Тема 15 Последовательная шина USB (Universal Serial Bus)

1996г – USB 1.0

1998г - USB 1.1

2000г - USB 2.0

Универсальная последовательная шина – промышленный стандарт расширения архитектуры ПК.

Она ориентирована на интеграцию с телефонией и устройством бытовой электроники.

Структура и взаимодействие системы USB

Особенности архитектуры шины:

1. предоставляет возможность легко расширять количество подключаемых ПУ

2. реализует различные виды обмена информацией

3. интерфейс стандартизован, что способствует быстрому внедрению

4. допускает динамическое подключение и отключение ПУ

5. обеспечивает самоконфигурирование, автоматическое распознавание подключаемых и отключаемых ПУ и связь с необходимыми драйверами

6. простота кабельных соединений

Максимальное кол-во подключ. ПУ – 127!

Взаимодействие

Обмен данными осуществляется между хост-комп. и ПУ, при этом контроллер USB распределяет пропускную способность шины и реализуется с помощью посылки специальных маркеров.

Хост-контроллер также отслеживает подключение, конфигурирование, работу и отключение устройств.

Устройства USB могут быть хабами или функциями. Хаб обеспечивает дополнительные точки подключения к шине USB. Устройства-функции – функции, которые реализует ПУ. Физическое соединение устройств осуществляется по топологии «многоярусная звезда»

На вершине – хост-контроллер или корневой хаб.

 

 

 

Контроллер USB – корневой хаб – входит в состав чип-сетов всех современных системных плат и имеет 2 точки подключения.

Функции-устройства, которые могут передавать либо принимать инфо- должны поддерживать интерфейс USB.

Каждое ПУ должно по запросу хост-контроллера выдавать конфигурационную инфо-, которая содержит сведения о возможности данного ус-ва и требования к ресурсам.

По этим данным хост выделяет ус-ву полосу в канале.

Хаб – кабельный концентратор, точки подключения которого являются портами.

В функции хаба входит:

- распознавать подкл/отключ ус-ва,

- управление питанием

С точки зрения взаимодейств. устройств система USB разделяется на 3 уровня с определенными правилами взаимодействия между этими уровнями.

 

 

хост физич. ус-во

 

уровень

Client SW

Function

USB Bus Interface

функций

USB Logical Device

USB System SW

уровень

ус-ва USB

USB Host Controller

уровень

интерфейса

шины USB

 

В соответствии с рисунком ус-во USB делится на 3 части: интерфейс, ус-во, функц. часть.

Аналогично делится хост. Каждая часть отвечает за определенную часть задач.

Физический интерфейс

Интерфейс USB, как и любой другой интерфейс, реализует 3 вида совместимости: информационную, электрическую, конструктивную.

Для передачи инфо- используется 4хпроводный кабель.

Непосредственно на кабеле и разъемах используется логотип.

Из 4х 2 используются для питания, 2 – для передачи инфо-.

Для передачи сигнала используется как дифференциальный способ, так и линейный.

Шина USB 1.0 имеет 2 скорости передачи:

- полная 12 Мбит/с

- низкая 1.5 Мбит/с

В зависимости от скорости обмена предъявляются требования к длине кабеля и волновому сопротивлению.

Стандартом предусмотрено 3 вида разъема:

1. для подключения к хабам (кабель не отсоединяется)

2. на устройствах, где кабель отсоединяется (принтер, сканер)

3. модифицированный разъем

 

Контакт	Цепь
	Питание Vcc
	Инфо -Data
	Инфо +Data
	Земля Ground

 

Основные параметры USB 1.0

Название	Значение
1. Скорость обмена	высокая 12 Мбит/с
2. Длина кабеля	высокая скорость – до 5м, низкая до 3м
3. Кол-во устройств
4. Напряжение питания	5В
5. Макс. потребляемый ток	500 мА

 

Тема 16 Особенности использования USB, обмен инфо-

В отличие от др. шин расширения USB взаимодействует со всеми приложениями только через программный интерфейс.

Этот интерфейс предоставляется системным ПО контроллера USB.

 

Организация обмена инфо-

Модель передачи данных

С точки зрения передачи данных логически каждое ус-во представляетсобой набор независимых конечных точек.

Свойства:

1. требуемая частота доступа к шине и задержки обслуживания

2. номер точки

3. требования к обработке ошибок

4. тип обмена

5. макс. размеры передаваемых и принимаемых сообщений

6. направление обмена

Каждое ус-во имеет конечную точку с своим номером.

Этот номер исп. контроллером для инициализации общего управления ус-ва и опроса общего состояния.

Устройства-функции могут иметь дополнительные точки, кроме нулевой, которые реализуют обмен.

Канал – модель передачи данных.

Различают 2 типа:

- потоки

-сообщения

Поток доставляет данные от одного конца канала к др.

Одна и та же конечная точка может использоваться как для ввода, так и для вывода.

Сообщение имеет формат, который определяется стандартом USB.

Порядок обмена сообщениями:

1. хост посылает запрос конечной точке

2. прием или передача пакета сообщений

3. после этого передается пакет с инфо- о состоянии конечной точки

4. обработка принятого сообщения

Типы передаваемых данных

Архитектурой предусмотрено 4 базовых типа передачи данных:

- управляющие посылки

- передача массивов

- прерывания

- изохромные передачи

Управляющие посылки исп. для конфигурирования во время подключения ус-ва, а также для управления ус-вом в процессе работы.

Передача массивов исп. для передачи больших пакетов без жесткой привязки по времени доставки. Низкий приоритет и работает на макс. скорости

Прерывания – короткие передачи типа вводимых символов или коротких координат. Время обслуживания ограничивается от 1 до 255 мс

Изохромные передачи – непрерывные передачи в реальномвремени. Занимает часть пропускной способности и имеет заданную задержку доставки.

Протокол и форматы пакетов

Все передаваемые данные по шине USB включают 3 пакета:

 

 

подтверждение квитирования

данные

маркер

Вывод

уст-во ждет хост ждет

Ввод

подтверждение квитирования

данные

маркер

 

хост ждет уст-во ждет

Передача планируется и реализуется контроллером.

Контроллер посылает маркер. В этом пакете содержится тип и направление передачи, адрес уст-ва, номер конечной точки.

Ус-во, получив маркер, дешифрирует его и готовится к обмену.

После этого происходит передача данных или передается то, что данные отсутствуют.

Если маркер отвергнут, то повторно они передаются в свободное для шины время.

При каждой передаче осущ. контроль на предмет ошибок.

Для этого пакет имеет контрольные поля.

CRC коды позволяют обнаружить одиночные и двойные ошибки. В случае обнаружения производится 3х-кратная передача.

Если ошибка не устраняется, то инфо- передается клиентскому АО для принятия мер.

Передача проводится байтами, начиная с младшего.

Каждый кадр имеет начало SOF (start of frame). Маркер состоит из 7битного адресного поля, затем следует адрес функции, 4х битное значение конечной тчки.

Заканчивается EOF.

Кадры формируются цикличеки. В цикл вкладываются все запланированные транзакции.

Загрузка кадрами планируется так, чтобы между ними было место для передач типа управление или прерывания.

Оставшееся свободное место используется для передачи массивов.

Модификации USB

USB 1.1 – 1998г

USB 2.0 – 2000г

имел 3 скорости: 10-1500 кбит/с, 0ю5-12 Мбит/с, 25-480 Мбит/с

USB 3.0 – 2008 г скорость 4.8 Гбит/с