sytkova-paano

USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) в настоящее время является промышленным стандартом расширения архитектуры компьютера,

ориентированным на подключение различных периферийных устройств.

7.3.1. Физическая и логическая архитектура шины USB

Архитектура шины USB предполагает подключение USB-устройств к компьютеру,

который является главным управляющим устройством и называется хостом. Подключение устройств к хосту может осуществляться как напрямую, так и через так называемые хабы

или концентраторы, обеспечивающие подключение группы устройств, среди которых также могут быть хабы. Сам компьютер имеет встроенный хаб, который называется корневым.

Физическая архитектура шины USB строится в соответствии со следующими правилами (рисунок 8.3):

-физическое соединение устройств между собой осуществляется по топологии многоярусной звезды, вершиной которой является корневой хаб;

-центром каждой звезды является хаб;

-соединение допускается между хабом и периферийным устройством, способным к обмену данными по шине USB (называется функцией), между хабом и другим хабом, между хостом с хабом или с функцией;

-к каждому порту хаба может быть подключено периферийное устройство или другой хаб, при этом допускается до 5 уровней каскадирования хабов, не считая корневого.

Логическая же архитектура USB представляет собой звезду, вершинами которой являются являются так называемые конечные точки – хабы и периферийные устройства, с

которыми ведется обмен данными.

161

ХОСТ

Корневой хаб

Рисунок 7.3 – Физическая архитектура USB

Рассмотрим составляющие USB более подробно. Шина USB состоит из следующих элементов:

1) Хост-контроллер.

Представляет собой главный управляющий контроллер, входящий в состав системного блока компьютера и управляющий работой всех устройств, подключенных к шине USB. На шине USB допускается только 1 хост. Отметим, что системный блок компьютера содержит один или несколько хостов, каждый из которых управляет отдельной шиной USB.

2)Устройство представляет собой хаб, функцию или их комбинацию (Compound

Device).

3)Порт – точка подключения.

4)Хаб или концентратор.

Это устройство, обеспечивающее дополнительные порты на шине USB. Можно считать, что хаб является вершиной дерева, листья которого представляют собой хабы или функции. При этом происходит обмен данными между одним так называемым восходящим

(upstream) портом и несколькими нисходящими (downstream). Хаб умеет распознавать подключение и отключение устройств от своих портов. Каждый из портов может быть запрещен или разрешен, и сконфигурирован на полную или ограниченную скорость обмена.

162

Хаб выполняет коммутацию сигналов и выдачу питающего напряжения, а также уведомляет хост об изменениях в подключенных устройствах. Для этой цели

5)Корневой хаб – хаб, входящий в состав хоста.

6)Функция.

Представляет собой периферийное устройство или его отдельный блок, способный к обмену по шине USB. Каждая функция перед использованием должна быть сконфигурирована хостом, ей должна быть выделена полоса в канале и выбраны опции конфигурации.

7) Логическое устройство - - это набор конечных точек. В отличие от шин ISA и PCI,

где программа работает с устройствами через обращения по физическим адресам ячеек памяти, портов ввода-вывода, прерываниям и каналам DMA, взаимодействие приложений с устройствами USB выполняется только через программный интерфейс, предоставляемый контроллером USB.

7.3.2 Модель передачи данных по шине USB

Каждому логическому устройству USB (как функции или хабу) назначается при подключении свой адрес о 1 до 127, уникальный на данной шине USB. Каждая конечная точка в логическом устройстве имеет свой номер и характеризуется следующими параметрами:

-частота обращения к шине и допустимые задержки обслуживания;

-требуемая полоса пропускания канала;

-максимальные размеры передаваемых и принимаемых пакетов;

-тип и направление передачи.

Точка с номером 0 в устройстве используется для инициалиации, управления устройством и опроса его состояния. Дополнительно к нулевой устройства могут иметь до 15

точек ввода и 15 точек вывода. Именно эти точки и предоставляют возможности обмена данными. Для того чтобы использовать дополнительные точки, их надо сконфигурировать путем назначения согласованного с ними канала.

Каналом (pipe) в USB называется модель передачи данных между хост-контроллером и конечной точкой. Существует два типа каналов – потоки и сообщения.

Поток (stream) доставляет данные от одного конца канала к другому, он всегда однонаправленный. Поэтому один и тот же номер конечной точки может использоваться двумя каналами – ввода и вывода. С помощью потока могут быть реализованы передача массивов, изохронный обмен и передачи-прерывания. Передачи массивов данных имеют

163

самый низкий приоритет, доставка гарантирована, при ошибке выполняется повтор. Время передачи не ограничено. Передачи массивов используются при обмене с принтерами,

сканерами, флэш-дисками. Передачи-прерывания – это короткие передачи, которые имеют случайный характер, гарантированную доставку, и ограниченное время доставки. Примером использования передач-прерываний является передача информации от клавиатуры или мыши. Изохронные передачи представляют собой передачи в реальном режиме времени,

занимающие до 70% пропускной способности шины. В случае ошибки изохронные данные не повторяются, неверные данные просто игнорируются. Примерами изохронных передач данных являются передачи с видеокамер, цифровых аудиоустройств, CD и DVD.

Сообщения служат для посылки хостом запроса к конечной точке с целью получения информации об ее состоянии.

Все обмены (транзакции) с устройствами USB состоят из 2-3 пакетов. Каждая транзакция планируется и начинается по инициативе контроллера, который посылает пакет-

маркер. Этот пакет содержит тип и направление передачи, адрес устройства USB и номер конечной точки. В каждой транзакции возможен обмен только между конечной точкой адресуемого устройства и хостом. Адресуемое устройство после приема пакет-маркера распознает в нем свой адрес и готовится к обмену. Оно передает пакет данных или уведомление об их отсутствии. После успешного приема пакета приемник посылает передатчику так называемый пакет подтверждения или квитирования (handshake packet).

Хост-контроллер организует обмены с устройствами следующим образом. Он циклически (с периодом около 1 мс) формирует кадры (frames), которые обслуживают транзакции с имеющимися на шине устройствами. Каждый кадр начинается с посылки маркера SOF (Start Of Frame), который является синхронизирующим сигналов для всех устройств, включая хабы. В конце кадра передается маркер EOF (End Of Frame), на время которого запрещаются передачи по направлению к контроллеру. В промежутке времени между SOF и EOF и происходят транзакции с устройствами, причем в первую очередь происходит посылка сообщений и обслуживаются передачи-прерывания. Оставшееся свободное время кадра заполняется передачами массивов.

Периферийное устройство не может по собственной инициативе выдавать на шину какую-либо информацию и не может самостоятельно посылать запросы.

Архитектура USB предусматривает внутреннюю буферизацию всех устройств,

причем чем большую полосу пропускания требует устройство, тем больше должен быть его буфер.

Как было отмечено выше, данные передаются в виде пакетов-маркеров. В интерфейсе

USB испольуется несколько разновидностей пакетов:

164

- пакет-признак (token paket) описывает тип и направление передачи данных, адрес устройства и порядковый номер конечной точки (КТ - адресуемая часть USB-устройства);

пакет-признаки бывают нескольких типов: IN, OUT, SOF, SETUP;

-пакет с данными (data packet) содержит передаваемые данные;

-пакет согласования (handshake packet) предназначен для сообщения о результатах пересылки данных; пакеты согасования бывают нескольких типов: ACK, NAK, STALL.

В интерфейсе USB используются несколько типов пересылок информации:

-управляющая пересылка (control transfer) используется для конфигурации устройства, а также для других специфических для конкретного устройства целей;

-потоковая пересылка (bulk transfer) используется для передачи относительно большого объема информации;

-пересылка с прерыванием (iterrupt transfer) испольуется для передачи относительно небольшого объема информации, для которого важна своевременная его пересылка. Имеет ограниченную длительность и повышенный приоритет относительно других типов пересылок;

-изохронная пересылка (isochronous transfer) также называется потоковой пересылкой реального времени. Информация, передаваемая в такой пересылке, требует реального масштаба времени при ее создании, пересылке и приеме.

Потоковые пересылки характеризуются гарантированной безошибочной передачей данных между хостом и функцией посредством обнаружения ошибок при передаче и повторного запроса информации.

Когда хост становится готовым принимать данные от функции, он в фазе передачи пакета-признака посылает функции IN-пакет. В ответ на это функция в фазе передачи данных передает хосту пакет с данными или, если она не может сделать этого, передает

NAKили STALL-пакет. NAK-пакет сообщает о временной неготовности функции передавать данные, а STALL-пакет сообщает о необходимости вмешательства хоста. Если хост успешно получил данные, то он в фазе согласования посылает функции ACK-пакет. В

противном случае транзакция завершается.

Когда хост становится готовым передавать данные, он посылает функции OUT-пакет,

сопровождаемый пакетом с данными. Если функция успешно получила данные, он отсылает хосту ACK-пакет, в противном случае отсылается NAKили STALL-пакет.

Управляющие пересылки содержат не менее двух стадий: Setup-стадия и статусная стадия. Между ними может также располагаться стадия передачи данных. Setup-стадия используется для выполнения SETUP-транзакции, в процессе которой пересылается информация в управляющую КТ функции. SETUP-транзакция содержит SETUP-пакет, пакет

165

с данным и пакет согласования. Если пакет с данными получен функцией успешно, то она отсылает хосту ACK-пакет. В противном случае транзакция завершается.

В стадии передачи данных управляющие пересылки содержат одну или несколько IN-

или OUT-транзакций, принцип передачи которых такой же, как и в потоковых пересылках.

Все транзакции в стадии передачи данных должны производиться в одном направлении.

В статусной стадии производится последняя транзакция, которая использует те же принципы, что и в потоковых пересылках. Направление этой транзакции противоположно тому, которое использовалось в стадии передачи данных. Статусная стадия служит для сообщения о результате выполнения SETUP-стадии и стадии передачи данных. Статусная информация всегда передается от функции к хосту. При управляющей записи (Control Write Transfer) статусная информация передается в фазе передачи данных статусной стадии транзакции. При управляющем чтении (Control Read Transfer) статусная информация возвращается в фазе согласовании статусной стадии транзакции, после того как хост отправит пакет данных нулевой длины в предыдущей фазе передачи данных.

Пересылки с прерыванием могут содержать INили OUT-пересылки. При получении

IN-пакета функция может вернуть пакет с данными, NAK-пакет или STALL-пакет. Если у функции нет информации, для которой требуется прерывание, то в фазе передачи данных функция возвращает NAK-пакет. Если работа КТ с прерыванием приостановлена, то функция возвращает STALL-пакет. При необходимости прерывания функция возвращает необходимую информацию в фазе передачи данных. Если хост успешно получил данные, то он посылает ACK-пакет. В противном случае согласующий пакет хостом не посылается.

Изохронные транзакции содержат фазу передачи признака и фазу передачи данных,

но не имеют фазы согласования. Хост отсылает INили OUT-признак, после чего в фазе передачи данных КТ (для IN-признака) или хост (для OUT-признака) пересылает данные.

Изохронные транзакции не поддерживают фазу согласования и повторные посылки данных в случае возникновения ошибок.

В связи с тем, что в интерфейсе USB реализован сложный протокол обмена информацией, в устройстве сопряжения с интерфейсом USB необходим микропроцессорный блок, обеспечивающий поддержку протокола. Поэтому основным вариантом при разработке устройства сопряжения является применение микроконтроллера, который будет обеспечивать поддержку протокола обмена. В настоящее время все основные производители микроконтроллеров выпускают продукцию, имеющую в своем составе блок USB.

166

7.4 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Каковы различия между синхронным и асинхронным способами передачи информации?

2.Что такое делитель частоты?

3.В каких единицах может измеряться скорость приема-передачи данных?

4.Перечислите способы обработки сигналов, получаемых через COM-порт.

5.Какие причины возникновения прерываний могут быть отслежены через регистр идентификации прерываний?

6.Укажите, какие регистры COM-порта необходимо модифицировать в программе, где предусмотрена собственная обработка прерываний по линии IRQ4?

7.В каких случаях мышь посылает информационный пакет байтов?

8.Поясните структуру пакета байтов для мыши.

9.Какие различия в обработке перемещений мыши для двух- и трехкнопочной мыши Вам известны?

10.Какие отличия для режимов работы LPT-порта Вы знаете?

7.5УПРАЖНЕНИЯ

Задание. Мышь начинает бегать по экрану только после щелчка по левой кнопке. При щелчке по правой мышь прекращает движение. Выгрузка программы - при одновременном нажатии на все кнопки.

;Стирает или восстанавливает курсор

XorPut proc push es pusha

;Вычисляем адрес байта видеопамяти в котором находится атрибут

;символа с координатами (X,Y) по формуле:

;адрес=0B800h:((Y*80)+X)*2+1

;Процедура восстановления старых значений портов и старого

;обработчика