Универсальная последовательная шина USB. Последовательная шина usb Шина usb назначение виды характеристики

Windows 10
Содержание
  1. Универсальная последовательная шина USB. Последовательная шина usb Шина usb назначение виды характеристики
  2. Организация шины USB USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Версия стандарта 1.0 была опубликована в начале 1996 года, большинство устройств поддерживают стандарт 1.1, который вышел осенью 1998 года, — в нем были устранены обнаруженные проблемы первой редакции. Весной 2000 года опубликована спецификация USB 2.0, в которой предусмотрено 40-кратное увеличение пропускной способности шины. Первоначально (в версиях 1.0 и 1.1) шина обеспечивала две скорости передачи информации: полная скорость, FS (full speed) — 12 Мбит/с и низкая скорость, LS (low speed) — 1,5 Мбит/с. В версии 2.0 определена еще и высокая скорость, HS (high speed) — 480 Мбит/с, что позволяет существенно расширить круг устройств, подключаемых к шине. В одной и той же системе могут присутствовать и одновременно работать устройства со всеми тремя скоростями. Шина позволяет с использованием промежуточных хабов соединять устройства, удаленные от компьютера на расстояние до 25 м. Подробную и оперативную информацию по USB (на английском языке) можно найти на сайте http://www.usb.org . Разработку устройств и их классификацию и стандартизацию координирует USB-IF (USB Implementers Forum, Inc.). Шина USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). USB является единой централизованной аппаратно-программной системой массового обслуживания множества устройств и множества прикладных программных процессов. Связь программных процессов со всеми устройствами обеспечивает хост-контроллер с многоуровневой программной поддержкой. Этим USB существенно отличается от традиционных периферийных интерфейсов (портов LPT, COM, GAME, клавиатуры, мыши и т. п.), сравнение этих типов подключений приводится в таблице. Таблица. Сравнение шины USB с традиционными периферийными интерфейсами Традиционные интерфейсы (COM, LPT, Game…) Шина USB Подключение каждого устройства в общем случае требует присутствия собственного контроллера (адаптера) 1 Все устройства подключены через один хостконтроллер Каждый контроллер занимает свои ресурсы (области в пространстве памяти, ввода/вывода, а также запросы прерывания) Ресурсы занимает только хост-контроллер Малое количество устройств, которые возможно одновременно подключить к компьютеру Возможность подключения до 127 устройств Драйверы устройств могут обращаться непосредственно к контроллерам своих устройств, независимо друг от друга Драйверы устройств обращаются только к общему драйверу хост-контроллера Независимость драйверов оборачивается непредсказуемостью результата одновременной работы с множеством устройств, отсутствием гарантий качества обслуживания (возможность задержек и уменьшения скорости передачи) для различных устройств Централизованный планируемый обмен обеспечивает гарантии качества обслуживания, что позволяет передавать мультимедийные изохронные данные наряду с обычным асинхронным обменом Разнообразие интерфейсов, разъемов и кабелей, специфичных для каждого типа устройств Единый удобный и дешевый интерфейс для подключения устройств всех типов. Возможность выбора скорости работы устройства (1,5-15-480 Мбит/с) в зависимости от потребности Отсутствие встроенных средств обнаружения подключения/отключения и идентификации устройств, сложность поддержки PnP Возможность «горячего» подключения/отключения устройств, полная поддержка PnP, динамическое конфигурирование Отсутствие средств контроля ошибок Встроенные средства обеспечения надежной передачи данных Отсутствие штатного питания устройств Возможность питания устройств от шины, а также наличие средств управления энергопотреблением 1 – Возможностью подключения к одному контроллеру множества устройств обладает и шина SCSI, но ее параллельный интерфейс по сравнению с USB слишком дорог, громоздок и более ограничен в топологии. Архитектура USB допускает четыре базовых типа передач данных между хостом и периферийными устройствами: изохронные передачи (isochronous transfers) — потоковые передачи в реальном времени, занимающие предварительно согласованную часть пропускной способности шины с гарантированным временем задержки доставки. На полной скорости (FS) можно организовать один канал с полосой до 1,023 Мбайт/с (или два по 0,5 Мбайт/с), заняв 70 % доступной полосы (остаток можно занять и менее емкими каналами). На высокой скорости (HS) можно получить канал до 24 Мбайт/с (192 Мбит/с). Надежность доставки не гарантируется — в случае обнаружения ошибки изохронные данные не повторяются, недействительные пакеты игнорируются. Шина USB позволяет с помощью изохронных передач организовывать синхронные соединения между устройствами и прикладными программами. Изохронные передачи нужны для потоковых устройств: видеокамер, цифровых аудиоустройств (колонки USB, микрофон), устройств воспроизведения и записи аудио- и видеоданных (CD и DVD). Видеопоток (без компрессии) шина USB способна передавать только на высокой скорости; прерывания (interrupts) — передачи спонтанных сообщений, которые должны выполняться с задержкой не более, чем того требует устройство. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 10-255 мс для низкой и 1-255 мс для полной скорости. На высокой скорости можно заказать и 125 мкс. Доставка гарантирована, при случайных ошибках обмена выполняется повтор, правда, при этом время обслуживания увеличивается. Прерывания используются, например, при вводе символов с клавиатуры или для передачи сообщений о перемещениях мыши. Прерываниями можно передавать данные и к устройству (как только устройство сигнализирует о потребности в данных, хост своевременно их передает). Размер сообщения может составлять 0-8 байт для низкой скорости, 0-64 байт — для полной и 0-1024 байт — для высокой скорости передачи; передачи массивов данных (bulk data transfers) — это передачи без каких-либо обязательств по своевременности доставки и по скорости. Передачи массивов могут занимать всю полосу пропускания шины, свободную от передач других типов. Приоритет этих передач самый низкий, они могут приостанавливаться при большой загрузке шины. Доставка гарантированная — при случайной ошибке выполняется повтор. Передачи массивов уместны для обмена данными с принтерами, сканерами, устройствами хранения и т. п.; управляющие передачи (control transfers) используются для конфигурирования устройств во время их подключения и для управления устройствами в процессе работы. Протокол обеспечивает гарантированную доставку данных и подтверждение устройством успешности выполнения управляющей команды. Управляющая передача позволяет подать устройству команду (запрос, возможно, и с дополнительными данными) и получить на него ответ (подтверждение или отказ от выполнения запроса и, возможно, данные). Только управляющие передачи на USB обеспечивают синхронизацию запросов и ответов; в остальных типах передач явной синхронизации потока ввода с потоком вывода нет. Аппаратная часть USB включает: периферийные устройства USB, несущие полезные функции (USB-functions); хост-контроллер (Host Controller), обеспечивающий связь шины с центром компьютера, объединенный с корневым хабом (Root Hub), обеспечивающим точки подключения устройств USB. Существует два варианта хост-контроллеров USB 1.x — UHC (Universal Host Controller) и OHC (Open Host Controller), поддерживающие скорости FS/LS; высокую скорость шины USB 2.0 (HS и только) поддерживает EHC (Enhanced Host Controller); хабы USB (USB Hubs), обеспечивающие дополнительные точки подключения устройств; кабели USB, соединяющие устройства с хабами. Программная часть USB включает: клиентское ПО (CSw, Client Software) — драйверы устройств USB, обеспечивающие доступ к устройствам со стороны прикладного ПО. Эти драйверы взаимодействуют с устройствами только через программный интерфейс с общим драйвером USB (USBD). Непосредственного обращения к каким-либо регистрам аппаратных средств драйверы устройств USB не выполняют; драйвер USB (USBD, USB Driver), «заведующий» всеми USB-устройствами системы, их нумерацией, конфигурированием, предоставлением служб, распределением пропускной способности шины, мощности питания и т. п.; драйвер хост-контроллера (HCD, Host Controller Driver), преобразующий запросы ввода/вывода в структуры данных, размещенные в коммуникационной области оперативной памяти, и обращающийся к регистрам хост-контроллера. Хост-контроллер выполняет физические транзакции, руководствуясь этими структурами данных. Драйверы USBD и HCD составляют хост-часть ПО USB; спецификация USB очерчивает круг их задач, но не описывает интерфейс между ними. Физическое устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Физические устройства USB могут быть комбинированными (compound devices): включать в себя несколько устройств-функций, подключенных к внутреннему хабу, а также предоставлять своим внутренним хабом дополнительные внешние точки подключения. Работой всех устройств шины USB управляет хост-контроллер (host controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера. Хост-контроллер является интеллектуальным устройством шины PCI или составной частью «южного» хаба (моста) системной платы, интенсивно взаимодействующим с оперативной памятью. Физическая топология шины USB — многоярусная звезда (см. рисунок, а). Ее вершиной является хост-контроллер, объединенный с корневым хабом (root hub). Хаб является устройством-разветвителем, он может служить и источником питания для подключенных к нему устройств. К каждому порту хаба может непосредственно подключаться периферийное устройство или промежуточный хаб; шина допускает до пяти уровней (ярусов) каскадирования хабов (не считая корневого). Поскольку комбинированные устройства содержат внутри себя хаб, их подключение к хабу пятого яруса уже недопустимо. Каждый промежуточный хаб имеет несколько нисходящих (downstream) портов для подключения периферийных устройств (или нижележащих хабов) и один восходящий (upstream) порт для подключения к корневому хабу или нисходящему порту вышестоящего хаба. Логическая топология USB — звезда. Хабы (включая корневой) создают иллюзию непосредственного подключения каждого логического устройства к хост-контроллеру (см. рисунок ниже, б). В этой звезде устанавливаются сугубо подчиненные отношения по системе опроса-ответа: хост-контроллер по своей инициативе передает данные к выбранному устройству или принимает их. Устройство по своей инициативе передавать данные не может; непосредственные передачи данных между устройствами невозможны. Устройство по своей инициативе может лишь сигнализировать о «пробуждении» (wakeup), для чего используется специальная сигнализация, но не передача данных. Физический интерфейс USB прост и изящен. Конструкция кабелей и коннекторов USB не дает возможности ошибиться при подключении устройств (см. рисунок ниже, а и б). Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение (см. рисунок ниже, в). Гнезда типа «A» устанавливаются только на нисходящих портах хабов, вилки типа «A» — на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов. Гнезда и вилки типа «B» используются только для шнуров, отсоединяемых от периферийных устройств и восходящих портов хабов (от «мелких» устройств — мышей, клавиатур и т. п. кабели, как правило, не отсоединяются). Для малогабаритных устройств имеются разъемы mini-B, а для поддержки OTG (On-the-Go) имеются и вилки mini-A, и розетки miniAB. Хабы и устройства обеспечивают возможность «горячего» подключения и отключения с сигнализацией об этих событиях хосту. При планировании соединений следует учитывать способ питания устройств: устройства, питающиеся от шины, как правило, подключают к хабам, питающимся от сети. К хабам, питающимся от шины, подключают лишь маломощные устройства — так, к клавиатуре USB, содержащей внутри себя хаб, подключают мышь USB и другие устройства-указатели (трекбол, планшет). Логическое устройство USB представляет собой набор независимых конечных точек (Endpoint, EP), с которыми хост-контроллер (и клиентское ПО) обменивается информацией. Каждому логическому устройству USB (как функции, так и хабу) конфигурационная часть ПО хоста назначает свой адрес (1-127), уникальный на данной шине USB. Каждая конечная точка логического устройства идентифицируется своим номером (0-15) и направлением передачи (IN — передача к хосту, OUT — от хоста). Точки IN4 и OUT4, к примеру, представляют собой разные конечные точки, с которыми могут общаться даже модули клиентского ПО. Набор конечных точек зависит от устройства, но всякое устройство USB обязательно имеет двунаправленную конечную точку 0 (EP0), через которую осуществляется его общее управление. Для прикладных целей используются конечные точки с номерами 1-15 (1-2 для низкоскоростных устройств). Адрес устройства, номер и направление конечной точки однозначно идентифицируют приемник или источник информации при обмене хост-контроллера с устройствами USB. Каждая конечная точка имеет набор характеристик, описывающих поддерживаемый тип передачи данных (изохронные данные, массивы, прерывания, управляющие передачи), размер пакета, требования к частоте обслуживания. Устройство может выполнять несколько различных функциональных задач: например, привод CD-ROM может обеспечивать проигрывание аудиодисков и работать как устройство хранения данных. Для решения каждой задачи в устройстве определяется интерфейс — набор конечных точек, предназначенных для выполнения данной задачи, и правила их использования. Таким образом, каждое устройство должно обеспечивать один или несколько интерфейсов. Наличие нескольких интерфейсов позволяет нескольким драйверам, каждый из которых обращается только к своему интерфейсу (представляющему часть устройства USB), работать с одним и тем же устройством USB. Каждый интерфейс может иметь один или несколько альтернативных вариантов (альтернативных установок — alternate settings), из которых в данный момент активным может быть только один. Варианты различаются наборами (возможно, и характеристиками) используемых конечных точек. Набор одновременно поддерживаемых интерфейсов составляет конфигурацию устройства. Устройство может иметь одну или несколько возможных конфигураций, из которых на этапе конфигурирования хост выбирает одну, делая ее активной. От выбранной конфигурации зависит доступная функциональность, и зачастую — потребляемая мощность. Пока устройству не назначен номер выбранной конфигурации, оно не может функционировать в прикладном смысле и ток потребления от шины не должен превышать 100 мА. Хост выбирает конфигурацию исходя из доступности всех ресурсов, затребованных данной конфигурацией, включая и ток потребления от шины. Каждая единица клиентского ПО (обычно представляемая драйвером) связывается с одним интерфейсом своего устройства (функции) монопольно и независимо (см. рисунок ниже). Связи на этом рисунке обозначают коммуникационные каналы (communication pipes), которые устанавливаются между драйверами устройств и их конечными точками. Каналы устанавливаются только с конечными точками устройств, относящимися к выбранным (из альтернативных) вариантам интерфейсов активной конфигурации. Другие конечные точки недоступны. Запросы, пакеты и транзакции Для передачи или приема данных клиентское ПО посылает к каналу пакет запроса ввода/вывода — IRP (Input/Output Request Packet) и ждет уведомления о завершении его отработки. Формат IRP определяется реализацией драйвера USBD в конкретной ОС. В IRP имеются только сведения о запросе (местоположение буфера передаваемых данных в оперативной памяти и длина передачи); от свойств конкретного текущего подключения (скорость, допустимый размер пакета) драйвер устройства абстрагируется. Отработкой запроса в виде транзакций на шине USB занимается драйвер USBD; при необходимости он разбивает на части длинные запросы (пакеты), пригодные для передачи за одну транзакцию. Транзакция на шине USB — это последовательность обмена пакетами между хостом и ПУ, в ходе которой может быть передан или принят один пакет данных (возможны транзакции, в которых данные не передаются). Отработка запроса считается завершенной, когда успешно выполняются все связанные с ним транзакции. «Временные трудности», встречающиеся при их выполнении (неготовность к обмену данными), до сведения клиентского драйвера не доводятся — ему остается только ждать завершения обменов (или выхода по тайм-ауту). Однако устройство может сигнализировать о серьезных ошибках (ответом STALL), что приводит к аварийному завершению запроса, о чем уведомляется клиентский драйвер. В этом случае отбрасываются и все последующие запросы к данному каналу. Возобновление работы с данным каналом возможно лишь после явного уведомления об обработке ошибочной ситуации, которое драйвер устройства делает с помощью специального запроса (тоже вызова USBD). Длинные запросы разбиваются на транзакции так, чтобы использовать максимальный размер пакета. Последний пакет с остатком может оказаться короче максимального размера. Хост-контроллер имеет средства обнаружения приема от устройства «неполновесного» пакета, размер которого меньше ожидаемого. В запросе IRP указывается, следует ли особым образом реагировать на это событие. Особая реакция может быть двоякой: считать короткий пакет разделителем, указывающим на конец блока данных. При этом данный IRP завершается нормально и исполняются следующие запросы к данному каналу; считать короткий пакет признаком ошибки, по которому канал останавливается (все его последующие ожидающие запросы сбрасываются). При передаче массивов использование укороченных пакетов в качестве разделителей наиболее естественно. Таким образом, например, в одном из вариантов протоколов для устройств хранения данных укороченные пакеты известной длины используются в качестве управляющих. Коммуникационные каналы USB разделяются на два типа: потоковый канал (streaming pipe) доставляет данные от одного конца канала к другому, он всегда однонаправленный. Один и тот же номер конечной точки может использоваться для двух разных потоковых каналов — ввода и вывода. Передачи данных в разных потоковых каналах друг с другом не синхронизированы. Это означает, что запросы клиентских драйверов для разных каналов, поставленные в определенном порядке друг относительно друга, могут выполняться другом порядке. Запросы для одного канала будут исполняться строго в порядке их поступления; если во время исполнения какого-либо запроса происходит серьезная ошибка (об этом устройство сообщает ответом STALL), поток останавливается. Поток может реализовывать передачи массивов, изохронные и прерывания. Потоки несут данные произвольного формата, определенного разработчиком устройства (но не спецификацией USB). В потоках типично использование транзакций, в которых длина поля данных соответствует максимальному размеру, допустимому для его конечной точки. Если требуется разделение потока на логические блоки данных, то это можно сделать, применяя в качестве признака конца блока укороченные пакеты. Если оказывается, что блок укладывается в целое число пакетов максимального размера, в качестве разделителя можно использовать пакеты с нулевой длиной поля данных; канал сообщений (message pipe) является двунаправленным. Передачи сообщений во встречных направлениях синхронизированы друг с другом и строго упорядочены. На каждое сообщение противоположная сторона обязана ответить подтверждением его приема и отработки. Последующее сообщение не может быть послано до обработки предыдущего, но при отработке ошибок возможен сброс необслуженных сообщений. Форматы сообщений определяются спецификацией USB: имеется набор стандартных сообщений (запросов и ответов) и зарезервированных идентификаторов сообщений, формат которых определяется разработчиком устройства или интерфейса. С каналами связаны характеристики, соответствующие конечной точке (полоса пропускания, тип сервиса, размер буфера и т. п.). Каналы организуются при конфигурировании устройств USB. Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Выделенная полоса закрепляется за каналом, и если установление нового канала требует такой полосы, которая не вписывается в уже существующее распределение, запрос на выделение канала отвергается. Каналы различаются и по назначению: основной канал сообщений (Default pipe, он же Control pipe 0), владельцем которого является USBD, используется для доступа к конфигурационной информации всех устройств. Этот канал устанавливается с нулевой конечной точкой, EP0 (endpoint zero), которая у всех устройств всегда поддерживает только управляющие передачи; клиентские каналы (Client pipes), владельцами которых являются драйверы устройств. По этим каналам могут передаваться как потоки, так и сообщения; они поддерживают любые типы передач USB (изохронные, прерывания, массивы и управление). Интерфейс устройства, с которым работает клиентский драйвер, представляет собой связку клиентских каналов (pipe’s bundle). Для этих каналов драйверы устройств являются единственными источниками и потребителями передаваемых данных. Владельцем основных каналов сообщений всех устройств является драйвер USB (USBD); по этим каналам передается информация конфигурирования, управления и состояния. Основным каналом сообщений может пользоваться и клиентский драйвер для текущего управления и чтения состояния устройства, но опосредованно через USBD. Например, сообщения, передаваемые по основному каналу, используются драйвером принтера USB для опроса текущего состояния (передаются три признака в формате регистра состояния LPT-порта: ошибка ввода/вывода, принтер выбран, отсутствие бумаги). Хост организует обмены с устройствами согласно своему плану распределения ресурсов. Для этого хост-контроллер циклически с периодом 1 мс формирует кадры (frames), в которые укладываются все запланированные транзакции (cм. рисунок ниже). Каждый кадр начинается с посылки пакета-маркера SOF (Start Of Frame), который является синхронизирующим сигналом для изохронных устройств, а также для хабов. Кадры нумеруются последовательно, в маркере SOF передаются 11 младших бит номера кадра. В режиме HS каждый кадр делится на 8 микрокадров, и пакеты SOF передаются в начале каждого микрокадра (с периодом 125 мкс). При этом во всех восьми микрокадрах SOF несет один и тот же номер кадра; новое значение номера кадра передается в нулевом микрокадре. В каждом микрокадре может быть выполнено несколько транзакций, их допустимое число зависит от скорости, длины поля данных каждой из них, а также от задержек, вносимых кабелями, хабами и устройствами. Все транзакции кадров должны быть завершены до начала интервала времени EOF (End of Frame). Период (частота) генерации микрокадров может немного варьироваться с помощью специального регистра хост-контроллера, что позволяет подстраивать частоту для изохронных передач. Кадрирование используется и для обеспечения живучести шины. В конце каждого микрокадра выделяется интервал времени EOF (End Of Frame), на время которого хабы запрещают передачу по направлению к контроллеру. Если хаб обнаружит, что с какого-то порта в это время ведется передача данных (к хосту), этот порт отключается, изолируя «болтливое» устройство, о чем информируется USBD. Счетчик микрокадров в хост-контроллере используется как источник индекса при обращении к таблице дескрипторов кадров. Обычно драйвер USB составляет таблицу дескрипторов для 1024 последовательных кадров1, к которой он обращается циклически. С помощью этих дескрипторов хост планирует загрузку кадров так, чтобы кроме запланированных изохронных транзакций и прерываний в них всегда находилось место для транзакций управления. Свободное время кадров может заполняться передачами массивов. Спецификация USB позволяет занимать под периодические транзакции (изохронные и прерывания) до 90% пропускной способности шины, то есть времени в каждом микрокадре. Лекция 11. Универсальная последовательная шина USB. Толковый словарь по вычислительным системам определяет понятие интерфейс (interface) как границу раздела двух систем, устройств или программ; элементы соединения и вспомогательные схемы управления, используемые для соединения устройств. Мы же поговорим о интерфейсах, позволяющих подключать к персональным (и не только) компьютерам разнообразные периферийные устройства и их контроллеры. По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на параллельные и последовательные. В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно. В PC традиционно используется параллельный интерфейс Centronics, реализуемый LPT-портами. В последовательном же интерфейсе биты передаются друг за другом, обычно по одной линии. СОМ порты PC обеспечивают последовательный интерфейс в соответствии со стандартом RS-232C. При рассмотрении интерфейсов важным параметром является пропускная способность. В архитектуре современных компьютеров все большее значение приобретают внешние шины, служащие для подключения различных устройств. Сегодня это могут быть, например, внешние жесткие диски, CD-, DVD-устройства, сканеры, принтеры, цифровые камеры и прочее. Широко используемый последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных. 2.Шина USB.Общая характеристика. USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Версия 1.0 была опубликована в январе 1996 года. Архитектура USB определяется следующими критериями: Легко реализуемое расширение периферии PC. Дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Mбит/с. Полная поддержка в реальном времени передачи аудио и (сжатых) видеоданных. Гибкость протокола смешанной передачи изохронных данных и асинхронных сообщений. Интеграция с выпускаемыми устройствами. Доступность в PC всех конфигураций и размеров. Обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок. Создание новых классов устройств, расширяющих PC. С точки зрения конечного пользователя, привлекательны следующие черты USB: Простота кабельной системы и подключений. Скрытие подробностей электрического подключения от конечного пользователя. Самоидентифицирующиеся ПУ, автоматическая связь устройств с драйверами и конфигурирование. Возможность динамического подключения и конфигурирования ПУ. С середины 1996 года выпускаются PC со встроенным контроллером USB, реализуемым чипсетом. Уже появились модемы, клавиатуры, сканеры, динамики и другие устройства ввода/вывода с поддержкой USB, а также мониторов с USB-адаптерами – они играют роль концентраторов для подключения других устройств. Структура USB USB обеспечивает одновременный обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Распределение пропускной способности шины между ПУ планируется хостом и реализуется им с помощью посылки маркеров. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств. Ниже приводится авторский вариант перевода терминов из спецификации “Universal Serial Bus Specification”, опубликованной Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Более подробную и оперативную информацию можно найти по адресу: Устройства (Device) USB могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Хаб (Hub) обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Функции (Function) USB предоставляют системе дополнительные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Многие устройства, подключаемые к USB, имеют в своем составе и хаб, и функции. Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (Host Controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера. Физическое соединение устройств осуществляется по топологии многоярусной звезды. Центром каждой звезды является хаб, каждый кабельный сегмент соединяет две точки – хаб с другим хабом или с функцией. В системе имеется один (и только один) хост-контроллер, расположенный в вершине пирамиды устройств и хабов. Хост-контроллер интегрируется с корневым хабом (Root Hub), обеспечивающим одну или несколько точек подключения – портов. Контроллер USB, входящий в состав чипсетов, обычно имеет встроенный двухпортовый хаб. Логически устройство, подключенное к любому хабу USB и сконфигурированное (см. ниже), может рассматриваться как непосредственно подключенное к хост-контроллеру. Функции представляют собой устройства, способные передавать или принимать данные или управляющую информацию по шине. Типично функции представляют собой отдельные ПУ с кабелем, подключаемым к порту хаба. Физически в одном корпусе может быть несколько функций со встроенным хабом, обеспечивающим их подключение к одному порту. Эти комбинированные устройства для хоста являются хабами с постоянно подключенными устройствами-функциями. Каждая функция предоставляет конфигурационную информацию, описывающую возможности ПУ и требования к ресурсам. Перед использованием функция должна быть сконфигурирована хостом – ей должна быть выделена полоса в канале и выбраны опции конфигурации. Примерами функций являются: Указатели – мышь, планшет, световое перо. Устройства ввода – клавиатура или сканер. Устройство вывода – принтер, звуковые колонки (цифровые). Телефонный адаптер ISDN. Хаб – ключевой элемент системы РпР в архитектуре USB. Хаб является кабельным концентратором. Точки подключения называются портами хаба. Каждый хаб преобразует одну точку подключения в их множество. Архитектура допускает соединение нескольких хабов. У каждого хаба имеется один восходящий порт (Upstream Port), предназначенный для подключения к хосту или хабу верхнего уровня. Остальные порты являются нисходящими (Downstream Ports), предназначенными для подключения функций или хабов нижнего уровня. Хаб может распознать подключение устройств к портам или отключение от них и управлять подачей питания на их сегменты. Каждый из портов может быть разрешен или запрещен и сконфигурирован на полную или ограниченную скорость обмена. Хаб обеспечивает изоляцию сегментов с низкой скоростью от высокоскоростных. Хабы могут управлять подачей питания на нисходящие порты; предусматривается установка ограничения на ток, потребляемый каждым портом. Система USB разделяется на три уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит интерфейсную часть, часть устройства и функциональную часть. Хост тоже делится на три части – интерфейсную, системную и ПО устройства. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач, логическое и реальное взаимодействие между ними иллюстрирует рис. 7.1. В рассматриваемую структуру входят следующие элементы: Физическое устройство USB – устройство на шине, выполняющее функции, интересующие конечного пользователя. Client SW – ПО, соответствующее конкретному устройству, исполняемое на хост-компьютере. Может являться составной частью ОС или специальным продуктом. USB System SW – системная поддержка USB, независимая от конкретных устройств и клиентского ПО. USB Host Controller – аппаратные и программные средства для подключения устройств USB к хост-компьютеру. 3.Физический интерфейс Стандарт USB определяет электрические и механические спецификации шины. Информационные сигналы и питающее напряжение 5 В передаются по четырехпроводному кабелю. Используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Уровни сигналов передатчиков в статическом режиме должны быть ниже 0,3 В (низкий уровень) или выше 2,8 В (высокий уровень). Приемники выдерживают входное напряжение в пределах – 0,5…+3,8 В. Передатчики должны уметь переходить в высокоимпедансное состояние для двунаправленной полудуплексной передачи по одной паре проводов. Передача по двум проводам в USB не ограничивается дифференциальными сигналами. Кроме дифференциального приемника каждое устройство имеет линейные приемники сигналов D+ и D-, а передатчики этих линий управляются индивидуально. Это позволяет различать более двух состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса. Состояния Diff0 и Diff1 определяются по разности потенциалов на линиях D+ и D- более 200 мВ при условии, что на одной из них потенциал выше порога срабатывания VSE. Состояние, при котором на обоих входах D+ и D- присутствует низкий уровень, называется линейным нулем (SEO – Single-Ended Zero). Интерфейс определяет следующие состояния: Data J State и Data К State – состояния передаваемого бита (или просто J и К), определяются через состояния Diff0 и Diff1. Idle State – пауза на шине. Resume State – сигнал “пробуждения” для вывода устройства из “спящего” режима. Start of Packet (SOP) – начало пакета (переход из Idle State в К). End of Packet (EOP) – конец пакета. Disconnect – устройство отключено от порта. Connect – устройство подключено к порту. Reset – сброс устройства. Состояния определяются сочетаниями дифференциальных и линейных сигналов; для полной и низкой скоростей состояния DiffO и Diff1 имеют противоположное назначение. В декодировании состояний Disconnect, Connect и Reset учитывается время нахождения линий (более 2,5 мс) в определенных состояниях. Шина имеет два режима передачи. Полная скорость передачи сигналов USB составляет 12 Мбит/с, низкая – 1,5 Мбит/с. Для полной скорости используется экранированная витая пара с импедансом 90 Ом и длиной сегмента до 5 м, для низкой – невитой неэкранированньгй кабель до 3 м. Низкоскоростные кабели и устройства дешевле высокоскоростных. Одна и та же система может одновременно использовать оба режима; переключение для устройств осуществляется прозрачно. Низкая скорость предназначена для работы с небольшим количеством ПУ, не требующих высокой скорости. Скорость, используемая устройством, подключенным к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов на линиях D+ и D-, смещаемых нагрузочными резисторами R2 приемопередатчиков (см. рис. 7.2 и 7.3) С игналы синхронизации кодируются вместе с данными по методу NRZI (Non Return to Zero Invert), его работу иллюстрирует рис. 7.4. Каждому пакету предшествует поле синхронизации SYNC, позволяющее приемнику настроиться на частоту передатчика. Кабель также имеет линии VBus и GND для передачи питающего напряжения 5 В к устройствам. Сечение проводников выбирается в соответствии с длиной сегмента для обеспечения гарантированного уровня сигнала и питающего напряжения. Стандарт определяет два типа разъемов (см. табл. 7.1 и рис. 7.5). Разъемы типа “А” применяются для подключения к хабам (Upstream Connector). Вилки устанавливаются на кабелях, не отсоединяемых от устройств (например, клавиатура, мышь и т. п.). Гнезда устанавливаются на нисходящих портах (Downstream Port) хабов. Разъемы типа “В” (Downstream Connector) устанавливаются на устройствах, от которых соединительный кабель может отсоединяться (принтеры и сканеры). Ответная часть (вилка) устанавливается на соединительном кабеле, противоположный конец которого имеет вилку типа “А”. Разъемы типов “А” и “В” различаются механически (рис. 7.5), что исключает недопустимые петлевые соединения портов хабов. Четырехконтактные разъемы имеют ключи, исключающие неправильное присоединение. Конструкция разъемов обеспечивает позднее соединение и раннее отсоединение сигнальных цепей по сравнению с питающими. Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение. Р ис. 7.5. Гнезда USB: а – типа “А”, б – типа “В”, в – символическое обозначение Питание устройств USB возможно от кабеля (Bus-Powered Devices) или от собственного блока питания (Self-Powered Devices). Хост обеспечивает питанием непосредственно подключенные к нему ПУ. Каждый хаб, в свою очередь, обеспечивает питание устройств, подключенных к его нисходящим портам. При некоторых ограничениях топологии допускается применение хабов, питающихся от шины. На рис. 7.6 приведен пример схемы соединения устройств USB. Здесь клавиатура, перо и мышь могут питаться от шины. USB поддерживает как однонаправленные, так и двунаправленные режимы связи. Передача данных производится между ПО хоста и конечной точкой устройства. Устройство может иметь несколько конечных точек, связь с каждой из них (канал) устанавливается независимо. Архитектура USB допускает четыре базовых типа передачи данных: Управляющие посылки (Control Transfers), используемые для конфигурирования во время подключения и в процессе работы для управления устройствами. Протокол обеспечивает гарантированную доставку данных. Длина поля данных управляющей посылки не превышает 64 байт на полной скорости и 8 байт на низкой. Сплошные передачи (Bulk Data Transfers) сравнительно больших пакетов без жестких требований ко времени доставки. Передачи занимают всю свободную полосу пропускания шины. Пакеты имеют поле данных размером 8, 16, 32 или 64 байт. Приоритет этих передач самый низкий, они могут приостанавливаться при большой загрузке шины. Допускаются только на полной скорости передачи. Прерывания (Interrupt) – короткие (до 64 байт на полной скорости, до 8 байт на низкой) передачи типа вводимых символов или координат. Прерывания имеют спонтанный характер и должны обслуживаться не медленнее, чем того требует устройство. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 1-255 мс для полной скорости и 10-255 мс – для низкой. Изохронные передачи (Isochronous Transfers) – непрерывные передачи в реальном времени, занимающие предварительно согласованную часть пропускной способности шины и имеющие заданную задержку доставки. В случае обнаружения ошибки изохронные данные передаются без повтора – недействительные пакеты игнорируются. Пример – цифровая передача голоса. Пропускная способность определяется требованиями к качеству передачи, а задержка доставки может быть критичной, например, при реализации телеконференций. Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Выделенная полоса закрепляется за каналом, и если установление нового канала требует такой полосы, которая не вписывается в уже существующее распределение, запрос на выделение канала отвергается. Архитектура USВ предусматривает внутреннюю буферизацию всех устройств, причем чем большей полосы пропускания требует устройство, тем больше должен быть его буфер. USB должна обеспечивать обмен с такой скоростью, чтобы задержка данных в устройстве, вызванная буферизацией, не превышала нескольких миллисекунд. Изохронные передачи классифицируются по способу синхронизации конечных точек – источников или получателей данных – с системой: различают асинхронный, синхронный и адаптивный классы устройств, каждому из которых соответствует свой тип канала USB. Протокол Все обмены (транзакции) по USB состоят из трех пакетов. Каждая транзакция планируется и начинается по инициативе контроллера, который посылает пакет-аркер (Token Packet). Он описывает тип и направление передачи, адрес ус-тройства USB и номер конечной точки. В каждой транзакции возможен обмен только между адресуемым устройством (его конечной точкой) и хостом. Адресуемое маркером устройство распознает свой адрес и готовится к обмену. Источник данных (определенный маркером) передает пакет данных (или уведомление об отсутствии данных, предназначенных для передачи). После успешного приема пакета приемник данных посылает пакет подтверждения (Handshake Packet). Планирование транзакций обеспечивает управление поточными каналами. На аппаратном уровне использование отказа от транзакции (NAck) при недопустимой интенсивности передачи предохраняет буферы от переполнения сверху и снизу. Маркеры отвергнутых транзакций повторно передаются в свободное для шины время. Управление потоками позволяет гибко планировать обслуживание одновременных разнородных потоков данных. Устойчивость к ошибкам обеспечивают следующие свойства USB: Высокое качество сигналов, достигаемое благодаря дифференциальным приемникам/передатчикам и экранированным кабелям. Защита полей управления и данных CRC-кодами. Обнаружение подключения и отключения устройств и конфигурирование ресурсов на системном уровне. Самовосстановление протокола с тайм-аутом при потере пакетов. Управление потоком для обеспечения изохронности и управления аппаратными буферами. Независимость функций от неудачных обменов с другими функциями. Для обнаружения ошибок передачи каждый пакет имеет контрольные поля CRC-кодов, позволяющие обнаруживать все одиночные и двойные битовые ошибки. Аппаратные средства обнаруживают ошибки передачи, а контроллер автоматически производит трехкратную попытку передачи. Если повторы безуспешны, сообщение об ошибке передается клиентскому ПО. Устройства USB – функции и хабы Возможности шины USB позволяют использовать ее для подключения разнообразных устройств. Не касаясь “полезных” свойств ПУ, остановимся на их интерфейсной части, связанной с шиной USB. Все устройства должны поддерживать набор общих операций, перечисленных ниже. Динамическое подключение и отключение. Эти события отслеживаются хабом, который сообщает о них хост-контроллеру и выполняет сброс подключенного устройства. Устройство после сигнала сброса должно отзываться на нулевой адрес, при этом оно не сконфигурировано и не приостановлено. После назначения адреса, за которое отвечает хост-контроллер, устройство должно отзываться только на свой уникальный адрес. Конфигурирование устройств, выполняемое хостом, является необходимым для их использования. Для конфигурирования обычно используется информация, считанная из самого устройства. Устройство может иметь множество интерфейсов, каждому из которых соответствует собственная конечная точка, представляющая хосту функцию устройства. Интерфейс в конфигурации может иметь альтернативные наборы характеристик; смена наборов поддерживается протоколом. Для поддержки адаптивных драйверов дескрипторы устройств и интерфейсов имеют поля класса, подкласса и протокола. Передача данных возможна посредством одного из четырех типов передач (см. выше). Для конечных точек, допускающих разные типы передач, после конфигурирования доступен только один из них. Управление энергопотреблением является весьма развитой функцией USB. Для устройств, питающихся от шины, мощность ограничена. Любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. Рабочий ток (не более 500 мА) заявляется в конфигурации, и если хаб не сможет обеспечить устройству заявленный ток, оно не конфигурируется и, следовательно, не может быть использовано. Устройство USB должно поддерживать приостановку (Suspended Mode), в котором его потребляемый ток не превышает 500 мкА. Устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины. Возможность удаленного пробуждения (Remote Wakeup) позволяет приостановленному устройству подать сигнал хосткомпьютеру, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена. Хаб в USB выполняет коммутацию сигналов и выдачу питающего напряжения, а также отслеживает состояние подключенных к нему устройств, уведомляя хост об изменениях. Хаб состоит из двух частей – контроллера (Hub Controller) и повторителя (Hub Repeater). Повтори Повторитель представляет собой управляемый ключ, соединяющий выходной порт со входным. Он имеет средства поддержки сброса и приостановки передачи сигналов. Контроллер содержит регистры для взаимодействия с хостом. Доступ к регистрам осуществляется по специфическим командам обращения к хабу. Команды позволяют конфигурировать хаб, управлять нисходящими портами и наблюдать их состояние. Нисходящие (Downstream) порты хабов могут находиться в следующих состояниях: Powered (питание отключено) – на порт не подается питание (возможно только для хабов, коммутирующих питание). Выходные буферы переводятся в высокоимпедансное состояние, входные сигналы игнорируются. Disconnected (отсоединен) – порт не передает сигналы ни в одном направлении, но способен обнаружить подключение устройства (по отсутствию состояния SEO в течение 2,5 мкс). Тогда порт переходит в состояние Disabled, а по уровням входных сигналов {DiffO или Diff1 в состоянии Idle) он определяет скорость подключенного устройства. Disabled (запрещен) – порт передает только сигнал сброса (по команде от контроллера), сигналы от порта (кроме обнаружения отключения) не воспринимаются. По обнаружении отключения (2,5 мкс состояния SEO) порт переходит в состояние Disconnect, а если отключение обнаружено “спящим” хабом, контроллеру будет послан сигнал Resume. Enabled (разрешен) – порт передает сигналы в обоих направлениях. По команде контроллера или по обнаружении ошибки кадра порт переходит в состояние Disabled, а по обнаружении отключения – в состояние Disconnect. Suspended (приостановлен) – порт передает сигнал перевода в состояние останова (“спящий” режим). Если хаб находится в активном состоянии, сигналы через порт не пропускаются ни в одном направлении. Однако “спящий” хаб воспринимает сигналы смены состояния незапрещенных портов, подавая “пробуждающие” сигналы от активизировавшегося устройства даже через цепочку “спящих” хабов. Состояние каждого порта идентифицируется контроллером хаба с помощью отдельных регистров. Имеется общий регистр, биты которого отражают факт изменения состояния каждого порта (фиксируемый во время EOF). Это позволяет хост-контроллеру быстро узнать состояние хаба, а в случае обнаружения изменений специальными транзакциями уточнить состояние. машины – процессора, даже в ущерб эффективности работы использующих его специалистов. Рис. 1.2. Централизованная система … Последовательная шина USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) компьютерным меркам довольно давно – версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициирована весьма авторитетными фирмами – Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq. Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками – создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов. Кроме этого, желательно питание маломощных устройств подавать с самой шины. Скорость шины должна быть достаточной для подавляющего большинства периферийных устройств. Попутно решается историческая проблема нехватки ресурсов на внутренних шинах IBM PC совместимого компьютера – контроллер USB занимает только одно прерывание независимо от количества подключенных к шине устройств. Возможности последовательной шины USB следуют из ее технических характеристик: Высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) – 12 Mb/s Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена – 5 m Низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) – 1.5 Mb/s Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена – 3 m Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) – 127. Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена Отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов, таких как терминаторы для SCSI Напряжение питания для периферийных устройств – 5 V Максимальный ток потребления на одно устройство – 500 mA. Поэтому целесообразно подключать к USB практически любые периферийные устройства, кроме цифровых видеокамер и высокоскоростных жестких дисков. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение/расчленение. Возможность использования только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины, но существенно уменьшает количество линий интерфейса и упрощает аппаратную реализацию. Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джойстики и т.п. Сигналы USB передаются по 4–х проводному кабелю. Кабель для поддержки полной скорости шины (full-speed) выполняется как витая пара, защищается экраном и может также использоваться для работы в режиме минимальной скорости (low-speed). Кабель для работы только на минимальной скорости (например, для подключения мыши) может быть любым и неэкранированным. Система USB разделяется на три уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит интерфейсную часть, часть устройства и функциональную часть. Хост тоже делится на три части – интерфейсную, системную и ПО устройства. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач, логическое и реальное взаимодействие между ними иллюстрирует рис. 69. В рассматриваемую структуру входят следующие элементы: Физическое устройство USB – устройство на шине, выполняющее функции, интересующие конечного пользователя. Client SW – ПО, соответствующее конкретному устройству, исполняемое на хост–компьютере. Может являться составной частью ОС или специальным продуктом. USB System SW – системная поддержка USB, независимая от конкретных устройств и клиентского ПО. USB Host Controller – аппаратные и программные средства для подключения устройств USB к хост–компьютеру. Рис. 69 Взаимодействие компонентов USB Физический интерфейс Информационные сигналы и питающее напряжение 5В передаются по четырехпроводному кабелю. Используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D– по двум проводам. Уровни сигналов передатчиков в статическом режиме должны быть ниже 0,3 В (низкий уровень) или выше 2,8 В (высокий уровень). Приемники выдерживают входное напряжение в пределах – 0,5…+3,8 В. Передатчики должны уметь переходить в высокоимпедансное состояние для двунаправленной полудуплексной передачи по одной паре проводов. Передача по двум проводам в USB не ограничивается дифференциальными сигналами. Кроме дифференциального приемника каждое устройство имеет линейные приемники сигналов D+ и D–, а передатчики этих линий управляются индивидуально. Это позволяет различать более двух состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса. Состояния DiffO и Diff1 определяются по разности потенциалов на линиях D+ и D – более 200 мВ при условии, что на одной из них потенциал выше порога срабатывания VSE. Состояние, при котором на обоих входах D+ и D– присутствует низкий уровень, называется линейным ну– лем (SEO – Single–Ended Zero). интерфейс определяет следующие состояния: DataJ State и Data К State – состояния передаваемого бита (или просто J и К), определяются через состояния DiffO и Diff1. Idle State – пауза на шине. Resume State – сигнал “пробуждения” для вывода устрой– ства из “спящего” режима. Start of Packet (SOP) – начало пакета (переход из Idle State в К). End of Packet (EOP) – конец пакета. Disconnect – устройство отключено от порта. Connect – устройство подключено к порту. Reset – сброс устройства. Состояния определяются сочетаниями дифференциальных и линейных сигналов; для полной и низкой скоростей состояния DiffO и Diff1 имеют противоположное назначение. В декодировании состояний Disconnect, Connect и Reset учитывается время нахождения линий (более 2,5 мс) в определенных состояниях. Шина имеет два режима передачи. Полная скорость передачи сигналов USB составляет 12 Мбит/с, низкая – 1,5 Мбит/с. Для полной скорости используется экранированная витая пара с импедансом 90 Ом и длиной сегмента до 5 м, для низкой –невитой неэкранированньгй кабель до 3 м. Сигналы синхронизации кодируются вместе с данными по методу NRZI (Non Return to Zero Invert), его работу иллюстрирует рис. 72. Каждому пакету предшествует поле синхронизации SYNC, позволяющее приемнику настроиться на частоту передатчика. Кабель также имеет линии VBus и GND для передачи питающего напряжения 5 В к устройствам. Сечение проводников выбирается в соответствии с длиной сегмента для обеспечения гарантированного уровня сигнала и питающего напряжения. Рис. 70 Подключение полноскоростного устройства Рис. 71 Подключение низкоскоростного устройства Рис. 72. Кодирование данных по методу NRZI Стандарт определяет два типа разъемов (табл. 7 и рис.73). Таблица 7 Разъемы типа “А” применяются для подключения к хабам (Upstream Connector). Вилки устанавливаются на кабелях, не отсоединяемых от устройств (например, клавиатура, мышь и т. п.). Гнезда устанавливаются на нисходящих портах (Downstream Port) хабов. Разъемы типа “В” (Downstream Connector) устанавливаются на устройствах, от которых соединительный кабель может отсоединяться (принтеры и сканеры). Ответная часть (вилка) устанавливается на соединительном кабеле, противоположный конец которого имеет вилку типа “А”. Разъемы типов “А” и “В” различаются механически (рис. 73), что исключает недопустимые петлевые соединения портов хабов. Четырехконтактные разъемы имеют ключи, исключающие неправильное присоединение. Конструкция разъемов обеспечивает позднее соединение и раннее отсоединение сигнальных цепей по сравнению с питающими. Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение. Рис. 73. Гнезда USB: а – типа “А”, б – типа “В”, в – символическое обозначение Модель передачи данных Каждое устройство USB представляет собой набор независимых конечных точек (Endpoint), с которыми хост–контроллер обменивается информацией. Конечные точки описываются следующими параметрами: требуемой частотой доступа к шине и допустимыми задержками обслуживания; требуемой полосой пропускания канала; номером точки; требованиями к обработке ошибок; максимальными размерами передаваемых и принимаемых пакетов; типом обмена; направлением обмена (для сплошного и изохронного обменов). Каждое устройство обязательно имеет конечную точку с номером 0, используемую для инициализации, общего управления и опроса его состояния. Эта точка всегда сконфигурирована при включении питания и подключении устройства к шине. Оно поддерживает передачи типа “управление”. Кроме нулевой точки, устройства–функции могут иметь дополнительные точки, реализующие полезный обмен данными. Низкоскоростные устройства могут иметь до двух дополнительных точек, полноскоростные – до 16 точек ввода и 16 точек вывода (протокольное ограничение). Точки не могут быть использованы до их конфигурирования (уста– новления согласованного с ними канала). Каналом {Pipe) в USB называется модель передачи данных между хост–контроллером и конечной точкой (Endpoint) ус– тройства. Имеются два типа каналов: потоки (Stream) и со– общения (Message). Поток доставляет данные от одного конца канала к другому, он всегда однонаправленный. Один и тот же номер конечной точки может использоваться для двух поточных каналов – ввода и вывода. Поток может реализовывать следующие типы обмена: сплошной, изохронный и прерывания. Доставка всегда идет в порядке “первым вошел – первым вышел” (FIFO); с точки зрения USB, данные потока неструктурированы. Сообщения имеют формат, определенный спецификацией USB. Хост посылает запрос к конечной точке, после которого передается (принимается) пакет сообщения, за которым следует пакет с информацией состояния конечной точки. Последующее сообщение нормально не может быть послано до обработки предыдущего, но при отработке ошибок возможен сброс необслуженных сообщений. Двухсторонний обмен сообщениями адресуется к одной и той же конечной точке. Для доставки сообщений используется только обмен типа “управление”. С каналами связаны характеристики, соответствующие конечной точке (полоса пропускания, тип сервиса, размер буфера и т. п.). Каналы организуются при конфигурировании устройств USB. Для каждого включенного устройства существует канал сообщений (Control Pipe 0), по которому передается информация конфигурирования, управления и состояния. Типы передачи данных USB поддерживает как однонаправленные, так и двунаправленные режимы связи. Передача данных производится между ПО хоста и конечной точкой устройства. Устройство может иметь несколько конечных точек, связь с каждой из них (канал) устанавливается независимо. Архитектура USB допускает четыре базовых типа передачи данных: Управляющие посылки (Control Transfers), используемые для конфигурирования во время подключения и в процессе работы для управления устройствами. Протокол обеспечивает гарантированную доставку данных. Длина поля данных управляющей посылки не превышает 64 байт на полной скорости и 8 байт на низкой. Сплошные передачи (Bulk Data Transfers) сравнительно больших пакетов без жестких требований ко времени доставки. Передачи занимают всю свободную полосу про– пускания шины. Пакеты имеют поле данных размером 8, 16, 32 или 64 байт. Приоритет этих передач самый низкий, они могут приостанавливаться при большой загрузке шины. Допускаются только на полной скорости передачи. Прерывания (Interrupt) – короткие (до 64 байт на полной скорости, до 8 байт на низкой) передачи типа вводимых символов или координат. Прерывания имеют спонтанный характер и должны обслуживаться не медленнее, чем того требует устройство. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 1–255 мс для полной скорости и 10–255 мс – для низкой. Изохронные передачи (Isochronous Transfers) – непрерывные передачи в реальном времени, занимающие предварительно согласованную часть пропускной способности шины и имеющие заданную задержку доставки. В случае обнаружения ошибки изохронные данные передаются без повтора – недействительные пакеты игнорируются. Пример – цифровая передача голоса. Пропускная способность определяется требованиями к качеству передачи, а задержка доставки может быть критичной, например, при реализации телеконференций. Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Выделенная полоса закрепляется за каналом, и если установление нового канала требует такой полосы, которая не вписывается в уже существующее распределение, запрос на выделение канала отвергается. Архитектура USВ предусматривает внутреннюю буферизацию всех устройств, причем чем большей полосы пропускания требует устройство, тем больше должен быть его буфер. USB должна обеспечивать обмен с такой скоростью, чтобы задержка данных в устройстве, вызванная буферизацией, не превышала нескольких миллисекунд. Изохронные передачи классифицируются по способу синхронизации конечных точек – источников или получателей данных – с системой: различают асинхронный, синхронный и адаптивный классы устройств, каждому из которых соответствует свой тип канала USB. Протокол Все обмены (транзакции) по USB состоят из трех пакетов. Каждая транзакция планируется и начинается по инициативе контроллера, который посылает пакет–маркер {Token Packet). Он описывает тип и направление передачи, адрес устройства USB и номер конечной точки. В каждой транзакции возможен обмен только между адресуемым устройством (его конечной точкой) и хостом. Адресуемое маркером устройство распознает свой адрес и готовится к обмену. Источник данных (определенный маркером) передает пакет данных (или уведомление об отсутствии данных, предназначенных для передачи). После успешного приема пакета приемник данных посылает пакет подтверждения (Handshake Packet). Планирование транзакций обеспечивает управление поточными каналами. На аппаратном уровне использование отказа от транзакции (NAck) при недопустимой интенсивности передачи предохраняет буферы от переполнения сверху и снизу. Маркеры отвергнутых транзакций повторно передаются в свободное для шины время. Управление потоками позволяет гибко планировать обслуживание одновременных разнородных потоков данных. Устойчивость к ошибкам обеспечивают следующие свойства USB: Высокое качество сигналов, достигаемое благодаря дифференциальным приемникам/передатчикам и экранированным кабелям. Защита полей управления и данных CRC–кодами. Обнаружение подключения и отключения устройств и конфигурирование ресурсов на системном уровне. Самовосстановление протокола с тайм-аутом при потере пакетов. Управление потоком для обеспечения изохронности и управления аппаратными буферами. Независимость функций от неудачных обменов с другими функциями. Для обнаружения ошибок передачи каждый пакет имеет контрольные поля CRC–кодов, позволяющие обнаруживать все одиночные и двойные битовые ошибки. Аппаратные средства обнаруживают ошибки передачи, а контроллер автоматически производит трехкратную попытку передачи. Если повторы безуспешны, сообщение об ошибке передается клиентскому ПО. Форматы пакетов Байты передаются по шине последовательно, начиная с младшего бита. Все посылки организованы в пакеты. Каждый пакет начинается с поля синхронизации Sync, которое представляется последовательностью состояний KJKJKJKK (кодированную по NRZI), следующую после состояния Idle. Последние два бита (КК) являются маркером начала пакета SOP, используемым для идентификации первого бита идентификатора пакета PID. Идентификатор пакета является 4–битным полем PID, идентифицирующим тип пакета (табл.8), за которым в качестве контрольных следуют те же 4 бита, но инвертированные. В пакетах–маркерах IN, SETUP и OUT следующими являются адресные поля: 7–битный адрес функции и 4–битный адрес конечной точки. Они позволяют адресовать до 127 функций USB (нулевой адрес используется для конфигурирования) и по 16 конечных точек в каждой функции. В пакете SOF имеется 11–битное поле номера кадра (Frame Number Field), последовательно (циклически) увеличиваемое для очередного кадра. Поле данных может иметь размер от 0 до 1023 целых байт. Размер поля зависит от типа передачи и согласуется при установлении канала. Поле СКС-кола присутствует во всех маркерах и пакетах данных, оно защищает все поля пакета, исключая PID. CRC для маркеров (5 бит) и данных (11 бит) подсчитываются по разным формулам. Таблица 8 Содержимое и назначение Адрес функции и номер конечной точки – маркер транзакции функции Адрес функции и номер конечной точки – маркер транзакции хоста Маркер начала кадра Адрес функции и номер конечной точки – маркер транзакции с управляющей точкой Пакеты данных с четным и нечетным PID чередуются для точной идентификации подтверждений Подтверждение безошибочного приема пакета Приемник не сумел принять или передатчик не сумел передать данные. Может использоваться для управления потоком данных (неготовность). В транзакциях прерываний является признаком отсутствия необслуженных прерываний Конечная точка требует вмешательства хоста Преамбула передачи на низкой скорости Каждая транзакция инициируется хост–контроллером посылкой маркера и завершается пакетом квитирования. Последовательность пакетов в транзакциях иллюстрирует рис. 7.7. Хост-контроллер организует обмены с устройствами согласно своему плану распределения ресурсов. Контроллер циклически (с периодом 1 мс) формирует кадры (Frames), в которые укладываются все запланированные транзакции. Каждый кадр начинается с посылки маркера SOF (Start Of Frame), который является синхронизирующим сигналом для всех устройств, включая хабы. В конце каждого кадра выделяется интервал времени EOF (End Of Frame), на время которого хабы запрещают передачу по направлению к контроллеру. Каждый кадр имеет свой номер. Хост–контроллер оперирует 32–битным счетчиком, но в маркере SOF передает только младшие 11 бит. Номер кадра увеличивается (циклически) во время EOF. Хост планирует загрузку кадров так, чтобы в них всегда находилось место для транзакций управления и прерывания. Свободное время кадров может заполняться сплошными передачами (Bulk Transfers). Задание для выполнения работы 1. Описать функции управления шиной и портами а) формирование адреса порта б) организация сквозного канала в системном интерфейсе для передачи данных между портом устройства ввода-вывода и МП. 2. Структура микропроцессорной памяти. 3. Последовательная шина USB. Режимы передачи данных. 4. Чипсет. Его назначение. Диаграмма чипсета. 5. Микропроцессорная память. Регистры и их назначение. 6. Стандартные интерфейсы и форматы передачи данных. 7. Привести схемы подключение модемов, принтеров, плоттеров к COM-порту. 8. Нарисовать схему взаимодействия компонентов USB. Универсальная последовательная шина Mini-B Connector ECN: извещение выпущено в октябре 2000 года. Errata, начиная с декабря 2000: извещение выпущено в декабре 2000 года. Pull-up/Pull-down Resistors ECN Errata, начиная с мая 2002: извещение выпущено в мае 2002 года. Interface Associations ECN: извещение выпущено в мае 2003 года.
    Были добавлены новые стандарты, позволяющие ассоциировать множество интерфейсов с одной функцией устройства. Rounded Chamfer ECN: извещение выпущено в октябре 2003 года. Unicode ECN: извещение выпущено в феврале 2005 года. Данное ECN специфицирует, что строки закодированы с использованием UTF-16LE . Inter-Chip USB Supplement: извещение выпущено в марте 2006 года. On-The-Go Supplement 1.3: извещение выпущено в декабре 2006 года. USB On-The-Go делает возможным связь двух USB-устройств друг с другом без отдельного USB-хоста. На практике одно из устройств играет роль хоста для другого. USB OTG USB 3.0 USB 3.0 находится на финальных стадиях разработки. Созданием USB 3.0 занимаются компании: Microsoft, Texas Instruments, NXP Semiconductors. В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели обновлённого стандарта будут физически и функционально совместимы с USB 2.0. Кабель USB 2.0 содержит в себе четыре линии – пару для приёма/передачи данных, одну – для питания и ещё одну – для заземления. В дополнение к ним USB 3.0 добавляет пять новых линий (в результате чего кабель стал гораздо толще), однако новые контакты расположены параллельно по отношению к старым на другом контактном ряду. Теперь можно будет с лёгкостью определить принадлежность кабеля к той или иной версии стандарта, просто взглянув на его разъём. Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 4,8 Гбит/с – что на порядок больше 480 Мбит/с, которые может обеспечить USB 2.0. USB 3.0 может похвастаться не только более высокой скоростью передачи информации, но и увеличенной силой тока с 500 мА до 900 мА. Отныне пользователь сможет не только подпитывать от одного хаба гораздо большее количество устройств, но и само аппаратное обеспечение, ранее поставлявшееся с отдельными блоками питания, избавится от них. Здесь GND – цепь «корпуса» для питания периферийных устройств, VBus – +5 В, так же для цепей питания. Данные передаются по проводам D+ и D− дифференциально (состояния 0 и 1 (в терминологии официальной документации diff0 и diff1 соответственно) определяются по разности потенциалов межу линиями более 0,2 В и при условии, что на одной из линий (D− в случае diff0 и D+ при diff1) потенциал относительно GND выше 2,8 В. Дифференциальный способ передачи является основным, но не единственным (например, при инициализации устройство сообщает хосту о режиме, поддерживаемом устройством (Full-Speed или Low-Speed), подтягиванием одной из линий данных к V_BUS через резистор 1.5 кОм (D− для режима Low-Speed и D+ для режима Full-Speed, устройства, работающие в режиме Hi-Speed, ведут себя на этой стадии как устройства в режиме Full-Speed). Так же иногда вокруг провода присутствует волокнистая обмотка для защиты от физических повреждений. . Коннектор USB 3.0 тип B Коннектор USB 3.0 тип А Кабели и разъёмы USB 3.0 Недостатки USB Хотя пиковая пропускная способность USB 2.0 составляет 480 Мбит/с (60 Мбайт/с), на практике обеспечить пропускную способность, близкую к пиковой, не удаётся. Это объясняется достаточно большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, шина FireWire хотя и обладает меньшей пиковой пропускной способностью 400 Мбит/с, что на 80 Мбит/с меньше, чем у USB 2.0, в реальности позволяет обеспечить бо́льшую пропускную способность для обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации. USB и FireWire/1394 Протокол USB storage, представляющий собой метод передачи команд Кроме того, USB storage не поддерживался в старых ОС (первоначальная Windows 98), и требовал установки драйвера. SBP-2 поддерживался и в них. Также в старых ОС (Windows 2000) протокол USB storage был реализован в урезанном виде, не позволяющем использовать функцию прожига CD/DVD дисков на подключенном по USB дисководе, SBP-2 никогда не имел таких ограничений. Шина USB строго ориентирована, потому соединение 2 компьютеров или же 2 периферийных устройств требует дополнительного оборудования. Некоторые производители поддерживают соединение принтера и сканера, или же фотоапарата и принтера, но эти реализации сильно завязаны на конкретного производителя и не стандартизированы. Шина 1394/FireWire не подвержена этому недостатку (можно соединить 2 видеокамеры). Тем не менее, ввиду лицензионной политики Apple, а также намного более высокой сложности оборудования, 1394 менее распространен, материнские платы старых компьютеров не имеют 1394 контроллера. Что касается периферии, то поддержка 1394 обычно не встречается ни в чем, кроме видеокамер и корпусов для внешних жестких дисков и CD/DVD приводов. См. также FireWire TransferJet Источники Ссылки USB News (нем.) List of USB ID’s (Vendors, devices and interfaces) (англ.) Шина USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно – версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициировна весьма авторитетными фирмами – Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq. Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками – создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов. Возможности USB следуют из ее технических характеристик: высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) – 12 Mбит/с; максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена – 5 м; низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) – 1,5 Mбит/с; максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена – 3 м; максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) – 127; возможно подключение устройств с различными скоростями обмена; напряжение питания для периферийных устройств – 5 В; максимальный ток потребления на одно устройство – 500 мA (это не означает, что через USB можно запитать устройства с общим током потребления 127 ´ 500 мA = 63,5 A) Топология USB практически не отличается от топологии обычной локальной сети на витой паре, обычно называемой «звездой». Даже терминология похожа – размножители шины также называются HUB. Условно дерево подключения USB устройств к компьютеру можно изобразить так (см. рис. 5.22) (цифрами обозначены периферийные устройства с USB интерфейсом): Вместо любого из устройств может также стоять HUB. Основное отличие от топологии обычной локальной сети – компьютер (или host устройство) может быть только один. HUB может быть как отдельным устройством с собственным блоком питания, так и встроенным в периферийное устройство. Наиболее часто HUB”ы встраиваются в мониторы и клавиатуры. Сигналы USB передаются по 4-х проводному кабелю, схематично показанному на рис. 5.22: Рис. 5.22. Передача сигнала по USB-кабелю Здесь GND – цепь «корпуса» для питания периферийных устройств, VBus – +5 V также для цепей питания. Шина D+ предназначена для передачи данных по шине, а шина D – для приема данных. Кабель для поддержки полной скорости шины (full-speed) выполняется как витая пара, защищается экраном и может также использоваться для работы в режиме минимальной скорости (low-speed). Кабель для работы только на минимальной скорости (например, для подключения мыши) может быть любым и неэкранированным. В 1999 году тот же консорциум компьютерных компаний, который инициировал разработку первой версии стандарта на шину USB, начал активно разрабатывать версию 2.0 USB, которая отличается тем, что полоса пропускания шины увеличена в 20 раз, до 250 Mбит/с, что делает возможным передачу видеоданных по USB и делает ее прямым конкурентом IEEE-1394 (FireWire). Совместимость всей ранее выпущенной периферии и высокоскоростных кабелей полностью сохраняется и сохраняется одно из самых главных достоинств USB – низкая стоимость контроллера.
  3. Таблица. Сравнение шины USB с традиционными периферийными интерфейсами
  4. Запросы, пакеты и транзакции
  5. Лекция 11. Универсальная последовательная шина USB.
  6. USB OTG
  7. USB 3.0
  8. Кабели и разъёмы USB 3.0
  9. Недостатки USB
  10. USB и FireWire/1394
  11. См. также
  12. Источники
  13. Ссылки

Универсальная последовательная шина USB. Последовательная шина usb Шина usb назначение виды характеристики

Организация шины USB

USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Версия стандарта 1.0 была опубликована в начале 1996 года, большинство устройств поддерживают стандарт 1.1, который вышел осенью 1998 года, — в нем были устранены обнаруженные проблемы первой редакции. Весной 2000 года опубликована спецификация USB 2.0, в которой предусмотрено 40-кратное увеличение пропускной способности шины. Первоначально (в версиях 1.0 и 1.1) шина обеспечивала две скорости передачи информации: полная скорость, FS (full speed) — 12 Мбит/с и низкая скорость, LS (low speed) — 1,5 Мбит/с. В версии 2.0 определена еще и высокая скорость, HS (high speed) — 480 Мбит/с, что позволяет существенно расширить круг устройств, подключаемых к шине. В одной и той же системе могут присутствовать и одновременно работать устройства со всеми тремя скоростями. Шина позволяет с использованием промежуточных хабов соединять устройства, удаленные от компьютера на расстояние до 25 м. Подробную и оперативную информацию по USB (на английском языке) можно найти на сайте http://www.usb.org . Разработку устройств и их классификацию и стандартизацию координирует USB-IF (USB Implementers Forum, Inc.).

Шина USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). USB является единой централизованной аппаратно-программной системой массового обслуживания множества устройств и множества прикладных программных процессов. Связь программных процессов со всеми устройствами обеспечивает хост-контроллер с многоуровневой программной поддержкой. Этим USB существенно отличается от традиционных периферийных интерфейсов (портов LPT, COM, GAME, клавиатуры, мыши и т. п.), сравнение этих типов подключений приводится в таблице.

Таблица. Сравнение шины USB с традиционными периферийными интерфейсами

Традиционные интерфейсы (COM, LPT, Game…)
Шина USB
Подключение каждого устройства в общем случае требует присутствия собственного контроллера (адаптера) 1 Все устройства подключены через один хостконтроллер
Каждый контроллер занимает свои ресурсы (области в пространстве памяти, ввода/вывода, а также запросы прерывания) Ресурсы занимает только хост-контроллер
Малое количество устройств, которые возможно одновременно подключить к компьютеру Возможность подключения до 127 устройств
Драйверы устройств могут обращаться непосредственно к контроллерам своих устройств, независимо друг от друга Драйверы устройств обращаются только к общему драйверу хост-контроллера
Независимость драйверов оборачивается непредсказуемостью результата одновременной работы с множеством устройств, отсутствием гарантий качества обслуживания (возможность задержек и уменьшения скорости передачи)
для различных устройств
Централизованный планируемый обмен обеспечивает гарантии качества обслуживания, что позволяет передавать мультимедийные изохронные данные наряду с обычным асинхронным обменом
Разнообразие интерфейсов, разъемов и кабелей, специфичных для каждого типа устройств Единый удобный и дешевый интерфейс для подключения устройств всех типов. Возможность выбора скорости работы устройства (1,5-15-480 Мбит/с) в зависимости от потребности
Отсутствие встроенных средств обнаружения подключения/отключения и идентификации устройств, сложность поддержки PnP Возможность «горячего» подключения/отключения устройств, полная поддержка PnP, динамическое конфигурирование
Отсутствие средств контроля ошибок Встроенные средства обеспечения надежной передачи данных
Отсутствие штатного питания устройств Возможность питания устройств от шины, а также наличие средств управления энергопотреблением

1 – Возможностью подключения к одному контроллеру множества устройств обладает и шина SCSI, но ее параллельный интерфейс по сравнению с USB слишком дорог, громоздок и более ограничен в топологии.

Архитектура USB допускает четыре базовых типа передач данных между хостом и периферийными устройствами:

  • изохронные передачи (isochronous transfers)

    — потоковые передачи в реальном времени, занимающие предварительно согласованную часть пропускной способности шины с гарантированным временем задержки доставки. На полной скорости (FS) можно организовать один канал с полосой до 1,023 Мбайт/с (или два по 0,5 Мбайт/с), заняв 70 % доступной полосы (остаток можно занять и менее емкими каналами). На высокой скорости (HS) можно получить канал до 24 Мбайт/с (192 Мбит/с). Надежность доставки не гарантируется — в случае обнаружения ошибки изохронные данные не повторяются, недействительные пакеты игнорируются. Шина USB позволяет с помощью изохронных передач организовывать синхронные соединения между устройствами и прикладными программами. Изохронные передачи нужны для потоковых устройств: видеокамер, цифровых аудиоустройств (колонки USB, микрофон), устройств воспроизведения и записи аудио- и видеоданных (CD и DVD). Видеопоток (без компрессии) шина USB способна передавать только на высокой скорости;
  • прерывания (interrupts)

    — передачи спонтанных сообщений, которые должны выполняться с задержкой не более, чем того требует устройство. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 10-255 мс для низкой и 1-255 мс для полной скорости. На высокой скорости можно заказать и 125 мкс. Доставка гарантирована, при случайных ошибках обмена выполняется повтор, правда, при этом время обслуживания увеличивается. Прерывания используются, например, при вводе символов с клавиатуры или для передачи сообщений о перемещениях мыши. Прерываниями можно передавать данные и к устройству (как только устройство сигнализирует о потребности в данных, хост своевременно их передает). Размер сообщения может составлять 0-8 байт для низкой скорости, 0-64 байт — для полной и 0-1024 байт — для высокой скорости передачи;
  • передачи массивов данных (bulk data transfers)

    — это передачи без каких-либо обязательств по своевременности доставки и по скорости. Передачи массивов могут занимать всю полосу пропускания шины, свободную от передач других типов. Приоритет этих передач самый низкий, они могут приостанавливаться при большой загрузке шины. Доставка гарантированная — при случайной ошибке выполняется повтор. Передачи массивов уместны для обмена данными с принтерами, сканерами, устройствами хранения и т. п.;
  • управляющие передачи (control transfers)

    используются для конфигурирования устройств во время их подключения и для управления устройствами в процессе работы. Протокол обеспечивает гарантированную доставку данных и подтверждение устройством успешности выполнения управляющей команды. Управляющая передача позволяет подать устройству команду (запрос, возможно, и с дополнительными данными) и получить на него ответ (подтверждение или отказ от выполнения запроса и, возможно, данные). Только управляющие передачи на USB обеспечивают синхронизацию запросов и ответов; в остальных типах передач явной синхронизации потока ввода с потоком вывода нет.

Аппаратная часть USB включает:

  • периферийные устройства USB, несущие полезные функции (USB-functions);
  • хост-контроллер (Host Controller), обеспечивающий связь шины с центром компьютера, объединенный с корневым хабом (Root Hub), обеспечивающим точки подключения устройств USB. Существует два варианта хост-контроллеров USB 1.x — UHC (Universal Host Controller) и OHC (Open Host Controller), поддерживающие скорости FS/LS; высокую скорость шины USB 2.0 (HS и только) поддерживает EHC (Enhanced Host Controller);
  • хабы USB (USB Hubs), обеспечивающие дополнительные точки подключения устройств;
  • кабели USB, соединяющие устройства с хабами.

Программная часть USB включает:

  • клиентское ПО (CSw, Client Software) — драйверы устройств USB, обеспечивающие доступ к устройствам со стороны прикладного ПО. Эти драйверы взаимодействуют с устройствами только через программный интерфейс с общим драйвером USB (USBD). Непосредственного обращения к каким-либо регистрам аппаратных средств драйверы устройств USB не выполняют;
  • драйвер USB (USBD, USB Driver), «заведующий» всеми USB-устройствами системы, их нумерацией, конфигурированием, предоставлением служб, распределением пропускной способности шины, мощности питания и т. п.;
  • драйвер хост-контроллера (HCD, Host Controller Driver), преобразующий запросы ввода/вывода в структуры данных, размещенные в коммуникационной области оперативной памяти, и обращающийся к регистрам хост-контроллера. Хост-контроллер выполняет физические транзакции, руководствуясь этими структурами данных.

Драйверы USBD и HCD составляют хост-часть ПО USB; спецификация USB очерчивает круг их задач, но не описывает интерфейс между ними. Физическое устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Физические устройства USB могут быть комбинированными (compound devices): включать в себя несколько устройств-функций, подключенных к внутреннему хабу, а также предоставлять своим внутренним хабом дополнительные внешние точки подключения.

Работой всех устройств шины USB управляет хост-контроллер (host controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера. Хост-контроллер является интеллектуальным устройством шины PCI или составной частью «южного» хаба (моста) системной платы, интенсивно взаимодействующим с оперативной памятью.

Физическая топология шины USB

— многоярусная звезда (см. рисунок, а). Ее вершиной является хост-контроллер, объединенный с корневым хабом (root hub). Хаб является устройством-разветвителем, он может служить и источником питания для подключенных к нему устройств. К каждому порту хаба может непосредственно подключаться периферийное устройство или промежуточный хаб; шина допускает до пяти уровней (ярусов) каскадирования хабов (не считая корневого). Поскольку комбинированные устройства содержат внутри себя хаб, их подключение к хабу пятого яруса уже недопустимо. Каждый промежуточный хаб имеет несколько нисходящих (downstream) портов для подключения периферийных устройств (или нижележащих хабов) и один восходящий (upstream) порт для подключения к корневому хабу или нисходящему порту вышестоящего хаба.

Логическая топология USB — звезда. Хабы (включая корневой) создают иллюзию непосредственного подключения каждого логического устройства к хост-контроллеру (см. рисунок ниже, б). В этой звезде устанавливаются сугубо подчиненные отношения по системе опроса-ответа: хост-контроллер по своей инициативе передает данные к выбранному устройству или принимает их. Устройство по своей инициативе передавать данные не может; непосредственные передачи данных между устройствами невозможны. Устройство по своей инициативе может лишь сигнализировать о «пробуждении» (wakeup), для чего используется специальная сигнализация, но не передача данных.

Физический интерфейс USB прост и изящен. Конструкция кабелей и коннекторов USB не дает возможности ошибиться при подключении устройств (см. рисунок ниже, а и б). Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение (см. рисунок ниже, в). Гнезда типа «A» устанавливаются только на нисходящих портах хабов, вилки типа «A» — на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов. Гнезда и вилки типа «B» используются только для шнуров, отсоединяемых от периферийных устройств и восходящих портов хабов (от «мелких» устройств — мышей, клавиатур и т. п. кабели, как правило, не отсоединяются). Для малогабаритных устройств имеются разъемы mini-B, а для поддержки OTG (On-the-Go) имеются и вилки mini-A, и розетки miniAB. Хабы и устройства обеспечивают возможность «горячего» подключения и отключения с сигнализацией об этих событиях хосту.

При планировании соединений следует учитывать способ питания устройств: устройства, питающиеся от шины, как правило, подключают к хабам, питающимся от сети. К хабам, питающимся от шины, подключают лишь маломощные устройства — так, к клавиатуре USB, содержащей внутри себя хаб, подключают мышь USB и другие устройства-указатели (трекбол, планшет).

Логическое устройство USB

представляет собой набор независимых конечных точек (Endpoint, EP), с которыми хост-контроллер (и клиентское ПО) обменивается информацией. Каждому логическому устройству USB (как функции, так и хабу) конфигурационная часть ПО хоста назначает свой адрес (1-127), уникальный на данной шине USB. Каждая конечная точка логического устройства идентифицируется своим номером (0-15) и направлением передачи (IN — передача к хосту, OUT — от хоста). Точки IN4 и OUT4, к примеру, представляют собой разные конечные точки, с которыми могут общаться даже модули клиентского ПО. Набор конечных точек зависит от устройства, но всякое устройство USB обязательно имеет двунаправленную конечную точку 0 (EP0), через которую осуществляется его общее управление. Для прикладных целей используются конечные точки с номерами 1-15 (1-2 для низкоскоростных устройств). Адрес устройства, номер и направление конечной точки однозначно идентифицируют приемник или источник информации при обмене хост-контроллера с устройствами USB. Каждая конечная точка имеет набор характеристик, описывающих поддерживаемый тип передачи данных (изохронные данные, массивы, прерывания, управляющие передачи), размер пакета, требования к частоте обслуживания.

Устройство может выполнять несколько различных функциональных задач: например, привод CD-ROM может обеспечивать проигрывание аудиодисков и работать как устройство хранения данных. Для решения каждой задачи в устройстве определяется интерфейс — набор конечных точек, предназначенных для выполнения данной задачи, и правила их использования. Таким образом, каждое устройство должно обеспечивать один или несколько интерфейсов. Наличие нескольких интерфейсов позволяет нескольким драйверам, каждый из которых обращается только к своему интерфейсу (представляющему часть устройства USB), работать с одним и тем же устройством USB. Каждый интерфейс может иметь один или несколько альтернативных вариантов (альтернативных установок — alternate settings), из которых в данный момент активным может быть только один. Варианты различаются наборами (возможно, и характеристиками) используемых конечных точек.

Набор одновременно поддерживаемых интерфейсов составляет конфигурацию устройства. Устройство может иметь одну или несколько возможных конфигураций, из которых на этапе конфигурирования хост выбирает одну, делая ее активной. От выбранной конфигурации зависит доступная функциональность, и зачастую — потребляемая мощность. Пока устройству не назначен номер выбранной конфигурации, оно не может функционировать в прикладном смысле и ток потребления от шины не должен превышать 100 мА. Хост выбирает конфигурацию исходя из доступности всех ресурсов, затребованных данной конфигурацией, включая и ток потребления от шины.

Каждая единица клиентского ПО (обычно представляемая драйвером) связывается с одним интерфейсом своего устройства (функции) монопольно и независимо (см. рисунок ниже). Связи на этом рисунке обозначают коммуникационные каналы (communication pipes), которые устанавливаются между драйверами устройств и их конечными точками. Каналы устанавливаются только с конечными точками устройств, относящимися к выбранным (из альтернативных) вариантам интерфейсов активной конфигурации. Другие конечные точки недоступны.

Запросы, пакеты и транзакции

Для передачи или приема данных клиентское ПО посылает к каналу пакет запроса ввода/вывода — IRP (Input/Output Request Packet) и ждет уведомления о завершении его отработки. Формат IRP определяется реализацией драйвера USBD в конкретной ОС. В IRP имеются только сведения о запросе (местоположение буфера передаваемых данных в оперативной памяти и длина передачи); от свойств конкретного текущего подключения (скорость, допустимый размер пакета) драйвер устройства абстрагируется. Отработкой запроса в виде транзакций на шине USB занимается драйвер USBD; при необходимости он разбивает на части длинные запросы (пакеты), пригодные для передачи за одну транзакцию. Транзакция на шине USB — это последовательность обмена пакетами между хостом и ПУ, в ходе которой может быть передан или принят один пакет данных (возможны транзакции, в которых данные не передаются). Отработка запроса считается завершенной, когда успешно выполняются все связанные с ним транзакции. «Временные трудности», встречающиеся при их выполнении (неготовность к обмену данными), до сведения клиентского драйвера не доводятся — ему остается только ждать завершения обменов (или выхода по тайм-ауту). Однако устройство может сигнализировать о серьезных ошибках (ответом STALL), что приводит к аварийному завершению запроса, о чем уведомляется клиентский драйвер. В этом случае отбрасываются и все последующие запросы к данному каналу. Возобновление работы с данным каналом возможно лишь после явного уведомления об обработке ошибочной ситуации, которое драйвер устройства делает с помощью специального запроса (тоже вызова USBD).

Длинные запросы разбиваются на транзакции так, чтобы использовать максимальный размер пакета. Последний пакет с остатком может оказаться короче максимального размера. Хост-контроллер имеет средства обнаружения приема от устройства «неполновесного» пакета, размер которого меньше ожидаемого. В запросе IRP указывается, следует ли особым образом реагировать на это событие. Особая реакция может быть двоякой:

  • считать короткий пакет разделителем, указывающим на конец блока данных. При этом данный IRP завершается нормально и исполняются следующие запросы к данному каналу;
  • считать короткий пакет признаком ошибки, по которому канал останавливается (все его последующие ожидающие запросы сбрасываются).

При передаче массивов использование укороченных пакетов в качестве разделителей наиболее естественно. Таким образом, например, в одном из вариантов протоколов для устройств хранения данных укороченные пакеты известной длины используются в качестве управляющих.

Коммуникационные каналы USB разделяются на два типа:

  • потоковый канал (streaming pipe)


    доставляет данные от одного конца канала к другому, он всегда однонаправленный. Один и тот же номер конечной точки может использоваться для двух разных потоковых каналов — ввода и вывода. Передачи данных в разных потоковых каналах друг с другом не синхронизированы. Это означает, что запросы клиентских драйверов для разных каналов, поставленные в определенном порядке друг относительно друга, могут выполняться другом порядке. Запросы для одного канала будут исполняться строго в порядке их поступления; если во время исполнения какого-либо запроса происходит серьезная ошибка (об этом устройство сообщает ответом STALL), поток останавливается. Поток может реализовывать передачи массивов, изохронные и прерывания. Потоки несут данные произвольного формата, определенного разработчиком устройства (но не спецификацией USB). В потоках типично использование транзакций, в которых длина поля данных соответствует максимальному размеру, допустимому для его конечной точки. Если требуется разделение потока на логические блоки данных, то это можно сделать, применяя в качестве признака конца блока укороченные пакеты. Если оказывается, что блок укладывается в целое число пакетов максимального размера, в качестве разделителя можно использовать пакеты с нулевой длиной поля данных;
  • канал сообщений (message pipe


    ) является двунаправленным. Передачи сообщений во встречных направлениях синхронизированы друг с другом и строго упорядочены. На каждое сообщение противоположная сторона обязана ответить подтверждением его приема и отработки. Последующее сообщение не может быть послано до обработки предыдущего, но при отработке ошибок возможен сброс необслуженных сообщений. Форматы сообщений определяются спецификацией USB: имеется набор стандартных сообщений (запросов и ответов) и зарезервированных идентификаторов сообщений, формат которых определяется разработчиком устройства или интерфейса.

С каналами связаны характеристики, соответствующие конечной точке (полоса пропускания, тип сервиса, размер буфера и т. п.). Каналы организуются при конфигурировании устройств USB. Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Выделенная полоса закрепляется за каналом, и если установление нового канала требует такой полосы, которая не вписывается в уже существующее распределение, запрос на выделение канала отвергается.

Каналы различаются и по назначению:

  • основной канал сообщений (Default pipe, он же Control pipe 0)


    , владельцем которого является USBD, используется для доступа к конфигурационной информации всех устройств. Этот канал устанавливается с нулевой конечной точкой, EP0 (endpoint zero), которая у всех устройств всегда поддерживает только управляющие передачи;
  • клиентские каналы (Client pipes)


    , владельцами которых являются драйверы устройств. По этим каналам могут передаваться как потоки, так и сообщения; они поддерживают любые типы передач USB (изохронные, прерывания, массивы и управление).

Интерфейс устройства, с которым работает клиентский драйвер, представляет собой связку клиентских каналов (pipe’s bundle). Для этих каналов драйверы устройств являются единственными источниками и потребителями передаваемых данных.

Владельцем основных каналов сообщений всех устройств является драйвер USB (USBD); по этим каналам передается информация конфигурирования, управления и состояния. Основным каналом сообщений может пользоваться и клиентский драйвер для текущего управления и чтения состояния устройства, но опосредованно через USBD. Например, сообщения, передаваемые по основному каналу, используются драйвером принтера USB для опроса текущего состояния (передаются три признака в формате регистра состояния LPT-порта: ошибка ввода/вывода, принтер выбран, отсутствие бумаги).

Хост организует обмены с устройствами согласно своему плану распределения ресурсов. Для этого хост-контроллер циклически с периодом 1 мс формирует кадры (frames), в которые укладываются все запланированные транзакции (cм. рисунок ниже). Каждый кадр начинается с посылки пакета-маркера SOF (Start Of Frame), который является синхронизирующим сигналом для изохронных устройств, а также для хабов. Кадры нумеруются последовательно, в маркере SOF передаются 11 младших бит номера кадра. В режиме HS каждый кадр делится на 8 микрокадров, и пакеты SOF передаются в начале каждого микрокадра (с периодом 125 мкс). При этом во всех восьми микрокадрах SOF несет один и тот же номер кадра; новое значение номера кадра передается в нулевом микрокадре. В каждом микрокадре может быть выполнено несколько транзакций, их допустимое число зависит от скорости, длины поля данных каждой из них, а также от задержек, вносимых кабелями, хабами и устройствами. Все транзакции кадров должны быть завершены до начала интервала времени EOF (End of Frame). Период (частота) генерации микрокадров может немного варьироваться с помощью специального регистра хост-контроллера, что позволяет подстраивать частоту для изохронных передач.

Кадрирование используется и для обеспечения живучести шины. В конце каждого микрокадра выделяется интервал времени EOF (End Of Frame), на время которого хабы запрещают передачу по направлению к контроллеру. Если хаб обнаружит, что с какого-то порта в это время ведется передача данных (к хосту), этот порт отключается, изолируя «болтливое» устройство, о чем информируется USBD.

Счетчик микрокадров в хост-контроллере используется как источник индекса при обращении к таблице дескрипторов кадров. Обычно драйвер USB составляет таблицу дескрипторов для 1024 последовательных кадров1, к которой он обращается циклически. С помощью этих дескрипторов хост планирует загрузку кадров так, чтобы кроме запланированных изохронных транзакций и прерываний в них всегда находилось место для транзакций управления. Свободное время кадров может заполняться передачами массивов. Спецификация USB позволяет занимать под периодические транзакции (изохронные и прерывания) до 90% пропускной способности шины, то есть времени в каждом микрокадре.

Лекция 11. Универсальная последовательная шина USB.

Толковый словарь по вычислительным системам определяет понятие интерфейс (interface) как границу раздела двух систем, устройств или программ; элементы соединения и вспомогательные схемы управления, используемые для соединения устройств. Мы же поговорим о интерфейсах, позволяющих подключать к персональным (и не только) компьютерам разнообразные периферийные устройства и их контроллеры. По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на параллельные и последовательные. В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно. В PC традиционно используется параллельный интерфейс Centronics, реализуемый LPT-портами. В последовательном же интерфейсе биты передаются друг за другом, обычно по одной линии. СОМ порты PC обеспечивают последовательный интерфейс в соответствии со стандартом RS-232C. При рассмотрении интерфейсов важным параметром является пропускная способность.

В архитектуре современных компьютеров все большее значение приобретают внешние шины, служащие для подключения различных устройств. Сегодня это могут быть, например, внешние жесткие диски, CD-, DVD-устройства, сканеры, принтеры, цифровые камеры и прочее.

Широко используемый последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных.

2.Шина USB.Общая характеристика.

USB
(Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Версия 1.0 была опубликована в январе 1996 года. Архитектура USB определяется следующими критериями:

    Легко реализуемое расширение периферии PC.

    Дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Mбит/с.

    Полная поддержка в реальном времени передачи аудио и (сжатых) видеоданных.

    Гибкость протокола смешанной передачи изохронных данных и асинхронных сообщений.

    Интеграция с выпускаемыми устройствами.

    Доступность в PC всех конфигураций и размеров.

    Обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок.

    Создание новых классов устройств, расширяющих PC.

    С точки зрения конечного пользователя, привлекательны следующие черты USB:

    Простота кабельной системы и подключений.

    Скрытие подробностей электрического подключения от конечного пользователя.

    Самоидентифицирующиеся ПУ, автоматическая связь устройств с драйверами и конфигурирование.

    Возможность динамического подключения и конфигурирования ПУ.

С середины 1996 года выпускаются PC со встроенным контроллером USB, реализуемым чипсетом. Уже появились модемы, клавиатуры, сканеры, динамики и другие устройства ввода/вывода с поддержкой USB, а также мониторов с USB-адаптерами – они играют роль концентраторов для подключения других устройств.

Структура USB

USB обеспечивает одновременный обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Распределение пропускной способности шины между ПУ планируется хостом и реализуется им с помощью посылки маркеров. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

Ниже приводится авторский вариант перевода терминов из спецификации “Universal Serial Bus Specification”, опубликованной Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Более подробную и оперативную информацию можно найти по адресу:

Устройства (Device) USB могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Хаб (Hub) обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Функции (Function) USB предоставляют системе дополнительные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Многие устройства, подключаемые к USB, имеют в своем составе и хаб, и функции. Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (Host Controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера.

Физическое соединение устройств осуществляется по топологии многоярусной звезды. Центром каждой звезды является хаб, каждый кабельный сегмент соединяет две точки – хаб с другим хабом или с функцией. В системе имеется один (и только один) хост-контроллер, расположенный в вершине пирамиды устройств и хабов. Хост-контроллер интегрируется с корневым хабом (Root Hub), обеспечивающим одну или несколько точек подключения – портов. Контроллер USB, входящий в состав чипсетов, обычно имеет встроенный двухпортовый хаб. Логически устройство, подключенное к любому хабу USB и сконфигурированное (см. ниже), может рассматриваться как непосредственно подключенное к хост-контроллеру.

Функции представляют собой устройства, способные передавать или принимать данные или управляющую информацию по шине. Типично функции представляют собой отдельные ПУ с кабелем, подключаемым к порту хаба. Физически в одном корпусе может быть несколько функций со встроенным хабом, обеспечивающим их подключение к одному порту. Эти комбинированные устройства для хоста являются хабами с постоянно подключенными устройствами-функциями.

Каждая функция предоставляет конфигурационную информацию, описывающую возможности ПУ и требования к ресурсам. Перед использованием функция должна быть сконфигурирована хостом – ей должна быть выделена полоса в канале и выбраны опции конфигурации.

Примерами функций являются:

    Указатели – мышь, планшет, световое перо.

    Устройства ввода – клавиатура или сканер.

    Устройство вывода – принтер, звуковые колонки (цифровые).

    Телефонный адаптер ISDN.

Хаб – ключевой элемент системы РпР в архитектуре USB. Хаб является кабельным концентратором. Точки подключения называются портами хаба. Каждый хаб преобразует одну точку подключения в их множество. Архитектура допускает соединение нескольких хабов.

У каждого хаба имеется один восходящий порт (Upstream Port), предназначенный для подключения к хосту или хабу верхнего уровня. Остальные порты являются нисходящими (Downstream Ports), предназначенными для подключения функций или хабов нижнего уровня. Хаб может распознать подключение устройств к портам или отключение от них и управлять подачей питания на их сегменты. Каждый из портов может быть разрешен или запрещен и сконфигурирован на полную или ограниченную скорость обмена. Хаб обеспечивает изоляцию сегментов с низкой скоростью от высокоскоростных.

Хабы могут управлять подачей питания на нисходящие порты; предусматривается установка ограничения на ток, потребляемый каждым портом.

Система USB разделяется на три уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит интерфейсную часть, часть устройства и функциональную часть. Хост тоже делится на три части – интерфейсную, системную и ПО устройства. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач, логическое и реальное взаимодействие между ними иллюстрирует рис. 7.1.

В рассматриваемую структуру входят следующие элементы:

    Физическое устройство USB – устройство на шине, выполняющее функции, интересующие конечного пользователя.

    Client SW – ПО, соответствующее конкретному устройству, исполняемое на хост-компьютере. Может являться составной частью ОС или специальным продуктом.

    USB System SW – системная поддержка USB, независимая от конкретных устройств и клиентского ПО.

    USB Host Controller – аппаратные и программные средства для подключения устройств USB к хост-компьютеру.

3.Физический интерфейс

Стандарт USB определяет электрические и механические спецификации шины. Информационные сигналы и питающее напряжение 5 В передаются по четырехпроводному кабелю. Используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Уровни сигналов передатчиков в статическом режиме должны быть ниже 0,3 В (низкий уровень) или выше 2,8 В (высокий уровень). Приемники выдерживают входное напряжение в пределах – 0,5…+3,8 В. Передатчики должны уметь переходить в высокоимпедансное состояние для двунаправленной полудуплексной передачи по одной паре проводов.

Передача по двум проводам в USB не ограничивается дифференциальными сигналами. Кроме дифференциального приемника каждое устройство имеет линейные приемники сигналов D+ и D-, а передатчики этих линий управляются индивидуально. Это позволяет различать более двух состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса. Состояния Diff0 и Diff1 определяются по разности потенциалов на линиях D+ и D- более 200 мВ при условии, что на одной из них потенциал выше порога срабатывания VSE. Состояние, при котором на обоих входах D+ и D- присутствует низкий уровень, называется линейным нулем (SEO – Single-Ended Zero). Интерфейс определяет следующие состояния:

    Data J State и Data К State – состояния передаваемого бита (или просто J и К), определяются через состояния Diff0 и Diff1.

    Idle State – пауза на шине.

    Resume State – сигнал “пробуждения” для вывода устройства из “спящего” режима.

    Start of Packet (SOP) – начало пакета (переход из Idle State в К).

    End of Packet (EOP) – конец пакета.

    Disconnect – устройство отключено от порта.

    Connect – устройство подключено к порту.

    Reset – сброс устройства.

Состояния определяются сочетаниями дифференциальных и линейных сигналов; для полной и низкой скоростей состояния DiffO и Diff1 имеют противоположное назначение.
В декодировании состояний Disconnect, Connect и Reset учитывается время нахождения линий (более 2,5 мс) в определенных состояниях.

Шина имеет два режима передачи. Полная скорость передачи сигналов USB составляет 12 Мбит/с, низкая – 1,5 Мбит/с. Для полной скорости используется экранированная витая пара с импедансом 90 Ом и длиной сегмента до 5 м, для низкой – невитой неэкранированньгй кабель до 3 м. Низкоскоростные кабели и устройства дешевле высокоскоростных. Одна и та же система может одновременно использовать оба режима; переключение для устройств осуществляется прозрачно.

Низкая скорость предназначена для работы с небольшим количеством ПУ, не требующих высокой скорости. Скорость, используемая устройством, подключенным к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов

на линиях D+ и D-, смещаемых нагрузочными резисторами R2 приемопередатчиков (см. рис. 7.2 и 7.3)

С
игналы синхронизации кодируются вместе с данными по методу NRZI (Non Return to Zero Invert), его работу иллюстрирует рис. 7.4. Каждому пакету предшествует поле синхронизации SYNC, позволяющее приемнику настроиться на частоту передатчика. Кабель также имеет линии VBus и GND для передачи питающего напряжения 5 В к устройствам.

Сечение проводников выбирается в соответствии с длиной сегмента для обеспечения гарантированного уровня сигнала и питающего напряжения. Стандарт определяет два типа разъемов (см. табл. 7.1 и рис. 7.5).

Разъемы типа “А” применяются для подключения к хабам (Upstream Connector). Вилки устанавливаются на кабелях, не отсоединяемых от устройств (например, клавиатура, мышь и т. п.). Гнезда устанавливаются на нисходящих портах (Downstream Port) хабов. Разъемы типа “В” (Downstream Connector) устанавливаются на устройствах, от которых соединительный кабель может отсоединяться (принтеры и сканеры). Ответная часть (вилка) устанавливается на соединительном кабеле, противоположный конец которого имеет вилку типа “А”.

Разъемы типов “А” и “В” различаются механически (рис. 7.5), что исключает недопустимые петлевые соединения портов хабов. Четырехконтактные разъемы имеют ключи, исключающие неправильное присоединение. Конструкция разъемов обеспечивает позднее соединение и раннее отсоединение сигнальных цепей по сравнению с питающими. Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение.

Р
ис. 7.5. Гнезда USB: а – типа “А”, б – типа “В”, в – символическое обозначение

Питание устройств USB возможно от кабеля (Bus-Powered Devices) или от собственного блока питания (Self-Powered Devices). Хост обеспечивает питанием непосредственно подключенные к нему ПУ. Каждый хаб, в свою очередь, обеспечивает питание устройств, подключенных к его нисходящим портам. При некоторых ограничениях топологии допускается применение хабов, питающихся от шины. На рис. 7.6 приведен пример схемы соединения устройств USB.

Здесь клавиатура, перо и мышь могут питаться от шины.

USB поддерживает как однонаправленные, так и двунаправленные режимы связи. Передача данных производится между ПО хоста и конечной точкой устройства. Устройство может иметь несколько конечных точек, связь с каждой из них (канал) устанавливается независимо.

Архитектура USB допускает четыре базовых типа передачи данных:

    Управляющие посылки (Control Transfers), используемые для конфигурирования во время подключения и в процессе работы для управления устройствами. Протокол обеспечивает гарантированную доставку данных. Длина поля данных управляющей посылки не превышает 64 байт на полной скорости и 8 байт на низкой.

    Сплошные передачи (Bulk Data Transfers) сравнительно больших пакетов без жестких требований ко времени доставки. Передачи занимают всю свободную полосу пропускания шины. Пакеты имеют поле данных размером 8, 16, 32 или 64 байт. Приоритет этих передач самый низкий, они могут приостанавливаться при большой загрузке шины. Допускаются только на полной скорости передачи.

    Прерывания (Interrupt) – короткие (до 64 байт на полной скорости, до 8 байт на низкой) передачи типа вводимых символов или координат. Прерывания имеют спонтанный характер и должны обслуживаться не медленнее, чем того требует устройство. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 1-255 мс для полной скорости и 10-255 мс – для низкой.

    Изохронные передачи (Isochronous Transfers) – непрерывные передачи в реальном времени, занимающие предварительно согласованную часть пропускной способности шины и имеющие заданную задержку доставки. В случае обнаружения ошибки изохронные данные передаются без повтора – недействительные пакеты игнорируются. Пример – цифровая передача голоса. Пропускная способность определяется требованиями к качеству передачи, а задержка доставки может быть критичной, например, при реализации телеконференций.

Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Выделенная полоса закрепляется за каналом, и если установление нового канала требует такой полосы, которая не вписывается в уже существующее распределение, запрос на выделение канала отвергается.

Архитектура USВ предусматривает внутреннюю буферизацию всех устройств, причем чем большей полосы пропускания требует устройство, тем больше должен быть его буфер. USB должна обеспечивать обмен с такой скоростью, чтобы задержка данных в устройстве, вызванная буферизацией, не превышала нескольких миллисекунд.

Изохронные передачи классифицируются по способу синхронизации конечных точек – источников или получателей данных – с системой: различают асинхронный, синхронный и адаптивный классы устройств, каждому из которых соответствует свой тип канала USB.

Протокол

Все обмены (транзакции) по USB состоят из трех пакетов. Каждая транзакция планируется и начинается по инициативе контроллера, который посылает пакет-аркер (Token Packet). Он описывает тип и направление передачи, адрес ус-тройства USB и номер конечной точки. В каждой транзакции возможен обмен только между адресуемым устройством (его конечной точкой) и хостом. Адресуемое маркером устройство распознает свой адрес и готовится к обмену. Источник данных (определенный маркером) передает пакет данных (или уведомление об отсутствии данных, предназначенных для передачи). После успешного приема пакета приемник данных посылает пакет подтверждения (Handshake Packet).

Планирование транзакций обеспечивает управление поточными каналами. На аппаратном уровне использование отказа от транзакции (NAck) при недопустимой интенсивности передачи предохраняет буферы от переполнения сверху и снизу. Маркеры отвергнутых транзакций повторно передаются в свободное для шины время. Управление потоками позволяет гибко планировать обслуживание одновременных разнородных потоков данных.

Устойчивость к ошибкам обеспечивают следующие свойства USB:

    Высокое качество сигналов, достигаемое благодаря дифференциальным приемникам/передатчикам и экранированным кабелям.

    Защита полей управления и данных CRC-кодами.

    Обнаружение подключения и отключения устройств и конфигурирование ресурсов на системном уровне.

    Самовосстановление протокола с тайм-аутом при потере пакетов.

    Управление потоком для обеспечения изохронности и управления аппаратными буферами.

    Независимость функций от неудачных обменов с другими функциями.

Для обнаружения ошибок передачи каждый пакет имеет контрольные поля CRC-кодов, позволяющие обнаруживать все одиночные и двойные битовые ошибки. Аппаратные средства обнаруживают ошибки передачи, а контроллер автоматически производит трехкратную попытку передачи. Если повторы безуспешны, сообщение об ошибке передается клиентскому ПО.

Устройства USB – функции и хабы

Возможности шины USB позволяют использовать ее для подключения разнообразных устройств. Не касаясь “полезных” свойств ПУ, остановимся на их интерфейсной части, связанной с шиной USB. Все устройства должны поддерживать набор общих операций, перечисленных ниже. Динамическое подключение и отключение. Эти события отслеживаются хабом, который сообщает о них хост-контроллеру и выполняет сброс подключенного устройства. Устройство после сигнала сброса должно отзываться на нулевой адрес, при этом оно не сконфигурировано и не приостановлено. После назначения адреса, за которое отвечает хост-контроллер, устройство должно отзываться только на свой уникальный адрес.

Конфигурирование устройств, выполняемое хостом, является необходимым для их использования. Для конфигурирования обычно используется информация, считанная из самого устройства. Устройство может иметь множество интерфейсов, каждому из которых соответствует собственная конечная точка, представляющая хосту функцию устройства. Интерфейс в конфигурации может иметь альтернативные наборы характеристик; смена наборов поддерживается протоколом. Для поддержки адаптивных драйверов дескрипторы устройств и интерфейсов имеют поля класса, подкласса и протокола.

Передача данных возможна посредством одного из четырех типов передач (см. выше). Для конечных точек, допускающих разные типы передач, после конфигурирования доступен только один из них.

Управление энергопотреблением является весьма развитой функцией USB. Для устройств, питающихся от шины, мощность ограничена. Любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. Рабочий ток (не более 500 мА) заявляется в конфигурации, и если хаб не сможет обеспечить устройству заявленный ток, оно не конфигурируется и, следовательно, не может быть использовано.

Устройство USB должно поддерживать приостановку (Suspended Mode), в котором его потребляемый ток не превышает 500 мкА. Устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины.

Возможность удаленного пробуждения (Remote Wakeup) позволяет приостановленному устройству подать сигнал хосткомпьютеру, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена.

Хаб в USB выполняет коммутацию сигналов и выдачу питающего напряжения, а также отслеживает состояние подключенных к нему устройств, уведомляя хост об изменениях. Хаб состоит из двух частей – контроллера (Hub Controller) и повторителя (Hub Repeater). Повтори Повторитель представляет собой управляемый ключ, соединяющий выходной порт со входным. Он имеет средства поддержки сброса и приостановки передачи сигналов. Контроллер содержит регистры для взаимодействия с хостом. Доступ к регистрам осуществляется по специфическим командам обращения к хабу. Команды позволяют конфигурировать хаб, управлять нисходящими портами и наблюдать их состояние.

Нисходящие (Downstream) порты хабов могут находиться в следующих состояниях:

    Powered (питание отключено) – на порт не подается питание (возможно только для хабов, коммутирующих питание). Выходные буферы переводятся в высокоимпедансное состояние, входные сигналы игнорируются.

    Disconnected (отсоединен) – порт не передает сигналы ни в одном направлении, но способен обнаружить подключение устройства (по отсутствию состояния SEO в течение 2,5 мкс). Тогда порт переходит в состояние Disabled, а по уровням входных сигналов {DiffO или Diff1 в состоянии Idle) он определяет скорость подключенного устройства.

    Disabled (запрещен) – порт передает только сигнал сброса (по команде от контроллера), сигналы от порта (кроме обнаружения отключения) не воспринимаются. По обнаружении отключения (2,5 мкс состояния SEO) порт переходит в состояние Disconnect, а если отключение обнаружено “спящим” хабом, контроллеру будет послан сигнал Resume.

    Enabled (разрешен) – порт передает сигналы в обоих направлениях. По команде контроллера или по обнаружении ошибки кадра порт переходит в состояние Disabled, а по обнаружении отключения – в состояние Disconnect.

  • Suspended (приостановлен) – порт передает сигнал перевода в состояние останова (“спящий” режим). Если хаб находится в активном состоянии, сигналы через порт не пропускаются ни в одном направлении. Однако “спящий” хаб воспринимает сигналы смены состояния незапрещенных портов, подавая “пробуждающие” сигналы от активизировавшегося устройства даже через цепочку “спящих” хабов. Состояние каждого порта идентифицируется контроллером хаба с помощью отдельных регистров. Имеется общий регистр, биты которого отражают факт изменения состояния каждого порта (фиксируемый во время EOF). Это позволяет хост-контроллеру быстро узнать состояние хаба, а в случае обнаружения изменений специальными транзакциями уточнить состояние.

    машины
    – процессора, даже в ущерб эффективности работы использующих его специалистов. Рис. 1.2. Централизованная система

Последовательная
шина USB (Universal
Serial Bus – универсальная последовательная
шина) компьютерным меркам довольно
давно – версия первого утвержденного
варианта стандарта появилась 15 января
1996 года. Разработка стандарта была
инициирована весьма авторитетными
фирмами – Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq.

Основная
цель стандарта, поставленная перед его
разработчиками – создать реальную
возможность пользователям работать в
режиме Plug&Play с периферийными
устройствами. Это означает, что должно
быть предусмотрено подключение устройства
к работающему компьютеру, автоматическое
распознавание его немедленно после
подключения и последующей установки
соответствующих драйверов. Кроме этого,
желательно питание маломощных устройств
подавать с самой шины. Скорость шины
должна быть достаточной для подавляющего
большинства периферийных устройств.
Попутно решается историческая проблема
нехватки ресурсов на внутренних шинах
IBM PC совместимого компьютера – контроллер
USB занимает только одно прерывание
независимо от количества подключенных
к шине устройств.

Возможности
последовательной шины USB следуют из ее
технических характеристик:

Высокая
скорость
обмена
(full-speed signaling bit rate) – 12 Mb/s

Максимальная
длина кабеля для высокой скорости обмена
– 5 m

Низкая
скорость
обмена
(low-speed signaling bit rate) – 1.5 Mb/s

Максимальная
длина кабеля для низкой скорости обмена
– 3 m

Максимальное
количество подключенных устройств
(включая размножители) – 127.

Возможно
подключение устройств с различными
скоростями обмена

Отсутствие
необходимости в установке пользователем
дополнительных элементов, таких как
терминаторы для SCSI

Напряжение
питания для периферийных устройств –
5 V

Максимальный
ток потребления на одно устройство –
500 mA.

Поэтому
целесообразно подключать к USB практически
любые периферийные устройства, кроме
цифровых видеокамер и высокоскоростных
жестких дисков. Конструкция разъемов
для USB рассчитана на многократное
сочленение/расчленение.

Возможность
использования только двух скоростей
обмена данными ограничивает применяемость
шины, но существенно уменьшает количество
линий интерфейса и упрощает аппаратную
реализацию.

Питание
непосредственно от USB возможно только
для устройств с малым потреблением,
таких как клавиатуры, мыши, джойстики
и т.п.

Сигналы
USB передаются по 4–х проводному кабелю.

Кабель
для поддержки полной скорости шины
(full-speed) выполняется как витая пара,
защищается экраном и может также
использоваться для работы в режиме
минимальной скорости (low-speed). Кабель для
работы только на минимальной скорости
(например, для подключения мыши) может
быть любым и неэкранированным.

Система
USB разделяется на три уровня с определенными
правилами взаимодействия. Устройство
USB содержит интерфейсную часть, часть
устройства и функциональную часть. Хост
тоже делится на три части – интерфейсную,
системную и ПО устройства. Каждая часть
отвечает только за определенный круг
задач, логическое и реальное взаимодействие
между ними иллюстрирует рис. 69.

В
рассматриваемую структуру входят
следующие элементы:

Физическое
устройство USB – устройство на шине,
выполняющее функции, интересующие
конечного пользователя.

Client
SW – ПО, соответствующее конкретному
устройству, исполняемое на хост–компьютере.
Может являться составной частью ОС или
специальным продуктом.

USB
System SW – системная поддержка USB, независимая
от конкретных устройств и клиентского
ПО.

USB
Host Controller – аппаратные и программные
средства для подключения устройств USB
к хост–компьютеру.

Рис.
69 Взаимодействие компонентов USB

Физический
интерфейс

Информационные
сигналы и питающее напряжение 5В
передаются по четырехпроводному кабелю.
Используется дифференциальный способ
передачи сигналов D+ и D– по двум проводам.
Уровни сигналов передатчиков в статическом
режиме должны быть ниже 0,3 В (низкий
уровень) или выше 2,8 В (высокий уровень).
Приемники выдерживают входное напряжение
в пределах – 0,5…+3,8 В. Передатчики должны
уметь переходить в высокоимпедансное
состояние для двунаправленной
полудуплексной передачи по одной паре
проводов.

Передача
по двум проводам в USB не ограничивается
дифференциальными сигналами. Кроме
дифференциального приемника каждое
устройство имеет линейные приемники
сигналов D+ и D–, а передатчики этих линий
управляются индивидуально. Это позволяет
различать более двух состояний линии,
используемых для организации аппаратного
интерфейса. Состояния DiffO и Diff1 определяются
по разности потенциалов на линиях D+ и
D – более 200 мВ при условии, что на одной
из них потенциал выше порога срабатывания
VSE. Состояние, при котором на обоих входах
D+ и D– присутствует низкий уровень,
называется линейным ну– лем (SEO –
Single–Ended Zero). интерфейс определяет
следующие состояния:

DataJ
State и Data К State – состояния передаваемого
бита (или просто J и К), определяются
через состояния DiffO и Diff1.

Idle
State – пауза на шине.

Resume
State – сигнал “пробуждения” для
вывода устрой– ства из “спящего”
режима.

Start
of Packet (SOP) – начало пакета (переход из
Idle State в К).

End
of Packet (EOP) – конец
пакета.

Disconnect
– устройство отключено от порта.

Connect
– устройство подключено к порту.

Reset
– сброс устройства.

Состояния
определяются сочетаниями дифференциальных
и линейных сигналов; для полной и низкой
скоростей состояния DiffO и Diff1 имеют
противоположное назначение. В декодировании
состояний Disconnect, Connect и Reset учитывается
время нахождения линий (более 2,5 мс) в
определенных состояниях.

Шина
имеет два режима передачи. Полная
скорость передачи сигналов USB составляет
12 Мбит/с, низкая – 1,5 Мбит/с. Для полной
скорости используется экранированная
витая пара с импедансом 90 Ом и длиной
сегмента до 5 м, для низкой –невитой
неэкранированньгй кабель до 3 м.

Сигналы
синхронизации кодируются вместе с
данными по методу NRZI (Non Return to Zero Invert),
его работу иллюстрирует рис. 72. Каждому
пакету предшествует поле синхронизации
SYNC, позволяющее приемнику настроиться
на частоту передатчика.

Кабель
также имеет линии VBus и GND для передачи
питающего напряжения 5 В к устройствам.
Сечение проводников выбирается в
соответствии с длиной сегмента для
обеспечения гарантированного уровня
сигнала и питающего напряжения.

Рис.
70 Подключение полноскоростного
устройства

Рис.
71 Подключение низкоскоростного
устройства

Рис.
72. Кодирование данных по методу NRZI

Стандарт
определяет два типа разъемов (табл. 7 и
рис.73).

Таблица
7

Разъемы
типа “А” применяются для подключения
к хабам (Upstream Connector). Вилки устанавливаются
на кабелях, не отсоединяемых от устройств
(например, клавиатура, мышь и т. п.). Гнезда
устанавливаются на нисходящих портах
(Downstream Port) хабов.

Разъемы
типа “В” (Downstream Connector) устанавливаются
на устройствах, от которых соединительный
кабель может отсоединяться (принтеры
и сканеры). Ответная часть (вилка)
устанавливается на соединительном
кабеле, противоположный конец которого
имеет вилку типа “А”.

Разъемы
типов “А” и “В” различаются
механически (рис. 73), что исключает
недопустимые петлевые соединения портов
хабов. Четырехконтактные разъемы имеют
ключи, исключающие неправильное
присоединение. Конструкция разъемов
обеспечивает позднее соединение и
раннее отсоединение сигнальных цепей
по сравнению с питающими. Для распознавания
разъема USB на корпусе устройства ставится
стандартное символическое обозначение.

Рис.
73. Гнезда USB: а – типа “А”, б – типа
“В”, в – символическое обозначение

Модель
передачи данных

Каждое
устройство USB представляет собой набор
независимых конечных точек (Endpoint), с
которыми хост–контроллер обменивается
информацией. Конечные точки описываются
следующими параметрами:

требуемой
частотой доступа к шине и допустимыми
задержками обслуживания;

требуемой
полосой пропускания канала;

номером
точки;

требованиями
к обработке ошибок;

максимальными
размерами передаваемых и принимаемых
пакетов;

типом
обмена;

направлением
обмена (для сплошного и изохронного
обменов).

Каждое
устройство обязательно имеет конечную
точку с номером 0, используемую для
инициализации, общего управления и
опроса его состояния. Эта точка всегда
сконфигурирована при включении питания
и подключении устройства к шине. Оно
поддерживает передачи типа “управление”.

Кроме
нулевой точки, устройства–функции
могут иметь дополнительные точки,
реализующие полезный обмен данными.
Низкоскоростные устройства могут иметь
до двух дополнительных точек,
полноскоростные – до 16 точек ввода и
16 точек вывода (протокольное ограничение).
Точки не могут быть использованы до их
конфигурирования (уста– новления
согласованного с ними канала).

Каналом
{Pipe) в USB называется модель передачи
данных между хост–контроллером и
конечной точкой (Endpoint) ус– тройства.
Имеются два типа каналов: потоки (Stream)
и со– общения (Message). Поток доставляет
данные от одного конца канала к другому,
он всегда однонаправленный. Один и тот
же номер конечной точки может использоваться
для двух поточных каналов – ввода и
вывода. Поток может реализовывать
следующие типы обмена: сплошной,
изохронный и прерывания. Доставка всегда
идет в порядке “первым вошел – первым
вышел” (FIFO); с точки зрения USB, данные
потока неструктурированы. Сообщения
имеют формат, определенный спецификацией
USB. Хост посылает запрос к конечной
точке, после которого передается
(принимается) пакет сообщения, за которым
следует пакет с информацией состояния
конечной точки. Последующее сообщение
нормально не может быть послано до
обработки предыдущего, но при отработке
ошибок возможен сброс необслуженных
сообщений. Двухсторонний обмен сообщениями
адресуется к одной и той же конечной
точке. Для доставки сообщений используется
только обмен типа “управление”.

С
каналами связаны характеристики,
соответствующие конечной точке (полоса
пропускания, тип сервиса, размер буфера
и т. п.). Каналы организуются при
конфигурировании устройств USB. Для
каждого включенного устройства существует
канал сообщений (Control Pipe 0), по которому
передается информация конфигурирования,
управления и состояния.

Типы
передачи данных

USB
поддерживает как однонаправленные, так
и двунаправленные режимы связи. Передача
данных производится между ПО хоста и
конечной точкой устройства. Устройство
может иметь несколько конечных точек,
связь с каждой из них (канал) устанавливается
независимо.

Архитектура
USB допускает четыре базовых типа передачи
данных:

Управляющие
посылки (Control Transfers), используемые для
конфигурирования во время подключения
и в процессе работы для управления
устройствами. Протокол обеспечивает
гарантированную доставку данных. Длина
поля данных управляющей посылки не
превышает 64 байт на полной скорости и
8 байт на низкой.

Сплошные
передачи (Bulk Data Transfers) сравнительно
больших пакетов без жестких требований
ко времени доставки. Передачи занимают
всю свободную полосу про– пускания
шины. Пакеты имеют поле данных размером
8, 16, 32 или 64 байт. Приоритет этих передач
самый низкий, они могут приостанавливаться
при большой загрузке шины. Допускаются
только на полной скорости передачи.

Прерывания
(Interrupt) – короткие (до 64 байт на полной
скорости, до 8 байт на низкой) передачи
типа вводимых символов или координат.
Прерывания имеют спонтанный характер
и должны обслуживаться не медленнее,
чем того требует устройство. Предел
времени обслуживания устанавливается
в диапазоне 1–255 мс для полной скорости
и 10–255 мс – для низкой.

Изохронные
передачи (Isochronous Transfers) – непрерывные
передачи в реальном времени, занимающие
предварительно согласованную часть
пропускной способности шины и имеющие
заданную задержку доставки. В случае
обнаружения ошибки изохронные данные
передаются без повтора – недействительные
пакеты игнорируются. Пример – цифровая
передача голоса. Пропускная способность
определяется требованиями к качеству
передачи, а задержка доставки может
быть критичной, например, при реализации
телеконференций.

Полоса
пропускания шины делится между всеми
установленными каналами. Выделенная
полоса закрепляется за каналом, и если
установление нового канала требует
такой полосы, которая не вписывается в
уже существующее распределение, запрос
на выделение канала отвергается.

Архитектура
USВ предусматривает внутреннюю буферизацию
всех устройств, причем чем большей
полосы пропускания требует устройство,
тем больше должен быть его буфер. USB
должна обеспечивать обмен с такой
скоростью, чтобы задержка данных в
устройстве, вызванная буферизацией, не
превышала нескольких миллисекунд.

Изохронные
передачи классифицируются по способу
синхронизации конечных точек – источников
или получателей данных – с системой:
различают асинхронный, синхронный и
адаптивный классы устройств, каждому
из которых соответствует свой тип канала
USB.

Протокол

Все
обмены (транзакции) по USB состоят из трех
пакетов. Каждая транзакция планируется
и начинается по инициативе контроллера,
который посылает пакет–маркер {Token
Packet). Он описывает тип и направление
передачи, адрес устройства USB и номер
конечной точки. В каждой транзакции
возможен обмен только между адресуемым
устройством (его конечной точкой) и
хостом. Адресуемое маркером устройство
распознает свой адрес и готовится к
обмену. Источник данных (определенный
маркером) передает пакет данных (или
уведомление об отсутствии данных,
предназначенных для передачи). После
успешного приема пакета приемник данных
посылает пакет подтверждения (Handshake
Packet).

Планирование
транзакций обеспечивает управление
поточными каналами. На аппаратном уровне
использование отказа от транзакции
(NAck) при недопустимой интенсивности
передачи предохраняет буферы от
переполнения сверху и снизу. Маркеры
отвергнутых транзакций повторно
передаются в свободное для шины время.
Управление потоками позволяет гибко
планировать обслуживание одновременных
разнородных потоков данных.

Устойчивость
к ошибкам обеспечивают следующие
свойства USB:

Высокое
качество сигналов, достигаемое благодаря
дифференциальным приемникам/передатчикам
и экранированным кабелям.

Защита
полей управления и данных CRC–кодами.

Обнаружение
подключения и отключения устройств и
конфигурирование ресурсов на системном
уровне.

Самовосстановление
протокола с тайм-аутом при потере
пакетов.

Управление
потоком для обеспечения изохронности
и управления аппаратными буферами.

Независимость
функций от неудачных обменов с другими
функциями.

Для
обнаружения ошибок передачи каждый
пакет имеет контрольные поля CRC–кодов,
позволяющие обнаруживать все одиночные
и двойные битовые ошибки. Аппаратные
средства обнаруживают ошибки передачи,
а контроллер автоматически производит
трехкратную попытку передачи. Если
повторы безуспешны, сообщение об ошибке
передается клиентскому ПО.

Форматы
пакетов

Байты
передаются по шине последовательно,
начиная с младшего бита. Все посылки
организованы в пакеты. Каждый пакет
начинается с поля синхронизации Sync,
которое представляется последовательностью
состояний KJKJKJKK (кодированную по NRZI),
следующую после состояния Idle. Последние
два бита (КК) являются маркером начала
пакета SOP, используемым для идентификации
первого бита идентификатора пакета
PID. Идентификатор пакета является
4–битным полем PID, идентифицирующим
тип пакета (табл.8), за которым в качестве
контрольных следуют те же 4 бита, но
инвертированные.

В
пакетах–маркерах IN, SETUP и OUT следующими
являются адресные поля: 7–битный адрес
функции и 4–битный адрес конечной точки.
Они позволяют адресовать до 127 функций
USB (нулевой адрес используется для
конфигурирования) и по 16 конечных точек
в каждой функции.

В
пакете SOF имеется 11–битное поле номера
кадра (Frame Number Field), последовательно
(циклически) увеличиваемое для очередного
кадра.

Поле
данных может иметь размер от 0 до 1023
целых байт. Размер поля зависит от типа
передачи и согласуется при установлении
канала.

Поле
СКС-кола присутствует во всех маркерах
и пакетах данных, оно защищает все поля
пакета, исключая PID. CRC для маркеров (5
бит) и данных (11 бит) подсчитываются по
разным формулам.

Таблица
8

Содержимое
и назначение

Адрес
функции и номер конечной точки –
маркер транзакции функции

Адрес
функции и номер конечной точки –
маркер транзакции хоста

Маркер
начала кадра

Адрес
функции и номер конечной точки –
маркер транзакции с управляющей точкой

Пакеты
данных с четным и нечетным PID чередуются
для точной идентификации подтверждений

Подтверждение
безошибочного приема пакета

Приемник
не сумел принять или передатчик не
сумел передать данные. Может
использоваться для управления потоком
данных (неготовность). В транзакциях
прерываний является признаком
отсутствия необслуженных прерываний

Конечная
точка требует вмешательства хоста

Преамбула
передачи на низкой скорости

Каждая
транзакция инициируется хост–контроллером
посылкой маркера и завершается пакетом
квитирования. Последовательность
пакетов в транзакциях иллюстрирует
рис. 7.7.

Хост-контроллер
организует обмены с устройствами
согласно своему плану распределения
ресурсов. Контроллер циклически (с
периодом 1 мс) формирует кадры (Frames), в
которые укладываются все запланированные
транзакции. Каждый кадр начинается с
посылки маркера SOF (Start Of Frame), который
является синхронизирующим сигналом
для всех устройств, включая хабы. В конце
каждого кадра выделяется интервал
времени EOF (End Of Frame), на время которого
хабы запрещают передачу по направлению
к контроллеру. Каждый кадр имеет свой
номер. Хост–контроллер оперирует
32–битным счетчиком, но в маркере SOF
передает только младшие 11 бит. Номер
кадра увеличивается (циклически) во
время EOF. Хост планирует загрузку кадров
так, чтобы в них всегда находилось место
для транзакций управления и прерывания.
Свободное время кадров может заполняться
сплошными передачами (Bulk Transfers).

Задание
для выполнения работы

1.
Описать функции управления шиной и
портами

а)
формирование адреса порта

б)
организация сквозного канала в системном
интерфейсе для передачи данных между
портом устройства ввода-вывода и МП.

2.
Структура микропроцессорной памяти.

3.
Последовательная шина USB.
Режимы передачи данных.

4.
Чипсет. Его назначение. Диаграмма
чипсета.

5.
Микропроцессорная память. Регистры и
их назначение.

6.
Стандартные интерфейсы и форматы
передачи данных.

7.
Привести схемы подключение модемов,
принтеров, плоттеров к COM-порту.

8.
Нарисовать схему взаимодействия
компонентов USB.

Универсальная последовательная шина

  • Mini-B Connector ECN
    : извещение выпущено в октябре 2000 года.
  • Errata, начиная с декабря 2000
    : извещение выпущено в декабре 2000 года.
  • Pull-up/Pull-down Resistors ECN
  • Errata, начиная с мая 2002
    : извещение выпущено в мае 2002 года.
  • Interface Associations ECN
    : извещение выпущено в мае 2003 года.
    • Были добавлены новые стандарты, позволяющие ассоциировать множество интерфейсов с одной функцией устройства.
  • Rounded Chamfer ECN
    : извещение выпущено в октябре 2003 года.
  • Unicode ECN
    : извещение выпущено в феврале 2005 года.
    • Данное ECN специфицирует, что строки закодированы с использованием UTF-16LE .
  • Inter-Chip USB Supplement
    : извещение выпущено в марте 2006 года.
  • On-The-Go Supplement 1.3
    : извещение выпущено в декабре 2006 года.
    • USB On-The-Go делает возможным связь двух USB-устройств друг с другом без отдельного USB-хоста. На практике одно из устройств играет роль хоста для другого.

USB OTG

USB 3.0

USB 3.0 находится на финальных стадиях разработки. Созданием USB 3.0 занимаются компании: Microsoft, Texas Instruments, NXP Semiconductors. В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели обновлённого стандарта будут физически и функционально совместимы с USB 2.0. Кабель USB 2.0 содержит в себе четыре линии – пару для приёма/передачи данных, одну – для питания и ещё одну – для заземления. В дополнение к ним USB 3.0 добавляет пять новых линий (в результате чего кабель стал гораздо толще), однако новые контакты расположены параллельно по отношению к старым на другом контактном ряду. Теперь можно будет с лёгкостью определить принадлежность кабеля к той или иной версии стандарта, просто взглянув на его разъём. Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 4,8 Гбит/с – что на порядок больше 480 Мбит/с, которые может обеспечить USB 2.0. USB 3.0 может похвастаться не только более высокой скоростью передачи информации, но и увеличенной силой тока с 500 мА до 900 мА. Отныне пользователь сможет не только подпитывать от одного хаба гораздо большее количество устройств, но и само аппаратное обеспечение, ранее поставлявшееся с отдельными блоками питания, избавится от них.



Здесь GND – цепь «корпуса» для питания периферийных устройств, VBus – +5 В, так же для цепей питания. Данные передаются по проводам D+ и D− дифференциально (состояния 0 и 1 (в терминологии официальной документации diff0 и diff1 соответственно) определяются по разности потенциалов межу линиями более 0,2 В и при условии, что на одной из линий (D− в случае diff0 и D+ при diff1) потенциал относительно GND выше 2,8 В. Дифференциальный способ передачи является основным, но не единственным (например, при инициализации устройство сообщает хосту о режиме, поддерживаемом устройством (Full-Speed или Low-Speed), подтягиванием одной из линий данных к V_BUS через резистор 1.5 кОм (D− для режима Low-Speed и D+ для режима Full-Speed, устройства, работающие в режиме Hi-Speed, ведут себя на этой стадии как устройства в режиме Full-Speed). Так же иногда вокруг провода присутствует волокнистая обмотка для защиты от физических повреждений. .

Коннектор USB 3.0 тип B

Коннектор USB 3.0 тип А

Кабели и разъёмы USB 3.0

Недостатки USB

Хотя пиковая пропускная способность USB 2.0 составляет 480 Мбит/с (60 Мбайт/с), на практике обеспечить пропускную способность, близкую к пиковой, не удаётся. Это объясняется достаточно большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, шина FireWire хотя и обладает меньшей пиковой пропускной способностью 400 Мбит/с, что на 80 Мбит/с меньше, чем у USB 2.0, в реальности позволяет обеспечить бо́льшую пропускную способность для обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации.

USB и FireWire/1394

Протокол USB storage, представляющий собой метод передачи команд

Кроме того, USB storage не поддерживался в старых ОС (первоначальная Windows 98), и требовал установки драйвера. SBP-2 поддерживался и в них. Также в старых ОС (Windows 2000) протокол USB storage был реализован в урезанном виде, не позволяющем использовать функцию прожига CD/DVD дисков на подключенном по USB дисководе, SBP-2 никогда не имел таких ограничений.

Шина USB строго ориентирована, потому соединение 2 компьютеров или же 2 периферийных устройств требует дополнительного оборудования. Некоторые производители поддерживают соединение принтера и сканера, или же фотоапарата и принтера, но эти реализации сильно завязаны на конкретного производителя и не стандартизированы. Шина 1394/FireWire не подвержена этому недостатку (можно соединить 2 видеокамеры).

Тем не менее, ввиду лицензионной политики Apple, а также намного более высокой сложности оборудования, 1394 менее распространен, материнские платы старых компьютеров не имеют 1394 контроллера. Что касается периферии, то поддержка 1394 обычно не встречается ни в чем, кроме видеокамер и корпусов для внешних жестких дисков и CD/DVD приводов.

См. также

  • FireWire
  • TransferJet

Источники


Ссылки

  • USB News (нем.)
  • List of USB ID’s (Vendors, devices and interfaces) (англ.)

Шина USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно – версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициировна весьма авторитетными фирмами – Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq.

Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками – создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов.

Возможности USB следуют из ее технических характеристик: высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) – 12 Mбит/с; максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена – 5 м; низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) – 1,5 Mбит/с; максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена – 3 м; максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) – 127; возможно подключение устройств с различными скоростями обмена; напряжение питания для периферийных устройств – 5 В; максимальный ток потребления на одно устройство – 500 мA (это не означает, что через USB можно запитать устройства с общим током потребления 127 ´ 500 мA = 63,5 A)

Топология USB практически не отличается от топологии обычной локальной сети на витой паре, обычно называемой «звездой». Даже терминология похожа – размножители шины также называются HUB.

Условно дерево подключения USB устройств к компьютеру можно изобразить так (см. рис. 5.22) (цифрами обозначены периферийные устройства с USB интерфейсом):

Вместо любого из устройств может также стоять HUB. Основное отличие от топологии обычной локальной сети – компьютер (или host устройство) может быть только один. HUB может быть как отдельным устройством с собственным блоком питания, так и встроенным в периферийное устройство. Наиболее часто HUB”ы встраиваются в мониторы и клавиатуры.

Сигналы USB передаются по 4-х проводному кабелю, схематично показанному на рис. 5.22:

Рис. 5.22. Передача сигнала по USB-кабелю

Здесь GND – цепь «корпуса» для питания периферийных устройств, VBus – +5 V также для цепей питания. Шина D+ предназначена для передачи данных по шине, а шина D – для приема данных. Кабель для поддержки полной скорости шины (full-speed) выполняется как витая пара, защищается экраном и может также использоваться для работы в режиме минимальной скорости (low-speed). Кабель для работы только на минимальной скорости (например, для подключения мыши) может быть любым и неэкранированным.

В 1999 году тот же консорциум компьютерных компаний, который инициировал разработку первой версии стандарта на шину USB, начал активно разрабатывать версию 2.0 USB, которая отличается тем, что полоса пропускания шины увеличена в 20 раз, до 250 Mбит/с, что делает возможным передачу видеоданных по USB и делает ее прямым конкурентом IEEE-1394 (FireWire). Совместимость всей ранее выпущенной периферии и высокоскоростных кабелей полностью сохраняется и сохраняется одно из самых главных достоинств USB – низкая стоимость контроллера.

Оцените статью
Добавить комментарий

4 × 4 =