Транзакции и пакеты

Подробности

Родительская категория: USB

Категория: Протокол шины USB

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

Скорость обмена данными

Подробности

Родительская категория: USB

Категория: Пропускная способность USB и изохронные передачи

Скорость последовательной передачи (1,5, 12 и 480 Мбит/с для LS, FS и HS соответственно) является только отправной точкой для определения реальной производительности обмена с конкретным устройством и всеми устройствами на шине в целом. Пропускная способность шины в целом определяется еще и соотношением накладных расходов и передаваемых полезных данных. Ниже рассматриваются источники накладных расходов, доля накладных расходов в общем трафике и загрузка шины транзакциями разных типов с разным размером блока данных. Для оценки возможной скорости обмена данными с конкретным устройством, подключенным к USB, отметим ряд моментов:

• c обычной конечной точкой периодических передач (изохронные и прерывания) в каждом n-м микрокадре производится лишь одна транзакция (n определяется параметром bInterval дескриптора конечной точки);
• с широкополосной конечной точкой в микрокадре может производиться до трех транзакций. Широкополосные точки представлены размером поля данных 1024–3072 байт, и загрузка шины, которую они дают, относится ко всем (от 1 до 3) их транзакциям в микрокадре. Пропускная способность Vmax точки с периодической передачей определяется делением размера поля данных пакета максимальной длины Dmax на длительность периода обслуживания T: Vmax = Dmax/T. Период обслуживания T определяется следующим образом:
  ----- для изохронных конечных точек T = Tk×2bInterval–1, где Tk — период посылки маркеров SOF (1 мс для полной скорости и 125 мкс для высокой); bInterval лежит в диапазоне 1–16. Таким образом, для FS период обслуживания может быть в пределах 1–32768 мс, для HS — 0,125–4096 мс;
  ----- для FS/LS конечных точек прерываний T = 1×bInterval (мс), bInterval лежит в диапазоне 1–255 (период обслуживания может быть в пределах 1–255 мс);
  ----- для HS-конечных точек прерываний T = 0,125×2bInterval–1 (мс); bInterval лежит в диапазоне 1–16, период обслуживания может быть в пределах 0,125– 4096 мс.
• при передаче массивов число транзакций с конечной точкой в одном микрокадре не определено, но его максимум не превосходит указанного в таблицах. Драйвер USB может использовать и простую политику обслуживания очередей, при которой для каждой точки в микрокадре будет выполняться не более одной транзакции. В каждом микрокадре при самом плотном изохронном потоке есть место для 1–2 транзакций передач массивов, но когда на такие передачи претендует множество устройств, средняя скорость передачи для каждого из них, очевидно, будет невысокой.

Кабели и разъемы

Подробности

Родительская категория: USB

Категория: Физический интерфейс USB

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

Структура устройства с интерфейсом USB

Подробности

Родительская категория: USB

Категория: Устройства USB

Периферийное устройство с интерфейсом USB можно разделить на две части — интерфейсную и функциональную (см. рисунок ниже). Физически они могут объединяться и на одной микросхеме, но логически их функции четко разделимы.

Все протокольные и сигнальные функции USB обеспечивает блок последовательного интерфейса, SIE (Serial Interface Engine). В сторону USB блок SIE «смотрит» своим портом USB (комплектом приемопередатчиков). Блок SIE занимается последовательным приемом и передачей пакетов, выполняя подсчеты и проверки CRC, вставку битов (bit stuffing) при передаче и их удаление при приеме, кодирование NRZI, проверку форматов, отработку подтверждений и отслеживание корректной последовательности пакетов. С функциональной частью устройства блок SIE обменивается только «чистыми» пользовательскими данными. SIE сигнализирует о приходе очередного пакета к той или иной конечной точке, принимает от функциональной части данные к выдаче (вводу по запросу хоста), сообщает о выполнении этой операции. Количество и тип поддерживаемых конечных точек зависят от реализации SIE. Самые сложные в плане поддержки — точки типа Control, по этой причине многие устройства USB поддерживают лишь одну (обязательную) управляющую точку — EP0. С каждой поддерживаемой точкой в SIE связана буферная память, объем которой должен соответствовать максимальному размеру пакета, заявленному в дескрипторе точки. Блок SIE ведает и всеми дескрипторами (они размещаются в его локальной памяти) — сообщает их хосту по запросам, устанавливает конфигурацию и альтернативные установки. SIE отрабатывает и все запросы хоста, стандартные и специфические (управляет конечными точками, организует засыпание и пробуждение).

Устройство USB должно поддерживать возможность работы на полной, низкой или высокой скорости, в зависимости от требуемой скорости передачи данных и исходя из технико-экономических соображений. Низкоскоростные устройства (и их кабели) обходятся несколько дешевле, но их широкое использование невыгодно с точки зрения производительности шины в целом. Высокоскоростной порт USB требуется только при довольно высокой производительности функциональной части устройства, его применение несколько удорожает устройство (правда, на фоне стоимости функциональной части это не так существенно).

Как правило, периферийные устройства с USB имеют встроенный микроконтроллер, который и является источником и приемником информации, посылаемой через конечные точки. Микроконтроллер должен подчиняться указаниям от шины — выполнять сброс и приостановку по сигналам от порта, отрабатывать установки конфигурации и интерфейсов. Запросы управления стандартными свойствами (остановка и разблокирование точек, разрешение посылки удаленного пробуждения) доходят до контроллера опосредованно — в первую очередь их отрабатывает SIE.

Интерфейс между SIE и микроконтроллером обеспечивает передачу данных с необходимыми сигналами управления, а также генерацию прерываний (или иную сигнализацию) для микроконтроллера по таким событиям, как приход пакета, освобождение буфера передающей EP, срабатывание меток времени (для изохронных точек), неисправимые протокольные ошибки, вызывающие блокировку конечных точек.

Постовой: Полезные заметки по настройке компьютера.