2. SKŁADNIKI I ZASADA DZIAŁANIA MAGISTRALI USB

USB (ang. Universal Serial Bus - uniwersalna magistrala szeregowa) to typ złącza, pozwalającego na podłączanie do komputera urządzeń cyfrowych (takich jak: kamery video, aparaty fotograficzne, skanery, drukarki, itp). Urządzenia w tym standardzie można łączyć ze sobą tworząc sieć. W całej sieci można podłączyć do 127 urządzeń USB. W jednej sieci mogą pracować urządzenia o różnych prędkościach transmisji. Magistrala wymaga obecności dokładnie jednego kontrolera magistrali, którego rolę pełni komputer (host). Uniemożliwia to bezpośrednie połączenie dwóch komputerów (wymagany przewód z specjalnym układem) oraz bezpośrednie połączenie ze sobą urządzeń peryferyjnych (brak kontrolera). Transmisja odbywa się przy wykorzystaniu dwóch przewodów (zielonego Data+ i białego Data-). Magistrala zawiera również linie zasilającą (czerwony (+5 VDC) i czarny (masa) przewód) o napięciu 5V i maksymalnym poborze prądu 500 mA.

Magistrala USB miała być początkowo jedynie standardowym interfejsem urządzeń transmisji danych po liniach telefonicznych. Wkrótce okazało się, ze może być wykorzystywana do dołączania komputerowych urządzeń peryferyjnych. Uniwersalna magistrala szeregowa (USB) w wersji 1.1 stała się podstawowym standardem stosowanym w przypadku dołączania do systemów komputerowych urządzeń zewnętrznych. Według tej wersji standardu możliwe jest przesyłanie, za pomocą magistrali USB, strumienia bitów zmieniających się z częstotliwością 1,5 Mb/s lub 12 Mb/s.

W nowej wersji normy dotyczącej uniwersalnej magistrali szeregowej „Universal Serial Bus Specification Revision 2.0” firmowanej przez czołowych producentów urządzeń komputerowych i telekomunikacyjnych (Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent Technologies, Microsoft, NEC i Philips), możliwości magistrali USB zostały znacznie rozszerzone.

Wprowadzono dodatkowa, 40.krotne większą od dotychczas stosowanej maksymalnej, szybkość transmisji danych - 480 Mb/s. W nowej specyfikacji magistrali przewidziano (na tyle na ile jest to możliwe) zachowanie obustronnej kompatybilności urządzeń zgodnych z wcześniejsza wersja 1.1 i opracowanych dla USB-2. W jednej sieci, obok urządzeń przesyłających strumienie danych z częstotliwością bitowa 480 Mb/s, mogą pracować urządzenia transmitujące z częstotliwością 1,5 Mb/s i 12 Mb/s.

Norma „Universal Serial Bus Specification Revision 2.0” zawiera informacje o budowie układów sprzęgających, o programach obsługi urządzeń we-wy oraz opis konstrukcji koncentratorów i głównego sterownika magistrali. Parametry magistrali USB-2 spełniają wymagania szerokiej gamy urządzeń peryferyjnych.

Na rysunku 1. przedstawiono klasyfikacje komputerowych urządzeń peryferyjnych w zależności od szybkości transmisji danych. Zaznaczono obszary zastosowań poszczególnych interfejsów magistrali USB-2.

Rysunek 1. Zakres zastosowań magistrali USB-2.

Magistrale USB-2 można wykorzystywać zarówno do wolnej jak i szybkiej transmisji danych. Na ogół duże i średnie szybkości wykorzystywane są w urządzeniach prowadzących transmisje w trybie synchronicznym, natomiast dla urządzeń interakcyjnych właściwa jest asynchroniczna wymiana danych prowadzona z małą szybkością.

Połączenia magistrali USB maja strukturę hierarchiczna. Szczególna pozycje, jako jednostka zarządzająca magistralą, zajmuje komputer macierzysty. Zadaniem oprogramowania systemowego jest zapewnienie programom aplikacyjnym jednolitego dostępu do urządzeń we-wy. Szczegóły związane z obsługa urządzeń peryferyjnych uwzględniane są na poziomie systemu operacyjnego dzięki czemu programy aplikacyjne są w mniejszym stopniu zależne od sprzętowej konfiguracji systemu. W przypadku podsystemu we-wy, wykorzystującego magistrale USB, oznacza to nadzór nad magistrala oraz inicjacje dołączanych do niej i odłączanych urządzeń. Dostęp urządzeń do magistrali kontrolowany jest przez system operacyjny komputera macierzystego. Urządzenie może wysyłać dane na magistrale tylko po uzyskania zezwolenia. Oprogramowanie systemowe na bieżąco kontroluje konfiguracje magistrali. Podczas transmisji danych inicjuje operacje magistralowe i nadzoruje ich przebieg.

Złącza dla dołączania urządzeń we-wy udostępniane są za pośrednictwem koncentratorów. Dzięki układom zainstalowanym w koncentratorach możliwe jest rozpoznanie każdego przypadku dołączenia lub odłączenia urządzenia. Za pośrednictwem koncentratora każdemu nowo-dołączonemu urządzeniu dostarczane jest zasilanie ograniczone wstępnie do 0,5 W mocy. Pod kontrola programu obsługi magistrali USB dostarczana moc zasilania może zostać zwiększona do 2,5 W. Dodatkowe koncentratory (główny znajduje się w komputerze macierzystym) można łączyć ze sobą kaskadowo (maksymalnie 5). W każdym koncentratorze przepływające informacje są monitorowane. Przechwytywane są te dane, które są adresowane do koncentratora a pozostałe sygnały są przekazywane dalej.

Koncentratory USB-2 umożliwiają szybka retransmisje danych odebranych z małą lub pełną szybkością (operacja SPLIT). Dzięki temu można ograniczyć niekorzystny wpływ wolnych urządzeń na efektywność systemu USB. Nowego typu koncentrator, przez złącze skierowane w górę sieci (w kierunku komputera macierzystego), nie może przesyłać danych z częstotliwością 1,5 Mb/s. Natomiast porty skierowane w dół sieci powinny umożliwiać transmisje z każdą z trzech dostępnych w systemie częstotliwości. Łącząc w kaskadę koncentratory starszego typu z koncentratorami przystosowanymi do pracy z szybkimi urządzeniami USB-2 (transmitującymi z częstotliwością 480 Mb/s), należy pamiętać o łączeniu ich we właściwej kolejności. Wszystkie urządzenia peryferyjne dołączone do magistrali USB są urządzeniami podległymi i z komputerem macierzystym powinny łączyć się zgodnie z ustalonym protokołem komunikacyjnym. Każde urządzenie USB powinno reagować na standardowe zadania wysyłane z komputera macierzystego (np. podawać informacje o swoim stanie, konfiguracji i trybie pracy).

ZARYS ORGANIZACJI SYSTEMU USB

W systemie USB jest tylko jeden (główny) sterownik magistrali USB, w skład którego wchodzą zarówno znajdujące się po stronie komputera układy sprzęgające jak i bezpośrednio z nimi związane oprogramowanie. Wśród urządzeń systemu USB są zarówno urządzenia wykonawcze jak i koncentratory. Przy pomocy koncentratorów można rozbudowywać sieć połączeń magistrali USB. Główny koncentrator jest częścią sterownika magistrali USB.

Siec połączeń

Siec połączeń systemu USB-2 można rozbudowywać tworząc strukturę drzewiastą. Poprzez dołączenie dodatkowego koncentratora uzyskujemy nowe złącza do przyłączania urządzeń wykonawczych, a w razie potrzeby również dalszych koncentratorów. Każdy z odcinków magistrali USB łączy bezpośrednio dwa urządzenia: dwa koncentratory lub koncentrator i urządzenie wykonawcze.

Rysunek 2. Struktura magistrali USB

Na rysunku 2 przedstawiono ogólny schemat połączeń pomiędzy sterownikiem magistrali (najwyższy poziom struktury) a urządzeniami USB (nisze poziomy). System można rozbudowywać do maksymalnie 7 poziomów.

Kabel bezpośrednio łączący dwa urządzenia USB, składa się z dwóch linii sygnałowych do transmisji danych (D+ i D-) oraz dwóch linii zwykłych, które wykorzystywane są do przesyłania zasilania (VBus i GND). Jeśli magistrala ma umożliwiać przesyłanie strumieni danych z częstotliwością 12 Mb/s lub 480 Mb/s - wymagane jest użycie kabla ekranowanego z przewodami sygnałowymi wykonanymi w postaci skrętki. Dla częstotliwości 1,5 Mb/s - dopuszczalne jest użycie zwykłych kabli bez ekranu (ich dopuszczalna długość ograniczona jest wtedy do 3 m).

Magistrali dostarczane jest zasilanie dla układów bezpośrednio do niej dołączonych. Ponadto każde urządzenie może mieć własne dodatkowe źródło zasilania. Zarządzanie zasilaniem, dostarczanym przewodami VBus i GND, realizowane jest w układach koncentratorów. Koncentrator dostarcza zasilania zgodnie z uzgodniona specyfikacja. Koncentratory, podczas ewidencji urządzeń dołączonych do magistrali, uzgadniają swoje możliwości w tym zakresie. Warunkiem poprawnego rozdziału zasilania jest skuteczne zapobieganie włączeniu zasilania w urządzeniach nielegalnie dołączonych do magistrali. Zasilanie dostarczane za pośrednictwem magistrali USB jest limitowane. Jeśli wymagane przez urządzenie zasilanie (odczytane podczas ustalania konfiguracji) przekracza możliwości magistrali, komputer macierzysty nie ustala konfiguracji urządzenia. Urządzenie bezpośrednio po dołączeniu nie może czerpać więcej niż 100 mA. Po skonfigurowaniu urządzenia mogą oczekiwać zasilania nie przekraczającego 500 mA ale ich wymagania nie zawsze mogą być spełnione.

Wszystkie urządzenia powinny mieć możliwość przechodzenia w stan uśpienia, w którym pobór prądu z magistrali USB nie może przekraczać 500 mA. Zdalne budzenie umożliwia uśpionemu urządzeniu komunikowanie się z komputerem macierzystym, który też może znajdować się w stanie uśpienia. Korzystając z tej właściwości urządzenie może zawiadomić komputer macierzysty, ze powinien wyjść ze stanu uśpienia i obsłużyć zewnętrzne zgłoszenie. Sygnał zdalnego budzenia (wysterowanie linii magistrali ze stanu jałowego w stan aktywny i powrót do stanu jałowego) urządzenie powinno utrzymywać przez co najmniej 10 ms i nie dłużej niż 15 ms. Sygnał ten jest transmitowany przez koncentratory w górę sieci aż do komputera macierzystego.

System operacyjny powinien mieć możliwość blokowania i odblokowywania mechanizmu zdalnego budzenia, jeśli jest stosowany przez dane urządzenie wykonawcze.

Rysunek 3. Kabel magistrali USB.

W niektórych urządzeniach (takich jak mysz, klawiatura, koncentrator) kabel magistrali USB, jest zamocowany na stałe a na drugim końcu zakończony wtykiem znormalizowanego złącza typu A. Do innych urządzeń (są to np. drukarki, skanery, modemy) kabel jest dołączany za pomocą złącza typu B.

4. BUDOWA CD-ROMU I ZASADA ZAPISU

Odczyt danych z płyt CD-ROM odbywa się za pomocą odpowiedniego urządzenia, zwanego napędem CD-ROM. W celu zapisania danych na dysku CD należy komputer doposażyć w urządzenie zwane nagrywarką (wypalarką). Zapis odbywa się na specjalnie do tego celu przygotowanych płytach, które posiadają oznaczenie CD-R. Szczególną odmianą są dyski CD-RW (Compact Disk Re-Writable), na których istnieje możliwość wielokrotnego zapisu danych. Ważnym parametrem napędu CD jest, podobnie jak w przypadku dysków, średni czas dostępu, który w obecnie sprzedawanych modelach jest krótszy niż 80 milisekund. Innym istotnym parametrem jest prędkość odtwarzania napędu. Im wyższa prędkość odtwarzania, tym większy transfer danych. Nowoczesne napędy CD osiągają 48-, a nawet 52-krotną prędkość odtwarzania (1-krotna prędkość odtwarzania to transfer danych rzędu 150 kB/s). Napędy CD-ROM umożliwiają odczyt danych z płyt CD zawierających dane komputerowe, jak i płyt CD z muzyką.

Napęd CD-ROM należy obecnie do standardowego wyposażenia każdego komputera osobistego. Większość najnowszych wersji programów oferowana jest właśnie na srebrnych krążkach. Nic w tym dziwnego pojemność tych nośników pamięci sięga około 700 megabajtów, co jest wielkością wystarczającą dla każdego programu dla Windows. Naturalnie istnieją także kolekcje clipartów i ze skanowanych zdjęć dostarczanych wraz z niektórymi programami na przykład pakietem do malowania i rysowania CorelDraw. W takich przypadkach wystarczą jednak dwa lub trzy dyski CD, a bez problemu znajdzie się miejsce nawet dla najobszerniejszych zbiorów grafiki. Dysk kompaktowy został opracowany na początku lat 80. Początkowo znajdował zastosowanie jedynie w przemyśle muzycznym, szybko zastępując miejsce czarnych płyt analogowych. Stąd właśnie uznawany był za medium służące do przechowywania danych dźwiękowych odtwarzanych za pomocą nowego typu urządzeń odtwarzaczy CD. Sytuacja znacznie się zmieniła, kiedy po raz pierwszy użyto płyt kompaktowych do przechowywania danych komputerowych. Dyski te nazwano CD-ROM-ami Wraz z rozwojem tej technologii osiągnięto w końcu możliwość zapisu informacji na płytach CD przy użyciu odpowiednich napędów CD-R (jednokrotnego zapisu) lub CD-RW (wielokrotnego zapisu).

CD-ROM

CD-ROM-y są zbudowane z kilku warstw. Jedna z nich przepuszcza światło, wewnętrzna jest nośnikiem danych, a znajdująca się za nią służy do odbijania strumienia lasera zależnie od informacji zapisanych na warstwie nośnika. Podobnie jak w analogowych płytach gramofonowych również w ich przypadku mamy do czynienia ze spiralą rozwijającą się od środka na zewnątrz i tak też odczytywane są zapisane na niej informacje. W jaki sposób dane trafiają na dysk CD? W przypadku dysków jedno lub wielokrotnego zapisu do zachowywania danych na dyskach używa się specjalnych napędów, tak zwanych nagrywarek CD-R względnie CD-RW Urządzenia te są wyposażone w mechanizm dysponujący laserem o zmiennej mocy. W trakcie zapisu danych moc lasera zostaje znacznie zwiększona. Wówczas odpowiednie miejsca warstwy nośnika pod wpływem podwyższonej temperatury są podgrzewane do tego stopnia, że powierzchnia dysku zostaje we właściwy sposób zniekształcona. Warstwa nośnika nie zostaje jednak przepalona na wylot, lecz zmodyfikowana, tak aby podczas odczytu strumień lasera o zmniejszonej mocy odpowiednio się odbijał zależnie od zapisanych w danym miejscu informacji. Wówczas światłoczuły czujnik rejestruje, czy wysyłane światło odbija się, czy nie i zamienia te informacje w dane zrozumiałe dla komputera zera i jedynki. Prędkość transferu danych zapisanych na CD-ROM-ach mierzy się z uwzględnieniem stałej wartości mnożnika: na przykład napęd CD-ROM o prędkości jest 48 razy szybszy od analogicznego 24-krotnej urządzenia pierwszej generacji. Modele generacji, a więc działające z pojedynczą pierwszej prędkością, to takie, które umożliwiały kilobajtów na sekundę. Nietrudno obliczyć, że odczyt 150 napędy o 32-krotnej prędkości, jakie rynku, umożliwiają odczyt informacji z mamy już na prędkością około 4,8 megabajta na sekundę.

ZASADA DZIAŁANIA

Dyski CD-ROM są tłoczone w specjalnej prasie, podobnie jak tradycyjne płyty gramofonowe. W ich przypadku matryca jest jednak wykonana ze szkła, a nie z metalu. Na sprasowanej poliwęglanowej warstwie nośnika tworzone są miniaturowe zagłębienia o wielkości tysięcznych milimetra. Kiedy promień lasera trafia na gładką powierzchnię dysku (tzw. land, czyli pole), odbija się od niej i wraca do lasera, a dokładniej do fotodiody. Wówczas zostaje zamieniony w impuls elektryczny. Gdy zaś strumień padnie na zagłębienie w płycie (tzw. pit, czyli dół), światło nie wraca do diody i sygnał elektryczny nie powstaje. Przypomnijmy, że dane komputerowe są zapisywane w postaci zer i jedynek. Regularny ciąg występujących na przemian po sobie obu typów miejsc (raz pole, raz dół) oznacza wartość zero. Wartość jeden traktowana jest jako odstępstwo od tego i zostaje zinterpretowana, gdy na dysku pojawi się ciąg pól lub zagłębień. Wszystkie dyski optyczne - czy to CD-ROM - funkcjonują na tej samej zasadzie i są podobnie zbudowane. Składają się z czterech warstw: nośnika (1) wykonanego z tworzywa sztucznego na którym są przechowywane dane, warstwy aluminiowej odbijającej światło lasera, lakieru ochronnego oraz nadruku. W trakcie odczytu promień lasera (2) czytnika jest kierowany na warstwę z tworzywa sztucznego, przez którą przechodzi i trafia na cienką warstwę aluminium. Informacje na dyskach CD tworzą formę spirali biegnącej z środka na zewnątrz. Jej długość jest gigantyczna, gdyż po rozwinięciu wynosiła by siedem kilometrów.

CD-R

Dyski jednokrotnego zapisu, tak zwane CD-R (Recordable) nie są tłoczone. ane zapisuje się na nich przy użyciu lasera. Służą do tego specjalne urządzenia, tak zwane nagrywarki CD-R. Ich laser "wypala" w temperaturze około 300 stopni Celcjusa wskazane przez użytkownika dane w postaci ciągu pól i zagłębień w warstwie tworzywa sztucznego. Kiedy warstwa ta zostanie podgrzana do wysokiej temperatury, w danym miejscu dochodzi do reakcji chemicznej, z którą wiąże się również zmiana kierunku odbicia światła lasera podczas późniejszego odczytu danych. Kiedy więc umieścimy dysk w napędzie czytnika, laser będzie się odbijał od zmienionej powierzchni zgodnie z zapisanymi na niej informacjami (układem pól i zagłębień). Stąd dyski CD-R znakomicie nadają się do zastosowań domowych. Można na nich rejestrować wybrane przez siebie pliki - danych czy programów, i to w dużej ilości. Płyty te mają pojemność około 200-800MB, co przy niskiej cenie (kilka złotych za dysk) oznacza niezwykle atrakcyjną alternatywę wobec innych nośników danych.

CD-RW

W przeciwieństwie do nich kolejna ulepszona wersja dysków optycznych CD-RW - pozwala na wielokrotny zapis danych (do tysiąca razy). Zachowywanie na nich informacji wygląda niezwykle prosto, gdyż używając techniki przeciągnij-i-upuść możemy zwyczajnie kopiować lub przenosić pliki na dysk. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu nowej struktury płyty i opracowaniu nośnika o odmiennych właściwościach chemicznych pozwalających zmieniać własności raz już wypalonego punktu pod wpływem światła. Do tego z kolei potrzebny jest laser o zmiennej mocy. W przeciwieństwie do lasera wykorzystywanego w napędach CD-R dysponującego jedynie bardzo niskim natężeniem do odczytu danych i bardzo silnym do gwałtownego miejscowego podniesienia temperatury warstwy głównej, urządzenia CD-RW są wyposażone w laser o średniej mocy, co przy odpowiednim składzie chemicznym nośnika umożliwia przewracanie jego stanu początkowego.

1

---