Интерфейс USB 3.0

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Сарапульский  политехнический институт (филиал)

Федерального  государственного бюджетного образовательного

учреждения  высшего профессионального образования

«Ижевский государственный  технический университет 

им. М.Т. Калашникова»

Кафедра КиПР

 

 

УДК______________

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

 

 

по дисциплине: «Интерфейсы  периферийных устройств»

 

на тему: «USB 3.0»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент гр.761 ЗДУ                                   Д.А. Манохин

 

 

Проверил: к.т.н., доцент кафедры КиПР    Т.Г. Чикуров

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Сарапул 2013

 

Оглавление

 

 

		Стр.
	Введение	3
	1 Сведения  по спецификациям USB	5
	1.1 Историческая справка. Общее	5
	1.2 Историческая справка. Кратко	7
	2 Спецификация USB 3.0 : коротко о главном	8
	2.1 Архитектура	8
	2.2. Физический интерфейс	10
	2.2.1 Совместимость	10
	2.2.2 Кабель	11
	2.2.3 Разъемы	13
	2.3 Уровень  соединений	16
	2.3.1 Кодирование 8/10 бит	16
	2.3.2 Анатомия энергоэффективности	17
	2.3.4 Различия между SuperSpeed USB и USB 2.0	18
	2.3.5 Сходства между USB 3.0 и PCI Express	19
	Заключение	21
	Литература	22

 

 

 

 

Введение

 

USB (Universal Serial Bus) - универсальная  последовательная шина. Универсальный  порт для подключения различных  устройств к ПК и организации обмена между ними. Описание USB состоит из ряда спецификаций, которые разрабатываются группой компаний в рамках некоммерческой организации USB Implementers Forum . Основной целью данной разработки было создания универсального порта ПК для подключения потоковых устройств. Спецификация USB 2.0 является на сегодняшний день основным коммуникационным портом персональных компьютеров. USB представляет открытый протокол связи (нет лицензионного сбора), что способствовало его распространению и популярности во всём мире.

Еще недавно USB 2.0 было достаточно. Но сегодня почти любой обладатель персонального компьютера (ПК) подтвердит, что интерфейс USB 2.0 является основным «узким местом» современных компьютеров и ноутбуков, поскольку его пиковая «чистая» пропускная способность составляет от 30 до 35 Мбайт/с. И это в то время, как у современных 3,5″жёстких дисков для настольных ПК скорость передачи уже превысила 100 Мбайт/с. А технологии не стоят на месте: появляются и 2,5″ модели для ноутбуков, приближающиеся к данному уровню. Одновременно с этим  скоростные твёрдотельные накопители успешно превзошли порог 200 Мбайт/с.

И вот в конце 2008 года USB Implementers Forum финализировал спецификации стандарта USB 3.0 . Как и ожидалось, новый стандарт увеличил пропускную способность. Хотя прирост не такой значительный, как 40-кратное увеличение скорости при переходе от USB 1.1 на USB 2.0. В любом случае, 10-кратное повышение пропускной способности дало ощутимый запас. Теперь USB 3.0 поддерживает максимальную скорость передачи 5 Гбит/с. И эта пропускная способность почти в два раза превышает современный стандарт Serial ATA (3 Гбит/с с учётом передачи информации избыточности).

Посмотрим: 5 Гбит/с (или 5120 Мбит/с) соответствует 640 Мбайт/с. В итоге запас существенный. Не думается, что в обозримом будущем жёсткие диски приблизятся к уровню 600 Мбайт/с, но следующие поколения твёрдотельных накопителей могут превысить это число уже через несколько лет. Увеличение пропускной способности становится всё более важным, поскольку количество информации увеличивается, соответственно, растёт и время её резервирования. Чем быстрее работает хранилище, тем меньше будет время резервирования, тем проще будет сделать «окна» в расписании резервирования.

Таким образом, на сегодня  интерфейс USB 3.0 один из наиболее перспективных. Так, например, цифровые видеокамеры сегодня могут записывать и хранить гигабайты видеоданных. Доля HD-видеокамер увеличивается, а им требуются более ёмкие и быстрые хранилища для записи большого количества данных. Если использовать USB 2.0, то на передачу нескольких десятков гигабайт видеоданных на компьютер для монтажа потребуется значительное время. USB Implementers Forum считает, что пропускная способность останется принципиально важной, и USB 3.0 будет достаточно для всех потребительских устройств на протяжении ближайших пяти лет.

Рассмотрим основные отличия этого интерфейса от предыдущих.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Сведения  по спецификациям USB

1.1 Историческая справка. Общее

В 1994 году несколько ведущих  компаний в области производства персональных компьютеров и программного обеспечения решили разработать новый универсальный порт компьютера. Новая операционная система Windows 95, разработанная Microsoft, была ориентирована на использования аудио и видео устройств. Работа таких устройств с СОМ и LPT портом вызывала известные трудности. Обычно для таких устройств изготовляли персональную ISA или PCI карту для подключения их к компьютеру. Семь ведущих компаний вошли в первоначальный состав разработчиков спецификации нового компьютерного порта: Compaq, Digital Equipment Corporation (DEC), IBM, Intel, Microsoft, NEC , Northern Telecom.

В январе 1996 года была выпущена спецификация USB v.1.0, и началась практическая реализация порта USB.

В 1996 году работа велась в трёх направлениях:

1.Фирма Intel взялась  за разработку хоста (корневого хаба), который она решила встроить в микросхему i82371FB (акселератор шин PCI, ISA, IDE). Данная микросхема входила в состав набора микросхем i430FX "Triton" (CipSet) для создания материнских плат на базе микропроцессора Pentium и поддерживала шину PCI/ISA. Позже микросхемы этого типа (шинные акселераторы), входящие в состав набора ChipSet стали называть микросхемами ICH (Input/Output Chip Hub) или "южным мостом".В мае 1996 года Intel выпустила микросхему i82371SB, которая была аналогом i82371FB и содержала в своем составе два корневых хаба usb. Данная микросхема могла поддерживать два порта USB v.1.0. Микросхема i82371SB впервые вошла в набор i430VX "Triton". Таким образом, у производителей материнских плат появилась возможность с мая 1996 года выпускать платы с usb портами.

2. Microsoft начал дорабатывать  свою ОС Windows 95 и в октябре 1996 года выпустил ОС Windows 95b, в которой  впервые появилась поддержка  USB портов.

3. Фирмы производители  микроэлектроники начали разрабатывать  микросхемы для создания устройств USB. Например, фирма Philips начала в 1996 году разработку серии микросхем с наименованием PDIUSB, которая должна была включать в себя все необходимые компоненты для устройств и хабов USB.

1996...1999 гг можно назвать  "тёмными годами" USB. В это  время уже выпускались ПК с портами USB, к которым нечего было подключать. Поэтому специалисты по компьютерным технологиям прозвали эту шину: (Useless serial bus -бесполезная последовательная шина). Выпускавшиеся в эти года USB манипуляторы типа мышь, клавиатура, джойстик проигрывали по качеству работы манипуляторам, работавшим по порту PS/2 и Game Port. Кроме того эти манипуляторы не работали в MS-DOS. Многие специалисты считали, что у этого порта нет перспектив. Ситуация изменилась в 1999 году в связи с разработкой первого USB флеш-накопителя. Израильская фирма M-Systems Ltd. в 1999 году выпустила первую usb-флешку объёмом 8Мб, которая называлась DiskOnKey. Колоссальная популярность USB-накопителей дала огромный толчок к дальнейшему развитию шины USB. В первую очередь нужна была скорость обмена информации с Flash носителями.В 2000 году разрабатывается спецификация USB 2.0 с поддержкой скорости 480 Mb/s (в 40 раз больше чем в USB 1.0). Спецификация USB 2.0 стала стандартом последовательной шины (уже 11 лет) компьютеров и различных устройств. В 2006 году фирму M-Systems купил крупнейший производитель карт памяти ScanDisk (из силиконовой долины, США). Главное достижение USB шины, которое наверно останется в истории, это то, что она дала человеку флешку.

 

 

1.2 Историческая справка. Кратко

 

1995- Организован форум  "USB Implementers Forum (USB-IF)", в состав  которого вошли 340 компаний, заинтересованные в создании нового порта ПК.

1996- Выпуск спецификации USB 1.0. Корпорация Intel выпустила первую  микросхему USB . Mirosoft выпустила патч к W95, который подерживал USB порт. Появились первые устройства, поддерживающие USB шину.

1997- Состав форума "USB-IF" достиг 400 компаний, было выпущено более 500 продуктов с поддержкой USB.

1998- Выпуск спецификации USB 1.1. Фирма Apple начала выпускать свои ПК только с USB портом.

1999- Выпуск первого  USB Flash Drive объёмом 8Mb. Фирмой M-Systems Ltd.

2000- Выпуск спецификации USB 2.0. USB приобретает репутацию основной  технологической шины.

2001- Выпуск спецификации USB OTG 1.0.

2005- Выпуск спецификации Wireless USB 1.0.

2006- Выпуск спецификации USB OTG 1.3

2008- Выпуск спецификации USB 3.0

2010- Выпуск спецификации Wireless USB 1.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Спецификация USB 3.0 : коротко о главном

Каждая спецификация USB с версии 1.0 до 3.0 содержит большое количество технической документации. Только сами описания, без дополнительных документов и извещений содержат:

USB 1.0 - 268 стр.

USB 1.1 - 311 стр.

USB 2.0 - 622 стр.

USB 3.0 - 482 стр.!!!

Поэтому полностью описать  спецификацию USB 3.0 в рамках одной курсовой работы невозможно. Обязательно придется пользоваться первоисточниками документов, а там … 482 страницы с содержимым от Введения и Архитектуры, до Модели Потоков и Потоков описывающих суперскорость и протоколы… Поэтому ограничимся лишь некоторыми особенностями.

В итоге все спецификации USB одинаково структурированы и содержат 11 глав. Исключение составляет спецификация 3.0, в которой количество глав осталось прежним, но исключена глава 3 (Предпосылки создания), добавлена глава 7 (Уровень соединения) и изменены содержания 10 и 11 глав. 
Рассмотрим лишь некоторые главы, которые относятся к вашим потребностям.

 

2.1 Архитектура

 

Сложность и нелогичность архитектуры USB 2.0 вынудила разработчиков USB 3.0 избрать другой путь совершенствования протокола универсальной последовательной шины. Вместо подключения двух контроллеров к одному разъему, как было в предыдущей версии, скоростной вариант USB-шины реализован путем интеграции двух разъемов в едином конструктиве. 

Контроллер USB 3.0 eXtensible Host Controller Interface поддерживает новый, более скоростной режим передачи данных, который называется SuperSpeed. Он обеспечивает обмен данными по шине до пяти гигабит в секунду. Для сравнения, контроллер USB 2.0 EHCI в режиме High Speed поддерживает скорость до 480 мегабит в секунду.

Архитектура xHCI предусматривает  построение контроллера в виде двух раздельных подсистем: USB2 и USB3. Каждая из них использует свою группу сигналов на разъеме USB3. Это сделано для  совместимости со «старыми» USB устройствами (Low-, Full-, High-Speed) без использования контроллеров-компаньонов и Rate Matching Hub (RMH), рис 1 [1]

Рис. 1 Архитектура USB 3.0 с двойной шиной

Впрочем, спецификация дает разработчику право самостоятельно выбрать топологию шины. Appendix D спецификации [1] устанавливает правила подключения и декларирования хабов, подразделяя их на Integrated Hubs (реализованные на кристалле контроллера) и Embedded Hubs (реализованные в виде дополнительных микросхем на системной плате), рис. 2.

Рис. 1 Иллюстрация правил подключения и декларирования USB-хабов в составе xHCI-контроллера

 

2.2 Физический интерфейс

 

2.2.1 Совместимость

 

Если говорить о главном  преимуществе стандарта USB 3.0 по сравнению со стандартом USB 2.0, то это, конечно же, скорость передачи данных. Спецификацией USB 3.0 предусмотрен режим SuperSpeed со скоростью передачи данных до 5 Гбит/с (640 Мбайт/с), то есть более чем в 10 раз превышающей ту, что предусмотрена спецификацией USB 2.0. Конечно, реальная скорость передачи данных будет, скорее всего, ниже, однако даже с учетом этого для большинства периферийных устройств такой пропускной способности шины USB 3.0 более чем достаточно.

Естественно, высокая  скорость передачи у шины USB 3.0 —  это не единственное ее отличие от шины USB 2.0. Но при всех различиях (коих немало) сохраняется обратная совместимость USB 3.0 c USB 2.0. То есть в спецификации USB 3.0, кроме режима SuperSpeed, оставлены и режимы Hi-Speed, Full-Speed и Low-Speed. Кроме того, разъемы USB 3.0 совместимы с разъемами USB 2.0. Это означает, что все периферийные устройства с интерфейсом USB 2.0 можно будет подключать к шине USB 3.0.

 

2.2.2 Кабель

 

Следующее важное отличие  спецификации USB 3.0 от USB 2.0 заключается в том, что стандартом предусмотрена двунаправленная передача данных по разным витым парам. Таким образом, контактов в разъемах USB 3.0 стало больше. Увеличилось и количество проводов в USB-кабеле. Так, в стандарте USB 2.0 одна витая пара использовалась для приема/передачи данных, а другая — для питания, то есть в разъемах USB 2.0 было четыре контакта, а USB-кабель содержал четыре провода. В спецификации USB 3.0 первая витая пара применяется для передачи данных, вторая — для приема данных, третья — для питания, а для совместимости со стандартом USB 2.0 предусмотрена четвертая витая пара, по которой осуществляется прием/передача данных в режиме USB 2.0 (Hi-Speed, Full-Speed и Low-Speed). Кроме того, в обязательном порядке присутствует еще одна «земля» (GND_DRAIN) в виде оплетки двух витых пар. Таким образом, в кабеле USB 3.0 не четыре провода (как в кабеле USB 2.0), а восемь (рис. 3), а в разъемах USB 3.0 как минимум девять контактов (оплетки витых пар подключаются к контакту GND_DRAIN).