Základní technické údaje o USB sběrnici

Musím se přiznat, že mé znalosti ohledně USB sběrnice byly až donedávna pohříchu kusé: je to prostě něco sériového, co je možné řetězit, je to výrazně rychlejší než standartní sériový port a hlavně je k tomu možné připojit prakticky cokoliv, reproduktory nevyjímaje. Podrobnější informace o USB mě však nějak míjely. Až na CeBITu (při pohledu na stohy různých periférií komunikujících už jen a výhradně přes USB) jsem si dal závazek, že se na USB podívám trochu blíže.

Co by tedy měl každý hárdvérář o USB měl vědět:

Hlavními cíli při návrhu USB bylo vyvinout rozhraní, které mj.:

• zajistí jednoduchou podporu periferií
• bude levné při přenosových rychlostech do 12Mb/s
• poskytne plnou podporu pro hlas, audio a komprimované video
• zajistí plnou podporu pro smíšené synchronní a asynchronní přenosy
• poskytne standartní rozhraní schopné jednoduché implementace

Výsledkem jsou následující vlastnosti:

• jednoduché řešení kabeláže a konektorů
• autoidentifikace periferií, automatické mapování funkce a konfigurace driveru
• dynamicky připojitelné a překonfigurovatelné periferie
• připojení periferií požadujících přenosové pásmo od několika kb/s do několika Mb/s
• podpora synchronních i asynchronních přenosů
• současná funkce více zařízení připojených na společnou USB sběrnici
• max. 127 fyzických zařízení připojitelných současně
• podpora sdružených zařízení, tj. zařízení s mnoha sdruženými funkcemi
• malý overhead protokolu (tj. protokol má vysokou efektivitu)
• garantované šířky pásma pro zařízení, které jej vyžadují (telefon, audio atd.)
• možnost využití celé šířky pásma jedním zařízením
• široký rozsah délky paketů, umožňující optimalizaci využití protokolu
• řízení přenosu pro buffery je součástí protokolu
• robustnost - zpracování chyb je součástí protokolu
• dynamické přidávání a ubírání zařízení při jejich připojení/odpojení
• podpora pro identifikaci vadných zařízení
• jednoduchý protokol
• konzistence s PC Plug and Play architekturou
• zabudování podpory do stávajících operačních systémů
• levný subkanál na 1,5 Mbps
• levné kabely a konektory
• architektura povýšitelná na podporu více USB adaptérů v systému

Architektura systému je zřejmá z obrázku. Fyzicky se jedná o topologii hvězdy, kdy uprostřed každé hvězdy je umístěn hub. Druhou věcí je, že USB periferie jsou často řešeny jako spřažené s hubem, takže navenek se jeví jako průchozí - jeden konektor pro vstup, jeden pro výstup. Je to však skutečně jen dojem, vysvětlený následujícím obrázkem:
Propojení je realizováno čtyřdrátovými kabely, kdy pro vlastní přenos dat slouží stáčený pár s impedancí 90 Ohmů, zemní vodič a napájecí vodič (zpravidla 5V).

• vodič D+ je zelený (vývod konektoru 3)
• vodič D-je bílý (vývod konektoru 2)
• vodič VBus je červený (vývod konektoru 1)
• vodič GND je černý (vývod konektoru 4)

Konektor je speciální se čtyřmi vývody o rozměrech 7,7 x 9,5 mm s vývody uspořádanými ve dvou řadách nad sebou.

Napěťové úrovně jsou přibližně TTL - logická nula je 0,3V se zatížením do 1,5kOhmu proti napájení, logická jednička 2,8V se zatížením do 15 kOhmů proti zemi. Pro využití maximální přenosové rychlosti (12Mbps) může být kabel dlouhý max. 5 metrů přičemž musí být stíněný a kroucený, pro nízkorychlostní přenosy (do 1,5Mbps) může být použit nestíněný a nekroucený kabel s max. délkou 3 metry. Terminátory s impedancí 90 Ohmů jsou součástí hubů.

USB zařízení mohou být napájena přímo z USB sběrnice, pokud jejich odběr nepřekročí 100mA , příp. 500mA (max. jedno zařízení na USB sběrnici), napájecí napětí je 5V. Pokud mají USB zařízení vlastní zdroj, je řízen USB sběrnicí (zapínání, vypínání, SUSPEND mód atd.)

Podrobné informace o specifikaci USB verze 1.0 (základní definice cca 1,2 MByte v ZIP archivu) najdete na WWW stránkách Intelu.

Ještě připomínám, že z microsoftích operačních systémů je USB sběrnice podporována počínaje Windows 95 OSR2 (buď s instalovaným updatem nebo pozdější verze označená USB na distribučním CDčku), Windows 98 podporu USB mají přímo.