Интерфейс USB (Universal Serial Bus - Универсальный Последовательный Интерфейс) предназначен для подключения периферийных устройств к персональному компьютеру. Позволяет производить обмен информацией с периферийными устройствами на трех скоростях (спецификация USB 2.0 ):

• Низкая скорость ( Low Speed - LS) - 1,5 Мбит/с;
• Полная скорость ( Full Speed - FS) - 12 Мбит/с;
• Высокая скорость ( High Speed - HS) - 480 Мбит/с.

Для подключения периферийных устройств используется 4-жильный кабель: питание +5 В, сигнальные провода D+ и D- , общий провод.
Интерфейс USB соединяет между собой хост ( host ) и устройства. Хост находится внутри персонального компьютера и управляет работой всего интерфейса. Для того, чтобы к одному порту USB можно было подключать более одного устройства, применяются хабы ( hub - устройство, обеспечивающее подключение к интерфейсу других устройств). Корневой хаб ( root hub ) находится внутри компьютера и подключен непосредственно к хосту. В интерфейсе USB используется специальный термин "функция" - это логически законченное устройств, выполняющее какую-либо специфическую функцию. Топология интерфейса USB представляет собой набор из 7 уровней ( tier ): на первом уровне находится хост и корневой хаб, а на последнем - только функции. Устройство, в состав которого входит хаб и одна или несколько функций, называется составным ( compaund device ).
Порт хаба или функции, подключаемый к хабу более высокого уровня, называется восходящим портом ( upstream port ), а порт хаба, подключаемый к хабу более низкого уровня или к функции называется нисходящим портом ( downstream port ).
Все передачи данных по интерфейсу иницируются хостом. Данные передаются в виде пакетов. В интерфейсе USB испольуется несколько разновидностей пакетов:

• пакет-признак ( token paket ) описывает тип и направление передачи данных, адрес устройства и порядковый номер конечной точки (КТ - адресуемая часть USB-устройства); пакет-признаки бывают нескольких типов: IN , OUT , SOF , SETUP ;
• пакет с данными ( data packet ) содержит передаваемые данные;
• пакет согласования ( handshake packet ) предназначен для сообщения о результатах пересылки данных; пакеты согасования бывают нескольких типов: ACK , NAK , STALL .

Таким образом каждая транзакция состоит из трех фаз: фаза передачи пакета-признака, фаза передачи данных и фаза согласования.
В интерфейсе USB используются несколько типов пересылок информации.

• Управляющая пересылка ( control transfer ) используется для конфигурации устройства, а также для других специфических для конкретного устройства целей.
• Потоковая пересылка ( bulk transfer ) используется для передачи относительно большого объема информации.
• Пересылка с прерыванием ( iterrupt transfer ) испольуется для передачи относительно небольшого объема информации, для которого важна своевременная его пересылка. Имеет ограниченную длительность и повышенный приоритет относительно других типов пересылок.
• Изохронная пересылка ( isochronous transfer ) также называется потоковой пересылкой реального времени. Информация, передаваемая в такой пересылке, требует реального масштаба времени при ее создании, пересылке и приеме.

Потоковые пересылки характеризуются гарантированной безошибочной передачей данных между хостом и функцией посредством обнаружения ошибок при передаче и повторного запроса информации.
Когда хост становится готовым принимать данные от функции, он в фазе передачи пакета-признака посылает функции IN -пакет. В ответ на это функция в фазе передачи данных передает хосту пакет с данными или, если она не может сделать этого, передает NAK - или STALL -пакет. NAK -пакет сообщает о временной неготовности функции передавать данные, а STALL -пакет сообщает о необходимости вмешательства хоста. Если хост успешно получил данные, то он в фазе согласования посылает функции ACK -пакет. В противном случае транзакция завершается.
Когда хост становится готовым передавать данные, он посылает функции OUT -пакет, сопровождаемый пакетом с данными. Если функция успешно получила данные, он отсылает хосту ACK -пакет, в противном случае отсылается NAK- или STALL -пакет.
Управляющие пересылки содержат не менее двух стадий: Setup-стадия и статусная стадия . Между ними может также располагаться стадия передачи данных . Setup-стадия используется для выполнения SETUP-транзакции , в процессе которой пересылается информация в управляющую КТ функции. SETUP-транзакция содержит SETUP -пакет , пакет с данным и пакет согласования. Если пакет с данными получен функцией успешно, то она отсылает хосту ACK -пакет. В противном случае транзакция завершается.
В стадии передачи данных управляющие пересылки содержат одну или несколько IN- или OUT- транзакций, принцип передачи которых такой же, как и в потоковых пересылках. Все транзакции в стадии передачи данных должны производиться в одном направлении.
В статусной стадии производится последняя транзакция, которая использует те же принципы, что и в потоковых пересылках. Направление этой транзакции противоположно тому, которое использовалось в стадии передачи данных. Статусная стадия служит для сообщения о результате выполнения SETUP-стадии и стадии передачи данных. Статусная информация всегда передается от функции к хосту. При управляющей записи ( Control Write Transfer ) статусная информация передается в фазе передачи данных статусной стадии транзакции. При управляющем чтении ( Control Read Transfer ) статусная информация возвращается в фазе согласовании статусной стадии транзакции, после того как хост отправит пакет данных нулевой длины в предыдущей фазе передачи данных.
Пересылки с прерыванием могут содержать IN - или OUT -пересылки. При получении IN -пакета функция может вернуть пакет с данными, NAK -пакет или STALL -пакет. Если у функции нет информации, для которой требуется прерывание, то в фазе передачи данных функция возвращает NAK -пакет. Если работа КТ с прерыванием приостановлена, то функция возвращает STALL -пакет. При необходимости прерывания функция возвращает необходимую информацию в фазе передачи данных. Если хост успешно получил данные, то он посылает ACK -пакет. В противном случае согласующий пакет хостом не посылается.
Изохронные транзакции содержат фазу передачи признака и фазу передачи данных , но не имеют фазы согласования . Хост отсылает IN - или OUT -признак, после чего в фазе передачи данных КТ (для IN -признака) или хост (для OUT -признака) пересылает данные. Изохронные транзакции не поддерживают фазу согласования и повторные посылки данных в случае возникновения ошибок.

В связи с тем, что в интерфейсе USB реализован сложный протокол обмена информацией, в устройстве сопряжения с интерфейсом USB необходим микропроцессорный блок, обеспечивающий поддержку протокола. Поэтому основным вариантом при разработке устройства сопряжения является применение микроконтроллера, который будет обеспечивать поддержку протокола обмена. В настоящее время все основные производители микроконтроллеров выпускают продукцию, имеющую в своем составе блок USB.

Фирма-производитель Наименование Описание Atmel AT43301 Контроллер LS/FS-хаба 1-4 с общим управлением питанием нисходящих портов. AT43312A Контроллер LS/FS-хаба 1-4 с индивидуальным управлением питанием нисходящих портов. AT43320A Микроконтроллер на ядре AVR. Имеет встроенные USB-функцию и хаб с 4 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 512 байт ОЗУ, 32х8 регистров общего назначения, 32 программируемых вывода, последовательный и SPI-интерфейсы. Функция имеет 3 КТ с буферами FIFO размером 8 байт. Для нисходящих портов хаба предусмотрено индивидуальное управление питанием. AT43321 Контроллер клавиатуры на ядре AVR. Имеет встроенные USB-функцию и хаб с 4 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 512 байт ОЗУ, 16 кбайт ПЗУ, 32х8 регистров общего назначения, 20 программируемых вывода, последовательный и SPI-интерфейсы. Функция имеет 3 КТ. Для нисходящих портов хаба предусмотрено индивидуальное управление питанием. AT43324 Микроконтроллер на ядре AVR. Имеет встроенные USB-функцию и хаб с 2 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 512 байт ОЗУ, 16 кбайт ПЗУ, 32х8 регистров общего назначения, 34 программируемых вывода. Клавиатурная матрица может иметь размер 18х8. Контроллер имеет 4 выхода для подключения светодиодов. Функция имеет 3 КТ. Для нисходящих портов хаба предусмотрено индивидуальное управление питанием. AT43355 Микроконтроллер на ядре AVR. Имеет встроенные USB-функцию и хаб с 2 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 1 кбайт ОЗУ, 24 кбайт ПЗУ, 32х8 регистров общего назначения, 27 программируемых выводов, последовательный и SPI-интерфейсы, 12-канальный 10-разрядный АЦП. Функция имеет 1 управлющую КТ и 3 программируемых КТ с буферами FIFO размером 64/64/8 байт. Fairchild Semiconductor USB100 Контроллер манипуляторов (мышь, трекбол, джойстик). Поддерживает 2D/3D-мышь, джойстик с тремя потенциометрами, манипулятор с 16 кнопками. Intel 8x931Ax Микроконтроллер с архитектурой MSC-51. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режимах, 256 байт ОЗУ, 0/8 кбайт ПЗУ, 8х4 регистра общего назначения, 32 программируемых вывода, последовательный интерфейс, интерфейс управления клавиатурой. Функция имеет 3 КТ с буферами FIFO размером 8/16/8 байт. 8x931Hx Микроконтроллер с архитектурой MSC-51. Имеет встроенную USB-функцию и хаб с 4 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 256 байт ОЗУ, 0/8 кбайт ПЗУ, 8х4 регистра общего назначения, 32программируемых вывода, последовательный интерфейс, интерфейс управления клавиатурой. Функция имеет 3 КТ с буферами FIFO размером 8/16/8 байт. 8x930Ax Микроконтроллер с архитектурой MSC-251. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режимах, 1024 байта ОЗУ, 0/8/16 кбайт ПЗУ, 40 регистров общего назначения, 32 программируемых вывода, последовательный интерфейс. Функция имеет 4(6) КТ с буферами FIFO размером 16/1024(256)/16(32)/16(32)/(32)/(16) байт. 8x930Hx Микроконтроллер с архитектурой MSC-251. Имеет встроенную USB-функцию и хаб с 4 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 1024 байта ОЗУ, 0/8/16 кбайт ПЗУ, 40 регистров общего назначения, 32 программируемых вывода, последовательный интерфейс. Функция имеет 4 КТ с буферами FIFO размером 16/1024/16/16 байт. Microchip PIC16C745 Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS-режиме, 256 байт ОЗУ, 14336 байт ПЗУ, 22 программируемых вывода, последовательный интерфейс, 5-канальный 8-битный АЦП. PIC16C765 Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS-режиме, 256 байт ОЗУ, 14336 байт ПЗУ, 33 программируемых вывода, последовательный интерфейс, 8-канальный 8-битный АЦП. PIC18F2450 Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режиме, 1536 байт ОЗУ, 16384 байт ПЗУ, 19 программируемых выводов, последовательный и SPI-интерфейсы, 5-канальный 10-битный АЦП. Функция имеет 8 КТ. PIC18F2550 Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режиме, 1536 байт ОЗУ, 32768 байт ПЗУ, 19 программируемых выводов, последовательный, CAN- и SPI-интерфейсы, 5-канальный 10-битный АЦП. Функция имеет 8 КТ. PIC18F4450 Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режиме, 1536 байт ОЗУ, 16384 байт ПЗУ, 34 программируемых вывода, последовательный, CAN- и SPI-интерфейсы, 8-канальный 10-битный АЦП. Функция имеет 8 КТ. PIC18F4550 Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режиме, 1536 байт ОЗУ, 32768 байт ПЗУ, 34 программируемых вывода, последовательный, CAN- и SPI-интерфейсы, 8-канальный 10-битный АЦП. Функция имеет 8 КТ. Texas Instruments TUSB2036 Контроллер LS/FS-хаба 1-3 с индивидуальным управлением питанием нисходящих портов.

…