Билет № 10.-ипу Архитектура шины usb
Увеличение числа устройств, подключаемых к ПК, и, соответственно, развитие внешних интерфейсов привело к довольно неприятной ситуации: с одной стороны, компьютер должен иметь множество различных разъемов, а с другой – большая часть из них не используется. Другая проблема – каждое периферийное устройство имеет свой протокол обмена, что требует конкретного драйвера обслуживания, увеличивая занятость памяти и ОС.
Для устранения ряда недостатков, связанных с тем, что каждое ПУ подключалось в ПК с помощью специализированного интерфейса, была разработана спецификация нового универсального последовательного интерфейса USB.
Обычная архитектура шины USB подразумевает подключение одного или нескольких USB - устройств к компьютеру. Компьютер в такой конфигурации является главным управляющим устройством и называется хостом. Подключение устройств к хосту производится с помощью кабелей. Для соединения компьютера и устройства используется хаб. Если ПК имеет встроенный хаб, то этот хаб называется корневым хабом. На рис. 4.6 представлена общая архитектура шины USB.
Согласно спецификации на интерфейс USB устройства, работающие на шине могут иметь следующее назначение: а) хабы; б) функции – ПУ, подключенные к хабу; в) комбинированные устройства – ПУ со встроенным хабом. Физическое соединение устройств, соединенных по шине USB по топологии представляет собой многоярусную звезду, вершиной которой является корневой хаб (рис. 4.7).
Таким образом, каждый кабельный сегмент соединяет между собой две точки:
хост с хабом или с функцией;
хаб с функцией или с другим хабом.
Хаб 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).
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 опрашивать их состояние.
Повторитель представляет собой
управляемый ключ, соединяющий выходной
порт с входным. Он имеет средства сброса
и приостановки передачи сигналов.
ПК (хост)
Хаб о
о о о
USB -
. . . устройства
Рис. 4.6. Общая архитектура шины USB
ХОСТ
Корневой
хаб
функция
хаб
функция
функция
функция
хаб
функция
функция
Рис. 4.7.Физическая архитектура USB
Нисходящие порты хабов могут находится в следующих состояниях:
питание отключено (Powered off) - на порт не подается питание (возможно только для хабов, коммутирующих питание). Выходные буферы переводятся в высокоимпедансное состояние, входные сигналы игнорируются;
отсоединен (Disconnected) - порт не передает сигналы ни в одном направлении, но способен обнаружить подключение устройства;
запрещен (Disable) - порт передает только сигнал сброса (по команде контроллера), сигналы от порта (кроме обнаружения отключения) не воспринимаются;
разрешен (Enabled) - порт передает сигналы в обоих направлениях. По команде контроллера или по обнаружении ошибки кадра порт переходит
в состояние запрещен, а по обнаружении отключения - в состояние отсоединен;
• приостановлен (Suspended) - порт передает сигнал перевода в состояние останова ("спящий режим"). Если хаб находится в активном состоянии сигналы через порт не пропускаются ни в одном направлении.
Состояние каждого порта идентифицируется контроллером хаба с помощью отдельных регистров. Имеется общий регистр, биты которого отражают факт изменения состояния каждого порта. Это позволяет хосту быстро узнать состояние хаба, а в случае обнаружения изменений специальными транзакциями уточнить состояние.
Корневой хаб расположен в одном из чипсетов. Всего через один корневой хаб может быть подключено до 127 устройств (хабов и функций (ПУ)). Версия USB 1.0 имеет относительно невысокую пропускную способность шины равную 12 Мбит/с. Поэтому, оптимальным считается подключение 4-5 устройств, так как с увеличением числа устройств снижается скорость обмена передачи.
Версия USB 2.0 имеет пиковую пропускную способность 480 Мбит/с. Этого вполне хватает для подключения принтеров, сканеров, цифровых фотокамер и др. подобных ПУ. Но для более быстродействующих ПУ типа внешние носители требуются более скоростные интерфейсы. Длина кабеля для интерфейса USB в среднем 2-5 метров в зависимости от версии.
Шина USB представляет собой четырехжильный кабель. Кабель USB содержит одну экранированную пару с импедансом 90 Ом для сигнальных цепей и одну не экранированную для подачи питания (+5В) (рис. 4.8).
Рис. 4.8. USB - кабель
На концах кабеля монтируются разъемы типов «А» и «В». С помощью разъема «А» кабель подключается к хабу, разъем «В» предназначен для подключения кабеля к ПУ.
Назначение выводов разъема USB следующее:
Контакт 1 – питание (+5В);
Контакт 2 – данные ( D - );
Контакт 3 – данные ( D + );
Контакт 4 – GND.
По одной паре “D+“ и “D-” линий шины USB передаются данные, по другой – питание, которое при необходимости подключается автоматически к ПУ. В шине используется дифференциальный способ передачи сигналов “D+“ и “D-” по двум проводам. Передача цифровых данных («0» и «1») задается не только двумя уровнями сигналов. Устанавливается так называемый порог срабатывания (порог передачи), который зависит от скорости передачи.
Скорость передачи определяется рабочим быстродействием подключаемого устройства. Скорость устройства, подключенного к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов на линиях “D+“ и “D-”, смещаемых нагрузочными резисторами приемопередатчиков.
Шина USB позволяет производить обмен информацией с периферийными устройствами на трех скоростях :
низкоскоростной (Low Speed - LS) - 1,5 Мбит/с (используется для интерактивных устройств: клавиатуры, мыши, джойстики)
полноскоростной (Full Speed - FS) - 12 Мбит/с (аудио/видео устройства);
высокоскоростной (High Speed - HS) - 480 Мбит/с (видео устройства, устройства хранения информации) – только для версии USB 2.0.
Скорость передачи данных (LS, FS или HS) выбирается разработчиками периферийного устройства в соответствии со схемотехническими возможностями этого устройства. Дифференциальный подход организуется путем подключения резистора к линии D+ или D- (рис. 4.9). Этим формируются разные пороги, и хаб определяет тип устройства по скорости обмена.
Конечная точка (endpoint) - это часть USB - устройства, которая имеет уникальный идентификатор и является получателем или отправителем информации, передаваемой по шине USB. Проще говоря, это буфер, сохраняющий несколько байт. Каждое устройство имеет набор независимых конечных точек (иногда называемых портами ПУ), с которыми программное обеспечение ПК обменивается информацией.
а)
Устройство
LS
Приемо- передатчик
D-
R
+3,3 В
б)
Устройство
FS
Приемо- передатчик
D-
R
+3,3 В
Рис. 4.9. Подсоединение резисторов для а) LS-устройства и б) FS-устройства
Конечная точка имеет следующие основные параметры:
частота доступа к шине;
допустимая величина задержки обслуживания;
требуемая ширина полосы пропускания канала;
номер конечной точки;
способ обработки ошибок;
максимальный размер пакета, который конечная точка может принимать или отправлять;
используемый конечной точкой тип посылок;
направление передачи данных.
Каждому устройству на шине USB, как ПУ, так и хабу, назначается свой адрес (0 - 127) при автоконфигурации устройств. Каждая точка (порт) устройства идентифицируется своим номером (0-15) и направлением передачи (IN – передача к хосту, OUT – передача от хоста). Любое USB - устройство имеет конечную точку с нулевым номером (Endpoint Zero). Эта точка позволяет хосту опрашивать устройство с целью определения его типа и параметров, выполнять инициализацию и конфигурирование устройства.
Спецификация USB достаточно жестко определяет набор свойств, которые должно поддерживать любое USB - устройство:
адресация — устройство должно отзываться на назначенный ему уникальный адрес, и только на него;
конфигурирование - после включения или сброса устройство должно предоставлять нулевой адрес для возможности конфигурирования его портов;
передача данных - устройство имеет набор конечных точек для обмена данными с хостом. Для конечных точек, допускающих разные типы передач, после конфигурирования доступен только один из них;
управление энергопотреблением - любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. При конфигурировании устройство заявляет свои потребности тока, но не более 500 мА. Если хаб не может обеспечить устройству заявленный ток, устройство не будет использоваться;
приостановка - устройство USB должно поддерживать приостановку (Suspended mode), при которой его потребляемый ток не превышает 500 мкА. Устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины;
удаленное пробуждение - возможность удаленного пробуждения (Remote Wakeup) позволяет приостановленному устройству подать сигнал хосту, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена.