Интерфейс usb. полный обзор и структура пакетов данных

Давний друг лучше новых двух

Если попросить кого-либо закрыть глаза и сказать первое, что придёт в голову при слове USB, то этот человек наверняка опишет USB тип A. Впрочем, далеко не факт, что он будет знать, как этот коннектор правильно называется — для подавляющего большинства людей это просто USB.

Применение 5 пинового USB 2.0 коннектора (тип А, мини и микро типа А) разнообразное, с помощью него запитывают большинство приборов и поделок

И это вполне логично, поскольку type A фактически стал «USB по умолчанию». Поколения меняются, время течёт, а этот разъем почти не меняется. И причина в том, что он практически идеален.

Он представляет достаточную жёсткость, чтобы у подключённого устройства не возникли проблемы с контактом даже при сильной тряске. Его относительно легко ремонтировать, и он не особо чувствителен к забиванию пылью.

Подключение и использование

Думаю, подробно расписывать процесс подключения не стоит, так как он и так максимально прост. Необходимо всего лишь подключить диск к свободному USB порту на Вашем ПК.

После подключения и автоматической установки стандартных драйверов диск полностью готов к работе.

По умолчанию файловая система FAT 32. Заявленный объем 1Тбайт, на практике же, пользователю доступно 931 Гбайт.

Из коробки диск практически пустой. На нем имеется лишь веб-ссылка на сайт производителя, а также утилита для регистрации диска. Какие либо программы для резервного копирования данных отсутствуют.

Далее немного расскажу о диске в работе.

Шумовые характеристики впечатляют. Даже в абсолютной тишине, услышать работу диска практически невозможно.

В простое температура равна 30 градусам.

При нагрузке температуры также довольно низки. Во время проведения тестов не удалось прогреть диск даже до 40 градусов.

Упаковка и комплектация портативного жесткого диска Silicon Power Diamond D20 500Gb USB 3.0

Коробка с внешним накопителем Silicon Power Diamond D20 500Gb запечатана в пленку, чтобы избежать воздействия влаги. Стиль оформления, как и форма коробки, остаются неизменными для накопителей Silicon Power серии Diamond. В этом можно убедиться по обзору другого накопителя Silicon Power Diamond D03 1Tb. В лицевой части отличия минимальны — сменилось только название.

Хотя информационная часть все-таки претерпела небольшие изменения — помимо описания на различных языках, включая русский, добавились спецификации накопителя и комплект поставки.

Комплектация скромная, но достаточная, чтобы подключить накопитель к компьютеру/ноутбуку и начать работу: инструкция, кабель USB 3.0 и сам накопитель. Накопитель и кабель находятся в отдельном пластиковом боксе.

Наследие Thunderbolt 3

Интеграция и поддержка протоколов Intel Thunderbolt 3 позволили обеспечить новому USB4 одновременный обмен данных и протоколов передачи видео. С практической точки зрения это означает возможность подключения к компьютеру цепочки 4K-мониторов и других устройств Thunderbolt 3, а также внешних накопителей и графических ускорителей единым кабелем.

Во многом это стало возможным за счет способности USB4 оптимизировать пропускную способность при одновременной передаче информации и видеосигнала. Интерфейс может, к примеру, выделить 25% канала на передачу видео, если этого будет достаточно, а оставшиеся 75% отдать под передачу данных.

Интернет вещей пришел в аккумуляторы: что от этого получит бизнес
Инфраструктура

Стандарт USB4 поддерживает до восьми линий DisplayPort 1.2 и обеспечивает обмен данными по четырем линиям PCIe 3.0. Спецификации также предусматривают возможность питания через единый кабель с потребляемой мощностью до 100 Вт для зарядных устройств и до 15 Вт для подключения питания периферии.

Внешний вид портативного жесткого диска Silicon Power Diamond D20 500Gb USB 3.0

Небольшие размеры накопителя Silicon Power Diamond D20 500 Гбайт, его сглаженные бока и белая «крышка» в чем-то напоминают дизайн продукции Apple. По весу он не слишком тяжелый — 135 грамм и тут есть небольшие сомнения на счет алюминиевого корпуса, как это заявлено в описании.

Верхняя белая «крышка» имеет малозаметную (видную под определенными углами) текстурированную поверхность и именно она сделана из алюминия с нанесенной на нее пленкой, защищающей от царапин и отпечатков пальцев.

Нижняя «крышка» сделана из черного пластика с мини-ножками. На ней казаны емкость (500 Гб) и интерфейса накопителя (USB 3.0). По серийному номеру в самом низу (под надписью о месте изготовления — Тайвань) можно определить модель внешнего накопителя и производителя используемого 2.5″ жесткого диска — WD.

Небольшая толщина внешнего накопителя в 10,5 мм позволит размещать его в кармане.

Из интерфейсов сбоку разместился разъем Micro USB 3.0 и чуть левее индикатор питания/активности накопителя.

Используемый кабель вполне стандартный — длиной 50 см. Его будет вполне достаточно, чтобы подключить накопитель к порту USB 3.0 на задней стенке корпуса.

При подключении накопителя индикатор активности горит синим, а в процессе работы он начинает мигать.

Легко вскрыть корпус не получилось, поэтому какой именно накопитель установлен внутри придется устанавливать с использованием утилит диагностики.

Структура данных интерфейса USB.

Вся информация передается кадрами, которые отправляются через равные промежутки времени. В свою очередь каждый кадр состоит из транзакций. Вот, пожалуй, так будет нагляднее:

Каждый кадр включает в себя пакет SOF (Start Of Frame), затем следуют транзакции для разных конечных точек, ну и завершается все это пакетом EOF (End Of Frame). Если говорить совсем точно, то EOF – это не совсем пакет в привычном понимании этого слова – это интервал времени, в течение которого обмен данными запрещен.

Каждая транзакция имеет следующий вид:

Первый пакет (его называют Token пакет) содержит в себе информацию об адресе устройства USB, а также о номере конечной точки, которой предназначена эта транзакция. Кроме того, в этом пакете хранится информация о типе транзакции (какие бывают типы мы еще обсудим, но чуть позже ). Data пакет – с ним все понятно, это данные, которые передают хост, либо конечная точка (зависит от типа транзакции). Последний пакет – Status – предназначен для проверки успешности получения данных.

Уже очень много раз прозвучало слово “пакет” применительно к интерфейсу USB, так что пора разобраться что он из себя представляет. Начнем с пакета Token:

Пакеты Token бывают трех типов:

• In
• Out
• Setup
• Start Of Frame

Пакет In сообщает нашему USB-устройству, что хост готов принять от него информацию. Пакет Out, напротив, сигнализирует о готовности и желании хоста поделиться информацией. Пакет Setup нужен для использования управляющих передач. Ну а пакет Start Of Frame используется для того, чтобы инициировать начало кадра.

Вот к чему я это рассказал… В зависимости от типа пакета значение поля PID в Token пакете может принимать следующие значения:

• Token пакет типа OUT – PID = 0001
• Token пакет типа IN – PID = 1001
• Token пакет типа SETUP – PID = 1101
• Token пакет типа SOF – PID = 0101

Переходим к следующей составной части пакета Token – поля Address и Endpoint – в них содержатся адрес USB устройства и номер конечной точки, которой предназначена транзакция.

Ну и поле CRC – это контрольная сумма, с этим понятно.

Тут есть еще один важный момент. PID включает в себя 4 бита, но при передаче они дополняются еще 4-мя битами, которые получаются путем инвертирования первых 4-ых бит.

Итак, на очереди Data пакет – то есть пакет данных:

Тут все в принципе так же, как и в пакете Token, только вместо адреса устройства и номера конечной точки здесь у нас передаваемые данные.

Осталось нам рассмотреть Status пакеты и пакеты SOF:

Тут PID может принимать всего лишь два значения:

• Пакет принят корректно – PID = 0010
• Ошибка при приеме пакета – PID = 1010

И, наконец, Start Of Frame пакеты:

Здесь видим новое поле Frame – оно содержит в себе номер передаваемого кадра.

Давайте в качестве примера рассмотрим процесс записи данных в USB-устройство. То есть рассмотрим пример структуры кадра записи.

Кадр, как вы помните состоит из транзакций и  имеет следующий вид:

Что представляют из себя все эти транзакции? Сейчас разберемся! Транзакция SETUP:

Транзакция OUT:

Аналогично при чтении данных из USB-устройства кадр выглядит так:

Транзакцию SETUP мы уже видели, посмотрим на транзакцию IN:

Как видите, все эти транзакции имеют такую структуру, как мы обсуждали выше

В общем, думаю достаточно на сегодня. Довольно-таки длинная статья получилась, в ближайшее время обязательно попробуем реализовать интерфейс USB на практике!

Вместо послесловия

Свойства чипованного USB-кабеля определяются информацией во встроенном контроллере. В его задачи не вхо­дит уси­ли­вать сигналы или подавлять помехи — реальная амплитудно-частотная характеристика кабеля и ак­тив­ное со­про­тив­ле­ние цепей питания находится всецело во власти производителя. Создает ли это предпосылки для из­го­тов­ле­ния разнообразных подделок? Думается, что маркетинговые злоупотребления не заставят себя ждать: если ка­бель снаб­жен «прошивкой» то его можно «перешить», несмотря на некоторую анекдотичность такого сценария лет десять тому назад. Хотя не стоит спешить с выводами, ведь некачественные кабели были и раньше, а цифровая иден­ти­фи­ка­ция с детерминированным набором параметров в некотором роде формализует от­вет­ствен­ность по­став­щи­ка. Кро­ме того, согласно документации, VL150 поддерживает опциональную защиту содержимого внутреннего ROM от пе­ре­за­пи­си.

С другой стороны, интеллектуальный кабель, снабженный программируемыми схемами идентификации, по­зво­ля­ет управляющим контроллерам, находящемся в питающем и питаемом устройствах, согласовать оптимальный ре­жим передачи энергии. Результатом правильного применения такого интеллекта должны стать сэкономленные ват­ты, уве­ли­че­ние времени работы батарей, минимизация нагрева и увеличение срока службы устройства.

Число и расположение разъёмов

Смысла в покупке хаба с 2-3 разъёмами практически нет. Минимальное рекомендованное количество – 4 USB-порта. С другой стороны и концентраторы, у которых больше 6 портов, тоже не нужны. Разделение пропускной способности и мощности 8-мипортовой модели приведёт к снижению параметров каждого разъёма. Кроме того, такое устройство будет занимать слишком много места.

Расстояние между портами должно быть таким, чтобы не мешать подключению различных устройств и проводов. Потому что иногда китайские модели делают такими, что, включая флешку в один разъём, пользователь теряет возможность подключить другое USB-устройство рядом.

Надёжность и транзакции для разных типов передач

Подробности

Родительская категория: USB

Категория: Протокол шины USB

Передачи массивов, прерываний и управления обеспечивают надежную доставку данных. После успешного приема пакета приемник данных посылает подтверждение — пакет квитирования ACK. Если приемник данных обнаружил ошибку, пакет игнорируется и никакого ответа на него не посылается. Источник данных считает, что очередной пакет передан успешно, когда получает от приемника подтверждение ACK. Если подтверждение не приходит, то в следующей транзакции источник повторяет посылку того же пакета. Однако пакет подтверждения может быть потерян из-за помехи; чтобы в этом случае повторная посылка пакета приемником не воспринималась как следующая порция данных, пакеты данных нумеруются. Нумерация ведется по модулю 2 (1-битный номер): пакеты делятся на четные (с идентификатором DATA0) и нечетные (DATA1). Для каждой конечной точки (кроме изохронных) у хоста и в устройстве имеются биты-переключатели (Toggle Bit), их начальные состояния тем или иным способом согласуются. В транзакциях IN и OUT передаются и ожидаются пакеты данных с идентификаторами DATA0 или DATA1, соответствующими текущему состоянию этих бит. Приемник данных переключает свой бит в случае безошибочного приема данных с ожидаемым идентификатором, источник данных — по приему подтверждения. Если приемник получает безошибочный пакет с неожидаемым идентификатором, он посылает подтверждение ACK, но данные пакета игнорирует, поскольку этот пакет — повторная посылка уже принятых данных.

Транзакции для различных типов передач имеют протокольные различия, обусловленные гарантированием или не гарантированием пропускной способности, времени отклика, надежности доставки и синхронизированности ввода и вывода. В зависимости от этих характеристик в транзакциях используются те или иные из вышеописанных протокольных механизмов. Отметим, что обнаружение ошибок передачи работает во всех транзакциях, так что данные, принятые с ошибкой, всегда игнорируются. Какие именно протокольные механизмы используются в текущей транзакции, «знает» и хост-контроллер (по ранее полученному дескриптору конечной точки), и устройство USB, в котором эта конечная точка реализована.

Отголоски прошлого

В некоторых современных устройствах можно увидеть переключатель в режим работы USB v1.1. Это зачастую вызывает недоумение пользователей и вопрос касательно того, в каком режиме устройство будет работать лучше всего.

Однако сразу стоит сказать, что два режима в свои устройства закладывают исключительно с целью обеспечения большей совместимости. Сам стандарт USB был создан в 1996 году, но тогда создатели периферии его не особо активно использовали, первые ростки популярности образовались, когда появилась обновлённая версия.

Кабель USB 1.1 тип a-male/тип b-male нашел применение в принтерах, а USB 1.1 (тип а, классический в нашем понимании) применяется в различных устройствах, например, комбинированный разъем USB и RJ-45 для передачи сигнала по витой паре, на фото справа

USB 1.1 визуально идентичен USB 2.0 — размер и разъем абсолютно одинаков, нет отличий даже по цвету. Разница между ними двумя главным образом заключается в скорости, у второго поколения она способна достичь теоретический максимум в 480 Мбит/с.

Устройства, поддерживающие такую скорость зачастую имеют специальную надпись «High-speed», однако в последнее время нередко бывает и так, что они совсем не имеют никаких маркировок.

Два вида логотипа USB 2.0 Hi-Speed

Впрочем, если говорить о кабелях USB, то особая маркировка и не нужна, поскольку они, что для первой, что для второй версии стандарта, полностью идентичны.

Вывод

Как заключение можно сказать, что Silicon Power Diamond D06 – это среднестатистический внешний жесткий диск, отличительной чертой которого является расширенный срок гарантии и, конечно же, весьма необычный и привлекательный внешний вид. А благодаря компактным размерам и легкости, диск отлично подойдет для частых переносок. По своим скоростным характеристикам, диск можно назвать твердым середнячком.

За все время тестирования, выявить какие-либо существенные недостатки не удалось. Поэтому данный внешний жесткий диск можно смело рассматривать к покупке.

Плюсы:

• Стильный внешний вид;
• Гарантия 3 года;
• Компактные размеры;
• Небольшой вес;
• Неплохие скоростные показатели.

Минусы:

Выявить существенных недостатков не удалось.