Введение
Устройство, которое расширяет один порт USB на несколько Устройство, которое расширяет один порт универсальной последовательной шины (USB) на несколько портов, чтобы было больше портов, доступных для подключения устройств к хост-системе, аналогично энергосберегающей полосе. Все устройства, подключенные через USB-узлы, используют общую полосу пропускания, доступную для этого узла. Физически отдельные USB-узлы имеют широкий спектр форм: от внешних ящиков (похожих на Ethernet или сетевой узел), до небольших конструкций, которые могут быть непосредственно подключены к USB-порту (см. рисунок "компактный дизайн"). "Краткокабельные" хабы обычно используют интегральный 6-дюймовый (15 см) кабель, чтобы немного отдалить небольшой хаб от физической загрузки порта и увеличить количество доступных портов. Почти все современные ноутбуки оснащены USB-портами, но внешний USB-разъем может объединить несколько повседневных устройств (таких как мышь, клавиатура или принтер) в один узел, чтобы обеспечить одноэтапное подключение и удаление всех устройств. Некоторые USB-узлы могут поддерживать подачу электроэнергии (PD) для зарядки батареи ноутбука, если они самостоятельно питаются и сертифицированы для этого, но их можно назвать простой док-станцией из-за аналогичного характера, когда для зарядки батареи и подключения периферийных устройств требуется только одно соединение. На хабах могут быть установлены переключатели питания для отдельных портов, позволяющие удобно запускать не реагирующие устройства.
A USB hub is a device that expands a single Universal Serial Bus (USB) port into several so that there are more ports available to connect devices to a host system, similar to a power strip. All devices connected through a USB hub share the bandwidth available to that hub. Physically separate USB hubs come in a wide variety of form factors: from external boxes (looking similar to an Ethernet or network hub), to small designs that can be directly plugged into a USB port (see the "compact design" picture). "Short cable" hubs typically use an integral 6 inch (15 cm) cable to slightly distance a small hub away from physical port congestion and increase the number of available ports. Almost all modern laptop computers are equipped with USB ports, but an external USB hub can consolidate several everyday devices (like a mouse, keyboard or printer) into a single hub to enable one step attachment and removal of all the devices. Some USB hubs may support power delivery (PD) to charge a laptop battery, if self powered and certified to do so, but may be referred to as a simple docking station due to the similar nature of only needing one connection to charge the battery and connect peripherals. Hubs may feature power switches for individual ports to allow conveniently power cycling unresponsive devices.
Физическая планировка
Сеть USB построена из USB-узлов, подключенных вниз по течению к USB-портам, которые сами могут происходить из USB-узлов. USB-узлы могут расширить сеть USB до максимум 127 портов. Спецификация USB требует, чтобы узлы с шиной питания (пассивные) не были подключены в серии к другим узлам с шиной питания. В зависимости от поставщика и конструкции, порты USB часто расположены близко друг от друга. Следовательно, подключение устройства к одному порту может физически блокировать соседний порт, особенно когда разъем не является частью кабеля, а является неотъемлемой частью устройства, такого как USB-накопитель. Горизонтальный массив горизонтальных розетки может быть простым в изготовлении, но может привести к тому, что только два из четырех портов будут использоваться (в зависимости от ширины разъема). Портовые массивы, в которых ориентация портов перпендикулярна ориентации массива, как правило, имеют меньше проблем с блокировкой. Внешние "Октопусные" или "Коломажные" узлы (каждый из них имеет розетку на конце очень короткого кабеля, часто около 5 см в длину) или "звездочные" узлы (каждый порт обращен в другом направлении, как показано на рисунке) полностью избегают этой проблемы.
Ограничения по длине
Кабели USB ограничены 3 метрами (10 футов) для низкоскоростных устройств USB 1.1. Хаб может использоваться в качестве активного ретранслятора USB для увеличения длины кабеля до 5 метров (16 футов) за раз. Активные кабели (специализированные разъемы, встроенные в один порт) выполняют ту же функцию, но поскольку они строго питаются шиной, для некоторых сегментов, вероятно, потребуются USB-узлы с внешним питанием.
Мощность
Многие хабы могут работать как с автобусом, так и с самостоятельным питанием. Мощность равна напряжению, умноженному на ток. Порт USB, который потребляет 500 мА (0,5 А) при 5 Вольтах, потребляет 2,5 Вт мощности. В USB-узлах с Bus каждый порт USB может обеспечивать питание, а также передавать данные. Автономный узел получает энергию от внешнего блока питания и может, таким образом, обеспечивать полную мощность (до 500 мА) для каждого порта. Самообогащаемые хабы обычно дороже, чем USB-хабы без питания
Автономный узел (активный узел)
Самообогащаемые концентраторы могут питать устройства высокого напряжения, такие как динамики, принтеры и сканеры. USB-узлы с автономным питанием обычно более громоздки и дороже, чем USB-узлы с автобусной питанием.
Совместимость
На рынке есть много не соответствующих требованиям хабов, которые объявляют себя хозяину как самообогащаемые, несмотря на то, что на самом деле они работают на шине. Кроме того, существует множество не соответствующих требованиям устройств, которые используют более 100 мА, не объявляя об этом факте. Эти хабы и устройства позволяют более гибко использовать энергию (в частности, многие устройства используют гораздо меньше 100 мА, а многие порты USB могут подавать более 500 мА, прежде чем перегрузиться), но они, вероятно, затруднят диагностику проблем с питанием. Некоторые самоободряемые хабы не обеспечивают достаточной мощности для загрузки 500 мА на каждый порт. Например, многие седьмые порты хаба имеют источник питания 1 А, когда на самом деле семь портов могут получить максимум А, плюс питание для самого хаба. Дизайнеры предполагают, что пользователь, скорее всего, подключит много устройств с низкой мощностью и только одно или два, требующих полных 500 мА. С другой стороны, на упаковке некоторых самообогащаемых узлов прямо указано, сколько портов могут одновременно управлять полной нагрузкой 500 мА. Например, упаковка на седьмом портовом узле может утверждать, что она поддерживает максимум четыре устройства с полной нагрузкой.
Автобусный узел (пассивный узел)
Направленный на шину хаб получает всю энергию от USB-интерфейса хост-компьютера. Не требуется отдельное подключение к электросети. Однако многие устройства требуют больше энергии, чем может обеспечить этот метод, и не будут работать в этом типе концентратора. Может быть желательно использовать узел с шиной питания с самостоятельно питаемыми внешними жесткими дисками, так как жесткий диск может не выключаться, когда компьютер выключается или входит в спящий режим при использовании самостоятельно питаемого концентратора, поскольку контроллер жесткого диска будет продолжать видеть источник питания на портах USB. Все порты USB работают на 5 вольт, но могут потреблять или подавать различное количество электрического тока.
Ограничения
Электрический ток USB распределяется в единицах по 100 мА до максимальной суммы 500 мА на порт. Поэтому у соответствующего узла, работающего на шине, может быть не более четырех портов вниз по потоку и не может предлагать более четырех единиц тока 100 мА в общей сложности устройствам вниз по потоку (поскольку узлу нужен один блок для себя). Если устройству требуется больше единиц тока, чем может обеспечить порт, в который оно подключено, операционная система обычно сообщает об этом пользователю.
Динамические хабы
Динамические энергообъекты - это узлы, которые могут работать как на автобусе, так и на самостоятельном питании. Они могут автоматически переключаться между режимами в зависимости от наличия или отсутствия отдельного источника питания. Хотя переход от работы с шиной к работе с автономной системой питания не обязательно требует немедленных пересмотров с хостом, переход от работы с автономной системой питания к работе с шиной может привести к сбросу соединений USB, если подключенные устройства ранее запрашивали больше энергии, чем было доступно в режиме работы с шиной.
Скорость
Для того, чтобы высокоскоростные устройства (USB 2.0) работали в максимально быстром режиме, все узлы между устройствами и компьютером должны быть высокоскоростными. Высокоскоростные устройства должны возвращаться к полной скорости (USB 1.1) при подключении к полноскоростному концентратору (или подключенному к более старому полноскоростному компьютеру). В то время как высокоскоростные хабы могут общаться на всех скоростях устройств, низкоскоростной и полноскоростной трафик объединяется и отделяется от высокоскоростного трафика через транзакционный переводчик. Каждый транзакционный переводчик разделяет низкоскоростной трафик в свой собственный пул, создавая виртуальную полноскоростную шину. Некоторые конструкции используют один транзакционный переводчик (STT), в то время как другие конструкции имеют несколько переводчиков (MTT). Наличие нескольких переводчиков является значительным преимуществом при подключении нескольких высокоскоростных устройств с высокой пропускной способностью. Важно учитывать, что в обычном языке (и часто в маркетинге продукта) USB 2.0 используется как синоним высокой скорости. Однако, поскольку спецификация USB 2.0, которая ввела высокую скорость, включает в себя спецификацию USB 1.1, так что устройство USB 2.0 не требуется для работы на высокой скорости, любое соответствующее устройство с полной скоростью или низкой скоростью все равно может быть помечено как устройство USB 2.0. Таким образом, не все хабы USB 2.0 работают на высокой скорости. USB 3.0 - третья основная версия стандарта Universal Serial Bus (USB) для интерфейса компьютеров и электронных устройств. Среди других улучшений USB 3.0 добавляет новую скорость передачи, называемую SuperSpeed USB (SS), которая может передавать данные со скоростью до 5 Гбит/с (625 МБ/с), что примерно в 10 раз быстрее, чем стандарт USB 2.0. Рекомендуется, чтобы производители отличали разъемы USB 3.0 от их аналогов USB 2.0 с использованием синего цвета (Pantone 300C) для стандартных контейнеров и разъемов A и инициалов SS. USB 3.1, выпущенный в июле 2013 года, является преемником стандарта, который заменяет стандарт USB 3.0. USB 3.1 сохраняет существующую скорость передачи SuperSpeed, давая ей новый ярлык USB 3.1 Gen 1, определяя при этом новый режим передачи SuperSpeed +, называемый USB 3.1 Gen 2, который может передавать данные со скоростью до 10 Гбит / с через существующие разъемы USB типа A и USB C (1250 МБ / с, в два раза больше скорости USB 3.0). USB 3.2, выпущенный в сентябре 2017 года, заменяет стандарт USB 3.1. Он сохраняет существующие USB 3.1 SuperSpeed и SuperSpeed + режимы передачи данных и вводит два новых SuperSpeed + режима передачи через разъем USB C с использованием двух полос работы, с скоростью передачи данных 10 и 20 Гбит / с (1250 и 2500 МБ / с).
for the Standard A receptacles and plugs, and by the initials SS. USB 3.1, released in July 2013, is the successor standard that replaces the USB 3.0 standard. USB 3.1 preserves the existing SuperSpeed transfer rate, giving it the new label USB 3.1 Gen 1, while defining a new SuperSpeed+ transfer mode, called USB 3.1 Gen 2 which can transfer data at up to 10 Gbps over the existing USB type A and USB C connectors (1250 MB/s, twice the rate of USB 3.0). USB 3.2, released in September 2017, replaces the USB 3.1 standard. It preserves existing USB 3.1 SuperSpeed and SuperSpeed+ data modes and introduces two new SuperSpeed+transfer modes over the USB C connector using two lane operation, with data rates of 10 and 20 Gbps (1250 and 2500 MB/s).
Протокол
Каждый хаб имеет один порт вверх по течению и несколько портов вниз по течению. Порт вверх по течению соединяет хаб (непосредственно или через другие хабы) с хостом. Другие узлы или устройства могут быть присоединены к портам вниз по течению. При обычной передаче хабы по существу прозрачны: данные, полученные из их портов вверх по потоку, передаются всем устройствам, подключенным к их портам вниз по потоку (нарисованным в спецификации USB 2.0 на рисунке 112, "Связь сигнализации хаба"). Данные, полученные из нижепоточного порта, обычно передаются только в порты вышепоточного уровня. Таким образом, то, что отправляется хостом, принимается всеми концентраторами и устройствами, а то, что отправляется устройством, принимается хостом, но не другими устройствами (исключением является возобновление сигнализации). Дальнейшее маршрутизация было изменено в USB 3.0 с добавлением маршрутизации Point to Point: строка маршрута, отправленная в заголовке пакета, позволяет хосту USB 3.0 отправлять только пакеты вниз по потоку к одному порту назначения, уменьшая перегрузку и потребление энергии. Хабы не прозрачны при работе с изменениями статуса портов вниз по потоку, такими как вставка или удаление устройств. В частности, если порт вниз по потоку от хаба меняет статус, это изменение рассматривается в взаимодействии между хостом и этим хабом; любые хабы между хостом и "измененным хабом" действуют как прозрачные. Для этого каждый хаб имеет одну точку прерывания "1 IN" (адрес конечной точки 1, направление от хаба к хосту), используемую для сигнализации изменений в статусе портов в низовом направлении. Когда кто-то подключает устройство, хаб обнаруживает напряжение на D + или D - и сигнализирует о вставке хосту через эту точку прерывания. Когда хост опросит эту прерывную конечную точку, он узнает, что новое устройство присутствует. Затем он дает указания концентратору (через контрольную трубу по умолчанию) сбросить порт, в который был подключен новый прибор. Этот сброс заставляет новое устройство принимать адрес 0, и хост может затем взаимодействовать с ним напрямую; это взаимодействие приведет к тому, что хост назначит устройству новый (не нулевой) адрес.
Переводчик транзакций
Любой хаб USB 2.0, поддерживающий более высокий стандарт, чем USB 1.1 (12 Мбит/с), будет переводить между более низким и более высоким стандартом, используя так называемый транзакционный переводчик (TT). Например, если устройство USB 1.1 подключено к порту на концентраторе USB 2.0, то TT автоматически распознает и переведет сигналы USB 1.1 на USB 2.0 на подключении. Однако по умолчанию все устройства низкого стандарта используют один и тот же транзакционный переводчик и, таким образом, создают узкое место, конфигурацию, известную как одиночный транзакционный переводчик. В результате были созданы переводчики с несколькими транзакциями (Multi TT), которые предоставляют больше переводчиков с несколькими транзакциями, чтобы избежать узких мест. Обратите внимание, что хабы USB 3.0 в настоящее время не выполняют транзакционный перевод на суперскорость для устройств USB 2.0.
Электронная конструкция
Большинство USB-узлов используют один или несколько интегрированных контроллеров (IC), из которых несколько конструкций доступны у различных производителей. Большинство поддерживают систему с четырьмя узлами, но в отрасли также доступны узлы с использованием 16 контроллеров узлов. USB-автобус позволяет семь каскадных уровней портов. Корневой хаб является первым уровнем, а последние устройства находятся на седьмом уровне, что позволяет иметь пять уровней хабов между ними. Максимальное количество пользовательских устройств уменьшается на количество узлов. При 50 узлах максимальное количество .