Чому USB має 4 лінії замість 3?

USB вказує 4 контакту:

1.   VBUS   +5V
2.   D-     Data-
3.   D+     Data+
4.   GND    Ground

Чому це не 3? Чи могли дані та влада не мати спільної точки зору? Чи правильно я розумію, що D-є підставою D+?

Ні, D-не ґрунт. Дані надсилаються по диференціальній лінії , що означає, що D-це дзеркальне зображення D+, тому обидві лінії даних несуть сигнал. Одержувач віднімає D-з D+. Якщо якийсь сигнал шуму буде підхоплений обома проводами, віднімання скасує його.

Так диференціальна сигналізація допомагає придушити шум. Так само і тип проводки, а саме кручена пара . Якщо провід проходив просто паралельно, вони утворювали б (вузьку) петлю, яка могла б отримати магнітні перешкоди. Але завдяки поворотам орієнтація проводів щодо поля постійно змінюється. Індукований струм буде відмінено струмом із протилежним знаком на півкруті далі.
Припустимо, у вас виникає збурення, яке працює вертикально на крученому дроті. Ви можете розцінювати кожну половинку повороту як маленьку петлю, яка збирає порушення. Тоді легко помітити, що наступна крихітна петля бачить протилежне поле (так би мовити), що скасовує перше поле. Це трапляється для кожної пари з половинними поворотами.
Аналогічний ефект балансування виникає для ємності до землі. У прямій парі один провідник демонструє більшу ємність до землі, ніж інший, тоді як у крученій парі кожен провід буде демонструвати однакову ємність.

редагувати
Кабелі з декількома скрученими парами, як cat5, мають різну довжину скрутки для кожної пари, щоб мінімізувати перехресні розмови.

Це диференціальний (або врівноважений) сигнал, а не одиночний (неврівноважений) сигнал.

Це означає, що приймач "вимірює" напругу між ними, а не між однією і землею.
Скажімо, що D + знаходиться на рівні 2В, а D- на рівні 1В. Тепер скажіть, що дріт сприймає зовнішній шум (радіочастот, мережевий гул тощо). Дуже ймовірно, що обидва кабелі підхоплять однаковий шум-сигнал, оскільки вони скручені разом і мають однаковий опір.
Скажімо, ми піднімаємо 50 мВ шуму. Тож тепер у D + є 2050mV, а D- 1050mV - різниця між ними все ще 1V (1000mV), і це те, що приймач "побачить".
Якби це було зроблено за допомогою кабелю з одним кінцем, то D + (без D-) буде 1050mV, а земля все ще буде 0V, тож приймач побачив би 1050mV.

Це трохи надмірне спрощення (але отримує основну концепцію впоперек) - земля також може підняти деякий шум (або припустити його для початку), але через невідповідний імпеданс між ним та сигналом кількість шуму підібраний на кожному рядку буде різним, і ця різниця буде помічена в кінці прийому. Крім того, він може бути присутнім спочатку (наприклад, цикл заземлення), що є великою проблемою для одноосібних систем.
Зіставлення імпедансів ліній в збалансованому з'єднанні дуже важливо для хорошого відхилення загального режиму (тобто відхилення сигналу, загального для обох сигналів), оскільки воно працює лише в тому випадку, коли обидві лінії набирають рівно однакову кількість шуму. Сигнали не повинні бути симетричними. Однак шум створюється, якщо він впливає на обидва сигнали однаково, то відхилення загального режиму буде дуже хорошим.

Насправді, це було спробувано один раз: Apple Desktop Bus (ADB) використовувалася для підключення клавіатур і мишей до комп'ютерів Apple Macintosh приблизно з 1986 року, поки Apple в 1997 році не вимкнула його на USB за допомогою iMac.

Він мав чотири дроти: 5 В, заземлення, дані та комутатор живлення. Лінія перемикання живлення була лише кнопкою живлення на клавіатурі, яка з'єднувала лінію з землею, і казала блоку живлення запускати машину. Це повинен був бути власний провід, щоб він все ще працював, навіть якщо 5В лінія відключена.

Крім цього, лінія даних переносила все ... дуже повільно. Шина ніколи насправді не просувалась поза тим, як шина настільних пристроїв, тому що вона не тільки мала односторонній сигнал, але й мала обмеження довжини (ви отримуєте відбиття від кінця шини, оскільки вона не припиняється на кожному кінці).

Тому Intel вирішила використовувати диференціальну сигналізацію для USB. Якщо ви хочете добре уявити, що вам купує диференціальна сигналізація, порівняйте продуктивність шуму однобічної шини RS-232 з диференціальною шиною RS-422. RS-422 можна переводити через довший кабель із меншою напругою джерела при заданій швидкості помилок.

Чому це? У тривалій версії є щоденна лекція в класі електромагнітики. Коротка версія полягає в тому, що шум-сигнал буде викликати однакову напругу в обох провідниках диференціальної пари, тому компаратор на кінці приймача скасовує його (він дуже добре відхиляє напругу загального режиму). Одностороння лінія не має порівнянної гарантії, оскільки немає гарантії, що лінія заземлення та сигнальна лінія приймуть однаковий шум-сигнал; майданчики можуть бути навіть підключені через землю шасі, і зворотний струм буде приймати зовсім інші маршрути.

Насправді багато USB має 5 ліній, а не 4. (П'ятий рядок призначений для узгодження того, хто є майстром у програмах OTG. Зверніть увагу, це обмежено міні-та мікро USB-роз'ємами.)

Як вже вказували інші, лінії D + і D- є диференційованою парою. Оскільки приймач може ігнорувати загальну напругу в режимі, диференціальна пара забезпечує кращий захист від шуму, ніж сигнал, що закінчується. За логікою, лінії D + і D - це єдиний сигнал.

Я не можу остаточно сказати, що це єдине врахування, яке було розглянуто, але це не для заземлення, це для скасування EMI. Data +/- провід є кручений парою , що несе диференціальних сигнали.

Це так, як ви знайдете в звичайному побутовому телефонному шнурі або мережевому кабелі.

D + D - диференціальний механізм передачі даних прийнятий для зменшення ураженого шуму, отже, пропускна здатність передачі може бути сильно збільшена.

Як і USB, існує кілька інших протоколів передачі, які використовують диференціальний фізичний рівень. Деякі приклади: RS485, Ethernet ...

Але, навіть з диференційованими даними, є випадки, коли в USB використовується одностороння сигналізація: кінець пакету сигналізується одностороннім нулем (SE0), а саме: і D +, і D- у низькому стані . Цей стан минулого разу склав 2 біти. якщо SE0 триває більше 10 мс, це означає скидання шини.

Ця одностороння сигналізація робить USB досить чутливою до електромагнітних перешкод, як і ті, які я нещодавно знайшов, коли мотор фена викликав безліч роз'єднань на сусідній периферійній USB. І жодні фільтри загального режиму не можуть бути ефективно використані, оскільки вони можуть погіршити сигнал SE0 ... Ще один добре продуманий стандарт ...

Beyond Logic має огляд основних точок електричної частини USB специфікації тут (також в форматі PDF тут ):

... USB використовує пару даних для диференціальної передачі даних. Це кодується за допомогою NRZI і розряджається бітом, щоб забезпечити адекватні переходи в потоці даних.

...

Приймач визначає диференціальний '1' як D + 200mV більше D-, а диференціальний '0', як D + 200mV менше, ніж D-. Полярність сигналу інвертується залежно від швидкості шини.