link0 link1 link2 link3 link4 link5 link6 link7 link8 link9 link10 link11 link12 link13 link14 link15 link16 link17 link18 link19 link20 link21 link22 link23 link24 link25 link26 link27 link28 link29 link30 link31 link32 link33 link34 link35 link36 link37 link38 link39 link40 link41 link42 link43 link44 link45 link46 link47 link48 link49 link50 link51 link52 link53 link54 link55 link56 link57 link58 link59 link60 link61 link62 link63 link64 link65 link66 link67 link68 link69 link70 link71 link72 link73 link74 link75 link76 link77 link78 link79 link80 link81 link82 link83 link84 link85 link86 link87 link88 link89 link90 link91 link92 link93 link94 link95 link96 link97 link98 link99 link100 link101 link102 link103 link104 link105 link106 link107 link108 link109 link110 link111 link112 link113 link114 link115 link116 link117 link118 link119 link120 link121 link122 link123 link124 link125 link126 link127 link128 link129 link130 link131 link132 link133 link134 link135 link136 link137 link138 link139

PersCom — Компьютерная Энциклопедия Компьютерная Энциклопедия

USB

Протокол шины USB

Транзакции и пакеты

Протокол шины USB обеспечивает обмен данными между хостом и устройством. На протокольном уровне решаются такие задачи, как обеспечение достоверности и надежности передачи, управление потоком. Весь трафик на шине USB передается посредством транзакций, в каждой транзакции возможен обмен только между хостом и адресуемым устройством (его конечной точкой).

Все транзакции (обмены) с устройствами USB состоят из двух-трех пакетов, типовые последовательности пакетов в транзакциях приведены на рис. 1. Каждая транзакция планируется и начинается по инициативе хост-контроллера, который посылает пакет-маркер транзакции (token packet). Маркер транзакции описывает тип и направление передачи, адрес выбранного устройства USB и номер конечной точки. Адресуемое маркером устройство распознает свой адрес и готовится к обмену. Источник данных, определенный маркером, передает пакет данных. На этом этапе транзакции, относящиеся к изохронным передачам, завершаются — здесь нет подтверждения приема пакетов. Для остальных типов передач работает механизм подтверждения, обеспечивающий гарантированную доставку данных. Форматы пакетов приведены на рис. 2, типы пакетов — в таблице. Во всех полях пакетов, кроме поля CRC, данные передаются младшим битом вперед (на временных диаграммах младший бит изображается слева). Пакет начинается с синхропоследовательности Sync и завершается признаком конца — EOP. Тип пакета определяется полем PID. Назначение остальных полей раскрывается далее. Длина полей Sync и EOP указана для передач на FS/LS, для высокоскоростных передач поле Sync удлинено до 32 битовых интервалов, а EOP до 8 (в пакетах SOF поле EOP имеет длину 40 бит).

 

 

 

Таблица. Типы пакетов и их идентификаторы PID

Имя
Код PID Содержимое и назначение
Пакеты-маркеры (Token)
OUT 0001 Маркер транзакции вывода, несет идентификатор конечной точки (адрес устройства и номер точки; направление точки определяется кодом PID)
IN 1001 Маркер транзакции ввода, несет идентификатор конечной точки (адрес устройства и номер точки; направление точки определяется кодом PID)
SETUP 1101 Маркер транзакции управления, несет идентификатор конечной точки (адрес устройства и номер точки)
SOF 0101 Маркер начала микрокадра, несет 11-битный номер кадра (вместо полей Addr и EndP)
PING 0100 Пробный маркер управления потоком (в USB 2.0)
Пакеты данных
DATA0 0011 Пакеты данных; чередование PID позволяет различать четные и нечетные пакеты для контроля правильности подтверждения
DATA1 1011
DATA2 0111 Дополнительные типы пакетов данных, используемые в транзакциях с широкополосными изохронными точками (в USB 2.0 для HS)
MDATA 1111
Пакеты квитирования (Handshake)
ACK 0010 Подтверждение безошибочного приема пакета
NAK 1010 Индикация занятости (неготовности конечной точки к обмену данными, незавершенности обработки транзакции управления)
STALL 1110 Конечная точка требует вмешательства хоста
NYET 0110 Подтверждение безошибочного приема, но указание на отсутствие места для приема следующего пакета максимального размера (в USB 2.0)
Специальные пакеты (Special)
PRE 1100 Преамбула (маркер) передачи на низкой скорости (разрешает трансляцию данных на низкоскоростной порт хаба)
ERR 1100 Сигнализация ошибки в расщепленной транзакции (в USB 2.0)
SPLIT (SS и CS) 1000 Маркер расщепленной транзакции (в USB 2.0). В зависимости от назначения обозначается как SS (маркер запуска) и CS (маркер завершения), назначение определяется битом SC в теле маркера

 

 



Контроль и обработка ошибок передачи

Все принимаемые пакеты проверяются на наличие ошибок, что позволяют принятые форматы пакета и некоторые соглашения:

  • пакет начинается с синхронизирующей последовательности, за которой следует его идентификатор PID (Packet Identificator). За идентификатором следует его инверсная копия — Check. Несовпадение двух копий считается признаком ошибки;
  • тело пакета (все поля пакета, исключая PID и признак EOP) защищается CRCкодом: 5-битным для пакетов-маркеров, 16-битным — для пакетов данных. Несовпадение CRC с ожидаемым значением считается признаком ошибки;
  • пакет завершается специальным сигналом EOP; если в пакете оказывается не целое число байт, он считается ошибочным. Ложный EOP, даже на границе байта, не позволит принять пакет из-за практически неизбежной в данной ситуации ошибки по CRC-контролю;
  • на физический уровень (в шину) данные пакета передаются с использованием вставки бит (bit stuffing, после шести единичных бит вставляется нолик), что предотвращает потерю битовой синхронизации при монотонном сигнале. Прием более шести единичных бит подряд считается ошибкой (на HS — признаком конца кадра).

Обнаружение любой из перечисленных ошибок в пакете заставляет приемник считать его недействительным. На пакеты, принятые с ошибкой, ни устройство, ни хост-контроллер никак не отвечают. При изохронной передаче данные недействительного пакета должны просто игнорироваться (они теряются); для остальных типов передач используются средства обеспечения надежной доставки.

Для обнаружения отсутствия ответа партнера на пакет каждое устройство имеет счетчик тайм-аута, который прерывает ожидание ответа по истечении некоторого времени. В USB имеется ограничение на время оборота по шине (roundtrip time): время от конца EOP сформированного пакета до получения начала ответного пакета. Для конечного устройства (и хост-контроллера) нормируется максимальная задержка ответа (response time) от конца увиденного EOP до введения им начала пакета. Для хабов нормируется задержка трансляции пакетов, для кабелей — задержка распространения сигналов. Счетчик тайм-аута должен учитывать максимальную задержку, возможную для допустимой конфигурации шины: до 5 промежуточных хабов, до 5 метров каждый кабель. Допустимое значение тайм-аута, выражаемое в битовых интервалах (bt), зависит от скорости:

  • для скоростей FS/LS задержка, вводимая одним кабельным сегментом, по сравнению с битовым интервалом (bt) невелика. Исходя из этого в USB 1.0 для расчета допустимых задержек принимается следующая модель. На каждый кабельный сегмент отводится допустимая задержка 30 нс, на хаб — 40 нс. Таким образом, пять промежуточных хабов со своими кабелями вносят во время двойного оборота задержку 700 нс, что на FS соответствует примерно 8,5 bt. Для FS-устройства задержка ответа не должна превышать 6,5 bt (а с учетом его кабеля — 7,5 bt). Исходя из этого спецификация предписывает передатчикам на FS использовать счетчик тайм-аута на 16–18 bt;
  • на скорости HS задержка в кабельном сегменте много больше битового интервала, и в USB 2.0 модель расчета несколько иная. Здесь на каждый кабельный сегмент отводится по 26 нс, а на хаб — по 4 нс плюс 36 bt. Таким образом, двукратное прохождение 6 кабельных сегментов (2×6×26 = 312 нс ≈ 150 bt) и пять хабов (2×5×4 = 40 нс ≈ 19 bt плюс 2×5×36 = 360 bt) занимает до 529 bt. Задержка ответа устройства допустима до 192 bt, а полная задержка с учетом кабелей и хабов будет до 721 bt. Исходя из этого спецификация предписывает передатчикам на HS использовать счетчик тайм-аута на 736–816 bt.

У хост-контроллера с каждой конечной точкой всех устройств связан свой счетчик ошибок, обнуляемый при планировании каждой транзакции. Этот счетчик считает все протокольные ошибки (включая и ошибки по тайм-ауту), и если число ошибок превышает порог (3), то канал с данной конечной точкой останавливается, о чем уведомляется его владелец (драйвер устройства или USBD). До превышения порога хост отрабатывает ошибки для неизохронных передач попытками повтора транзакций, без уведомления клиентского ПО. Изохронные передачи не повторяются, об обнаружении ошибок хост сообщает сразу.



Подтверждения, управление потоком и сигнализация ошибок устройства

Для подтверждений приема, управления потоком и сигнализации ошибок используются пакеты квитирования (handshake packets). Из этих пакетов хост-контроллер может посылать устройству только пакет ACK, подтверждающий безошибочный прием пакета данных. Устройство для ответа хосту использует следующие пакеты квитирования:

 ACK — подтверждение (положительное) успешного выполнения транзакции вывода или управления;
 NAK — отрицательное подтверждение, является признаком неготовности устройства к выполнению данной транзакции (нет данных для передачи хосту, отсутствует место в буфере для приема, не завершена операция управления). Это является нормальным ответом, о котором не узнает никто, кроме хост-контроллера, вынужденного повторить данную транзакцию позже. В транзакциях ввода ответ NAK устройство дает вместо пакета данных, если они не готовы;
 STALL — сообщение о серьезной ошибке, которое означает, что без специального программного вмешательства работа с данной конечной точкой становится невозможной. Этот ответ доводится до сведения и драйвера USBD, отменяющего дальнейшие транзакции с этой точкой, и до клиентского драйвера, от которого и ожидается программное вмешательство, разблокирующее точку. В управляющих транзакциях (Control) ответ STALL означает невыполнимость данного запроса; разблокирования точки при этом не требуется.

Управление потоком при выводе данных, основанное только на возможности ответа NAK в случае неготовности устройства, весьма неэффективно расходует пропускную способность шины: чтобы убедиться в неготовности устройства, по шине впустую передается большой пакет данных. В USB 2.0 этой неприятности в транзакциях Bulk-OUT и Control избегают, применив протокол проб (Ping Protocol). Хост может опросить готовность устройства к приему пакета максимального размера, послав ему маркер-пробник PING. На этот маркер устройство может ответить подтверждением ACK (при готовности) или NAK (если не способно принять пакет максимального размера). Отрицательный ответ заставит хост повторить пробу позже, положительный разрешит ему выполнить транзакцию вывода данных. На транзакцию вывода после положительного ответа на пробу ответы устройства более разнообразны:

  • ACK означает успешный прием и готовность принять следующий полноразмерный пакет;
  • NYET означает успешный прием, но неготовность к следующему пакету;
  • NAK — неожиданный ответ (он противоречит успеху пробы), но он возможен, если устройство внезапно стало временно не готово.

Высокоскоростное устройство в дескрипторах конечных точек сообщает о возможной интенсивности посылок NAK: поле bInterval для конечных точек типа Bulk и Control указывает число микрокадров, приходящееся на один NAK (0 означает, что устройство никогда не ответит NAK’ом на транзакцию вывода).



Надёжность и транзакции для разных типов передач

Передачи массивов, прерываний и управления обеспечивают надежную доставку данных. После успешного приема пакета приемник данных посылает подтверждение — пакет квитирования ACK. Если приемник данных обнаружил ошибку, пакет игнорируется и никакого ответа на него не посылается. Источник данных считает, что очередной пакет передан успешно, когда получает от приемника подтверждение ACK. Если подтверждение не приходит, то в следующей транзакции источник повторяет посылку того же пакета. Однако пакет подтверждения может быть потерян из-за помехи; чтобы в этом случае повторная посылка пакета приемником не воспринималась как следующая порция данных, пакеты данных нумеруются. Нумерация ведется по модулю 2 (1-битный номер): пакеты делятся на четные (с идентификатором DATA0) и нечетные (DATA1). Для каждой конечной точки (кроме изохронных) у хоста и в устройстве имеются биты-переключатели (Toggle Bit), их начальные состояния тем или иным способом согласуются. В транзакциях IN и OUT передаются и ожидаются пакеты данных с идентификаторами DATA0 или DATA1, соответствующими текущему состоянию этих бит. Приемник данных переключает свой бит в случае безошибочного приема данных с ожидаемым идентификатором, источник данных — по приему подтверждения. Если приемник получает безошибочный пакет с неожидаемым идентификатором, он посылает подтверждение ACK, но данные пакета игнорирует, поскольку этот пакет — повторная посылка уже принятых данных.

Транзакции для различных типов передач имеют протокольные различия, обусловленные гарантированием или не гарантированием пропускной способности, времени отклика, надежности доставки и синхронизированности ввода и вывода. В зависимости от этих характеристик в транзакциях используются те или иные из вышеописанных протокольных механизмов. Отметим, что обнаружение ошибок передачи работает во всех транзакциях, так что данные, принятые с ошибкой, всегда игнорируются. Какие именно протокольные механизмы используются в текущей транзакции, «знает» и хост-контроллер (по ранее полученному дескриптору конечной точки), и устройство USB, в котором эта конечная точка реализована.



Транзакции изохронных передач

Изохронные транзакции обеспечивают гарантированную скорость обмена, но не обеспечивают надежности доставки. По этой причине в протоколе отсутствуют подтверждения, поскольку повтор пакета приведет к сбою в планах доставки данных. Управление потоком, основанное на подтверждениях, отсутствует — устройство обязано выдерживать темп обмена, заявленный в дескрипторе изохронной конечной точки.

Транзакции изохронного вывода состоят из двух пакетов, посылаемых хост-контроллером, — маркера OUT и пакета данных DATA. В транзакции ввода хост посылает маркер IN, на который устройство отвечает пакетом данных, возможно, и с нулевой длиной поля данных (если нет готовых данных). Любой другой ответ устройства (как и «молчание») хостом расценивается как ошибка, приводящая к остановке данного канала.

При изохронном обмене имеется контроль достоверности (отбрасывание пакетов с ошибками) и целостности данных (обнаружение факта пропажи пакета). Контроль целостности основан на строгой детерминированности темпа обмена — в соответствии со своим дескриптором точка ожидает транзакцию с периодом 2bInterval–1 микрокадров. Для обычной изохронной конечной точки в микрокадре возможна лишь одна транзакция, и ошибка при приеме пакета выражается в отсутствии принятых данных в микрокадре, в котором они ожидаются. Таким образом, нумерация пакетов (переключатель Toggle Bit) не требуется. Полноскоростные устройства и хостконтроллеры должны посылать пакеты только типа DATA01. Для широкополосных изохронных конечных точек (USB 2.0) в каждом микрокадре возможна передача до трех пакетов данных. Любой из этих пакетов может потеряться, и для обнаружения этой ситуации требуется нумерация пакетов внутри микрокадра. Для этой нумерации введено два новых типа пакетов данных: DATA2 и MDATA. Многообразие типов пакетов кроме нумерации позволяет еще и информировать партнера по связи о своих планах на данный микрокадр. В транзакциях IN идентификатором пакета устройство указывает, сколько еще пакетов оно собирается выдать в том же микрокадре, что позволяет хосту не делать лишних попыток ввода. Так, если в микрокадре передается один пакет, то это будет DATA0; если два — последовательность будет DATA1, DATA0; три — DATA2, DATA1, DATA0. В транзакциях OUT для вывода не последнего пакета в микрокадре используется пакет MDATA (More Data), а идентификатор последнего пакета показывает, сколько было до него передано пакетов. Так, при одной транзакции вывода используется пакет DATA0, при двух — последовательность MDATA, DATA1, при трех — MDATA, MDATA, DATA2. Во всех транзакциях, кроме последней в микрокадре, должны использоваться пакеты максимального размера. Отметим, что между широкополосными транзакциями в микрокадре могут вклиниваться другие транзакции.