Что такое данные и данные на USB

Обновлено: 06.07.2024

USB, универсальная последовательная шина, имеет определенный протокол для передачи данных с использованием различных типов пакетов данных для своей работы.

Универсальная последовательная шина USB очень проста в использовании и обеспечивает надежное и эффективное средство передачи данных. Будь то USB 1, USB 2, USB 3 или даже USB 4, данные требуют стандартизированного метода передачи через интерфейс USB вместе со стандартным форматом пакетов данных USB.

Для этого система имеет определенный протокол передачи данных USB, формат пакета данных и т. д., что позволяет форматировать данные и передавать их определенным образом, обеспечивая надежную связь. Шина также работает особым образом, видя различные устройства, подключенные к ней, независимо от фактической физической компоновки системы.

Несмотря на то, что между различными обновлениями стандарта USB были внесены некоторые изменения по мере его перехода от USB 1 к USB 2, USB 3 и USB 4, основные операции, протокол, режимы сигнализации и передачи данных, формат пакета данных, и т. д. в основном одинаковы.

Выбор USB-разъемов, адаптеров и кабелей

Основы работы с USB

Чтобы понять, как передаются данные и протокол работает в среде USB, сначала необходимо понять, как физически настроен USB и как он отображается в системе/хосте.

Для большинства систем, использующих USB, хостом будет какой-либо компьютер: настольный компьютер, ноутбук, планшет и т. д., хотя это не всегда так.

С точки зрения определений объектов в сети USB есть три основных элемента:

Хост. Хост — это компьютер или устройство, которое выступает в качестве основного элемента или контроллера для USB-системы. Хост содержит концентратор, который называется корневым концентратором.

Концентратор: концентратор — это устройство, которое эффективно расширяет количество доступных портов — оно будет иметь одно подключение к восходящему соединению и несколько нисходящих. Можно подключить один концентратор к другому, чтобы еще больше расширить возможности и возможности подключения.

Порт: это разъем, через который осуществляется доступ к сети USB. Это может быть хост или концентратор.

Функция: это периферийные устройства или элементы, к которым подключен USB-канал. Мыши, клавиатуры, флэш-память и т. д. и т. д.

Устройство. Этот термин используется для обозначения концентраторов и функций.

Физическая схема «сети» USB может состоять из хоста с двумя (например) портами, и к каждому из них может быть подключен концентратор, к которому подключены дополнительные устройства или «функции».

Фактическая физическая компоновка USB-системы зависит от реальной ситуации, но принцип работы всегда одинаков.

С точки зрения потока данных, сигналы проходят по шине так, что они доступны для всех функций, но принимает их только функция назначения.

Выбор назначения функции USB

Поскольку данные для всех устройств передаются по шине, для работы USB необходимо, чтобы данные принимались только требуемой функцией.

Для этого, когда устройство подключено к шине, хост присваивает ему уникальный номер или адрес на время подключения.

Помимо адреса, устройство также содержит конечные точки. Это фактические источники и пункты назначения для обмена данными между хостом и устройством.

Конечные точки могут работать только в одном направлении, т. е. на вход или на выход, но не в оба, и устройств может быть до 16, из которых по одной для входа и выхода должны быть зарезервированы как «Нулевая конечная точка» для этого направления. Хотя каждое устройство может иметь шестнадцать входных и шестнадцать выходных конечных точек, очень редко можно использовать их все.

Нулевые конечные точки используются для различных действий, включая автоматическое обнаружение и настройку устройства на шине, а две нулевые конечные точки являются единственными, доступными до тех пор, пока устройство не будет правильно подключено к шине.

USB-каналы данных

Связь в USB основана на концепции использования конвейеров данных. Их можно рассматривать как логические каналы в потоке данных на шине.

На самом деле канал данных USB – это соединение хост-контроллера с логическим объектом внутри устройства, то есть с конечной точкой. Поскольку каналы соответствуют конечным точкам, эти термины иногда используются взаимозаменяемо.

USB-каналы передачи данных и конечные точки

Затем хост использует концепцию конвейера данных, чтобы убедиться, что данные на устройство и с устройства правильно направляются или источник известен. Канал данных использует комбинацию адреса, конечной точки, а также направления для его определения.

Для связи с нулевыми конечными точками требуется особая форма канала данных, поскольку ее необходимо использовать для установления первоначальной связи. Он называется каналом управления по умолчанию и может использоваться при первоначальном физическом подключении.

Существует два типа USB-канала:

Канал сообщений. Этот тип является двунаправленным каналом USB и используется для управляющих данных. Каналы сообщений обычно используются для коротких простых команд на устройство и для ответов о состоянии от устройства. Их может использовать канал управления шиной номер 0.
Stream Pipe: эта форма USB-канала является однонаправленной и подключается к однонаправленной конечной точке, которая передает данные с использованием изохронной, прерывающей или массовой передачи (см. ниже).< /li>

Основы USB-сигнализации и передачи данных

Для USB 1 и 2 используется четырехпроводная система. Как подробно описано в другом месте, кабели несут: питание, землю, а затем есть витая пара для дифференциальной передачи данных.

Линии обозначены Data+, D+ и Data-, D- для USB 1 и USB 2. Для USB 3 были введены новые линии. Для каждого порта есть TX1+ и TX1- и TX2+ и TX2- для покрытия передаваемых данных, а затем для полученных данных используются линии RX1+ и RX1- и RX2+ и RX2-.

Использование витых пар и дифференциальной передачи сигналов снижает воздействие внешних помех, которые могут быть обнаружены. Это также уменьшает эффект любых петель гудения и т. д., которые могут вызвать проблемы. Поскольку это связано не с землей, а с разницей между двумя линиями, влияние шума значительно снижается

Для данных используется система NRZI, т. е. невозврат к нулю.

С точки зрения работы, когда хост USB включается, он по очереди опрашивает каждое из подчиненных устройств.

Хост USB имеет адрес 0, а затем назначает адреса каждому устройству, а также обнаруживает возможности ведомого устройства в процессе, называемом перечислением. [Перечисление происходит при подключении нового устройства].

Транзакции между хостом и устройством состоят из нескольких пакетов. Поскольку существует несколько разных типов данных, которые можно отправить, требуется токен, указывающий тип, а иногда также возвращается подтверждение.

Каждому отправляемому пакету предшествует поле синхронизации, а за ним следует маркер конца пакета. Это определяет начало и конец пакета, а также позволяет принимающему узлу правильно синхронизироваться, чтобы различные элементы даты встали на свои места.

Существует четыре основных типа транзакций данных, которые можно выполнять через USB.

Методология и протокол передачи данных для USB обеспечивают эффективный и надежный способ передачи данных через интерфейс.

USB-пакеты данных

В системе USB существует четыре разных типа пакетов данных, каждый из которых используется для разных типов передачи данных.

Пакеты токенов. По сути, USB-пакет данных токена указывает, какой тип транзакции следует выполнить.

Пакеты данных. Пакеты данных USB несут полезные данные, перенося данные по мере необходимости.

Пакеты рукопожатия. Пакеты рукопожатия используются для подтверждения полученных пакетов данных или для сообщения об ошибках и т. д.

Пакеты начала кадра. Пакеты начала кадра, используемые для указания начала нового кадра данных.

Несмотря на то, что USB развивался от USB 1 через USB 2 до USB 3, а теперь и до USB 4, он по-прежнему использует тот же базовый подход к передаче данных. Доступно множество USB-разъемов и проводов, и теперь эти провода имеют гораздо больше проводов для более высокой скорости передачи данных. Соответственно, скорость передачи данных увеличилась во много раз по сравнению с первой выпущенной спецификацией USB и доступными устройствами.

USB, универсальная последовательная шина, имеет определенный протокол для передачи данных с использованием различных типов пакетов данных для своей работы.

Выбор USB-разъемов, адаптеров и кабелей

Основы работы с USB

С точки зрения определений объектов в сети USB есть три основных элемента:

Порт: это разъем, через который осуществляется доступ к сети USB. Это может быть хост или концентратор.

Устройство. Этот термин используется для обозначения концентраторов и функций.

Выбор назначения функции USB

USB-каналы данных

USB-каналы передачи данных и конечные точки

Существует два типа USB-канала:

Канал сообщений. Этот тип является двунаправленным каналом USB и используется для управляющих данных. Каналы сообщений обычно используются для коротких простых команд на устройство и для ответов о состоянии от устройства. Их может использовать канал управления шиной номер 0.
Stream Pipe: эта форма USB-канала является однонаправленной и подключается к однонаправленной конечной точке, которая передает данные с использованием изохронной, прерывающей или массовой передачи (см. ниже).< /li>

Основы USB-сигнализации и передачи данных

Линии обозначены Data+, D+ и Data-, D- для USB 1 и USB 2. Для USB 3 были введены новые линии.Для каждого порта есть TX1+ и TX1- и TX2+ и TX2- для покрытия передаваемых данных, а затем для полученных данных используются линии RX1+ и RX1- и RX2+ и RX2-.

Для данных используется система NRZI, т. е. невозврат к нулю.

С точки зрения работы, когда хост USB включается, он по очереди опрашивает каждое из подчиненных устройств.

Существует четыре основных типа транзакций данных, которые можно выполнять через USB.

USB-пакеты данных

Пакеты токенов. По сути, USB-пакет данных токена указывает, какой тип транзакции следует выполнить.

Пакеты данных. Пакеты данных USB несут полезные данные, перенося данные по мере необходимости.

Пакеты начала кадра. Пакеты начала кадра, используемые для указания начала нового кадра данных.

Вот, казалось бы, простой вопрос: в чем разница между этими двумя кабелями Micro USB и USB-A?

Они очень похожи. Оба они черного цвета, имеют разъем USB-A с одной стороны и разъем Micro USB с другой, а также логотип USB в виде трезубца.

Однако происходит нечто забавное, когда вы пытаетесь использовать эти кабели для передачи данных на устройство, например музыки на смартфон (Android) или книг на устройство для чтения электронных книг (например, Kindle или Kobo). Один из них будет работать, а другой нет.

Почему? Давайте взглянем на контакты разъема USB-A:

Изображение взято из Саймона Югстера / Wikimedia Commons / CC-BY-SA

Здесь четыре булавки. Контакты 1 и 4 несут питание (например, для зарядки телефона), контакты 2 и 3 используются для передачи данных (например, для отправки фотографий). Однако даже если эти контакты есть, это не означает, что провода для передачи данных (контакты 2 и 3) обязательно доступны. Особенно в более дешевых кабелях, которые вы можете получить при заказе товаров на таких сайтах, как AliExpress, эти провода могут отсутствовать для снижения стоимости.

Когда вы пытаетесь использовать один из этих кабелей (без проводов для передачи данных), ваш телефон или электронная книга будут заряжаться, но вы не сможете передавать данные с ноутбука. То же самое происходит, когда вы пытаетесь отправить программы на плату разработки, например на устройство Arduino или ESP32.

Если вы похожи на меня и склонны накапливать всевозможные гаджеты с годами, у вас, вероятно, будет целый ящик, полный кабелей Micro USB, например:

Вы, наверное, сейчас задаетесь вопросом: откуда мне знать, какие из них можно использовать для передачи данных, а какие можно использовать только для зарядки устройств?

Оказывается, нет простого способа сделать это, просто взглянув на кабель. Теоретически USB-кабели, поддерживающие передачу данных, должны иметь логотип «трезубец», но на практике этот логотип используется дешевыми вещами из Китая независимо от того, поддерживает он передачу данных или нет.

Поэтому единственный способ узнать наверняка — протестировать их все вручную. Я использовал свой Kindle для этого. Когда на кабеле есть данные, вы увидите экран «Режим USB-накопителя» слева, и Kindle появится в вашем файловом менеджере через пару секунд. Если к кабелю подключено только питание, он просто покажет обычный экран «ожидания» (справа).

Очевидно, что для этого вам не нужен Kindle. Вы можете использовать любое устройство, поддерживающее передачу файлов/данных. Например, вы можете использовать Android File Transfer, если у вас есть смартфон Android.

Я только что перерыл свой ящик с кабелями, проверил их все и наклеил на них небольшую этикетку. Желтый, если кабель поддерживает только питание, зеленый, если есть и питание, и данные.

Мы надеемся, что эта статья избавит вас от головной боли, связанной с USB-кабелем. Дайте мне знать в комментариях, если у вас есть другие полезные советы.

Поделиться этой страницей

Добавить комментарий

5 комментариев

Эрвин 31.01.2021, 22:49

Али 2021-06-17 в 20:38

Спасибо, что поделились этим. У меня также есть ящик, полный этих кабелей..

Аноним 25.07.2021, 01:23

Если вы заглянете внутрь головки usb-A, пластиковый наконечник, на котором лежат контакты, должен быть «черным» или «белым».
Черный = питание и данные
Белый = питание

Бхавеш 10.11.2021, 11:00

Барт 27.12.2021, 14:00

У меня есть USB-кабели только для зарядки. Они имеют белый инертный корпус, как и кабели для передачи данных, но внутренние 2 контакта на разъеме USB-A отсутствуют.
Итак, если есть только внешние контакты, вы знаете, что у вас кабель только для питания :-)

Почему это не 3? Могут ли Данные и Сила не иметь общего основания? Правильно ли я понимаю, что D- является основанием для D+?

\$\begingroup\$ Просто чтобы вы знали: существуют однопроводные протоколы, в которых даже +5 В и данные совпадают. Это не будет быстро и защищено от помех, но для некоторых приложений меньшее количество проводов является настоящим выигрышем. Другие, такие как USB и Ethernet, добавляют провода для передачи большего количества энергии и данных. \$\конечная группа\$

8 ответов 8

Нет, D- не заземлен. Данные передаются по дифференциальной линии, что означает, что D- является зеркальным отражением D+, поэтому сигнал передается по обеим линиям данных. Получатель вычитает D- из D+. Если какой-то шумовой сигнал будет улавливаться обоими проводами, вычитание аннулирует его.

Таким образом, дифференциальная передача сигналов помогает подавлять шум. Так же как и тип проводки, а именно витая пара. Если бы провода шли параллельно, они образовали бы (узкую) петлю, которая могла бы улавливать магнитные помехи. Но благодаря скруткам ориентация проводов по отношению к полю постоянно меняется. Наведенный ток будет компенсирован током с противоположным знаком на полвитка дальше.
Предположим, у вас есть возмущение, работающее вертикально на скрученном проводе. Вы можете рассматривать каждый полуоборот как маленькую петлю, улавливающую возмущение. Тогда легко увидеть, что следующий крошечный цикл видит противоположное поле (так сказать, перевернутое), так что первое поле отменяется. Это происходит для каждой пары полувитков.
Подобный балансирующий эффект имеет место для емкости относительно земли. В прямой паре один проводник имеет более высокую емкость по отношению к земле, чем другой, а в витой паре каждый провод имеет одинаковую емкость.

edit
Кабели с несколькими витыми парами, такие как cat5, имеют разную длину витка для каждой пары, чтобы свести к минимуму перекрестные помехи.

\$\begingroup\$ @pjc50 - На самом деле, я взял это из Википедии, но если бы мне пришлось рисовать самому, я бы использовал Adobe Illustrator. \$\конечная группа\$

\$\begingroup\$ @pjc50 или Inkscape, самая популярная (и действительно действующая) альтернатива бесплатному программному обеспечению \$\endgroup\$

\$\begingroup\$ Ну, я новичок в электронике. Я хочу у вас спросить, если шум был только на D+, как его можно было убрать? Так я и говорю, бывает ли такое, что шум только на D+ или D-? \$\конечная группа\$

\$\begingroup\$ @Enes - Это будет незначительно из-за симметрии проводки: если вы возьмете провод произвольной длины, вы не сможете сразу сказать, где D+, а где D- (кроме цветовое кодирование, конечно). Это означает, что и D+, и D- будут подвержены воздействию помех одинаковым образом. И когда шум одинаков на обоих, вычитание почти полностью его нейтрализует. \$\конечная группа\$

Это дифференциальный (или сбалансированный) сигнал, а не несимметричный (несбалансированный) сигнал.

Это означает, что приемник «измеряет» напряжение между ними, а не между ними и землей.
Скажем, D+ на 2В, а D- на 1В. Теперь предположим, что провод улавливает какой-то внешний шум (радиочастота, гудение сети и т. д.). Весьма вероятно, что оба кабеля будут улавливать один и тот же шумовой сигнал, поскольку они скручены вместе и имеют одинаковое сопротивление.
Скажем, мы принимаем 50 мВ шума. Итак, теперь на D+ 2050 мВ, а на D- 1050 мВ - хотя разница между ними по-прежнему составляет 1 В (1000 мВ), и это то, что приемник «увидит».
Если бы это было сделано с односторонним кабелем, то D+ (без D-) был бы на 1050 мВ, а земля по-прежнему была бы на 0 В, поэтому приемник увидит 1050 мВ.