Стандарты и спецификации USB

     Но  в октябре 2009 года появилась информация (от EE Times со ссылкой на сотрудника одной из крупнейших компаний по производству персональных компьютеров), что корпорация Intel решила повременить с внедрением поддержки USB 3.0 в свои чипсеты до 2011 г. Это решение приведет к тому, что данный стандарт не станет массовым ещё как минимум год. 
 
 
 

Стандарт  USB

Структура 

     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 по- сылки 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. Revision 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, 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 обеспе- чивает 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.

 

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 ин- терфейса. 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 сраба- тывания VSE. Состояние, при котором на обоих входах D+ и D- присутствует низкий уровень, называется линейным ну- лем (SEO - Single-Ended Zero). Интерфейс определяет следующие состояния:  

• 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).

 

• 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  неэкранированный 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. 

     

     Рис. 7.4. Кодирование данных по методу NRZI 

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. 

       

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  обменов).

 

   Каждое  устройство обязательно имеет конечную точку с номером 0, используемую для инициализации, общего управления и опроса его состояния. Эта точка всегда сконфи- гурирована 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).