Złącze USB. czyli Universal Serial Bus

Transkrypt

1 Złącze USB czyli Universal Serial Bus

2 USB

3 Topologia Struktura drzewiasta rozrastająca się z punktu początkowego, który stanowi kontroler USB (Host- Adapter), nazywany rozdzielaczem głównym Kontroler zlokalizowany zazwyczaj na płycie głównej zarządzany przez mostek południowy Symbolicznie drzewo rozbudowujemy w dół od korzenia (poziom 0) do każdego z gniazd podłączając dowolne urządzenie końcowe (NODE lub FUNCTION) lub rozdzielacz (HUB)

4 Struktura

5 Topologia - ograniczenia Dopuszczalna liczba wszystkich urządzeń 128 (wliczając rozdzielacze i kontroler) Maksymalna liczba poziomów 7 (ze względu na to, że specyfikacja USB zakłada określone czasy reakcji systemu) Liczba połączonych ze sobą rozdzielaczy 5 (wynika z powyższego) Maksymalna długość kabla łączącego rozdzielacze 5m Maksymalna odległość urządzenia od kontrolera 35m

6 Rozdzielacze (koncentratory) pasywne (USB HUB) wzmacniają sygnały magistrali pomnażają gniazda USB - dysponują jednym portem zwróconym w kierunku wyższego poziomu (upstream ports) oraz kilkoma portami ustawionymi w stronę poziomów niższych (downstream ports) nie mają własnego zasilania - dopuszczalny pobór prądu z magistrali to 500mA, maksymalne obciążenie to 2,5W

7 Rozdzielacze (koncentratory) aktywne (USB HUB) wzmacniają sygnały magistrali pomnażają gniazda USB - dysponują jednym portem zwróconym w kierunku wyższego poziomu (upstream ports) oraz kilkoma portami ustawionymi w stronę poziomów niższych (downstream ports) zaopatrują w energię urządzenia potrzebujące zasilania ponad dopuszczalny pobór prądu z magistrali

8 Działanie magistrali Kontroler inicjuje wszelkie akcje w sieci USB Kontroler USB na złączu PCI Urządzenia nie mogą rozpocząć wysyłania danych dopóki kontroler nie zapyta o potrzebę usługi nie występują kolizje Kontroler w imieniu urządzeń porozumiewa się z PC za pomocą przerwań (linie IRQ10 lub IRQ11)

9 Okablowanie klasa LS (low speed, 1.5Mb/s) prosty czterożyłowy kabel nieekranowany o maksymalnej długości 3m klasa FS (fast speed, 12Mb/s) ekranowana skrętka o dopuszczalnej długości kabla 5m klasa HS (high speed, 480Mb/s) j.w. klasa SS (super speed, 4,8Gb/s) j.w.

10 Przekrój kabla 1: +5V, czerwony 2: GND, czarny 3: +DATA, biały 4: -DATA, zielony

11 Sterowanie w magistrali USB v.1.1 w trybach LS/FS Modulowanie końcówek d+ i d- sygnałem różnicowym zwiększa odporność sygnału na zakłócenia Przebiegi szkodliwe nakładają się w jednakowym stopniu na obie linie, więc łatwo je wyeliminować Magistrala USB pracuje w zakresie napięć CMOS, tzn. nadawany sygnał interpretowany jest następująco: Napięcie 2,8V-3,6V 1 Napięcie poniżej 0,3V 0 W stanie spoczynku linie na poziomie: D+ = 3V D- = 0V

12 Sterowanie w magistrali USB v.1.1 w trybach LS/FS

13 Sterowanie w magistrali USB v.1.1 w trybach LS/FS Obsługa portów na poziomie sygnałów elektrycznych poprzez transceiver urządzenie nadawczo-odbiorcze (transmitter + receiver) Identyfikacja urządzeń klasy LS i FS za pomocą sygnalizacji rezystorem 1.5 kω podłączonego z jednej strony do źródła zasilania, a z drugiej: Z linią D- dla LS Z linięa D+ dla FS

14 Sterowanie w magistrali USB v.1.1 w trybie LS

15 Sterowanie w magistrali USB v.1.1 w trybie HS

16 Sterowanie w magistrali USB v. 2.0 w trybie HS Przepustowość 480 Mb/s Sterowanie znacznie bardziej skomplikowane niż w v. 1.1 Kompatybilne z 1.1 zawierają układ TT (transaction translator) tłumaczący konwencje 1.1 i 2.0

17 USB 3.1 Gen.1 SuperSpeed (do roku 2013 USB 3.0) Data ogłoszenia specyfikacji: Urządzenia zgodne z warunkami nowej specyfikacji mogą pracować z szybkością 4,8 Gb/s (600 MB/s). Nowy standard oprócz standardowych przewodów (dla kompatybilności w dół z USB 2.0 i 1.1) do szybkich transferów wykorzystuje dwie dodatkowe, ekranowane pary przewodów w dupleksie. Standard nie określa w jakiej technologii dodatkowe pary przewodów powinny być wykonane stosowana jest skrętka dwuparowa, standard dopuszcza użycie światłowodów (jak na schemacie)

18 Przekrój przez kabel USB 3.1

19 USB 3.0 pinouts [24] Pin Color Signal name ('A' connector) Signal name ('B' connector) 1 Red VBUS H 2 White D 3 Green D+ 4 Black GND 5 Blue StdA_SSRX StdA_SSTX 6 Yellow StdA_SSRX + 7 Shield GND_DRAIN 8 Purple 9 Orange StdA_SSTX StdA_SSTX + Shell Shell Shield StdA_SSTX + StdA_SSRX StdA_SSRX +

20 Gniazdo USB 3.0

21 Gniazdo USB 3.0

22 Standard wtyczki/gniazda w wersji B dla USB 3.0 Istnieje również wersja B wtyków USB 3.0 przeznaczonych dla dużych pamięci masowych, drukarek itp. (11 pinów)

23 Oznaczenia pinów PIN NO. SIGNAL NAME DESCRIPTIONS 1 VBUS POWER 2 D- 3 D+ USB 2.0 DIFFRENTIAL PAIR 4 GND Ground for Power Return 5 StdB_SSTX- Superspeed 6 StdB_SSTX+ transmitter diffrential pair 7 GND_DRAIN Ground for signal return 8 StdB_SSTX- Superspeed 9 StdB_SSTX+ receiver diffrential pair 10 DPWR 11 DGND Power provided by device Ground return to DPWR Shell Shield Connecter metal

24 Prąd i duplex nowe złącza mogą w razie potrzeby dostarczyć nawet 900 ma. w starszych specyfikacjach wymiana danych mogła odbywać się tylko w jednym kierunku. Informacje przepływały albo z komputera do urządzenia, albo odwrotnie USB 3.0 dzięki zastosowaniu dodatkowego przewodu, przepływ danych odbywa się w obydwu kierunkach (full duplex)

25 Energooszczędność W standardzie USB 2.0 kontroler przesyłał informacje do wszystkich dostępnych odbiorników, niezależnie od tego, dla którego z nich były one przeznaczone. Kontroler standardu USB 3.0 może nie tylko pomijać nieużywane odbiorniki podczas transmisji danych, ale również je wyłączać. W ten sposób zmniejsza się zużycie prądu i wydłuża czas eksploatacji sprzętu. Poza tym urządzenia mogą zostać przełączone w jeden z trzech trybów oszczędzania energii: w trybie U1 zostaje rozłączony obwód nadawczoodbiorczy, przy U2 zatrzymuje się zegar taktujący, zaś tryb U3 oznacza przejście w stan uśpienia.

26 Tryb Super Speed jest realizowany przez dodatkowy moduł sterujący niezależny od standardowego układu obsługującego porty USB 2.0. Dzięki temu hub USB 3.0 jest w zasadzie hubem USB 2.0 z osobnym hubem SuperSpeed.

27 USB 3.1 Gen 2 ze względu na inny sposób kodowania w praktyce oferuje nawet 2,4-krotnie wyższą przepustowość niż gen. 1 Oficjalnie standard zapewnia przepustowość 10 Gb/s

28 USB Power Delivery

29 USB Power Delivery określa ile dane złącze USB może dostarczyć energii elektrycznej obejmuje pięć profili-maksymalnie aż do 100 W powyżej 10 W konieczne jest stosowanie wytrzymalszych przewodów i zewnętrznego źródła zasilania

30 USB Battery Charging porty ze zwiększonym natężeniem prądu często w żółtym kolorze - określane jako Super Charger lub Charger+ służą do szybszego ładowania urządzeń mobilnych, nawet gdy komputer jest w stanie uśpienia, hibernacji czy wyłączony

31 Gniazda i wtyki

32 Schemat gniazd typu A i B Kwadratowe (typ B) - dla kierunku przeciwnego do korzenia magistrali Płaskie (typ A) dla portów zwróconych w stronę korzenia magistral np. dla myszy, klawiatury

33 Gniazda i wtyki

34 Gniazda USB - zastosowania

35 Gniazda USB - zastosowania

36 TRYBY TRANSMISJI

37 Przydział adresów (Bus Enumeration) Kontroler USB tuż po uruchomieniu systemu przegląda całą swą magistralę i przydziela każdemu napotkanemu urządzeniu kolejny numer identyfikacyjny złożony z: ADDR 7 bitów adresu urządzenia ENDP 4 bity podadresu końcówki Napotkane urządzenia informują kontroler o typie przetwarzanych danych pożądanej szerokości pasma przesyłowego Przydział adresów nie musi być trwały ze względu na to, że urządzenia mogą być odłączane i podłączane na gorąco

38 Przydział adresów (Bus Enumeration) Każdy układ USB wyposażony jest w stały 5-bajtowy numer sprzętowy: 2 bajty oznaczenia producenta 2 bajty nazwa układu 1 bajt numer wersji Dodatkowe informacje w 3-bajtowym identyfikatorze klasy: 1 bajt klasa 1 bajt podklasa 1 typ protokołu

39 Tryby transmisji (Data Flow Types) Podstawowy (Bulk Transfer) o charakterze asynchronicznym dla danych masowych: Wielokrotne powtarzanie pakietów uszkodzonych gwarantuje właściwą kolejność i spójność danych Brak wyznaczonej przepustowości i limitu czasu przebiegu (zwykle wykorzystywane resztki pasma pozostałe po innych trybach) Zastosowanie obsługa pamięci masowych, odbiór danych ze skanera, wysyłanie danych do drukarki

40 Tryby transmisji (Data Flow Types) Tryb synchroniczny (Isochronous Transfer) dla dużych porcji danych, które muszą być dostarczone z określoną częstotliwością Kanał rezerwowany na podstawie deklaracji urządzenia podczas konfiguracji Urządzeni takie ma zagwarantowany dostęp do fragmentu pasma w regularnych odstępach czasu Ewentualne błędy nie są korygowane Ma priorytet nad transmisja asynchroniczna Zastosowanie mikrofon, głośnik, kamera

41 Tryby transmisji (Data Flow Types) Tryb natychmiastowy, ekspresowy (Interrupt Transfer) gdy decydujący jest czas przepływu informacji o małym rozmiarze (najwyżej kilka bajtów): Zastosowanie mysz (nie produkuje duzej ilości danych, ale czyni to w nieprzewidywalnych momentach

42 Tryby transmisji (Data Flow Types) Tryb sterujący (Control Transfer) dla urządzeń nowo podłączonych w celu ich konfiguracji

43 Przepustowość Łączna przepustowość jest rozdzielana pomiędzy urządzenia w miarę potrzeb i możliwości Kontroler tworzy wirtualne kanały przesyłowe charakterystyczne dla obdzielanych urządzeń Prośba o dostęp do magistrali może zostać zignorowana, jeśli rezerwy pasma nie są wystarczające Brak wywłaszczeń (żadna z trwających transmisji nie jest przerywana na korzyść innej) Stosowane buforowanie danych

44 Pakiety Dane transportowane są w pakietach podzielonych na części Niezależnie od rodzaju każdy pakiet zawiera: SOP start of pocket EOP end of pocket Rodzaje pakietów: Token Data Handshake Special

45 Pakiety token Token rozsyłany przez kontroler do podłączonych urządzeń Zabezpieczone sumami kontrolnymi CRC o długości 5 bitów, umożliwiającymi wykrywanie błędów i ich korekcję Urządzenie, które otrzymało token, żądające dostępu do magistrali odsyła odpowiedź pozytywną Kontroler o ile ma wolne pasmo, przydziela je dla urządzenia i tworzy wirtualny kanał dla wymiany pakietów typu data

46 Pakiety token

47 Pakiety data Służą do wymiany danych Zabezpieczone sumami kontrolnymi CRC=16bitów

48 Pakiety handshake i special Handshake to pakiet potwierdzający zakończenie poszczególnych faz komunikacyjnych Special stosowany do obsługi urządzeń klasy LS

49 Zalety standardu USB Uniwersalność współpracuje z szeroką gamą urządzeń peryferyjnych obsługiwanych dotychczas przez różnorodne złącza i o różnych klasach prędkości Jednolity standard = łatwość podłączenia urządzeń (dotychczas wielość wtyczek i gniazd) Niskie koszty produkcji Stosunkowo duża przepustowość łączy

50 Oznaczenia standardów USB informuje on tylko o fakcie, że urządzenie wyposażono w złącze USB informuje, że chodzi o oficjalnie sprawdzone urządzenie USB v.1.1 W roku 2001 na znaczku pojawił się zielony dodatek On-The-Go. Urządzenia z tym znakiem mogą wymieniać dane bez pośrednictwa peceta.

51 Oznaczenia standardów USB urządzenia certyfikowane na zgodność z USB Hi-Speed 2.0 USB 2.0 Hi-Speed On-The-Go Wireless USB - mogą przesyłać dane drogą radiową z prędkością do 480 megabitów na sekundę.

52 Oznaczenia standardów USB standard: USB 3.0 (USB 3.1 Gen 1) standard: USB 3.1 Gen 2

53 IEEE-1394/FireWire

54 Fire Wire (IEEE1394) Opracowany w roku 1995 znacznie szybszy i stabilniejszy niż USB Max długość kabla do 4,5 metra Transmisja odbywa się za pomocą dwóch par przewodów (TPA+ i TPA- oraz TPB+ i TPB-) W wersji 6 pinowej dodatkowo interfejs może być wyposażony w linię zasilającą (masa i nieregulowane napięcie dodatnie 30V bez obciążenia, moc do 60W)

55 Najnowszy standard S3200 przewiduje również wykorzystanie połączeń optycznych, co umożliwia transfer 3,2 Gb/s i uzyskanie długości ponad 100 m, natomiast przy wykorzystaniu standardowej skrętki 5. kategorii możliwe jest uzyskanie 100 Mbit/s i odległości 100 m

56 USB a IEEE-1394/FireWire Podobna technologia Magistrale typu szeregowego Transfer danych odbywa się w formie pakietowej z wydzielonym kanałem o paśmie gwarantowanym Konfiguracja odbywa się automatycznie w trakcie pracy (tzw. Hot-Plugging), rozpoznawane jest zarówno pojawienie się nowych urządzeń, jak i ich odmeldowywanie Automatyczny przydział adresów (Auto-ID), co uwalnia użytkownika od konieczności jakichkolwiek manipulacji przy urządzeniach Nie ma potrzeby identyfikowania fizycznych zakończeń magistrali i instalacji terminatorów (Auto termination)

57 USB a IEEE-1394/FireWire Bardzo zbliżone parametry Topologi a Szerokość pasma Liczba urządzeń Kabel / dystans USB Drzewia sta Ver 1.1: 1,5 i 12Mb/s Ver. 2.0: 480 Mb/s Ver. 3.0: ok. 4,8 Gb/s (full duplex) m/35 m Ver. 3.1 Gen 2.: 10 Gb/s (fd) IEEE Punktpunkt Ver. 1394: 100/200/400 Mb/s Ver. 1394B: 800Mb/s m/72 m Ver. 1394C: 1600Mb/s 3200Mb/s

58 USB a IEEE-1394/FireWire Obsługują różne dziedziny branży elektronicznej: USB sektor komputerowych urządzeń peryferyjnych IEEE-1394/FireWire sektor urządzeń audiowizualnych

59 Bibliografia Anatomia PC, Piotr Metzger