Измерение универсальной последовательной шины (USB)

Среднестатистический человек на улице с компьютерным образованием с детства знаком с внешним видом и ощущением USB-кабеля и, как правило, знает о различиях между разъемами типов A и B, которые входят в хост-порт и периферийные порты соответственно. Общеизвестно также, что для небольшого оборудования, такого как повсеместно распространенный сотовый телефон или цифровая камера, необходимы специальные кабели с мини-и микро-штекерами.

Это почти все, что обычный пользователь должен знать о USB. Но на самом деле существует довольно много технологий, которые лежат в основе этого теперь полностью дуплексного информационного канала. USB-шнуры имеют похожий внешний вид, но при ближайшем рассмотрении выявляются различия. Помимо разнообразных и несовместимых разъемов, существует пять типов передачи данных: низкая скорость (в версии 1.00), полная скорость (также 1.0), высокая скорость (2.0), супер скорость (3.0) и супер скорость + (3.1 ). Каждый из этих режимов требует различного кабельного и аппаратного обеспечения.

Каждый из этих режимов требует различного кабельного и аппаратного обеспечения

Сигналы универсальной последовательной шины, определяемые USB 2.0 и управляемые как дифференциальные пары: Низкоскоростные данные USB работают со скоростью 1,5 Мбит / с. Полная скорость передачи данных USB составляет 12 Мбит / с. Высокоскоростные данные USB работают со скоростью 480 Мбит / с.

Как и коаксиальный кабель и кабель Ethernet, протоколы USB позволяют обеспечить электроэнергию и данные. Различные концы, A и B, подключаются к соответствующим розеткам в компьютерах или других устройствах. Конец A является стандартным, тогда как конец B может быть стандартным, мини или микро.

USB был создан в 1994 году совместными усилиями Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft и Nortel. Ранняя реализация была в IMac от Apple Inc., и ее поразительный успех привел к широкому распространению USB во многих других продуктах. В скором времени Apple и основные производители ПК исключили порты передачи данных / питания более старого стиля, и вскоре USB стал универсальным.

Спецификация USB 3.0 была обнародована в 2008 году. Это привело к выпуску в 2010 году поколения устройств, включающих новую технологию с увеличенной скоростью передачи данных, сниженным энергопотреблением, более высокой выходной мощностью и обратной совместимостью. USB 3.1 (иногда называемый USB 3.1 Gen 2.) появился в 2013 году. Он удваивает скорость USB 3.0 до 10 Гбит / с (теперь называется SuperSpeed ​​+ или SuperSpeed ​​USB 10 Гбит / с). USB 3.1 обратно совместим с USB 3.0 и USB 2.0.

Система распределения USB сконфигурирована в виде звезды, в отличие от топологии гирляндной цепи, и является асимметричной. Это означает, что два конца кабеля не одинаковы, как в отношении типа завершения, так и потока данных и мощности. Существует множество нисходящих портов, позволяющих подключать периферийные устройства, которые могут быть одновременно активными. В отличие от телефонного провода, USB-кабель не может быть сращен. Разветвленные линии должны быть соединены через концентраторы USB в порядке Ethernet. Максимум 127 устройств, включая концентраторы, могут подключаться к одному хосту, который в случае компьютера может содержать корневой концентратор и пару портов. Напротив, осциллограф обычно оснащен одним портом, который может использоваться для подключения к сети прибора или для ввода клавиатуры или одной флэш-памяти с целью сохранения сигналов и / или настроек.

USB-устройства часто включают в себя так называемые подустройства, которые работают согласованно. Например, веб-камера, составное устройство, содержит микрофон, который отделен от раздела видео. Существует также составное устройство, которое состоит из двух или более независимых объектов, встроенных в один и тот же физический форм-фактор.

Основной единицей в USB-соединении является канал, логический канал. Канал проходит от хост-контроллера к конечной точке, которая представляет собой один логический вход, расположенный внутри устройства. Каждый канал имеет одну конечную точку. На устройстве может быть до 32 конечных точек с одинаковым количеством каналов.

Там могут быть потоки и сообщения. Принципиальное различие между ними заключается в том, что конвейер сообщений является двусторонним или двунаправленным и имеет функцию управления. Потоковая труба односторонняя или однонаправленная.

Чтобы инициировать сеанс передачи данных, который является половиной цели USB (другая половина является источником питания), хост передает пакет токена, который указывает канал с конечной точкой. Хост может отправить пакет Out, который содержит адрес устройства назначения и номер конечной точки. Если поток информации идет от устройства к хосту, с другой стороны, отправляется пакет In. Если токен-пакет не подходит, потому что он движется в неправильном направлении, он игнорируется.

Процесс перечисления USB начинается, когда устройство изначально подключено к хосту. Затем на устройство отправляется сигнал сброса. Это определяет общую скорость передачи данных. Впоследствии устройство получает свой адрес и отправляется в настроенное состояние. Перечисление для всех подключенных устройств теперь имеет место. В отличие от некоторых других типов шин, только хост управляет информационным потоком. Без этой сложности данные не могут быть отправлены устройством.

Поскольку питание и данные передаются по кабелю USB, важно, чтобы оба конца были оснащены разными несовместимыми разъемами. Это необходимо для того, чтобы два источника питания, как в узлах с противоположной поляризацией, не могли соединяться друг с другом, что могло бы вызвать прямое короткое замыкание с сильным током повреждения.

Разъемы USB были спроектированы таким образом, чтобы внешняя оболочка на штекере имела электрический контакт до того, как четыре провода в кабеле соприкасаются. Оболочка соединена с заземлением системы. Это уменьшает электромагнитные помехи снаружи в непосредственной близости от разъема, где невозможно обеспечить высокую скорость скручивания проводника в сочетании с дифференциальной сигнализацией. Соединения питания и заземления выполняются перед подключением данных из-за длины контактов, поэтому горячая замена может быть безопасно выполнена.

Осциллографические тесты спецификаций USB-передатчика и приемника могут быть довольно сложными. Существуют стандартные формы сигналов, используемые для характеристики поведения USB-цепей. Поставщики высококачественных областей, таких как Keysight а также Tektronix , которые находят применение в тестах частоты ошибок по битам (BERT) USB, обычно делают доступными специальные пакеты программного обеспечения, специально предназначенные для автоматизации многочисленных тестов USB.

Поставщики высококачественных областей, таких как   Keysight   а также   Tektronix   , которые находят применение в тестах частоты ошибок по битам (BERT) USB, обычно делают доступными специальные пакеты программного обеспечения, специально предназначенные для автоматизации многочисленных тестов USB

Снимок экрана программы тестирования Tektronix для USB 3.0. Форма сигнала слева - это выход из передатчика USB; правильное изображение - это то, что видит получатель.

Например, пакет Tektronix, используемый для автоматизации тестов контура BER для USB 3.1 Gen 2 на скорости 10 Гбит / с, выполняет тесты передатчика и приемника. Он запускает автоматическое управление DUT и валидацию шаблонов для захвата требуемых шаблонов данных (CP0, CP1, CP9, CP10 и т. Д.), А также автоматические нормативные и информативные тесты передатчика. Он также сообщает подробную информацию о полях тестирования, результатах испытаний и графиках и графиках в форматах PDF, MHT и CSV.

Программное обеспечение для тестирования USB-приемника может запускать инструменты анализа ошибок, такие как последовательность шаблонов и анализ местоположения ошибок, чтобы помочь найти причины битовых ошибок. Он также будет выполнять тестирование на устойчивость к дрожанию на основе BERT и эмулировать различные комбинации длин каналов и кабелей.

Области более низкого уровня также могут выполнять тесты USB, но могут не обеспечивать такой же уровень автоматизации. Кроме того, следует отметить, что тесты спецификации USB 3.1 требуют полосы пропускания не менее 16 ГГц для точного измерения скорости передачи данных 10 Гбит / с.

Распиновка для USB 2.0 кабелей и разъемов.

Для ручных тестов USB-устройств, возможно, самый основной совет может заключаться в том, чтобы не допустить случайного заземления линий данных при подключении области. Чтобы исследовать пары данных USB, вам необходимо подключить ваш прицел между GND и USB D- и / или D +. Ошибка, которую иногда делают пользователи-новички, заключается в том, что D-линия USB заземлена. Это не.

USB использует пару дифференциальных данных для передачи данных. Дифференциал 1 передается путем протягивания линии D + на 2,8 В с резистором 15 кОм, тянущим на землю, и на линию D до 0,3 В с резистором 1,5 кОм, натянутым до 3,6 В. Дифференциал 0 передает как D- больше 2,8 В и D + менее 0,3 В с использованием одинаковых резисторов понижающего / повышающего напряжения.

Обратите внимание, что заземление зонда должно быть заземлением USB. Если прицел подключен к земле, одноканальный прицел может контролировать D + или D-. Двухканальная область может контролировать оба, и инверсия фазы должна быть видна при передаче данных. Один канал подключается к D +, а другой к D-. Заземляющие зажимы двух зондов соединяются друг с другом. Затем вы отображаете сигналы так, что они вычитают (XY), потому что USB является дифференциальным сигналом.

Похожие

Thunderbolt 3, USB 3.1, USB Type-C: анализ подключений
... USB ). Я помню времена лент с 8 дорожками, но я также помню, когда ленты были превзойдены компакт-дисками, а компакт-диски превзошли MP3, и теперь, как MP3 переходит к потоковым источникам музыки. Вспоминая те времена, я постоянно сталкивался с новыми условиями, которые затрудняли поиск словечек: одно- и двухслойные CD, WAV, AAC, OGG и MP3. Я мечтал о днях, когда я записывал музыку на кассету из своего бум-бокса (не менее радиостанций AM), и мне пришлось вручную перематывать ее карандашом,