Рис. 1. Схемы подсоединения оборудования к ПК

Время, когда компьютерный мир всерьез заговорил об универсальной последовательной шине (USB) и поддерживающих ее устройствах, относится к теперь уже далекому 1995 г. С тех пор утекло приличное количество воды и много байт ценной и не очень информации было передано по проводам. Новая разработка возмужала, доросла до версии 1.1 и стала практически стандартом де-факто для подключения низкоскоростных периферийных устройств. Но инженерная мысль не стоит на месте, и весной прошлого года члены сообщества по внедрению USB (USB Implements Forum) представили вторую спецификацию данного протокола. Так чем же она отличается от версии 1.1 и как уживется на рынке с протоколом IEEE 1394?

Ты помнишь, как все начиналось?

Стандарт USB разрабатывался для того, чтобы максимально упростить взаимодействие между пользователем и периферийным оборудованием. Сегодня, в эпоху тотального господства технологии Plug&Play, кому-то может показаться несуразным, что раньше для подключения какого-нибудь аппарата приходилось выключать систему, открывать корпус, устанавливать интерфейсную плату, закрывать процессорный блок, подсоединять само устройство, включать компьютер, инсталлировать драйверы и перезагружаться. Внедрение новой шины значительно упростило жизнь пользователя: при добавлении нового аппарата в систему теперь можно ограничиваться лишь подключением проводов в стандартный разъем и установкой драйвера, если его нет в ОС.

Основным разработчиком стандарта USB была всем хорошо известная корпорация Intel, которая смогла обеспечить своему детищу широкую поддержку: уже трудно представить себе современный компьютер без этих портов. Даже «яблочная» компания, привыкшая «думать иначе», оснащает свои рабочие станции USB-интерфейсом. Эта шина стала одним из основных элементов предложенной корпорациями Intel и Microsoft инициативы «Easy PC» (т. е. «ПК, удобный в обращении»). По замыслу этих компаний компьютер должен стать простым в эксплуатации и не доставлять пользователю затруднений при подключении периферии и работе с ней.

USB стала поистине универсальной, хотя и не смогла вытеснить с рынка морально устаревшие интерфейсы RS-232 (стандартный последовательный порт) и IEEE 1284 (параллельный порт), и все модели новейших системных плат — яркое тому подтверждение. Максимальная пропускная способность универсальной последовательной шины версии 1.1 составляет 12 Мбит/с (или 1,5 Мбайт/с), но это пиковое значение, реально же пользователь может рассчитывать только на 700—900 Кбайт/с. Такой скорости вполне достаточно для подключения клавиатуры, мыши, цифрового джойстика, некоторых дисководов, колонок и принтера для дома и малого офиса. Теоретически к одному USB-контроллеру можно подключить до 127 устройств, хотя подобное нагромождение вряд ли окажется жизнеспособным, и ниже будет объяснено почему.

Новый последовательный интерфейс получил широкую поддержку, и это стало одной из его проблем. Полки магазинов сейчас просто завалены различным оборудованием, поддерживающим USB, а покупатели полагают, что смогут одновременно использовать по нескольку подобных устройств. Но пропускная способность, составляющая всего 12 Мбит/с, не может быть увеличена: ее просто не хватит на всех желающих. Стоит отметить, что USB работает по принципу «ведущий—ведомый», т.е. один аппарат может передавать данные другому только через ПК. Поэтому USB 1.1 больше всего подходит для подсоединения ограниченного числа низкоскоростных устройств.

Кроме того, если скорость 12 Мбит/с сравнивать с пропускной способностью последовательных портов, то USB обгонит конкурента примерно в 100 раз. А вот привычный LPT осиливает рубеж в 1 Мбайт/с (в режиме EPP) и, значит, сопоставим по этому показателю с универсальной последовательной шиной версии 1.1. Все это, видимо, и подвигло разработчиков USB на усовершенствование своей технологии.

Наши дни...

Разработку второй спецификации USB начали компании Intel, Microsoft, Compaq и NEC, а впоследствии к ним присоединились Hewlett-Packard, Lucent Technologies и др. Впервые о выходе USB 2.0 заговорили в середине 1999 г., но окончательная редакция шины была представлена только весной 2000 г. Основное отличие новой версии от предыдущей — 40-кратное (!) увеличение максимальной пропускной способности — до 480 Мбит/c (ранее планировалось лишь 20-кратное увеличение). Кроме того, она полностью совместима с USB 1.1 и так же физически реализована. Значит, всякое старое устройство USB будет работать с новыми разветвителями USB. Благодаря тому что не внесено изменений в строение проводов и разъемов, для новых продуктов подойдут и старые кабели. Сохранилась прежней и модель использования устройств USB.

Более высокая пропускная способность позволяет подключать и более мощные устройства: профессиональные сканеры и принтеры, быстродействующие устройства хранения (например, автозагрузчики) и аппаратуру для широкополосного доступа в Internet. Имеющиеся на рынке аппараты с интерфейсом USB 1.1 накладывают массу ограничений — например, скорость дисководов CD-RW не может превышать 4Х. Теперь же благодаря значительно возросшей пропускной способности шина USB способна работать и с тем оборудованием, для которого ее скорости раньше явно не хватало, поэтому расширится ассортимент подсоединяемой периферии и пользователи вынуждены будут пересмотреть свое отношение к этому стандарту.

Как себя вести с USB 2.0

Рис. 2. Внешние разветвители USB 2.0 на четыре порта компании Belkin

Как мы уже говорили, все кабели и разъемы, способные передавать данные в полноскоростном режиме (full-speed), прекрасно подойдут и для устройств, поддерживающих новую спецификацию. Однако аппаратные средства, передающие данные по высокоскоростному (hi-speed) протоколу USB 2.0, целесообразно подключать только к портам или разветвителям USB второго поколения. Естественно, их можно подсоединять и к старым разветвителям, но тогда пропускная способность ограничится значением 1,5 Мбайт/с.

По внешнему виду схема соединения периферии USB 2.0 ничем не отличается от схемы для USB 1.1, разница проявляется только при работе (см. врезку «Вспомните о старой USB»).

Программные приложения, работающие с устройствами USB 1.1, останутся немодифицированными. В новом системном ПО будут учтены улучшенные характеристики устройств USB 2.0 и оптимизировано их быстродействие. Кроме того, оно будет способно обнаружить некорректные соединения, например устройство с поддержкой USB 2.0, подключенное к разветвителю USB 1.1, и оповестить пользователя о недостатках такого решения, посоветовать изменить конфигурацию. Планируется, что новые программные приложения уже будут иметь встроенную поддержку устройств USB 2.0.

Возможность работать в нескольких режимах усложняет архитектуру разветвителя, что потребует временной буферизации для принимаемых на большой скорости данных. Если к нему будет подсоединяться только периферия USB 2.0, то он будет действовать как простой двунаправленный повторитель, напрямую передавая сигналы от ПК к устройствам, и наоборот. При работе со старыми аппаратами USB в действие вступает механизм, согласующий входящий высокоскоростной поток данных с возможностями устройства путем уменьшения частоты передаваемого сигнала.

В синем углу ринга — USB 2.0, в красном — IEEE 1394?

Прежде чем рассматривать взаимоотношения технологий USB 2.0 и IEEE 1394, напомним о последней (подробнее см. в «Мире ПК», №11/2000, c.10). IEEE 1394 (FireWire) — это последовательная шина, изначально предназначенная для применения в области мультимедиа, максимальная скорость передачи данных по ней — 400 Мбит/с. Поскольку она одноранговая, устройства можно подключать одно к другому, не задействуя ПК, например, видеокамеру подсоединять к цифровому видеомагнитофону или телевизору. Этот стандарт, родившийся в недрах компании Apple, поддерживает также возможность «горячего» подключения устройств. Одно из главных преимуществ IEEE 1394 — возможность передачи данных в синхронном режиме, с заранее определенной пропускной способностью.

До появления универсальной последовательной шины версии 2.0 области применения этих двух технологий были различными: USB 1.1 — для относительно медлительных периферийных устройств, а IEEE 1394 — для аудио- и видеоприложений, требующих высоких скоростей. Но теперь, когда максимальная пропускная способность шины USB 2.0 на 20% выше, чем у FireWire, вполне резонно возникает вопрос: как эти две шины поделят рынок? При этом нужно учитывать, что максимальное значение скорости передачи данных еще не обусловливает победу технологии (ведь никто не считает Celeron-750 производительнее, чем Pentium III-733).

Различие технологий USB 2.0 и IEEE 1394 в схемах работы (первая из них имеет архитектуру «ведущий—ведомый», вторая — «равный с равным») сразу очерчивает их области применения: USB 2.0 предназначена в основном для подключения периферийного оборудования к ПК, а IEEE 1394 — для создания мультимедийных систем, не обязательно требующих наличия компьютера.

Из-за разных областей применения они вряд ли будут конкурировать. Так, в секторе бытовой электроники USB будет трудно конкурировать с IEEE 1394, которая, например, потребуется, чтобы передать данные с видеомагнитофона на внешний жесткий диск. Интерфейс USB 2.0 подойдет лишь тогда, когда пользователь решит сделать ПК центром мультимедийной системы. Однако и здесь, если выключить компьютер, замрут и все подсоединенные устройства. Кроме того, USB 2.0 не сможет обеспечить передачу данных с гарантированной пропускной способностью, что бывает немаловажно для мультимедийных приложений. Впрочем, и разрабатывалась она для несколько иных целей.

В секторе профессиональных мультимедийных устройств уже достаточно прочно обосновался стандарт IEEE 1394. Мощные рабочие станции ведущих производителей уже оснащены этим интерфейсом. Не обходятся без портов IEEE 1394 и большинство цифровых видеокамер, более того, сегодня лишь эта технология позволяет переносить видеозаписи с них на ПК. Компания Apple несколько прохладно приняла версию USB 2.0 и довольно туманно говорит о перспективах ее внедрения в свои компьютеры. Возможно, она считает, что все, предоставляемое пользователю USB 2.0, с неменьшим успехом обеспечит и FireWire, пропускную способность которой планируется в ближайшее время увеличить в два раза — до 800 Мбит/c, а позднее — и до 1600 Мбит/с.

Скорее всего, USB 2.0 отберет у IEEE 1394 значительную часть сектора рынка внешних дисководов, сканеров, принтеров и Web-камер. Подобные аппаратные средства можно подключать посредством обеих шин с практически одинаковым успехом. И хотя на выбор повлияют скоростные характеристики, они все же не будут определяющими, поскольку следует также учитывать поддержку производителями аппаратных средств каждого из этих интерфейсов.

Следовательно, USB 2.0 не является прямым конкурентом протоколу IEEE 1394, у них изначально разные области применения, поэтому мы, скорее всего, не увидим очередной битвы титанов. Этим двум стандартам хватит места и в одном компьютере. Конечно, без трений не обойдется, но тем не менее они смогут вполне мирно сосуществовать.

Итоги и перспективы USB 2.0

Эти микросхемы — ключи от USB 2.0.

Они пока сравнительно дорогие — около 10 долл. за штуку, поэтому в первую очередь будут использоваться для устройств с высокой стоимостью. Уже есть информация о сканере компании Microtek и системной плате фирмы MSI с поддержкой USB 2.0

Спецификация USB 2.0 стала логическим развитием шины USB, поэтому можно подключать к ПК более скоростные устройства. Например, сканеры новой волны будут передавать изображение в ПК значительно быстрее своих предшественников, что сэкономит время пользователю. Благодаря тому что USB 2.0 ничем не отличается от USB 1.1 кроме большей скорости, не придется учиться, как с ней обращаться. Более того, даже морально устаревшая периферия USB 1.1 сможет работать с системой USB 2.0. Значит, старый сканер, поддерживающий версию 1.1, будет вполне корректно функционировать и с новыми разветвителями. По мнению разработчиков, именно это обусловило широкое распространение периферии USB 2.0, тем более что USB 1.1 сумела организовать надежный плацдарм для ее продвижения. Думаем, что поддержка нового интерфейса со стороны производителей аппаратных средств также не заставит себя ждать. Так, уже появились в продаже микросхемы, реализующие протокол USB 2.0, например NET2270 и NET2290 (9 долл.) компании NetChip, USS2x1 фирмы Agere Systems (подразделение Lucent).

Но сразу же возникает опасение, что шина USB 2.0 столкнется с той же проблемой, что и предшественница: хватит ли ее пропускной способности для нескольких быстродействующих устройств? Возросли не только скорости, но и аппетиты, и неизвестно, сможет ли асинхронная шина USB 2.0 обеспечить корректное функционирование всех подключенных к ней аппаратных средств. Еще один вопрос: так ли корректно, как обещают производители, будут совместно работать устройства обеих версий? Ведь при внедрении USB в 1995 г. не все прошло так гладко, как предполагалось (несовместимость, некорректная работа и т. д.). Правда, у USB 1.1 все неурядицы уже в прошлом.

Сегодня у протокола USB 2.0 еще остались определенные проблемы: корпорация Intel собиралась встроить его поддержку еще в набор микросхем i815, но не сделала этого, более того, даже в новейшем i850, унаследовавшем южный мост ICH2 от i815. По мнению представителя компании Intel, это повлекло бы неоправданный рост себестоимости системных плат. Другие производители наборов микросхем тоже еще не представили своих разработок, хотя компания VIA, похоже, продвинулась в этом направлении дальше других. Пока пользователю остается только довольствоваться переходниками PCI-USB 2.0, которые занимают разъем расширения, да к тому же стоят порядка 60—80 долл. Это, конечно, дороговато, но несколько лет назад подобная ситуация имела место и с IEEE 1394, а сейчас на рынке уже широко присутствуют системные платы со встроенной поддержкой этого интерфейса.

Как будут дальше развиваться события, мы узнаем уже в этом месяце: на выставке CeBIT должны быть представлены системные платы, сканеры и, возможно, другие устройства, поддерживающие USB 2.0.

Спецификация USB 1.1 отлично доказала свои жизнеспособность и удобство. Но время идет, место старых технологий занимают новые, которые смогут дать потребителю еще больше, и так будет всегда. Учитывая вес разработчиков USB 2.0 в компьютерном мире, можно с уверенностью сказать, что скоро (мы и оглянуться не успеем) USB 2.0 будет восприниматься как нечто само собой разумеющееся, а не как технология, которой только предстоит занять место под солнцем.


Вспомните о старой USB

Для того чтобы лучше понять, чем отличается новая версия USB от своей предшественницы, вкратце расскажем о функционировании USB 1.1.

Системное ПО (собственно ОС и драйверы) должно обеспечивать такой режим работы, при котором все приложения будут одинаково общаться с системами ввода-вывода. Оно скрывает детали аппаратной реализации от программ, что, в частности, делает последние более универсальными, т. е. способными функционировать на большом числе компьютеров независимо от их конкретной аппаратной реализации. В подсистеме ввода-вывода USB системное ПО управляет процессами «горячего» подключения-отключения периферии. Например, при подсоединении устройства происходит обмен данными с периферийным устройством, что позволяет определить, какой драйвер надо инсталлировать и не загружен ли он уже. При этом аппарату присваивается уникальный адрес, используемый компьютером при работе с ним. Вдобавок системное ПО вовлекает периферию в общую схему управления питанием и может изменять энергетическое состояние устройства без вмешательства пользователя.

Если для подключения USB-аппаратуры к компьютеру не хватает портов, применяют разветвители. Они распознают присоединение к ним дополнительной периферии и в процессе инициализации подают на нее питание мощностью 0,5 Вт. Если необходимо, то они могут по команде с ПК повышать мощность до 2,5 Вт.

Каждому присоединенному разветвителю присваивается уникальный адрес, максимальное число их каскадов — пять. Все они работают как двунаправленные повторители, т. е. передают USB-сигналы от ПК к устройствам и обратно. Также проверяется правильность операций передачи данных и выполняются команды, адресованные непосредственно разветвителю. Последние могут работать с устройствами, передающими данные в «полноскоростном» режиме (full-speed, 12 Мбит/с) и «низкоскоростном» (low-speed, 1,5 Мбит/с).

Тогда как ПК — ведущее устройство, все USB-аппараты — ведомые, действующие согласно определенному протоколу. Они обязаны реагировать на запросы, посылаемые головной системой, — например на запрос в детализированной информации об устройстве и его настройках. Вся периферия USB принимает и посылает данные в стандартном, строго описанном формате, что и стало залогом ее широкого распространения.

вернуться

1328