USB -концентратор — это устройство, которое расширяет один порт универсальной последовательной шины (USB) на несколько, чтобы было больше портов, доступных для подключения устройств к хост-системе, подобно сетевому фильтру . Все устройства, подключенные через USB-концентратор, разделяют полосу пропускания, доступную этому концентратору. [1]
Физически отдельные USB-концентраторы выпускаются в самых разных форм-факторах : от внешних коробок (похожих на Ethernet-концентратор или сетевой концентратор ) до небольших конструкций, которые можно напрямую подключать к USB-порту (см. изображение «компактной конструкции»). Концентраторы «с коротким кабелем» обычно используют встроенный 6-дюймовый (15 см) кабель, чтобы немного отдалить небольшой концентратор от физической перегрузки портов и увеличить количество доступных портов.
Почти все современные ноутбуки оснащены портами USB, но внешний USB-концентратор может объединить несколько повседневных устройств (например, мышь, клавиатуру или принтер) в один концентратор, что позволит подключать и отключать все устройства одним действием.
Некоторые USB-концентраторы могут поддерживать подачу питания (PD) для зарядки аккумулятора ноутбука, если они имеют автономное питание и сертифицированы для этого, но могут называться простой док-станцией из-за схожей природы, требующей только одного соединения для зарядки аккумулятора и подключения периферийных устройств. Концентраторы могут иметь переключатели питания для отдельных портов, чтобы обеспечить удобное включение и выключение неотвечающих устройств. [2]
Сеть USB состоит из USB-концентраторов, подключенных к USB-портам, которые сами могут быть получены из USB-концентраторов. USB-концентраторы могут расширить USB-сеть до 127 портов. Спецификация USB требует, чтобы питаемые от шины (пассивные) концентраторы не были подключены последовательно к другим питаемым от шины концентраторам. [ необходима цитата ]
В зависимости от поставщика и конструкции порты USB часто располагаются близко друг к другу. Следовательно, подключение устройства к одному порту может физически блокировать соседний порт, особенно когда вилка не является частью кабеля, а является неотъемлемой частью устройства, например, USB-флеш-накопителя . Горизонтальный массив горизонтальных гнезд может быть легко изготовлен, но может привести к тому, что только два из четырех портов будут пригодны для использования (в зависимости от ширины вилки).
Массивы портов, в которых ориентация портов перпендикулярна ориентации массива, как правило, имеют меньше проблем с блокировкой. Внешние концентраторы «Octopus» или «Squid» (с каждым гнездом на конце очень короткого кабеля, часто около 2 дюймов (5 см) длиной), или концентраторы «star» (с каждым портом, смотрящим в разном направлении, как показано на рисунке) полностью избегают этой проблемы.
Длина USB-кабелей ограничена 3 метрами (10 футами) для низкоскоростных устройств USB 1.1. Концентратор может использоваться как активный USB-повторитель для увеличения длины кабеля до 5 метров (16 футов) за раз. Активные кабели (специализированные однопортовые концентраторы со встроенным разъемом) выполняют ту же функцию, но поскольку они питаются строго от шины, для некоторых сегментов, вероятно, потребуются USB-концентраторы с внешним питанием.
Многие концентраторы могут работать как концентраторы с питанием от шины , так и с собственным питанием. Мощность равна напряжению, умноженному на ток. Порт USB, потребляющий 500 мА (0,5 А) при 5 вольтах, потребляет 2,5 Вт мощности.
В USB-концентраторах с питанием от шины каждый USB-порт может подавать питание, а также передавать данные. Концентратор с автономным питанием получает питание от внешнего блока питания и, следовательно, может обеспечивать полную мощность (до 500 мА) для каждого порта. Концентраторы с автономным питанием обычно дороже, чем USB-концентраторы без питания
Концентраторы с автономным питанием могут питать высоковольтные устройства, такие как динамики, принтеры и сканеры. Концентраторы USB с автономным питанием обычно более громоздкие и более дорогие, чем концентраторы USB с питанием от шины.
На рынке есть много несовместимых концентраторов, которые объявляют себя хосту как самопитающиеся, хотя на самом деле питаются от шины. Точно так же есть много несовместимых устройств, которые используют более 100 мА, не объявляя об этом факте. Эти концентраторы и устройства действительно обеспечивают большую гибкость в использовании питания (в частности, многие устройства используют гораздо меньше 100 мА, а многие порты USB могут подавать более 500 мА, прежде чем отключиться из-за перегрузки), но они, вероятно, затруднят диагностику проблем с питанием.
Некоторые концентраторы с автономным питанием не обеспечивают достаточной мощности для подачи нагрузки 500 мА на каждый порт. Например, многие концентраторы с семью портами имеют источник питания на 1 А, тогда как на самом деле семь портов могут потреблять максимум 7 * 0,5 = 3,5 А, плюс питание для самого концентратора. Разработчики предполагают, что пользователь, скорее всего, подключит много маломощных устройств, и только одно или два из них потребуют полных 500 мА. С другой стороны, на упаковке некоторых концентраторов с автономным питанием явно указано, сколько портов могут одновременно подавать полную нагрузку 500 мА. Например, на упаковке концентратора с семью портами может быть указано, что он поддерживает максимум четыре устройства с полной нагрузкой.
Пример расчета потребляемой мощности для многопортового концентратора USB с портом USB PD и портом HDMI, подключенного к смартфону и HDMI:
Концентратор с питанием от шины получает всю свою мощность от интерфейса USB хост-компьютера . Ему не требуется отдельное подключение к питанию. Однако многим устройствам требуется больше мощности, чем может обеспечить этот метод, и они не будут работать в этом типе концентратора. Может быть желательно использовать концентратор с питанием от шины с внешними жесткими дисками с автономным питанием, так как жесткий диск может не останавливаться, когда компьютер выключается или переходит в спящий режим при использовании концентратора с автономным питанием, поскольку контроллер жесткого диска будет продолжать видеть источник питания на портах USB.
Все USB-порты работают при напряжении 5 вольт, но могут потреблять или подавать разное количество электрического тока.
Электрический ток USB распределяется в единицах по 100 мА до максимального значения в 500 мА на порт. Таким образом, совместимый концентратор с питанием от шины может иметь не более четырех портов нисходящего потока и не может предложить более четырех единиц тока по 100 мА в общей сложности для нисходящих устройств (поскольку концентратору требуется одна единица для себя). Если устройство требует больше единиц тока, чем порт, к которому оно подключено, может предоставить, операционная система обычно сообщает об этом пользователю.
Концентраторы с динамическим питанием — это концентраторы, которые могут работать как с питанием от шины, так и с собственным питанием. Они могут автоматически переключаться между режимами в зависимости от того, доступен ли отдельный источник питания или нет. Хотя переключение с питания от шины на питание от собственного источника не обязательно требует немедленного повторного согласования с хостом, переключение с питания от собственного источника на питание от шины может привести к сбросу USB-соединений, если подключенные устройства ранее запрашивали больше мощности, чем доступно в режиме питания от шины.
Чтобы высокоскоростные устройства (USB 2.0) работали в самом быстром режиме, все концентраторы между устройствами и компьютером должны быть высокоскоростными. Высокоскоростные устройства должны переключаться на полную скорость (USB 1.1) при подключении к полноскоростному концентратору (или к старому полноскоростному компьютерному порту). В то время как высокоскоростные концентраторы могут взаимодействовать на всех скоростях устройств, низкоскоростной и полноскоростной трафик объединяются и отделяются от высокоскоростного трафика с помощью транслятора транзакций . Каждый транслятор транзакций выделяет низкоскоростной трафик в свой собственный пул, по сути создавая виртуальную полноскоростную шину. Некоторые конструкции используют один транслятор транзакций (STT), в то время как другие конструкции имеют несколько трансляторов (MTT). Наличие нескольких трансляторов является значительным преимуществом при подключении нескольких высокоскоростных устройств с высокой пропускной способностью. [3]
Важно учитывать, что в обычном языке (и часто в маркетинге продуктов) USB 2.0 используется как синоним высокой скорости. Однако, поскольку спецификация USB 2.0, которая ввела высокую скорость, включает спецификацию USB 1.1, так что устройству USB 2.0 не требуется работать на высокой скорости, любое совместимое полноскоростное или низкоскоростное устройство может по-прежнему маркироваться как устройство USB 2.0. Таким образом, не все концентраторы USB 2.0 работают на высокой скорости.
USB 3.0 — третья основная версия стандарта Universal Serial Bus (USB) для сопряжения компьютеров и электронных устройств. Среди прочих улучшений USB 3.0 добавляет новую скорость передачи данных, называемую SuperSpeed USB (SS), которая позволяет передавать данные со скоростью до 5 Гбит/с (625 МБ/с ), что примерно в 10 раз быстрее стандарта USB 2.0 . Производителям рекомендуется отличать разъемы USB 3.0 от их аналогов USB 2.0, используя синий цвет (Pantone 300C) [4] для розеток и вилок Standard-A [5] и по инициалам SS [6] .
USB 3.1 , выпущенный в июле 2013 года, является преемником стандарта, который заменяет стандарт USB 3.0. USB 3.1 сохраняет существующую скорость передачи данных SuperSpeed , давая ему новое обозначение USB 3.1 Gen 1 , [7] [8] одновременно определяя новый режим передачи данных SuperSpeed+ , называемый USB 3.1 Gen 2 [9] , который может передавать данные со скоростью до 10 Гбит/с через существующие разъемы USB-type-A и USB-C (1250 МБ/с, вдвое больше скорости USB 3.0). [10] [11]
USB 3.2 , выпущенный в сентябре 2017 года, заменяет стандарт USB 3.1. Он сохраняет существующие режимы передачи данных USB 3.1 SuperSpeed и SuperSpeed+ и вводит два новых режима передачи данных SuperSpeed+ через разъем USB-C с использованием двухполосной работы со скоростью передачи данных 10 и 20 Гбит/с (1250 и 2500 МБ/с).
USB4 Gen 4 со скоростью передачи данных 80 и 120 Гбит/с (10 000 и 15 000 МБ/с).
Каждый концентратор имеет ровно один восходящий порт и несколько нисходящих портов. Восходящий порт соединяет концентратор (напрямую или через другие концентраторы) с хостом. Другие концентраторы или устройства могут быть подключены к нисходящим портам. Во время обычной передачи концентраторы по сути прозрачны: данные, полученные с его восходящего порта, транслируются на все устройства, подключенные к его нисходящим портам (иллюстрированно описанные в спецификации USB 2.0 на рисунке 11-2, Hub Signalling Connectivity). Данные, полученные с нисходящего порта, обычно пересылаются только на восходящий порт. 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). Нисходящая маршрутизация была изменена в USB 3.0 с добавлением маршрутизации точка-точка: строка маршрута, отправленная в заголовке пакета, позволяет хосту USB 3.0 отправлять нисходящий пакет только на один порт назначения, что снижает перегрузку и энергопотребление. [12]
Концентраторы не являются прозрачными при работе с изменениями в статусе портов нисходящего потока, такими как вставка или удаление устройств. В частности, если порт нисходящего потока концентратора меняет статус, это изменение обрабатывается во взаимодействии между хостом и этим концентратором; при этом любые концентраторы между хостом и «измененным концентратором» действуют как прозрачные.
Для этой цели каждый концентратор имеет одну конечную точку прерывания "1 IN" (адрес конечной точки 1, направление от концентратора к хосту), используемую для сигнализации об изменениях в состоянии портов нисходящего потока. Когда кто-то подключает устройство, концентратор обнаруживает напряжение на D+ или D− и сигнализирует хосту о вставке через эту конечную точку прерывания. Когда хост опрашивает эту конечную точку прерывания, он узнает, что новое устройство присутствует. Затем он инструктирует концентратор (через канал управления по умолчанию) сбросить порт, к которому было подключено новое устройство. Этот сброс заставляет новое устройство принять адрес 0, и хост затем может взаимодействовать с ним напрямую; это взаимодействие приведет к тому, что хост назначит устройству новый (ненулевой) адрес. [13] [14]
Любой концентратор USB 2.0, поддерживающий более высокий стандарт, чем USB 1.1 (12 Мбит/с), будет транслировать между более низким стандартом и более высоким стандартом, используя то, что называется транслятором транзакций (TT). Например, если устройство USB 1.1 подключено к порту концентратора USB 2.0, то TT автоматически распознает и транслирует сигналы USB 1.1 в USB 2.0 на восходящем канале. Однако по умолчанию все устройства более низкого стандарта используют один и тот же транслятор транзакций и, таким образом, создают узкое место, конфигурацию, известную как транслятор одной транзакции . Следовательно, были созданы трансляторы нескольких транзакций (Multi-TT), которые предоставляют больше трансляторов транзакций, чтобы избежать узких мест. [15] Обратите внимание, что из-за природы концентраторов USB 3.0 у них есть отдельная логика для данных USB 3.0 и 2.0, и поэтому они сообщают об устройстве HUB для обоих протоколов.
Большинство USB-концентраторов используют один или несколько интегрированных контроллеров (ИС), несколько конструкций которых доступны от разных производителей. Большинство поддерживают четырехпортовую систему концентраторов, но в отрасли также доступны концентраторы, использующие 16-портовые контроллеры концентраторов. [ требуется цитата ] Шина USB допускает семь каскадных уровней портов. Корневой концентратор является первым уровнем, а последние устройства находятся на седьмом уровне, что позволяет разместить между ними пять уровней концентраторов. Максимальное количество пользовательских устройств уменьшается на количество концентраторов. При подключении 50 концентраторов максимальное количество составляет 127 − 50 = 77. [ 16]
отдельные выключатели питания портов
Большинство производителей ПК маркируют каждый порт USB с помощью логотипа типа USB [...] Логотип USB 2.0 представляет собой трезубец, а логотип USB 3.0 представляет собой похожий трезубец с прикрепленными буквами «SS» (что означает SuperSpeed).[ требуется проверка ]
