, wbudowany kabel USB z wtyczką typu USB-A. Takie urządzenie można bezpośrednio podłączyć do gniazdka USB w komputerze. Jeśli urządzenie nie posiada własnego kabla USB, to najczęściej wyposażone jest w gniazdo USB-B na kwadratową wtyczkę - tak jest przykładowo u drukarek.

Standard USB wykorzystuje dwa rodzaje wtyczek "A" i "B", aby uniknąć zamieszania. Wtyczki typu A służą do podłączania urządzeń USB w kierunku do komputera, natomiast wtyczki typu "B" są przeznaczone do podłączania w kierunku odwrotnym - od komputera do urządzenia, a zatem do podłączania urządzeń końcowych. Dzięki temu nie zrobisz pomyłki - jeśli podłączysz kabel z wtyczką USB-B do danego urządzenia, to będziesz miał pewność, że połączenie to będzie działać. Podobnie możesz włożyć wtyczkę USB-A do dowolnego gniazdka USB-A i również będzie to działało.

 

Koncentratory USB

Większość kupowanych dzisiaj komputerów posiada przynajmniej jedno gniazdko USB (komputery stacjonarne zwykle posiadają ich sześć - 2 z przodu obudowy i 4 z tyłu). Gniazdka USB łatwo jest wyczerpać - wystarczy podłączyć do nich takie urządzenia USB jak myszka, klawiatura, joystick, kamera, drukarka, mikrofon i już nie ma gdzie włożyć pendrive'a. Problem ten można rozwiązać na kilka sposobów: odłączyć jedno z urządzeń (niezbyt dobre rozwiązanie), dokupić dodatkową kartę z portami USB (wymaga umiejętności montażu lub usługi w serwisie) lub zakupić zewnętrzny koncentrator USB - tzw. hub USB (niezbyt duży koszt). Standard USB przewiduje podłączenie maksymalnie 127 urządzeń, a koncentratory USB są częścią tego standardu.

 

Koncentratory USB

 

Typowy hub USB posiada 4 porty typu USB-A - liczba dostępnych portów może być większa. Koncentrator podłącza się do gniazda w komputerze, a pozostałe urządzenia USB (lub dalsze koncentratory) podłącza się do portów w koncentratorze. Poprzez łączenie ze sobą koncentratorów można stworzyć dziesiątki portów USB współpracujących z pojedynczym komputerem.

Koncentratory mogą być zasilane lub pasywne. Standard USB umożliwia urządzeniom pobieranie prądu ze złącza USB. Urządzenia o dużym zapotrzebowaniu na prąd (drukarka, skaner)  posiadają swój własny zasilacz, lecz urządzenia o niskiej mocy (myszki, kamery cyfrowe) pobierają prąd z magistrali USB, co upraszcza ich konstrukcję. Zasilanie (do 500 mA przy 5V dla USB 2.0 i do 900 mA dla USB 3.0) pochodzi od zasilacza wewnątrz komputera. Jeśli podłączone urządzenia posiadają własne zasilanie, to koncentrator nie musi mieć osobnego zasilania, gdyż żadne z korzystających z niego urządzeń nie wymaga dodatkowego zasilania przez USB, więc komputer może sobie z nimi poradzić. Jednak w przypadku, gdy używane urządzenia nie posiadają swojego własnego zasilania (myszki, kamery, joysticki), to prawdopodobnie będzie potrzebny koncentrator z osobnym zasilaniem. Wtedy zasilanie tych urządzeń przejmuje koncentrator i komputer nie jest obciążany.

Gdy główny sterownik USB startuje, odpytuje wszystkie urządzenia podłączone do magistrali i przydziela każdemu z nich pewien adres. Proces ten nazywa się wyliczaniem - urządzenia również są wyliczane, gdy podłącza się je później do magistrali. Z każdego urządzenia komputer odczytuje tryb używanego przez nie przesyłu danych:

 

 

Sterownik USB może również przesyłać za pomocą pakietów sterujących rozkazy oraz zapytania z parametrami.

Po wyliczeniu urządzeń sterownik USB zapamiętuje całkowitą przepustowość wymaganą przez wszystkie urządzenia pracujące w trybie równoczesnym lub przerywanym. Są one w stanie skonsumować nawet do 90% przepustowości 480 Mbps (milionów bitów na sekundę), która jest dostępna dla USB 2.0 (USB 3.0 zwiększa tę prędkość do 4,8 Gbps - miliardów bitów na sekundę). Gdy zostaje zużyte 90% przepustowości, sterownik odmawia transmisji wszystkim pozostałym urządzeniom pracującym w trybie równoczesnym lub przerywanym. Pakiety sterujące oraz przesłania typu masowego używają pozostałą przepustowość magistrali USB (co najmniej 10%).

Magistrala USB dzieli dostępną przepustowość na ramki, które kontroluje sterownik. Ramki zawierają po 1500 bajtów i są wysyłane co 1 milisekundę. Podczas ramki dostęp do magistrali otrzymują urządzenia pracujące w trybie przerywanym lub równoczesnym, co gwarantuje im wymaganą przepustowość. Przesyły masowe i sterujące używają tego, co pozostanie z przepustowości.

 

Cechy USB

Złącze Nazwa Kolor Opis
1 Vcc Czerwony +5V
2 D- Biały Dane-
3 D+ Zielony Dane+
4 GND Czarny Masa
Przewody w kablu USB 2.0 Oznaczenia złączy USB Funkcje przewodów USB

 

Uniwersalna magistrala szeregowa posiada następujące cechy:

 

USB 2.0 i USB 3.0

Standard USB 2.0 został wprowadzony w kwietniu 2000 r. i służy jako unowocześnienie wcześniejszego standardu USB 1.1.

USB 2.0 (ang. High-speed USB - USB o dużej szybkości) udostępnia dodatkową przepustowość dla aplikacji multimedialnych oraz przechowywania danych i ma szybkość transmisji 40 razy większą od USB 1,1. Aby umożliwić płynne przejście zarówno użytkownikom jak i producentom, USB 2.0 posiada pełną kompatybilność z wcześniejszymi urządzeniami USB oraz pracuje również z kablami i złączami przeznaczonymi dla oryginalnego USB.

Obsługując trzy tryby prędkości (1,5, 12 i 480 megabitów na sekundę), USB 2.0 wspiera urządzenia o niskiej szybkości transmisji, takie jak klawiatury i myszki, oraz również urządzenia o dużej szybkości transmisji, jak kamery sieciowe o wysokiej rozdzielczości, skanery, drukarki i dyski twarde o dużej pojemności. Pojawienie się standardu USB 2.0 pozwoliło firmom przodującym na rynku komputerów osobistych rozwinąć urządzenia peryferyjne, które uzupełniają istniejące komputery osobiste o dużej wydajności.

Standard USB 3.0 (ang. SuperSpeed USB - USB o super prędkości) stał się oficjalny 17 października 2008 roku. USB 3.0 podbija prędkość transmisji 10 razy w stosunku do USB 2.0 - 4,8 gigabitów na sekundę. Został zaprojektowany z myślą o takich zastosowaniach jak przesył filmów o wysokiej rozdzielczości lub archiwizacja całego dysku twardego na zewnętrznym urządzeniu. Gdy rośnie pojemność dysków twardych, rośnie również zapotrzebowanie na szybki przesył danych.

Standard USB 3.0 przyjmował się raczej wolno. Wytwórcy układów scalonych musieli opracować układy dla płyt głównych (ang. mother board - płyta bazowa komputera), które wspierają USB 3.0. Właściciele komputerów mają możliwość zakupu kart, które po zainstalowaniu w komputerze udostępniają obsługę standardu USB 3.0. Lecz wsparcie sprzętowe stanowi jedynie część problemu - musi również istnieć wsparcie ze strony systemu operacyjnego. Microsoft wprowadza wewnętrzną obsługę standardu USB 3.0 w swoim Windows 8. Inne systemy Microsoftu wymagają instalacji sterowników dostarczanych ze sprzętem. Ostatnie dystrybucje systemu Linux zawierają wsparcie dla USB 3.0.

 

Symbole graficzne

Urządzenia współpracujące z USB posiadają różne symbole graficzne, z których użytkownik może wiele wywnioskować.

 

W ten sposób oznaczane są kable i gniazda USB. Symbol ten nic nie mówi o rodzaju USB, jedynie że dane urządzenie współpracuje z magistralą USB.

Na starszych urządzeniach możemy znaleźć inną wersję logo USB.

Symbol USB 1.1

Urządzenia USB oznaczone zieloną strzałką u dołu mogą wymieniać dane bez pośrednictwa komputera PC - np. cyfrowy aparat fotograficzny może połączyć się z kolorową drukarką USB i wydrukować na niej wybrane zdjęcia.

Symbol USB 2.0 - transfer danych do 480 megabitów na sekundę

USB 2.0 z technologią On-The-Go, czyli możliwość łączenia bez komputera PC

USB 2.0 - radiowe. Urządzeń USB obsługujących tę opcję jest bardzo niewiele.

USB 3.0 - transfer do 4,8 gigabitów na sekundę.

 

Opis protokołu transmisyjnego USB 2.0 jest bardzo skomplikowany - pełna specyfikacja zawiera ponad 650 stron. Dlatego zainteresowanych tym standardem odsyłam do materiałów dostępnych w sieci Internet:

usb.org

 



List do administratora Serwisu Edukacyjnego Nauczycieli I LO

Twój email: (jeśli chcesz otrzymać odpowiedź)
Temat:
Uwaga: ← tutaj wpisz wyraz  ilo , inaczej list zostanie zignorowany

Poniżej wpisz swoje uwagi lub pytania dotyczące tego rozdziału (max. 2048 znaków).

Liczba znaków do wykorzystania: 2048

 

W związku z dużą liczbą listów do naszego serwisu edukacyjnego nie będziemy udzielać odpowiedzi na prośby rozwiązywania zadań, pisania programów zaliczeniowych, przesyłania materiałów czy też tłumaczenia zagadnień szeroko opisywanych w podręcznikach.



   I Liceum Ogólnokształcące   
im. Kazimierza Brodzińskiego
w Tarnowie

©2017 mgr Jerzy Wałaszek

Dokument ten rozpowszechniany jest zgodnie z zasadami licencji
GNU Free Documentation License.