link140 link141 link142 link143 link144 link145 link146 link147 link148 link149 link150 link151 link152 link153 link154 link155 link156 link157 link158 link159 link160 link161 link162 link163 link164 link165 link166 link167 link168 link169 link170 link171 link172 link173 link174 link175 link176 link177 link178 link179 link180 link181 link182 link183 link184 link185 link186 link187 link188 link189 link190 link191 link192 link193 link194 link195 link196 link197 link198 link199 link200 link201 link202 link203 link204 link205 link206 link207 link208 link209 link210 link211 link212 link213 link214 link215 link216 link217 link218 link219 link220 link221 link222 link223 link224 link225 link226 link227 link228 link229 link230 link231 link232 link233 link234 link235 link236 link237 link238 link239 link240 link241 link242 link243 link244 link245 link246 link247 link248 link249 link250 link251 link252 link253 link254 link255 link256 link257 link258 link259 link260 link261 link262 link263 link264 link265 link266 link267 link268 link269 link270 link271 link272 link273 link274 link275 link276 link277 link278 link279

PersCom — Компьютерная Энциклопедия Компьютерная Энциклопедия

USB

USB

Специфические дескрипторы и запросы к хабам

Хабы USB относятся к стандартным устройствам с кодами класса 09 подкласса 00. Код протокола характеризует транслятор транзакций (для хабов 2.0), он зависит от типа, текущей скорости работы и структуры хаба:

  • 00 — хаб FS (без транслятора транзакций) или хаб HS, подключенный к на FSпорту;
  • 01 — HS-хаб с одним транслятором транзакций;
  • 02 — HS-хаб с несколькими трансляторами транзакций.

Эти коды классификации хаб сообщает в своих дескрипторах устройства и интерфейса.

Кроме стандартных дескрипторов хаб имеет специальный классовый дескриптор (hub class descriptor), содержание которого раскрывает таблица ниже.

Таблица. Классовый дескриптор хаба

Смещение Поле Длина Содержание
0 bDescLength 1 Длина дескриптора (зависит от числа портов, 9 для хабов с числом нисходящих портов 1–7)
1 bDescriptorType 1 Тип (29h — дескриптор хаба)
2 bNbrPorts 1 Число нисходящих портов
3 wHubCharacteristics 2 Характеристики хаба:
Биты [1:0] — режим управления питанием портов:
00 — для всех портов одновременно (Ganged power
switching), 01 — селективное, 1x — нет управления
(для хабов 1.0);
Бит 2 — признак комбинированного устройства:
1 — к некоторым портам хаба всегда подключены
встроенные устройства;
Биты [4:3] — Режим защиты от перегрузки
по питанию: 00 — глобальная защита,
01 — индивидуальная защита портов, 1x — нет
защиты (для хабов, питающихся от шины);
Биты [6:5] — характеристика быстродействия
транслятора транзакций (TT): 00 — TT делает
межкадровый зазор на нисходящих портах до 8 FS
bt, 01 — до 16, 10 — до 24, 11 — до 32;
Бит 7 — наличие управляемых индикаторов
состояния нисходящих портов;
Биты [15:8] — резерв (0); в USB 1.x резервными
были биты [15:5]
5 bPwrOn2PwrGood 1 Время установления нормального питания на нисходящих портах с момента команды включения (в 2 мс-интервалах)
6 bHubContrCurrent 1 Максимальный ток, потребляемый контроллером хаба (мА)
7 DeviceRemovable ? Признаки возможности отсоединения устройств от портов. Бит 0 не используются, биты 1…n соответствуют портам 1…n (0 — отсоединяемое устройство, 1 — нет). Длина поля (в байтах) зависит от числа портов, в «лишних» битах — нули
? PortPwrCtrlMask ? Маска управления питанием портов (в USB 1.x), единичное значение бита означает, что данный порт не подчиняется общей команде управления питания. В USB 2.0 все биты единичные. Связь битов с портами как и в предыдущем поле

Хаб имеет всего один интерфейс, в котором используется (кроме нулевой) только одна конечная точка типа InterruptIN для опроса признаков изменения состояния портов (Status Change Endpoint) с максимально возможным периодом опроса (bInterval = FFh). С этой точки хост получает информацию в виде битовой карты, размер которой (в байтах) зависит от числа портов хаба. Самый младший бит карты (бит 0) несет признак смены состояния хаба (1 — есть смена), бит 1 — смены состояния порта-1, бит 2 — порта-2 и т. д. Обычно эти сообщения однобайтные, поскольку более 7 портов в хабе встречается редко. Если изменения состояния портов не произошло, то хаб на опрос отвечает NAK’ом (не передает данных). По получении признака изменения состояния хаба хост выполняет запрос чтения состояния хаба (GetHubStatus), по получении признака изменения состояния порта — запрос чтения состояния этого порта (GetPortStatus).

Хаб поддерживает все стандартные запросы к устройствам, кроме управления интерфейсом (он всего один) и установки метки времени (у хаба нет изохронных точек). Кроме того, он должен поддерживать классовые запросы, определенные для хабов.

Таблица. Классовые запросы хаба

Запрос bmRequestType bRequest
ClearHubFeature 00100000B 1
ClearPortFeature 00100011B 1
ClearTTBuffer 00100011B 8
GetHubDescriptor 10100000B 6
GetHubStatus 10100000B 0
GetPortStatus 10100011B 0
ResetTT 00100011B 9
SetHubDescriptor 00100000B 7
SetHubFeature 00100000B 3
SetPortFeature 00100011B 3
GetTTState 10100011B 10
StopTT 00100011B 11

Для опроса состояния хаба и каждого его нисходящего порта имеются специальные (классовые) запросы GetHubStatus и GetPortStatus (wLength=4). Ответом на GetHubStatus будет слово состояния хаба wHubStatus, за которым следует слово изменения состояния wHubChange. В запросе GetPortStatus в поле wIndex указывается номер порта, ответом на него будет слово состояния порта wPortStatus, за которым следует слово изменения состояния порта wPortChange. Форматы этих слов приведены в следующей таблице.

Таблица. Форматы слов состояния и изменений состояния хаба и портов

Бит Имя признака Назначение
Слово состояния хаба wHubStatus
0 Hub_Local_Power Признак состояния локального источника питания хаба: 0 — локальное питание в норме, 1 — потеряно локальное питание.
1 Hub_Over_Current Перегрузка по питанию (только для хабов с общей защитой для всех портов): 1 — сработала общая цепь защиты, 0 — нет
[2:15] Резерв (0)
Слово изменения состояния wHubChange
0 C_Hub_Local_Power Признак смены состояния локального питания: 1 — была смена, 0 — нет
1 C_Hub_Over_Current Признак смены состояния общей перегрузки: 1 — была смена, 0 — нет
[2:15] Резерв (0)
Слово состояния порта wPortStatus
0 Port_Connection Текущее состояние подключения к порту: 1 — подключено устройство, 0 — нет
1 Port_Enable Состояние разрешения порта: 0 — disabled, 1 — enabled. Устанавливается только программно хостом, сбрасывается программно и аппаратно по ошибке устройства
2 Port_Suspend Состояние приостановки порта: 0 — не приостановлен, 1 — приостановлен или находится в процессе возобновления. Устанавливается только программно, сбрасывается программно или сигналом удаленного пробуждения от этого порта
3 Port_Over_Current Перегрузка порта по питанию (только при селективной защите портов): 1 — защита сработала, 0 — нет
4 Port_Reset Сброс порта: 1 — подается сигнал Reset, 0 — нет. Устанавливается программно, сбрасывается аппаратно хабом по окончании сигнализации
[5:7] Резерв (0)
8 Port_Power Состояние питания порта (отражает реальную ситуацию только при селективном управлении питанием): 0 — порт не запитан, 1 — порт не обесточен селективно
9 Port_Low_Speed Признак низкой скорости: 1 — обнаружено подключение LS-устройства, 0 — подключенное устройство (если есть) либо FS, либо HS (смотря по биту 10)
10 Port_High_Speed Признак высокой скорости: 1 — с устройством согласована высокая скорость, 0 — нет
11 Port_Test Состояние тестирования порта: 1 — порт в режиме тестирования, 0 — нет (устанавливается программно)
12 Port_Indicator Управление индикатором порта: 0 — индикатор управляется аппаратно, 1 — программно
[13:15] Резерв (0)
Слово изменения состояния порта wPortChange
0 C_Port_Connection Изменение состояние подключения устройства: 1 — состояние сменилось, 1 — нет
1 C_Port_Enable Изменение состояния разрешения порта, устанавливается в 1 при автоматическом запрещении работы порта из-за обнаруженной ошибки
2 C_Port_Suspend Изменение состояния приостановки устройства, устанавливается в 1 при завершении возобновления работы устройства (Resume complete)
3 C_Port_Over_Current Изменение состояния индивидуальной защиты порта: 1 — состояние изменилось, 0 — нет (или нет индивидуальной защиты)
4 C_Port_Reset Изменение состояния сброса порта: 0 — нет изменений, 1 — сброс завершен
[5:15] Резерв (0)

Управление свойствами хаба (запросы SetHubFeature и ClearHubFeature) и каждого из нисходящих портов (запросы SetPortFeature и ClearPortFeature) обеспечивают функции, приведенные в таблице, которая расположена ниже.

Таблица. Управление свойствами хаба

Имя свойства Номер(wValue) Запрос установки Запрос сброса
Свойства хаба   SetHubFeature ClearHubFeature
C_Hub_Local_Power 0 Установка (для диагностических целей) одноименного признака в слове изменения состояния хаба Сброс одноименного признака в слове изменения состояния хаба подтверждение, что хост его воспринял)
C_Hub_Over_Current 1 То же То же
Свойства порта   SetPortFeature ClearPortFeature
Port_Connection 0 Запрос не используется, хаб не выполняет никаких операций
Port_Enable 1 Перевод запитанного порта в состояние Enabled Перевод порта в состояние Disabled
Port_Suspend 2 Приостановка порта Генерация возобновления на приостановленном порте
Port_Over_Current 3 Запрос не используется, хаб не выполняет никаких операций
Port_Reset 4 Сброс и перевод запитанного порта в состояние Enabled Запрос не используется, хаб не выполняет никаких операций
Port_Power 8 Подача питания на порт Снятие питания с порта
Port_Low_Speed 9 Запрос не используется, хаб не выполняет никаких операций
C_Port_Connection 16   Сброс одноименного признака в слове изменения состояния порта (подтверждение, что хост его воспринял)
C_Port_Enable 17   То же
C_Port_Suspend 18   То же
C_Port_Over_Current 19   То же
C_Port_Reset 20   То же
Port_Test 21 Перевод порта в тестовый режим (только для портов в состоянии Disabled, Disconnected или Suspended) Нет, выход из теста только по сбросу хаба
Port_Indicator 22 Программное управление индикатором порта Отключение программного управления индикатором порта

 

В запросе установки тестового режима в младшем байте поля wIndex задается номер порта, в старшем — селектор, определяющий выполняемый тест.

В запросе установки управления индикатором в младшем байте поля wIndex задается номер порта, в старшем — селектор, определяющий режим индикации: 0 — автоматическая работа индикатора, 1 — принудительно янтарный, 2 — принудительно зеленый, 3 — принудительно отключен, 4–FFh — резерв. Выбор нулевого селектора эквивалентен сбросу признака управления индикатором.

Для хабов с протоколами типа 1 и 2 имеются запросы управления транслятором транзакций (TT), используемые в основном в отладочных целях:

  • GetTTState — опрос состояния транслятора (для диагностики);
  • StopTT — останов транслятора (если трансляторов несколько, то для конкретного порта);
  • ResetTT — сброс транслятора в исходное состояние (если трансляторов несколько, то для конкретного порта);
  • ClearTTBuffer — очистка буфера непериодических транзакций. При запросе указывается адрес устройства и конечной точки, а также порта хаба (если транслятор один на все порты, то указывается порт 1).


Общая информация о хосте USB

Хост является главным действующим лицом в организации конфигурирования и выполнения транзакций USB. У каждой шины USB должен быть один (и только один!) хост — компьютер с контроллером USB. Однако понятие компьютер отнюдь не означает лишь привычные варианты настольных, напольных, портативных компьютеров. Компьютер — это сочетание процессора, памяти и периферийных устройств; в таком понимании в большинстве современных устройств присутствуют встроенные компьютеры. Если «интеллекта» этого компьютера и его возможностей диалога с пользователем оказывается достаточно, то он может взять на себя роль хоста USB. Такой вариант хоста рассматривается в последнем параграфе данной главы.

«Классический» хост USB делится на три основных уровня:

  • интерфейс шины USB обеспечивает физический интерфейс и протокол шины. Интерфейс шины реализуется хост-контроллером, имеющим встроенный корневой хаб, обеспечивающий точки физического подключения к шине (гнезда USB типа «A»). Хост-контроллер отвечает за генерацию микрокадров. На аппаратном уровне хост-контроллер обменивается информацией с основной памятью компьютера, используя прямое управление шиной (bus-mastering) с целью минимизации нагрузки на центральный процессор;
  • система USB, используя хост-контроллер(ы), транслирует клиентское «видение» обмена данными с устройствами — запросы IRP (I/O Request Packet — пакет запроса ввода/вывода) — в транзакции, выполняемые с реальными устройствами шины. Система отвечает и за распределение ресурсов USB — полосы пропускания и мощности источников питания (для устройств, питающихся от шины). Система состоит из трех основных частей:
  1. драйвер хост-контроллера — HCD (Host Controller Driver) — модуль, привязанный к конкретной модели контроллера, обеспечивающий абстрагирование драйвера USB и позволяющий в одну систему включать несколько разнотипных контроллеров;
  2. драйвер USB — USBD (USB Driver) — обеспечивает основной интерфейс (USBDI) между клиентами и устройствами USB. Интерфейс HCDI (Host Controller Driver Interface) между USBD и HCD спецификацией USB не регламентируется. Он определяется разработчиками ОС и должен поддерживаться разработчиками хост-контроллеров, желающих иметь поддержку своих изделий конкретными ОС. Клиенты не могут пользоваться интерфейсом HCDI; для них предназначен интерфейс USBDI. USBD обеспечивает механизм обмена в виде пакетов IRP, запрашивающих транспортировку данных по заданному каналу. Кроме того, USBD отвечает за некоторое абстрактное представление устройства USB клиенту, которое позволяет выполнять конфигурирование и управление состоянием устройств (включая и стандартное управление через конечную точку «0»). Реализация интерфейса USBDI определяется операционной системой; в спецификации USB излагаются только общие идеи;
  3. программное обеспечение хоста реализует функции, необходимые для функционирования системы USB в целом: обнаружение подключения и отключения устройств и выполнение соответствующих действий по этим событиям (загрузки требуемых драйверов), нумерацию устройств, распределение полосы пропускания и потребляемой мощности, управление состоянием энергопотребления и т. п.
  • клиенты USB — программные элементы (приложения или системные компоненты), взаимодействующие с устройствами USB. Клиенты могут взаимодействовать с любыми устройствами (наборами их доступных конечных точек, входящих в выбранные интерфейсы), подключенными к системе USB. Однако система USB изолирует клиентов от непосредственного обмена с какими-либо портами (в пространстве ввода/вывода) или ячейками памяти, представляющими интерфейсную часть контроллера USB.

В совокупности уровни хоста предоставляют следующие возможности:

  • обнаружение подключения и отсоединения устройств USB;
  • манипулирование потоками управления между устройствами и хостом;
  • манипулирование потоками данных;
  • сбор статистики активности и состояний устройств;
  • управление электрическим интерфейсом между хост-контроллером и устройствами USB, включая управление электропитанием.

Программная часть хоста в полном объеме реализуется операционной системой. До загрузки ОС может функционировать лишь усеченная часть ПО USB, поддерживающая только устройства, требующиеся для загрузки. Так, в BIOS современных системных плат имеется поддержка клавиатуры USB, реализующая функции сервиса Int 9h. После загрузки системы USB эта «дозагрузочная» поддержка игнорируется — система начинает работу с контроллером «с чистого листа», то есть со сброса и определения всех подключенных устройств. В спецификации PC’2001 выдвигается ряд требований к BIOS, в частности требование поддержки загрузки ОС с устройств USB.



Применение USB

Благодаря универсальности и способности эффективно передавать разнородный трафик шина USB применяется для подключения к PC самых разнообразных устройств. Она призвана заменить традиционные порты PC — COM и LPT, а также порты игрового адаптера и интерфейса MIDI. Спецификация USB 2.0 позволяет говорить и о подключении традиционных «клиентов» шин ATA и SCSI, а также захвате части ниши применения шины FireWire. Привлекательность USB придает возможность подключения/отключения устройств на ходу и возможность их использования практически сразу, без перезагрузки ОС. Удобна и возможность подключения большого количества (до 127) устройств к одной шине, правда, при наличии хабов. Хост-контроллер интегрирован во все современные системные платы. Выпускаются и карты расширения с контроллерами USB (обычно для шины PCI). Некоторое время повсеместное применение USB сдерживалось недостаточной активностью разработчиков ПО (производителей оборудования): просматривая перечни устройств, можно было видеть, что для всех указывается поддержка в Windows 98/SE/ME, а вот в графах Linux, MacOS, Unix и даже Windows 2000/NT часто стоят неприятные пометки N/A (Not Allowed — «не дозволено»). В настоящее время ситуация меняется (теперь возникают проблемы поиска драйверов для Windows 9x), но вопросы совместимости ПО иногда доставляют дополнительные хлопоты.

Для того чтобы система USB заработала, необходимо, чтобы были загружены драйверы хост-контроллера (или контроллеров, если их несколько). При подключении устройства к шине USB ОС Windows выдает сообщение «Обнаружено новое устройство» и, если устройство подключается впервые, предлагает загрузить для него драйверы. Многие модели устройств уже известны системе, и драйверы входят в дистрибутив ОС. Однако может потребоваться и драйвер изготовителя устройства, который должен входить в комплект поставки устройства, или его придется искать в Сети. К сожалению, не все драйверы работают корректно — «сырой» драйвер начальной версии, возможно, потребуется заменить более «правильным», чтобы устройство нормально опознавалось и хорошо работало. Но это общее горе пользователей любых устройств, а не только устройств для шины USB.

Перечислим основные области применения USB:

  • устройства ввода — клавиатуры, мыши, трекболы, планшетные указатели и т. п. Здесь USB предоставляет единый интерфейс для различных устройств. Целесообразность использования USB для клавиатуры в настольных ПК пока не очевидна (порты клавиатуры и мыши PS/2 есть на всех системных платах), хотя в паре с мышью USB (подключаемой к порту хаба, встроенного в клавиатуру) сокращается количество кабелей, тянущихся от системного блока к столу пользователя;
  • принтеры. USB 1.1 обеспечивает почти ту же скорость, что и LPT-порт в режиме ECP, но при использовании USB не возникает проблем с длиной кабеля и подключением нескольких принтеров к одному компьютеру (правда, требуются хабы). USB 2.0 позволит ускорить печать в режиме высокого разрешения за счет сокращения времени на передачу больших массивов данных. Однако существует проблема со старым ПО, которое непосредственно работает с LPTпортом на уровне регистров, — на принтер USB оно печатать не сможет;
  • сканеры. Применение USB позволяет отказаться от контроллеров SCSI или от занятия LPT-порта. USB 2.0 при этом позволяет еще и повысить скорость передачи данных;
  • аудиоустройства — колонки, микрофоны, головные телефоны (наушники). USB позволяет передавать потоки аудиоданных, достаточные для обеспечения самого высокого качества. Передача в цифровом виде от самого источника сигнала (микрофона со встроенным преобразователем и адаптером) до приемника и цифровая обработка в хост-компьютере позволяют избавиться от наводок, свойственных аналоговой передаче аудиосигналов. Использование USB-аудиокомпонентов позволяет в ряде случаев избавиться и от звуковой карты компьютера—аудиокодек (АЦП и ЦАП) выводится за пределы компьютера, а все функции обработки сигналов (микшер, эквалайзер и т. п.) реализуются центральным процессором чисто программно. Аудиоустройства могут и не иметь собственных колонок и микрофона, а ограничиться преобразователями и стандартными гнездами («джеками») для подключения обычных аналоговых устройств;
  • музыкальные синтезаторы и MIDI-контроллеры с интерфейсом USB. Шина USB позволяет компьютеру обрабатывать потоки множества каналов MIDI (пропускная способность традиционного интерфейса MIDI уже гораздо ниже возможностей компьютера);
  • фото- и видеокамеры. USB 1.1 позволяет передавать статические изображения любого разрешения за приемлемое время, а также передавать поток видеоданных (живое видео) с достаточной (25–30 кадров/с) частотой кадров только с невысоким разрешением или сильным сжатием данных, от которого, естественно, страдает качество изображения. USB 2.0 теоретически позволяет передавать поток видеоданных высокого разрешения без сжатия (и потери качества). С интерфейсом USB выпускают как камеры, так и устройства захвата видеосигнала и TV-тюнеры;
  • коммуникации. С интерфейсом USB выпускают разнообразные модемы, включая кабельные и xDSL, адаптеры высокоскоростной инфракрасной связи (IrDA FIR) — шина позволяет преодолеть предел скорости COM-порта (115,2 Кбит/с), не увеличивая загрузку центрального процессора. Выпускаются и сетевые адаптеры Ethernet, подключаемые к компьютеру по USB. Непосредственно (без дополнительных устройств) портами USB соединить между собой даже два компьютера нельзя — на одной шине может присутствовать лишь один хост-контроллер. Специальное устройство для связи пары компьютеров выглядит как «таблетка», врезанная в кабель USB с двумя вилками типа «A» на концах. Объединяющее устройство (USB Link) может располагаться и на системной плате компьютера, с выходом на внешний разъем, — в этом случае компьютеры соединяются просто кабелем, подключаемым к рядовому порту USB одного компьютера и порту USB Link другого. Коммуникационное ПО USB Link позволяет даже строить сеть на основе цепочки соединений по USB. Для соединения нескольких компьютеров в локальную сеть выпускаются специальные устройства, выполняющие коммутацию пакетов между компьютерами. Объединение более двух компьютеров осложняется и топологическими ограничениями USB: длина одного сегмента кабеля не должна превышать 5 м, а использовать хабы для увеличения дальности неэффективно (каждый хаб дает всего 5 м дополнительного расстояния);
  • преобразователи интерфейсов позволяют через порт USB, имеющийся теперь практически на всех компьютерах, подключать устройства с самыми разнообразными интерфейсами: Centronics и IEEE 1284 (LPT-порты), RS-232C (эмуляция UART 16550A — основы COM-портов) и другие последовательные интерфейсы (RS-422, RS-485, V.35...), эмуляторы портов клавиатуры и даже игрового порта, переходники на шину ATA, ISA, PC Card и любые другие, для которых достаточно производительности. Здесь USB становится палочкойвыручалочкой, когда встает проблема подключения к отсутствующему LPT или COM-порту, например, в блокнотном ПК, да и в других ситуациях. При этом ПО преобразователя может обеспечить эмуляцию классического варианта «железа» стандартных портов IBM PC, но только под управлением ОС защищенного режима. Приложение MS-DOS может обращаться к устройствам по адресам ввода-вывода, памяти, прерываниями, каналами DMA, но только из сеанса MS-DOS, открытого в ОС с поддержкой USB (чаще это Windows). При загрузке «голой» MS-DOS «палочка-выручалочка» не работает. Преобразователи интерфейсов позволяют продлить жизнь устройствам с традиционными интерфейсами, изживаемыми из PC спецификациями PC’99 и PC’2001. Скорость передачи данных через конвертер USB — LPT может оказаться даже выше, чем у реального LPT-порта, работающего в режиме SPP. Однако если подключаемое устройство требует интенсивного диалогового обмена (чередований коротких операций ввода и вывода) с ПО, подключение через USB будет работать медленно;
  • устройства хранения — жесткие диски, устройства чтения и записи CD и DVD, стримеры — при использовании USB 1.1 получают скорость передачи, соизмеримую со скоростью их подключения к LPT, но более удобный интерфейс (как аппаратный, так и программный). При переходе на USB 2.0 скорость передачи данных становится соизмеримой с ATA и SCSI, а ограничений по количеству устройств достичь трудно. Особенно интересно использование USB для электронных устройств энергонезависимого хранения (на флэш-памяти) — такой накопитель может быть весьма компактным (размером с брелок для ключей) и емким (от десятка мегабайт до гигабайта и более). Логически эти накопители могут представляться различным образом: просто как устройства хранения (USB Mass Storage, рассмотренные далее) или же как устройства считывания флэшкарт (например, Smart Media Card Reader, хотя у них и нет отделяемой SMCкарты). Выпускаются устройства для мобильного подключения накопителей с интерфейсом ATA-ATAPI — по сути, это лишь преобразователи интерфейсов, помещенные в коробку-отсек формата 5” или 3,5”, а иногда выполненные прямо в корпусе разъема ATA. Имеются и устройства чтения-записи карт SmartMedia Card, CompactFlash Card и других типов флэш-карт, в которые можно вставлять соответствующие носители;
  • игровые устройства — джойстики всех видов (от «палочек» до автомобильных рулей), пульты с разнообразными датчиками (непрерывными и дискретными) и исполнительными механизмами (почему бы не сделать кресло автогонщика с вибраторами и качалками?) — подключаются унифицированным способом. При этом исключается ресурсопожирающий интерфейс старого игрового адаптера (упраздненного уже в спецификации PC’99);
  • телефоны — аналоговые и цифровые (ISDN). Подключение телефонного аппарата позволяет превратить компьютер в секретаря с функциями автодозвона, автоответчика, охраны и т. п.;
  • мониторы — здесь шина USB используется для управления параметрами монитора. Монитор сообщает системе свой тип и возможности (параметры синхронизации) — это делалось и без USB по шине DDC. Однако USB-мониторы позволяют системе устанавливать параметры монитора. Регулировки яркости, контраста, цветовой температуры и т. п. могут теперь выполняться программно, а не только кнопками на лицевой панели монитора. В мониторы, как правило, встраивают хабы. Это весьма полезно, поскольку настольную периферию не всегда удобно включать в «подстольный» системный блок;
  • электронные ключи — устройства с любым уровнем интеллектуальности защиты — могут быть выполнены в корпусе вилок USB. Они гораздо компактнее аналогичных устройств для COM- и LPT-портов.

Конечно же, перечисленными классами устройств сфера применения шины USB не ограничивается.

На современных системных платах имеется встроенный хост-контроллер USB; для плат, выпускаемых с 2002–2003 годов, характерно наличие контроллера USB 2.0 (EHC) с несколькими контроллерами-компаньонами (чаще UHC). Типовое число портов — четыре и более (раньше минимумом было два). В случае поддержки USB 2.0 эти порты могут быть как равноправными (поддерживать подключение на любой скорости), так и выделенными (часть — только HS, часть — FS/LS). Часть портов выводится на внешние разъемы системного блока непосредственно, остальные выводятся на штырьковые разъемы, расположенные на системной плате. К этим промежуточным разъемам внешние разъемы подключаются через кабели«выкидыши». К сожалению, на многих корпусах системного блока отсутствует штатное место для разъемов USB с лицевой стороны, что делает подключение устройств неудобным. Эта проблема решается установкой разъемов на заглушки для 5” или 3,5”отсеков.


ВНИМАНИЕ!
Из-за ошибок при подключении кабеля-«выкидыша» на дополнительных внешних разъемах могут оказаться перепутанными цепи +5V и GND. Из-за такой ошибки подключаемое устройство, питающееся от шины (например, флэш-память), может выйти из строя (сгореть).


Хабы USB выпускаются как в виде отдельных устройств, так и встраиваются в периферийные устройства (клавиатуры, мониторы). Как правило, хабы питаются от сети переменного тока (они должны питать подключаемые устройства). Выпускают и хабы, устанавливаемые внутрь системного блока компьютера и питающиеся от его блока питания. Такие хабы дешевле внешних и не требуют дополнительной питающей розетки. Один из вариантов исполнения — установка хаба на скобку, монтируемую в окно для дополнительных разъемов. Доступ к их разъемам со «спины» системного блока не очень удобен для пользователей. Другой вариант — хаб, устанавливаемый в 3-дюймовый отсек. Его разъемы легко доступны, индикаторы состояния портов хорошо видны, но не всегда удобны кабели, выходящие с передней панели системного блока. С другой стороны, для подключения электронных ключей (если их приходится часто менять) или миниатюрных накопителей этот вариант — самый удобный.

Выпускаются вспомогательные устройства USB, увеличивающие дальность связи (distance extender). Простейший вариант — это обычный 5-метровый кабель USB, на одном конце которого обычная вилка «A», а на другом — миниатюрный однопортовый хаб с гнездом «B». При необходимости между устройством USB и корневым хабом можно использовать цепочку из 5 таких удлинителей, что дает дальность 25 м плюс длина кабеля устройства (до 5 м). Другой вариант — пара устройств, соединяемых между собой обычным кабелем «витая пара» категории 5 (или даже оптоволокном), включаемая между периферийным устройством и корневым хабом. Дальнее (от хоста) устройство этого удлинителя может быть и хабом на несколько портов. К сожалению, увеличение дистанции упирается в ограничения на время задержки сигнала, свойственные протоколу шины USB, и максимально достижимое расстояние составляет 200 футов (около 60 м). Уже с удлинителем на 50 м дополнительные хабы недопустимы — задержка сигнала в кабеле «съедает» лимиты, отпущенные хабам в спецификации USB. Но даже и эта длина позволяет расширить сферу применения USB, например, для удаленного видеонаблюдения. Утверждения изготовителей о достижимой дальности 100 м (а на оптике и до 500 м!) вызывают некоторое недоверие, поскольку ограничения дальности в спецификации USB жестко ограничено установками тайм-аутов ожидания ответа, а быстрее света сигналы в кабелях разогнать не удается.

Далее рассматриваются подробности реализации взаимодействия по шине USB с устройствами некоторых классов. Эти примеры позволяют осмыслить прикладные возможности USB, их можно использовать как отправные точки для разработки собственных устройств, в том числе и совершенно оригинальных по функциональному назначению. Последний раздел главы посвящен разрешению проблем, возникающих при подключении устройств, в том числе и устройств собственной
разработки.



Основные понятия

Архитектура USB допускает четыре базовых типа передач данных между хостом и периферийными устройствами:

  • изохронные передачи (isochronous transfers) — потоковые передачи в реальном времени, занимающие предварительно согласованную часть пропускной способности шины с гарантированным временем задержки доставки. На полной скорости (FS) можно организовать один канал с полосой до 1,023 Мбайт/с (или два по 0,5 Мбайт/с), заняв 70 % доступной полосы (остаток можно занять и менее емкими каналами). На высокой скорости (HS) можно получить канал до 24 Мбайт/с (192 Мбит/с). Надежность доставки не гарантируется — в случае обнаружения ошибки изохронные данные не повторяются, недействительные пакеты игнорируются. Шина USB позволяет с помощью изохронных передач организовывать синхронные соединения между устройствами и прикладными программами. Изохронные передачи нужны для потоковых устройств: видеокамер, цифровых аудиоустройств (колонки USB, микрофон), устройств воспроизведения и записи аудио- и видеоданных (CD и DVD). Видеопоток (без компрессии) шина USB способна передавать только на высокой скорости;
  • прерывания (interrupts) — передачи спонтанных сообщений, которые должны выполняться с задержкой не более, чем того требует устройство. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 10–255 мс для низкой и 1–255 мс для полной скорости. На высокой скорости можно заказать и 125 мкс. Доставка гарантирована, при случайных ошибках обмена выполняется повтор, правда, при этом время обслуживания увеличивается. Прерывания используются, например, при вводе символов с клавиатуры или для передачи сообщений о перемещениях мыши. Прерываниями можно передавать данные и к устройству (как только устройство сигнализирует о потребности в данных, хост своевременно их передает). Размер сообщения может составлять 0–8 байт для низкой скорости, 0–64 байт — для полной и 0–1024 байт — для высокой скорости передачи;
  • передачи массивов данных (bulk data transfers) — это передачи без каких-либо обязательств по своевременности доставки и по скорости. Передачи массивов могут занимать всю полосу пропускания шины, свободную от передач других типов. Приоритет этих передач самый низкий, они могут приостанавливаться при большой загрузке шины. Доставка гарантированная — при случайной ошибке выполняется повтор. Передачи массивов уместны для обмена данными с принтерами, сканерами, устройствами хранения и т. п.;
  • управляющие передачи (control transfers) используются для конфигурирования устройств во время их подключения и для управления устройствами в процессе работы. Протокол обеспечивает гарантированную доставку данных и подтверждение устройством успешности выполнения управляющей команды. Управляющая передача позволяет подать устройству команду (запрос, возможно, и с дополнительными данными) и получить на него ответ (подтверждение или отказ от выполнения запроса и, возможно, данные). Только управляющие передачи на USB обеспечивают синхронизацию запросов и ответов; в остальных типах передач явной синхронизации потока ввода с потоком вывода нет.

Аппаратная часть USB включает:

  • периферийные устройства USB, несущие полезные функции (USB-functions);
  • хост-контроллер (Host Controller), обеспечивающий связь шины с центром компьютера, объединенный с корневым хабом (Root Hub), обеспечивающим точки подключения устройств USB. Существует два варианта хост-контроллеров USB 1.x — UHC (Universal Host Controller) и OHC (Open Host Controller), поддерживающие скорости FS/LS; высокую скорость шины USB 2.0 (HS и только) поддерживает EHC (Enhanced Host Controller);
  • хабы USB (USB Hubs), обеспечивающие дополнительные точки подключения устройств;
  • кабели USB, соединяющие устройства с хабами.

Программная часть USB включает:

  • клиентское ПО (CSw, Client Software) — драйверы устройств USB, обеспечивающие доступ к устройствам со стороны прикладного ПО. Эти драйверы взаимодействуют с устройствами только через программный интерфейс с общим драйвером USB (USBD). Непосредственного обращения к каким-либо регистрам аппаратных средств драйверы устройств USB не выполняют;
  • драйвер USB (USBD, USB Driver), «заведующий» всеми USB-устройствами системы, их нумерацией, конфигурированием, предоставлением служб, распределением пропускной способности шины, мощности питания и т. п.;
  • драйвер хост-контроллера (HCD, Host Controller Driver), преобразующий запросы ввода/вывода в структуры данных, размещенные в коммуникационной области оперативной памяти, и обращающийся к регистрам хост-контроллера. Хост-контроллер выполняет физические транзакции, руководствуясь этими структурами данных.

Драйверы USBD и HCD составляют хост-часть ПО USB; спецификация USB очерчивает круг их задач, но не описывает интерфейс между ними. Физическое устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Физические устройства USB могут быть комбинированными (compound devices): включать в себя несколько устройств-функций, подключенных к внутреннему хабу, а также предоставлять своим внутренним хабом дополнительные внешние точки подключения.

Работой всех устройств шины USB управляет хост-контроллер (host controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера. Хост-контроллер является интеллектуальным устройством шины PCI или составной частью «южного» хаба (моста) системной платы, интенсивно взаимодействующим с оперативной памятью.

Физическая топология шины USB — многоярусная звезда (см. рисунок, а). Ее вершиной является хост-контроллер, объединенный с корневым хабом (root hub). Хаб является устройством-разветвителем, он может служить и источником питания для подключенных к нему устройств. К каждому порту хаба может непосредственно подключаться периферийное устройство или промежуточный хаб; шина допускает до пяти уровней (ярусов) каскадирования хабов (не считая корневого). Поскольку комбинированные устройства содержат внутри себя хаб, их подключение к хабу пятого яруса уже недопустимо. Каждый промежуточный хаб имеет несколько нисходящих (downstream) портов для подключения периферийных устройств (или нижележащих хабов) и один восходящий (upstream) порт для подключения к корневому хабу или нисходящему порту вышестоящего хаба.

Логическая топология USB — звезда. Хабы (включая корневой) создают иллюзию непосредственного подключения каждого логического устройства к хост-контроллеру (см. рисунок ниже, б). В этой звезде устанавливаются сугубо подчиненные отношения по системе опроса-ответа: хост-контроллер по своей инициативе передает данные к выбранному устройству или принимает их. Устройство по своей инициативе передавать данные не может; непосредственные передачи данных между устройствами невозможны. Устройство по своей инициативе может лишь сигнализировать о «пробуждении» (wakeup), для чего используется специальная сигнализация, но не передача данных.

Физический интерфейс USB прост и изящен. Конструкция кабелей и коннекторов USB не дает возможности ошибиться при подключении устройств (см. рисунок ниже, а и б). Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическое обозначение (см. рисунок ниже, в). Гнезда типа «A» устанавливаются только на нисходящих портах хабов, вилки типа «A» — на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов. Гнезда и вилки типа «B» используются только для шнуров, отсоединяемых от периферийных устройств и восходящих портов хабов (от «мелких» устройств — мышей, клавиатур и т. п. кабели, как правило, не отсоединяются). Для малогабаритных устройств имеются разъемы mini-B, а для поддержки OTG (On-the-Go) имеются и вилки mini-A, и розетки miniAB. Хабы и устройства обеспечивают возможность «горячего» подключения и отключения с сигнализацией об этих событиях хосту.

При планировании соединений следует учитывать способ питания устройств: устройства, питающиеся от шины, как правило, подключают к хабам, питающимся от сети. К хабам, питающимся от шины, подключают лишь маломощные устройства — так, к клавиатуре USB, содержащей внутри себя хаб, подключают мышь USB и другие устройства-указатели (трекбол, планшет).

Логическое устройство USB представляет собой набор независимых конечных точек (Endpoint, EP), с которыми хост-контроллер (и клиентское ПО) обменивается информацией. Каждому логическому устройству USB (как функции, так и хабу) конфигурационная часть ПО хоста назначает свой адрес (1–127), уникальный на данной шине USB. Каждая конечная точка логического устройства идентифицируется своим номером (0–15) и направлением передачи (IN — передача к хосту, OUT — от хоста). Точки IN4 и OUT4, к примеру, представляют собой разные конечные точки, с которыми могут общаться даже модули клиентского ПО. Набор конечных точек зависит от устройства, но всякое устройство USB обязательно имеет двунаправленную конечную точку 0 (EP0), через которую осуществляется его общее управление. Для прикладных целей используются конечные точки с номерами 1–15 (1–2 для низкоскоростных устройств). Адрес устройства, номер и направление конечной точки однозначно идентифицируют приемник или источник информации при обмене хост-контроллера с устройствами USB. Каждая конечная точка имеет набор характеристик, описывающих поддерживаемый тип передачи данных (изохронные данные, массивы, прерывания, управляющие передачи), размер пакета, требования к частоте обслуживания.

Устройство может выполнять несколько различных функциональных задач: например, привод CD-ROM может обеспечивать проигрывание аудиодисков и работать как устройство хранения данных. Для решения каждой задачи в устройстве определяется интерфейс — набор конечных точек, предназначенных для выполнения данной задачи, и правила их использования. Таким образом, каждое устройство должно обеспечивать один или несколько интерфейсов. Наличие нескольких интерфейсов позволяет нескольким драйверам, каждый из которых обращается только к своему интерфейсу (представляющему часть устройства USB), работать с одним и тем же устройством USB. Каждый интерфейс может иметь один или несколько альтернативных вариантов (альтернативных установок — alternate settings), из которых в данный момент активным может быть только один. Варианты различаются наборами (возможно, и характеристиками) используемых конечных точек.

Набор одновременно поддерживаемых интерфейсов составляет конфигурацию устройства. Устройство может иметь одну или несколько возможных конфигураций, из которых на этапе конфигурирования хост выбирает одну, делая ее активной. От выбранной конфигурации зависит доступная функциональность, и зачастую — потребляемая мощность. Пока устройству не назначен номер выбранной конфигурации, оно не может функционировать в прикладном смысле и ток потребления от шины не должен превышать 100 мА. Хост выбирает конфигурацию исходя из доступности всех ресурсов, затребованных данной конфигурацией, включая и ток потребления от шины.



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.



Подкатегории