Последовательная шина usb. Последовательная универсальная шина USB (Universal Serial Bus) Спецификация usb напряжение на шине

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.

Шина USB предназначена для сопряжения ПК с различными устройствами типа телефона, факса, модема, сканера, автоответчика, клавиатуры, мыши и т.д. Эта шина для настольных систем отвечает требованиям технологии plug and play и является среднескоростной, двунаправленной дешевой шиной, повышающей взаимосвязность компонентов ПК и расширяющей его архитектуру.

Основные свойства шины USB:

Возможность подключения до 127 физических устройств;

Автоматическое распознавание периферии;

Образование различных конфигураций;

Реализация как изохронных, так и синхронных типов передач с широким диапазоном скоростей;

Наличие механизма обработки ошибок;

Управление питанием и т.д.

Технология шины USB представлена на рис.7.1 и имеет многоуровневую звездообразную структуру (древовидную конфигурацию).

Рис.7.1. Топология шины USB

Каждую звезду образует хаб (пункт присоединения), обеспечивающий подключение одного или несколько функционеров (функ), периферийных устройств. Шина USB содержит один хост (контроллер), образующий корневой уровень и управляющий работой функционеров. Хаб является основным элементом в архитектуре USB, поддерживающей соединение нескольких хабов. В состав хаба входит один верхний потоковый порт ВПП, необходимый для подключения хаба к «хвосту», и несколько нижних потоковых портов (НПП), соединяющих его с другими хабами и (или) функционерами (рис.7.2).

Рис.7.2. Общий вид хаба

Хаб выполняет следующие функции: обнаружение присоединения (отсоединения) другого хаба или функционера; управление питанием и конфигурированием устройств, подключенных к соответствующим НПП. Хаб содержит контроллер и репитер (управляемый протоколом переключатель портов между ВПП и НПП1-НПП7). Контроллер использует интерфейсные регистры для выполнения связи с хостом, который с помощью управляющих команд конфигурирует хаб и следит за его партнерами. На рис.7.3 показана система типа «рабочий стол», содержащая хабы и функционеры.

Функционер представляет собой отдельное USB-устройство, которое кабелем подключается к какому-либо порту хаба. Хаб/функционер выполняется как устройство, содержащее встроенный хаб. Каждый функционер перед его использованием должен быть сконфигурирован хостом, которое включает распределение диапазона частот и выбор специфических опций для конфигурации.

Рис.7.3. Система рабочий стол, содержащая хабы и функционеры

USB-хост (центральная ЭВМ) осуществляет доступ к USB-устройствам с помощью хост-контроллера, который выполняет следующие действия:

Координацию потоков управления и данных между хостом и устройствами;

Обнаружение подключенных (отключенных) устройств;

Сбор информации о состоянии системы;

Управление питанием.

Протокол шины выполняется следующим образом. Хост направляет по шине USB эстафетный пакет, в котором указывается тип пакета, направление транзакции (действия на шине), адрес устройства и номер конечной точки. Конечная точка – это уникально определяемая часть USB-устройства, содержащего несколько таких точек (конечных пунктов связи). Комбинация адреса устройства и номера конечной точки в этом устройстве позволяет выбрать каждую точку в отдельности. Любая конечная точка должна быть сконфигурирована перед употреблением и характеризуется частотой, временем ожидания доступа к шине, шириной полосы частот, максимальным размером пакета, типом и направлением передачи. Устройства с низким быстродействием содержат не более двух конечных точек, а устройства с высоким быстродействием – до 16 выходных точек.

После того как передача данных завершена, USB-устройство (приемник) отвечает пакетом подтверждения, в котором отмечается успешность этой передачи.

Сигналы данных D+ и D- и питание (V и G – земля) в шине USB передаются от точки к точке по четырем проводам 90-омного кабеля (рис. 7.4.) с максимальной длиной 5м. Номинальное напряжение питания – 5v.

Рис.7.4. Кабель USB

Хост (хаб) обеспечивает питанием устройства USB, которые подключены к нему. Кроме того, устройства USB могут иметь автономное питание. Питание по шине USB имеет ограниченную величину.

Шина USB обеспечивает два диапазона скоростей передачи информации: низкая скорость (1,5 Мбит/с) и высокая скорость (12 Мбит/с). Низкоскоростной режим применяется для взаимодействия с интерактивными устройствами (мышью, трекболом и т.п.), а высокоскоростной режим – с адаптером телефона, аудио- или видеоустройствами. Каждому пакету данных предшествует поле синхронизации, которое позволяет приемникам согласовывать во времени их таймеры (генераторы) для приема данных. Поле синхронизации содержит синхроимпульсы, закодированные по методу NRZI с битовым заполнением.

Связь между хостом и конечной точкой образует канал. Устройство USB может иметь конечную точку, поддерживающую только канал управления, или конечную точку, использующую канал для передачи данных.

USB выполняет следующие типы передач по соответствующим каналам в одном или обоих направлениях:

Управляющую спонтанную (непериодическую) передачу по типу запрос/ответ, используемую для передачи команд/состояния и обычно применяемую с целью конфигурирования устройства в момент его подключения;

Контейнерную передачу, случайно возникающую во времени, состоящую из большого числа данных, выводимых, например, в принтер или сканер;

Передачу прерывания (непериодическую передачу данных с низкой частотой из устройства в любой момент времени, состоящую из одного или нескольких байтов, направляемых в главную ЭВМ и требующих обслуживания устройства);

Изохронную (периодическую потоковую) передачу, обеспечивающую непрерывную связь между хостом и устройством, в реальном времени с предварительной установленной скоростью и временем ожидания.

Все устройства USB содержат конечную точку О, к которой имеет доступ по умолчанию канал управления. Информация конечной точки О описывает устройство USB и состоит из следующих частей: стандарта, использующего дескрипторы устройства, его структуры, интерфейса и конечных точек; класса устройства и сведений о поставщике. Конечная точка О применяется для инициализации и конфигурирования устройства USB.

Через каналы перемещается информация между хостом и конечной точкой с использованием буферной памяти. Различают два режима работы канала: поток – данные, не имеющий определенной структуры, и сообщение – данные, передаваемые в соответствии с заданным порядком. Системное программное обеспечение (ПО) монопольно владеет каналом и представляет его другим ПО. Пользователь ПО запрашивает передачи по каналу, ждет их и затем уведомляется о завершении передач данных. Конечная точка сигналом NAK может сообщить хосту о том, что она занята.

Потоковые каналы передают пакеты данных, не имеющих структуру USB, в одном или другом направлении (однонаправленная передача). Потоковые каналы поддерживают контейнерную, изохронную передачу и передачу прерываний.

Управляющая передача разрешает доступ к какой-либо части устройства и предназначена для обмена информацией, типа конфигурация / команды / состояние, между пользовательским ПО и функционером. Управляющая передача в общем случае содержит информацию запроса (установочный пакет), данные и возвращаемую в хост информацию состояния функционера. Установочный пакет имеет определенную структуру, состоящую из набора команд, необходимых для установления связи между хостом и устройством USB. Описание состояния устройства имеет также определенную структуру, а данные управления, следующие за установочным пакетом, не имеют какой-либо структуры и содержат информацию о запрошенном доступе. Управляющая передача выполняется как двунаправленный поток информации по каналам сообщений. Стандарт шины USB ограничивает размеры пакета данных для высокоскоростных устройств 8, 16, 32 или 64 байтами, а низкоскоростные устройства могут иметь пакет данных не более 8 байтов. Установочный пакет всегда содержит 8 байтов. Вначале (после сброса) хост использует пакет данных размером в 8 байтов, который является достаточным для стандартных операций, а после определения типа конечной точки по ее конфигурационной информации может быть использован пакет большого размера для выполнения специфических операций. Таким образом, все данные при передаче делятся на равные части (пакеты), кроме последней части, которая содержит оставшиеся данные.

В том случае, если конечная точка занята определенное время, хост будет повторять к ней доступ через некоторое время. При обнаружении ошибки хостом выполняется повторная передача.

На рис.7.5 представлена общая схема взаимодействия компонентов шины USB.

Рис.7.5. Общая схема взаимодействия компонентов шины USB

Хост (координирующий центр) содержит: системное ПО USB, поддерживающее интерфейс USB в конкретной операционной системе и поставляемое вместе с ней; ПО пользователя, необходимое для управления работой определенного устройства USB, которое входит в состав операционной системы или поставляется вместе с устройством, и контроллер, позволяющий устройствам подключаться к хосту. Устройство USB также имеет несколько уровней реализации: интерфейс шины, логику устройства (совокупность точек) и функционер (функциональный уровень устройства).

В шине USB используется метод кодирования NRZI (без возвращения к нулю с инверсией). В этом случае метод кодирования NRZI состоит в том, что если бит передаваемых данных равен 0, то происходит изменение уровня напряжения, а - если равен 1, то уровень напряжения сохраняется. На рис.7.6 показан пример кодирования данных методом NRZI.

Рис.7.6. Пример кодирования методом NRZI

Таким образом, строка нулей вызывает переключение уровней сигналов, а строка единиц образует длительные отрезки уровней без всяких переходов, что может нарушить условие синхронизации при выделении каждого бита. Поэтому при передачи данных через каждые шесть последовательных единиц вставляется нуль, чтобы гарантировать достоверное определение каждого битового интервала при приеме в наиболее худшем случае, когда передаются единичные значения битов данных. Приемник декодирует код NRZI и отбрасывает вставленные биты нулей. На рис.7.7 представлена временная диаграмма этапов кодирования данных.

На диаграмме вначале показаны необработанные данные, содержащие поле синхрокомбинаций и пакет данных, причем синхрокомбинация имеет 7 нулей и заканчивается единичным битом, после которого начинается пакет данных. Затем на диаграмме изображены заполненные данные, которые дополнительно содержат после шести единиц вставленный бит 0. В число шести единиц входит и последний единичный бит синхрокомбинации. После этого выполняется кодирование заполненных данных методом NRZI с учетом и поля синхрокомбинации. Правило заполнения требует, чтобы бит 0 был вставлен, даже если этот бит будет последним, перед сигналом EOP (конец пакета).

Рис.7.7. Временная диаграмма этапов кодирования данных

Рассмотрим некоторые электрические требования шины USB. На рис.7.8 представлена схема симметричного шинного формирователя (драйвера) USB, содержащего два одинаковых буфера, выполненных по технологии КМОП.

Рис.7.8. Схема дифференциального формирователя

Симметричный дифференциальный формирователь содержит два разно-полярных выхода D+ и D-, имеющих три состояния, чтобы реализовать двунаправленную полудуплексную работу. Один из выходов представляет буферизованный повторитель входа, а другой является его дополнением. Эти выходы соединяются парой скрещенных проводов со входами дифференциального приемника. Таким образом, по проводам передаются два сигнала, которые подвергаются в одинаковой мере воздействию синфазных помех, устраняемых дифференциальным приемником.

Так как выходы формирователя имеют разные полярности, то при передаче данных с высокой частотой возникают отраженные разнополярные сигналы, которые не являются синфазными помехами. Поэтому следует устранить возможность возникновения отраженных сигналов на приемной стороне интерфейса.

Применение дифференциального принципа передачи повышает ее помехоустойчивость и, как следствие, позволяет увеличить скорость передачи данных.

На рис.7.9 показана диаграмма сигналов на выходах формирователя для скорости передачи 12 Мбит/с (а) и 1.5 Мбит/с (б).

Рис.7.9. Диаграммы сигналов на выходах формирователей для скоростей передачи данных 12 Мбит/с (а) и 1.5 Мбит/с (б)

При скорости передачи данных 12 Мбит/с используется витая пара экранированного кабеля, а для скорости 1.5 Мбит/с – неэкранированный кабель с нескрученной парой проводников. Сопряжение приемопередатчиков (ПП) с помощью кабеля USB в случае высокоскоростной (а) и низкоскоростной (б) передач изображено на рис.7.10.

Из схем видно, что высокоскоростные устройства содержат резистор нагрузки (R Н) на линии D+, а низкоскоростные – на линии D-, что позволяет определить тип подключенного устройства USB. Когда устройство USB не управляет линиями D+ и D-, то на линии с R Н имеется напряжение около 3В, а на другой – близкое к 0В. Такое состояние шины называется пассивным состоянием.

Рис.7.10. Схемы сопряжения ПП хоста (хаба) и функционера (хаба) для высокоскоростной (а) и низкоскоростной (б) передач

Если устройство не подключено к нижнему порту хоста (хаба) (или отсутствует питание), то на обоих линиях D+ и D- устанавливается асимметричный низкий уровень напряжения (0,6В), который используется для определения условия рассоединения или сообщения о конце пакета (EOP). Для высокоскоростных передач условием рассоединения является наличие асимметричного нуля в течение 2,5 мс (30 единиц времени передачи бита).

Считается, что связь с устройством установлена, если напряжение на одной из линий D+ (D-) достигает выше асимметричного высокого порога в 1,5В за время 2,5 мс.

Определение факта рассоединения и связанности устройства USB показано на рис.7.11.

Рис.7.11. Установление факта рассоединения (а) и связи устройства USB (б)

Общее время передачи данных оценивается числом битов данных, умноженным на период (Т), определяемый скоростью передачи данных. На рис.7.12 представлена временная диаграмма передачи данных по дифференциальным линиям данных D+ и D-.

Рис.7.12. Временная диаграмма передачи данных

В соответствии с кодом NRZI бит 0 вызывает переключение уровней напряжения, а бит 1 сохраняет соответствующие уровни напряжения на линиях D+ и D-. Длительность асимметричного нуля в EOP равна 2Т без учета времени задержки.

Начало пакета (SOF) определяется первым битом поля синхронизации, когда пассивное состояние линий D+ и D- переходит в активное. Устройства USB поддерживают режим приостановки, который вызывается тем, что пассивное состояние линий D+ и D- удерживается более 3 мс.

Командой хоста может быть установлен сигнал сброса, который распространяется через все хабы и приводит подключенные устройства в начальное состояние. Сигналом сброса является асимметричный нуль, удерживаемый на шине в течение 10 мс.

В зависимости от источника потребления питания различают следующие типы устройств:

Хабы, получающие питание от шины и обеспечивающие питанием внутренние функциональные устройства и низшие порты;

Хабы с автономным питанием, которые позволяют снабдить питанием пять модулей, каждый из которых потребляет 100 мА, составляющие нагрузку модуля;

Маломощные (с нагрузкой одного модуля) и высокомощные (с нагрузкой пяти модулей) устройства, потребляющие питание из шины;

Функциональные устройства, имеющие внешний источник питания и обладающие нагрузкой одного модуля, питаемого из шины.

Рассмотрим форматы пакетов, определяемых стандартом шины USB. Различают опознавательные, информационные пакеты и пакеты квитирования. Каждому пакету предшествует передача 8-битного поля синхронизации. Формат опознавательного пакета изображен на рис. 7.13.

Рис.7.13. Формат опознавательного пакета

Вслед за полем синхронизации для каждого пакета передается 8-битный идентификатор (ИД) младшим битом вперед. Биты D0-D3 поля ИД задают тип пакета (формат и способ обнаружения ошибок соответствующего пакета), а биты D4-D7 являются инверсными значениями младших четырех битов и служат в качестве поля проверки правильности передачи поля ИД, которые делятся на опознавательные, информационные, квитирования и специальные.

Для выбора устройства и конечной точки (КТ) в нем используется 7-битный адрес устройства и 4-битный номер КТ. Поле адреса предназначено для ввода (вывода) данных и установочных опознавателей. При сбросе или отключении питания адрес устройства принимает значение 0 и затем программируется хостом. Низкоскоростные устройства содержат до двух точек, а высокоскоростные – до 16 конечных точек. Поле адреса и номера КТ защищены 5-битовым контрольным циклическим кодом (КЦК). Циклический избыточный контроль состоит в том, что биты поля КЦК представляют собой коэффициенты двоичного полинома (5-битовый эквивалент), а байты контроля ошибок получаются путем деления этого полинома на заданный 16-битный полином. По двоичному коду остатка определяют наличие или отсутствие ошибки.

Пакет поля данных состоит из 8-битного поля ИД, поля данных (0-1023 байтов) и 16-битного поля КЦК (рис.7.14).

Рис.7.14. Формат пакета данных

Существует два пакета данных (Данные(0) и Данные(1)) с различными идентификаторами, необходимые для поддержания соответствующей синхронизации. Данные в пакете представлены в виде последовательности байтов.

Пакет квитирования содержит только поле ИД и предназначен для проверки успешности передачи данных. Различают три типа этого пакета: ACK (подтверждение) – пакет данных получен без ошибок и пакет ИД верен (пакет применяется при передаче данных); NAK (неподтверждение) – пакет, показывающий на невозможность устройством принять данные от хоста (временный отказ) или устройство не имеет данных для передачи хосту (кроме того, пакет используется для сообщения о временной паузе в передаче или приеме данных устройством); STALL – ответный пакет, говорящий о постоянном отказе и необходимости вмешательства программы хоста.

Опознавательный пакет SOF (начало фрейма) позволяет хабам или устройствам идентифицировать начало фрейма и синхронизировать их внутренние таймеры с таймером главной ЭВМ. Формат опознавательного пакета показан на рис.7.15.

Рис.7.15. Формат опознавательного пакета

Фрейм состоит из ряда транзакций (действий на шине), имеющих начало от одного SOF-маркера, и продолжается до начала следующего SOF-маркера. Устройство или хаб определяют начало фрейма по 8-битному ИД SOF-пакета.

Существуют следующие транзакции: массива данных, управления, прерывания и изохронного типа.

Транзакция массива данных при вводе данных в хост состоит из опознавательного пакета с запросом ввода, пакета данных (Данные (0/1)) из устройства и пакета квитирования (NAK или STALL), посылаемого устройством вслед за данными. Если пакет данных принят верным, то хост отвечает устройству пакетом ACK.

При вводе данных из хоста в устройство хост направляет опознавательный пакет с запросом вывода, а затем пакет данных. Устройство отвечает хосту одним из трех пакетов квитирования (ACK, NAK или STALL).

Последовательность действий хоста и устройства при передачи массивов данных показана на рис.7.16.

Рис.7.16. Последовательность действий хоста и устройства

На рис.7.17 представлена последовательность идентификаторов при записи и чтении массива данных.

Рис.7.17. Последовательность идентификаторов при записи и чтении массива данных

С целью синхронизации компонентов шины USB выполняется чередование пакетов с идентификатором Данные(0) и пакетов с идентификатором Данные(1). Переключение пакетов данных в передатчике выполняется после получения пакета квитирования ACK, а в приемнике – после получения очередного пакета.

Переходы управления содержат две стадии: Установка и Состояние, между которыми может присутствовать информационная стадия. Во время стадии Установки выполняется передача данных только с форматом поля ИД Данные(0) к конечной точке управления устройства.

Транзакция Установки изображена на рис.7.18.

Рис.7.18. Транзакция Установки

Сигнал квитирования ACK не выдается, если данные являются неверными. При наличии стадии данных выполняется их передача в одном направлении в соответствии с требованиями протокола. Эта стадия может состоять из нескольких транзакций ввода и вывода и размер массива данных задается в пакете Установка.

Стадия Состояния является последней в рассматриваемой последовательности и использует идентификатор Данные 0.

На рис.7.19 показана очередность транзакций и идентификаторов данных для управления чтением или записью.

Рис.7.19. Очередность транзакций и ИД данных

В стадии Состояние от устройства к хосту передается следующая информация: устройство выполнило задачу (ACK), устройство не содержит ошибок (STALL) и устройство занято (NACK).

Транзакции прерываний содержат опознаватели ввода. На рис.7.20 изображены последовательности транзакций прерываний.

Рис.7.20. Последовательности транзакций прерываний

Если устройство получает опознаватель ввода, то оно выдает данные по прерыванию в виде пакета и получает ACK или передает NACK/STALL. Пакет квитирования NAK направляется устройством, когда оно не содержит информации для нового прерывания, а пакет квитирования STALL – устройством, если оно временно приостановило работу.

Изохронные транзакции не имеют стадии квитирования. На рис.7.21 представлены стадии изохронных транзакций.

Рис.7.21. Стадии изохронных транзакций

При выполнении изохронного режима меняется поочередно пакеты данных с соответствующими идентификаторами, т.е. сначала следует пакет данных Данные(0), а за ним – пакет Данные(1) и т.д.

USB обеспечивает обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Согласно спецификации USB, устройства (devices) могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Устройство-хаб (hub) только обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Устройство-функция (function) USB предоставляет системе дополнительные функциональные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Комбинированное устройство (compound device), содержащее несколько функций, представляется как хаб с подключенными к нему несколькими устройствами. Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (host controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств. Шина USB является хостцентрической: единственным ведущим устройством, которое управляет обменом, является хост-компьютер, а все присоединенные к ней периферийные устройства - исключительно ведомые. Физическая топология шины USB - многоярусная звезда. Ее вершиной является хост-контроллер, объединенный с корневым хабом (root hub), как правило, двухпортовым. Хаб является устройством-разветвителем, он может являться и источником питания для подключенных к нему устройств. К каждому порту хаба может непосредственно подключаться периферийное устройство или промежуточный хаб; шина допускает до 5 уровней каскадирования хабов (не считая корневого). Поскольку комбинированные устройства внутри себя содержат хаб, их подключения к хабу 6-го 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 - про¬сто звезда: для хостконтроллера хабы создают иллюзию непосредственного подключения каждого устройства. В отличие от шин расширения (ISA, PCI, PC Card), где программа взаимодействует с устройствами посредством обращений по физическим адресам ячеек памяти, портов ввода-вывода, прерываниям и каналам DMA, взаимодействие приложений с устройствами USB выполняется только через программный интерфейс. Этот интерфейс, обеспечивающий независимость обращений к устройствам, предоставляется системным ПО контроллера USB.

В отличие от громоздких дорогих шлейфов параллельных шин AT А и особенно шины SCSI с ее разнообразием разъемов и сложностью правил подключения, кабельное хозяйство USB простое и изящное. Кабель USB содержит одну экранированную витую пару с импедансом 90 Ом для сигнальных цепей и одну неэкранированную для подачи питания (+5 В), допустимая длина сегмента - до 5 м. Для низкой скорости может использоваться невитой неэкранированный кабель длиной до 3 м (он дешевле). Система кабелей и коннекторов USB не дает возможности ошибиться при подключении устройств (рис. 13.1, а и б). Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение (рис. 13.1, в). Гнезда типа «А» устанавливаются только на нисходящих портах хабов, вилки типа «А» - на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов. Гнезда и вилки типа «В» 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). Кроме стандартных разъемов, показанных на рисунке 19, применяются и миниатюрные варианты (рис. 20, в, г, д). Хабы и устройства обеспечивают возможность «горячего» подключения и отключения. Для этого разъемы обеспечивают более раннее соединение и позднее отсоединение питающих цепей по отношению к сигнальным, кроме того, предусмотрен протокол сигнализации подключения и отключения устройств. Назначение выводов разъемов USB приведено в табл. 9, нумерация контактов показана на рис. 20. Все кабели USB «прямые» - в них соединяются одноименные цепи разъемов.

Рис. 19. Коннекторы USB: a - вилка типа «А», б - вилка типа «В», в - символическое обозначение

Рис. 20. Гнезда USB: а - типа «А», б - типа «В» стандартное, в,г,д - миниатюрные типа «В»

Таблица 9. Назначение выводов разъема USB

В шине используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Скорость устройства, подключенного к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов на линиях D+ и D-, смещаемых нагрузочными резисторами приемопередатчиков: устройства с низкой скоростью «подтягивают» к высокому уровню линию D-, с полной - D+. Подключение устройства HS определяется на этапе обмена конфигурационной информацией - физически на первое время устройство HS должно подключаться как FS. 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.

Введение высокой скорости (480 Мбит/с - всего в 2 раза медленнее, чем Gigabit Ethernet) требует тщательного согласования приемопередатчиков и линии связи. На этой скорости может работать только кабель с экранированной витой парой для сигнальных линий. Для высокой скорости аппаратура USB должна иметь дополнительные специальные приемопередатчики. В отличие от формирователей потенциала для режимов FS и LS, передатчики HS являются источниками тока, ориентированными на наличие резисторов-терминаторов на обеих сигнальных линиях.

Скорость передачи данных (LS, FS или HS) выбирается разработчиком периферийного устройства в соответствии с потребностями этого устройства. Реализация низких скоростей для устройства обходится несколько дешевле (приемопередатчики проще, а кабель для LS может быть и неэкранированной невитой парой). Если в «старой» USB устройства можно было, не задумываясь, подключать в любой свободный порт любого хаба, то в USB 2.0 при наличии устройств и хабов разных версий появились возможности выбора между оптимальными, неоптимальными и неработоспособными конфигурациями.

Хабы USB 1.1 обязаны поддерживать скорости FS и LS, скорость подключенного к хабу устройства определяется автоматически по разности потенциалов сигнальных линий. Хабы USB 1.1 при передаче пакетов являются просто повторителями, обеспечивающими прозрачную связь периферийного устройства с контроллером. Передачи на низкой скорости довольно расточительно расходуют потенциальную пропускную способность шины: за то время, на которое они занимают шину, высокоскоростное устройство может передать данных в 8 раз больше. Но ради упрощения и удешевления всей системы на эти жертвы пошли, а за распределением полосы между разными устройствами следит планировщик транзакций хост-контроллера.

В спецификации 2.0 скорость 480 Мбит/с должна уживаться с прежними, но при таком соотношении скоростей обмены на FS и LS «съедят» возможную полосу пропускания шины без всякого «удовольствия» (для пользователя). Чтобы этого не происходило, хабы USB 2.0 приобретают черты коммутаторов пакетов. Если к порту такого хаба подключено высокоскоростное устройство (или аналогичный хаб), то хаб работает в режиме повторителя, и транзакция с устройством на HS занимает весь канал до хост-контроллера на все время своего выполнения. Если же к порту хаба USB 2.0 подключается устройство или хаб 1.1, то по части канала до контроллера пакет проходит на скорости HS, запоминается в буфере хаба, а к старому устройству или хабу идет уже на его «родной» скорости FS или LS. При этом функции контроллера и хаба 2.0 (включая и корневой) усложняются, поскольку транзакции на FS и LS расщепляются и между их частями вклиниваются высокоскоростные передачи. От старых (1.1) устройств и хабов все эти тонкости скрываются, что и обеспечивает обратную совместимость. Вполне понятно, что устройство USB 2.0 сможет реализовать высокую скорость, только если по пути от него к хост-контроллеру (тоже 2.0) будут встречаться только хабы 2.0. Если это правило нарушить и между ним и контроллером 2.0 окажется старый хаб, то связь может быть установлена только в режиме FS. Если такая скорость устройство и клиентское ПО устроит (к примеру, для принтера и сканера это выльется только в большее время ожидания пользователя), то подключенное устройство работать будет, но появится сообщение о неоптимальной конфигурации соединений. По возможности ее (конфигурацию) следует исправить, благо переключения кабелей USB можно выполнять на ходу. Устройства и ПО, критичные к полосе пропускания шины, в неправильной конфигурации работать откажутся и категорично потребуют переключений. Если же хост-контроллер старый, то все преимущества USB 2.0 окажутся недоступными пользователю. В этом случае придется менять хост-контроллер (менять системную плату или приобретать PCI-карту контроллера). Контроллер и хабы USB 2.0 позволяют повысить суммарную пропускную способность шины и для старых устройств. Если устройства FS подключать к раз¬ным портам хабов USB 2.0 (включая и корневой), то для них суммарная пропускная способность шины USB возрастет по сравнению с 12 Мбит/с во столько раз, сколько используется портов высокоскоростных хабов.

Хаб является ключевым элементом системы PnP в архитектуре USB. Хаб выполняет множество функций:

обеспечивает физическое подключение устройств,

формируя и воспринимая

сигналы в соответствии со спецификацией шины на

каждом из своих портов;

управляет подачей питающего напряжения на

нисходящие порты, причем предусматривается установка ограничения на ток, потребляемый каждым портом;

отслеживает состояние подключенных к нему устройств,

уведомляя хост об изменениях;

обнаруживает ошибки на шине, выполняет процедуры

восстановления и изолирует неисправные сегменты шины;

обеспечивает связь сегментов шины, работающих на

разных скоростях.

Хаб следит за сигналами, генерируемыми устройствами. Неисправное устройство может не вовремя «замолчать» (потерять активность) или, наоборот, что-то «бор¬мотать» (babble). Эти ситуации отслеживает ближайший к устройству хаб и за¬прещает восходящие передачи от такого устройства не позже, чем по границе (микро)кадра. Благодаря бдительности хабов эти ситуации не позволят неисправному устройству заблокировать всю шину.

Каждый из нисходящих (downstream) портов может быть разрешен или запрещен, а также сконфигурирован на высокую, полную или ограниченную скорость обмена. Хабы могут иметь световые индикаторы состояния нисходящих портов, управляемые автоматически (логикой хаба) или программно (хост-контроллером). Индикатор может представлять собой пару светодиодов - зеленый и желтый (янтарный) или один светодиод с изменяющимся цветом. Состояние порта представляется следующим образом:

не светится - порт не используется;
зеленый - нормальная работа;
желтый - ошибка;
зеленый мигающий - программа требует внимания

пользователя (Software attention);

желтый мигающий - аппаратура требует внимания

пользователя (Hardware attention).

Восходящий (upstream) порт хаба конфигурируется и внешне представляется как полноскоростной или высокоскоростной (только для USB 2.0). При подключении порт хаба USB 2.0 обеспечивает терминацию по схеме FS, в режим HS он переводится только по команде контроллера.

На рис. 13.3 приведен вариант соединения устройств и хабов, где высокоскоростным устройством USB 2.0 является только телекамера, передающая видеопоток без компрессии. Подключение принтера и сканера USB 1.1 к отдельным портам хаба 2.0, да еще и развязка их с аудиоустройствами, позволяет им использовать полосу шины по 12 Мбит/с каждому. Таким образом, из общей полосы 480 Мбит/с на «старые» устройства (USB 1.0) выделяется 3x12=36 Мбит/с. Вообще-то мож¬но говорить и о полосе в 48 Мбит/с, поскольку клавиатура и мышь подключены к отдельному порту хост-контроллера USB 2.0, но эти устройства «освоят» только малую толику из выделенных им 12 Мбит/с. Конечно, можно подключать клавиатуру и мышь к порту внешнего хаба, но с точки зрения повышения надежности системные устройства ввода лучше подключать наиболее коротким (по количеству кабелей, разъемов и промежуточных устройств) способом. Неудачной конфигурацией было бы подключение принтера (сканера) к хабу USB 1.1 - во время работы с аудиоустройствами (если они высокого качества) скорость печати (сканирования) будет падать. Неработоспособной конфигурацией явилось бы подключение телекамеры к порту хаба USB 1.1.

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).

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. Рабо¬чий ток (не более 500 мА) заявляется в конфигурации. Если хаб не может обеспечить устройству заявленный ток, оно не конфигурируется и, следовательно, не может быть использовано.

Устройство USB должно поддерживать режим приостановки (suspended mode), в котором его потребляемый ток не превышает 500 мкА. Устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины.

Рис. 21. Пример конфигурации соединений

Возможность удаленного пробуждения (remote wakeup) позволяет приостановленному устройству подать сигнал хост-компьютеру, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена.

Благодаря своей универсальности и способности эффективно передавать разнородный трафик шина USB применяется для подключения к PC самых разнообразных устройств. Она призвана заменить традиционные порты PC - СОМ и LPT, а также порты игрового адаптера и интерфейса MIDI. Спецификация USB 2.0 позволяет говорить и о подключении традиционных «клиентов» шин АТА и SCSI, а также захвате части ниши применения шины FireWire. Привлекательность USB придает возможность подключения/отключения устройств на ходу и возможность их использования практически сразу, без перезагрузки ОС. Удобна и возможность подключения большого количества (до 127) устройств к одной шине, правда, при наличии хабов. Хост-контроллер интегрирован в большинство современных системных плат. Выпускаются и карты расширения с контроллерами USB (обычно для шины PCI). Однако повсеместное применение USB сдерживается недостаточной активностью разработчиков ПО (производителей оборудования): просматривая перечни устройств, мы видим, что для всех указывается поддержка в Windows 98/SE/ME, а вот в графах Linux, MacOS, Unix и даже Windows 2000 часто стоят неприятные пометки N/A (Not Allowed - «не дозволено»).
Для того чтобы система USB заработала, необходимо, чтобы были загружены драйверы хост-контроллера (или контроллеров, если их несколько). При подключении устройства к шине USB ОС Windows выдает сообщение «Обнаружено новое устройство» и, если устройство подключается впервые, предлагает загрузить для него драйверы. Многие модели устройств уже известны системе, и драйверы входят в дистрибутив ОС. Однако может потребоваться и драйвер изготовителя устройства, который должен входить в комплект поставки устройства, или его придется искать в Сети. К сожалению, не все драйверы работают корректно - «сырой» драйвер начальной версии, возможно, потребуется заменить более «правильным», чтобы устройство нормально опознавалось и хорошо работало. Но это общее горе пользователей любых устройств, а не только устройств для шины USB.
Перечислим основные области применения USB.
* Устройства ввода - клавиатуры, мыши, трекболы, планшетные указатели и т. п. Здесь USB предоставляет для различных устройств единый интерфейс. Целесообразность использования USB для клавиатуры неочевидна, хотя в паре с мышью USB (подключаемой к порту хаба, встроенного в клавиатуру) сокращается количество кабелей, тянущихся от системного блока на стол пользователя.
* Принтеры. USB 1.1 обеспечивает примерно ту же скорость, что и LPT-порт в режиме ЕСР, но при использовании USB не возникает проблем с длиной кабеля и подключением нескольких принтеров к одному компьютеру (правда, требуются хабы). USB 2.0 позволит ускорить печать в режиме высокого разрешения за счет сокращения времени на передачу больших массивов данных. Однако есть проблема со старым ПО, которое непосредственно работает с LPT-портом на уровне регистров, - на принтер USB оно печатать не сможет.
* Сканеры. Применение USB позволяет отказаться от контроллеров SCSI или от занятия LPT-порта. USB 2.0 при этом позволит еще и повысить скорость передачи данных.
* Аудиоустройства - колонки, микрофоны, головные телефоны (наушники). USB позволяет передавать потоки аудиоданных, достаточные для обеспечения самого высокого качества. Передача в цифровом виде от самого источника сигнала (микрофона со встроенным преобразователем и адаптером) до приемника и цифровая обработка в хост-компьютере позволяют избавиться от наводок, свойственных аналоговой передачи аудиосигналов. Использование этих аудиокомпонентов позволяет в ряде случаев избавиться от звуковой карты компьютера - аудиокодек (АЦП и ЦАП) выводится за пределы компьютера, а все функции обработки сигналов (микшер, эквалайзер) реализуются центральным процессором чисто программно. Аудиоустройства могут и не иметь собственно колонок и микрофона, а ограничиться преобразователями и стандартными гнездами («Джеками») для подключения обычных аналоговых устройств.
* Музыкальные синтезаторы и MIDI-контроллеры с интерфейсом USB. Шина USB позволяет компьютеру обрабатывать потоки множества каналов MIDI (пропускная способность традиционного интерфейса MIDI уже гораздо ниже возможностей компьютера).
* Видео- и фотокамеры. USB 1.1 позволяет передавать статические изображения любого разрешения за приемлемое время, а также передавать поток видеоданных (живое видео) с достаточной частотой кадров (25-30 Кбит/с) только с невысоким разрешением или сжатием данных, от которого, естественно, страдает качество изображения. USB 2.0 позволяет передавать поток видеоданных высокого разрешения без сжатия (и потери качества). С интерфейсом USB выпускают как камеры, так и устройства захвата изображения с телевизионного сигнала и TV-тюнеры.
* Коммуникации. С интерфейсом USB выпускают разнообразные модемы, включая кабельные и xDSL, адаптеры высокоскоростной инфракрасной связи (IrDA FIR) - шина позволяет преодолеть предел скорости СОМ-порта (115, 2 Кбит/с), не повышая загрузку центрального процессора. Выпускаются и сетевые адаптеры Ethernet, подключаемые к компьютеру по USB. Для соединения нескольких компьютеров в локальную сеть выпускаются специальные устройства, выполняющие коммутацию пакетов между компьютерами. Непосредственно (без дополнительных устройств) портами USB соединить между собой даже два компьютера нельзя - на одной шине может присутствовать лишь один хост-контроллер (см. выше). Специальное устройство для связи пары компьютеров выглядит как «таблетка», врезанная в кабель USB с двумя вилками типа «А» на концах. Объединение более двух компьютеров осложняется и топологическими ограничениями USB: длина одного сегмента кабеля не должна превышать 5 м, а использовать хабы для увеличения дальности неэффективно (каждый хаб дает всего 5 м дополнительного удаления).
* Преобразователи интерфейсов позволяют через порт USB, имеющийся теперь практически на всех компьютерах, подключать устройства с самыми разнообразными интерфейсами: Centronics и IEEE 1284 (LPT-порты), RS-232C (эмуляция UART 16550A - основы СОМ-портов) и другие последовательные интерфейсы (RS-422, RS-485, V. 35...), эмуляторы портов клавиатуры и даже Game-порта, переходники на шину AT A, ISA, PC Card и любые другие, для которых достаточно производительности. Здесь USB становится палочкой-выручалочкой, когда встает проблема 2-го (3-го) LPT- или СОМ-порта в блокнотном ПК и в других ситуациях. При этом ПО преобразователя может обеспечить эмуляцир классического варианта «железа» стандартных портов IBM PC, но только под управлением ОС защищенного режима. Приложение MS-DOS может обращаться к устройствам по адресам ввода-вывода, памяти, прерываниями, каналами DMA, но только из сеанса MS-DOS, открытого в ОС с поддержкой USB (чаще это Windows). При загрузке «голой» MS-DOS «палочка-выручалочка» не работает. Преобразователи интерфейсов позволяют продлить жизнь устройствам с традиционными интерфейсами, изживаемыми из PC спецификациями РС"99 и РС"2001. Скорость передали данных через конвертер USB - LPT может оказаться даже выше, чем у реального LPT-порта, работающего в режиме SPP.
* Устройства хранения - винчестеры, устройства чтения и записи CD и DVD, стриммеры - при использовании USB 1.1 получают скорость передачи, соизмеримую со скоростью их подключения к LPT, но более удобный интерфейс (как аппаратный, так и программный). При переходе на USB 2.0 скорость передачи данных становится соизмеримой с АТА и SCSI, а ограничений по количеству устройств достичь трудно. Особенно интересно использование USB для электронных устройств энергонезависимого хранения (на флэш-памяти) - такой накопитель может быть весьма компактным (размером с брелок для ключей) и емким (пока 16-256 Мбайт, в перспективах - гигабайт и более). Выпускаются устройства для мобильного подключения накопителей с интерфейсом АТА-AT API - по сути, это лишь преобразователи интерфейсов, помещенные в коробку-отсек формата 5" или 3, 5", а иногда выполненные прямо в корпусе 36-контактного азъема АТА. Имеются и устройства чтения-записи карт SmartMedia Card и CompactFlash Card.
* Игровые устройства - джойстики всех видов (от «палочек» до автомобильных рулей), пульты с разнообразными датчиками (непрерывными и дискретными) и исполнительными механизмами (почему бы не сделать кресло автогонщика с вибраторами и качалками?) - подключаются унифицированным способом. При этом исключается ресурсопожирающий интерфейс старого игрового адаптера (упраздненного уже в спецификации РС"99).
* Телефоны - аналоговые и цифровые (ISDN). Подключение телефонного аппарата позволяет превратить компьютер в секретаря с функциями автодозвона, автоответчика, охраны и т. п.
* Мониторы - здесь шина USB используется для управления параметрами монитора. Монитор сообщает системе свой тип и возможности (параметры синхронизации) - это делалось и без USB по шине DDC. Однако USB-мониторы позволяют системе еще и управлять ими - регулировки яркости, контраста, цветовой температуры и т. п. могут теперь выполняться программно, а не только от кнопок лицевой панели монитора. В мониторы, как правило, встраивают хабы. Это удобно, поскольку настольную периферию не всегда удобно включать в «подстольный» системный блок.
* Электронные ключи - устройства с любым уровнем интеллектуальности защиты - могут быть выполнены в корпусе вилок USB. Они гораздо компактнее и мобильнее аналогичных устройств для СОМ- и LPT-портов.
Конечно же, перечисленными классами устройств сфера применения шины USB не ограничивается.
Хабы USB выпускаются как в виде отдельных устройств, так и встраиваются в периферийные устройства (клавиатуры, мониторы). Как правило, хабы питаются от сети переменного тока (они должны питать подключаемые устройства). Выпускают и хабы, устанавливаемые внутрь системного блока компьютера и питающиеся от его блока питания. Такие хабы дешевле внешних и не требуют дополнительной питающей розетки. Один из вариантов исполнения - установка хаба на скобку, монтируемую в окно для дополнительных разъемов. Доступ к их разъемам со «спины» системного блока не очень удобен для пользователей. Другой вариант - хаб, устанавливаемый в 3"-отсек. Его разъемы легкодоступны, индикаторы состояния портов хорошо видны, но не всегда удобны кабели, выходящие с передней панели системного блока. С другой стороны, для подключения электронных ключей (если их приходится часто менять) или миниатюрных накопителей этот вариант - самый удобный.
Недавно появились и новые вспомогательные устройства, увеличивающие дальность связи (distance extender). Это пара устройств, соединяемых между собой обычным кабелем «витая пара» (или оптоволокном), включаемая между периферийным устройством и хабом. «Удлинитель» со стороны периферии может иметь и хаб на несколько портов. К сожалению, увеличение дистанции упирается в ограничения на время задержки сигнала, свойственные протоколу шины USB, и достижимо лишь удаление до 100 м. Но даже и эта длина позволяет расширить сферу применения USB, например для удаленного видеонаблюдения.

Лекция 11. Универсальная последовательная шина USB.

Широко используемый последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных.

2.Шина USB.Общая характеристика.

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.

Структура USB

Примерами функций являются:

Указатели - мышь, планшет, световое перо.

Устройства ввода - клавиатура или сканер.

Устройство вывода - принтер, звуковые колонки (цифровые).

Телефонный адаптер ISDN.

В рассматриваемую структуру входят следующие элементы:

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

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 ...