Введение

За долгие годы интерфейс USB 2.0 стал чем-то привычным — никто уже давно не спрашивает, есть ли в системном блоке такие порты. Даже вопрос их количества уже давно не так уж и актуален: на любой более-менее современной материнской плате есть десяток, а то и более разъемов. Такую популярность интерфейсу обеспечили несколько факторов: простота подключения (уже десять лет как драйвера основных типов устройств встроены во все популярные операционные системы), распространенность, компактность разъемов, универсальность, возможность питания подключенного устройства от того же разъёма. Внешние накопители, звуковые карты, принтеры, сканеры, модемы, мыши и клавиатуры — все это имеет интерфейс USB, не говоря уж о всевозможных аксессуарах, от настольных вентиляторов до новогодних елок с подсветкой, которым от порта нужно только питание. Но ничто не вечно под луной — скорость интерфейса, разработанного десять лет тому назад, в последнее время всё чаще оказывается недостаточной. В принципе, теоретическая пропускная способность 480 Мбит/с (60 МБ/с) достаточно высока, но на практике получить скорость более 35 МБ/с фактически невозможно. Если всевозможным мышкам это безразлично, то в случае внешних накопителей интерфейс USB 2.0 давно уже стал бутылочным горлышком — у современных жестких дисков, в том числе и 2,5-дюймовых, скорость чтения с пластин гораздо выше. Да что там говорить, даже производительность современных быстрых флеш-накопителей превышает возможности USB 2.0, вынуждая производителей создавать «флешки» с интерфейсом e-SATA, несмотря на то, что питание на них всё равно приходится подавать от USB-разъёма, так как в текущей версии e-SATA такая возможность не предусмотрена. USB 2.0 и 3.0 Говоря об особенностях нового интерфейса, нельзя не коснуться его истории, насчитывающей полтора десятка лет. Первая версия протокола USB, название которого расшифровывается как «универсальная последовательная шина» (Universal Serial Bus), была представлена в 1995 году.

Его разработка поддерживалась такими гигантами, как Microsoft и Intel, которые хорошо понимали необходимость создания нового универсального интерфейса, способного заменить собой существующее на тот момент разнообразие внешних интерфейсов (параллельный порт, последовательный, порт для подключения джойстика, внешний SCSI — и в итоге они действительно исчезли с материнских плат). Впрочем, USB еще и был призван стать быстрым, и в то же время недорогим внешним интерфейсом — в те времена в них был явный недостаток. Через три года, в 1998 году, свет увидела обновленная версия протокола 1.1, а уже в 2000 году появилась спецификация версии 2.0, с которой и началось глобальное распространение данного интерфейса. Именно в этой версии к режимам Low Speed (скорость до 1,5 Мбит/с) и Full Speed (скорость до 12 Мбит/с) добавился Hi Speed, обеспечивающий скорость до 480 Мбит/с и позволивший новому интерфейсу на равных конкурировать с FireWire IEEE1394a с его 400 Мбит/с. Впрочем, особой конкуренции не получилось — благодаря более простой реализации и схеме лицензирования USB 2.0 быстро вытеснил FireWire в укромную нишу подключения видеокамер, несмотря на некоторые технические преимущества последнего.

Интерфейс USB достаточно прост для понимания. Во главе всего стоит хост-контроллер — корневое устройство, управляющее всем процессом передачи данных. К нему подключаются «хабы», представляющие собой разветвители, и конечные устройства, напрямую или через хабы. Общее количество устройств в данном дереве может доходить до 128. Разветвители могут быть либо пассивными, либо активными, последние отличаются тем, что имеют собственный источник питания, а значит, способны питать подключенные устройства, не потребляя ток с хоста. Кстати, «пассивными» в прямом смысле этого слова хабы все же не являются — на практике они представляют собой достаточно сложные электронные устройства.

Как уже было сказано, весь информационный обмен по «дереву» шины организуется хостом. Делает он это очень просто — с определенной периодичностью по очереди опрашивая оконечные устройства и выделяя им определенные временные промежутки, в течение которых те могут передавать данные. Недостатки подобной схемы достаточно очевидны: все устройства делят пропускную способность шины «на всех» и чем больше устройств, тем меньше будет доставаться каждому из них. Несколько сглаживают картину то, что существуют несколько типов логических каналов связи, создаваемых между устройствами и хостом: управляющий, предназначенный для передачи коротких команд; канал прерываний, для коротких команд с гарантированным временем доставки; изохронный, с гарантированной скоростью доставки некоторого числа пакетов в течение заданного периода, и поточный канал, в котором есть гарантированность доставки, но не регламентируется скорость и задержки. Соответственно, для разных устройств создаются разные каналы (мышкам и клавиатурам — канал прерываний, накопителям — изохронный). А дальше в течение каждого периода работы шины по ней передаются пакеты прерываний, потом изохронные пакеты в требуемом количестве, ну а в оставшееся время в периоде передаются управляющие и, в последнюю очередь, поточные пакеты.

Еще раз хочется напомнить, что «головой» всему является хост-контроллер: именно он организует все опросы, «заслушивает» прерывания в выделенные для этого временные интервалы и отправляет устройства в сон. Конечные устройства не могут по собственному желанию уйти в спящий режим или выйти из него, инициировать обмен данными или срочно сообщить хосту что-то важное (например, о переполнении буфера). Более того, все организуемые каналы являются полудуплексными — одновременная передача и прием данных невозможны, только по очереди. Равноправия в USB нет: какие бы устройства вы друг с другом ни соединяли, одно из них должно играть роль хоста, в то время как остальные — подчиняться ему.

С ростом популярности устройств на материнских платах росло и количество портов USB. И производители довольно любопытным образом вышли из неприятной ситуации, когда одна шина делится на всех — они организовали несколько шин. Так, в популярном нынче чипсете Intel P55 при углубленном рассмотрении обнаруживается аж семь UHCI-контроллеров (отвечающих за работу с устройствами Low Speed и Full Speed), объединенных с семью двухпортовыми хабами, и два EHCI контроллера, работающих с Hi Speed устройствами — да, это уже не дерево, а хитросплетенный куст с несколькими корнями и несколькими стволами.

Наконец, отдельно стоит сказать про питание, обеспечиваемое шиной USB. Нагрузочная способность одного порта ограничена значением 0,5 А, поэтому при подключении к нему нескольких устройств требуется определить, не перегрузят ли они порт. Достигается это достаточно просто: после подключения устройство должно сообщить хосту о том, какой ток оно потребляет от порта — и до получения от хоста разрешения на включение оставаться в спящем режиме. Если суммарный потребляемый устройствами ток превышает 0,5 А, последнему подключённому устройству хост разрешения на включение не даст. Такая реализация имеет одну уязвимость: хотя в принципе можно проверить, действительно ли устройство потребляет столько, сколько оно попросило, такая схема усложнит и удорожит USB-контроллер, поэтому в абсолютном большинстве случаев никакой проверки не проводит — хост слепо доверяет устройствам. С одной стороны, это может привести к перегрузке хоста по питанию и даже выходу его из строя, с другой, позволяет работать USB-устройствам, чьё потребление превышает 0,5 А, но не слишком сильно. К последним относятся внешние жёсткие диски: как следует из наших измерений, при раскрутке шпинделя они потребляют порядка 0,7—0,9 А. Тем не менее, формально они сообщают хосту о потреблении 0,5 А (собственно, сообщить о большем потреблении они не могут даже теоретически: это не предусмотрено протоколом USB), а дальнейшая их работа зависит от того, способен ли хост обеспечить реальное их энергопотребление, или же напряжение питания под такой нагрузкой просядет ниже минимально допустимого. Ещё «неправильнее» ведут себя всевозможные USB-вентиляторы, USB-фонари и тому подобные устройства: так как они обычно просто не имеют внутри никакого USB-контроллера, то и хосту ничего о своём потреблении не сообщают. Сколько бы таких устройств ни включили в разъём, хост будет считать нагрузку нулевой.

Очевидно, что ситуация, когда большой и очень популярный класс устройств — внешние накопители на жёстких дисках — пользуется тем, что строгость закона смягчается необязательностью его выполнения, нормальной не является, поэтому невысокую нагрузочную способность USB 2.0-портов можно также отнести к их недостаткам. Не отказались бы от дополнительного питания и другие потребители, такие как сканеры, компактные акустические системы, мини-мониторы и различные зарядные устройства.

Заканчивая разговор про USB 2.0, стоит вспомнить и о физическом уровне, а точнее, о кабелях. В них четыре провода: два для передачи данных, «земля» и +5 В для цепей питания. Изначальная спецификация регламентировала использование стандартных плоских разъемов типа А на стороне хоста и разъемов типа В на стороне устройства. Но впоследствии к ним быстро добавился сонм компактных разъемов — несколько вариантов mini-USB и micro-USB. Ну а теперь пора поговорить и про USB 3.0. Новая версия стандарта принесла нам новый режим работы, Super Speed, самым главной особенностью которого стало увеличение максимальной скорости данных на порядок — до 4,8 Гбит/с. Основными требованиями при разработке нового стандарта были совместимость со всем существующим оборудованием с интерфейсом USB и сохранение простоты интерфейса.Разработчики выбрали путь, который можно назвать «ростом вширь». К существующим параллельно контроллерам UHCI и EHCI добавили еще один, ответственный как раз за работу устройств в режиме Super Speed. Таким образом удалось и сохранить совместимость, и добавить новый канал передачи данных, на который «медленные» старые устройства не будут оказывать влияния. Соответствующим образом изменились и кабели с разъемами: к уже имеющимся четырем проводам добавили еще две пары сигнальных проводов, одна из которых отвечает за передачу данных к контроллеру, а вторая — от него, и одну дополнительную землю. Тяжелее всего пришлось разъемам, которые стали довольно замысловатыми — в них ввели еще пять контактов, при этом сохранив совместимость со старыми разъемами. Впрочем, в этом есть и определенный плюс: устройства с поддержкой USB 3.0 легко распознать, достаточно лишь взглянуть на разъем. Впрочем, помимо роста скорости, новый стандарт принес еще много интересного. Во-первых, в нем увеличилась сила тока, которую может запросить устройство — теперь верхняя граница отступила до 0,9 А. Особенно «порадуются» этому внешние накопители на 2,5-дюймовых жестких дисках — их производители наконец-то могут отказаться и от Y-образных кабелей, собиравших питание сразу с двух портов, и от описанного нами выше способа нарушения стандарта ради обеспечения работы устройства. Во-вторых, две линии передачи данных совершенно недвусмысленно намекают, что стандарт USB 3.0 позволяет одновременно передавать и получать данные. В-третьих, стандарт принес полноценный механизм прерываний, что позволило отказаться от столь невыгодных с точки зрения потери драгоценного времени опросов устройств. В-четвертых, устройствам теперь разрешено создавать более одного канала передачи данных. Не забыто и энергосбережение: с появлением прерываний стало возможным реализовать и управление питанием устройств, с режимами пониженного потребления, инициируемыми самими устройствами. Фактически, вся архитектура была радикальнейшим образом переработана, а совместимость с предыдущим стандартом, можно сказать, «подклеена». http://www.usb.org/developers/docs/