USB- порт

Лекция 14. USB- порт
1.     Последовательные шины
2.     Шина USB
3.     Модель и протокол передачиданных
1.Последовательные шины
Последовательные шины позволяют объединять множествоустройств, исполь­зуя всего 1-2 пары проводов. При этом достигается пропускнаяспособность от 100 Кбит/с для шины ACCESSBus,до 400 Мбит/с для FireWire,480 Мбит/с для USB2.0и 1 Гбит/с для FCAL.
 Функциональные возможности этих шин гораздошире, чем у традиционных интерфейсов локальных сетей — USB и FireWireспо­собны передавать изохронный график аудио- и видеоданных.Последовательные шины по своей организации сильно отличаются от параллельных. Впоследова­тельных шинах нет отдельных линий для данных, адреса и управления —все протокольные функции приходится выполнять, пользуясь одной (в USB и ACCESS.Bus)или двумя (в FireWire)парами сигнальных проводов или парой оптических волокон (FibreChannel).
 Этонакладывает отпечаток на построение шинного протокола, который впоследовательных шинах строится на пересыл­ках пакетов— определенным образом организованныхцепочек бит. Заметим, что в терминологии USBпакеты и кадры имеют несколько иную трактовку, не­жели в сетях передачи данных.
В параллельных шинах имеются возможности явнойсинхронизации интерфейсной части ведущих и ведомых устройств; ис­полнениекаждого шага протокола обмена может быть подтверждено, и при не­обходимостинекоторые фазы обмена могут продлеваться по «просьбе» не успевающегоустройства. В последовательных шинах такой возможности нет — па­кетпересылается целиком, а синхронизация возможна только по принимаемому потокубит. Эти и другие особенности сближают последовательные шины с ло­кальнымисетями передачи данных.
Наибольшую популярность имеют шины USBи FireWire, хотя последняя пока что в РС- совместимых компьютерахиспользуется не повсеместно. Технологии последовательных шин FireWireи USB, имея общие черты, существенно разли­чаются. Обе шиныобеспечивают простое; подключение большого числа ПУ (127 для USB и 63 для FireWire), допуская коммутации ивключение/выключе­ние устройств при работающей системе. По структуре топологияобеих шин дос­таточно близка, но FireWire  допускает большую свободу ипространственную протя­женность. Хабы USBвходят в состав многих устройств и для пользователя их присутствие зачастуюнезаметно. Обе шины имеют линии питания устройств, но допустимая мощность для FireWireзначительно выше. Обе шиныподдержи­вают технологию РnР (автоматическоеконфигурирование при включении/вы­ключении) и снимают проблему дефицитаадресов, каналов DMAи прерываний. Различаются пропускная способностьшин и управление ими.
Шина USBориентирована напериферийные устройства, подключаемые к PC. Изохронные передачи USB позволяют передавать цифровыеаудиосигналы, а USB 2.0 способна нести и видеоданные. Все передачи управляютсяцентрали­зованно, и PCявляется необходимым управляющим узлом, находящимсяв кор­не древовидной структуры шины. Адаптер USB пользователи современных ПК получают почти бесплатно, посколькуон входит в состав всех современных чипсетов системных плат. Правда, адаптеры USB 2.0 первое время будут выпускать­сяв виде карт PCI. Непосредственноесоединение нескольких PCшиной USB не предусматривается, хотя выпускаются «активные кабели» длясвязи пары ком­пьютеров и устройства-концентраторы.
Шина FireWireориентирована на устройствабытовой электроники, которые с ее помощью могут быть объединены в единуюдомашнюю сеть. К этой сети может быть подключен компьютер, и даже не один.Принципиальным преиму­ществом шины является отсутствие необходимости в специальном контрол­лере шины(компьютере). Любое передающее устройство может получить поло­су изохронноготрафика и начинать передачу по сигналу автономного или дис­танционногоуправления — приемники «услышат» эту информацию. При нали­чии контроллерасоответствующее ПО может управлять работой устройств, реа­лизуя, например,цифровую студию нелинейного видеомонтажа или снабжая тре­буемымимультимедийными данными всех заинтересованных потребителей ин­формации.
2. Шина USB

USB(UniversalSerialBus— универсальнаяпоследовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC,ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники.Шина USB со­всем молодая—версия 1.0была опубликована в начале 1996 года, и скептики  иронично расшифровывали ее название как«неиспользуемая последовательная шина» (UnusedSerialBus).
Однако сейчас устройств с интерфейсом USB ужепредостаточно. Большинство их поддерживает версию 1.1, которая вышла осе­нью1998 года — в ней были устранены обнаруженные проблемы первой редак­ции. Весной2000 года опубликована спецификация USB 2.0, в которой преду­смотрено40-кратное повышение пропускной способности шины. Первоначаль­но (в версиях 1.0и 1.1) шина обеспечивала две скорости передачи информации:
полную скорость FS(fullspeed)— 12 Мбит/с
низкую скорость LS(LowSpeed)— 1,5-Мбит/с.
 В версии 2.0определена еще и высокая скорость US(HighSpeed) —480 Мбит/с, которая позволяет существенно расширить круг устройств, подклю­чаемыхк шине. В одной и той же системе могут присутствовать и одновременно работатьустройства со всеми тремя скоростями. Шина позволяет соединять ус­тройства,удаленные от компьютера на расстояние до 25 м (с использованием промежуточныххабов).
С середины 1996 года выпускаются PCсовстроенным контроллером USB, реализуемым чипсетом системной платы. Подробную иоперативную информа­цию по USB (на английском языке) можно найти по адресуhttp://www.usb.org. Здесь приводятся данные, достаточные для пониманияпринципов работы и воз­можностей этой перспективной и недорогой шиныподключения разнообразной периферии.
USBобеспечивает обмен даннымимежду хост-компьютером и множеством пе­риферийных устройств (ПУ). Согласноспецификации USB, устройства (device) могут являться:
-  хабами;
  — функциями;
  — их комбинацией.
 Хаб(hub) только обес­печивает дополнительные точки подключения устройств кшине. Устройство-функция (function) USB предоставляет системе дополнительные функциональ­ныевозможности, например подключение к ISDN,цифровой джойстик, акусти­ческие колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Комбинированноеустройство (compounddevice), реализующее несколько функций, представляется как хаб с подключеннымик нему несколькими устройствами. Устройство USB должно иметь интерфейс USB,обеспечивающий полную поддержку протокола USB,вы­полнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставлениеинформации, описывающей устройство.
Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (hostcontroller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера.Шина позволяет подключать, конфигурировать, исполь­зовать и отключатьустройства во время работы хоста и самих устройств.
Шина USBявляется хост-центрической: единственным ведущим устройством, которое управляетобменом, является хост-компьютер, а все присоединенные к ней периферийныеустройства — исключительно ведомые. В этим она отличает­ся от шины FireWire, где все устройстваравноправны. Физическая топология шины USB— многоярусная звезда. Ее вершиной является хост-контроллер, объ­единенный скорневым хабом (roothub), как правило,двухпортовым. Хаб явля­ется устройством-разветвителем. Кроме того, он можетявляться источником питания для подключенных к нему устройств. К каждому портухаба может непосредственно подключаться периферийное устройство илипромежуточный хаб.
Шина допускает до 5 уровней каскадирования хабов (несчитая корневого). По­скольку комбинированные устройства внутри себя содержатхаб, их подключе­ние к хабу 6-го яруса уже недопустимо. Каждый промежуточныйхаб 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— просто звезда: для хост-контроллера хабы создаютил­люзию непосредственного подключения каждого устройства. В отличие от шинрасширения (ISA/EISA, PCI, PCCard),где программавзаимодействует с уст­ройствами путем обращений по физическим адресам ячеекпамяти, портов вво­да-вывода, прерываниям и каналам DMA,взаимодействие приложений суст­ройствами USB выполняется толькочерез программный интерфейс. Этот ин­терфейс, обеспечивающий независимостьобращений к устройствам, предостав­ляется системным ПО контроллера USB.
В отличие от громоздких дорогих шлейфов параллельныхшин АТА и особен­но шины SCSIс ее разнообразием разъемови сложностью правил подключения, кабельное хозяйство USB простое и изящное. Кабель USBсодержит одну экра­нированную витую пару с импедансом 90 Ом для сигнальных цепейи одну не­экранированную для подачи питания (+5 В), допустимая длина сегмента —до -5 м. Для низкой скорости может использоваться невитой неэкранированный ка­бельдлиной до 3 м (он дешевле). Система кабелей и коннекторов USB не дает возможности ошибиться при подключении устройств (рис.1, а и б). Для рас­познавания разъема USBна корпусе устройства ставится стандартное символи­ческое обозначение (рис. 1 ирис. 2, а).
Гнезда типа «А» устанавливаются только на нисходящихпортах хабов,  вилки типа «А» — на шнурахпериферий­ных устройств или восходящих портов хабов. Гнезда и вилки типа «В»исполь­зуются только для шнуров, отсоединяемых от периферийных устройств ивосхо­дящих портов хабов (от «мелких» устройств — мышей, клавиатур и т. п.кабели, как правило, не отсоединяются).
Хабы и устройства обеспечивают возможность«горячего» подключения и отключения. Для этого разъемы обеспечивают болеераннее соединение и позднее отсоединение питающих цепей по отношению ксигнальным и предусмотрен протокол сигнализации подключения и отключе­нияустройств. Назначение выводов разъемов USB иллюстрирует табл. 1, ну­мерацияконтактов показана на рис. 2, а и б.



Рис. 1. Коннекторы USB: a —вилка типа «А»; б— вилка типа «В»
 

а


  б                                           в
Рис.2. Гнезда USB: а— типа «А»; б— типа «В»;
в— символическое обозначение
Таблица 1. Назначение выводов разъема USB
Контакт
Цепь
1
Vbus
2
D-
3
D+.
4
GND
В шине используется дифференциальный способ передачисигналов D+ и D — по двум проводам.Скорость, используемая устройством, подключенным к конк­ретному порту,определяется хабом по уровням сигналов на линиях D+ и D-, смещаемыхнагрузочными резисторами приемопередатчиков: устройства с низ­кой скоростью«подтягивают» к высокому уровню линию D-, с полной — D+.
Подключение устройства HSопределяется на этапе обмена конфигурационной информацией — физическина первое время устройство HS должно подключаться как FS. Передача по двум проводамв USB не ограничиваетсядифференциаль­ными сигналами. Кроме дифференциального приемника каждоеустройство имеет линейные приемники сигналов D+ и D-, а передатчики этих линийуправляются индивидуально. Это позволяет различать более двух состояний линии,исполь­зуемых для организации аппаратного интерфейса.
Введение высокой скорости (480 Мбит/с — всего в 2раза медленнее, чем пред­лагает технология GigabitEthernet) требует тщательногосогласования приемо­передатчиков и линии связи. На этой скорости может работатьтолько кабель с экранированной витой парой для сигнальных линий. Для высокойскорости ап­паратура USB должнаиметь дополнительные специальные приемопередатчики. В отличие от формирователейпотенциала для режимов FS и LS передатчики HS являются источниками тока, ориентированными на наличие резисторов-тер­минаторовна обеих сигнальных линиях.
Скорость передачи данных (LS, FSили HS) выбирается разработчиком пери­ферийного устройства всоответствии с потребностями этого устройства. Реали­зация низких скоростей дляустройства обходится несколько дешевле (приемо­передатчики проще, а кабель для LS может быть и неэкранированнойневитой парой). Если в «старой» USBустройства можно было подключать не задумыва­ясь в любой свободный порт любогохаба, то в USB 2.0 появилисьвозможности выбора между оптимальными, неоптимальными и неработоспособнымиконфи­гурациями, если используются устройства и хабы разных версий.
Хабы USB1.1 обязаныподдерживать скорости FS и LS, скорость подключен­ного ктакому хабу устройства определяется автоматически по разности потен­циаловсигнальных линий. Хабы USB 1.1 припередаче пакетов являются просто повторителями, обеспечивающими прозрачнуюсвязь периферийного устройства с контроллером.
Передачи на низкой скорости довольно расточительнорасходу­ют потенциальную пропускную способность шины: за то время, на котороеони занимают шину, высокоскоростное устройство может передать данных в 8 разбольше. Но ради упрощения и удешевления всей системы на эти жертвы пошли, а зараспределением полосы между разными устройствами следит планировщик транзакцийхост-контроллера.
В спецификации 2.0 скорость 480, Мбит/с должнауживаться 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 коммутаторовпакетов. Если к порту такого хаба подключено высокоскоростное устройство (илианало­гичный хаб), то хаб работает в режиме повторителя и транзакция сустройством на HSзанимает весь канал до хост-контроллерана все время своего выполне­ния. Если же к порту хаба USB 2.0 подключается устройство или хаб 1.1, то по части канала отконтроллера 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 хаба2.0 (включая и корневой) усложняются, поскольку транзакции на FS и LS расщепляются и между их час­тями вклиниваются высокоскоростноепередачи. От старых (1.1) устройств и хабов все эти тонкости скрываются, что иобеспечивает обратную совместимость.
Вполне понятно, что устройство USB 2.0 сможет реализовать высокую скорость, только если по пути отнего к хост-контроллеру (тоже 2.0) будут встречаться только хаб» 2.0. Если этоправило нарушить и между ним и контроллером 2.0 окажется старый хаб, то связьможет быть установлена только в режиме FS.Если такая скорость, устройство и клиентское ПО устроит (к примеру, дляпринтера и сканера это выльется только в большее время ожидания пользователя),то под­ключенное устройство работать будет, нопоявится сообщение о неоптимальной конфигурации соединений. Повозможности ее следует исправить, благо пере­ключения кабелей USB можно выполнять «на ходу».Устройства и ПО, критич­ные к полосе пропускания шины, в неправильнойконфигурации работать отка­жутся и категорично потребуют переключений. Если жехост-контроллер ста­рый, то все прелести USB2.0 окажутся недоступными пользователю. В этом слу­чае придется менятьхост-контроллер (менять системную плату или приобре­тать PCI-картуконтроллера). Контроллер и хабы USB 2.0позволяют повысить суммарную пропускную способность шины и для старыхустройств. Если уст­ройства FS подключать к разным портам хабов USB 2.0 (включая и корневой), то дляних суммарная пропускная способность шины USB возрастет по сравне­нию с 12Мбит/с во столько раз, сколько используется портов высокоскорост­ных хабов.
На рис. 3 приведен вариант соединения устройств ихабов, где высоко­скоростным устройством USB2.0 является только телекамера, передающая видеопоток без компрессии.Подключение принтера и сканера USB1.1к отдель­ным портам хаба 2.0, да еще и развязка их с аудиоустройствами позволяет имиспользовать полосу шины по 12 Мбит/с каждому.
Таким образом, из общей полосы 480 Мбит/с на «старые»устройства (USB 1.0) выделяется 3 х12 — 36 Мбит/с. Вообще-то можно говорить и о полосе в 48 Мбит/с, по­сколькуклавиатура 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 подключатьклавиатуру и мышь и к порту внеш­него хаба, но с точки зрения повышениянадежности системные устройства вво­да лучше связывать наиболее коротким (поколичеству кабелей, разъемов и промежуточных устройств) путем. Неудачнойконфигурацией было бы подклю­чение принтера (сканера) к хабу USB 1.1 — во время работы саудиоустройствами (если они высокого качества) скорость печати (сканирования)будет падать. Неработоспособной конфигурацией явилось бы подключение телека­мерык порту хаба USB 1.1.

Рис. 3. Примерконфигурации соединений
При планировании соединений следует учитывать способпитания устройств: устройства, питающиеся от шины, как правило, подключают кхабам, питающимся от сети. К хабам, питающимся от шины, подключают лишьмаломощные устрой­ства — так, к клавиатуре USB,содержащей внутри себя хаб, подключают мышь USB и другие устройства-указатели(трекбол, планшет).
2. Модель  ипротокол передачи данных

Каждое устройство на шине USB (их может быть до 127) при подключении ав­томатически получаетсвой уникальный адрес. Логически устройство представ­ляет собой наборнезависимых конечных точек (endpoint), с которыми хост-кон­троллер(и клиентское ПО) обменивается информацией. Каждая конечная точка имеет свойномер и описывается следующими параметрами:
·                   требуемая частота доступа к шине и допустимые задержки обслуживания;
·                   требуемая полоса пропускания канала;
·                   требования к обработке ошибок;
·                   максимальные размеры передаваемых и принимаемых пакетов;
·                   тип передачи;
·                   направление передачи (для передач массивов и изохронного обмена).
Каждое устройство обязательно имеет конечную точку сномером 0, исполь­зуемую для инициализации, общего управления и опроса егосостояния. Эта точка всегда оказывается сконфигурированной при включениипитания и подключе­нии устройства к шине. Она поддерживает передачи типа«управление».
Кроме нулевой точки устройства-функции могут иметьдополнительные точ­ки, реализующие полезный обмен данными. Низкоскоростныеустройства мо­гут иметь до двух дополнительных точек, полноскоростные — до 15точек вво­да и 15 точек вывода (протокольное ограничение). Дополнительные точки(а именно они и предоставляют полезные для пользователя функции) не могут бытьиспользованы до их конфигурирования (установления согласованного с нимиканала).
Каналом(pipe) в USB называется модель передачи данных между хост-кон­троллером иконечной точкой устройства. Имеются два типа каналов:
  — потоки;
— сообщения.
Поток(stream) доставляет данные отодного конца канала к дру­гому, он всегда однонаправленный. Один и тот же номерконечной точки может использоваться для двух поточных каналов — ввода и вывода.Поток может реа­лизовывать следующие типы обмена:
-передача массивов;
— изохронный;
преры­вания.
 Сообщения(message)имеют формат, определенный спецификацией USB. Хост посылает запрос к конечнойточке, после которого передается (принимает­ся) пакет сообщения, за которымследует пакет с информацией состояния ко­нечной точки. Последующее сообщениенормально не может быть послано до обработки предыдущего, но при отработкеошибок возможен сброс не обслужен­ных сообщений. Двусторонний обмен,сообщениями адресуется к одной и той же конечной точке.
С каналами связаны характеристики, соответствующиеконечной точке (по­лоса пропускания, тип сервиса, размер буфера и т. п.).Каналы организуются при конфигурировании устройств USB. Для каждого включенного устройства суще­ствует канал сообщений(ControlPipe0), покоторому передается информация конфигурирования, управления и состояния.
 Протокол. Все обмены (транзакции) сустройствами USB состоят из двух-трех пакетов. Каж­дая транзакцияпланируется и начинается по инициативе контроллера, который посылает пакет-маркер (token packet). Он описывает тип и направлениепереда­чи, адрес устройства USB и номерконечной точки. В каждой транзакции возмо­жен обмен только между адресуемымустройством (его конечной точкой) и хос­том.
Адресуемоемаркером устройство распознает свой адрес и готовится к обме­ну. Источникданных (определенный маркером) передает пакет данных (или уве­домлениеоб отсутствии данных, предназначенных для передачи). После успешно­го приемапакета приемник данных посылает пакет квитирования (handshake packet). Последовательность пакетов втранзакциях иллюстрирует рис. 4.

Рис.4. Последовательности пакетов
Хост-контроллер организует обмены с устройствамисогласно своему плану распределения ресурсов. Контроллер циклически (с периодом1,0 ± 0,0005 мс) формирует кадры (frames),в которые укладываются всезапланированные тран­закции (рис. 4). Каждый кадр начинается с посылки маркера SOP(StartOfFrame),который является синхронизирующим сигналом для всех устройств, включая хабы.
 В концекаждого кадра выделяется интервал времениEOF(EndOfFrame), навремя которого хабы запрещают передачу по направлению к контрол­леру. В режиме HSпакеты SOFпередаются в начале каждогомикрокадра(период 125 ± 0,0625 мкс). Хост планирует загрузку кадров так, чтобы в нихвсегда нахо­дилось место для транзакций управления и прерывания. Свободноевремя кад­ров может заполняться передачами массивов (bulktransfers).В каждом (микро­кадре)может быть выполнено несколько транзакций, их допустимое число зави­сит отдлины поля данных каждой из них.

Рис.5 Потоккадров USB
Для обнаружения ошибок передачи каждый пакет имеетконтрольные поля CRC-кодов,позволяющие обнаруживать все одиночные и двойные битовые ошиб­ки. Аппаратныесредства обнаруживают ошибки передачи, а контроллер автоматически производиттрехкратную попытку передачи. Если повторы безуспешны, сообщение об ошибкепередается клиентскому ПО.
Все подробности организации транзакций изолируютсяот клиентского ПО контроллером USB иего системным программным обеспечением.
Лекция 14. USB- порт



Рис. 1. Коннекторы USB: a —вилка типа «А»; б— вилка типа «В»
 

а


  б                                           в
Рис.2. Гнезда USB: а— типа «А»; б— типа «В»;
в— символическое обозначение
Таблица 1. Назначение выводов разъема USB
Контакт
Цепь
1
Vbus
2
D-
3
D+.
4
GND

Рис. 3. Примерконфигурации соединений

Рис.4. Последовательностипакетов

Рис.5 Потоккадров USB