А. Лысенко, И. Малыгин

Будущее за USB

Возможностью подключения к компьютеру USB-устройств сейчас уже никого не удивить, однако с момента появления такой возможности прошло немало времени, прежде чем на витринах салонов компьютерной техники появились действительно достойные внимания изделия. Огромное разнообразие периферийных устройств и их постепенное удешевление позволяют всё большему числу пользователей ПК воспользоваться преимуществами USB-интерфейса.

Универсальная последовательная шина (Universal Serial Bus) обеспечивает большую скорость обмена данными между компьютером и периферийным устройством, по сравнению со стандартными портами ввода/вывода (последовательный - COM и параллельный - LPT). Максимальная пропускная способность USB 1.1 составляет 12 Мбит/с и 480 - для следующего поколения этого стандарта USB 2.0, что значительно превышает возможность последовательной передачи СОM-порта. Для поддержки низкоскоростных устройств предусмотрен режим передачи со скоростью 1,5 Мбит/с.

Согласно спецификации, USB-шина может одновременно обслуживать до 200 устройств, что более чем достаточно для самого изощрённого пользователя. Подключать и отключать такое многообразие периферии можно в горячем режиме, не выключая и не перезагружая компьютер. Способ доступа к шине напоминает звёздную топологию (рис. 1) с использованием концентратора (Hub). Именно к такому устройству разветвления подключается основная масса периферийных устройств. Достаточно подключить "хаб" к одному из двух (иногда четырёх) разъёмов компьютера, так называемому корневому концентратору (Root Hub), чтобы избавиться от мнимой нехватки USB-портов. Теперь список используемых устройств не ограничивается только клавиатурой или мышью, его можно пополнить, подключив принтер, сканер, джойстик, фото- или видеокамеру и даже колонки.

Рисунок 1. Схема доступа к шине USB

Каждое устройство, подключаемое к шине, получает свой уникальный идентификационный номер, посредством которого осуществляется дальнейшее конфигурирование, управление и обмен данными. Сеанс связи организуется в пакетном режиме и может быть инициирован только самим компьютером (управляющим устройством).

Объединение всех компонентов USB-архитектуры осуществляется при помощи четырёхжильных кабелей. Две жилы, питание +5 В и GND предназначены для устройств, не имеющих внешнего источника питания, оставшиеся - для организации последовательной передачи данных D+ и D-. Различают два типа соединителей: тип А (рис. 2), обращённый к компьютеру, и тип В (рис. 3), обращённый к устройству. Конструкция разъёмов и гнёзд рассчитана на то, чтобы сделать процедуру многократного подключения и отключения быстрой и удобной, что необходимо, например, для работы с цифровой фотокамерой.

Рисунок 2. Соединитель типа А

Рисунок 3. Соединитель типа В

Очевидные на сегодняшний день преимущества стандарта USB не ограничивают его применение в области мультимедийных приложений. Использование скоростного, с возможностью подключения большого числа устройств, USB-интерфейса в сфере коммуникаций или специализированного сбора информации и мониторинга поднимет на более высокий качественный уровень работу и обслуживание устройств, которые изначально проектировались для портов COM и LPT.

Институт радиотехники, являясь официальным дистрибьютором английской компании FTDI (Future Technology Devices Intl.), рекомендует использовать для создания и разработки приложений с поддержкой USB серию продуктов, производимых указанной фирмой.

Выпускаемая линейка продуктов этого производителя включает три многофункциональных микросхемы: FT8U232AM, FT8U245AM и FT8U100AX.

FT8U232AM USB UART - это идеальное решение для модернизации устройств с интерфейсом RS232 в USB. Микросхема работает на скоростях передачи данных вплоть до 920 Кбит/с (RS232) и 2000 Кбит/с (RS422/RS485). Этот кристалл значительно повышает уровень производительности традиционных ISA- и PCI-устройств последовательной передачи данных, тем более процедуру plug and play удобнее и легче осуществить через USB-интерфейс. Гибкая архитектура может найти применение в самых разнообразных решениях: USB-модемы, конверторы-переходники RS232 USB, кабели USB-интерфейса для PDA, сканеры штрих-кода, измерительная аппаратура с RS422 - фактически любое оборудование, которое ранее использовало медленный RS232 интерфейс. Микросхема выполнена в 32-выводном LQPF-корпусе.

FT8U245AM USB FIFO является сравнительно экономичным вариантом для того, чтобы организовать обмен информацией между периферийным устройством и компьютером со скоростями до 1 Мб/с. Микросхема представляет собой буфер FIFO и делает более удобным взаимодействие с любым CPU (MPU), используя каналы прямого доступа к памяти (DMA) или порты ввода/вывода контроллера периферийного устройства.

Для передачи данных от устройства к ПК достаточно записать байт данных в буфер при неактивном бите состояния. В случае переполнения 384 байт буфера устройство перестаёт подтверждать готовность к записи. Отправка данных приостанавливается до тех пор, пока они не будут пересланы из FIFO по USB.

Когда компьютер связывается с периферийным устройством, FT8U245AM подтверждает заполнение приёмника выставлением в единицу бита состояния. Чтение информации из FIFO происходит до тех пор, пока этот бит активен.

Данная микросхема может применяться в USB ISDN и ADSL модемах, в цифровых камерах и MP3-проигрывателях, в измерительной аппаратуре, которой необходима высокая скорость обмена данными. FT8U245AM выполнена, как и предыдущая новинка, в 32-выводном LQPF-корпусе.

Бесплатные драйверы виртуального последовательного порта производителя микросхемы (www.ftdichip.com) облегчают разработку ПО для работы с проектируемым периферийным устройством. Несмотря на то, что работа с виртуальным портом ведётся как с обычным, команды установления скорости обмена игнорируются, а информация передаётся на максимально возможной скорости.

FT8U100AX USB - третий и последний продукт из серии микросхем для USB-шины фирмы FTDI. Она может исполнять роль USB-концентратора или контроллера для многофункциональных устройств. FT8U100AX спроектирована для использования в сложных USB-устройствах (Compound device) с поддержкой самых разнообразных встроенных функций: Ir удалённое управление, инфракрасные (IrDA) и беспроводные соединения и так далее. Структура кристалла состоит из нескольких блоков: повторителя (USB repeater) и концентратора, которыми в свою очередь управляет встроенный EMCU-микроконтроллер, множество периферийных блоков, выполняющих встроенные функции. Выполнена поддержка PS/2-клавиатуры и мыши, последовательного и параллельного портов и контроллера работы с мониторами (I²C). Программа конфигурации микросхемы, позволяющая выполнить более гибкую настройку для конкретного устройства, может быть записана в любом внешнем ПЗУ (OTP ROM).

Микросхема содержит 7 исходящих (downstream) высокоскоростных портов и 1 входящий (upstream). Настройки чипа позволяют выбирать способ питания устройства либо от шины USB (bus powered), либо от внешнего источника питания (self powered), а также переключать в экономичный режим питания как все, так и каждый порт в отдельности.

Возможности FT8U100AX определяют достаточно широкую область использования, что делает её идеальным выбором в реализации таких решений, как концентратор USB, питающийся от шины, с возможностью добавления специфических функций.

Технология изготовления FT8U100AX снижает напряжение питания микросхемы до 3,3 В, что значительно уменьшает электрические шумы. Низкий уровень шумов облегчает выпуск устройств, соответствующих FCC и CE требованиям. Кристалл помещён в 100-выводной QFP-корпус.

В помощь разработчикам FTDI предлагает удобные для отладки модули USBMOD1 и USBMOD2, основанные на микросхемах FT8U232 и FT8U245, соответственно. Удобство заключается в том, что каждый модуль рассчитан на использование со стандартным 32-контактным IC-разъёмом. На панели интегрирован USB-разъём В-типа, задающий кварцевый резонатор и все необходимые пассивные элементы. Модули используют питание от USB-шины, что позволяет обойтись без дополнительного источника питания.

Увеличивающийся объём обрабатываемой информации и расширение сервисных возможностей ПК требуют увеличения пропускной способности каналов связи с периферийными устройствами. Недалёк тот день, когда COM2 и LPT, столь привычные заслуженным пользователям ПК, исчезнут с задней панели системного блока и перестанут существовать. Вы знаете, что придёт им на смену.

По вопросам приобретения описанных микросхем и комплектов отладки обращайтесь в Институт радиотехники: г. Екатеринбург; тел. (3432) 74-58-61, 75-93-97; факс (3432) 74-86-99; e-mail: irt@irt.ustu.ru; www.institute-rt.ru.

Литература

1. Мелани Менах. Uneversal Serial Bus // Computerworld Россия, 1999. № 8.
2. FT8U232AM. U-UART - USB Ultra-Baud Data Transfer IC with RS232/RS422 and CPU I/F Options. Future Technology Devices Intl. FT8U232AM Preliminary Information Rev 0.8. Subject to Change.
3. FT8U245AM. USB FIFO - Fast Parallel Data Transfer IC. Future Technology Devices Intl. FT8U245AM Preliminary Information Rev 0.9. Subject to Change.
4. FT8U100AX USB Compound Hub Controller. Advance Information. FTDI Limited, November 1996.