Приемопередатчики

Подробности

Родительская категория: USB

Категория: Физический интерфейс USB

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.

Состояния устройств

Подробности

Родительская категория: USB

Категория: Устройства USB

Устройство USB должно поддерживать все состояния, определенные спецификацией:

• «Подключено» (Attached State) — устройство подключено к хабу, но питание от шины не подано, устройство не может никак себя проявить и не управляемо хостом. Если питание от шины не используется (даже для SIE), то это состояние отсутствует;
• «Запитано» (Powered State) — устройство подключено к порту и ему подано питание, устройство может заявить о себе, подтягивая резистором линию D+ или D- к шине питания. Это промежуточная ступенька к «дежурному» состоянию;
• «Дежурное» состояние (Default State) по включению питания, подключению к порту или по сбросу от порта: устройство имеет нулевой адрес (USB Default Address) и отзывается только на обращения к EP0, потребляет от шины не более 100 мА;
• «Адресовано» (Addressed State) — запросом Set_Address ему назначен уникальный адрес на шине (1–127), но отзывается только на обращения к EP0, потребляет от шины не более 100 мА;
• «Сконфигурировано» (Configured State) — запросом Set_Configuration выбрана конфигурация, устройство отзывается на обращения ко всем точкам, описанным в данной конфигурации, и может потреблять от шины заявленный ток. При необходимости можно изменять альтернативные установки интерфесов запросом Set_Interface;
• «Приостановлено» (Suspended Mode) — устройство подключено, запитано (хотя бы по минимуму), но приостановлено (прекращение активности порта, к которому оно подключено). Ему до приостановки мог быть назначен адрес и установлена конфигурация, однако хост не может использовать функции этого устройства, пока не будет выполнено возобновление (resume), которое вернет устройство в состояние, бывшее до приостановки. В этом состоянии устройство может подать сигнал удаленного пробуждения, если оно обладает этой возможностью и хост разрешил ее использовать.

USB поддерживает динамическое конфигурирование, отслеживая подключение и отключение устройств. USB позволяет идентифицировать подключаемые устройства, определять их потребности в ресурсах (полоса пропускания, питание от шины), выбирать нужную конфигурацию и управлять устройствами, что обеспечивает полную поддержку PnP. Для этих целей определены «правила поведения» подключаемых устройств, система дескрипторов и стандартные управляющие запросы к устройствам. Ключевую роль в системе PnP играют хабы, позволяющие селективно управлять работой подсоединенных к ним сегментов шины, что требуется на этапе конфигурирования. В процессе работы шины постоянно идет процесс нумерации (enumeration) устройств, отслеживающий изменения физической топологии.

Расщепление периодических транзакций

Подробности

Родительская категория: USB

Категория: Хабы USB

Периодические транзакции (изохронные и прерывания) критичны к времени выполнения, что накладывает отпечаток на их исполнение в расщепленном виде.

Изохронные транзакции на FS синхронизируются с кадрами (1 мс), в то время как на HS — с микрокадрами (125 мкс). Поскольку за время микрокадра на полной скорости может быть передано всего 187,5 байт данных, при расщеплении транзакций на стороне FS можно без ущерба равномерности уменьшить размер передаваемого пакета за один микрокадр (ради облегчения планирования загрузки микрокадров). Исходя из этого, одна транзакция FS, несущая до 1023 байт данных, фрагментируется — разбивается на 1–6 транзакций HS, несущих до 188 байт данных каждая.

Проще всего расщепляются транзакции изохронного вывода, поскольку здесь не требуется получения от устройства ответа или данных. Одна FS-транзакция изохронного вывода реализуется в виде цепочки из 1–6 HS-транзакций, в каждой из которых после маркера SS посылается маркер OUT, адресующийся к конечной точке целевого устройства, и пакет DATA0 с очередным фрагментом данных. Здесь (и только здесь) в маркере SS поля S (Start) и E (End) определяют местоположение пакета данных в полноскоростной транзакции: [S:E] = 10 — стартовый, [S:E] = 01 — последний, [S:E] = 00 — промежуточный, [S:E] = 11 — в пакете все данные транзакции.

Транслятор транзакций, успешно приняв стартовый пакет (с единичным битом S), может начинать транзакцию вывода, полагая, что последующие данные будут хостом доставлены своевременно. Отработав пакет с признаком последнего фрагмента, транслятор формирует нормальное окончание пакета (CRC код и EOP). Если промежуточные фрагменты приходят с ошибкой, транслятору придется «испортить» выводимый пакет, введя ошибку вставки бит. Таким образом, целевой приемник данные этой транзакции проигнорирует, как некорректные. Транслятор транзакций после приема фрагмента с ошибкой будет игнорировать все расщепленные транзакции, адресованные к данной конечной точке, у которых нет признака начального фрагмента. Последующую транзакцию со стартовым фрагментом транслятор будет отрабатывать как новую.

Транзакции изохронного ввода расщепляются несколько сложнее, поскольку требуют передачи к хосту данных, которые от целевого устройства будут получены с задержкой. Одна FS-транзакция изохронного ввода реализуется в виде цепочки, состоящей из транзакции запуска, содержащей маркер SS и маркер IN, и нескольких транзакций завершения, в каждой из которых за маркером CS следует тот же маркер IN и ожидается от хаба пакет с очередным фрагментом данных или пакет квитирования. Здесь также данные одной FS-транзакции разбиваются на 1–6 фрагментов (HS-транзакций). Данные всех фрагментов, кроме последнего, возвращаются пакетами MDATA, вынуждающими повторить транзакцию завершения в следующем микрокадре. Последний фрагмент приходит в пакете DATA0. Вместо пакета данных контроллер может ответить пакетом NYET, если к концу микрокадра он принял от целевого устройства менее трех байт данных. Хост в этом случае повторит транзакцию завершения в следующем микрокадре, если текущий микрокадр не является последним в кадре. Ответ NYET в последнем микрокадре кадра трактуется хостом как ошибка, по которой транзакцию следует завершить и сообщить об этом клиентскому драйверу. Если транслятор транзакций принимает от целевого устройства данные с ошибкой, он ответит пакетом ERR, что тоже вынудит хост прекратить транзакцию с сообщением об ошибке.

Транзакции прерываний имеют небольшой размер пакета (до 8 байт данных на LS и до 64 на FS), поэтому для них не нужна фрагментация вывода, а их выполнение укладывается в 1–2 микрокадра.

Транзакция запуска вывода по прерыванию (Interrupt OUT) состоит из последовательности маркеров SS и OUT, за которыми следует пакет данных DATA0 или DATA1. Транзакция завершения состоит из последовательности маркеров CS и OUT, на которую транслятор отвечает пакетом подтверждения:

• пакеты ACK, NAK и STALL — это обычные ответы целевой конечной точки;
• NYET — признак незавершенности транзакции транслятором; при этом хост должен повторить транзакцию завершения в следующем микрокадре. Если этот ответ получен в седьмом (последнем) микрокадре, данная ситуация считается ошибкой и обрабатывается обычным образом;
• ERR — сигнализация об ошибке фазы подтверждения на вторичной шине.

Транзакция запуска ввода по прерыванию (InterruptIN) состоит из последовательности маркеров SS и IN. Данные от устройства хост получит в пакетах 1–2 транзакций завершения. Транзакция завершения состоит из последовательности маркеров CS и IN, на которую транслятор отвечает пакетом данных или подтверждения (NAK, NYET, STALL или ERR с вышеописанными значениями). Если транслятор принял еще не все данные от целевого устройства, они придут в пакете MDATA (если принято менее трех байт, транслятор пошлет NYET), на что хост должен повторить транзакцию завершения в следующем микрокадре. Последняя порция данных придет в пакете DATA0 или DATA1.

Расщепление непериодических транзакций

Непериодические транзакции (управление и передача массивов) не критичны к времени выполнения; малый размер блока данных (до 64 байт) позволяет их расщеплять, используя по одной транзакции запуска и завершения.

Транзакции запуска вывода состоит из последовательности маркеров SS и OUT для массивов (Bulk OUT) или SS и SETUP для управления (Сontrol), за которыми следует пакет данных DATA0 или DATA1. Транслятор подтверждает запуск ответом ACK, после которого хост должен выполнить транзакцию завершения, или отвергает его пакетом NAK, после которого хост должен повторить запуск. Транзакция завершения состоит из маркеров CS и OUT, на что транслятор отвечает подтверждениями ACK, NAK, STALL (это обычные ответы целевой конечной точки) или NYET — транзакция еще не завершена, хосту следует позже повторить транзакцию завершения.

Транзакции запуска ввода состоит из последовательности маркеров SS и IN, транслятор своим ответом подтверждает (ACK) или отвергает (NAK) запуск. Транзакция завершения состоит из маркеров CS и IN, на что транслятор отвечает пакетом данных (DATA0 или DATA1) или подтверждениями NAK, STALL или NYET с вышеописанным значением.

Хост-контроллер

Подробности

Родительская категория: USB

Категория: Хост USB

Хост-контроллер является аппаратным посредником между устройствами USB и хостом. В настоящее время имеется три спецификации хост-контроллеров, каждой из которых соответствует свой комплект драйверов хост-части:

• UHC (Universal Host Controller) — универсальный хост-контроллер для шины USB 1.x, разработанный Intel;
• OHC (Open Host Controller) — «открытый» хост-контроллер для шины USB 1.x, разработанный Compaq, Microsoft и National Semiconductor;
• EHC (Enhanced Host Controller) — расширенный хост-контроллер для поддержки высокой скорости шины USB 2.0.

Все эти варианты контроллеров выполняют одни и те же задачи: организуют физические транзакции с устройствами по шине USB в соответствии с описаниями (дескрипторами) этих транзакций, помещенными в системное ОЗУ драйвером хост-контроллера. При этом транзакции разных типов обрабатываются по-разному. В плане обработки ошибок проще всего устроены изохронные транзакции, где ошибки не требуют повторов. Транзакции передач с гарантированной доставкой в случае ошибок требуют повторов до победного конца или признания неудачи (исчерпания допустимого числа повторов). С точки зрения планирования следует выделить периодические транзакции, которые должны выполняться строго по графику, остальные — как получится, и их ставят в очереди. Из-за особенностей планирования и возможных повторов порядок завершения обработки дескрипторов транзакций (успешных или нет) будет отличаться от порядка их помещения в память1, что прибавляет забот хост-контроллеру и его драйверу. Три варианта хостконтроллеров решают эти задачи по-разному и используют разные стратегии планирования транзакций, что иллюстрирует таблицы ниже.

 План распределения времени в кa)адре: a — UHC; б — OHC; в — EHC (в микрокадре)

а)

б)

В)