link420 link421 link422 link423 link424 link425 link426 link427 link428 link429 link430 link431 link432 link433 link434 link435 link436 link437 link438 link439 link440 link441 link442 link443 link444 link445 link446 link447 link448 link449 link450 link451 link452 link453 link454 link455 link456 link457 link458 link459 link460 link461 link462 link463 link464 link465 link466 link467 link468 link469 link470 link471 link472 link473 link474 link475 link476 link477 link478 link479 link480 link481 link482 link483 link484 link485 link486 link487 link488 link489 link490 link491 link492 link493 link494 link495 link496 link497 link498 link499 link500 link501 link502 link503 link504 link505 link506 link507 link508 link509 link510 link511 link512 link513 link514 link515 link516 link517 link518 link519 link520 link521 link522 link523 link524 link525 link526 link527 link528 link529 link530 link531 link532 link533 link534 link535 link536 link537 link538 link539 link540 link541 link542 link543 link544 link545 link546 link547 link548 link549 link550 link551 link552 link553 link554 link555 link556 link557 link558 link559

PersCom — Компьютерная Энциклопедия Компьютерная Энциклопедия

USB

Физический интерфейс USB

Кабели и разъемы

Кабель USB содержит две пары проводов: одну для сигнальных цепей (D+ и D-) и одну пару для схемной земли (GND) и подачи питания +5 В (Vbus). Допустимая длина сегмента (кабеля от устройства до хаба) — до 5 м. Ограничения на длину сегмента диктуются затуханием сигнала и вносимыми задержками. Задержка распространения сигнала по кабельному сегменту не должна превышать 26 нс, так что при большой погонной задержке допустимая длина кабеля может сократиться. Максимальное удаление устройства от хост-контроллера определяется задержкой, вносимой кабелями, промежуточными хабами и самими устройствами.

В кабеле USB 1.x для сигнальных цепей используется витая пара проводов калибра 28AWG с импедансом 90 Ом. Характеристики кабеля нормированы в частотном диапазоне до 16 МГц. Для питания используется неперевитая пара проводов калибра 20AWG–28AWG. Требований к экранированию кабелей в USB 1.x не выдвигалось. Для низкой скорости может использоваться кабель с неперевитой парой сигнальных проводов (он дешевле и тоньше), но его длина не должна превышать 3 м.

В кабелях USB 2.0 используются провода тех же калибров, но в спецификации описана конструкция кабеля, в которую входит обязательный экран и связанный с ним дополнительный проводник. Такой кабель пригоден для работы на любых скоростях, включая и HS (480 Мбит/с).

Разъемы USB сконструированы с учетом легкости подключения и отключения устройств. Для обеспечения возможности «горячего» подключения разъемы обеспечивают более раннее соединение и позднее отсоединение питающих цепей по отношению к сигнальным. В USB определено несколько типов разъемов:

  • тип «A»: гнезда (рисунок а) устанавливаются на нисходящих портах хабов, это стандартные порты подключения устройств. Вилки типа «A» устанавливаются на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов;
  • тип «B»: используются для шнуров, отсоединяемых от периферийных устройств и восходящих портов хабов (от «мелких» устройств — мышей, клавиатур и т. п. кабели, как правило, не отсоединяются). На устройстве устанавливается гнездо (рисунок б), на кабеле — вилка;
  • тип «Mini-B» (рисунок в): используются для отсоединяемых шнуров малогабаритных устройств;
  • тип «Mini-A»: введен в спецификации OTG, вилки используются для подключения устройств к портам малогабаритных устройств с гнездом «mini-AB».
  • тип «Mini-AB»: гнезда введены в спецификации OTG для портов двухролевых устройств, которые могут вести себя как хост (если в гнездо вставлена вилка miniA) или как периферийное устройство (если в гнездо вставлена вилка mini-B).

Назначение выводов разъемов USB приведено в таблице, нумерация контактов показана на рисунке выше. Штырьковые разъемы, устанавливаемые на системной плате (рисунок г), предназначены для кабелей-«выкидышей», которыми подключаются дополнительные разъемы USB, устанавливаемые на передней или задней стенках корпуса компьютера (иногда и на боковых). На эти разъемы порты выводятся парами, причем у разных производителей подход к универсальности и защите от ошибочных подключений различен. Подключение «выкидыша», не подходящего к разъему, приводит к неработоспособности порта (к счастью, как правило, временной). Ошибка в подключении цепей GND и +5V может приводить к нагреванию кабелей и разъемов из-за короткого замыкания питающей цепи.

Все кабели USB «прямые» — в них соединяются одноименные цепи разъемов, кроме цепи ID, используемой для идентификации роли устройства в OTG. На вилке mini-A контакт 4 (ID) соединен с контактом 5 (GND), что заставляет порт, к которому подсоединена такая вилка, взять на себя роль нисходящего порта хаба. На вилке miniB такого соединения нет.

Ошибка в полярности подводимого питания может повредить подключаемое устройство (и необратимо). По этой причине наиболее безопасными для подключаемого устройства являются внешние разъемы USB, запаянные на системной плате или карте контроллера USB.

 

Таблица. Назначение выводов разъема USB

Цепь Контакт стандартного разъема Контакт миниразъема
VBus (+5 В) 1 1
D– 2 2
D+ 3 3
GND 4 5
ID - 4


Приемопередатчики

Для передачи сигналов используются два провода D+ и D–. На каждой стороне интерфейса (порте хаба и подключенного устройства, см. рисунок ниже) имеются:

  • дифференциальный приемник, выход которого используется при приеме данных;
  • управляемый (отключаемый) дифференциальный FS/LS-передатчик — источник напряжения, позволяющий кроме дифференциального сигнала формировать и «линейный 0» (SE0), а также отключаться для обеспечения полудуплексного обмена;
  • линейные приемники, сообщающие текущее состояние каждого сигнального провода;
  • резисторы, подтягивающие уровни сигналов для обнаружения подключения устройства:
          — Rd1, Rd2 (15 кОм) у хаба;
          — Ruf (у FS/HS-устройства) или Rul (у LS-устройства);
  •  Дополнительные элементы для работы на высокой скорости (только для устройств HS):
          — коммутатор, отключающий резистор Ruf при выборе высокой скорости;
          — последовательные резисторы Rz1 и Rz2 на выходах дифференциального передатчика, обеспечивающие согласование с линией и нагрузку;
          — управляемый дифференциальный источник тока;
          — детектор амплитуды сигнала;
          — детектор отключения (только на нисходящих портах хабов).

Уровни сигналов передатчиков FS/LS в статическом режиме должны быть ниже 0,3 В (низкий уровень) или выше 2,8 В (высокий уровень). Приемники должны выдерживать входное напряжение в пределах –0,5...+3,8 В. Чувствительность дифференциальных приемников — 200 мВ при синфазном напряжении 0,8–2,5 В. Линейные приемники должны обладать гистерезисом с нижним порогом 0,8 В и верхним порогом 2 В.

Передача данных

Передача по двум проводам USB не ограничивается лишь дифференциальными сигналами. Приемники и передатчики позволяют использовать множество состояний линий и команд, используемых для организации аппаратного интерфейса. При этом учитываются не только уровни электрических сигналов, но и время нахождения их в том или ином состоянии. По уровням напряжения на входах приемников различают сигналы:

  • Diff0: (D+) — (D-) > 200 мВ при (D+) > 2 В;
  • Diff1: (D-) — (D+) > 200 мВ при (D-) > 2 В;
  • SE0 (single-ended zero): (D+) < 0,8 В и (D-) < 0,8 В.

Для передачи данных используются сигналы Diff0 и Diff1, они кодируют состояния J (Data J State) и K (Data K State). На полной и высокой скорости состояние J соответствует сигналу Diff1, состояние K — сигналу Diff0. На низкой скорости назначение обратное: J — Diff0 и K — Diff1. Последовательная передача информации ведется с использованием кодирования NRZI (см. рисунок ниже): при передачи нулевого бита в начале битового интервала состояние сигнала (J или K) меняется на противоположное; при передаче единичного — не меняется. Длительность битового интервала определяется номинальной частотой передачи: 0,666… мкс для низкой скорости (LS, 1,5 Мбит/с); 83,3… нс для полной (FS, 12 Мбит/с) и 2,0833… нс для высокой (HS, 480 Мбит/с).

Состояние покоя (Bus Idle) на FS/LS соответствует длительному состоянию J, а на HS — состоянию SE0.

Признаком начала пакета является переход из состояния покоя в состояние K, что является первым битом синхропоследовательности (Sync), — последовательности нулей, которая в NRZI кодируется переключением состояний (J и K) в начале каждого битового интервала. Синхропоследовательность позволяет приемнику настроиться на нужною частоту и фазу синхронизации. Синхропоследовательность завершает единичный бит (нет смены состояния), последующие за ним биты относятся к идентификатору и телу пакета. На HS начальная часть синхропоследовательности может быть потеряна хабом (из-за задержки реакции на детектор сигнала). С учетом этого синхросполедовательность для HS удлинена до 32 бит (включая последний единичный бит). Проходя через 5 хабов, каждый из которых может потерять до 4 синхробит, синхропоследовательность может оказаться сокращенной до 12 бит.

Для того чтобы синхронизация не терялась на монотонном сигнале (при передаче длинной последовательности единиц), применяется техника вставки бит (bit stuffing): после каждых 6 подряд следующих единиц передатчик вставляет «0», приемник эти вставленные биты удаляет. Если принимается более 6 единиц подряд, это считается ошибкой вставки бит.

Конец пакета (EOP) на FS/LS обозначается сигналом SE0, длящимся 2 битовых интервала, за которым следует переход в состояние покоя (Bus Idle). На HS для признака EOP используется нарушение правила вставки бит. Здесь в качестве EOP используется передача последовательности 01111111 без вставки бит. Прием седьмой единицы вызовет индикацию ошибки вставки бит, которая на HS и является признаком конца пакета. Нормальный пакет при этом от действительно ошибочного будет отличаться целым количеством принятых байт (это условие может и не проверяться) и верным значением CRC. Начальный нолик (вызывающий смену состояния) в EOP облегчает точное определение границы тела пакета. В пакетах SOF поле EOP удлинено до 40 бит для обнаружения отключения устройства.



Особенности сигналов в режиме HS

Высокая скорость (480 Мбит/с — всего в 2 раза медленнее, чем Gigabit Ethernet) требует тщательного согласования приемопередатчиков и линий связи. На этой скорости может работать только кабель с экранированной витой парой для сигнальных линий. Для высокой скорости аппаратура USB должна иметь дополнительные специальные приемопередатчики. К разводке проводов на печатной плате устройства от интерфейсной микросхемы USB до разъема (или подключения кабеля) предъявляют жесткие требования (максимальная длина, совпадение длин сигнальных проводников, удаленность от других сигнальных цепей, окружение «землей»).

В отличие от формирователей потенциала для режимов FS и LS передатчики HS являются источниками тока, ориентированными на наличие резисторов-терминаторов на обеих сигнальных линиях. Роль терминаторов играют резисторы Rz1 и Rz2 (см. рис. 12.2): при работе на HS дифференциальный передатчик FS/LS формирует SE0, то есть оба его выхода заземляются и эти резисторы оказываются нагрузками для линий D+ и D-. Их сопротивление (с учетом выходного импеданса передатчика) составляет 2×45 = 90 Ом, что и обеспечивает согласование с волновым сопротивлением линии (90 Ом). Устройство и хаб включают свои HS-терминаторы (и отключают Ruf) после успешного взаимного подтверждения режима HS, выполняемого в процессе сброса устройства.

Дифференциальные токовые передатчики формируют импульсы тока с номинальным значением 17,78 мА, который протекает через нагрузку 22,5 Ом (два нагрузочных резистора на обоих концах каждой сигнальной линии соединяются параллельно). При передаче сигнала J ток пропускается в линию D+, при K — в D-. Таким образом обеспечивается дифференциальный сигнал передачи около ±400 мВ.

На вход дифференциального приемника сигнал придет ослабленным; чтобы исключить влияние шумов, в схему устройства введен детектор амплитуды сигнала с порогом 100–150 мВ. Сигнал с дифференциального приемника игнорируется, пока не сработает детектор амплитуды сигнала (в спецификации USB этот прием называется receiver squelch). От срабатывания детектора амплитуды до включения дифференциального приемника может быть задержка до 4 bt, но это приведет лишь к сокращению длины принятой синхропоследовательности в начале пакета.

К статическим (уровни) и динамическим (длительности и время нарастания и спада) параметрам сигналов на HS предъявляются жесткие требования, и существуют специальные шаблоны (Eye Pattern), в которые должны укладываться сигналы. Для тестирования могут быть использованы широкополосные (не уже 1 ГГц) дифференциальные осциллографы и генераторы; выпускаются и специализированные тестеры устройств USB 2.0. Для тестирования HS-устройств (включая и хабы) в USB 2.0 определены специальные управляющие запросы, переводящие выбранный порт в тестовый режим. В стандартных запросах определены следующие тесты:

  • Test_SE0_NAK — перевод порта в HS-режим для тестирования выходного импеданса, уровня сигнала SE0 и нагрузочных характеристик;
  • Test_J — передача состояния J (подача тока в D+) для проверки уровня сигнала, выводимого на линию D+;
  • Test_K — передача состояния K (подача тока в D-) для проверки уровня сигнала, выводимого на линию D-;
  • Test_Packet — передача пакетов фиксированной структуры, позволяющая проверять динамические параметры сигнала и подключенные к нему приемники. Тестовый пакет выглядит как пакет данных DATA0, у которого в поле данных последовательно расположены 6 тестовых образцов (test pattern). Далее приводятся последовательности сигналов, передающихся на шину в этих образцах (вставка бит уже произведена):
          — Pattern 1 — 36 пар «JK»;
          — Pattern 2 — 16 повторов «JJKK»;
          — Pattern 3 — 8 повторов «JJJJKKKK» (4J и 4K);
          — Pattern 4 — 8 повторов «JJJJJJJKKKKKKK» (7J и 7K);
          — Pattern 5 — 8 повторов «JJJJJJJK» (7J и 1K);
          — Pattern 6 — 10 повторов «JKKKKKKK» (1J и 7K).
  • Test_Force_Enable — принудительный перевод нисходящих портов хаба в режим HS, даже при отключенных устройствах (для настройки детектора отключения).


Специальная сигнализация: обнаружение подключения-отключения, сброс устройств, приостановка и пробуждение

Хаб обнаруживает подключение устройства по уровням напряжения на линиях D+ и D–:

  • при отключенном устройстве на линиях D+ и D- уровни сигнала низкие (состояние SE0), что обусловлено резисторами Rd1 и Rd2 хаба;
  • при подключении LS-устройства повышается уровень сигнала D- за счет резистора Rul в устройстве (переход в состояние LS-Idle);
  • при подключении FS/HS-устройства повышается уровень сигнала D+ за счет резистора Rul в устройстве (переход в состояние FS-Idle).

Последовательность обнаружения подключения и сброса устройств FS и LS приведена на рисунках а и б соответственно. Хаб следит за сигналами нисходящего порта и сигнализирует об их смене. После обнаружения смены состояния системное ПО выжидает около 100 мс (время на успокоение сигналов) и проверяет состояния порта. Обнаружив факт подключения и тип устройства (LS или FS/HS), ПО дает для этого порта команду сброса шины.

Для выполнения сброса шины (команда Bus Reset) хаб опускает уровень поднятого устройством сигнала (D+ или D) на 10–20 мс (то есть подает сигнал SE0 в течение 10–20 мс). Считается, что через 10 мс после этого сброса устройство должно быть готово к конфигурированию (отзываться только на обращения к EP0 по нулевому адресу устройства).

Сброс шины для устройства HS запускает протокол согласования скорости. При подключении, как и по сигналу сброса, HS-устройство устанавливает свои схемы в состояние FS (отключая терминаторы и включая Ruf). Таким образом, поначалу HS-устройство выглядит для хаба как FS-устройство. Для согласования скорости используется так называемое «чириканье» (chirp-sequence): в ответ на состояние SE0, введенное хабом для сброса (заземлением линии D+), HS-устройство своим дифференциальным токовым передатчикам вводит состояние «chirp-K» (пуская импульс тока в линию D-). На этот импульс HS-хаб ответит импульсом на линии D+, так что получится состояние «chirp-J». Такой обмен импульсами повторяется еще дважды; после успеха согласования и устройство и хаб принимают режим работы HS (и резистор Ruf отключается). Все это «чириканье» занимает 10–20 мс, после чего шина переходит в состояние покоя HS-Idle (длительный сигнал SE0). Теперь хосту надо снова опросить состояние порта хаба, чтобы уточнить режим подключенного устройства (FS или HS). Если HS-устройство подключено к FSпорту, хаб на «чириканье» устройства не ответит.

Отключение устройств FS/LS обнаруживается хабом просто по длительному (более 2 мкс) состоянию SE0. Этот факт хаб доводит до сведения системного ПО (USBD), чтобы устройство было вычеркнуто из всех рабочих списков. Отключение устройств HS таким способом обнаружить не удается, поскольку состояние шины (SE0) при отключении устройства не изменится. Для обнаружения отключения HS-устройства используют эффект отражения сигнала при потере согласованности линии. Специально для этих целей в схему хаба введен дополнительный детектор отключения, а в маркере микрокадра SOF признак EOP (0111…111) удлинен до 40 битовых интервалов. Транслируя SOF на высокоскоростной порт, детектор отключения следит за уровнем сигнала J, и если он превышает порог (625 мВ дифференциального сигнала), значит, нагрузки на другой стороне нет, то есть устройство отключено. Удлинение EOP необходимо, поскольку устройство может отключиться внутренне, и из-за задержки в кабеле устройства (2×26 нс) отраженный сигнал может задержаться до 25 нс. С целью сокращения накладных расходов это удлинение EOP сделали только для пакетов SOF, появляющихся всего раз в 125 мкс.

Команду приостановки устройства — Suspend хаб сигнализирует длительным состоянием покоя (Bus Idle). При этом он должен переставать транслировать все кадры, включая и маркеры микрокадров на порты, для которых подается эта команда. На порты, работающие в LS-режиме, маркеры кадров не транслируются; чтобы LS-устройство не приостанавливалось при отсутствии полезного трафика, ему вместо маркеров SOF хаб с тем же периодом посылает сигнал LS-EOP (SE0 в течении 1,33 мкс). Приостановка делается не менее чем на 20 мс — за это время устройство должно успеть перейти в приостановленное состояние и стать готовым к получению сигнала возобновления.

Команду приостановки HS-порта хаб сигнализирует покоем (SE0) в течение 3 мс, после чего переключает свои цепи в режим FS (отключает терминаторы), но помнит, что порт находится в режиме HS. Для HS-устройства команда приостановки поначалу неотличима от сброса. Чтобы их различить, через 3–3,125 мс непрерывного состояния SE0 HS-устройство переключает свои цепи в режим FS (отключает терминаторы и включает Ruf). Далее, через 100–875 мкс устройство проверяет состояние линий. Если обе лини D+ и D- оказались в низкоуровневом состоянии, значит, хаб подал команду сброса (и устройство должно выполнить chirp-последовательность). Если уровень D+ высокий, а D- низкий (FS-Idle), то это сигнал к приостановке. Таким образом, по состоянию сигналов на шине приостановка выглядит как покой LS/FS — то есть состояние J.

Сигналом к возобновлению работы (resume) является перевод шины в состояние K на длительное время (20 мс), достаточное для «оживления» устройств, после чего хаб посылает сигнал LS-EOP (SE0 в течение 1,33… мкс). После этого шина переходит в состояние покоя соответствующей скорости и начинает передаваться трафик. Сигнал возобновления может подать как хаб, так и приостановленное устройство; последний случай называется удаленным пробуждением. По сигналу возобновления устройство, работавшее в HS-режиме, и его порт хаба переключают свои цепи в HS-режим без всякого согласования (они помнят свой режим).

Удаленное пробуждение — Remote Wakeup — это единственный случай на USB, когда сигнальную инициативу проявляет устройство (а не хост). Сигнал пробуждения может подать только приостановленное устройство, для которого шина находится в FS/LS-состоянии J (резисторами подтягивается вверх D+ или D-). Для сигнализации пробуждения устройство на некоторое время (1–15 мс) формирует состояние K, которое воспримется хабом как сигнал Resume и транслируется им на восходящий порт и на все разрешенные нисходящие порты, включая и тот порт, с которого пришел данный сигнал.