Interfejs USB
Założenia USB Łatwość dołączenia do PC urządzeń peryferyjnych; Umożliwienie dołączania nowych klas urządzeń, które zwiększają możliwości PC. Niski koszt uzyskania szybkości transmisji do 12Mb/s (USB1.1) lub 480Mb/s (USB2.0); Pełne dostosowanie do przesyłania danych w czasie rzeczywistym dla głosu, dźwięku i skompresowanych sekwencji wideo; Elastyczny protokół z mieszaniem transmisji typu isochronous danych i asynchronicznej komunikatów; Dostarczenie standardowego interfejsu, nadającego się do szybkiego wdrożenia w nowych i istniejących produktach;
Zakres danych obsługiwanych przez USB Szybkość transmisji Zastosowanie Zalety Mała 10-100kb/s Urządzenia interakcyjne Klawiatura, mysz, peryferia do gier, peryferia rzeczywistości wirtualnej, konfiguracja monitora Niski koszt Przyłączanie-odłączanie urządzeń "pod prądem" Łatwa realizacja Wiele urządzeń Średnia 500kb/s - 10Mb/s Telefonia, audio, skompresowane wideo ISDN, PBX, POTS Audio Niski koszt Łatwa realizacja Gwarantowany okres obsługi Gwarantowane pasmo Dynamiczne dołączanieodłączanie urządzeń Wiele urządzeń Duża 25-500Mb/s Wideo, Twarde dyski Sygnały wizyjne Obsługa twardych dysków Szerokie pasmo Gwarantowany okres obsługi Łatwa realizacja
Struktura interfejsu USB USB HOST CONTROLLER ROOT HUB Root Tier USB DEVICE HUB Tier 1 HUB HUB USB DEVICE Tier 2 USB DEVICE USB DEVICE HUB USB DEVICE Tier 3 USB DEVICE USB DEVICE * Compound USB Device Tier 4
Struktura interfejsu USB kierunki przepływu informacji Downstream Connectivity Host Root Port Root Port Upstream Connectivity Downstream Ports Downstream Ports Target
Tryby transmisji USB Proces komunikacji w systemie USB bazuje na transmisji danych w 1ms (125us) ramkach czasowych, w których może być realizowanych kilka z czterech zdefiniowanych w standardzie USB rodzajów transmisji danych: transmisja typu izochronicznego (Isochronous Transfer) - wykorzystywana głównie przez urządzenia wymagające ściśle gwarantowanego maksymalnego czasu opóźnienia oraz transmitujące duże bloki danych. Nie ma zaimplementowanego mechanizmu handshake u oraz retransmisji w przypadku wystąpienia błędu. transmisja typu masowego (Bulk Transfer) - dedykowana dla urządzeń transmitujących większe bloki danych (do 64 bajtów) i robiących to tylko w wybranych momentach czasowych. Transmisja ta ma mechanizmy handshake u oraz retransmisji w przypadku wykrycia błędów. transmisja typu przerwaniowego (Interrupt Transfer) posiada właściwości transmisji bardzo zbliżone do transmisji typu Bulk, jednakże przeznaczona jest jedynie dla punktów końcowych typu IN, które wymagają okresowego sprawdzania gotowości do transmisji posiadanych danych (interwał czasowy, definiujący częstotliwość, z jaką powinno odbywać się odpytywanie, zdefiniowany jest w deskryptorze danego punktu końcowego). transmisja typu kontrolnego (Control Transfer) wykorzystywana jest do konfiguracji oraz wysyłania, zdefiniowanych przez standard USB, komend do urządzenia. Standard ten narzuca także bardzo wysokie wymagania, co do konieczności jej przetwarzania przez urządzenia interfejsowe oraz kontroli jej poprawności.
System USB umożliwia: zaadresowanie do 127 fizycznych urządzeń. W każdym urządzeniu może znajdować się po 15 punktów końcowych w każdym kierunku oprócz punktów końcowych o numerze 0. Każdy z punktów końcowych może być niezależną częścią urządzenia. Urządzenie wykorzystujące standard USB musi: rozumieć protokół USB; odpowiadać na standardowe operacje USB, takie jak konfiguracja, zerowanie; zawierać standardowe informacje opisujące możliwości.
Deskryptory Standard USB wymaga od każdego urządzenia przedstawienia następujących deskryptorów: urządzenia, konfiguracji, interfejsu, punktów końcowych. Urządzenie może posiadać ponadto deskryptor tekstowy (STRING DESCRIPTOR) zawierający np. opis urządzenia, konfiguracji, nazwę producenta.
Deskryptor urządzenia (Device Descriptor) Zawiera w głównej mierze informacje niezbędne do załadowania odpowiedniego sterownika do systemu operacyjnego (m.in. parametry Product ID i Vendor ID) oraz ustalenia liczby możliwych konfiguracji, Lp Ilość Bajtów Wartość Opis 1 1 12h Długość deskryptora 2 1 01h Typ deskryptora 3 2 00h,01h Numer wersji specyfikacji USB w kodzie BCD (1.00) 4 1 00h Klasa urządzenia 5 1 00h Podklasa urządzenia 6 1 00h Protokół urządzenia 7 1 08h Maksymalny rozmiar pakietu dla punktu 0 8 2 71h,04h Kod producenta nadany przez USB; 0471h Philips 9 2 1Dh,D1h Kod produktu nadany przez producenta; D11D 10 2 00h,01h Numer wersji produktu w BCD; 1.00 11 1 00h Indeks tekstu opisującego producenta; 00h brak 12 1 00h Indeks tekstu opisującego produkt; 00h brak 13 1 00h Indeks tekstu opisującego numer seryjny; 00h brak 14 1 01h Liczba możliwych konfiguracji min 1
Deskryptor konfiguracji (Configuration Descriptor) Urządzenie musi mieć taki deskryptor dla każdej możliwej konfiguracji (np. gdy może pracować w trybach zwiększonego lub zmniejszonego poboru mocy powinno posiadać deskryptory dla obu konfiguracji) oraz zawierać informację o liczbie dostępnych dla danej konfiguracji interfejsów, Lp. Ilość Bajtów Wartość Opis 1 1 09h Długość deskryptora 2 1 02h Typ deskryptora 3 2 20h,00h Ilość bajtów konfiguracji; suma długości deskryptorów konfiguracji, interfejsu, punktów końcowych; 0020h 4 1 01h Liczba interfejsów 5 1 01h Wartość do wpisania do Device Configuration Register (DCR) do wybrania tej konfiguracji 6 1 00h Indeks tekstu opisującego tą konfigurację 7 1 60h 8 1 03h Charakterystyka konfiguracji; Self-powered (40h) + Remote wakeup (20h) Maksymalny pobór prądu z linii V BUS ; 1 oznacza 2mA (6mA)
Deskryptor interfejsu (Interface Descriptor) Dana konfiguracja może posiadać kilka interfejsów i wszystkie one są aktywne w tym samym czasie, pozwalając na dostęp do różnych funkcji urządzenia poprzez różne sterowniki. Przykładem może być CD-ROM wykorzystujący trzy sterowniki do sterowania jego funkcjami: jeden do zapisu danych, drugi do odtwarzania muzyki, a trzeci do odtwarzania grafiki. Lp. Ilość bajtów Wartość Opis 1 1 09h Długość deskryptora 2 1 04h Typ deskryptora 3 1 00h Wartość identyfikująca numer tego interfejsu 4 1 00h 5 1 02h Wartość używana do wybrania alternatywnego interfejsu Liczba punktów końcowych używanych przez ten deskryptor 6 1 07h Klasa bazowa dla drukarek 7 1 01h Kod drukarek w podklasie 8 1 02h Typ interfejsu; 02h dwukierunkowy 9 1 00h Indeks tekstu opisującego ten interfejs
Deskryptor punktu końcowego (Endpoint Descriptor) Opisuje element, który jest źródłem lub odbiornikiem danych w urządzeniu. Ponieważ USB jest interfejsem szeregowym, punkt końcowy jest właściwie kolejką FIFO sekwencyjnie opróżnianą/wypełnianą przez nadawane/odbierane bajty danych. Liczba punktów końcowych w urządzeniu może być różna, jednakże nie może być większa niż 32 (16 wejściowych i 16 wyjściowych), co wynika ze sposobu ich adresowania. Do najważniejszych parametrów, z punktu widzenia oprogramowania, w przypadku punktów końcowych należą: rodzaj realizowanej przez nie transmisji oraz rozmiar bufora danych. Lp. Ilość bajtów Wartość Opis 1 1 07h Długość deskryptora 2 1 05h Typ deskryptora 3 1 01h Numer punktu końcowego; bit 7 0 OUT, bity 0..3 numer 4 1 02h Typ transferu; 02h Bulk 5 2 08h,00h Maksymalny rozmiar transferu danych; 0008h bajtów 6 1 00h Okres obsługi dotyczy transferu przerwaniowego
1,5Mb/s (Low-Speed Devices) Urządzenia USB : 12Mb/s (Full-Speed Devices) 480Mb/s (High-Speed Devices)
Przesyłanie sygnałów Przesyłanie sygnałów i zasilania odbywa się poprzez czterożyłowy kabel. W każdym segmencie sieci sygnały są przekazywane przez dwa przewody (D+,D-) VBUS D+ D- GND Para zasilająca : Czarny : GND Czerwony : V BUS R W G B Koszulka : Polichlorek Winylu (PVC) Ekran zewnętrzny : Oplot z miedzi bielonej o wypełnieniu 65% Ekran wewnętrzny : Folia aluminiowa Drut ekranu 28 AWG Bielona miedź Para sygnałowa (skrętka) : Biały : D - Zielony : D +
Złącza USB W systemach USB stosuje się dwa rodzaje gniazd i wtyczek: - typ A, - typ B. Gniazdo typ A W gniazda typu A wyposażone są porty wyjściowe downstream: - root hub a (host), -koncentratora (hub a). Gniazdo typ B Gniazda typu B są wejściami upstream z koncentratora lub systemowego hosta. Posiadają je: - koncentratory USB, -urządzenia USB. Wtyk typ A Wtyczki typu A są zawsze zorientowane w kierunku hosta - upstream. Dane transmitowane w kierunku nadrzędnego hosta. Wtyk typ B Wtyczki typu B są zorientowane downstream do urządzeń USB z gniazda hosta.
Parametry elektryczne Parametr Min Max Dostarczane zasilanie V BUS High Power Port 4,75 V 5,25V Low Power Port 4,40 V 5,25 V Pobór prądu High-power Hub Port (out) 500 ma Low-power Hub Port (out) 100mA High-power Function (in) 500mA Low-power Function (in) 100mA Nieskonfigurowane urządzenie/hub Pobór prądu urządzenia Highpower w stanie uśpienia Pobór prądu urządzenia Lowpower w stanie uśpienia 100mA 2,5mA 0,5mA Poziomy logiczne wejściowe IN Stan wysoki (driven) 2 V Stan wysoki (floating) 2,7 V 3,6 V Stan niski 0,8 V Poziomy logiczne wyjściowe OUT Niski 0 0,3 V Wysoki (driven) 2,8 V 3,6 V
Zasilanie urządzeń USB : Wszystkie urządzenia USB mogą być zasilane z portu huba, do którego są podpięte bądź z własnego zasilacza. O źródle zasilania urządzenia informują podczas procedury konfiguracyjnej za pomocą odpowiednich deskryptorów. Napięcie zasilania dostarczane z magistrali ma ograniczoną wydajność. Zarządzanie zasilaniem dokonuje się za pomocą koncentratorów (hubów). Urządzenia wymuszające większy pobór prądu, niż jest określony w specyfikacji, nie zostanie skonfigurowane przez hosta. Bezpośrednio po podłączeniu (przed konfiguracją), urządzenia nie mogą pobierać prądu większego niż 100 ma. Po zakończeniu procedur konfiguracyjnych urządzenie może pobierać maksymalny prąd o wartości 500 ma. W stanie uśpienia (opcję przechodzenia w ten stan muszą posiadać wszystkie urządzenia) pobór prądu nie może przekroczyć 0.5 ma (2.5mA). Powrót ze stanu uśpienia następuje poprzez wprowadzenie linii magistrali w stan aktywny na czas 10 ms, ale nie dłuższy niż 15 ms, a następnie powrót do stanu jałowego.