Запросы, пакеты и транзакции

Подробности

Родительская категория: USB

Категория: Организация шины USB

Модель передачи данных

Каждая единица клиентского ПО (обычно представляемая драйвером) связывается с одним интерфейсом своего устройства (функции) монопольно и независимо (см. рисунок ниже). Связи на этом рисунке обозначают коммуникационные каналы (communication pipes), которые устанавливаются между драйверами устройств и их конечными точками. Каналы устанавливаются только с конечными точками устройств, относящимися к выбранным (из альтернативных) вариантам интерфейсов активной конфигурации. Другие конечные точки недоступны.

Запросы, пакеты и транзакции

Для передачи или приема данных клиентское ПО посылает к каналу пакет запроса ввода/вывода — IRP (Input/Output Request Packet) и ждет уведомления о завершении его отработки. Формат IRP определяется реализацией драйвера USBD в конкретной ОС. В IRP имеются только сведения о запросе (местоположение буфера передаваемых данных в оперативной памяти и длина передачи); от свойств конкретного текущего подключения (скорость, допустимый размер пакета) драйвер устройства абстрагируется. Отработкой запроса в виде транзакций на шине USB занимается драйвер USBD; при необходимости он разбивает на части длинные запросы (пакеты), пригодные для передачи за одну транзакцию. Транзакция на шине USB — это последовательность обмена пакетами между хостом и ПУ, в ходе которой может быть передан или принят один пакет данных (возможны транзакции, в которых данные не передаются). Отработка запроса считается завершенной, когда успешно выполняются все связанные с ним транзакции. «Временные трудности», встречающиеся при их выполнении (неготовность к обмену данными), до сведения клиентского драйвера не доводятся — ему остается только ждать завершения обменов (или выхода по тайм-ауту). Однако устройство может сигнализировать о серьезных ошибках (ответом STALL), что приводит к аварийному завершению запроса, о чем уведомляется клиентский драйвер. В этом случае отбрасываются и все последующие запросы к данному каналу. Возобновление работы с данным каналом возможно лишь после явного уведомления об обработке ошибочной ситуации, которое драйвер устройства делает с помощью специального запроса (тоже вызова USBD).

Длинные запросы разбиваются на транзакции так, чтобы использовать максимальный размер пакета. Последний пакет с остатком может оказаться короче максимального размера. Хост-контроллер имеет средства обнаружения приема от устройства «неполновесного» пакета, размер которого меньше ожидаемого. В запросе IRP указывается, следует ли особым образом реагировать на это событие. Особая реакция может быть двоякой:

• считать короткий пакет разделителем, указывающим на конец блока данных. При этом данный IRP завершается нормально и исполняются следующие запросы к данному каналу;
• считать короткий пакет признаком ошибки, по которому канал останавливается (все его последующие ожидающие запросы сбрасываются).

При передаче массивов использование укороченных пакетов в качестве разделителей наиболее естественно. Таким образом, например, в одном из вариантов протоколов для устройств хранения данных укороченные пакеты известной длины используются в качестве управляющих.

Подтверждения, управление потоком и сигнализация ошибок устройства

Подробности

Родительская категория: USB

Категория: Протокол шины USB

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).

Совместная работа устройств с разными скоростями на одной шине

Подробности

Родительская категория: USB

Категория: Пропускная способность USB и изохронные передачи

Спецификация USB позволяет к одной шине подключать устройства, работающие на существенно различающихся скоростях передачи. Для их нормального сосуществования в плане распределения времени микрокадров для каждой из скоростей приняты соответствующие ограничения на максимальную длину поля данных пакета:

• низкая скорость (LS, 1,5 Мбит/с) — до 8 байт, при этом двухстадийная транзакция управления занимает 30% кадра, а транзакция прерывания — 14%;
• полная скорость (FS, 12 Мбит/с) — до 1023 байт для изохронных обменов (69% кадра) и 64 байт для остальных типов (5% кадра);
• высокая скорость (HS, 480 Мбит/с) — до 1024 байт для прерываний и изохронных обменов (14% микрокадра), до 512 байт для передач массивов и управления (7–8% микрокадра).

Приемопередатчики (да и соединительные кабели) низкоскоростных устройств не способны работать с сигналами полной скорости, на которой передаются все маркеры SOF и пакеты обмена с полноскоростными устройствами. Поэтому хаб USB не транслирует трафик на свои нисходящие порты, к которым подключены низкоскоростные устройства, до тех пор, пока хост-контроллер не передаст специального маркера — преамбулы низкоскоростного обмена (PRE). Этот маркер игнорируется всеми устройствами, кроме хабов. Пакетом-преамбулой хост-контроллер гарантирует, что следующий пакет будет им передан на низкой скорости. Этим пакетом будет маркер, определяющий тип транзакции с LS-устройством, а в транзакциях вывода — и пакет данных (перед которым требуется своя преамбула). Хаб разрешает транслировать на свой нисходящий порт с LS-устройством только один пакет, следующий за преамбулой; по концу пакета (увидев EOP на низкой скорости) он снова запрещает трансляцию. Чтобы хаб успел переключить режим своего приемопередатчика, между преамбулой и последующим пакетом вводится зазор (4 битовых интервала FS). Для ответа LS-устройства никаких преамбул не нужно — хабы способны прозрачно передавать восходящий трафик на обеих скоростях (LS и FS). Хост-контроллер, естественно, должен принимать пакеты и на FS, и на LS. Очевидно, что низкоскоростные транзакции расходуют время кадра весьма неэффективно, но в USB 1.x с этим мирятся ради возможности подключения дешевых устройств и упрощения хабов, которые являются просто повторителями сигналов. Заметим, что маркеры SOF не транслируются на низкоскоростные порты, так что изохронный обмен, для которого они необходимы, для LS-устройств невозможен и не поддерживается.

Эффективное сосуществование трех скоростей в USB 2.0 реализуется сложнее и обходится дороже. Во-первых, хост-контроллер USB 2.0 содержит фактически два контроллера — EHC, работающий только на высокой скорости, и контроллеркомпаньон (возможно, и не один) USB 1.x (UHC или OHC) для полной и низкой скорости. Корневой хаб может иметь равноправные порты, но в процессе автоконфигурирования, в зависимости от свойств подключенного к нему устройства (или хаба), каждый порт соединяется с соответствующим контроллером. Существуют системные платы с фиксированным распределением портов по контроллерам: часть портов отводится под USB 2.0 и подключена к EHC, часть — под USB 1.1 и подключена к UHC или OHC. Ради повышения пропускной способности применяют и индивидуальные контроллеры (UHC или OHC) для каждого порта USB 1.x.

Во-вторых, хабы USB 2.0 имеют более сложную структуру: кроме повторителя он имеет еще и транслятор транзакций. Когда восходящий и нисходящие порты хаба работают на одинаковой скорости (FS или HS), хаб работает в режиме повторителя. При этом транзакция с устройством, подключенным к хабу, занимает весь канал от хост-контроллера до устройства на все время своего выполнения. Если же к порту хаба USB 2.0, работающего на HS, подключается устройство или хаб 1.1, то применяются расщепленные транзакции. Здесь по части канала от хоста до хаба (его транслятора транзакций) обмен проходит на скорости HS, а между транслятором транзакций и устройством (или хабом) USB 1.x обмен идет уже на его «родной» скорости FS или LS. Эти обмены разнесены во времени, между ними могут вклиниваться любые транзакции на высокой скорости (в том числе и расщепленные). Таким образом, расщепленные транзакции позволяют не расходовать попусту пропускную способность высокоскоростной шины: транзакции с хабом на высокой скорости занимают в 40 (для FS) и даже в 320 (для LS) раз меньше времени шины, чем транзакции с самим целевым устройством. От старых (USB 1.x) устройств и хабов все тонкости расщепленных транзакций скрываются, чем и обеспечивается обратная совместимость.

Порт хаба имеет возможность аппаратно определить, какую скорость поддерживает подключенное устройство. Все HS-устройства по включению работают в режиме FS, и только после взаимного согласования с портом хаба перейдут в режим HS. Если HS-устройство подключается к хабу USB 1.x, который этого согласования не поддерживает, устройство останется в режиме FS, возможно, с усеченной функциональностью. В системе с USB 2.0 у устройства можно спросить (запросом дескрипторов), что изменится в его функциональности, если его подключить на другой скорости (изменив топологию соединений).

Вполне понятно, что устройство USB 2.0 сможет реализовать высокую скорость, только если по пути от него к хост-контроллеру (тоже 2.0) будут встречаться только хабы 2.0. Если это правило нарушить и между ним и контроллером 2.0 окажется старый хаб, то связь может быть установлена только в режиме FS. Если такая скорость устройство и клиентское ПО устроит (к примеру, для принтера и сканера это выльется только в большее время ожидания пользователя), то подключенное устройство работать будет, но появится сообщение о неоптимальной конфигурации соединений. По возможности ее (конфигурацию) следует исправить, благо переключения кабелей USB можно выполнять на ходу. Устройства и ПО, критичные к полосе пропускания шины, в неправильной конфигурации работать откажутся и категорично потребуют переключений. Если же хост-контроллер старый, то все преимущества USB 2.0 окажутся недоступными пользователю. В этом случае придется менять хост-контроллер (менять системную плату или приобретать PCI-карту контроллера USB 2.0).

Контроллер и хабы USB 2.0 позволяют повысить суммарную пропускную способность шины и для старых устройств. Если устройства FS подключать к разным портам хабов USB 2.0 (включая и корневой), то для них возможно повышение суммарной пропускной способности шины USB по сравнению с 12 Мбит/с во столько раз, сколько используется портов высокоскоростных хабов. Конечно, при этом суммарная пропускная способность для всех устройств, включая и HS-устройства, не может превышать общую пропускную способность HS-шины (нужно учитывать и накладные расходы). Кроме того, нужно учитывать архитектурные особенности хост-контроллера и хабов. Хост-контроллер может умножать пропускную способность FS/LS на число своих встроенных контроллеров USB 1.x. «Умножительные способности» хаба зависят от реализации его транслятора транзакций.

Передача данных

Подробности

Родительская категория: USB

Категория: Физический интерфейс USB

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.