Układy transmisji przewodowej. na przykładzie USB

Transkrypt

1 Układy transmisji przewodowej na przykładzie USB 1

2 Standardy 2

3 Standardy USB 1.1: Low Speed (LS) 1,5 Mb/s, Full Speed (FS)12 Mb/s USB 2.0: High Speed (HS) 480 Mb/s USB 3.0: Super Speed (SS) 5 Gb/s, dupleks Kabel USB 1.1 i USB 2.0: masa, +5V,, Kabel USB 3.0: jak wyżej, oraz Tx+, Tx-, Rx+, Rx- Max. długość kabla 5 m Dopuszczalne tłumienie kabla: 6dB dla 400 MHz Impedancja kabla: różnicowa 90Ω ± 15%, dla pojedynczej żyły względem masy 30Ω ± 30% 2

4 Topologia sieci USB Host inicjuje transmisje Host Poziom 0 Urz. Hub Poziom 1 Urz. Urz. Hub Hub Poziom 2 itd. Max. 6 poziomów (plus zerowy), max. 127 urządzeń Po każdej zmianie w sieci następuje ustalenie trybu komunikacji z największą możliwą dla danego urządzenia szybkością. W razie występowania urządzeń LS/FS i HS w tej samej sieci, pierwszy hub (licząc od dołu) działający w szybszym standardzie przekształca pakiety LS/FS w pakiety HS 3

5 Nadajnik i odbiornik USB 1.1 wejście kształt. impulsu wzm. wyjście sterowanie 90Ω + wzm. różn. wyjście wejście kształt. impulsu wzm. wyjście Dopasowanie impedancji tylko na wyjściu nadajnika - występują odbicia Poziomy napięć dla USB 1.1: H: V L: V 4

6 Nadajnik i odbiornik USB 2.0 dane ster. Układ sterujący kształt. impulsu kształt. impulsu kształt. impulsu 17,8 ma Gdy nadajnik nadaje: T1 włączony: zero (SE 0 ) na obu liniach T2 włączony: różnicowe 0 T3 włączony: różnicowa 1 Gdy nadajnik nie nadaje, wszystkie tranzystory wyłączone dla zmniejszenia poboru prądu; zero (SE 0 ) na obu liniach T1 T2 T3 90Ω wzm. + wzm. różn. wzm. wyjście wyjście wyjście Poziomy napięć dla USB 2.0: H: mv L: mv Dopasowanie impedancji na obu końcach kabla 5

7 Sygnały w kablu: USB 2.0 Sygnał różnicowy na początku i końcu kabla G. W. den Besten, The USB 2.0 Physical Layer: Standard and Implementation, w: A. van Roermund et al. (red.), Analog Circuit Design, Kluwer Academic Publishers,

8 Transmisja: kodowanie NRZI (z wykładu 1) K J K J K J J J K K K Zero: zmiana K -> J lub J -> K Jedynka: brak zmiany Po każdych sześciu bitach dodawane jest 0 ( bit stuffing ); pojawienie się siedmiu kolejnych jedynek oznacza błąd. 7

9 Transmisja: struktura pakietu Początek pakietu danych (SYNC - ta sekwencja służy także do synchronizacji zegara na obu końcach linii): Dla FS 8 bitów: , czyli J, K, J, K, J, K, J, K, K Dla HS podobnie, ale 32 bity. Dla HS 32 bity, bo przy transmisji przez kilka poziomów część bitów (max. 4 dla każdego poziomu) może się gubić. Koniec pakietu danych (EOP): Dla FS: SE 0 o czasie trwania równym dwóm bitom, potem stan J Dla HS: 8 (lub 40) stanów różnych od ostatniego stanu danych - to nie ma prawa wystąpić wewnątrz pakietu (bo bit stuffing ), więc jest trantowane jako koniec pakietu. Pakiet może zawierać do 1024 bajtów, czyli około 10 kb. 8

10 Dopuszczalne stany linii Stan HS FS LS Różnicowa 1 H L stan J stan J stan K Różnicowe 0 L H stan K stan K stan J SE 0 L L koniec pakietu/reset/ rozłączone SE 1 H H niedozwolone Przy ustalaniu szybkości transmisji dla USB 1.1 (FS czy LS?) oraz w czasie przerwy w transmisji ( idle ) jest w stanie H dla FS, a jest w stanie H dla LS Rozróżnienie między USB 1.1, a USB 2.0 jest bardziej skomplikowane. 9

11 Identyfikacja trybu transmisji (1) FS (USB1.1), HS(USB2.0) LS (USB1.1) Nadajnik HS (USB2.0) 1,5kΩ±5% Odłączalny dla HS Nadajnik HS (USB2.0) 90Ω 15kΩ±5% Rezystory 45Ω odłączone Nadajnik LS/FS (USB1.1) Host Rozróżnienie LS - FS przez miejsce podłączenia rezystora 1,5 kω; nie pozwala odróżnić FS od HS (czyli USB1.1 od USB2.0) Nadajnik LS/FS (USB1.1) Urządzenie 10

12 Identyfikacja trybu transmisji (2) LS (USB1.1) Host USB2.0 90Ω 1,5kΩ±5% Urządzenie USB1.1 LS 15kΩ±5% Identyfikacja trybu LS: 1. Przed podłączeniem urządzenia stan SE 0 (rez. 15 kω) 2. Po podłączeniu stan K (H na linii ) 3. Host wysyła do urządzenia długi (10 ms) sygnał SE 0 - reset urządzenia 11

13 Identyfikacja trybu transmisji (3) FS (USB1.1) Host USB2.0 1,5kΩ±5% 90Ω Urządzenie USB1.1 FS 15kΩ±5% Identyfikacja trybu FS: 1. Przed podłączeniem urządzenia stan SE 0 (rezystory 15 kω) 2. Po podłączeniu stan J (H na linii ) 3. Host wysyła do urządzenia długi (10 ms) sygnał SE 0 - reset urządzenia 12

14 Identyfikacja trybu transmisji (4) HS (USB2.0) Host USB2.0 1,5kΩ±5% 90Ω Urządzenie USB2.0 15kΩ±5% Identyfikacja trybu HS: 1. Przed podłączeniem urządzenia stan SE 0 (rezystory 15 kω) 2. Po podłączeniu stan J (H na linii ) 3. Host wysyła do urządzenia długi (10 ms) sygnał SE 0 i czeka 7 ms na odpowiedź (to nie koniec, ciąg dalszy nastąpi...) 13

15 Identyfikacja trybu transmisji (5) HS (USB2.0) Host USB2.0 1,5kΩ±5% 90Ω Urządzenie USB2.0 15kΩ±5% Identyfikacja trybu HS - ciąg dalszy: 4. Przed upływem 7 ms urządzenie wysyła chirp K - stan K, 800 mv 5. Po zakończeniu stanu K host włącza tryb HS i wysyła serię stanów J i K ( chirp J, chirp K ) 6. Urządzenie rozpoznaje tę sekwencję i włącza tryb HS 14

16 Identyfikacja trybu transmisji (6) HS (USB2.0) Host USB2.0 1,5kΩ±5% 90Ω Urządzenie USB2.0 15kΩ±5% Identyfikacja trybu HS - ciąg dalszy: 7. Jeśli urządzenie nie wyśle chirp K, host pozostaje w trybie FS 8. Jeśli host jest typu USB1.1, to nie wyśle sekwencji chirp J, chirp K, wtedy urządzenie pozostaje w stanie FS 15

17 Identyfikacja trybu transmisji (7) Włączenie urządzenia Host wysyła SE 0 Host wykrywa chirp K, włącza tryb HS i wysyła sekwencję K - J Jeśli nie nastąpi identyfikacja trybu HS, kończy się oczekiwanie hosta w stanie SE 0 >10 ms <7 ms 3-3,125 ms <875 µs Reset: urządzenie włącza tryb FS >1 ms Urządzenie wykrywa stan SE 0 i wysyła chirp K 100 µs Urządzenie wykrywa sekwencję K - J i włącza tryb HS 16

18 Eliminacja zakłóceń w trybie HS UO + + wyjście Idea: + Układ daje na wyjściu stan 1, sygnalizujący zakłócenie, jeśli wykryje napięcie różnicowe poniżej pewnej wartości progowej, zwykle z przedziału 100 mv mv. Kondensator na wyjściu zapewnia poprawne działanie w stanach przejściowych. 17

19 Rozłączenie Jeśli połączenie jest przerwane, należy przerwać bezużyteczne nadawanie. Przerwanie połączenia z urządzeniem USB1.1: Dopóki istnieje połączenie, w przerwie między pakietami linia jest w stanie H dla FS, a linia jest w stanie H dla LS (rezystor 1,5kΩ między linią, a ). Jeśli urządzenie zostanie odłączone, pojawia się stan SE 0, co pozwala wykryć rozłączenie. Przerwanie połączenia z urządzeniem USB2.0: Przy odłączeniu urządzenia USB2.0 odłączone zostają rezystory 45Ω dopasowujące do impedancji kabla. W rezultacie napięcie na liniach i w stanach J i K rośnie z 400 mv do 800 mv. Ten stan jest wykrywany przez układ podobny do układu wykrywania zakłóceń, ale z napięciem progu na poziomie około 600 mv. 18

20 Całość układów nadajnika/odbiornika St nadajnik HS 3,3 V Część cyfrowa St St D St nadajnik LS/FS 45Ω 45Ω odbiornik HS wykrywacz zakłoceń 1,5kΩ 1,5kΩ 90Ω St D St St St wykrywacz rozłączenia odbiornik LS/FS odbiorniki stanów SE USB1.1 i USB2.0 USB2.0 USB1.1 i USB2.0 Host USB1.1 FS i USB2.0 Urz. USB1.1 LS Urz. PLL Oscylator 45Ω 45Ω 15kΩ 15kΩ 19

21 Implementacja (1) USB1.1 nie wymaga szybkich technologii CMOS. Można zastosować praktycznie każdą technologię od 700 nm lub nowszą o napięciu dopuszczalnym 5 V. W USB2.0 występują sygnały o częstotliwościach aż do 480 MHz. Wymaga to użycia technologii CMOS 180 nm lub bardziej zaawansowanej. (CMOS 350 nm przy użyciu różnych nietrywialnych rozwiązań układowych w części cyfrowej). Napięcia dopuszczalne dla technologii poniżej 350 nm są niższe od 5 V wymaganego dla USB1.1. Możliwym rozwiązaniem jest użycie w części USB1.1 tranzystorów o dopuszczalnym napięciu 5 V (grubszy tlenek bramkowy, dłuższy kanał), które normalnie są przeznaczone tylko do układów wejścia/wyjścia. 20

22 Implementacja (2) Precyzyjne rezystory: wymagane są rezystancje o dokładności 5% i 10%. Rozwiązanie 1: rezystory zewnętrzne Rozwiązanie 2: autokalibracja (następuje podczas resetu) Idea: UO + Dekoder Rezystor wzorcowy (zewnętrzny) A/C Rezystor kalibrowany 21