Návrh elektronických přístrojů
5
3 Součástková základna pro elektronické přístroje Cíle kapitoly: Seznámit se se součástkami určenými pro konstrukci elektronických přístrojů. Popsat různé typy součástek, mikrokontrolérů a mikroprocesorů. Objasnit pojmy interní a externí sběrnice.
3.1 Rozdělení součástek pro elektronické přístroje Součástky obecně lze dělit podle několika kritérií, mezi které platí hlavně rozdělení na • lineární, neliární, lineární parametrické a nelineární parametrické, • aktivní a pasivní, • součástky analogové, digitální a ve smíšeném módu, • součástky v diskrétní, integrované nebo hybridní podobě, • součástky THP (Through Hole Pin), SMD (Surface Mounted Device) nebo CC (Chip Carrier). Vhodnou kombinací těchto typů součástek lze pak vytvořit širokou škálu přístrojů, přesně podle konkrétních představ návrháře. Přibližme si nyní jednotlivé typy součástek podle výše uvedeného rozdělení. Parametry lineární součástky jsou konstantní tzn. nezávisejí na procházejícím proudu, na napětí na ní, ani na žádné jiné vnější veličině. Charakteristiky těchto prvků jsou tedy také lineární. Příkladem (Obr. 3.1) tohoto typu součástek je lineární rezistor, kapacitor nebo induktor.
Obr. 3.1: Příklady lineárních součástek, zleva – rezistor, kapacitor, tlumivka
U nelineárních prvků závisejí jejich parametry na proudu, který jimi prochází nebo na napětí na nich. Změna jedné z těchto veličin vede ke změně určitého parametru součástky, přičemž je tato změna dána podle určitého zákona, který je charakteristický pro danou součástku. Proto nejsou charakteristiky nelineárních prvků přímkové, ale jsou to křivky. Mezi hlavní reprezentanty těchto součástek (Obr. 3.2) patří hlavně různé typy diod, kapacitory MOS nebo např. cívka navinutá na feromagnetickém jádře.
Obr. 3.2: Příklady nelineárních součástek, vlevo dioda LED, vpravo cívka s jádrem
5
6
FEKT VUT Brno
Parametry řízených (parametrických) lineárních prvků závisejí na vnější řídicí veličině. Jejich charakteristiky jsou tedy přímkové, avšak každé diskrétní hodnotě řidicí veličiny odpovídá jiná přímka. Tento prvek je tedy charakterizován celou soustavou přímek. Do této skupiny součástek můžeme například zařadit fotorezistory – Obr. 3.3, magnetorezistory, termorezistory nebo uhlíkové mikrofony.
Obr. 3.3: Příklady fotorezistorů jako řízených lineárních prvků
U řízených nelineárních prvků závisejí jejich parametry jak na procházejícícm proudu nebo napětí na nich, tak na změně vnější řídicí veličině. Charakterizovány jsou pak soustavou křivek. Do této poslední skupiny součástek patří tranzistory (Obr. 3.4), vakuové triody, tyristory (Obr. 3.4) nebo polovodičové fotodiody.
Obr. 3.4: Nelineární řízení prvky – tranzistory a tyristory
Na Obr. 3.5a je uveden příklad charakteristiky lineárního rezistoru, na Obr. 3.5b je lineární řízený prvek např. fotorezistor, na Obr. 3.5c je ilustrována charakteristika nelineárního prvku – polovodičové diody a na Obr. 3.5d je zobrazen příklad charakteristiky tranzistoru MOS. Pasivní součástka je součástka, která v obvodu pouze spotřebovává určitou energii a negeneruje jinou. Příkladem tohoto typu součástky jsou rezistory, kapacitory a induktory. Pasivní prvek lze také definovat jako prvek ztrátový, protože na něm dochází ke ztrátě energie např. u rezistoru se jedná hlavně o tepelné ztráty. Naopak aktivní součástka je schopná generovat signál a to i zesílený. Typickým představitelem je například tranzistor. Ten pokud je zapojen jako zesilovač se společným emitorem, je schopný vstupní signál několikanásobně zesílit.
Návrh elektronických přístrojů
7
Obr. 3.5: Charakteristiky různých typů součástek
Dalším možným dělením součástek je rozdělení na analogové, digitální a v mnoha případech i smíšené. Již z názvu plyne jejich funkce a případné použití. Analogové součástky zpracovávají pouze analogový signál nebo-li signál spojitý v čase i v hodnotě. Mezi základní analogové součástky pro konstrukci přístrojů patří kromě již zmíněných (Obr. 3.1) také operační zesilovače, komparátory, stabilizátory napětí a proudu, přístrojové transformátory a další.
a)
b)
c)
Obr. 3.6: Příklady analogových součástek - a) operační zesilovač, b) komparátor, c) stabilizátor napětí
Naopak digitální součástky jsou konstruovány pro zpracování číslicového signálu, který ve většině případů nabývá hodnot logických úrovní 0 nebo 1. Jedná se tedy o signál, který je spojitý v čase, ale diskrétní v hodnotě. Typickými představiteli číslicových součástek - Obr. 3.7 jsou různé logické a klopné obvody, multiplexery, čitače, paměti atd.
7
8
FEKT VUT Brno
a)
b)
c)
d)
e)
Obr. 3.7: Příklady číslicových součástek, a) hradlo NAND, b) RS klopný obvod, c) multiplexer, d) čitač, e) časovač
Poslední skupinou jsou obvody smíšené, které se skládají jak z analogové, tak digitální části. Do této skupiny patří hlavně převodníky AD (AD9228) a DA(DAC0800), mikrokontroléry (PIC) a mikroprocesory (Intel, AMD). Podle úrovně integrace lze dělit součástky na diskrétní, integrované nebo hybridní. Diskrétní součástka je nejjednodušším řešením. Jedná se pouze o jedinou součástku v jediném pouzdře, která však může být zapojena do obvodu. Do této kategorie tedy patří všechny pasivní i aktivní prvky (Obr. 3.1 až Obr. 3.4) jako jsou rezistory, kapacitory, induktory, tranzistory, diody, tyristory apod. Naopak integrované součástky v jediném pouzdře zahrnují celou řadu různých prvků (pasivních i aktivních), čímž se vytvoří určitá funkce této součástky. V tomto případě se jedná o integraci vysokého počtu (tisíce až milióny) základních prvků. Rozsah skupiny integrovaných obvodů je velmi široký, od operačních zesilovačů, přes různé logické a klopné obvody, multiplexery a hradlová pole až po mikrokontroléry a mikroprocesory. V dnešní době se právě integrované obvody používají nejčastěji, právě díky možnosti integrovat na malou plochu velké množství součástek. Další výhodou je v mnoha případech nízká spotřeba obvodu. Jakýmsi mezistupněm jsou součástky hybridní. Zahrnují v jednom pouzdru několik součástek většinou stejného typu.
Obr. 3.8: Příklad využití různých typů součástek a způsob jejich osazení na DPS
Poslední způsob dělení součástek jsme uvedli rozdělení na THP, SMD a CC prvky. Součástky THP jsou v podstatě drátové součástky, které se umísťují na jednu stranu desky plošného spoje (DPS) a pájí se z druhé strany DPS. Příklad tohoto typu součástek uveden na
Návrh elektronických přístrojů
9
Obr. 3.1. V současné době se stále více do popředí dostávají prvky SMD a to hlavně díky svým malým rozměrům, čímž je možné dosáhnout celkově malých rozměrů celého přístroje. Tyto součástky jsou umísťovány a pájeny na stejnou stranu DPS. Na Obr. 3.8 je příklad použití analogových, digitálních, THP, SMD součástek a integrovaných obvodů. V tomto případě se jedná o převodníkovou kartu.
3.2 Sběrnice pro PC Pod pojmem sběrnice obecně rozumíme soustavu vodičů, která umožňuje přenos signálů mezi jednotlivými částmi počítače. Pomocí těchto vodičů mezi sebou jednotlivé části počítače komunikují a přenášejí data. Zařízení jako jsou procesor, koprocesor, cache paměť, operační paměť, řadič cache paměti a operační paměti a některá další zařízení jsou propojena tzv. systémovou sběrnicí (CPU bus). Osobní počítače musí být navrženy tak, aby bylo možné jejich snadné rozšiřování o další zařízení (zvukové karty, síťové karty, řadiče disků apod.). Takovéto rozšiřování je velmi často uskutečňováno pomocí tzv. rozšiřující sběrnice počítače (častěji označované pouze jako sběrnice), na kterou se jednotlivá zřízení zapojují. Tato rozšiřující sběrnice a zapojovaná zařízení musí tedy splňovat určitá pravidla. Takže ve výpočetní technice je pojem sběrnice také chápán jako standard, dohoda o tom, jak vyrobit zařízení (rozšiřující karty), která mohou pracovat ve standardním počítači. Podle způsobu práce a zapojení rozlišujeme několik základních typů sběrnic: synchronní sběrnice: sběrnice pracující synchronně s procesorem počítače. Platnost údajů na sběrnici jednoznačně určuje hodinový signál. Tímto způsobem dnes pracuje převážná většina všech sběrnic. • pseudosynchronní sběrnice: dovoluje zpozdit přenos údajů o určitý počet hodinových period. • multimaster sběrnice: dovoluje tzv. busmastering, jedná se o sběrnici, která může být řízena několika zařízeními, nejen procesorem. • lokální sběrnice: spočívá ve vytvoření technické podpory toho, že se náročné operace s daty realizují rychlou systémovou sběrnicí. Tato systémová sběrnice se prodlouží a umožní se tak přístup na ni i ze zásuvných modulů dalších zařízení. O rozvoj lokálních sběrnic se nejvýrazněji zasloužili výrobci videokaret, pro něž byly dosavadní sběrnice pomalé. Nevýhodou lokálních sběrnic je o něco vyšší cena samotné základní desky s lokální sběrnicí a také zařízení pro ni určených. •
Mezi základní parametery každé sběrnice patří • šířka přenosu - počet bitů, které lze zároveň po sběrnici přenést, • kmitočet - maximální frekvence, se kterou může sběrnice pracovat, • rychlost (propustnost) - počet bytes přenesených za jednotku času. Sběrnice používané v PC lze také rozdělit na interní a externí. Interní sběrnice je sběrnice, která se používá pro připojení interních komponent (karet) k základní desce počítače. Naopak externí sběrnice je používána pro připojení externích zařízení (klávesnice, myš apod.) k počítači. Mezi první interní sběrnice patří sběrnice PC bus, která byla navržena a vyrobena firmou IBM pro první počítače IBM PC a IBM PC/XT založené na procesoru 8088. Tento procesor byl vnitřně 16-bitový a měl 8-bitovou datovou sběrnici. PC bus byla navržena tak, aby využívala jeho možností. Tato sběrnice poskytuje 62 linek, z nichž 8 slouží pro přenos
9
10
FEKT VUT Brno
dat. To znamená, že má šířku přenosu dat 8 bitů. Na PC busu jsou potom paralelně zapojeny jednotlivé konektory, tzv. sloty, do kterých se zapojují jednotlivé přídavné karty. Protože šířka přenosu je 8 bitů, jsou tyto sloty také označovány jako osmibitové sloty. Podobně i rozšiřující karty pro PC bus jsou označovány jako osmibitové karty. Pro přenos adresy je na sběrnici PC bus vymezeno 20 vodičů, což odpovídá 20-bitové adresové sběrnici procesoru 8088 (8086). Vzhledem k tomu, že sloty sběrnice PC bus jsou zapojeny paralelně, jsou naprosto ekvivalentní a je jedno, do kterého slotu se daná deska zapojí. Maximální rychlost sběrnice PC bus je 8 MHz. Na Obr. 3.9a jsou zobrazeny sloty sběrnice ISA a PC Bus a na Obr. 3.9b je příklad zásuvné karty pro sběrnici PC Bus.
a)
b)
Obr. 3.9: Sběrnice PC Bus, vlevo sloty, vpravo příklad karty
S postupujícím vývojem počítačů bylo zřejmé, že sběrnice PC bus již svými možnostmi nedostačuje a může degradovat výkon celého počítače. S příchodem procesoru 80286 se tedy objevuje nový typ sběrnice označovaný jako ISA (Industry Standard Architecture). Tento typ rozšiřující sběrnice je vyroben s 16-bitovou datovou sběrnicí a 24-bitovou adresovou sběrnicí. Sběrnice ISA – Obr. 3.9a je podobně jako PC bus navržena tak, aby plně odpovídala možnostem procesoru 80286. ISA dodržuje plnou zpětnou kompatibilitu s předešlou sběrnicí PC bus. To znamená, že uživatel může používat přídavných karet určených pro PC bus i v počítači se sběrnicí ISA. Kompatibility je dosaženo tak, že stará 62 vodičová sběrnice se rozšířila o dalších 36 vodičů a odpovídající slot se rozšířil o další konektor umístěný v jedné řadě hned za starším 8-bitovým slotem pro PC bus. Takto vznikl nový 16-bitový slot, který je umístěn na sběrnici ISA. Protože 16-bitové sloty jsou vlastně rozšířením 8-bitových slotů sběrnice PC bus, pracují 8-bitové karty i v 16-bitových slotech. Sběrnice ISA pracuje podobně jako PC bus s frekvencí 8 MHz synchronně s procesorem. Protože sběrnice ISA i PC bus jsou velmi náchylné na šum, není možné dále zvyšovat jejich frekvenci. Sběrnice MCA (MicroChannel Architecture) je novým typem sběrnice, který byl vyvinutý pro novou řadu počítačů firmy IBM s označením IBM PS/2. Hlavním cílem IBM bylo zrychlit přenos dat uvnitř počítače a snížit hladinu šumu na sběrnici. Obrovskou nevýhodou a patrně i důvodem, proč se sběrnice MCA nerozšířila, je její nekompatibilita s ISA a to, že počítače PS/2 neměly osazenu pro zpětnou kompatibilitu i
Návrh elektronických přístrojů
11
sběrnici ISA. Sběrnice MCA dovoluje běh s frekvencí 10 MHz a dovoluje přenášet data po 16 i 32 bitech. Jedná se tedy o rychlejší sběrnici s šířkou přenosu 32 bitů. Kromě toho má MCA i tzv. proudový režim, ve kterém dokáže současně přenášet 64 bitů. Šiřka adresové části je v závislosti na procesoru počítače 24 bitů (pro 80286) nebo 32 bitů (pro 80386). Další výhodou MCA oproti ISA je možnost softwarové konfigurace přídavných desek, takže při rekonfiguraci některé z nich stačí pouze spustit konfigurační program a není nutné otevírat počítač. Tato technika se u desek pro sběrnici ISA začala využívat až později. Sběrnice MCA dovoluje i tzv. busmastering, tj. sdílené řízení sběrnice. Konektor (slot) sběrnice MCA má v 16-bitové verzi 2x58 kontaktů a může být prodloužen o tzv. video rozšíření s dalšími 2x10 kontakty. Slot 32-bitové verze je ještě rozšířen o 2x31 kontaktů. Sběrnice EISA (Extended Industry Standard Architecture) byla vyrobena 9 firmami (AST Research, Compaq, Epson, NEC, Olvetti, Tandy, Wyse a Zenith) jako odpověď na sběrnici MCA. Záměrem bylo poskytnout sběrnici s vyšším výkonem, ale takovou, která by byla kompatibilní se sběrnicí ISA. EISA byla uvedena na trh v roce 1989. Slot sběrnice EISA na Obr. 3.10 má stejnou velikost jako slot ISA a obsahuje stejné vývody (62+36). Kromě těchto vývodů má ještě 59 nových vývodů umístěných mezi starými vývody sběrnice ISA. Tyto nové vývody zůstanou v případě zasunutí karty pro ISA sběrnici nezapojeny, čímž se dosahuje zpětné kompatibility EISA s ISA.
Obr. 3.10: Rozdíl mezi sběrnicí ISA a EISA
Sběrnice EISA byla používána zejména u počítačů s procesory 80386 a 80486, na které byla kladena větší zátěž (např. síťové servery). Vzhledem k příchodu modernějších typů sběrnic se dnes již nepoužívá. Sběrnice VL bus (VESA Local Bus) byla navržena v roce 1992 konsorciem VESA (Video Electronic Standards Association) a jedná se o klasickou lokální sběrnici. Šířka přenosu dat i adresy je 32 bitů. VL Bus (Obr. 3.11) podporuje maximálně 3 přídavné sloty. Čím vyšší je počet karet zasunutých na sběrnici VL Bus, tím nižší je maximální frekvence, se kterou může sběrnice pracovat. Teoretická mez VL Busu je 50 MHz. Prakticky je možné, aby pracovala s frekvencí 33 MHz při třech osazených přídavných kartách. Nejvyšší výkon má sběrnice VL Bus v tzv. burst (souvislém) režimu, kdy se vyššího výkonu dosahuje redukcí přenášených položek (např. adres). Adresa se v burst režimu vysílá pouze v prvním ze 4 bezprostředně následujících sběrnicových cyklů a v následujících třech se přenášejí jen data. Burst režim lze tedy použít pouze tehdy, když se čte (zapisuje) do bezprostředně za sebou následujících paměťových míst.
11
12
FEKT VUT Brno
Mezi nevýhody VL Busu (oproti PCI) patří silná procesorová závislost způsobená přímým zapojením slotů VL Busu na systémovou sběrnici. Tato závislost nedovoluje prakticky použít VL Bus v jiném počítači, než je počítač s procesorem Intel nebo kompatibilním. Další nevýhodu je její práce s úrovněmi logiky TTL (5 V), zatímco nové procesory pracují s napětím 3,3 V a nižším. Sběrnice VL je vyráběna na základní desce vždy spolu se sběrnicí ISA, protože při své práci využívá některých jejích signálů. Touto skutečností je zajištěna její kompatibilita s ISA, ale i její neoddělitelnost od sběrnice ISA. Konektor VL Busu se nachází v jedné řadě za 16bitovým konektorem ISA a má 2x58 vývodů. Sběrnice VL Bus byla používána zejména u počítačů s procesorem 80486 a prvních počítačů s procesorem Pentium.
Obr. 3.11: Umístění slotu sběrnice VL Bus na základní desce počítače
Sběrnice PCI (Peripheral Component Interconnect) je rychlá sběrnice vyrobená firmou Intel pro počítače s procesory Pentium. PCI - Obr. 3.12 již není klasickou lokální sběrnicí jako VL bus, ale je k systémové sběrnici připojena přes tzv. mezisběrnicový můstek. Toto řešení s sebou nese výhody v podobě možnosti použití sběrnice PCI i v jiných počítačích než jsou PC (např. MacIntsoh, DEC) a navíc můstek dovoluje provádět přizpůsobování napěťových úrovní. Sběrnice PCI je první sběrnicí s šířkou přenosu 64 bitů a využívá tak plně 64-bitové datové sběrnice Pentia. Dovoluje však i přenos o šířce 32 bitů pro použití v počítačích s procesorem 80486. Maximální frekvence, se kterou může tato sběrnice pracovat je 33 MHz, čímž je zajištěna propustnost sběrnice 132 MB/s (32 bitů) nebo 264 MB/s (64 bitů). Dále podobně jako VL bus i PCI umožňuje burst režim, ale na rozdíl od VL busu není shora omezen počtem 4 taktů. Sběrnice PCI je nezávislá na sběrnici ISA, tzn. že nevyužívá žádných jejích signálů jako VL bus. Pro dodržení zpětné kompatibility jsou počítače se sběrnicí PCI osazovány i sběrnicí ISA popř. EISA a jejími 16bitovými (ISA) nebo 32bitivými (EISA) sloty. Podobně jako MCA a EISA a narozdíl od VL busu podporuje PCI busmastering, což dovoluje vyšší výkon počítače, protože přenosy řízené CPU vyžadují spoustu času. PCI dále podporuje standard Plug and Play vyvinutý výrobci hardwaru v roce 1992, který dovoluje velmi snadnou konfiguraci desek pro PCI, popř. jejich automatickou konfiguraci bez zásahu
Návrh elektronických přístrojů
13
uživatele. Sběrnice PCI je používána u novějších počítačů s procesorem 80486 a u počítačů s procesory Pentium a vyššími.
Obr. 3.12: Sloty sběrnice PCI
Sběrnice AGP (Accelerated Graphic Port) je vysokorychlostní grafické rozhraní, vyvinuté firmou Intel a bylo navrženo speciálně pro 3D grafiku, která se potýká s několika problémy. Kvalitní zobrazení si totiž žádá textury ve vysokém rozlišení, které by měly být vykreslovány nejméně v 16 miliónech barev. Textury se navíc před vykreslením musí přenést z paměti RAM, do lokální paměti na grafické kartě. Uvážíme-li velikost textur (2 - 4 MB) je jasné, že budeme potřebovat rychlý přesun dat mezi pamětí RAM a grafickou kartou. To sběrnice PCI nezvládá. S propustností 132 MB/s musí ještě zajistit přenos dat mezi perifériemi a výkonnou jednotkou počítače. Princip AGP je založen na tom, že grafická karta již není připojená přes univerzální PCI, ale přes další port (AGP - Obr. 3.13), který komunikuje přímo s pamětí RAM a procesorem, rychlostí 528 MB/s. Grafická karta může komunikovat přímo se systémovou pamětí (dříve musela zkopírovat data do videopaměti) a tím šetří čas. Slot AGP je podobný slotu PCI s tím rozdílem, že kromě 32 kontaktů pro adresy/data obsahuje ještě 8 kontaktů pro "postranní" adresování. Sběrnice AGP je však náročná na výkon počítače a vyžaduje nejméně procesor Pentium II. Pro AGP jsou definovány 4 rychlosti přenosu • AGP 1x - 266 MB/s, • AGP 2x - 533 MB/s, • AGP 4x - 1,07 GB/s, • AGP 8x - 2,1 GB/s.
13
14
FEKT VUT Brno
Obr. 3.13: Různé typy slotů sběrnice AGP
Nejnovějším typem interní sběrnice je sběrnice PCI-E (Peripheral Component Interconnect Expres). Tato sběrnice (Obr. 3.14) se začala rozšiřovat v průběhu roku 2004 a jejím úkolem bylo nahradit stávající sběrnice PCI a AGP. Sběrnice AGP pro grafickou kartu bude nahrazovat sběrnice PEG. Sběrnice PCI-E (dříve známá jako 3GIO) je sběrnice typu point-to-point, která přenáší data po paketech. Data jsou enkodována 8b/10b a propustnost každé linie je 2.5Gb/s. Linie jsou celkem dvě, každá pro jeden směr. Základní sběrnice 1x
Návrh elektronických přístrojů
15
dokáže data přenést tak, jakoby putovala po paralelní virtuální sběrnici o volitelné šíři: 1, 2, 4, 12, 16 a 32 bitů. Jako náhrada 32bit PCI postačí PCIe 1x. • • • • • •
Typ Propustnost PCI expres / 1x250 MB/s, PCI expres / 2x500 MB/s, PCI expres / 4x1000 MB/s, PCI expres / 8x2000 MB/s, PCI expres / 16x4000 MB/s, PCI expres / 32x8000 MB/s.
Nejčastěji se používají sloty 1x, 4x, 8x a 16x. Do širších sběrnic je možno zasunout i karty určené pro sběrnice užší. Sběrnice PCI-E 1x má spotřebu 10W, PCIe 2x až 8x 25W a slot pro grafické karty PCIe 16x maximálně 75W. To je ve srovnání s 25/42W klasického rozhraní AGP docela velký pokrok a karty střední třídy již nevyžadují dodatečné napájení.
Obr. 3.14: Sběrnice PCI-E
Mezi nejznámější externí sběrnice patří RS 232 a také novější USB (Universal Serial Bus). Sběrnice USB se v posledních letech stala už naprosto samozřejmou součástí výbavy osobních počítačů. Na rozdíl od starších sériových rozhraní (RS-232) má USB mnohem větší možnosti a schopnosti, což je na druhou stranu vyváženo její složitostí a nákladnějším vývojem zařízení. USB je sériová sběrnice, umožňující připojit širokou škálu zařízení k osobnímu počítači. Pomocí USB lze připojit téměř každou periférii, klávesnicí, myší a tiskárnou počínaje a kamerami, zvukovými kartami či pevnými disky konče. V současné době je její nejnovější specifikací USB 2.0.
15
16
FEKT VUT Brno
Kromě velkého množství hotových periférií k PC je na trhu i široká nabídka integrovaných obvodů pro použití s USB sběrnicí, od jednoúčelových převodníků (např. USB na RS-232, FT232) až po jednočipové mikrokontroléry se zabudovaným USB rozhraním (např. PIC18F2455 nebo HC08JB/JW). USB lze dokonce řešit čistě softwarově - viz např. IgorPlug-USB. USB dle USB 2.0 specifikace využívá vrstevnou hvězdicovou topologii - Obr. 3.15, kde je v centru každé hvězdice tzv. USB hub. K tomuto hubu může být připojen buď další hub (na další úrovni), nebo koncové zařízení. Někdy se USB topologie znázorňuje také ve formě pyramidy - viz obr.
Obr. 3.15: Topologie sběrnice USB
USB sběrnice obsahuje jeden tzv. kořenový rozbočovač (root hub), který je považován za nejvyšší (první) úroveň a k němuž jsou připojeny další huby a zařízení. Rozhraní mezi USB systémem a hostitelským počítačem je nazýváno hostitelský řadič (Host Controller). Tento řadič může být implementován hardwarově nebo softwarově. Kořenový rozbočovač je integrován spolu s hostitelským řadičem do hostitelského systému a nabízí nejčastěji dva přípojné body. S ohledem na zpoždění signálu v kabelech a hubech povoluje specifikace maximálně sedm úrovní včetně kořenové vrstvy. To znamená, že mezi kořenovým rozbočovačem a koncovým zařízením může být zapojeno maximálně pět rozbočovačů. V USB systémech jsou použity dva typy konektorů - Obr. 3.16, které pomáhají odlišit směr zapojení. Směr od kořenového hubu ke koncovému zařízení se nazývá downstream, směr opačný, od zařízení ke kořenovému hubu, upstream. Konektor typu A (známý plochý konektor) je vždy pro upstream, tedy směrem k hostitelskému zařízení. Konektor typu B (čtvercový konektor) je pro downstream, tedy směrem ke koncovému zařízení. Pro zjednodušení lze říci, že do počítače nebo hubu se vždy zasouvá plochý konektor typu A, do zařízení konektor B. Kromě těchto dvou základních typů konektorů jsou občas používány i další typy, většinou nazývané Mini-B. Tyto konektory se používají zejména v malých zařízeních, např. v
Návrh elektronických přístrojů
17
digitálních fotoaparátech, kde by byl klasický konektor B příliš velký. Mini-B konektor se vyskytuje buď jako plochý (zmenšený konektor typu A), nebo jako čtvercový (zmenšený typu B).
Obr. 3.16: Konektory sběrnice USB
USB sběrnice používá tři rychlosti toku dat a to nízká rychlost - max. 1.5 Mbit/s, plná rychlost - max. 12 Mbit/s a vysoká rychlost - max. 480 Mbit/s. USB sběrnice využívá čtyři vodiče - Obr. 3.17. Po dvou vodičích je přenášeno napájecí napětí a zem, po dalších dvou (pro plnou/vysokou rychlost se používá kroucený pár) jsou přenášena diferenciálně vlastní data. Díky tomu má USB sběrnice i při vysokých přenosových rychlostech značnou odolnost proti šumu a proti rušení. USB 2.0 specifikuje parametry kabelů pro propojování zařízení. Pro plnou/vysokou rychlost je vyžadován stíněný kabel maximální délky 5 metrů, pro nízkou rychlost není stínění vyžadováno a délka kabelu je pak omezena na tři metry.
Obr. 3.17: Zapojení vodičů v konektorech USB
17
18
FEKT VUT Brno
Tab. 3.1: Popis vodičů sběrnice USB Barva vodiče Číslo pinu
Popis
Červená
1
VBUS - napájecí napětí 5V
Bílá
2
D-
Zelená
3
D+
Černá
4
GND - zem
USB je řízená sběrnice, kde veškeré datové přenosy inicializuje hostitelský kontroler. Většina sběrnicových transakcí (přenosů dat) sestává z vyslání až tří paketů. Každá transakce začíná tím, že hostitelský kontroler vyšle USB paket popisující typ a směr přenosu, adresu zařízení a číslo koncového bodu (endpoint) v zařízení (k těmto termínům se ještě dostanu). Tento paket je označen jako token paket. USB zařízení, které rozpozná svou adresu, se připraví k přenosu. Směr přenosu, tedy zda jde o přenos dat ze zařízení do hostitelského systému nebo z hostitelského systému do zařízení, je určen token paketem. Poté zdroj dat (zařízení nebo systém) vyšle datový paket nebo oznámí, že nemá žádná data k vyslání. Transakce bývá ukončena tím, že příjemce (cíl dat) vyšle handshake paket, kterým potvrdí úspěšnost přenosu. Některé transakce mezi hostitelským systémem a hubem sestávají ze čtyř paketů. Transakce tohoto typu jsou používány pro řízení datových přenosů mezi hostitelským systémem a zařízeními s plnou nebo nízkou rychlostí. Pomyslná cesta pro datové přenosy mezi hostitelským zařízením a koncovým bodem v zařízení je nazývána rourou (pipe). Existují dva typy rour • pro datové proudy (streams); • pro zprávy (messages). Datový proud nemá, na rozdíl od zpráv, pevně definovanou strukturu. Roura má dále přiřazené některé parametry, jako jsou šířka přenosového pásma (bandwidth), typ přenosu a charakteristiky koncového bodu, jako směr a velikost bufferu. Většina rour je vytvořena v okamžiku konfigurace USB zařízení. Jedna roura pro přenos zpráv, tzv. Default Control Pipe, existuje ihned po připojení zařízení a poskytuje přístup ke konfiguračním, stavovým a řídicím informacím zařízení.
