Jak fungují porty USB

10.04.2008

Stanislav Kropáček

V podstatě každý počítač, který si dnes můžete koupit do vašeho domova nebo kanceláře, je ve své zadní části vybaven jedním nebo několika konektory univerzální sériové sběrnice (USB).
Na těchto konektorech je důležité to, že používají standardní konektor a protokol, pomocí nichž k vašemu počítači připojíte rychle a snadno vše, od myší až po tiskárny.
USB, tudíž je instalace vnějšího zařízení snadná a rychlá. V porovnání s jinými způsoby připojování zařízení k počítači (včetně použití paralelních portů, sériových portů a speciálních karet, které instalujete uvnitř skříně počítače) jsou zařízení USB neuvěřitelně jednoduchá. USB nám přináší jednotný standardní a snadný způsob připojení až 127 zařízení k počítači. Všechna zařízení mohou používat jedno společné datové přenosové pásmo o šířce až dvanácti mega- bitů za sekundu (Mb/s), což je dostatečné pro většinu periferních zařízení, jež chtějí majitelé počítačů ke svým strojům připojit. Tiskárny, skenery, digitální kamery, joysticky téměř veškerá periferní zařízení připojovaná k počítači dnes používají k výměně dat porty USB.
Připojit zařízení USB k počítači je velmi snadné. Stačí nalézt konektor USB na jeho zadní straně a provést připojení. Jedná-li se o zcela nové zařízení, operační systém jej automaticky zaregistruje a vyžádá si instalační disk. Pokud bylo zařízení již nainstalováno, počítač jej aktivuje a začne s ním komunikovat. Zařízení USB můžete kdykoliv připojovat a odpojovat bez ohledu na to, zda je počítač v činnosti nebo ne.

Kabel USB

Za oponou:

USB si můžete představit jako malou síť, do které se připojují zařízení, která chtějí být v kontaktu s počítačem. Ten funguje jako řídicí počítač sítě. K němu můžete připojit až 127 zařízení, bud' přímo, nebo prostřednictvím USB hubů.

Kabely USB fungují jako propojovací vodiče sítě USB. Kabel USB obsahuje dva vodiče napájení (pět voltů a zem) a vodiče tvořící kroucenou dvojlinku pro přenos dat. Pokud jde o vodiče napájení, počítač je schopen dodat až >00 miliampér při napětí pět voltů. Huby jsou také schopny fungovat jako doplňkové napájecí zdroje. Malá zařízení s nízkou spotřebou elektrické energie, jako například myši, jsou napájena z kabelu USB, aby byla zachována jejich jednoduchost. Velká zařízení, jako jsou tiskárny, mají své vlast- ní napájecí zdroje a ze sběrnice odebírají minimální množství energie.

Jednotlivé kabely USB mohou být až pět metrů dlouhé a s využitím hubů mohou do- sáhnout na vzdálenost až třicet metrů (použitím šesti kabelů) od řídicího počítače.
Maximální rychlost přenosu dat skrz USB je 60 MB za sekundu. To znamená, že veškerá zařízení připojená k počítači je mohou vyslat a přijímat rychlostí maximálně 60 MB za sekundu. Každé zařízení může požadovat maximálně 30 MB za sekundu, neboť jinak by došlo k překročení limitu sběrnice, který je 60 MB za sekundu.
Se zařízeními USB můžete kdykoliv manipulovat, což znamená, že je lze kdykoliv za- pojit do sběrnice nebo je i kdykoliv odpojit. Jakmile řídicí počítač vstoupí do úsporného módu, může se činnost mnoha připojených zařízení zastavit. Řídicí počítač zkontaktuje po zapnutí veškerá připojená zařízení a kaž- dému z nich přidělí jednu adresu. Tomuto procesu se říká inventarizace. Obdobný pro- ces proběhne po připojení dalších zařízení ke sběrnici. Řídicí počítač od každého zařízení zjišťuje, o jaký režim přenosu dat má zájem:
• Přerušení — zařízení jako myš nebo klá- vesnice, která budou vyslat malá množství dat, by zvolila režim přerušení.
• Bulk — zařízení jako tiskárna, která přijímají data ve formě jednoho velkého paketu (například vždy jednu stranu), používají přenosový režim bulk. Blok dat se odesílá do tiskárny a potom se ověřuje jeho správnost.
• Izochronní — zařízení jako jsou reproduktory, které využívají proud dat, používají izochronní režim. Data se přesouvají mezi daným zařízením a řídicím počítačem v reálném čase a žádná kontrola správnosti přenášených dat se neprovádí.
Důležité je, aby data přitékala plynule, aby zařízení netrpělo jejich nedostatkem.
Řídicí počítač může také vysílat pokyny nebo se dotazovat na parametry pomocí řídicích paketů. Jelikož zařízení mají svá čísla, řídicí počítač si udržuje přehled o celkové šířce pásma, jež vyžadují veškerá izochronní zařízení a ta pracující v režimu přerušení. Mohou spotřebovat až devadesát procent dostupného pásma, jehož šířka je 12 Mb/s. Jakmile dojde ke spotřebování devadesáti procent šířky pásma, řídicí počítač odmítne přístup jakýmkoliv dalším izochronním zařízením nebo těm pracujícím v režimu přerušení. Řídicí pakety a pakety pro hromadný přenos dat potom využívají jakoukoliv zbývající šířku pásma (nejméně deset procent).
USB rozděluje dostupnou šířku pásma do rámců a řídicí počítač je ovládá. Rámec obsahuje 1 500 bytů a nový rámec vzniká každou tisícinu sekundy. Zaručuje izochronním zařízením a těm pracujícím v režimu přerušení pásmo takové šířky, jakou požadují. Hromadný přenos dat a přenos instrukcí využívají jakýkoliv zbytek pásma.

Nedostatek portů

Většina dnešních počítačů je vybavena jednou nebo dvěma zásuvkami USB. Na trhu je dnes takové množství zařízení typu USB, že zásuvky USB se vám začnou nedostávat velmi rychle. Počítač může mít například tiskárnu USB, skener USB, webovou kameru USB a připojení k síti USB. Má-li počítač pouze jednu zástrčku USB, jak tato všechna zařízení připojíte?

Jednoduché řešení tohoto problému spočívá v použití hubu USB. Systém USB je schopen pracovat až se 127 zařízením. Huby USB jsou součástí tohoto systému. Hub běžně propojuje čtyři nebo osm nových portů USB, ale některé jich propojují mnohem více. Hub jednoduše připojíte k vašemu počítači a potom jednotlivá zařízení (nebo další huby) připojujete k hubu. Propojením hubů můžete dostat desítky použitelných portů USB na jediném počítači.

Zapojení USB Huby mohou dodávat elektrický proud či nikoliv. Je jasné, že zařízení s velkou spotřebou energie, jako tiskárna nebo skener, budou mít své vlastní napájecí zdroje, ale zařízení, která energie moc nepotřebují, jako počítačové myši nebo digitální kamery, budou napájena přímo z kabelu USB, čímž se zaručí jejich maximální jednoduchost. Hub dodávající elektrickou energii zajišťuje dostatečné napájení velkého množství zařízení USB.
Díky portům USB můžete připojit k vašemu počítači téměř jakékoliv zařízení. Je velmi zajímavé podívat se za oponu a zjistit, že všechna tato zařízení komunikují s řídicím počítačem prostřednictvím malé soukromé sítě.