Характеристики стандартных разновидностей SCSI

Интерфейс SCSI

 

Шина SCSI

Системный интерфейс малых компьютеров SCSI (Small Computer System Interface, произносится "скази") был стандартизован ANSI в 1986 году (Х3.131-1986). Интерфейс предназначен для соединения устройств различных классов - памяти прямого и последовательного доступа, CD-ROM, оптических дисков, устройств автоматической смены носителей информации, принтеров, сканеров, коммуникационных устройств и процессоров.

Устройством SCSI Device - называется как хост-адаптер, связывающий шину SCSI с какой-либо внутренней шиной компьютера, так и контроллер целевого устройства - target controller, с помощью которого оно подключается к шине SCSI.

С точки зрения шины все устройства могут быть равноправными и являться как инициаторами обмена (инициализирующими устройствами, ИУ), так и целевыми устройствами (ЦУ), однако чаще всего в роли ИУ выступает хост-адаптер. К одному контроллеру может подключаться несколько ПУ, по отношению к которым контроллер может быть как внутренним, так и внешним. Широкое распространение получили ПУ со встроенным контроллером SCSI, к которым относятся накопители на жестких магнитных дисках, CD-ROM, стримеры. Каждое целевое устройство (ЦУ) может содержать до 8 независимо адресуемых логических устройств со своими номерами LUN (Logical Unit Number),представляющими ПУ или их части.

По физической реализации интерфейс является 8-битной параллельной шиной с тактовой частотой 5 МГц. Скорость передачи данных достигает 5 Мбайт/сек. Впоследствии появилась спецификация - SCSI-2 (Х3.131-1994), расширяющая возможности шины. Тактовая частота шины Fast (быстрый) SCSI-2 достигает 10 МГц, a Ultra SCSI-2 - 20 МГц. Разрядность данных может быть увеличена до 16 бит - эта версия называется Wide (широкий) SCSI-2, а 8-битную версию стали называть Narrow (узкий), 16-битная шина допускает 16 устройств.

Спецификация SCSI-2 определяет систему команд, включающую набор базовых команд, обязательных для всех ПУ, и специфических команд для ПУ различных классов.

Стандарт полностью описывает протокол взаимодействия устройств, включая структурную организацию передаваемой информации. Поддержка устройствами исполнения цепочек команд (до 256 команд) и независимость их работы друг от друга обусловливают высокую эффективность применения SCSI в многозадачных системах. Возможность присутствия на шине более одного контроллера (инициатора обмена) позволяет обеспечить разделяемое использование периферии несколькими компьютерами, подключенными к одной шине.

SCSI-3 - дальнейшее развитие стандарта, направленное на увеличение количества подключаемых устройств, расширение системы команд и поддержку Plug and Play. В качестве альтернативы параллельному интерфейсу SPI (SCSI-3 Parallel Interface) появляется возможность применения последовательного, в том числе волоконно-оптического, интерфейса со скоростью 100 Мбайт/с. SCSI-3 существует в виде широкого спектра документов, определяющих отдельные аспекты интерфейса. Архитектурная модель SAM (SCSI-3 Architecture Model): Первичный набор общих команд SCP (SCSI-3 Primary Commands) для устройств различных классов дополняется набором команд соответствующего класса устройств:

· SBC (SCSI-3 Block Commands) - для устройств памяти прямого доступа,

· SSC (SCSI-3 Stream Commands) - для устройств памяти последовательного доступа,

· SGC (SCSI-3 Graphic Commands) - для принтеров и сканеров,

· SMC (SCSI-3 Medium Changer Commands) - для устройств смены носителей,

· SCC (SCSI-3 Controller Commands) - для хост-контроллеров.

 

В настоящее время наибольшее распространение имеют устройства SCSI-2. На ее примере разберем работу интерфейса, а особенности других версий отметим отдельно. Для наглядности различные варианты стандарта SCSI сведены в таблицу 4.

 

 

Таблица 4.

SE LVD HVD

 

Существует три стандарта электрической организации параллельного интерфейса SCSI:

SE (англ. single-ended) — асимметричный SCSI, для передачи каждого сигнала используется отдельный проводник.

LVD (англ. low-voltage-differential) — интерфейс дифференциальной шины низкого напряжения, сигналы положительной и отрицательной полярности идут по разным физическим проводам — витой паре. На один сигнал приходится по одной витой паре проводников. Используемое напряжение при передаче сигналов ±1,8 В.

HVD (англ. high-voltage-differential) — интерфейс дифференциальной шины высокого напряжения, отличается от LVD повышенным напряжением и специальными приёмопередатчиками.

 

Описание сигналов

Физический интерфейс

Физически SCSI представляет собой шину, состоящую из 25 сигнальных цепей. Для защиты от помех каждая сигнальная цепь имеет свой отдельный обратный провод. На применяемых двухрядных разъемах контакты сигнальных и обратных цепей располагаются друг против друга. Это позволяет применять в качестве кабелей, как витые пары проводов, так и плоские шлейфы, где сигнальные и обратные провода чередуются. По типу сигналов различают линейные (Single Ended) и дифференциальные (Differential) версии SCSI. Их кабели и разъемы идентичны, но электрической совместимости устройств нет.

Дифференциальная (Differential) версия для каждой цепи задействует пару проводников, по которым передается парафазный сигнал. Здесь используются специальные дифференциальные приемопередатчики, что позволяет значительно увеличить длину кабеля, сохраняя частоту обмена.

Традиционный дифференциальный интерфейс получил название "высоковольтный" - High Voltage Differential (HVD), поскольку в SCSI-3 ему появилась низковольтная альтернатива - Low Voltage Differential (LVD).

В широко используемой линейной версии каждый сигнал передается потенциалом с ТТЛ - уровнями относительно общего провода. Здесь общий (обратный) провод для каждого сигнала тоже должен быть отдельным.

Новые устройства с интерфейсом LVD могут работать на шине вместе с устройствами с линейным интерфейсом - для этого их буферные схемы содержат автоматический определитель типа интерфейса. Однако совместимость относится только к LVD - традиционные устройства с HVD могут работать только с подобными себе устройствами.

Сигналы сведены в таблицу 5. Для всех сигналов активному состоянию и логической единице соответствует низкий потенциал.

На концах кабельных шлейфов обязательно устанавливаются терминаторы, согласованные с кабелем. Они предназначены для "подтягивания" уровня сигналов линий к высокому потенциалу. Терминаторы служат и для предотвращения отражения сигналов от концов кабеля.

По исполнению терминаторы могут быть внутренние (размещенные на печатной плате устройства) и внешние (устанавливаемые на разъемы кабеля или устройства).

 

Таблица 5. Сигналы SCSI

 

Сигнал	Назначение
BSY#	Busy - шина занята
SEL#	Select - выбор ЦУ инициатором (Select) или инициатора ЦУ (Reselect)
C/D#	Control/Data - управление (низкий уровень) / данные (высокий уровень)
I/0#	Input/Output -направление передачи относительно ИУ: вводу в ИУ соответствует низкий уровень. Используется для различия прямой (Select) и обратной (Reselect) выборки: фазе Selection соответствует низкий уровень
MSG#	Message - передача сообщения
DB[0:31]#	Data Bus - инверсная шина данных
DP[0:3]#	Data Parity - инверсные биты паритета, дополняют количество единичных бит байта до нечетного. DP0# относится к DB[0:7],... DP3# - к DВ[24:31]. В фазе арбитража не действуют
TERMPWR	Terminator Power - питание терминаторов
ATN#	Attention - внимание
REQ#	Request - запрос от ЦУ на пересылку данных
ACK#	Acknowledge - подтверждение передачи (ответ на REQ#)
RST#	Reset-сброс

 

Каждое устройство SCSI, подключенное к шине, должно иметь свой уникальный адрес, назначаемый при конфигурировании. Для 8-битной шины диапазон значений адреса 0-7, для 16-битной - 0-15. Адрес задается предварительной установкой переключателей или джамперов. Для хост - адаптеров возможно программное конфигурирование.

Адресация устройств на шине в фазах выборки осуществляется через идентификатор SCSI ID, представляющий адрес в позиционном коде.

Адрес определяет номер линии шины данных, которой осуществляется выборка данного устройства.

Для ИУ значение идентификатора определяет приоритет устройства при использовании шины, наибольший приоритет имеет устройство с большим значением адреса.

Адрес и идентификатор - всего лишь две различные формы представления одного и того же параметра.

В любой момент обмен информацией по шине может происходить только между парой устройств. Операцию начинает ИУ, а ЦУ ее исполняет. ИУ выбирает ЦУ по его идентификатору. Чаще всего роли устройств фиксированы: хост-адаптер является инициатором (ИУ), а ПУ - целевым (ЦУ). Возможны комбинированные устройства, выступающие в роли и ИУ, и ЦУ. В ряде случаев роли устройств меняются: ЦУ может, пройдя фазу арбитража, выполнить обратную выборку (Reselect) ИУ для продолжения прерванной операции. При выполнении команды копирования (Copy) ИУ дает указание ведущему устройству копирования (Copy Master) на обмен данными, который может производиться и с другим целевыми устройствами (для которых ведущее устройство копирования выступит в роли ИУ).

Информация по шине данных передается побайтно асинхронно, используя механизмы запросов (REQuest) и подтверждений (ACKnowledge). Каждый байт контролируется на нечетность (кроме фазы арбитража), но контроль может быть отключен. Интерфейс имеет возможность синхронной передачи данных, ускоряющей обмен.

Управление интерфейсом

Для управления интерфейсом служит система сообщений - Message System, которыми обмениваются ИУ и ЦУ. В одной фазе может передаваться несколько сообщений. Одно сообщение не может расщепляться на несколько фаз. Форматы сообщений стандартизованы; каждое сообщение начинается с кода. Существуют однобайтные, двухбайтные и расширенные сообщения. В двухбайтном сообщении второй байт является аргументом сообщения. В расширенных сообщениях второй байт задает длину, а последующие байты несут код и аргументы сообщения. В SCSI-2 для установления связи процесса с конкретным логическим устройством или с конкретной целевой программой, а также предоставления права разрыва соединения служат сообщения Identify.

Каждый процесс может быть адресован только одному устройству или программе. Если ЦУ во время выполнения процесса обнаружит сообщение с иным адресом связи, оно обязано освободить шину (ситуация неожиданного разрыва). ИУ наделяет ЦУ правом разрыва соединения.

ИУ может проинструктировать ЦУ на разрыв соединения, послав ему сообщение Disconnect.

Получив сообщение, ЦУ посылает одноименное сообщение (предварительно ЦУ может потребовать сохранения указателя данных, послав сообщение Save Data Pointer) и освобождает шину.

С помощью сообщений согласуются параметры синхронного режима и разрядность данных. Устройство, запрашивающее синхронный обмен, посылает сообщение Synchronous Data Transfer Request с указанием допустимого периода цикла и отставания. Если другой участник обмена поддерживает синхронный режим, он предложит свои параметры. Согласованными параметрами будут максимальный период и минимальное отставание (нулевое отставание эквивалентно асинхронному режиму). Выбранный режим будет относиться только к фазам передачи между данной парой устройств. Отвергнутое сообщение является требованием асинхронного режима.

Адресация и система команд

Любое устройство SCSI на шине адресуется идентификатором SCSI ID, соответствующим заданному уникальному адресу. В ЦУ может быть определено до 8 ЛУ со своими номерами LUN (Logical Unit Number) в диапазоне 0-7. Понятие LUN неприменимо к ИУ, но SCSI-устройство двойного назначения может иметь ЛУ.

Система команд и сообщений позволяет адресовать как ЦУ в целом, так и любое его ЛУ. В ЦУ может быть определено до 8 целевых программ TRN (Target Routine), которые не имеют непосредственной привязки к ЛУ. Целевые программы появились в SCSI-2, их адресация также производится через сообщения.

Система команд SCSI включает общие команды, применимые для устройств всех классов, и специфические для каждого класса. Как общие, так и специфические наборы команд содержат обязательные (Mandatory), дополнительные (Optional) и фирменные (Vendor Specific) команды.

Любое SCSI-устройство должно поддерживать обязательные команды общего набора и своего класса, чем обеспечивается высокий уровень совместимости. Команда передается ИУ в ЦУ через блок дескриптора команды Command Descriptor Block, посылаемый в фазе Command.

Некоторые команды сопровождаются блоком параметров, следующим за блоком дескриптора в фазе Data. Форматы блоков стандартизованы, длина блока определяется кодом операции Operation Code, который всегда является первым байтом блока и может составлять 6, 10 или 12 байт.

Типы ПУ

Каждое ЛУ может представлять одно или несколько однотипных периферийных устройств (ПУ), перечень их стандартизованных типов приведен в таблице 6. Сложное устройство может представляться несколькими ЛУ SCSI. По характеру обмена данных устройства разделяются на 2 класса - блочные (Block Device) с типами 0, 4, 5, 7 и поточные (Stream Device) с типами 1,2,3,9.

 

Таблица 6. Типы ПУ SCSI

Код типа	Назначение
00 h	Устройства прямого доступа (накопители на дисках)
01 h	Устройства последовательного доступа (стримеры)
02 h	Принтеры
03 h	Процессоры (устройства обработки данных)
04 h	Устройства однократной записи (некоторые оптические диски)
05 h	CD-ROM device - приводы CD-ROM
06 h	Сканеры
07 h	Устройства оптической памяти
08 h	Устройства смены носителей
09 h	Коммуникационные устройства
0A h - 0B h	Устройства класса ASC IТ8 - высококачественные устройства печати
0C h	Контроллеры массивов накопителей
0D h – 1 E h	Зарезервировано
1F h	Неизвестный тип или устройство отсутствует

Устройства прямого доступа позволяют сохранять блоки данных. Каждый блок хранится по уникальному логическому адресу LBA - Logical Block Address.

Взаимное расположение логических блоков на носителе не регламентируется. Адрес первого логического блока - нулевой, последнего - (n - 1), где n - общее число блоков.

Блоки данных хранятся на носителе вместе с дополнительной информацией, используемой контроллером для управления чтением и записью, а также обеспечения надежности хранения данных.

Для каждого блока может быть установлена своя длина, но чаще используют единую длину блока для всего носителя. Группа смежных блоков одинаковой длины называется экстентом.

Носитель может быть разделен на области, одна из которых используется для хранения блоков данных, другая резервируется для замены дефектных блоков, часть носителя может использоваться контроллером для обслуживания устройства. Дефектные блоки области данных могут быть переназначены на другую область носителя, что позволяет их скрыть.

Носитель может быть фиксированным и сменяемым. Сменяемый носитель в картридже называют томом (Volume). Для чтения/записи том должен быть смонтирован.

Типичный пример устройства прямого доступа - накопитель на диске. Устройства прямого доступа могут не иметь подвижных носителей, а быть основаны на памяти разной природы: SRAM, DRAM, флэш-память.

Принтеры, подключаемые через интерфейс SCSI, не требуют особых команд для управления, поскольку эти функции реализуются через поток передаваемых данных. Однако двунаправленная связь по шине позволяет ввести дополнительные команды, служащие для отслеживания состояния принтеров с буферной памятью, и обеспечить целостность заданий. Принтеры могут иметь встроенный контроллер SCSI или подключаться к внешнему контроллеру по интерфейсу Centronics или RS-232. Параметры подключения определяются командой MODE SELECT.

Процессорными устройствами в терминологии SCSI являются источники и потребители пакетов информации, трактовка которой стандартом не определена.

Примерами процессорных устройств являются компьютеры, обменивающиеся сообщениями односторонним или двухсторонним образом.

Процессорным устройством является и какое-либо сложное устройство отображения (графический дисплей), которое занято выводом потока сообщений.

От коммуникационных устройств - процессорные отличаются тем, что они являются источниками или потребителями информации, в то время как коммуникационные служат лишь посредниками.

Устройства однократной записи, обычно оптические, отличаются невозможностью перезаписи ранее записанного блока. Попытка повторной записи в зависимости от реализации устройства может приводить к потере записанных данных. Каждый блок имеет состояние "записан" или "не записан", инициализация (форматирование) не применяется.

Сканеры передают данные, описывающие растровое изображение сканируемого объекта. Команды позволяют задавать окна сканирования, определяя в них режим и разрешение. Для некоторых функций требуется посылка данных в сканер (например, полутоновые маски). Для сканеров с автоподачей имеются команды позиционирования.

Устройства оптической памяти близки к устройствам прямого доступа со сменными носителями, но имеют ряд характерных особенностей. Большая емкость носителя вызывает необходимость применения команд с 12-байтным дескриптором. Устройства могут обеспечивать считывание, однократную или многократную запись. На носителе могут быть определены зоны, недоступные для записи. Блоки носителя имеют состояние "чистый" и "записанный", что отмечается соответствующим атрибутом. Для устройств многократной записи перед повторной записью блока необходимо его стереть. Стирание может выполняться специальной командой или автоматически по команде записи. В записи фаза стирания может отсутствовать. К этим устройствам применимо понятие обновления логического блока - запись новых данных по тому же адресу логического блока, но на другое место носителя. Прежние данные могут быть считаны специальной командой, указывающей кроме логического адреса блока и его поколение. Емкость носителя в таком случае сообщается без учета множества поколений.

 

Коммуникационные устройства предназначены для обмена информацией с устройствами через внешнюю среду передачи данных. Внешние протоколы стандартом SCSI не описываются: вся необходимая для них информация заключена в сообщениях, передаваемых и принимаемых ИУ по командам SEND MESSAGE и GET MESSAGE.

 

Интерфейс USB

 

Общая информация

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) - стандарт последовательного соединения, предложенный фирмой Intel совместно с фирмами IBM, Microsoft, NEC. Первая версия спецификации на шину появилась 11 ноября 1994 г. С 2007 г. основной считается версия USB-3. С середины 1996 года выпускаются PC со встроенным контроллером USB, реализуемые чипсетами.

Создание USB было продиктовано тремя факторами:

§ Интеграция PC и телефонии

Признано, что симбиоз вычислительной техники и связи - основа развития информационных технологий и следующего поколения приложений. Возникает потребность в создании универсального, качественного, дешевого, имеющего хорошую масштабируемость канала передачи данных. USB обеспечивает связь, которая может использоваться в широком диапазоне коммуникации PC и телефонной связи.

§ Лёгкость использования

По мере увеличения сложности вычислительных систем и ростом их характеристик - гибкость конфигурирования PC стала «узким местом» дальнейшего развития. Комбинация дружественных графических интерфейсов и аппаратных средств ЭВМ с механизмами программной настройки шин нового поколения сделали компьютеры более простыми и понятными для пользователя. Однако, устройства ввода/вывода: последовательные и параллельные порты, клавиатуры, мыши, джойстики и т.д., не имели атрибутов автоматического конфигурирования – «Plug -and- Play».

§ Увеличение количества портов

Число внешних периферийных устройств PC ограничивается количеством свободных портов. Недостаток двунаправленных дешевых среднескоростных внешних шин сдерживал увеличение количества устройств типа телефон/факс/модем, автоответчиков, сканеров, клавиатур и т.д. Новый интерфейс был разработан, в том числе, чтобы увеличить число портов PC.

 

 

Архитектура USB определяется следующими критериями:

§ Легко реализуемое расширение периферии PC.

§ Дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Мбит/сек.

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

§ Гибкость протокола смешанной передачи данных и сообщений.

§ Интеграция с внешними устройствами.

§ Доступность в PC всех конфигураций и размеров.

§ Создание новых классов внешних устройств PC.

§ И как следствие перечисленного выше, обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок, потеснить и в перспективе вытеснить другие интерфейсы.

 

С точки зрения конечного пользователя, привлекательны следующие черты USB.

 

Удобное конфигурирование:

§ Простота кабельной системы и подключений.

§ Скрытие подробностей электрического подключения от конечного пользователя.

§ Автоматическая связь устройств с драйверами и конфигурирование.

§ Возможность динамического подключения и конфигурирования ПУ.

 

Широкий диапазон рабочих нагрузок и прикладных программ:

§ Скорость обмена данными в пределах от нескольких кбит/c до 12 Мб/сек для разных устройств.

§ Поддержка работы многих устройств в параллельном режиме (до 127 устройств).

§ Работа с многофункциональным периферийным оборудованием.

 

 

Обзор архитектурыch2

Приведем краткий обзор архитектуры USB и ключевых концепций, реализованных в шине. USB обеспечивает одновременный обмен данными между главным (хост) компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Распределение пропускной способности шины между ПУ планируется хостом и реализуется им с помощь посылки маркеров. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

Структура системы USB

Шина USB может быть описана с помощью трёх составляющих:

§ USB коммутация (interconnect);

§ USB устройства (devices);

§ USB хост (host).

Коммутация USB - способ, которым USB устройства связаны с хостом. Под этим понятием подразумевается следующее:

§ Топология шины: способ организации физических связей между USB устройствами и хостом;

§ Межуровневые зависимости: USB задачи, которые выполняет каждый уровень в системе;

§ Модели потока данных: способ, которым данные перемещаются в системе посредством USB между источником и приёмником информации;

§ Планирование: USB предоставляет коммуникации (каналы связи), совместно используемые устройствами. Доступ к каналам планируется так, чтобы поддерживать изохронную передачу данных и снизить затраты на арбитраж.

Напомним, что изохронная передача это передача данных, применяемая для обмена информацией в "реальном времени". На каждом временном интервале требуется передавать строго определенное количество данных, но доставка информации не гарантирована (передача ведется без повторения при сбоях, допускается потеря пакетов). Такие передачи занимают предварительно согласованную часть пропускной способности шины и имеют заданную задержку доставки. Изохронные передачи обычно используются в мультимедийных устройствах для аудио и видеоданных, например, цифровая передача голоса.

Топология шины

Физическое соединение устройств осуществляется по топологии многоярусной звезды (пирамиды) (рис. 4)pic>frame@img/21.hlp.

Центром каждой звезды является хаб. Каждый кабельный сегмент соединяет две точки — хаб и другой хаб.

В системе имеется один (и только один) хост-контроллер, расположенный в вершине пирамиды устройств и хабов. Хост-контроллер интегрируется с корневым концентратором - хабом (Root Hub), обеспечивающим одну или несколько точек подключения — портов. Контроллер USB, входящий в состав чипсетов, обычно имеет встроенный двух портовый хаб. Логически устройство, подключенное к любому хабу USB и сконфигурированное, может рассматриваться как непосредственно подключенное к головному (хост) контроллеру.

 

Рис. 4. Т опология многоярусной звезды (пирамиды)

Устройства USB

Устройства (Device) USB могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Хаб (Hub) - концентратор обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине.

Функции USB предоставляют системе дополнительные возможности, например подключение цифрового джойстика, акустических колонок с цифровым интерфейсом и т.п. Подключаемое устройство должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство.

Хаб (концентратор) — ключевой элемент системы PnP в архитектуре USB. Хаб является кабельным концентратором, поэтому в русскоязычной литературе часто используется именно термин концентратор. На рис. 5 pic>frame@img/22.hlpпредставлен хаб типичной архитектуры. Точки подключения называются портами хаба.

Рис. 5. Хаб типичной архитектуры

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), 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.

На рис. 6 pic>frame@img/23.hlpпоказано, как хабы обеспечивают связность различных устройств в компьютерной системе.

Рис. 6. Связностьустройств в компьютерной системе

Функция

Функции представляют собой устройства, способные передавать или принимать данные или управляющую информацию по шине. Это отдельные ПУ с кабелем, подключаемым к порту хаба. В одном корпусе может быть несколько функций со встроенным хабом. Он обеспечивает их подключение к одному порту. Эти комбинированные устройства для хоста являются хабами с постоянно подключенными устройствами. 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 9 (рис. 6):

§ Указатели — мышь, планшет, световое перо.

§ Устройства ввода — клавиатура или сканер.

§ Устройство вывода — принтер, звуковые колонки (цифровые).

§ Телефонный адаптер.

Физический интерфейс

Стандарт USB определяет электрические и механические спецификации шины.

Электрические характеристики

Информационные сигналы и питающее напряжение 5В передаются по четырехпроводному кабелю (рис. 7)pic>frame@img/24.hlp. Используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Кабель также имеет линии VBus и GND для передачи питающего напряжения 5В к устройствам.

Рис. 7. Четырехпроводной кабель

Шина имеет два режима передачи:

· полная скорость передачи сигналов USB составляет - 12 Мбит/сек;

· низкая скорость - 1,5 Мбит/сек.

Для полной скорости используется экранированная витая пара с волновым сопротивлением 90 Ом и длиной сегмента до 5 м, для низкой скорости – не витой неэкранированный 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 устройств, не требующих высокой скорости. Скорость, используемая устройством, подключенным к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов на линиях D+ и D-.

Питание устройств USB возможно от кабеля (Bus - Powered Devices) или от собственного блока питания (Self - Powered Devices). Хост обеспечивает питанием непосредственно подключенное к нему ПУ. Каждый хаб, в свою очередь, обеспечивает питание устройств, подключенных к его нисходящим портам. В некоторых вариантах топологий допускается применение хабов, питающихся от шины.

Механические характеристики

В системе USB используются два типа разъёмов. Разъемы типа “А” (рис. 8 pic>frame@img/25.hlp) применяются для подключения к хабам (Upstream Connector). Вилки устанавливаются на кабелях, отсоединяемых от устройств (например, клавиатура, мышь и т. п.). Гнезда устанавливаются на нисходящих портах (Downstream Port) хабов. Разъемы типа “В” (Downstream Connector) (рис. 8 pic>frame@img/25.hlp) устанавливают на устройствах, от которых соединительный кабель может отсоединяться (принтеры и сканеры). Ответная часть (вилка) устанавливается на соединительном кабеле, противоположный конец которого имеет вилку чипа “А”.

 

Рис. 8. Типы разъёмов

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

 

 

Модель передачи данных

Ch3

Рис. 9. Модель передачи данных

Взаимодействие между хостом и физическим устройством можно разделить на четыре центральных области реализации функций взаимодействия:

§ физическое устройство USB;

Устройство на шине, подключаемое стандартным USB кабелем и выполняющее некоторые необходимые пользователю функции.

§ клиентское программное обеспечение (ПО); Программное обеспечение, которое выполняется на хост - компьютере и соответствует некоторому USB устройству. Это клиентское приложение обычно поставляется с операционной системой или с конкретным USB устройством.

§ системное ПО USB (USB System SW);

Программное обеспечение, которое предоставляет возможность работы с USB в конкретной операционной системе. Системное программное обеспечение USB обычно поставляется с операционной системой и не зависит от какого-либо конкретного USB устройства или клиентского ПО.

§ хост-контроллер USB (USB Host Controller);

Аппаратные и программные средства, которые позволяют USB устройствам взаимодействовать с хостом.

 

Как показано на рис. 9 pic>frame@img/32.hlpвзаимодействие между хостом и функциональным устройством требует взаимодействия между уровнями и областями реализации (другими словами необходимо использование вертикальных и горизонтальных связей, показанных на рисунке). Например, уровень интерфейса шины USB обеспечивает совместимость между хостом и устройством по физическим параметрам (разъёмы кабелей, волновое сопротивление кабелей и т.п.) и передаче сигналов (уровни сигналов, кодирование информации и т.д.).

Каналы

Каналом в USB называется модель передачи данных между хост - контроллером и конечной точкой (Endpoint) устройства. Каналы предоставляют возможность обмениваться данными между программным обеспечением на хост - контроллере и конечной точкой на устройстве.

Имеются два типа каналов:

§ потоки (Stream): данные потока неструктурированны;

§ сообщения (Message): данные, передаваемые посредством канала, имеют строго определённый формат (структуру).

Каналы организуются при конфигурировании устройств USB. Для каждого включенного устройства существует канал сообщений, связывающий нулевую конечную точку и хост-контроллер, по которому передаётся информация конфигурирования, управления и состояния.

Потоки и сообщения являются взаимно исключающимися понятиями. Канал может быть организован либо типа поток, либо типа сообщения.

Поток доставляет данные в виде пакетов без определённой структуры от одного конца канала к другому. Поток 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). Данные потока всегда НЕСТРУКТУРИРОВАНЫ.

Сообщения имеют формат, определенный спецификацией USB. Хост посылает запрос к конечной точке, после которого передаётся (принимается) пакет сообщения, за которым следует пакет с информацией состояния конечной точки. Последующее сообщение нормально не может быть послано до обработки предыдущего, но при обработке ошибок возможен сброс обслуженных 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.)

Типы передачи данных

USB поддерживает как однонаправленные, так и двунаправленные режимы связи. Архитектура USB допускает четыре базовых типа передачи данных:

§ Управляющие посылки (Control Transfers);

Используются 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);

Передача 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 Tranters);

Непрерывные передачи в реальном времени, занимающие предварительно согласованную часть пропускной способности шины и имеющие заданную задержку доставки.