Юрий Ревич - 1001 совет по обустройству компьютера
В USB применяется кодирование данных NRZI (Non Return to Zero Invent). В этом методе кодирования изменение уровня напряжения соответствует 0, а его отсутствие – 1. Последовательность нулей означает переход с одного уровня на другой каждый квант времени; последовательность единиц означает длительный промежуток времени, при котором изменения данных не происходит. При таком способе отменяется необходимость в дополнительных синхроимпульсах (по отдельной «проволоке», как в PS/2, или в виде стартовых-стоповых битов, как в СОМ), которые занимали бы время и снижали пропускную способность шины.
Теоретически повсеместно устанавливаемые сейчас порты по стандарту USB 2.0 поддерживают скорость до 480 Мбит в секунду (60 Мбайт/с), хотя на практике с такими скоростями справляются лишь немногие устройства. Причем стандарт USB 2.0 предусматривает два режима работы: HR (высокоскоростной) и FS (низкоскоростной, по сути – USB 1.1 со скоростью до 12 Мбит/с). В самом деле, зачем мышам 480 Мбит/с?
Максимальная длина кабеля между двумя работающими на предельной скорости устройствами (или устройством и концентратором) – 5 метров, но может быть и до 10, в зависимости от качества его изготовления. Чтобы увеличить дальность, приходится ставить промежуточные хабы или просто усилители сигнала. Последние бывают двух типов: пассивные (с питанием от предыдущего концентратора) и активные (с собственным источником питания, иногда более мощным, чем предусматриваемый стандартом 0,5-амперный).
Стандартом предусматривается несколько типов разъемов USB (рис. 3.5): А, В, mini-А и mini-B, miniAB (универсальный), в 2007 году появились и Micro-USB A, B и AB. Разъем типа А (плоский) устанавливается со стороны ведущего устройства, а типа В (квадратный) – ведомого, соответственно, большинство соединительных кабелей и имеют эту конфигурацию: А-В.
Рис. 3.5. Разъемы USB на кабеле, слева направо: microUSB AB, miniUSB AB, тип B, тип A (гнездо удлинителя USB), тип A (вилка)
С mini-USB все не так однозначно. Разъемы Mini-A употребляются редко (все миниатюрные устройства, как правило, являются ведомыми), потому для них даже не предусмотрено отдельной конфигурации, все mini-гнезда одинаковы (с оговорками, о которых далее) и различаются лишь цветом пластмассы (mini-A – белый, mini-B – черный, mini A/B – серый). Но так утверждает стандарт, на практике же по части mini-USB-разъемов существует неприятный разброд среди производителей. Теоретически стандартом предусматривается 5-контактный разъем mini-USB (5-й контакт, точнее, 4-й по порядку, никуда не подключается). Но я встречал как минимум три разновидности mini-USB – 5-контактный, и более узкие 4-контактные двух разновидностей. Сейчас эта пестрота, впрочем, сходит на нет – все новые устройства снабжаются стандартными разъемами, они одинаковы и для мобильников, и для цифровых камер, и для КПК, потому взаимозаменяемы по соединительным кабелям. Все USB-разъемы спроектированы так, чтобы шины питания входили в контакт первыми – тем самым обеспечивается беспроблемное «горячее» подключение.
В 2008 году появилась окончательная спецификация USB 3.0, предусматривающая скорости передачи до 4,8 Гбит/с и повышение максимального тока по линии питания до 0,9 А, но в практику она пока внедряется медленно. Разъемы USB 3.0 типа A совместимы с USB 2.0, но легко отличаются от них наличием дополнительного ряда контактов в глубине разъема. А вот разъемы типа B и micro-USB могут быть несовместимыми как минимум в одну сторону – например, кабель micro-USB 3.0 вставить в USB 2.0-устройство не получится (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Кабель с разъемом micro-USB 3.0
Секреты мобильного USBВо многих дешевых моделях мобильных телефонов и по сей день нет настоящего USB-порта – вместо него используется обычный последовательный порт, замаскированный под разъем mini-USB (или иной, часто собственной фирменной конфигурации). Через такой порт вы иногда можете даже подзаряжать телефон от компьютера вместо зарядного блока, но Windows не сможет обнаружить подключенное устройство – в последовательном порту нет для этого средств. Для общения с компьютером такого мобильника придется приобретать специальный переходной кабель, ценой обычно около 20 долларов, аналогичный тем, что используются в переходниках USB-COM, и устанавливать драйвер под используемую в кабеле микросхему сопряжения. Потому я советую обращать внимание на эту особенность при покупке мобильного телефона, который вы планируете использовать, например, в качестве модема – требование специального кабеля с драйвером приводит к значительным неудобствам в эксплуатации, и часто бывает проще в таких случаях использовать беспроводные средства связи вроде Bluetooth.
3.2. Голубой зуб
Первоначально поклонники датского конунга Х века Харальда I Синезубого, работавшие в фирме Ericsson, предполагали использовать свою разработку для построения беспроводных сетей. Только в отличие от Wi-Fi, прямо предназначенного для замены проводного Ethernet, Bluetooth (IEEE 802.15.1) не замахивался так высоко – сети, для которых он был предназначен, получили название «персональных» (WPAN, Wireless Personal Area Network). Предполагалось, что это будут сети масштаба комнаты или офиса – радиус действия Bluetooth не превышал 10 метров, и одновременно в сеть могли быть объединены до 8 устройств (одно главное, ведущее – Master, и еще 7 ведомых – Slave).
Конечно, сети на основе Bluetooth тоже выстраивают – особенно с вводом нового стандарта IEEE 802.15.3, базирующегося на той же технологии, что и Bluetooth, но имеющего радиус действия до 100 м (уже масштаба здания, как и Wi-Fi) и позволяющего подключать значительно большее число общающихся между собой устройств. Но сложилось так, что больше распространен оригинальный Bluetooth (IEEE 802.15.1), который стал использоваться в значительной степени, как замена интерфейсов парных соединений «точка-точка» – проводных COM и USB, а также очень неудобного на практике инфракрасного порта IrDA, хоть и беспроводного, но требовавшего прямой видимости устройств, да еще и в определенной ориентации друг к другу.
На практике Wi-Fi и Bluetooth конкурируют между собой слабее, чем это можно было предположить, и вытеснения одного другим пока что не предполагается: каждый занимает свою нишу. Приемопередатчики Bluetooth имеют маленькую мощность (порядка 1 мВт), сейчас стали совсем дешевыми и встраиваются не то что в сотовые телефоны, но даже в головные беспроводные гарнитуры, есть и Bluetooth-клавиатуры или мыши (хотя большинство таких устройств использует проприетарный радиоинтерфейс). В таких задачах, как переслать с мобильника на мобильник телефонный номер из записной книжки – здесь Bluetooth пока вне конкуренции, в силу крайней простоты его использования.
Семьдесят девять синих зубов«Синий зуб» работает в том же самом частотном диапазоне 2400–2483,5 МГц, что и Wi-Fi, предназначенном для безлицензионного использования в промышленности, науке и медицине (Industry, Science and Medicine, ISM). Но в Bluetooth используется совершенно иной механизм передачи на физическом уровне, чем в Wi-Fi, – вместо хитрых способов фазовой модуляции применяется более простая частотная манипуляция, когда логический ноль передается частотой на 160 кГц ниже базовой, а логическая единица – на 160 кГц выше. Ширина канала получается 320 кГц, а всего в диапазоне в большинстве стран, в том числе и России, выделяют 79 каналов (а вот во Франции каналов всего 23). При этом для снижения помех частота передачи все время меняется (каждые 625 мкс или 1600 раз в секунду) между этими каналами по псевдослучайному закону – это т. н. метод FHSS, Frequency Hop Spread Spectrum, расширение спектра при скачкообразном изменении частоты (тот же самый метод используется и в системах спутниковой навигации).
Когда частота сигнала все время меняется случайным образом, мы не только получаем хороший шанс избежать помехи (если помеха помешала нам в одном из каналов, то передача тут же будет повторена в другом), но и сами минимально влияем на другие устройства в том же диапазоне. Поэтому, например, в помещении могут работать одновременно устройства Bluetooth и Wi-Fi, не мешая друг другу. Остается вопрос о том, как синхронизировать передающее устройство и приемное, – если закон изменения частоты случайный, то попасть «друг в друга» они смогут также только случайно. Поэтому сигнал оказывается не истинно случайным, а псевдослучайным – генератор таких сигналов выдаст вам случайную последовательность, которая, однако, всегда будет одна и та же, если начать отсчет сначала. Во всех устройствах Bluetooth стоят идентичные генераторы со счетчиками, отсчитывающими, сколько раз уже произошло изменение частоты с момента включения. Ведомому устройству достаточно получить перед началом связи значение счетчика ведущего и начать отсчет с того же значения. Тогда все дальнейшие скачки частоты будут синхронизированы.
Простота организации связи по каналу Bluetooth, впрочем, оборачивается не слишком высоким уровнем безопасности. В силу небольшого радиуса действия, разработчики IEEE 802.15.1 не стали заморачивать себе голову проблемами капитальной защиты канала – о том, чтобы снабжать Bluetooth-каналами мобильные телефоны, в 1998 году, когда вышел первый вариант стандарта, и речи еще не было. Шифрование используется, но ключ передается открыто, и его ничего не стоит перехватить. Действительность заставила производителей горько об этом пожалеть: самый, вероятно, громкий скандал, связанный со взломом Bluetooth, произошел весной 2005 года, когда в Интернете был опубликована телефонная книга Пэрис Хилтон – светской львицы, знакомой чуть ли не со всеми знаменитостями США. А более мелкие неприятности случаются постоянно.
