Как работает usb кабель. Как работает USB-концентратор? Принцип работы шины USB

Почитав вот этот пост и сопутствующую ему дискуссию, я решил попробовать внести ясность в то, что такое USB Power Delivery и как это работает на самом деле. К сожалению у меня сложилось впечатление, что большинство участников дискуссии воспринимают 100 ватт по USB слишком буквально, и не до конца понимают что за этим стоит на уровне схематики и протоколов.

Итак, кратко – основные пункты:

USB PD определяет 5 стандартных профилей по электропитанию – до 5V@2А, до [email protected]А, до 12V@3А, до 12-20V@3А и до [email protected]А
Кабели и порты для Power Delivery сертифицируются и имеют дополнительные пины в разьеме
Тип кабеля и его соответствие профилю определяются автоматически через дополнительные пины и определение типа USB коннектора (микро, стандарт, A, B и т.д.)
Обычные USB кабели (не Power Delivery) сертифицируются только по первому профилю до 5V@2A
При подключении распределяются роли, между тем кто дает ток (Source / Источник ) и кто потребляет (Sink / Приемник )
Источник и Приемник обмениваются сообщениями по специальному протоколу, который работает параллельно традиционному USB
В качестве физического носителя протокол использует пару – VBus / GND. Именно поэтому Power Delivery не зависит от основного USB протокола и обратно совместим с USB 2.0 и 3.0
Используя сообщения, источник и приемник могут в любой момент времени меняться ролями, изменять силу тока и/или напряжение, уходить в спячку или просыпаться, и т.д.
По желанию устройства могут поддерживать управление PD через традиционные USB запросы, дескрипторы и т.д.

Под катом - детали.

О кобелях Про кабели

USB Power Delivery работает с шестью типами коннекторов:

Соответственно попарно допустимы следующие виды соединений

USB 3.0 PD Standard-A <-> USB 3.0 PD Standard-B plug
USB 3.0 PD Standard-A <-> USB 3.0 PD Micro-B plug
USB 3.0 PD Micro-A <-> USB 3.0 PD Micro-B plug
USB 3.0 PD Micro-A <-> USB 3.0 PD Standard-B plug
USB 2.0 PD Standard-A <-> USB 2.0 PD Standard-B plug
USB 2.0 PD Standard-A <-> USB 2.0 PD Micro-B plug
USB 2.0 PD Micro-A <-> USB 2.0 PD Micro-B plug
USB 2.0 PD Micro-A <-> USB 2.0 PD Standard-B plug

Отдельно стоит заметить что спецификация прямо запрещает извращения с несколькими коннекторами на одной из сторон соединительного кабеля, что достаточно логично, учитывая токи до 100 ватт. С другой стороны использование переходников и адаптеров не возбраняется при условии что они соответствуют профилю электропитания, и не закорачивают экран кабеля на его землю.

Про порты

После сертификации USB PD порты маркируются следующим образом:

Данное лого информирует о версии USB (2.0 или 3.0 SuperSpeed), а также о профилях электропитания которые поддерживает данный порт. Значение ”I” означает потребляемый профиль, необходимый для полноценного функционирования устройства, а значение «О» то какой профиль порт может предоставить. Примеры маркировки портов:

Первый порт поддерживает USB2. Он может давать питание по Профилю 1 (2A@5V) и использует Профиль 3 (5V@2A или 12V@3A) для полноценного функционирования. Например порт для планшета или нетбука.
Второй порт поддерживает USB2. Он может давать питание по Профилю 2 (2A@5V или [email protected]) и использует Профиль 4 (5V@2A или 12V@3A или 20V@3A) для полноценного функционирования. Например порт для ноутбука или лаптопа.
Третий порт поддерживает USB3. Он только дает питание по Профилю 1 (5V@2A). Сам он по VBus не запитывается. Например порт десктопа, монитора, телевизора, и т.д.
Четвертый порт поддерживает USB3. Как и в первом примере он может давать питание по Профилю 1 (5V@2A) и сам требует питание по Профилю 3 для полноценного функционирования (5V@2A или 12V@3A). Пример придумайте сами:)

Физический канал

USB PD определяет принципиальную схему физической организации соединения посредством кабеля следующим образом:

Как видно из схемы, USB PD также требует чтобы и в источнике и в приемнике были реализованы схемы определения падения/скачка напряжения, а так же методы определения разряженной батареи для случаев когда одна из сторон не может запитаться от своего внутреннего источника.

В качестве алгоритмов для определения разряженной батареи предлагаются следующее. Если одна из сторон выставляет сопротивление в 1кОм между экраном и землей, это свидетельствует о том что ее батарея разряжена. В такой ситуации другая сторона берет на себя роль источника и начинает отдавать минимальные 5В, чтобы дать через VBus питание противной стороне и начать обмен сообщениями по протоколу USB PD.

Как уже упоминалось ранее, для обмена сообщениями USB PD протокол использует линию VBus. Ниже приведена блок-схема, определяющая ключевые функциональные элементы передатчика:

И соответственно такая же блок-схема для приемника:

Сериализированная кодировка 4b5b и декодировка 5b4b подразумевает что все данные по шине, кроме преамбулы пакета, передаются пятибитными последовательностями в соответствии c таблицей кодировки, определяемой стандартом. Каждая такая последовательность кодирует либо одну из 16 цифр (0x00..0x0F), либо сигналы начала / синхронизации / сброса и конца пакета. Таким образом передача одного байта занимает 10 бит, 16-битного слова – 20 бит и 32-битного двойного слова – 40 бит и т.д.

Логический канал

USB PD протокол основывается на последовательных парах типа запрос-ответ. Запросы и ответы пересылаются с использованием пакетов. Пакеты состоят из преамбулы (фаза подготовки к передаче), начала пакета SOP (три сигнала Sync-1 и завершающий Sync-2 в кодировке 4b5b), заголовок, 0..N байт полезной нагрузки, контрольной суммы (CRC-32) и сигнала конца пакета (одиночный сигнал EOP):

Как было упомянуто выше, преамбула не кодируется в 4b5b. SOP, CRC и EOP кодируются 4b5b на физическом уровне, заголовок и полезная нагрузка кодируются на уровне логического протокола.
Сброс шины производится путем посылки трех сигналов RST1 и завершающего сигнала RST2, в соответствии с кодировкой 4b5b.

Протокол

Все USB PD сообщения состоят из заголовка и порции данных произвольной длины. Сообщения либо генерируются на уровне логического протокола и затем пересылаются на физический уровень, либо принимаются на физическом уровне и затем пересылаются на уровень логического протокола.

Заголовок сообщения имеет фиксированную длину 16 бит и состоит из следующих полей:

Сообщения бывают двух видов – управляющие (control) и информационные (data).

Управляющие сообщения

Контрольные сообщения состоят только из заголовка и CRC. Количество объектов данных для таких сообщений всегда устанавливается в 0. Типы управляющих сообщений USB PD представлены в таблице ниже:

Отдельно следует упомянуть что поля вида tSourceActivity , tSinkRequest и т.д. - это константы, значения которых глобально заданы самой спецификацией в отдельной главе. Сделано это потому что они определялись опытным путем в результате прототипирования, и найденные оптимальные значения просто подставили в отдельную главу, чтобы не рыскать по всей спецификации.

Информационные сообщения

Данный вид сообщений предназначен для получения детальной информации об источнике или приемнике, а также для передачи запрашиваемых характеристик электропитания – сила тока, напряжение и т.д. Информационные сообщения всегда содержат ненулевое значение в поле ”Number of Data Objects”.

Спецификация определяет четыре вида информационных сообщений:

Power Data Objec t (PDO) – используется для описания характеристик порта источника или требований приемника
Request Data Object (RDO) – используется портом приемника для установки соглашения по характеристикам электропитания
BIST (Built In Self Test) Data Object (BDO) – используется для тестирования подключения на соответствие требованиям спецификации для физического соединения
Vendor Data Object (VDO) – используется для передачи нестандартной, дополнительной или иной проприетарной информации определяемой производителем оборудования и выходящей за рамки спецификации USB PD.

Виды информационных сообщений кодируются в поле ”Message Type” заголовка сообщения следующим образом:

Сообщение о характеристиках

Порт источника всегда обязан сообщать свои характеристики приемнику путем передачи серии 32-битных объектов PDO. Информация переданная посредством этих объектов используется для определения возможностей источника, в том числе включая возможность работать в режиме приемника.
Сообщения о характеристиках представляются в виде одного или нескольких объектов следующих за заголовком:

Сообщения о характеристиках передаются:

От источника к приемнику через определенный временной интервал, при непосредственном подключении кабеля. Источник должен продолжать посылать сообщения на протяжении одной минуты после подключения до тех пор пока не будет установлено успешное соглашение по электропитанию, либо приемник не вернет RDO с флагом Capability Mismatch – несоответствие характеристик.
От источника к приемнику с целью принудительного переустановления соглашения по электропитанию или смены характеристик.
В ответ на управляющие сообщения Get_Source_Cap или Get_Sink_Cap

Каждый объект PDO должен характеризовать отдельный элемент электропитания, входящего в состав устройства на максимально допустимых для него значениях напряжения. Например, встроенная батарея 2.8-4.1V, стационарный блок питания 12V и т.д. Все элементы электропитания должны поддерживать как минимум 5V и соответственно каждый источник должет иметь хотя бы один PDO соответствующий профилю с характеристиками 5V.

PDO соответствующий элементу с постоянным типом электропитания 5V всегда должен идти первым в цепочке объектов.

Структура объекта PDO:

Для каждого типа электропитания предлагаются различные характеристики.

Постоянный тип электропитания, напряжение постоянное. Источник должен иметь хотя бы один такой элемент:

Программируемый тип электропитания, напряжение может регулироваться путем запросов в пределах между минимальным и максимальным:

Вариативный тип электропитания, напряжение может изменяться в заданных пределах абсолютного минимума и абсолютного максимума, но не может регулироваться:

Батарея , данный тип используется для обозначения батарей которые могут быть напрямую подключены к линии VBus:

Сообщение о запросе

Сообщения о запросах передаются приемником к источнику для передачи своих требований в фазе установления соглашения по электропитанию. Данное сообщение посылается в ответ на сообщение о характеристиках и должно содержать один и только один объект запроса данных – RDO, который описывает информацию о требуемых характеристиках электропитания для приемника.

Данный запрос имеет два типа, в зависимости от адресуемого типа элемента электропитания, переданного в сообщении о характеристиках источника. Для запросов к элементу электропитания постоянного или вариативного типа, либо батареи поля ”Operating Current / Power” и ”Total Current / Prog Voltage” интерпретируются одним путем, а для запросов к элементу программируемого типа – другим путем, так как в этом случае запрашивается и напряжение, и сила тока.

Структура объекта RDO:

На мой взгляд данной информации достаточно, чтобы получить хорошее представление о принципах работы USB Power Delivery. Я сознательно не стал углубляться в дебри, связанные с таймерами, счетчиками и обработкой ошибок.

Взаимодействие с традиционным USB

Как уже было упомянуто выше, Power Delivery – это самостоятельная подсистема, которая функционирует параллельно и независимо от канонического USB. Тем не менее, в случаях когда устройства реализуют оба протокола – и USB и Power Delivery, спецификация рекомендует реализацию т.н. System Policy Manager или SPM, компонента который может контролировать оборудование USB PD посредством традиционных запросов USB.

Для систем с поддержкой SPM, спецификация рекомендует предоставить PD информацию посредством специальных типов USB дескрипторов. Не считаю нужным в них детально углубляться, просто перечислю их названия:

Power Delivery Capability Descriptor , является составной частью BOS дескриптора и сообщает о том поддерживает ли устройство зарядку батареи через USB, поддерживает ли оно стандарт USB PD, может ли оно выступать источником питания, и может ли оно быть приемником. Кроме того данный дескриптор содержит информацию о количестве портов-источников, портов-приемников и версии поддерживаемых спецификаций USB Battery Charging и Power Delivery.
Battery Info Capability Descriptor , требуется для всех устройств заявивших батарею в качестве одного из элементов электропитания. Содержит информацию о названии, серийном номере и производителе батареи, ее емкости, а также о пороговых значениях тока в заряженном и разряженом состоянии.
PD Consumer Port Capability Descriptor , требуется для всех устройств которые заявили поддержку хотя бы одно порта-приемника. Содержит информацию о поддержке стандартов Power Delivery и Battery Charging, минимальное и максимальное напряжение, операционную мощность, максимальную пиковую мощность и максимальное время, которое оно может эту пиковую мощность потреблять
PD Provider Port Capability Descriptor , требуется для всех устройств которые заявили поддержку хотя бы одного порта-источника питания. Содержит информацию о поддержке стандартов Power Delivery и Battery Charging, а так же список всех PDO объектов, характеризующих элементы электропитания доступных устройству.
PD Power Requirement Descriptor , требуется для всех устройств-приемников поддерживающих USB PD. Каждое устройство должно возвращать хотя бы один такой дескриптор в составе дескриптора конфигурации. Этот дескриптор должен идти сразу после первого дескриптора интерфейса. В случае когда их несколько, он должен идти после каждого первого дескриптора интерфейса функции, если используется IAD, или в случае композитного устройства без IAD, непосредственно после каждого дескриптора интерфейса, и до endpoint дескрипторов.

Для управления USB Power Delivery через запросы USB, в случае если устройство поддерживает Power Delivery класс, спецификация предлагает команды, которые могут использоваться для передачи PD запросов и объектов посредством USB, то есть через шину данных. Сводная таблица дана ниже:

Заключение

Надеюсь что данным постом я подогрел интерес публики к USB Power Delivery. Скромно замечу, что автор имеет непосредственное отношение к данной спецификации, поэтому готов ответить на любые вопросы по Power Delivery в частности и USB в общем.

Сегодня, пользователь ПК знает, что есть возможность подключить свои системы широкого спектра внешних устройств: не только принтеры и модемы, но и сканеры, видеокамеры, портативные запоминающие устройства, КПК и множество других периферийных устройств. Но в течение длительного времени любой, кто пытался сделать это, было затруднено отсутствием подходящих портов ввода / вывода.

В наш век инновационных технологий ни один человек не представляет свою жизнь без компьютера. Но что делать, если с ним возникли проблемы? Не всегда, даже самый продвинутый пользователь, в состоянии с справиться в одиночку в проблемами компьютера. Поэтому наша компьютерная помощь Перово предлагает свои услуги с выездом в любую точку Перово, ремонт компьютеров для вас, где бы Вы ни находились

Долгое время единственным универсальным интерфейсом для ПК был SCSI, дорогой вариант оправданный только для высокой пропускной способности устройств. Для периферийных устройств как правило, требуется либо последовательный или параллельный порт, или используется фирменный интерфейс.
Разработанные изначально для принтеров и модемов, последовательные и параллельные порты компьютера оставляют желать лучшего как общие цели интерфейса. Их скорость передачи данных низкая (максимальная 115Kbit/sec для последовательного порта, до 400KB/sec для параллельного интерфейса), и каждое устройство требует своего собственного аппаратного прерывания (IRQ), которое ограничивает количество возможных расширений. И не было никакой надежды на достижение подключения и работы с этими интерфейсами, это и является существенным, если присоединение периферийных устройств к ПК должно быть сделано так, что может быть достигнуто путем нетехнических пользователей.
Необходимость средних скоростей, недорогого в подключении интерфейса, который может использоваться для подключения практически неограниченного числа устройств в конце концов признали, и нашли решение Universal Serial Bus — USB .
Дизайн цели
USB был разработан, чтобы позволить большому количеству (до 127) с низкой и средней скоростью периферийных устройств для установки на ПК, с максимальной скоростью передачи 12Mbit/sec . USB никогда не был предназначен для альтернативы SCSI порта, но всё же он намного быстрее, чем последовательный или параллельный порты.
Особое внимание было уделено нуждам аудио и видео устройствам, для которых было предусмотрено большее значение производительности для следующего поколения персональных приложений. Дизайн USB предоставляет собой изохронные данные, которые будут поставляться без задержек и которые могут отрицательно повлиять на качество изображения и речи.
USB интерфейс был разработан, чтобы просто подключить и работать. Устройства могут быть добавлены и удалены даже при работающей системе, что позволяет избежать необходимости перезагрузки системы и её перенастройки. Технические вопросы, такие как назначение устройству идентификатора,которые заботятся об аппаратной и программной архитектуре, так что эти общие источники не будет проблемой и ошибкой конфигурации. Была введена и система для энергосбережения, позволяя устройствам быть приостановленными.
Типичные устройства USB , требующие низкой и средней пропускной способности. На нижнем конце диапазона пропускной способности, USB может быть использовано для подключения клавиатуры и мыши к компьютеру. На верхнем, сканеры, устройства резервного копирования или камеры для видео-конференц-приложений которые могут использовать USB , что исключает необходимость для собственных интерфейсных плат и связанную с ними установку и проблемы настройки.
Архитектура шины, в которой данные для различных устройств путешествует по тому же кабелю, также имеет потенциал для упрощения связей. Например, мышь может подключаться к клавиатуре, и один кабель будет затем связывать их с ПК . Хотя мониторам по-прежнему необходим аналоговый кабель VGA, отдельное звено USB позволит мониторам работать от программного обеспечения на ПК , а не на экране. В случае с мультимедийным монитором, аудио-данные для встроенных динамиков и микрофона также могут быть отправлены по тому же кабелю.
Физический уровень
USB-устройства соединяются вместе с помощью недорогого белого четырёх жильного кабеля с волновым сопротивлением 90 Ом. USB-устройства могут быть как с автономным питанием (с собственным автономным питанием) или с питанием от шины. Одна из пар проводов в кабеле USB используется для передачи питания + 5: контакт 1 несет напряжение питания +5 В, контакт 4 общий. Существуют два класса с питанием устройства от шины. Маломощные приборы могут потреблять не более 100 мА тока, в то время приборы большой мощности могут потреблять до 500 мА. Вторая пара проводов, D + и D-на выводах два и три, является витая пара используемая для передачи данных. Данные провода используют дифференциальную передачу сигналов: и несут сигнал по отношению к земле, переход происходит, когда две линии передачи данных от обратной полярности по отношению друг к другу. Это дает лучшую устойчивость к шуму, чем обычный однотактный логический сигнал.
Данные отправляются как синхронный последовательный поток битов, закодированных с помощью NRZI (0 представлен переход сигнала и 1 в переходный период.) Бит используется, чтобы гарантировать, что переходы происходят достаточно часто,так что приемники не теряют синхронизацию. Временные сигналы передаются вместе с данными, синхронизация поля предшествует каждому пакету данных.
USB работает на двух разных скоростях. Полная скорость даёт пропускную способность 12Mbit/sec. На такой скорости, экранированный кабель должен быть использован для получения адекватной помехоустойчивости и предотвращения электромагнитных помех (EMI). Экранированный кабель около 5 мм. в диаметре, сегменты кабеля могут иметь максимальную длину 5 метров.
Для приложений, требующих низкую пропускную способность, имеется более низкая скорость работы. Это позволяет сдлеать немного тоньше и дешевле неэкранированный кабель, который будет использоваться. Длина кабеля уменьшается на неэкранированном кабеле и максимально может быть 3м. Для предотвращения сигнала высокая скорость передается через неэкранированный кабель (что приведет к EMI) и, чтобы избежать риска устройств с низкой скоростью передачи данных неправильного определения полной скорости передачи данных в виде команд, которым они должны отвечать, связи с низкой скоростью устройств отключены в то время когда используется полная сигнализация скорости.
Два типа вилка и розетка, известный как серия А и серия B, которые заданы для USB портов. Серия вилка и розетка, предназначены для использования с устройствами, к которым прочно прикреплен внешний кабель, например, клавиатура, мышь и концентраторы. Серия B разъемов используются, когда кабель USB съемный, как в случае принтеров, сканеров и модемов. Эти два типа не являются взаимозаменяемыми.
Серия B имеет разъемы 10.6mm х 12.0mm с контактными углублениями. Как вилки так и розетки имеют небольшие размеры,так что порты USB устанавливаются на ноутбуки, а также настольные ПК , так как технология становится все более распространенной. USB-портам назначаеться графический значок, показанный на рисунке.

Продолжение статьи следует, читаем в следующих статьях.

Источник данных - или контроллер или устройства в зависимости от направления - то посылается пакет данных. В большинстве случаев операция завершается назначением отправки данных Пакеты ACK, указывают на данные которые были приняты, НАК, указывают, что данные не были приняты, или STALL, который сигнализирует о том, что конечная точка застопорилась.

Движение на USB регулируется единицей времени кадра. Длина каждого кадра определяет время,и работает на скорости 1 кГц, поэтому есть 1000 кадров в секунду: одна в миллисекунду. В начале каждого фрейма начала кадра (SOF) пакет отправляется по шине, что позволяет изохронным устройствам сделать синхронизацию с каналом связи.
Концепция кадров имеет ключевое значение для того, что бы канал связи имел пропускную способность шины между различными конкурирующими устройствами. USB-разработчики считают, что было бы невозможно поддерживать несколько одновременных потоков изохронной связи с быстрыми темпами образца с помощью системы, в которой каждое устройство должно прерывать хост для каждой выборки данных, которые будут переданы. Поэтому они разработали систему так, чтобы изохронные устройства имели гарантированное полосы пропускания путем выделения им доли времени в каждом кадре.
По меньшей мере 10 процентов каждого кадра зарезервированы для использования в управляющих передачах. Эта доля может быть увеличена путем системного программного обеспечения, если производительность будет признана маленькой путём контроля пакетов, которые чрезмерно задерживаются. Максимальная непрерывная пропускная способность выше скорости USB должна быть менее 90 процентов скорости передачи.
Часть или всё оставшееся время в каждом кадре можно передать по каналам связи изохронных устройств. Фактическая доля выделяемых каждому каналу связи заранее оговорено, когда канал связи установлен. Это гарантирует, что определенный объем данных может быть передаваться каждую миллисекунду. Любая оставшаяся пропускная способность доступна для других типов передачи.
Изохронные устройства должны иметь буфер данных и один кадр и возможность отправить каждому блоку по шине в качестве одной транзакции. На приемном конце небуферизованные данные восстановливаются в режиме реального времени. Например, аудио устройство работает с CD-качеством и частотой дискретизации 44,1 кГц пошлет девять кадров с 44 выборками на кадр, а затем один кадр с 45 образцами. После буферизации на источник и unbuffering в пункте назначения будет задержка пару миллисекунд в предоставлении данных, но скорость доставки - которая, что важно для сохранения качества - будет сохранена.
Прерывание перевода также в определенной степени имеет критическое время. Когда создаются каналы связи для прерывания конечной точки, требуемый период доступа к шине от 1 до 255ms (10 и 255ms в случае низкой скорости устройств) не указан. Системное программное обеспечение опрашивает прерывание конечной точки в интервале, который гарантирует, что если операция прерывание еще не завершена она рассматривается в течение желаемого периода времени.
Обработка ошибок
Значительные функции проверки ошибок и обработки ошибок были встроены в USB , чтобы гарантировать, что это надежный способ подключения периферийных устройств к ПК. Целостность данных должна быть сопоставима с внутренней шиной расширения.
Иммунитет от повреждения данных благодаря шуму был обеспечен за счет использования дифференциальной логики каналов связи и экранированным кабелям. Если ошибки происходят, циклическая избыточная проверка (контрольные суммы) проводится отдельно на каждом контрольном поле данных пакетов,и позволяет на 100 процентов восстановлению как одиночной, так и двойных ошибок бита. Неустранимые ошибки могут быть обнаружены с высокой степенью достоверности.
Механизм самовосстановления встроен в протокол обмена сообщениями, с тайм-аутом для потерянных и недействительных пакетов. Некоторые ошибок встроены в аппаратные средства. Хост-контроллер будет отправлять транзакции приводящие к краху три раза, прежде чем сообщить об ошибке клиентского программного обеспечения.
Прерывание и передача данных объединяются в пакет, что бы предоставить подтверждение того, что данные были получены, или опросить, чтобы он был повторно отправлен, если этого не было. Таким образом гарантируется доставка этих данных, даже если время, необходимое для доставки меньше.
С изохронными данными, невозможно повторение не удачной передачи данных. Так как только один «Слот» выделяется в канале связи во время каждого кадра, повторная отправка данных приведет к задержке передачи последующих образцов данных, нарушая время элементов передачи данных. Поэтому отправляется не пакет, а данные которые должны быть приняты «как есть».
Заключение
Universal Serial Bus обеспечивает универсальный, гибкий способ подключения широкого спектра низкоскоростных и средне скоростных периферийных устройств к ПК при относительно низких затратах. Его установка, подключение и конфигурация означает, что установка и поддержка периферийных устройств значительно проще по сравнению с устройствами, использующими последовательный, параллельный или собственные интерфейсы.

В этой статье мы с Вами рассмотрим принцип работы и устройство USB-флешки, а также я расскажу об особенности USB-флэш-накопителя перед другими запоминающими устройствами. C появление USB-флэшки произошел некий переворот в ПЗУ устройствах и большое количество людей по всему миру оценило удобство транспортировки данных в компактном и емком флэш-накопителе, который к тому же устойчив к воздействиям окружающей среды.

Первым делом, я хотел бы дать определение флэш-накопителю, а уж потом рассказать о его особенности перед другими запоминающими устройствами.

USB-Flash Drive (флешка, флэшка) — устройство для накопления и хранения информации. Переданные устройству данные располагаются и хранятся во флэш-памяти. Для получения информации usb флешку необходимо подключить к телевизору (Smart), компьютеру, планшету или любому другому считывающему устройству.

К основным недостаткам USB флэш-накопителя можно отнести ограниченный цикл записи/стирания, но хранящуюся в устройстве можно считать бесконечное количество раз. Цикл перезаписи современными стандартами на сегодняшний день ограничен от 10000 и до 100000 раз. Если взять во внимание минимальный цикл перезаписи (10000) то может показаться, что для эксплуатации такое количество более чем достаточно. Но на самом деле это не так.

Представьте себе ситуации, когда вы интенсивно используете флэшку перезаписывая на ней данные по нескольку раз в день. Согласитесь, что при такой эксплуатации, такое количество циклов (10000) для обновления информации уже не кажется таким уж большим. Хотя, справедливости ради, стоит сказать, что для рядового пользователя флэш-накопитель с минимальным ограничением перезаписи прослужит немало времени.

К сожалению не все USB накопители отрабатывают свой положенный срок честно. Как правило, виной этому производители мало известных фирм и компании с неизвестным происхождением, которые не соблюдают технологических норм при создании постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Очень часто наши китайские «друзья», которые любят делать подделки именитых брендов, не соблюдают технологию (не качественные детали) и создают дешевые накопительные устройства, которые раньше положенного времени выходят из строя.

На что нужно обратить внимание при выборе USB-флэш-накопителя.

Производитель (компания).Чтобы свести к минимуму преждевременный выход из строя USB-флэш-накопителя, делайте свой выбор в пользу зарекомендовавших себя компаний, которые работаю на рынке не один год. Например, это могут быть такие компании как: Kingston, Transcend, Corsair, Apacer…
Так же при выборе usb-флэш-накопителя обратите внимание на каком типе памяти она построена. Хорошо если в ней установлена флэш-память типа NAND, потому что именно этот тип памяти может выполнить около 100000 циклов записи/стирания информации.

В основе USB флэш-накопителя находиться типа NAND и небольшой микроконтроллер со встроенным ROM или RAM. Флэш-память (Flash Memory) относится к классу EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) — электрически стираемое перепрограммируемое запоминающее устройство ПЗУ или ЭСППЗУ.

Основное достоинство этого устройства в том, что оно энергонезависимо, а значит ему не нужно электричество для хранения данных. Стоит сказать, что основная особенность EEPROM в том, что хранящуюся информацию в устройстве (mini SD, MMC, SD, USB-флешка…) можно считать бесконечное количество раз, а вот количество записи к сожалению ограничено (мы уже с вами говорили о том ).

Как правило на упаковке указывают и то и другое. Но и не редки случай, когда указывают только число циклов или тип памяти.

Тип ячеек памяти.В рядовых флэшках (USB-Flash-Drive) используют два типа ячеек памяти MLC и SLC. Как правило более дешевые модели USB флэш-накопителей комплектуют MLC (Multi-level cell — многоуровневые ячейки памяти)ячейками, которые могут выдержать около 10 тысяч циклов. Ну и как вы уже догадались SLC (Single-level cell — одноуровневые ячейки памяти) ячейками комплектуют более дорогие модели, которые выдерживают до 100000, а то и более циклов записи/стирания.

Принцип работы USB -флеш-накопителя и его компоненты.

Как я уже писал выше, что в основе USB-накопителя лежит флэш-память типа NAND или NOR. В свою очередь флэш-память содержит в себе кристалл кремния на котором размещены полевые транзисторы с плавающими и управляющими изолированными затворами. Стоит сказать, что полевые транзисторы имеют сток и исток. Так вот плавающий затвор транзистора способен удерживать заряд (электроны).

Во время записи данных на управляющий затвор подается положительное напряжение и некоторая часть электронов направляется (двигается) от стока к истоку, отклоняясь к плавающему затвору. Часть электронов преодолевает тонкий слой изолятора и проникают в плавающий затвор, где и остаются на продолжительный срок хранения. Время хранения информации измеряется годами, но так или иначе оно ограничено.

Устройство USB flash довольно компактны, мобильны и дают возможность подключиться к любому компьютеру, который имеет USB-разъем. На что только не идут производители чтобы угодить потенциальным покупателям совмещая USB накопитель со всевозможными брелками, украшениями, игрушками и авторучками…

Устройство USB Flash накопителя состоит из следующих электронных компонентов:

Разъем USB.
Микроконтроллер.
Контрольные точки.
Чип (микросхема) флэш-памяти.
Кварцевый резонатор.
Светодиод.
Переключатель (защита от записи).
Место для микросхемы памяти (дополнительное место).

Компоненты и симптомы не стабильной работы USB Flash накопителя.

PCB — это многослойная печатная плата, которая служит основой для всех размещенных (распаянных) деталей электроники. Имеет следующие типичные неисправности: некачественно выполненный монтаж деталей электроники при деформации (изгибы, удары) платы приводит к внутренним разрывам около проводников и нестабильной работе usb-флэш накопителя.
USB разъем — предназначен для подключения флэш-накопителя к устройствам чтения. При некачественном монтаже разъем отрывается от дорожек и в месте пайки. Не так давно я сталкивался с данным явлением.
Микроконтроллер — микросхема, в обязанности которой входит управление памятью типа NAND и передача информации. Содержит в себе данные о производителе и типе памяти, а также хранит в себе необходимую служебную информацию для правильного функционирования флэш-накопителя. По вине контроллера чаще всего происходит выход из строя флэш-накопителя.
Симптомы характеризующие его выход из строя: флэш-накопитель определяется как «неизвестное устройство», показывает не правильный размер (объем) накопителя или просит вставить чистый диск в устройство чтения. Причиной выхода из строя контроллера (сгорает) — служит некачественное питание, плохая работа стабилизатора и неправильное извлечение флэш-накопителя.
Микросхема памяти типа NAND — это энергонезависимая память, которая отвечает за хранение информации. По истечении N-го количества времени, при сбое или повреждении в памяти могут образоваться поврежденные блоки (бэд блоки). Возможны и другие причины появления испорченных блоков, в которые больше не представляется возможным записывать/считывать информацию. Устранить такую неисправность можно с помощью узкоспециализированных программ, что в конечном итоге уменьшит объем памяти, но восстановит работоспособность.
Кварцевый резонатор — используется для построения опорной частоты, которая необходима для функционирования логики контроллера и флэш-памяти. При выходе из строя, USB флэш-накопитель определяется как «неизвестное устройство» или не определяется вовсе(не видит считывающее устройство).

Преимущества USB-флешек:

Небольшой размер, вес, портативность.
Накопитель можно подключить к любому устройству считывания (практически везде есть USB).
Практически нет влияния от внешней окружающей среды (пыль, царапины, загрязненность).
USB флешка может работать в широком диапазоне температур.
Малые габариты позволяют хранить большой объем информации.
Низкое энергопотребления.
В сравнении с жестким дискам, она устойчивее к внешним воздействиям, вибрациям и ударам.
Удобство подключения к устройству.
Высокая скорость доступа к данным.

Недостатки USB-флешек:

Ограниченное число циклов записи и стирания перед выходом из строя.
Ограниченный срок автономного хранения данных.
Скорость записи и чтения ограничены пропускной способностью шины USB и самой флеш-памяти.
Чувствительны к радиации и электростатическому разряду (обычно наблюдается в быту, чаще всего зимой).

В заключении статьи предлагаю Вам посмотреть тематическое видео по производству USB Flash накопителей на заводе Kingston Production.

На сегодняшний день флешки являются самыми популярными внешними носителями данных. В отличие от оптических и магнитных дисков (CD/DVD и винчестеры соответственно), флеш-накопители более компактны и устойчивы к механическим повреждениям. А за счет чего были достигнуты компактность и устойчивость? Давайте же разберемся!

Первое, что следует отметить — внутри flash-накопителя нет движущихся механических частей, которые могут пострадать от падений или сотрясений. Это достигается за счет конструкции — без защитного корпуса флешка представляет собой печатную плату, к которой припаян USB-разъем. Давайте рассмотрим её составляющие.

Основные компоненты

Составные части большинства флешек можно разделить на основные и дополнительные.

К основным относятся:

чипы NAND-памяти;
контроллер;
кварцевый резонатор.
USB-разъем

NAND-память
Накопитель работает благодаря NAND-памяти: полупроводниковым микросхемам. Чипы такой памяти, во-первых, весьма компактны, а во-вторых — очень ёмкие: если на первых порах флешки по объему проигрывали привычным на тот момент оптическим дискам, то сейчас превышают по ёмкости даже диски Blu-Ray. Такая память, ко всему прочему, еще и энергонезависимая, то есть для хранения информации ей не требуется источник питания, в отличие от микросхем оперативной памяти, созданных по похожей технологии.

Однако у НАНД-памяти есть один недостаток, в сравнении с другими типами запоминающих устройств. Дело в том, что срок службы этих чипов ограничен определенным количеством циклов перезаписи (шагов чтения/записи информации в ячейках). В среднем количество read-write cycles равно 30 000 (зависит от типа чипа памяти). Кажется, это невероятно много, но на самом деле это равно примерно 5 годам интенсивного использования. Впрочем, даже если ограничение будет достигнуто, флешкой можно будет продолжать пользоваться, но только для считывания данных. Кроме того, вследствие своей природы, NAND-память очень уязвима к перепадам электричества и электростатическим разрядам, так что держите её подальше от источников подобных опасностей.

Контроллер
Под номером 2 на рисунке в начале статьи находится крохотная микросхема — контроллер, инструмент связи между флеш-памятью и подключаемыми устройствами (ПК, телевизорами, автомагнитолами и пр.).

Контроллер (иначе называется микроконтроллер) представляет собой миниатюрный примитивный компьютер с собственным процессором и некоторым количеством RAM, используемыми для кэширования данных и служебных целей. Под процедурой обновления прошивки или BIOS подразумевается как раз обновление ПО микроконтроллера. Как показывает практика, наиболее частая поломка флешек — выход из строя контроллера.

Кварцевый резонатор
Данный компонент представляет собой крохотный кристалл кварца, который, как и в электронных часах, производит гармонические колебания определенной частоты. Во флеш-накопителях резонатор используется для связи между контроллером, NAND-памятью и дополнительными компонентами.

Эта часть флешки также подвержена риску повреждения, причем, в отличие от проблем с микроконтроллером, решить их самостоятельно практически невозможно. К счастью, в современных накопителях резонаторы выходят из строя относительно редко.

USB-коннектор
В подавляющем большинстве случаев в современных флешках установлен разъем USB 2.0 типа A, ориентированный на прием и передачу. В самых новых накопителях используется USB 3.0 типа А и типа C.

Дополнительные компоненты

Кроме упомянутых выше основных составляющих запоминающего flash-устройства, производители нередко снабжают их необязательными элементами, такими как: светодиод-индикатор, переключатель защиты от записи и некоторые специфические для определенных моделей особенности.

Светодиодный индикатор
Во многих flash-накопителях присутствует небольшой, но довольно яркий светодиод. Он предназначен для визуального отображения активности флешки (запись или считывание информации) или же просто является элементом дизайна.

Этот индикатор чаще всего не несет никакой функциональной нагрузки для самой флешки, и нужен, по сути, только для удобства пользователя или для красоты.

Переключатель защиты от записи
Этот элемент характерен скорее для SD-карт, хотя порой встречается и на запоминающих устройствах USB. Последние нередко используются в корпоративной среде как носители разнообразной информации, в том числе важной и конфиденциальной. Чтобы избежать инцидентов со случайным удалением таких данных, производителями флеш-накопителей в некоторых моделях применяется переключатель защиты: резистор, который при подключении в цепь питания запоминающего устройства не дает электрическому току добираться к ячейкам памяти.

При попытке записать или удалить информацию с накопителя, в котором включена защита, ОС выдаст такое вот сообщение.

Подобным образом реализована защита в так называемых USB-ключах: флешках, которые содержат в себе сертификаты безопасности, необходимые для корректной работы некоторого специфического ПО.

Этот элемент тоже может сломаться, в результате чего возникает досадная ситуация — девайс вроде работоспособен, но пользоваться им невозможно. У нас на сайте есть материал, который может помочь решить эту проблему.

Уникальные компоненты

К таковым можно отнести, например, наличие разъемов Lightning, microUSB или Type-C: флешки с наличием таковых предназначены для использования в том числе на смартфонах и планшетах.