Последовательная шина usb режимы передачи данных. Что такое шина USB? Модель передачи данных

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Версия 1.0 была опубликована в январе 1996 года. Архитектура USB определяется следующими критериями:

* Легко реализуемое расширение периферии PC.

* Дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Мбит/с.

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

* Гибкость протокола смешанной передачи изохронных данных и асинхронных сообщений.

* Интеграция с выпускаемыми устройствами. ^ Доступность в PC всех конфигураций и размеров.

* Обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок.

* Создание новых классов устройств, расширяющих PC.

С точки зрения конечного пользователя, привлекательны следующие черты USB:

* Простота кабельной системы и подключений.

* Скрытие подробностей электрического подключения от конечного пользователя.

* Самоидентифицирующиеся ПУ, автоматическая связь устройств с драйверами и конфигурирование.

* Возможность динамического подключения и конфигурирования ПУ.

С середины 1996 года выпускаются PC со встроенным контроллером USB, реализуемым чипсетом. Ожидается появление модемов, клавиатур, сканеров, динамиков и других устройств ввода/вывода с поддержкой USB, а также мониторов с USB-адаптерами - они будут играть роль хабов для подключения других устройств.

1.1. Структура USB

USB обеспечивает одновременный обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Распределение пропускной способности шины между ПУ планируется хостом и реализуется им с помощью посылки маркеров. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время ра- боты хоста и самих устройств.

Ниже приводится авторский вариант перевода терминов из спецификации "Universal Serial Bus Specification. Revi- sion I.O.January 15, 1996", опубликованной Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Более подробную и оперативную информацию можно найти по адресу: http://www.usb.org .

Устройства (Device) USB могут являться хабами, функция- ми или их комбинацией. Хаб (Hub) обеспечивает дополни- тельные точки подключения устройств к шине. Функции (Function) USB предоставляют системе дополнительные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Многие устройства, подключаемые к USB, имеют в своем соста- ве и хаб, и функции. Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (Host Controller), являющийся программно- аппаратной подсистемой хост-компьютера.

Физическое соединение устройств осуществляется по топологии многоярусной звезды. Центром каждой звезды является хаб, каждый кабельный сегмент соединяет две точки - хаб с другим хабом или с функцией. В системе имеется один (и только один) хост-контроллер, расположенный в верши- не пирамиды устройств и хабов. Хост-контроллер интегрируется с корневым хабом (Root Hub), обеспечивающим одну или несколько точек подключения - портов. Контроллер USB, входящий в состав чипсетов, обычно имеет встроенный двухпортовый хаб. Логически устройство, подключенное к любому хабу USB и сконфигурированное (см. ниже), может рассматриваться как непосредственно подключенное к хост-контроллеру.

Функции представляют собой устройства, способные передавать или принимать данные или управляющую информацию по шине. Типично функции представляют собой отдельные ПУ с кабелем, подключаемым к порту хаба. Физически в одном корпусе может быть несколько функций со встроенным хабом, обеспечивающим их подключение к одному порту. Эти комбинированные устройства для хоста являются хабами с постоянно подключенными устройствами-функциями.

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:

^ Указатели - мышь, планшет, световое перо. ^ Устройства ввода - клавиатура или сканер.

^ Устройство вывода - принтер, звуковые колонки (цифровые).

т Телефонный адаптер ISDN.

Хаб - ключевой элемент системы РпР в архитектуре USB. Хаб является кабельным концентратором. Точки подключения называются портами хаба. Каждый 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 Ports), 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 высоко-скоростных.

Хабы могут управлять подачей питания на нисходящие порты; предусматривается установка ограничения на ток, потребляемый каждым портом.

Система USB разделяется на три уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит интерфейсную часть, часть устройства и функциональную часть. Хост тоже делится на три части - интерфейсную, системную и ПО устройства. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач, логическое и реальное взаимодействие между ними иллюстрирует рис. 7.1.

В рассматриваемую структуру входят следующие элементы:

• Физическое устройство USB - устройство на шине, выполняющее функции, интересующие конечного пользователя.
• Client SW - ПО, соответствующее конкретному устройству, исполняемое на хост-компьютере. Может являться составной частью ОС или специальным продуктом.
• USB System SW - системная поддержка USB, независимая от конкретных устройств и клиентского ПО.
• USB Host Controller - аппаратные и программные средства для подключения устройств USB к хост-компьютеру.

Физический интерфейс

Стандарт USB определяет электрические и механические спецификации шины.

Информационные сигналы и питающее напряжение 5 В передаются по четырехпроводному кабелю. Используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Уровни сигналов передатчиков в статическом режиме должны быть ниже 0,3 В (низкий уровень) или выше 2,8 В (высокий уровень). Приемники выдерживают входное напряжение в пределах - 0,5...+3,8 В. Передатчики должны уметь переходить в высокоимпедансное состояние для двунаправленной полудуплексной передачи по одной паре проводов.

Передача по двум проводам в USB не ограничивается дифференциальными сигналами. Кроме дифференциального приемника каждое устройство имеет линейные приемники сигналов D+ и D-, а передатчики этих линий управляются индивидуально. Это позволяет различать более двух состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса. Состояния DiffO и Diff1 определяются по разности потенциалов на линиях D+ и D- более 200 мВ при условии, что на одной из них потенциал выше порога срабатывания VSE. Состояние, при котором на обоих входах D+ и D- присутствует низкий уровень, называется линейным нулем (SEO - Single-Ended Zero). Интерфейс определяет следующие состояния:

йа DataJ State и Data К State - состояния передаваемого бита (или просто J и К), определяются через состояния DiffO и Diff1.

^ Idle State - пауза на шине.

^ Resume State - сигнал "пробуждения" для вывода устрой- ства из "спящего" режима.

^ Start of Packet (SOP) - начало пакета (переход из Idle State в К).

т End of Packet (EOP) - конец пакета.

^ Disconnect - устройство отключено от порта.

^ Connect - устройство подключено к порту.

^ Reset - сброс устройства.

Состояния определяются сочетаниями дифференциальных и линейных сигналов; для полной и низкой скоростей состояния DiffO и Diff1 имеют противоположное назначение. В декодировании состояний Disconnect, Connect и Reset учитывается время нахождения линий (более 2,5 мс) в определенных состояниях.

Шина имеет два режима передачи. Полная скорость передачи сигналов USB составляет 12 Мбит/с, низкая - 1,5 Мбит/с. Для полной скорости используется экранированная витая пара с импедансом 90 Ом и длиной сегмента до 5 м, для низкой - не витой не экранированный 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 ПУ, не требующих высокой скорости.

Скорость, используемая устройством, подключенным к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов на линиях D+ и D-, смещаемых нагрузочными резисторами R2 приемопередатчиков (см. рис. 7.2 и 7.3).

Сигналы синхронизации кодируются вместе с данными по методу NRZI (Non Return to Zero Invert), его работу иллюстрирует рис. 7.4. Каждому пакету предшествует поле синхронизации SYNC, позволяющее приемнику настроиться на частоту передатчика.

Кабель также имеет линии VBus и GND для передачи питающего напряжения 5 В к устройствам. Сечение проводников выби- рается в соответствии с длиной сегмента для обеспечения гарантированного уровня сигнала и питающего напряжения.

Рис. 7.4. Кодирование данных по методу NRZI

Стандарт определяет два типа разъемов (см. табл. 7.1 и рис. 7.5).

Контакт	Цепь	Контакт	Цепь
1	VBus	3	D+
2	D-	4	GND

Разъемы типа "А" применяются для подключения к хабам (Upstream Connector). Вилки устанавливаются на кабелях, не отсоединяемых от устройств (например, клавиатура, мышь и т. п.). Гнезда устанавливаются на нисходящих портах (Downstream Port) хабов.

Разъемы типа "В" (Downstream Connector) устанавливаются на устройствах, от которых соединительный кабель может отсоединяться (принтеры и сканеры). Ответная часть (вилка) устанавливается на соединительном кабеле, противоположный конец которого имеет вилку типа "А".

Разъемы типов "А" и "В" различаются механически (рис. 7.5), что исключает недопустимые петлевые соединения портов хабов. Четырехконтактные разъемы имеют ключи, исключающие неправильное присоединение. Конструкция разъемов обеспечивает позднее соединение и раннее отсоединение сигнальных цепей по сравнению с питающими. Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение.

Рис. 7.5. Гнезда USB: а - типа "А", б - типа "В", в - символическое обозначение

Питание устройств USB возможно от кабеля (Bus-Powered Devices) или от собственного блока питания (Self-Powered Devices). Хост обеспечивает питанием непосредственно подключенные к нему ПУ. Каждый хаб, в свою очередь, обеспечивает питание устройств, подключенных к его нисходящим портам. При некоторых ограничениях топологии допускается применение хабов, питающихся от шины. На рис. 7.6 приведен пример схемы соединения устройств USB. Здесь клавиатура, перо и мышь могут питаться от шины.

Модель передачи данных

Каждое устройство USB представляет собой набор независимых конечных точек (Endpoint), с которыми хост-контроллер обменивается информацией. Конечные точки описываются следующими параметрами:

^ требуемой частотой доступа к шине и допустимыми задержками обслуживания;

^ требуемой полосой пропускания канала;

^ номером точки;

^ требованиями к обработке ошибок;

^ максимальными размерами передаваемых и принимаемых пакетов;

^ типом обмена;

^ направлением обмена (для сплошного и изохронного об- менов).

Каждое устройство обязательно имеет конечную точку с номером 0, используемую для инициализации, общего управления и опроса его состояния. Эта точка всегда сконфигурирована при включении питания и подключении устройства к шине. Оно поддерживает передачи типа "управление" (см. далее).

Кроме нулевой точки, устройства-функции могут иметь дополнительные точки, реализующие полезный обмен данными. Низкоскоростные устройства могут иметь до двух дополнительных точек, полноскоростные - до 16 точек ввода и 16 точек вывода (протокольное ограничение). Точки не могут быть использованы до их конфигурирования (установления согласованного с ними канала).

Каналом {Pipe) в USB называется модель передачи данных между хост-контроллером и конечной точкой (Endpoint) устройства. Имеются два типа каналов: потоки (Stream) и со- общения (Message). Поток доставляет данные от одного конца канала к другому, он 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 во- шел - первым вышел" (FIFO); с точки зрения USB, данные потока неструктурированы. Сообщения имеют формат, определенный спецификацией USB. Хост посылает запрос к конечной точке, после которого передается (принимается) па- кет сообщения, за которым следует пакет с информацией состояния конечной точки. Последующее сообщение нормально не может быть послано до обработки предыдущего, но при отработке ошибок возможен сброс необслуженных 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.). Каналы организуются при конфигурировании устройств USB. Для каждого включенного устройства существует канал сообщений (Control Pipe 0), по которому передается информация конфигурирования, управления и состояния.

Типы передачи данных

USB поддерживает как однонаправленные, так и двунаправленные режимы связи. Передача данных производится между ПО хоста и конечной точкой устройства. Устройство может иметь несколько конечных точек, связь с каждой из них (канал) устанавливается независимо.

Архитектура USB допускает четыре базовых типа передачи данных:

^ Управляющие посылки (Control Transfers), используемые 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) сравнительно больших пакетов без жестких требований ко времени до- ставки. Передачи занимают всю свободную полосу про- пускания шины. Пакеты имеют поле данных разме- ром 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 Transfers) - непрерывные передачи в реальном времени, занимающие предварительно согласованную часть пропускной способности шины и имеющие заданную задержку доставки. В случае обнаружения ошибки изохронные данные передаются без повтора - недействительные пакеты игнорируются. Пример - цифровая передача голоса. Пропускная способность определяется требованиями к качеству передачи, а задержка доставки может быть критичной, например, при реализации телеконференций.

Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Выделенная полоса закрепляется за каналом, и если установление нового канала требует такой полосы, которая не вписывается в уже существующее распределение, запрос на выделение канала отвергается.

Архитектура US В предусматривает внутреннюю буферизацию всех устройств, причем чем большей полосы пропускания требует устройство, тем больше должен быть его буфер. USB должна обеспечивать обмен с такой скоростью, чтобы задержка данных в устройстве, вызванная буферизацией, не превышала нескольких миллисекунд.

Изохронные передачи классифицируются по способу синхронизации конечных точек - источников или получателей данных - с системой: различают асинхронньй, синхронный и адаптивный классы устройств, каждому из которых соответствует свой тип канала USB.

Протокол

Все обмены (транзакции) по USB состоят из трех пакетов. Каждая транзакция планируется и начинается по инициативе контроллера, который посылает пакет-маркер {Token Packet). Он описывает тип и направление передачи, адрес устройства USB и номер конечной точки. В каждой транзакции возможен обмен только между адресуемым устройством (его конечной точкой) и хостом. Адресуемое маркером устройство распознает свой адрес и готовится к обмену. Источник данных (определенный маркером) передает пакет данных (или уведомление об отсутствии данных, предназначенных для передачи). После успешного приема пакета приемник данных посылает пакет подтверждения (Handshake Packet).

Планирование транзакций обеспечивает управление поточными каналами. На аппаратном уровне использование отказа от транзакции (NAck) при недопустимой интенсивности передачи предохраняет буферы от переполнения сверху и снизу. Маркеры отвергнутых транзакций повторно пере- даются в свободное для шины время. Управление потоками позволяет гибко планировать обслуживание одновременных разнородных потоков данных.

Устойчивость к ошибкам обеспечивают следующие свойства USB:

^ Высокое качество сигналов, достигаемое благодаря дифференциальным приемникам/передатчикам и экранированным кабелям.

^ Защита полей управления и данных CRC-кодами.

^ Обнаружение подключения и отключения устройств и конфигурирование ресурсов на системном уровне.

^ Самовосстановление протокола с тайм-аутом при потере пакетов.

^ Управление потоком для обеспечения изохронности и управления аппаратными буферами.

^ Независимость функций от неудачных обменов с другими функциями.

Для обнаружения ошибок передачи каждый пакет имеет контрольные поля CRC-кодов, позволяющие обнаруживать все одиночные и двойные битовые ошибки. Аппаратные средства обнаруживают ошибки передачи, а контроллер автоматически производит трехкратную попытку передачи. Если повторы безуспешны, сообщение об ошибке передается клиентскому ПО.

Форматы пакетов

Байты передаются по шине последовательно, начиная с младшего бита. Все посылки организованы в пакеты. Каждый пакет начинается с поля синхронизации Sync, которое представляется последовательностью состояний KJKJKJKK (кодированную по NRZI), следующую после состояния Idle. Последние два бита (КК) являются маркером начала пакета SOP, используемым для идентификации первого бита идентификатора пакета PID. Идентификатор пакета является 4-битным полем PID, идентифицирующим тип пакета (табл. 7.2), за которым в качестве контрольных следуют те же 4 бита, но инвертированные.

Тип PID	Имя PID	PID	Содержимое и назначение
Token	OUT	0001	Адрес функции и номер конечной точки - маркер транзакции функ- ции
Token	IN	1001	Адрес функции и номер конечной точки - маркер транзакции хоста
Token	SOF	0101	Маркер начала кадра
Token	SETUP	1101	Адрес функции и номер конечной точки - маркер транзакции с управляющей точкой
Data	DataO Datal	0011 1011	Пакеты данных с четным и нечетным PID чередуются для точной идентификации подтверждений
Handshake	Ack	0010	Подтверждение безошибочного приема пакета
Handshake	NAK	1010	Приемник не сумел принять или передатчик не сумел передать данные. Может использоваться для управления потоком данных (неготовность). В транзакциях прерываний является признаком отсутствия необслуженных прерываний
Handshake	STALL	1110	Конечная точка требует вмешательства хоста
Special	PRE	1100	Преамбула передачи на низкой скорости

В пакетах-маркерах IN, SETUP и OUT следующими являются адресные поля: 7-битный адрес функции и 4-битный адрес конечной точки. Они позволяют адресовать до 127 функций USB (нулевой адрес используется для конфигурирования) и по 16 конечных точек в каждой функции.

В пакете SOF имеется 11-битное поле номера кадра (Frame Number Field), последовательно (циклически) увеличиваемое для очередного кадра.

Поле данных может иметь размер от 0 до 1023 целых байт. Размер поля зависит от типа передачи и согласуется при установлении канала.

Поле СКС-кола присутствует во всех маркерах и пакетах данных, оно защищает все поля пакета, исключая PID. CRC для маркеров (5 бит) и данных (11 бит) подсчитываются по разным формулам.

Каждая транзакция инициируется хост-контроллером посылкой маркера и завершается пакетом квитирования. Последовательность пакетов в транзакциях иллюстрирует рис. 7.7.

Хост-контроллер организует обмены с устройствами согласно своему плану распределения ресурсов. Контроллер цикли- чески (с периодом 1 мс) формирует кадры (Frames), в которые укладываются все запланированные транзакции. Каж- дый кадр начинается с посылки маркера SOF (Start Of Frame), который является синхронизирующим сигналом для всех устройств, включая хабы. В конце каждого кадра выделяет- ся интервал времени EOF (End Of Frame), на время которого хабы запрещают передачу по направлению к контроллеру. Каждый кадр имеет свой номер. Хост-контроллер оперирует 32-битным счетчиком, но в маркере SOF передает только младшие 11 бит. Номер кадра увеличивается (циклически) во время EOF. Хост планирует загрузку кадров так, чтобы в них всегда находилось место для транзакций управления и прерывания. Свободное время кадров может заполняться сплошными передачами (Bulk Transfers).

Рис. 7.8. Поток кадров USB

Для изохронной передачи важна синхронизация устройств и контроллера. Есть три варианта:

^ синхронизация внутреннего генератора устройства с маркерами SOF;

^ подстройка частоты кадров под частоту устройства;

^ согласование скорости передачи (приема) устройства с частотой кадров.

Подстройка частоты кадров контроллера возможна, естественно, под частоту внутренней синхронизации только одного устройства. Подстройка осуществляется через механизм обратной связи, который позволяет изменять период кадра в пределах ±1 битового интервала.

1.2. Системное конфигурирование

USB поддерживает динамическое подключение и отключение устройств. Нумерация устройств шины является постоянным процессом, отслеживающим изменения физической топологии.

Все устройства подключаются через порты хабов. Хабы определяют подключение и отключение устройств к своим портам и сообщают состояние портов при запросе от контроллера. Хост разрешает работу порта и адресуется к устройству через канал управления, используя нулевой адрес - USB Default Address. При начальном подключении или пос- ле сброса все устройства адресуются именно так.

Хост определяет, является новое подключенное устройство хабом или функцией, и назначает ему уникальный адрес USB. Хост создает канал управления (Control Pipe) с этим устрой- ством, используя назначенный адрес и нулевой номер точки назначения.

Если новое устройство является хабом, хост определяет подключенные к нему устройства, назначает им адреса и устанавливает каналы. Если новое устройство является функ цией, уведомление о подключении передается диспетчером USB заинтересованному ПО.

Когда устройство отключается, хаб автоматически запрещает соответствующий порт и сообщает об отключении контроллеру, который удаляет сведения о данном устройстве из всех структур данных. Если отключается хаб, процесс удаления выполняется для всех подключенных к нему устройств. Если отключается функция, уведомление посылается заинтересованному ПО.

Нумерация устройств, подключенных к шине (Bus Enumeration), осуществляется динамически по мере их подключения (или включения их питания) без какого-либо вмешательства пользователя или клиентского ПО. Процедура нумерации выполняется следующим образом:

1. Хаб, к которому подключилось устройство, информирует хост о смене состояния своего порта ответом на опрос состояния. С этого момента устройство переходит в состояние Attached (подключено), а порт, к которому оно подключилось, в состояние Disabled.

2. Хост уточняет состояние порта.

3. Узнав порт, к которому подключилось новое устройство, хост дает команду сброса и разрешения порта.

4. Хаб формирует сигнал Reset для данного порта (10 мс) и переводит его в состояние Enabled. Подключенное устройство может потреблять от шины ток питания до 100 мА. Устройство переходит в состояние Powered (питание подано), все его регистры переводятся в исходное состояние, и оно отзывается на обращение по нулевому адресу.

5. Пока устройство не получит уникальный адрес, оно доступно по дежурному каналу, по которому хост-контроллер определяет максимально допустимый размер поля данных пакета.

6. Хост сообщает устройству его уникальный адрес, и оно переводится в состояние Addressed (адресовано).

7. Хост считывает конфигурацию устройства, включая за- явленный потребляемый ток от шины. Считывание может затянуться на несколько кадров.

8. Исходя из полученной информации, хост конфигурирует все имеющиеся конечные точки данного устройства, которое переводится в состояние Configured (сконфигурировано). Теперь хаб позволяет устройству потреблять от шины полный ток, заявленный в конфигурации. Устройство готово.

Когда устройство отключается от шины, хаб уведомляет об этом хост и работа порта запрещается, а хост обновляет свою текущую топологическую информацию.

1.3. Устройства USB - функции и хабы

Возможности шины USB позволяют использовать ее для подключения разнообразных устройств. Не касаясь "полезных" свойств ПУ, остановимся на их интерфейсной части, связанной с шиной USB. Все устройства должны поддерживать набор общих операций, перечисленных ниже.

Динамическое подключение и отключение. Эти события отслеживаются хабом, который сообщает о них хост-контроллеру и выполняет сброс подключенного устройства. Устройство после сигнала сброса должно отзываться на нулевой адрес, при этом оно не сконфигурировано и не приостановлено. После назначения адреса, за которое отвечает хост-контроллер, устройство должно отзываться только на свой уникальный адрес.

Конфигурирование устройств, выполняемое хостом, является необходимым для их использования. Для конфигурирования обычно используется информация, считанная из самого устройства. Устройство может иметь множество интерфейсов, каждому из которых соответствует собственная конечная точка, представляющая хосту функцию устройства. Интерфейс в конфигурации может иметь альтернативные наборы характеристик; смена наборов поддерживается протоколом. Для поддержки адаптивных драйверов дескрипторы устройств и интерфейсов имеют поля класса, подкласса и протокола.

Передача данных возможна посредством одного из четырех типов передач (см. выше). Для конечных точек, допускающих разные типы передач, после конфигурирования доступен только один из них.

Управление энергопотреблением является весьма развитой функцией USB. Для устройств, питающихся от шины, мощность ограничена. Любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. Рабочий ток (не более 500 мА) заявляется в конфигурации, и если хаб не сможет обеспечить устройству заявленный ток, оно не конфигурируется и, следовательно, не может быть использовано.

Устройство USB должно поддерживать приостановку (Suspended Mode), в котором его потребляемый ток не превышает 500 мкА. Устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины.

Возможность удаленного пробуждения (Remote Wakeup) позволяет приостановленному устройству подать сигнал хост- компьютеру, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена.

Хаб в USB выполняет коммутацию сигналов и выдачу пи- тающего напряжения, а также отслеживает состояние подключенных к нему устройств, уведомляя хост об изменениях. Хаб состоит из двух частей - контроллера (Hub Controller) и повторителя (Hub Repeater). Повторитель представляет собой управляемый ключ, соединяющий выходной порт со входным. Он имеет средства поддержки сброса и приостановки передачи сигналов. Контроллер содержит регистры для взаимодействия с хостом. Доступ к регистрам осуществляется по специфическим командам обращения к хабу. Команды позволяют конфигурировать хаб, управлять нисходящими портами и наблюдать их состояние.

Нисходящие (Downstream) порты хабов могут находиться в следующих состояниях:

^ Powered (^(питание отключено) - на порт не подается питание (возможно только для хабов, коммутирующих

питание). Выходные буферы переводятся в высокоимпедансное состояние, входные сигналы игнорируются.

^ Disconnected (отсоединен) - порт не передает сигналы ни в одном направлении, но способен обнаружить подключение устройства (по отсутствию состояния SEO в течение 2,5 мкс). Тогда порт переходит в состояние Disabled, а по уровням входных сигналов {DiffO или Diff1 в состоянии Idle) он определяет скорость подключенного устройства.

s^ Disabled (запрещен) - порт передает только сигнал сброса (по команде от контроллера), сигналы от порта (кроме обнаружения отключения) не воспринимаются. По обнаружении отключения (2,5 мкс состояния SEO) порт переходит в состояние Disconnect, а если отключение обнаружено "спящим" хабом, контроллеру будет послан сигнал Resume.

ш Enabled (разрешен) - порт передает сигналы в обоих на- правлениях. По команде контроллера или по обнаружении ошибки кадра порт переходит в состояние Disabled, а по обнаружении отключения - в состояние Disconnect.

^ Suspended (приостановлен) - порт передает сигнал пере- вода в состояние останова ("спящий" режим). Если хаб находится в активном состоянии, сигналы через порт не пропускаются ни в одном направлении. Однако "спящий" хаб воспринимает сигналы смены состояния незапрещенных портов, подавая "пробуждающие" сигналы от активизировавшегося устройства даже через цепочку "спящих" хабов.

Состояние каждого порта идентифицируется контроллером хаба с помощью отдельных регистров. Имеется общий регистр, биты которого отражают факт изменения состояния каждого порта (фиксируемый во время EOF). Это позволяет хост-контроллеру быстро узнать состояние хаба, а в случае обнаружения изменений специальными транзакциями уточнить состояние.

1.4. Хост-контроллер

Хост-компьютер общается с устройствами через контроллер. Хост имеет следующие обязанности:

^ обнаружение подключения и отсоединения устройств USB;

^ манипулирование потоком управления между устройства- ми и хостом;

^ управление потоками данных;

^ сбор статистики;

^ обеспечение энергосбережения подключенными ПУ.

Системное ПО контроллера управляет взаимодействием между устройствами и их ПО, функционирующим на хост-компьютере, для согласования:

^ нумерации и конфигурации устройств;

^ изохронных передач данных;

^ асинхронных передач данных;

^ управления энергопотреблением;

^ информации об управлении устройствами и шиной.

По возможности ПО USB использует существующее систем- ное ПО хост-компьютера - например, Advanced Power Management для управления энергопотреблением.

2. Шина IEEE 1394-FireWire

Стандарт для высокопроизводительной последовательной шины (High Performance Serial Bus), получивший официальное название IEEE 1394, был принят в 1995 году. Целью являлось создание шины, не уступающей современным стандартным параллельным шинам, при существенном удешевлении и повышении удобства подключения (за счет перехода на последовательный интерфейс). Стандарт основан на шине FireWire, используемой Apple Computer в качестве дешевой альтернативы SCSI в компьютерах Macintosh и PowerMac. Название FireWire ("огненный провод") теперь применяется и к реализациям IEEE 1394, оно сосуществует с кратким обозначением 1394.

Преимущества FireWire перед другими последовательными шинами:

s? Многофункциональность: шина обеспечивает цифровую связь до 63 устройств без применения дополнительной аппаратуры (хабов). Устройства - цифровые камкодеры, сканеры, принтеры, камеры для видеоконференций, дисковые накопители - могут обмениваться данными не только с PC, но и между собой. FireWire по инициативе VESA позиционируется и для "домашних сетей".

^ Высокая скорость обмена и изохронные передачи позволяют даже на начальном уровне (100 Мбит/с) передавать одновременно два канала видео (30 кадров в секунду) широковещательного качества и стереоаудиосигнал с качеством CD.

s§ Низкая цена компонентов и кабеля.

si Легкость установки и использования. FireWire расширяет систему РпР. Устройства автоматически распознаются и конфигурируются при включении/отключении. Питание от шины (ток до 1,5 А) позволяет ПУ общаться с системой даже при отключении их питания. Управлять шиной и другими устройствами могут не только PC, но и другие "интеллектуальные" устройства, например VCR.

2.1. Структура и взаимодействие устройств шины

Стандарт 1394 определяет две категории шин: кабельные шины и кросс-шины (Backplane). Под кросс-шинами обычно подразумеваются параллельные интерфейсы, объединяющие внутренние подсистемы устройства, подключенного к кабелю 1394.

В отличие от USB, управляемой одним хост-контроллером, стандарт 1394 допускает соединение равноправных устройств в сеть. Сеть может состоять из множества шин, соединенных мостами. В пределах одной шины устройства объединяются соединительными кабелями без применения дополнительных устройств. Мосты представляют собой специальные интеллектуальные устройства. Интерфейсная карта шины FireWire для PC представляет собой мост PCI - 1394. Мостами являются также соединения кабельной шины 1394 с кросс- шинами устройств, 16-битная адресация узлов сети допускает до 63 устройств в каждой шине, адресуемых 6-битным полем идентификатора узла. 10-битное поле идентификатора шины допускает использование в системе до 1023 мостов, соединяющих шины разного типа.

Кабельная шина представляет собой сеть, состоящую из уз- лов и кабельных мостов. Гибкая топология позволяет строить сети, сочетающие древовидную и цепочечную архитектуры (рис. 7.9). Каждый узел обычно имеет три равноправных соединительных разъема. Допускается множество вариантов подключения устройств со следующими ограничениями:

ssi между любой парой узлов может быть не более 16 кабельных сегментов;

^ длина сегмента стандартного кабеля не должна превышать 4,5 м;

2Й суммарная длина кабеля не должна превышать 72 м (применение более качественного кабеля позволяет ослабить это ограничение).

Некоторые устройства могут иметь только один разъем, что ограничивает возможные варианты их местоположения. Стандарт допускает до 27 разъемов на одном устройстве.

Рис. 7.9. Соединение устройств на шине FireWire

Рис. 7.10. Разъем FireWire

Стандарт предусматривает связь узлов с помощью 6-проводного кабеля, заключенного в общий экран. Две витые пары используются для передачи сигналов (раздельные для приемника и передатчика), два провода задействованы для питания устройств (8-40 В, до 1,5 А). Для гальванической развязки интерфейса используются трансформаторы (напряжение изоляции развязки до 500 В) или конденсаторы (в дешевых устройствах с напряжением развязки до 60 В относительно общего провода). Представление о разъемах дает рис. 7.10. Некоторые устройства (камкодеры Sony DCR- VX700 и DCR-VX1000, а также DHR-1000 DVCR) имеют только один 4-контактный разъем меньшего размера, у которого реализованы только сигнальные цепи. Эти устройства подключаются к шине через специальный переходной кабель только как оконечные (хотя возможно применение специальных адаптеров-разветвителей).

Стандарт 1394 определяет три возможные частоты передачи сигналов по кабелям: 98,304, 196,608 и 393,216 Мбит/с, которые округляют до 100, 200 и 400 Мбит/с. Частоты в стандарте обозначаются как S100, S200 и S400 соответствен- но. Бытовые устройства обычно поддерживают S100, большинство адаптеров допускают S200. К одной шине могут подключаться устройства, рассчитанные на разные скорости. Обмен будет происходить на минимальной для всех активных узлов скорости. Однако, если хост-контроллер реализует карту топологии и скоростей (Topology_Мар и Speed_Map), возможно использование нескольких частот в одной шине, в соответствии с возможностями конкретной пары, участвующей в обмене.

Система допускает динамическое (горячее) подключение и отключение устройств. Идентификаторы подключаемым

устройствам назначаются автоматически, без участия пользователя. Изменения топологии (состава подключенных устройств) автоматически отслеживаются шиной и передаются управляющему ПО.

Протокол IEEE 1394

Протокол 1394 реализуется на трех уровнях (рис. 7.11).

^ Уровень транзакций (Transaction Layer) преобразует пакеты в данные, предоставляемые приложениям, и наоборот. Он реализует протокол запросов-ответов, соответствующий стандарту ISO/IEC 13213:1994 (ANSI/IEEE 1212, редакции 1994 г.), архитектуры регистров управления и состояния CSR (Control and Status Register) для микро-компьютерных шин (чтение, запись, блокировка). Это облегчает связь шины 1394 со стандартными параллельными шинами.

^ Уровень связи (Link Layer) из данных физического уровня формирует пакеты и выполняет обратные преобразования. Он обеспечивает обмен узлов датаграммами с подтверждениями. Уровень отвечает за передачу пакетов и управление изохронными передачами.

Аппаратная часть FireWire обычно состоит из двух специализированных микросхем - трансиверов физического уровня PHY Transceiver и моста связи с шиной LINK Chip. Связь между ними возможна, например, по интерфейсу IBM-Apple LINK-PHY. Микросхемы уровня связи выполняют все функции своего уровня и часть функций уровня транзакций, остальная часть уровня транзакций выполня ется программно.

Коннекторы

Рис. 7.11. Трехуровневая структура FireWire

Управление шиной

Протокол 1394 имеет гибкий механизм управления связью между различными устройствами. Для этого не обязательно присутствие на шине PC или иного контроллера шины. Управление включает три сервиса:

^ Мастер циклов, посылающий широковещательные паке- ты начала циклов (требуемые для изохронных обменов).

^ Диспетчер изохронных ресурсов, если какой-либо узел поддерживает изохронный обмен (для цифрового видео и аудио).

^ Необязательный контроллер шины (Bus Master) - им может являться PC или редактирующий DVCR.

По сбросу производится определение структуры шины, каждому узлу назначаются физические адреса и производится арбитраж мастера циклов, диспетчера изохронных ресурсов и контроллера шины. Через секунду после сброса все ресурсы становятся доступными для последующего использования.

Принципиальным преимуществом шины является отсутствие необходимости в контроллере. Любое передающее устрой- ство может получить полосу изохронного трафика и начинать передачу по сигналу автономного или дистанционного управления - приемник "услышит" эту информацию. При наличии контроллера (PC) соответствующее ПО может управлять работой устройств, реализуя, например, цифровую студию нелинейного видеомонтажа.

Изохронная транспортировка данных

Изохронная транспортировка шины 1394 обеспечивает гарантированную пропускную способность и ограниченную задержку при высокоскоростной передаче по множеству каналов. Диспетчер изохронных ресурсов содержит регистр BANDWIDTH^AVAILABLE, который определяет доступность оставшейся части полосы пропускания для узлов с изохронной передачей. По сбросу вновь появившийся узел с изо- хронной передачей запрашивает выделение полосы. Для цифрового видео, например, требуется полоса 30 Мбит/с (25 Мбит/с на видеоданные и 3-4 Мбит/с на аудио, синхронизацию и заголовки пакетов). Полоса измеряется в специальных единицах распределения, число которых в 125-миллисекундном цикле составляет 6144. Единица занимает около 20 нс, что соответствует времени, требуемому для передачи одного квадлета (Quadlet) на частоте 1600 Мбит/с. Квадлет (32-битное слово) является единицей передачи данных по шине. 25 мс цикла резервируется под асинхронный трафик, поэтому начальное значение регистра после сброса состав- ляет 4915 единиц. В S100 устройства цифрового видео запрашивают около 1800 единиц, в S200 - около 900. Если со- ответствующая полоса недоступна, запрашивающее ее устройство будет периодически повторять запрос.

Диспетчер изохронных ресурсов каждому изохронному узлу назначает номер канала (0-63) из числа доступных (регистр

CHANNELS_AVAILABLE). Он является идентификатором изохронного пакета. Когда изохронный обмен становится не- нужным узлу, он должен освободить свою полосу и номер канала. Обмен управляющей информацией производится по асинхронному каналу.

2.2. Синонимы и дополнения стандарта IEEE 1394

Шина IEEE 1394 имеет множество псевдонимов:

^ IEEE 1394-1995 Standard for a High Performance Serial Bus - полное название документа, описывающего стандарт, действующий в настоящее время.

т FireWire - торговая марка реализации IEEE-1394 фирмой Apple Computer, Inc.

^ Р1394 - название предварительной версии IEEE-1394 (до принятия в декабре 1995 г.).

^ DigitalLink - торговая марка Sony Corporation, используемая применительно к реализации IEEE-1394 в цифровых камерах.

ш MultiMedia Connection - имя, используемое в логотипе 1394 High Performance Serial Bus Trade Association (1394TA).

Поскольку фирма Apple разрабатывала концепцию FireWire еще с 1986 года, имя FireWire является самым распространенным синонимом IEEE 1394.

Кроме основного стандарта IEEE 1394-1995, имеется несколько его модификаций:

^ 1394а рассматривается как чистовой документ, заполняющий некоторые пробелы исходного стандарта и имеющий небольшие изменения (например, ускоренную операцию сброса на шине). Продуктам 1394а обеспечена обратная совместимость с устройствами, выпущенными до принятия основного стандарта. Версия вводилась для повышения скорости до 800 Мбит/с и выше, высокоскоростные версии входят и в 1394Ь.

^ 1394.1 определяет 4-проводной соединитель и устанавливает стандарт на шинные мосты.

^ 1394.2 предполагается как стандарт на соединение кластера станций со скоростью обмена 1 Гбит/с и выше, не- совместимый с 1394. Этот стандарт проистекает из IEEE 1596 SCI (Scalable Coherent Interface - масштабируемый когерентный интерфейс) для суперкомпьютеров и иногда называется Serial Express или SCILite. Сигнальный интерфейс 1394.2 похож на FCAL и допускает кольцевую топологию, запрещаемую стандартом 1394.

2.3. Сравнение FireWire и USB

Последовательные интерфейсы FireWire и USB, имея общие черты, являются существенно различными технологиями. Обе шины обеспечивают простое подключение большого числа ПУ (127 для USB и 63 для FireWire), допуская ком- мутации и включение/выключение устройств при работающей системе. Топология обеих шин достаточно близка. Хабы USB входят в состав ЦУ; для пользователя их присутствие незаметно. Обе шины имеют линии питания устройств, но допустимая мощность для FireWire значительно выше. Обе шины поддерживают систему РпР (автоматическое конфигурирование при включении/выключении) и снимают проблему дефицита адресов, каналов DMA и прерываний. Различаются пропускная способность и управление шиной.

USB ориентирована на ПУ, подключаемые к PC. Ее изохронные передачи позволяют передавать только цифровые аудиосигналы. Все передачи управляются централизованно, и PC является необходимым управляющим узлом, находящимся в корне древовидной структуры шины. Соединение нескольких PC этой шиной не предусматривается.

FireWire ориентирована на интенсивный обмен между любыми подключенными к ней устройствами. Изохронный трафик позволяет передавать "живое" видео. Шина не требует централизованного управления со стороны PC. Возможно использование шины для объединения нескольких PC и ПУ в локальную сеть.

Новые устройства цифрового видео и аудио имеют встроенные адаптеры 1394. Подключение к шине FireWire традиционных аналоговых и цифровых устройств (плееров, камер, мониторов) возможно через адаптеры-преобразователи ин терфейсов и сигналов. Стандартные однотипные кабели и разъемы FireWire заменяют множество разнородных соединений устройств бытовой электроники с PC. Разнотипные цифровые сигналы мультиплексируются в одну шину. В от личие от сетей Ethernet, высокоскоростные передачи потоков данных по FireWire в реальном времени не требуют дополнительных протоколов. Кроме того, имеются средства арбитража, гарантирующие доступ к шине за заданное время. Применение мостов в сетях FireWire позволяет изолировать трафик групп узлов друг от друга.

7.3. Шина ACCESS.Bus и интерфейс PC

Последовательная шина ACCESS.Bus (Accessory Bus), разработанная фирмой DEC, является шиной взаимодействия компьютера с его аксессуарами - например, монитором (канал VESA DDC), интеллектуальными источниками питания (Smart Battery) и т. п. Шина позволяет по двум сигнальным и двум питающим (12 В, 500 мА) проводам подключить до 14 устройств ввода/вывода, длина шины может достигать 8 м. Аппаратной основой является интерфейс PC, характеризуемый простотой реализации, но, даже по сравнению с USB, низкой производительностью. Над аппаратным протоколом PC для шины ACCESS.Bus имеется базовый программный протокол, с которым взаимодействуют протоколы конкретных подключенных устройств. Протоколы обеспечивают подключение/отключение устройств без перезагрузки ОС. Назначение сигналов разъема ACCESS.Bus, предложенное VESA, приведено в табл. 7.3.

Интерфейс К, разработанный фирмой Philips, в PC появился недавно и используется как внутренняя вспомогательная шина системной платы для общения с энергонезависимой памятью идентификации установленных компонентов (мо- дулей памяти DIMM). Шина отличается предельной простотой реализации - две сигнальные линии, с которыми работают программно. По прямому назначению эту шину применяет пока только BIOS при определении аппаратных средств, но использование перезаписываемой памяти конфигурирования открывает новые возможности для привязки ПО к конкретной системе (точнее, установленному модулю) и... для вирусов. Способ программного доступа к шине пока не стандартизован, но при желании его можно "вычислить", изучив документацию на чипсет.

Рис. 7.12. Протокол передачи данных PC

Последовательный интерфейс УС обеспечивает двунаправленную передачу данных между парой устройств, используя два сигнала: данные SDA (Serial Data) и синхронизацию SCL (Serial Clock). В обмене участвуют два устройства - ведущее (Master) и ведомое (Slave). Каждое из них может вы- ступать в роли передатчика, помещающего на линию SDA информационные биты, или приемника. Протокол обмена иллюстрирует рис. 7.12. Синхронизацию задает ведущее устройство - контроллер. Линия данных - двунаправленная с выходом типа "открытый коллектор" - управляется обоими устройствами поочередно. Частота обмена (не обязательно постоянная) ограничена сверху величиной 100 кГц для стандартного режима и 400 кГц для скоростного, что позволяет организовать программно-управляемую реализацию контроллера интерфейса.

Начало любой операции - условие Start - инициируется переводом сигнала SDA из высокого в низкий при высоком уровне SCL. Завершается операция переводом сигнала SDA

из низкого уровня в высокий при высоком уровне SCL - условие Stop. При передаче данных состояние линии SDA может изменяться только при низком уровне SCL, биты данных стробируются положительным перепадом SCL Каждая посылка состоит из 8 бит данных, формируемых передатчиком (старший бит - MSB - передается первым), после чего передатчик на один такт освобождает линию данных для получения подтверждения. Приемник во время девятого так- та формирует нулевой бит подтверждения Ack. После пере- дачи бита подтверждения приемник может задержать следующую посылку, удерживая линию SCL на низком уровне. Приемник также может замедлить передачу по шине на уровне приема каждого бита, удерживая SCL на низком уровне после его спада, сформированного передатчиком.

Каждое ведомое устройство имеет свой адрес, разрядность которого по умолчанию составляет 7 бит. Адрес А передается ведущим устройством в битах первого байта, бит 0 содержит признак операции Я1У(Я1/У=1 - чтение, RW=Q -запись). 7-битный адрес содержит две части: старшие 4 бита А не- сут информацию о типе устройства (например, для EEPROM - 1010), а младшие 3 бита А определяют номер устройства данного типа. Многие микросхемы с интерфейсом PC имеют три адресных входа, коммутацией которых на логические уровни 1 и 0 задается требуемый адрес. Некоторые значения полного адреса зарезервированы (табл. 7.4).

Общий вызов позволяет включившемуся устройству заявить о себе широковещательным способом. Байт Start предназначен для привлечения внимания процессора к интерфейсу, если в устройстве он организован программным (не аппаратным) способом. До получения этого байта микроконтроллер устройства не опрашивает состояние и не следит за сигналами интерфейса. При использовании 10-битной адресации биты содержат старшую часть адреса, а младшие 8 бит будут переданы в следующем байте, если признак RW=0.

Адрес ведомого устройства и тип обращения задается кон- троллером при инициировании обмена. Обмен с памятью иллюстрирует рис. 7.13. Здесь SA - адрес устройства, DA - адрес данных, D - данные, W - признак записи (0), R - признак чтения (1).

Рис. 7.13. Обмен с памятью по интерфейсу PC: a - запись, б - чтение с текущего адреса, в - чтение с произвольного адреса

Выполнив условие Start, контроллер передает байт, содержащий адрес устройства и признак операции RW, и ожидает подтверждения. При операции записи следующей посылкой от контроллера будет 8-битный адрес записываемой ячейки, а за ней - байт данных (для микросхем объемом памяти более 256 байт адрес ячейки посылается двумя байтами). Получив подтверждения, контроллер завершает цикл условием Stop, а адресованное устройство может начать свой внутренний цикл записи, во время которого не реагирует на сигналы интерфейса. Контроллер проверяет готовность устройства посылкой команды записи (байт адреса устройства) и анализом бита подтверждения, формируя затем условие Stop. Если устройство откликнулось битом подтверждения, значит, оно завершило внутренний цикл и готово к следую- щей операции.

Операция считывания инициируется так же, как и запись, но с признаком RW=\. Возможно чтение по заданному адресу, по текущему адресу или последовательное. Текущий адрес хранится во внутреннем счетчике ведомого устройства, он содержит увеличенный на единицу адрес ячейки, участвовавшей в последней операции.

Получив команду чтения, устройство дает бит подтверждения и посылает байт данных, соответствующий текущему адресу. Контроллер может ответить подтверждением, тогда устройство пошлет следующий байт (последовательное чтение). Если на принятый байт данных контроллер ответит условием Stop, операция чтения завершается (случай чтения по текущему адресу). Начальный адрес для считывания контроллер задает фиктивной операцией записи, в которой передается байт адреса устройства и байт адреса ячейки, а после подтверждения приема байта адреса снова формируется условие Start и передается адрес устройства, но уже с указанием на операцию чтения. Так реализуется считывание произвольной ячейки (или последовательности ячеек).

Интерфейс позволяет контроллеру с помощью пары сигналов обращаться к любому из 8 однотипных устройств, подключенных к данной шине и имеющих уникальный адрес (рис. 7.14). При необходимости увеличения количества устройств возможно подключение групп. При этом допустимо как использование общего сигнала SCL и раздельных сигналов SDA (двунаправленных), так и общего сигнала SDA и раздельных однонаправленных сигналов SCL. Для обращения к одной из нескольких микросхем (или устройств), не имеющих выводов для задания собственного адреса, также применяют разделение линий SCL (или SDA).

Протокол PC позволяет нескольким контроллерам использовать одну шину, определяя коллизии и выполняя арбитраж. Эти функции реализуются достаточно просто: если два передатчика пытаются установить на линии SDA различные

логические уровни сигналов, то "победит" тот, который установит низкий уровень. Передатчик следит за уровнями управляемых им сигналов и при обнаружении несоответствия (передает высокий уровень, а "видит" низкий) отказывается от дальнейшей передачи. Устройство может инициировать обмен только при пассивном состоянии сигналов. Коллизия может возникнуть лишь при одновременной попытке начала обмена - как только конфликт обнаружен, "проигравший" передатчик отключится, а "победивший" продолжит работу.

Рис.7.14. Подключение устройств к контроллеру ^С

Приложение А. Системотехника IBM PC-совместимых компьютеров

Здесь рассмотрено взаимодействие программ с интерфейсными адаптерами. Приведены краткие сведения по архитектуре PC. Описаны организация пространств памяти и ввода/вывода, система прерываний и прямой доступ к памяти. Более подробные сведения можно найти в книге "Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия" ("Питер", 1998).

А.1. Пространство памяти

Логическая структура памяти PC обусловлена системой адресации процессоров семейства х86. Процессоры 8086/88, применявшиеся в первых моделях IBM PC, имели адресное пространство 1 Мбайт (20 бит шины адреса). Начиная с процессора 80286 шина адреса была расширена до 24 бит, затем (386DX, 486, Pentium) до 32 и, наконец, до 36 бит (Pentium Pro, Pentium II). В реальном режиме процессора, используемом в DOS, формально доступен лишь 1 Мбайт памяти. Однако из-за ошибки эмуляции процессора 8086 в реальном режиме процессоры 80286 и выше имеют максимально доступный адрес lOFFEFh, что на (64К-16) байт больше. Область lOOOOOh-lOFFEFh называется высокой памятью - High Memory Area (HMA). В нее помещают часть ОС реального режима и небольшие резидентные программы. Для полной совместимости с процессором 8086/88 имеется вентиль линии А20 шины адреса - GateA20, который либо пропускает сигнал от процессора, либо принудительно обнуляет линию А20 системной шины адреса.

Шина USB предназначена для сопряжения ПК с различными устройствами типа телефона, факса, модема, сканера, автоответчика, клавиатуры, мыши и т.д. Эта шина для настольных систем отвечает требованиям технологии plug and play и является среднескоростной, двунаправленной дешевой шиной, повышающей взаимосвязность компонентов ПК и расширяющей его архитектуру.

Основные свойства шины USB:

Возможность подключения до 127 физических устройств;

Автоматическое распознавание периферии;

Образование различных конфигураций;

Реализация как изохронных, так и синхронных типов передач с широким диапазоном скоростей;

Наличие механизма обработки ошибок;

Управление питанием и т.д.

Технология шины USB представлена на рис.7.1 и имеет многоуровневую звездообразную структуру (древовидную конфигурацию).

Рис.7.1. Топология шины USB

Каждую звезду образует хаб (пункт присоединения), обеспечивающий подключение одного или несколько функционеров (функ), периферийных устройств. Шина USB содержит один хост (контроллер), образующий корневой уровень и управляющий работой функционеров. Хаб является основным элементом в архитектуре USB, поддерживающей соединение нескольких хабов. В состав хаба входит один верхний потоковый порт ВПП, необходимый для подключения хаба к «хвосту», и несколько нижних потоковых портов (НПП), соединяющих его с другими хабами и (или) функционерами (рис.7.2).

Рис.7.2. Общий вид хаба

Хаб выполняет следующие функции: обнаружение присоединения (отсоединения) другого хаба или функционера; управление питанием и конфигурированием устройств, подключенных к соответствующим НПП. Хаб содержит контроллер и репитер (управляемый протоколом переключатель портов между ВПП и НПП1-НПП7). Контроллер использует интерфейсные регистры для выполнения связи с хостом, который с помощью управляющих команд конфигурирует хаб и следит за его партнерами. На рис.7.3 показана система типа «рабочий стол», содержащая хабы и функционеры.

Функционер представляет собой отдельное USB-устройство, которое кабелем подключается к какому-либо порту хаба. Хаб/функционер выполняется как устройство, содержащее встроенный хаб. Каждый функционер перед его использованием должен быть сконфигурирован хостом, которое включает распределение диапазона частот и выбор специфических опций для конфигурации.

Рис.7.3. Система рабочий стол, содержащая хабы и функционеры

USB-хост (центральная ЭВМ) осуществляет доступ к USB-устройствам с помощью хост-контроллера, который выполняет следующие действия:

Координацию потоков управления и данных между хостом и устройствами;

Обнаружение подключенных (отключенных) устройств;

Сбор информации о состоянии системы;

Управление питанием.

Протокол шины выполняется следующим образом. Хост направляет по шине USB эстафетный пакет, в котором указывается тип пакета, направление транзакции (действия на шине), адрес устройства и номер конечной точки. Конечная точка – это уникально определяемая часть USB-устройства, содержащего несколько таких точек (конечных пунктов связи). Комбинация адреса устройства и номера конечной точки в этом устройстве позволяет выбрать каждую точку в отдельности. Любая конечная точка должна быть сконфигурирована перед употреблением и характеризуется частотой, временем ожидания доступа к шине, шириной полосы частот, максимальным размером пакета, типом и направлением передачи. Устройства с низким быстродействием содержат не более двух конечных точек, а устройства с высоким быстродействием – до 16 выходных точек.

После того как передача данных завершена, USB-устройство (приемник) отвечает пакетом подтверждения, в котором отмечается успешность этой передачи.

Сигналы данных D+ и D- и питание (V и G – земля) в шине USB передаются от точки к точке по четырем проводам 90-омного кабеля (рис. 7.4.) с максимальной длиной 5м. Номинальное напряжение питания – 5v.

Рис.7.4. Кабель USB

Хост (хаб) обеспечивает питанием устройства USB, которые подключены к нему. Кроме того, устройства USB могут иметь автономное питание. Питание по шине USB имеет ограниченную величину.

Шина USB обеспечивает два диапазона скоростей передачи информации: низкая скорость (1,5 Мбит/с) и высокая скорость (12 Мбит/с). Низкоскоростной режим применяется для взаимодействия с интерактивными устройствами (мышью, трекболом и т.п.), а высокоскоростной режим – с адаптером телефона, аудио- или видеоустройствами. Каждому пакету данных предшествует поле синхронизации, которое позволяет приемникам согласовывать во времени их таймеры (генераторы) для приема данных. Поле синхронизации содержит синхроимпульсы, закодированные по методу NRZI с битовым заполнением.

Связь между хостом и конечной точкой образует канал. Устройство USB может иметь конечную точку, поддерживающую только канал управления, или конечную точку, использующую канал для передачи данных.

USB выполняет следующие типы передач по соответствующим каналам в одном или обоих направлениях:

Управляющую спонтанную (непериодическую) передачу по типу запрос/ответ, используемую для передачи команд/состояния и обычно применяемую с целью конфигурирования устройства в момент его подключения;

Контейнерную передачу, случайно возникающую во времени, состоящую из большого числа данных, выводимых, например, в принтер или сканер;

Передачу прерывания (непериодическую передачу данных с низкой частотой из устройства в любой момент времени, состоящую из одного или нескольких байтов, направляемых в главную ЭВМ и требующих обслуживания устройства);

Изохронную (периодическую потоковую) передачу, обеспечивающую непрерывную связь между хостом и устройством, в реальном времени с предварительной установленной скоростью и временем ожидания.

Все устройства USB содержат конечную точку О, к которой имеет доступ по умолчанию канал управления. Информация конечной точки О описывает устройство USB и состоит из следующих частей: стандарта, использующего дескрипторы устройства, его структуры, интерфейса и конечных точек; класса устройства и сведений о поставщике. Конечная точка О применяется для инициализации и конфигурирования устройства USB.

Через каналы перемещается информация между хостом и конечной точкой с использованием буферной памяти. Различают два режима работы канала: поток – данные, не имеющий определенной структуры, и сообщение – данные, передаваемые в соответствии с заданным порядком. Системное программное обеспечение (ПО) монопольно владеет каналом и представляет его другим ПО. Пользователь ПО запрашивает передачи по каналу, ждет их и затем уведомляется о завершении передач данных. Конечная точка сигналом NAK может сообщить хосту о том, что она занята.

Потоковые каналы передают пакеты данных, не имеющих структуру USB, в одном или другом направлении (однонаправленная передача). Потоковые каналы поддерживают контейнерную, изохронную передачу и передачу прерываний.

Управляющая передача разрешает доступ к какой-либо части устройства и предназначена для обмена информацией, типа конфигурация / команды / состояние, между пользовательским ПО и функционером. Управляющая передача в общем случае содержит информацию запроса (установочный пакет), данные и возвращаемую в хост информацию состояния функционера. Установочный пакет имеет определенную структуру, состоящую из набора команд, необходимых для установления связи между хостом и устройством USB. Описание состояния устройства имеет также определенную структуру, а данные управления, следующие за установочным пакетом, не имеют какой-либо структуры и содержат информацию о запрошенном доступе. Управляющая передача выполняется как двунаправленный поток информации по каналам сообщений. Стандарт шины USB ограничивает размеры пакета данных для высокоскоростных устройств 8, 16, 32 или 64 байтами, а низкоскоростные устройства могут иметь пакет данных не более 8 байтов. Установочный пакет всегда содержит 8 байтов. Вначале (после сброса) хост использует пакет данных размером в 8 байтов, который является достаточным для стандартных операций, а после определения типа конечной точки по ее конфигурационной информации может быть использован пакет большого размера для выполнения специфических операций. Таким образом, все данные при передаче делятся на равные части (пакеты), кроме последней части, которая содержит оставшиеся данные.

В том случае, если конечная точка занята определенное время, хост будет повторять к ней доступ через некоторое время. При обнаружении ошибки хостом выполняется повторная передача.

На рис.7.5 представлена общая схема взаимодействия компонентов шины USB.

Рис.7.5. Общая схема взаимодействия компонентов шины USB

Хост (координирующий центр) содержит: системное ПО USB, поддерживающее интерфейс USB в конкретной операционной системе и поставляемое вместе с ней; ПО пользователя, необходимое для управления работой определенного устройства USB, которое входит в состав операционной системы или поставляется вместе с устройством, и контроллер, позволяющий устройствам подключаться к хосту. Устройство USB также имеет несколько уровней реализации: интерфейс шины, логику устройства (совокупность точек) и функционер (функциональный уровень устройства).

В шине USB используется метод кодирования NRZI (без возвращения к нулю с инверсией). В этом случае метод кодирования NRZI состоит в том, что если бит передаваемых данных равен 0, то происходит изменение уровня напряжения, а - если равен 1, то уровень напряжения сохраняется. На рис.7.6 показан пример кодирования данных методом NRZI.

Рис.7.6. Пример кодирования методом NRZI

Таким образом, строка нулей вызывает переключение уровней сигналов, а строка единиц образует длительные отрезки уровней без всяких переходов, что может нарушить условие синхронизации при выделении каждого бита. Поэтому при передачи данных через каждые шесть последовательных единиц вставляется нуль, чтобы гарантировать достоверное определение каждого битового интервала при приеме в наиболее худшем случае, когда передаются единичные значения битов данных. Приемник декодирует код NRZI и отбрасывает вставленные биты нулей. На рис.7.7 представлена временная диаграмма этапов кодирования данных.

На диаграмме вначале показаны необработанные данные, содержащие поле синхрокомбинаций и пакет данных, причем синхрокомбинация имеет 7 нулей и заканчивается единичным битом, после которого начинается пакет данных. Затем на диаграмме изображены заполненные данные, которые дополнительно содержат после шести единиц вставленный бит 0. В число шести единиц входит и последний единичный бит синхрокомбинации. После этого выполняется кодирование заполненных данных методом NRZI с учетом и поля синхрокомбинации. Правило заполнения требует, чтобы бит 0 был вставлен, даже если этот бит будет последним, перед сигналом EOP (конец пакета).

Рис.7.7. Временная диаграмма этапов кодирования данных

Рассмотрим некоторые электрические требования шины USB. На рис.7.8 представлена схема симметричного шинного формирователя (драйвера) USB, содержащего два одинаковых буфера, выполненных по технологии КМОП.

Рис.7.8. Схема дифференциального формирователя

Симметричный дифференциальный формирователь содержит два разно-полярных выхода D+ и D-, имеющих три состояния, чтобы реализовать двунаправленную полудуплексную работу. Один из выходов представляет буферизованный повторитель входа, а другой является его дополнением. Эти выходы соединяются парой скрещенных проводов со входами дифференциального приемника. Таким образом, по проводам передаются два сигнала, которые подвергаются в одинаковой мере воздействию синфазных помех, устраняемых дифференциальным приемником.

Так как выходы формирователя имеют разные полярности, то при передаче данных с высокой частотой возникают отраженные разнополярные сигналы, которые не являются синфазными помехами. Поэтому следует устранить возможность возникновения отраженных сигналов на приемной стороне интерфейса.

Применение дифференциального принципа передачи повышает ее помехоустойчивость и, как следствие, позволяет увеличить скорость передачи данных.

На рис.7.9 показана диаграмма сигналов на выходах формирователя для скорости передачи 12 Мбит/с (а) и 1.5 Мбит/с (б).

Рис.7.9. Диаграммы сигналов на выходах формирователей для скоростей передачи данных 12 Мбит/с (а) и 1.5 Мбит/с (б)

При скорости передачи данных 12 Мбит/с используется витая пара экранированного кабеля, а для скорости 1.5 Мбит/с – неэкранированный кабель с нескрученной парой проводников. Сопряжение приемопередатчиков (ПП) с помощью кабеля USB в случае высокоскоростной (а) и низкоскоростной (б) передач изображено на рис.7.10.

Из схем видно, что высокоскоростные устройства содержат резистор нагрузки (R Н) на линии D+, а низкоскоростные – на линии D-, что позволяет определить тип подключенного устройства USB. Когда устройство USB не управляет линиями D+ и D-, то на линии с R Н имеется напряжение около 3В, а на другой – близкое к 0В. Такое состояние шины называется пассивным состоянием.

Рис.7.10. Схемы сопряжения ПП хоста (хаба) и функционера (хаба) для высокоскоростной (а) и низкоскоростной (б) передач

Если устройство не подключено к нижнему порту хоста (хаба) (или отсутствует питание), то на обоих линиях D+ и D- устанавливается асимметричный низкий уровень напряжения (0,6В), который используется для определения условия рассоединения или сообщения о конце пакета (EOP). Для высокоскоростных передач условием рассоединения является наличие асимметричного нуля в течение 2,5 мс (30 единиц времени передачи бита).

Считается, что связь с устройством установлена, если напряжение на одной из линий D+ (D-) достигает выше асимметричного высокого порога в 1,5В за время 2,5 мс.

Определение факта рассоединения и связанности устройства USB показано на рис.7.11.

Рис.7.11. Установление факта рассоединения (а) и связи устройства USB (б)

Общее время передачи данных оценивается числом битов данных, умноженным на период (Т), определяемый скоростью передачи данных. На рис.7.12 представлена временная диаграмма передачи данных по дифференциальным линиям данных D+ и D-.

Рис.7.12. Временная диаграмма передачи данных

В соответствии с кодом NRZI бит 0 вызывает переключение уровней напряжения, а бит 1 сохраняет соответствующие уровни напряжения на линиях D+ и D-. Длительность асимметричного нуля в EOP равна 2Т без учета времени задержки.

Начало пакета (SOF) определяется первым битом поля синхронизации, когда пассивное состояние линий D+ и D- переходит в активное. Устройства USB поддерживают режим приостановки, который вызывается тем, что пассивное состояние линий D+ и D- удерживается более 3 мс.

Командой хоста может быть установлен сигнал сброса, который распространяется через все хабы и приводит подключенные устройства в начальное состояние. Сигналом сброса является асимметричный нуль, удерживаемый на шине в течение 10 мс.

В зависимости от источника потребления питания различают следующие типы устройств:

Хабы, получающие питание от шины и обеспечивающие питанием внутренние функциональные устройства и низшие порты;

Хабы с автономным питанием, которые позволяют снабдить питанием пять модулей, каждый из которых потребляет 100 мА, составляющие нагрузку модуля;

Маломощные (с нагрузкой одного модуля) и высокомощные (с нагрузкой пяти модулей) устройства, потребляющие питание из шины;

Функциональные устройства, имеющие внешний источник питания и обладающие нагрузкой одного модуля, питаемого из шины.

Рассмотрим форматы пакетов, определяемых стандартом шины USB. Различают опознавательные, информационные пакеты и пакеты квитирования. Каждому пакету предшествует передача 8-битного поля синхронизации. Формат опознавательного пакета изображен на рис. 7.13.

Рис.7.13. Формат опознавательного пакета

Вслед за полем синхронизации для каждого пакета передается 8-битный идентификатор (ИД) младшим битом вперед. Биты D0-D3 поля ИД задают тип пакета (формат и способ обнаружения ошибок соответствующего пакета), а биты D4-D7 являются инверсными значениями младших четырех битов и служат в качестве поля проверки правильности передачи поля ИД, которые делятся на опознавательные, информационные, квитирования и специальные.

Для выбора устройства и конечной точки (КТ) в нем используется 7-битный адрес устройства и 4-битный номер КТ. Поле адреса предназначено для ввода (вывода) данных и установочных опознавателей. При сбросе или отключении питания адрес устройства принимает значение 0 и затем программируется хостом. Низкоскоростные устройства содержат до двух точек, а высокоскоростные – до 16 конечных точек. Поле адреса и номера КТ защищены 5-битовым контрольным циклическим кодом (КЦК). Циклический избыточный контроль состоит в том, что биты поля КЦК представляют собой коэффициенты двоичного полинома (5-битовый эквивалент), а байты контроля ошибок получаются путем деления этого полинома на заданный 16-битный полином. По двоичному коду остатка определяют наличие или отсутствие ошибки.

Пакет поля данных состоит из 8-битного поля ИД, поля данных (0-1023 байтов) и 16-битного поля КЦК (рис.7.14).

Рис.7.14. Формат пакета данных

Существует два пакета данных (Данные(0) и Данные(1)) с различными идентификаторами, необходимые для поддержания соответствующей синхронизации. Данные в пакете представлены в виде последовательности байтов.

Пакет квитирования содержит только поле ИД и предназначен для проверки успешности передачи данных. Различают три типа этого пакета: ACK (подтверждение) – пакет данных получен без ошибок и пакет ИД верен (пакет применяется при передаче данных); NAK (неподтверждение) – пакет, показывающий на невозможность устройством принять данные от хоста (временный отказ) или устройство не имеет данных для передачи хосту (кроме того, пакет используется для сообщения о временной паузе в передаче или приеме данных устройством); STALL – ответный пакет, говорящий о постоянном отказе и необходимости вмешательства программы хоста.

Опознавательный пакет SOF (начало фрейма) позволяет хабам или устройствам идентифицировать начало фрейма и синхронизировать их внутренние таймеры с таймером главной ЭВМ. Формат опознавательного пакета показан на рис.7.15.

Рис.7.15. Формат опознавательного пакета

Фрейм состоит из ряда транзакций (действий на шине), имеющих начало от одного SOF-маркера, и продолжается до начала следующего SOF-маркера. Устройство или хаб определяют начало фрейма по 8-битному ИД SOF-пакета.

Существуют следующие транзакции: массива данных, управления, прерывания и изохронного типа.

Транзакция массива данных при вводе данных в хост состоит из опознавательного пакета с запросом ввода, пакета данных (Данные (0/1)) из устройства и пакета квитирования (NAK или STALL), посылаемого устройством вслед за данными. Если пакет данных принят верным, то хост отвечает устройству пакетом ACK.

При вводе данных из хоста в устройство хост направляет опознавательный пакет с запросом вывода, а затем пакет данных. Устройство отвечает хосту одним из трех пакетов квитирования (ACK, NAK или STALL).

Последовательность действий хоста и устройства при передачи массивов данных показана на рис.7.16.

Рис.7.16. Последовательность действий хоста и устройства

На рис.7.17 представлена последовательность идентификаторов при записи и чтении массива данных.

Рис.7.17. Последовательность идентификаторов при записи и чтении массива данных

С целью синхронизации компонентов шины USB выполняется чередование пакетов с идентификатором Данные(0) и пакетов с идентификатором Данные(1). Переключение пакетов данных в передатчике выполняется после получения пакета квитирования ACK, а в приемнике – после получения очередного пакета.

Переходы управления содержат две стадии: Установка и Состояние, между которыми может присутствовать информационная стадия. Во время стадии Установки выполняется передача данных только с форматом поля ИД Данные(0) к конечной точке управления устройства.

Транзакция Установки изображена на рис.7.18.

Рис.7.18. Транзакция Установки

Сигнал квитирования ACK не выдается, если данные являются неверными. При наличии стадии данных выполняется их передача в одном направлении в соответствии с требованиями протокола. Эта стадия может состоять из нескольких транзакций ввода и вывода и размер массива данных задается в пакете Установка.

Стадия Состояния является последней в рассматриваемой последовательности и использует идентификатор Данные 0.

На рис.7.19 показана очередность транзакций и идентификаторов данных для управления чтением или записью.

Рис.7.19. Очередность транзакций и ИД данных

В стадии Состояние от устройства к хосту передается следующая информация: устройство выполнило задачу (ACK), устройство не содержит ошибок (STALL) и устройство занято (NACK).

Транзакции прерываний содержат опознаватели ввода. На рис.7.20 изображены последовательности транзакций прерываний.

Рис.7.20. Последовательности транзакций прерываний

Если устройство получает опознаватель ввода, то оно выдает данные по прерыванию в виде пакета и получает ACK или передает NACK/STALL. Пакет квитирования NAK направляется устройством, когда оно не содержит информации для нового прерывания, а пакет квитирования STALL – устройством, если оно временно приостановило работу.

Изохронные транзакции не имеют стадии квитирования. На рис.7.21 представлены стадии изохронных транзакций.

Рис.7.21. Стадии изохронных транзакций

При выполнении изохронного режима меняется поочередно пакеты данных с соответствующими идентификаторами, т.е. сначала следует пакет данных Данные(0), а за ним – пакет Данные(1) и т.д.

Предыдущая

Толковый словарь по вычислительным системам определяет понятие интерфейс (interface) как границу раздела двух систем, устройств или программ; элементы соединения и вспомогательные схемы управления, используемые для соединения устройств. Мы же поговорим о интерфейсах, позволяющих подключать к персональным (и не только) компьютерам разнообразные периферийные устройства и их контроллеры. По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на параллельные и последовательные. В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно. В PC традиционно используется параллельный интерфейс Centronics, реализуемый LPT-портами. В последовательном же интерфейсе биты передаются друг за другом, обычно по одной линии. СОМ порты PC обеспечивают последовательный интерфейс в соответствии со стандартом RS-232C. При рассмотрении интерфейсов важным параметром является пропускная способность.

В архитектуре современных компьютеров все большее значение приобретают внешние шины, служащие для подключения различных устройств. Сегодня это могут быть, например, внешние жесткие диски, CD-, DVD-устройства, сканеры, принтеры, цифровые камеры и прочее.

Широко используемый последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных.

2.Шина usb.Общая характеристика.

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Версия 1.0 была опубликована в январе 1996 года. Архитектура USB определяется следующими критериями:

Легко реализуемое расширение периферии PC.

Дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Mбит/с.

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

Гибкость протокола смешанной передачи изохронных данных и асинхронных сообщений.

Интеграция с выпускаемыми устройствами.

Доступность в PC всех конфигураций и размеров.

Обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок.

Создание новых классов устройств, расширяющих PC.

С точки зрения конечного пользователя, привлекательны следующие черты USB:

Простота кабельной системы и подключений.

Скрытие подробностей электрического подключения от конечного пользователя.

Самоидентифицирующиеся ПУ, автоматическая связь устройств с драйверами и конфигурирование.

Возможность динамического подключения и конфигурирования ПУ.

С середины 1996 года выпускаются PC со встроенным контроллером USB, реализуемым чипсетом. Уже появились модемы, клавиатуры, сканеры, динамики и другие устройства ввода/вывода с поддержкой USB, а также мониторов с USB-адаптерами - они играют роль концентраторов для подключения других устройств.

Структура usb

USB обеспечивает одновременный обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Распределение пропускной способности шины между ПУ планируется хостом и реализуется им с помощью посылки маркеров. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

Ниже приводится авторский вариант перевода терминов из спецификации "Universal Serial Bus Specification", опубликованной Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Более подробную и оперативную информацию можно найти по адресу:

Устройства (Device) USB могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Хаб (Hub) обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Функции (Function) USB предоставляют системе дополнительные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Многие устройства, подключаемые к USB, имеют в своем составе и хаб, и функции. Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (Host Controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера.

Физическое соединение устройств осуществляется по топологии многоярусной звезды. Центром каждой звезды является хаб, каждый кабельный сегмент соединяет две точки - хаб с другим хабом или с функцией. В системе имеется один (и только один) хост-контроллер, расположенный в вершине пирамиды устройств и хабов. Хост-контроллер интегрируется с корневым хабом (Root Hub), обеспечивающим одну или несколько точек подключения - портов. Контроллер USB, входящий в состав чипсетов, обычно имеет встроенный двухпортовый хаб. Логически устройство, подключенное к любому хабу USB и сконфигурированное (см. ниже), может рассматриваться как непосредственно подключенное к хост-контроллеру.

Функции представляют собой устройства, способные передавать или принимать данные или управляющую информацию по шине. Типично функции представляют собой отдельные ПУ с кабелем, подключаемым к порту хаба. Физически в одном корпусе может быть несколько функций со встроенным хабом, обеспечивающим их подключение к одному порту. Эти комбинированные устройства для хоста являются хабами с постоянно подключенными устройствами-функциями.

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:

Указатели - мышь, планшет, световое перо.

Устройства ввода - клавиатура или сканер.

Устройство вывода - принтер, звуковые колонки (цифровые).

Телефонный адаптер ISDN.

Хаб - ключевой элемент системы РпР в архитектуре USB. Хаб является кабельным концентратором. Точки подключения называются портами хаба. Каждый 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 Ports), 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; предусматривается установка ограничения на ток, потребляемый каждым портом.

Система USB разделяется на три уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит интерфейсную часть, часть устройства и функциональную часть. Хост тоже делится на три части - интерфейсную, системную и ПО устройства. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач, логическое и реальное взаимодействие между ними иллюстрирует рис. 7.1.

В рассматриваемую структуру входят следующие элементы:

Физическое устройство USB - устройство на шине, выполняющее функции, интересующие конечного пользователя.

Client SW - ПО, соответствующее конкретному устройству, исполняемое на хост-компьютере. Может являться составной частью ОС или специальным продуктом.

USB System SW - системная поддержка USB, независимая от конкретных устройств и клиентского ПО.

USB Host Controller - аппаратные и программные средства для подключения устройств USB к хост-компьютеру.

Лекция 11. Универсальная последовательная шина USB.

Толковый словарь по вычислительным системам определяет понятие интерфейс (interface) как границу раздела двух систем, устройств или программ; элементы соединения и вспомогательные схемы управления, используемые для соединения устройств. Мы же поговорим о интерфейсах, позволяющих подключать к персональным (и не только) компьютерам разнообразные периферийные устройства и их контроллеры. По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на параллельные и последовательные. В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно. В PC традиционно используется параллельный интерфейс Centronics, реализуемый LPT-портами. В последовательном же интерфейсе биты передаются друг за другом, обычно по одной линии. СОМ порты PC обеспечивают последовательный интерфейс в соответствии со стандартом RS-232C. При рассмотрении интерфейсов важным параметром является пропускная способность.

В архитектуре современных компьютеров все большее значение приобретают внешние шины, служащие для подключения различных устройств. Сегодня это могут быть, например, внешние жесткие диски, CD-, DVD-устройства, сканеры, принтеры, цифровые камеры и прочее.

Широко используемый последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных.

2.Шина USB.Общая характеристика.

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Версия 1.0 была опубликована в январе 1996 года. Архитектура USB определяется следующими критериями:

Легко реализуемое расширение периферии PC.

Дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Mбит/с.

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

Гибкость протокола смешанной передачи изохронных данных и асинхронных сообщений.

Интеграция с выпускаемыми устройствами.

Доступность в PC всех конфигураций и размеров.

Обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок.

Создание новых классов устройств, расширяющих PC.

С точки зрения конечного пользователя, привлекательны следующие черты USB:

Простота кабельной системы и подключений.

Скрытие подробностей электрического подключения от конечного пользователя.

Самоидентифицирующиеся ПУ, автоматическая связь устройств с драйверами и конфигурирование.

Возможность динамического подключения и конфигурирования ПУ.

С середины 1996 года выпускаются PC со встроенным контроллером USB, реализуемым чипсетом. Уже появились модемы, клавиатуры, сканеры, динамики и другие устройства ввода/вывода с поддержкой USB, а также мониторов с USB-адаптерами - они играют роль концентраторов для подключения других устройств.

Структура USB

USB обеспечивает одновременный обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Распределение пропускной способности шины между ПУ планируется хостом и реализуется им с помощью посылки маркеров. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

Ниже приводится авторский вариант перевода терминов из спецификации "Universal Serial Bus Specification", опубликованной Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Более подробную и оперативную информацию можно найти по адресу:

Устройства (Device) USB могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Хаб (Hub) обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Функции (Function) USB предоставляют системе дополнительные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Многие устройства, подключаемые к USB, имеют в своем составе и хаб, и функции. Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (Host Controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера.

Физическое соединение устройств осуществляется по топологии многоярусной звезды. Центром каждой звезды является хаб, каждый кабельный сегмент соединяет две точки - хаб с другим хабом или с функцией. В системе имеется один (и только один) хост-контроллер, расположенный в вершине пирамиды устройств и хабов. Хост-контроллер интегрируется с корневым хабом (Root Hub), обеспечивающим одну или несколько точек подключения - портов. Контроллер USB, входящий в состав чипсетов, обычно имеет встроенный двухпортовый хаб. Логически устройство, подключенное к любому хабу USB и сконфигурированное (см. ниже), может рассматриваться как непосредственно подключенное к хост-контроллеру.

Функции представляют собой устройства, способные передавать или принимать данные или управляющую информацию по шине. Типично функции представляют собой отдельные ПУ с кабелем, подключаемым к порту хаба. Физически в одном корпусе может быть несколько функций со встроенным хабом, обеспечивающим их подключение к одному порту. Эти комбинированные устройства для хоста являются хабами с постоянно подключенными устройствами-функциями.

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:

Указатели - мышь, планшет, световое перо.

Устройства ввода - клавиатура или сканер.

Устройство вывода - принтер, звуковые колонки (цифровые).

Телефонный адаптер ISDN.

Хаб - ключевой элемент системы РпР в архитектуре USB. Хаб является кабельным концентратором. Точки подключения называются портами хаба. Каждый 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 Ports), 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; предусматривается установка ограничения на ток, потребляемый каждым портом.

Система USB разделяется на три уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит интерфейсную часть, часть устройства и функциональную часть. Хост тоже делится на три части - интерфейсную, системную и ПО устройства. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач, логическое и реальное взаимодействие между ними иллюстрирует рис. 7.1.

В рассматриваемую структуру входят следующие элементы:

Физическое устройство USB - устройство на шине, выполняющее функции, интересующие конечного пользователя.

Client SW - ПО, соответствующее конкретному устройству, исполняемое на хост-компьютере. Может являться составной частью ОС или специальным продуктом.

USB System SW - системная поддержка USB, независимая от конкретных устройств и клиентского ПО.

USB Host Controller - аппаратные и программные средства для подключения устройств USB к хост-компьютеру.

3.Физический интерфейс

Стандарт USB определяет электрические и механические спецификации шины. Информационные сигналы и питающее напряжение 5 В передаются по четырехпроводному кабелю. Используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Уровни сигналов передатчиков в статическом режиме должны быть ниже 0,3 В (низкий уровень) или выше 2,8 В (высокий уровень). Приемники выдерживают входное напряжение в пределах - 0,5...+3,8 В. Передатчики должны уметь переходить в высокоимпедансное состояние для двунаправленной полудуплексной передачи по одной паре проводов.

Передача по двум проводам в USB не ограничивается дифференциальными сигналами. Кроме дифференциального приемника каждое устройство имеет линейные приемники сигналов D+ и D-, а передатчики этих линий управляются индивидуально. Это позволяет различать более двух состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса. Состояния Diff0 и Diff1 определяются по разности потенциалов на линиях D+ и D- более 200 мВ при условии, что на одной из них потенциал выше порога срабатывания VSE. Состояние, при котором на обоих входах D+ и D- присутствует низкий уровень, называется линейным нулем (SEO - Single-Ended Zero). Интерфейс определяет следующие состояния:

Data J State и Data К State - состояния передаваемого бита (или просто J и К), определяются через состояния Diff0 и Diff1.

Idle State - пауза на шине.

Resume State - сигнал "пробуждения" для вывода устройства из "спящего" режима.

Start of Packet (SOP) - начало пакета (переход из Idle State в К).

End of Packet (EOP) - конец пакета.

Disconnect - устройство отключено от порта.

Connect - устройство подключено к порту.

Reset - сброс устройства.

Состояния определяются сочетаниями дифференциальных и линейных сигналов; для полной и низкой скоростей состояния DiffO и Diff1 имеют противоположное назначение.
В декодировании состояний Disconnect, Connect и Reset учитывается время нахождения линий (более 2,5 мс) в определенных состояниях.

Шина имеет два режима передачи. Полная скорость передачи сигналов USB составляет 12 Мбит/с, низкая - 1,5 Мбит/с. Для полной скорости используется экранированная витая пара с импедансом 90 Ом и длиной сегмента до 5 м, для низкой - невитой неэкранированньгй 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 ПУ, не требующих высокой скорости. Скорость, используемая устройством, подключенным к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов

на линиях D+ и D-, смещаемых нагрузочными резисторами R2 приемопередатчиков (см. рис. 7.2 и 7.3)

С
игналы синхронизации кодируются вместе с данными по методу NRZI (Non Return to Zero Invert), его работу иллюстрирует рис. 7.4. Каждому пакету предшествует поле синхронизации SYNC, позволяющее приемнику настроиться на частоту передатчика. Кабель также имеет линии VBus и GND для передачи питающего напряжения 5 В к устройствам.

Сечение проводников выбирается в соответствии с длиной сегмента для обеспечения гарантированного уровня сигнала и питающего напряжения. Стандарт определяет два типа разъемов (см. табл. 7.1 и рис. 7.5).

Разъемы типа "А" применяются для подключения к хабам (Upstream Connector). Вилки устанавливаются на кабелях, не отсоединяемых от устройств (например, клавиатура, мышь и т. п.). Гнезда устанавливаются на нисходящих портах (Downstream Port) хабов. Разъемы типа "В" (Downstream Connector) устанавливаются на устройствах, от которых соединительный кабель может отсоединяться (принтеры и сканеры). Ответная часть (вилка) устанавливается на соединительном кабеле, противоположный конец которого имеет вилку типа "А".

Разъемы типов "А" и "В" различаются механически (рис. 7.5), что исключает недопустимые петлевые соединения портов хабов. Четырехконтактные разъемы имеют ключи, исключающие неправильное присоединение. Конструкция разъемов обеспечивает позднее соединение и раннее отсоединение сигнальных цепей по сравнению с питающими. Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение.

Р
ис. 7.5. Гнезда USB: а - типа "А", б - типа "В", в - символическое обозначение

Питание устройств USB возможно от кабеля (Bus-Powered Devices) или от собственного блока питания (Self-Powered Devices). Хост обеспечивает питанием непосредственно подключенные к нему ПУ. Каждый хаб, в свою очередь, обеспечивает питание устройств, подключенных к его нисходящим портам. При некоторых ограничениях топологии допускается применение хабов, питающихся от шины. На рис. 7.6 приведен пример схемы соединения устройств USB.

Здесь клавиатура, перо и мышь могут питаться от шины.

USB поддерживает как однонаправленные, так и двунаправленные режимы связи. Передача данных производится между ПО хоста и конечной точкой устройства. Устройство может иметь несколько конечных точек, связь с каждой из них (канал) устанавливается независимо.

Архитектура USB допускает четыре базовых типа передачи данных:

Управляющие посылки (Control Transfers), используемые 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) 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 Transfers) - непрерывные передачи в реальном времени, занимающие предварительно согласованную часть пропускной способности шины и имеющие заданную задержку доставки. В случае обнаружения ошибки изохронные данные передаются без повтора - недействительные пакеты игнорируются. Пример - цифровая передача голоса. Пропускная способность определяется требованиями к качеству передачи, а задержка доставки может быть критичной, например, при реализации телеконференций.

Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Выделенная полоса закрепляется за каналом, и если установление нового канала требует такой полосы, которая не вписывается в уже существующее распределение, запрос на выделение канала отвергается.

Архитектура USВ предусматривает внутреннюю буферизацию всех устройств, причем чем большей полосы пропускания требует устройство, тем больше должен быть его буфер. USB должна обеспечивать обмен с такой скоростью, чтобы задержка данных в устройстве, вызванная буферизацией, не превышала нескольких миллисекунд.

Изохронные передачи классифицируются по способу синхронизации конечных точек - источников или получателей данных - с системой: различают асинхронный, синхронный и адаптивный классы устройств, каждому из которых соответствует свой тип канала USB.

Протокол

Все обмены (транзакции) по USB состоят из трех пакетов. Каждая транзакция планируется и начинается по инициативе контроллера, который посылает пакет-аркер (Token Packet). Он описывает тип и направление передачи, адрес ус-тройства USB и номер конечной точки. В каждой транзакции возможен обмен только между адресуемым устройством (его конечной точкой) и хостом. Адресуемое маркером устройство распознает свой адрес и готовится к обмену. Источник данных (определенный маркером) передает пакет данных (или уведомление об отсутствии данных, предназначенных для передачи). После успешного приема пакета приемник данных посылает пакет подтверждения (Handshake Packet).

Планирование транзакций обеспечивает управление поточными каналами. На аппаратном уровне использование отказа от транзакции (NAck) при недопустимой интенсивности передачи предохраняет буферы от переполнения сверху и снизу. Маркеры отвергнутых транзакций повторно передаются в свободное для шины время. Управление потоками позволяет гибко планировать обслуживание одновременных разнородных потоков данных.

Устойчивость к ошибкам обеспечивают следующие свойства USB:

Высокое качество сигналов, достигаемое благодаря дифференциальным приемникам/передатчикам и экранированным кабелям.

Защита полей управления и данных CRC-кодами.

Обнаружение подключения и отключения устройств и конфигурирование ресурсов на системном уровне.

Самовосстановление протокола с тайм-аутом при потере пакетов.

Управление потоком для обеспечения изохронности и управления аппаратными буферами.

Независимость функций от неудачных обменов с другими функциями.

Для обнаружения ошибок передачи каждый пакет имеет контрольные поля CRC-кодов, позволяющие обнаруживать все одиночные и двойные битовые ошибки. Аппаратные средства обнаруживают ошибки передачи, а контроллер автоматически производит трехкратную попытку передачи. Если повторы безуспешны, сообщение об ошибке передается клиентскому ПО.

Устройства USB - функции и хабы

Возможности шины USB позволяют использовать ее для подключения разнообразных устройств. Не касаясь "полезных" свойств ПУ, остановимся на их интерфейсной части, связанной с шиной USB. Все устройства должны поддерживать набор общих операций, перечисленных ниже. Динамическое подключение и отключение. Эти события отслеживаются хабом, который сообщает о них хост-контроллеру и выполняет сброс подключенного устройства. Устройство после сигнала сброса должно отзываться на нулевой адрес, при этом оно не сконфигурировано и не приостановлено. После назначения адреса, за которое отвечает хост-контроллер, устройство должно отзываться только на свой уникальный адрес.

Конфигурирование устройств, выполняемое хостом, является необходимым для их использования. Для конфигурирования обычно используется информация, считанная из самого устройства. Устройство может иметь множество интерфейсов, каждому из которых соответствует собственная конечная точка, представляющая хосту функцию устройства. Интерфейс в конфигурации может иметь альтернативные наборы характеристик; смена наборов поддерживается протоколом. Для поддержки адаптивных драйверов дескрипторы устройств и интерфейсов имеют поля класса, подкласса и протокола.

Передача данных возможна посредством одного из четырех типов передач (см. выше). Для конечных точек, допускающих разные типы передач, после конфигурирования доступен только один из них.

Управление энергопотреблением является весьма развитой функцией USB. Для устройств, питающихся от шины, мощность ограничена. Любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. Рабочий ток (не более 500 мА) заявляется в конфигурации, и если хаб не сможет обеспечить устройству заявленный ток, оно не конфигурируется и, следовательно, не может быть использовано.

Устройство USB должно поддерживать приостановку (Suspended Mode), в котором его потребляемый ток не превышает 500 мкА. Устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины.

Возможность удаленного пробуждения (Remote Wakeup) позволяет приостановленному устройству подать сигнал хосткомпьютеру, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена.

Хаб в USB выполняет коммутацию сигналов и выдачу питающего напряжения, а также отслеживает состояние подключенных к нему устройств, уведомляя хост об изменениях. Хаб состоит из двух частей - контроллера (Hub Controller) и повторителя (Hub Repeater). Повтори Повторитель представляет собой управляемый ключ, соединяющий выходной порт со входным. Он имеет средства поддержки сброса и приостановки передачи сигналов. Контроллер содержит регистры для взаимодействия с хостом. Доступ к регистрам осуществляется по специфическим командам обращения к хабу. Команды позволяют конфигурировать хаб, управлять нисходящими портами и наблюдать их состояние.

Нисходящие (Downstream) порты хабов могут находиться в следующих состояниях:

Powered (питание отключено) - на порт не подается питание (возможно только для хабов, коммутирующих питание). Выходные буферы переводятся в высокоимпедансное состояние, входные сигналы игнорируются.

Disconnected (отсоединен) - порт не передает сигналы ни в одном направлении, но способен обнаружить подключение устройства (по отсутствию состояния SEO в течение 2,5 мкс). Тогда порт переходит в состояние Disabled, а по уровням входных сигналов {DiffO или Diff1 в состоянии Idle) он определяет скорость подключенного устройства.

Disabled (запрещен) - порт передает только сигнал сброса (по команде от контроллера), сигналы от порта (кроме обнаружения отключения) не воспринимаются. По обнаружении отключения (2,5 мкс состояния SEO) порт переходит в состояние Disconnect, а если отключение обнаружено "спящим" хабом, контроллеру будет послан сигнал Resume.

Enabled (разрешен) - порт передает сигналы в обоих направлениях. По команде контроллера или по обнаружении ошибки кадра порт переходит в состояние Disabled, а по обнаружении отключения - в состояние Disconnect.

• Suspended (приостановлен) - порт передает сигнал перевода в состояние останова ("спящий" режим). Если хаб находится в активном состоянии, сигналы через порт не пропускаются ни в одном направлении. Однако "спящий" хаб воспринимает сигналы смены состояния незапрещенных портов, подавая "пробуждающие" сигналы от активизировавшегося устройства даже через цепочку "спящих" хабов. Состояние каждого порта идентифицируется контроллером хаба с помощью отдельных регистров. Имеется общий регистр, биты которого отражают факт изменения состояния каждого порта (фиксируемый во время EOF). Это позволяет хост-контроллеру быстро узнать состояние хаба, а в случае обнаружения изменений специальными транзакциями уточнить состояние.

  машины - процессора, даже в ущерб эффективности работы использующих его специалистов. Рис. 1.2. Централизованная система ...

· Лекция 14. Универсальная последовательная шина USB.

Толковый словарь по вычислительным системам определяет понятие интерфейс (interface) как границу раздела двух систем, устройств или программ; элементы соединения и вспомогательные схемы управления, используемые для соединения устройств. Мы же поговорим о интерфейсах, позволяющих подключать к персональным (и не только) компьютерам разнообразные периферийные устройства и их контроллеры. По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на параллельные и последовательные. В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно. В PC традиционно используется параллельный интерфейс Centronics, реализуемый LPT-портами. В последовательном же интерфейсе биты передаются друг за другом, обычно по одной линии. СОМ порты PC обеспечивают последовательный интерфейс в соответствии со стандартом RS-232C. При рассмотрении интерфейсов важным параметром является пропускная способность.

В архитектуре современных компьютеров все большее значение приобретают внешние шины, служащие для подключения различных устройств. Сегодня это могут быть, например, внешние жесткие диски, CD-, DVD-устройства, сканеры, принтеры, цифровые камеры и прочее.

Широко используемый последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных.

2.Шина USB.Общая характеристика.

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Версия 1.0 была опубликована в январе 1996 года. Архитектура USB определяется следующими критериями:

Ø Легко реализуемое расширение периферии PC.

Ø Дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 M бит/с.

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

Ø Гибкость протокола смешанной передачи изохронных данных и асинхронных сообщений.

Ø Интеграция с выпускаемыми устройствами.

Ø Доступность в PC всех конфигураций и размеров.

Ø Обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок.

Ø Создание новых классов устройств, расширяющих PC.

Ø С точки зрения конечного пользователя, привлекательны следующие черты USB:

Ø Простота кабельной системы и подключений.

Ø Скрытие подробностей электрического подключения от конечного пользователя.

Ø Самоидентифицирующиеся ПУ, автоматическая связь устройств с драйверами и конфигурирование.

Ø Возможность динамического подключения и конфигурирования ПУ.

С середины 1996 года выпускаются PC со встроенным контроллером USB, реализуемым чипсетом. Уже появились модемы, клавиатуры, сканеры, динамики и другие устройства ввода/вывода с поддержкой USB, а также мониторов с USB-адаптерами - они играют роль концентраторов для подключения других устройств.

Структура USB

USB обеспечивает одновременный обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Распределение пропускной способности шины между ПУ планируется хостом и реализуется им с помощью посылки маркеров. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

Ниже приводится авторский вариант перевода терминов из спецификации "Universal Serial Bus Specification", опубликованной Compaq , DEC , IBM , Intel , Microsoft , NEC и Northern Telecom . Более подробную и оперативную информацию можно найти по адресу:

Устройства (Device) USB могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Хаб (Hub) обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Функции (Function) USB предоставляют системе дополнительные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Многие устройства, подключаемые к USB, имеют в своем составе и хаб, и функции. Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (Host Controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера.

Физическое соединение устройств осуществляется по топологии многоярусной звезды. Центром каждой звезды является хаб, каждый кабельный сегмент соединяет две точки - хаб с другим хабом или с функцией. В системе имеется один (и только один) хост-контроллер, расположенный в вершине пирамиды устройств и хабов. Хост-контроллер интегрируется с корневым хабом (Root Hub), обеспечивающим одну или несколько точек подключения - портов. Контроллер U SB, входящий в состав чипсетов, обычно имеет встроенный двухпортовый хаб. Логически устройство, подключенное к любому хабу USB и сконфигурированное (см. ниже), может рассматриваться как непосредственно подключенное к хост-контроллеру.

Функции представляют собой устройства, способные передавать или принимать данные или управляющую информацию по шине. Типично функции представляют собой отдельные ПУ с кабелем, подключаемым к порту хаба. Физически в одном корпусе может быть несколько функций со встроенным хабом, обеспечивающим их подключение к одному порту. Эти комбинированные устройства для хоста являются хабами с постоянно подключенными устройствами-функциями.

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:

Ø Указатели - мышь, планшет, световое перо.

Ø Устройства ввода - клавиатура или сканер.

Ø Устройство вывода - принтер, звуковые колонки (цифровые).

Ø Телефонный адаптер ISDN.

Хаб - ключевой элемент системы РпР в архитектуре USB. Хаб является кабельным концентратором. Точки подключения называются портами хаба. Каждый 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 Ports), 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; предусматривается установка ограничения на ток, потребляемый каждым портом.

Система USB разделяется на три уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит интерфейсную часть, часть устройства и функциональную часть. Хост тоже делится на три части - интерфейсную, системную и ПО устройства. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач, логическое и реальное взаимодействие между ними иллюстрирует рис. 7.1.

В рассматриваемую структуру входят следующие элементы:

Ø Физическое устройство USB - устройство на шине, выполняющее функции, интересующие конечного пользователя.

Ø Client SW - ПО, соответствующее конкретному устройству, исполняемое на хост-компьютере. Может являться составной частью ОС или специальным продуктом.

Ø USB System SW - системная поддержка USB, независимая от конкретных устройств и клиентского ПО.

Ø USB Host Controller - аппаратные и программные средства для подключения устройств USB к хост-компьютеру.

3.Физический интерфейс

Стандарт USB определяет электрические и механические спецификации шины. Информационные сигналы и питающее напряжение 5 В передаются по четырехпроводному кабелю. Используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Уровни сигналов передатчиков в статическом режиме должны быть ниже 0,3 В (низкий уровень) или выше 2,8 В (высокий уровень). Приемники выдерживают входное напряжение в пределах - 0,5...+3,8 В. Передатчики должны уметь переходить в высокоимпедансное состояние для двунаправленной полудуплексной передачи по одной паре проводов.

Передача по двум проводам в USB не ограничивается дифференциальными сигналами. Кроме дифференциального приемника каждое устройство имеет линейные приемники сигналов D+ и D-, а передатчики этих линий управляются индивидуально. Это позволяет различать более двух состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса. Состояния Diff0 и Diff1 определяются по разности потенциалов на линиях D+ и D- более 200 мВ при условии, что на одной из них потенциал выше порога срабатывания VSE. Состояние, при котором на обоих входах D+ и D- присутствует низкий уровень, называется линейным нулем (SEO - Single-Ended Zero). Интерфейс определяет следующие состояния:

Ø Data J State и Data К State - состояния передаваемого бита (или просто J и К), определяются через состояния Diff0 и Diff1.

Ø Idle State - пауза на шине.

Ø Resume State - сигнал "пробуждения" для вывода устройства из "спящего" режима.

Ø Start of Packet (SOP) - начало пакета (переход из Idle State в К).

Ø End of Packet (EOP) - конец пакета .

Ø Disconnect - устройство отключено от порта.

Ø Connect - устройство подключено к порту.

Ø Reset - сброс устройства.

Состояния определяются сочетаниями дифференциальных и линейных сигналов; для полной и низкой скоростей состояния DiffO и Diff1 имеют противоположное назначение.
В декодировании состояний Disconnect, Connect и Reset учитывается время нахождения линий (более 2,5 мс) в определенных состояниях.

Шина имеет два режима передачи. Полная скорость передачи сигналов USB составляет 12 Мбит/с, низкая - 1,5 Мбит/с. Для полной скорости используется экранированная витая пара с импедансом 90 Ом и длиной сегмента до 5 м, для низкой - невитой неэкранированньгй 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 ПУ, не требующих высокой скорости. Скорость, используемая устройством, подключенным к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов

на линиях D+ и D-, смещаемых нагрузочными резисторами R2 приемопередатчиков (см. рис. 7.2 и 7.3)

Сигналы синхронизации кодируются вместе с данными по методу NRZI (Non Return to Zero Invert), его работу иллюстрирует рис. 7.4. Каждому пакету предшествует поле синхронизации SYNC, позволяющее приемнику настроиться на частоту передатчика. Кабель также имеет линии VBus и GND для передачи питающего напряжения 5 В к устройствам.

Сечение проводников выбирается в соответствии с длиной сегмента для обеспечения гарантированного уровня сигнала и питающего напряжения. Стандарт определяет два типа разъемов (см. табл. 7.1 и рис. 7.5).

Разъемы типа "А" применяются для подключения к хабам (Upstream Connector). Вилки устанавливаются на кабелях, не отсоединяемых от устройств (например, клавиатура, мышь и т. п.). Гнезда устанавливаются на нисходящих портах (Downstream Port) хабов. Разъемы типа "В" (Downstream Connector) устанавливаются на устройствах, от которых соединительный кабель может отсоединяться (принтеры и сканеры). Ответная часть (вилка) устанавливается на соединительном кабеле, противоположный конец которого имеет вилку типа "А".

Разъемы типов "А" и "В" различаются механически (рис. 7.5), что исключает недопустимые петлевые соединения портов хабов. Четырехконтактные разъемы имеют ключи, исключающие неправильное присоединение. Конструкция разъемов обеспечивает позднее соединение и раннее отсоединение сигнальных цепей по сравнению с питающими. Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение.

Рис. 7.5. Гнезда USB: а - типа "А", б - типа "В", в - символическое обозначение

Питание устройств USB возможно от кабеля (Bus-Powered Devices) или от собственного блока питания (Self-Powered Devices). Хост обеспечивает питанием непосредственно подключенные к нему ПУ. Каждый хаб, в свою очередь, обеспечивает питание устройств, подключенных к его нисходящим портам. При некоторых ограничениях топологии допускается применение хабов, питающихся от шины. На рис. 7.6 приведен пример схемы соединения устройств USB.

Здесь клавиатура, перо и мышь могут питаться от шины.

USB поддерживает как однонаправленные, так и двунаправленные режимы связи. Передача данных производится между ПО хоста и конечной точкой устройства. Устройство может иметь несколько конечных точек, связь с каждой из них (канал) устанавливается независимо.

Архитектура USB допускает четыре базовых типа передачи данных:

Ø Управляющие посылки (Control Transfers), используемые 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.

Ø Сплошные передачи (Bulk Data Transfers) 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.

Ø 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.

Ø Изохронные передачи (Isochronous Transfers) - непрерывные передачи в реальном времени, занимающие предварительно согласованную часть пропускной способности шины и имеющие заданную задержку доставки. В случае обнаружения ошибки изохронные данные передаются без повтора - недействительные пакеты игнорируются. Пример - цифровая передача голоса. Пропускная способность определяется требованиями к качеству передачи, а задержка доставки может быть критичной, например, при реализации телеконференций.

Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Выделенная полоса закрепляется за каналом, и если установление нового канала требует такой полосы, которая не вписывается в уже существующее распределение, запрос на выделение канала отвергается.

Архитектура USВ предусматривает внутреннюю буферизацию всех устройств, причем чем большей полосы пропускания требует устройство, тем больше должен быть его буфер. USB должна обеспечивать обмен с такой скоростью, чтобы задержка данных в устройстве, вызванная буферизацией, не превышала нескольких миллисекунд.

Изохронные передачи классифицируются по способу синхронизации конечных точек - источников или получателей данных - с системой: различают асинхронный, синхронный и адаптивный классы устройств, каждому из которых соответствует свой тип канала USB.

Протокол

Все обмены (транзакции) по USB состоят из трех пакетов. Каждая транзакция планируется и начинается по инициативе контроллера, который посылает пакет-аркер (Token Packet). Он описывает тип и направление передачи, адрес ус-тройства USB и номер конечной точки. В каждой транзакции возможен обмен только между адресуемым устройством (его конечной точкой) и хостом. Адресуемое маркером устройство распознает свой адрес и готовится к обмену. Источник данных (определенный маркером) передает пакет данных (или уведомление об отсутствии данных, предназначенных для передачи). После успешного приема пакета приемник данных посылает пакет подтверждения (Handshake Packet).

Планирование транзакций обеспечивает управление поточными каналами. На аппаратном уровне использование отказа от транзакции (NAck) при недопустимой интенсивности передачи предохраняет буферы от переполнения сверху и снизу. Маркеры отвергнутых транзакций повторно передаются в свободное для шины время. Управление потоками позволяет гибко планировать обслуживание одновременных разнородных потоков данных.

Устойчивость к ошибкам обеспечивают следующие свойства USB:

Ø Высокое качество сигналов, достигаемое благодаря дифференциальным приемникам/передатчикам и экранированным кабелям.

Ø Защита полей управления и данных CRC-кодами.

Ø Обнаружение подключения и отключения устройств и конфигурирование ресурсов на системном уровне.

Ø Самовосстановление протокола с тайм-аутом при потере пакетов.

Ø Управление потоком для обеспечения изохронности и управления аппаратными буферами.

Ø Независимость функций от неудачных обменов с другими функциями.

Для обнаружения ошибок передачи каждый пакет имеет контрольные поля CRC-кодов, позволяющие обнаруживать все одиночные и двойные битовые ошибки. Аппаратные средства обнаруживают ошибки передачи, а контроллер автоматически производит трехкратную попытку передачи. Если повторы безуспешны, сообщение об ошибке передается клиентскому ПО.

Устройства USB - функции и хабы

Возможности шины USB позволяют использовать ее для подключения разнообразных устройств. Не касаясь "полезных" свойств ПУ, остановимся на их интерфейсной части, связанной с шиной USB. Все устройства должны поддерживать набор общих операций, перечисленных ниже. Динамическое подключение и отключение. Эти события отслеживаются хабом, который сообщает о них хост-контроллеру и выполняет сброс подключенного устройства. Устройство после сигнала сброса должно отзываться на нулевой адрес, при этом оно не сконфигурировано и не приостановлено. После назначения адреса, за которое отвечает хост-контроллер, устройство должно отзываться только на свой уникальный адрес.

Конфигурирование устройств, выполняемое хостом, является необходимым для их использования. Для конфигурирования обычно используется информация, считанная из самого устройства. Устройство может иметь множество интерфейсов, каждому из которых соответствует собственная конечная точка, представляющая хосту функцию устройства. Интерфейс в конфигурации может иметь альтернативные наборы характеристик; смена наборов поддерживается протоколом. Для поддержки адаптивных драйверов дескрипторы устройств и интерфейсов имеют поля класса, подкласса и протокола.

Передача данных возможна посредством одного из четырех типов передач (см. выше). Для конечных точек, допускающих разные типы передач, после конфигурирования доступен только один из них.

Управление энергопотреблением является весьма развитой функцией USB. Для устройств, питающихся от шины, мощность ограничена. Любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. Рабочий ток (не более 500 мА) заявляется в конфигурации, и если хаб не сможет обеспечить устройству заявленный ток, оно не конфигурируется и, следовательно, не может быть использовано.

Устройство USB должно поддерживать приостановку (Suspended Mode), в котором его потребляемый ток не превышает 500 мкА. Устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины.

Возможность удаленного пробуждения (Remote Wakeup) позволяет приостановленному устройству подать сигнал хосткомпьютеру, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена.

Хаб в USB выполняет коммутацию сигналов и выдачу питающего напряжения, а также отслеживает состояние подключенных к нему устройств, уведомляя хост об изменениях. Хаб состоит из двух частей - контроллера (Hub Controller) и повторителя (Hub Repeater). Повтори Повторитель представляет собой управляемый ключ, соединяющий выходной порт со входным. Он имеет средства поддержки сброса и приостановки передачи сигналов. Контроллер содержит регистры для взаимодействия с хостом. Доступ к регистрам осуществляется по специфическим командам обращения к хабу. Команды позволяют конфигурировать хаб, управлять нисходящими портами и наблюдать их состояние.

Нисходящие (Downstream) порты хабов могут находиться в следующих состояниях:

Ø Powered (питание отключено) - на порт не подается питание (возможно только для хабов, коммутирующих питание). Выходные буферы переводятся в высокоимпедансное состояние, входные сигналы игнорируются.

Ø Disconnected (отсоединен) - порт не передает сигналы ни в одном направлении, но способен обнаружить подключение устройства (по отсутствию состояния SEO в течение 2,5 мкс). Тогда порт переходит в состояние Disabled, а по уровням входных сигналов {DiffO или Diff1 в состоянии Idle) он определяет скорость подключенного устройства.

Ø Disabled (запрещен) - порт передает только сигнал сброса (по команде от контроллера), сигналы от порта (кроме обнаружения отключения) не воспринимаются. По обнаружении отключения (2,5 мкс состояния SEO) порт переходит в состояние Disconnect, а если отключение обнаружено "спящим" хабом, контроллеру будет послан сигнал Resume.

Ø Enabled (разрешен) - порт передает сигналы в обоих направлениях. По команде контроллера или по обнаружении ошибки кадра порт переходит в состояние Disabled, а по обнаружении отключения - в состояние Disconnect.

Ø Suspended (приостановлен) - порт передает сигнал перевода в состояние останова ("спящий" режим). Если хаб находится в активном состоянии, сигналы через порт не пропускаются ни в одном направлении. Однако "спящий" хаб воспринимает сигналы смены состояния незапрещенных портов, подавая "пробуждающие" сигналы от активизировавшегося устройства даже через цепочку "спящих" хабов. Состояние каждого порта идентифицируется контроллером хаба с помощью отдельных регистров. Имеется общий регистр, биты которого отражают факт изменения состояния каждого порта (фиксируемый во время EOF). Это позволяет хост-контроллеру быстро узнать состояние хаба, а в случае обнаружения изменений специальными транзакциями уточнить состояние.

Хост-контроллер

Хост-компьютер общается с устройствами через контроллер. Хост имеет следующие обязанности:

Ø обнаружение подключения и отсоединения устройств USB;

Ø манипулирование потоком управления между устройствами и хостом;

Ø управление потоками данных;

Ø сбор статистики;

Ø обеспечение энергосбережения подключенными ПУ.

Ø Системное ПО контроллера управляет взаимодействием между устройствами и их ПО, функционирующим на хост-компьютере, для согласования:

Ø нумерации и конфигурации устройств;

Ø изохронных передач данных;

Ø асинхронных передач данных;

Ø управления энергопотреблением;

Ø информации об управлении устройствами и шиной.