Standard USB. Standard USB. (Universal Serial Bus) Jan Malinský ČVUT Praha, FEL, Katedra měření

Standard USB

Standard USB (Universal Serial Bus)

Jan Malinský ČVUT Praha, FEL, Katedra měření 38SS

Str. 1

Jan Malinský, Katedra měření FEL ČVUT, Praha

Standard USB

Základní vlastnosti USB:  sériové rozhraní  přenosové rychlosti (včetně režijních bitů) jsou: • 1,5 Mb /s (Low speed) – USB v.1.1 (délka kabelu 3m) • 12 Mb /s (Full speed) – USB v.1.1 (délka kabelu 5m) • 480 Mb /s (High speed) – USB v.2.0 (délka kabelu 5m)

 možnost napájení zařízení přímo z USB konektoru  až 127 zařízení  plug & play

38SS

Str. 2


Standard USB

Fyzická vrstva – průřez kabelem

 diferenciální sběrnice D+ a D- (odolnost proti souhlasnému rušení)  napájecí vodiče

38SS

Str. 3


Standard USB

Fyzická vrstva – topologie strom

 přístupová metoda – výzva (polling) od hostitele  rozbočovač – rozšíření sběrnice o další přípojné body až do 5 vrstev u USB v 1.1 nebo až 7 vrstev u USB 2.0 38SS

Str. 4


Standard USB

Fyzická vrstva – detekce rychlosti zařízení Low speed

38SS

Str. 5


Standard USB

Fyzická vrstva – detekce rychlosti zařízení Full speed

38SS

Str. 6


Standard USB

Fyzická vrstva – detekce rychlosti zařízení High speed  Hardwarová detekce stejná jako u Full speed  High speed zařízení zpočátku pracuje jako Full speed  Přepnutí do režimu High speed se děje softwarově

38SS

Str. 7


Standard USB

Fyzická vrstva –elektrický signál na sběrnici

VOH(min) VIH(min) VIL(max) VOL(max) Vss

 rozdílová 1 (UD+ - UD-)>200mV; UD+ > UIH(min)  rozdílová 0 (UD+ - UD-)<200mV; UD- < UIL(max)  “tvrdá” 0 UD+ < UIL(max) ; UD- < UIL(max)  logická 1 (stav J) = rozdílová 1 (FS); = rozdílová 0 (LS)  logická 0 (stav K) = rozdílová 0 (FS); = rozdílová 1 (LS)

38SS

Str. 8


Standard USB

Fyzická vrstva –stavy na sběrnici  datová logická 1 (tzv. stav J) = rozdílová 1 (FS); = rozdílová 0 (LS)  datová logická 0 (tzv. stav K) = rozdílová 0 (FS); = rozdílová 1 (LS)  Klidový stav sběrnice – budiče v stavu high Z, je udržován stav J pomocí rezistorů (viz. slide detekce rychlosti zařízení)  Počátek paketu (SOP) – přechod z klidového stavu do stavu K  Konec paketu (EOP) – stav SE0 – „tvrdá“ nula (po dobu 2 bity) a následně stav K (po dobu 1bit)  Odpojení zařízení – host detekuje stavu SE0 nejméně po dobu 2,5ms (doba trvání jednoho bitu je 83,3ns – FS 12Mb/s)  Připojení zařízení – host detekuje klidový stav nejméně po dobu 2ms  Reset zařízení – host zaručí stav SE0 po dobu nejméně 10ms

38SS

Str. 9


Standard USB

Fyzická vrstva – úprava dat před vysláním na sběrnici  vkládaní bitů (bitstufing) – po šesti po sobě jdoucích log. 1 je vložena jedna log. 0  NRZI kódování – každá log. 0 způsobí změnu stavu na sběrnici (J na K nebo opačně podle toho v jakém předchozím stavu sběrnice byla); log.1 zachová stav na sběrnici z předchozího bitu

38SS

Str. 10


Standard USB

Linková vrstva – rámec

 periodické opakování časových rámců (LS, FS - 1ms, HS – 125ms)  informace se přenášejí v tzv. paketech  na počátku každého rámce je vždy speciální paket SOF (start of frame)  řazení paketů v rámci není přesně dáno – určuje ho hostitel podle typu přenosu 38SS

Str. 11


Standard USB

Linková vrstva – průběhy přenosů

38SS

Str. 12


Standard USB

Typy přenosů  Řídící přenosy (control) • konfigurace zařízení hostitelem (max. 10% rámce) • potvrzovaný přenos • např. požadavek na změnu adresy setAddress  Časované přenosy dat (Interupt) • až 90% rámce • pro potřebu častého dotazování • potvrzovaný přenos • přenos malého objemu dat s vysokou prioritou • klávesnice, myš

38SS

Str. 13


Standard USB

Typy přenosů  Izochronní přenosy (izochronous) • nepotvrzovaný přenos • až 90% rámce • Pro přenos dat v reálném čase bez nároku na zabezpečení přenosu • Pro přenos obrazu, zvuku

 Přenos objemných dat (Bulk) • potvrzováno přijetí, popř. je přenos datového paketu opakován • přenáší se pouze pokud zbývá v rámci místo (malá priorita) • není zaručeno zpoždění s jakým budou data doručena • Přenos dat bez velkých nároků na rychlost, ale s požadavkem na zabezpečení vůči chybám • např. pro scanner, tiskárnu 38SS

Str. 14


Standard USB

Linková vrstva – pověřovací pakety (SOF, IN, OUT, SETUP) Pověřovací paket SOF (start of frame) – oznamuje začátek rámce (32bitů) SYNC (8 bitů)

Číslo rámce (11 bitů)

PID (8 bitů)

CRC5 (5 bitů)

Pověřovací paket – IN, OUT, SETUP (32 bitů) SYNC (8 bitů)

PID (8 bitů)

ADDR (7 bitů)

ENDP (4 bitů)

CRC5 (5 bitů)

 Pověřovací pakety vysílá pouze hostitel  Paket SOF oznamuje začátek rámce, číslo rámce (PID = 0xA5),  Paket OUT – hostitel oznamuje zařízení (ADDR-127, ENDP–16(FS)3(LS)), že mu v následujícím paketu pošle data – datový paket  Paket IN – hostitel si tímto vyžádá data od zařízení  Paket SETUP – oznámení o vysílání konfiguračních dat od hostitele v následujícím paketu 38SS

Str. 15


Standard USB

Linková vrstva – datové pakety (DATA0, DATA1) Datový paket – DATA0, DATA1 (32 – 1055 bitů) SYNC (8 bitů)

PID (8 bitů)

DATA (0 -1023 B)

CRC16 (16 bitů)

 Datové pakety může vysílat host i zařízení zaleží na předchozím pověřovacím paketu  Paket DATA0 (PID = 0xC3) - sudý datový paket  Paket DATA1 (PID = 0x4B) – lichý datový paket  V případě vysílání více datových paketu za sebou dochází ke střídání DATA0 a DATA1

38SS

Str. 16


Standard USB

Linková vrstva – potvrzovací pakety (ACK, NAK, STALL) Potvrzovací paket – ACK, NAK, STALL (16 bitů) SYNC (8 bitů)

PID (8 bitů)

 Paket ACK (PID = 0xD2) značí kladné potvrzení může vysílat hostitel i zařízení záleží na počátečním pověřovacím paketu (SETUP, IN, OUT)  Paket NAK (PID = 0x5A) značí zápornou odpověď, posílá ji zařízení jenž nemohlo přijmout data poslaná hostitelem nebo není schopno data hostiteli poslat

38SS

Str. 17


Standard USB

Linková vrstva – pole tvořící pakety LSB

PID (8 bitů)

PID0

MSB PID1

PID2

PID3

PID0

PID1

LSB

ADDR (7 bitů)

A0

DATA

E0

PID3

MSB A1

A2

A3

A4

A5

A6

MSB

LSB

ENDP (4 bity)

PID2

E1

E2

MSB

LSB

D5 D6 D7

E3

MSB

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

byte N-1

byte N

LSB D0 D1 D2

byte N+1

 Každé z polí je přenášeno od LSB směrem MSB !!! 38SS

Str. 18


Standard USB

Linková vrstva – synchronizační pole SYNC  Povinné první pole každého paketu  Hodnota 0x80  Vyšle se od LSB tj. 0000 0001  Po NRZI kódování se ve skutečnosti na sběrnici vyšle K J K J K J K K  Střídání stavu J a K s frekvencí bitových hodin  Synchronizační účel

38SS

Str. 19


Standard USB

Úloha ze cvičení (interpretace dat zachycených logickým analyzátorem na sběrnici USB – Full Speed)

Vodič D+ (FS) NRZI dekodér

Idle

K J K J K J K K K J J K J J K K K K K K K J J J J J K K J J K K K SE0 J Idle K J K J K J K K

0 0 0 0 0 0 0 1 1 01 0 0 1 0 1 1 11 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1

1

0 0 00 0 0 0 1

1

0 0 00 0 0 0 1

Pakety

Rámce

číslo rámce = 0x5FF

CRC5 = 0x1A

LSB

11 bitů

MSB

MSB LSB

8 bitů 0xA5 (PID = SOF)

MSB LSB

8 bitů 0x80 (SYNC)

MSB LSB

Pole paketu

0 0 0 0 0 0 0 1 1 01 0 0 1 0 1 1 11 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1

EOP

8 bitů 0x80 (SYNC)

MSB

6x log.1 de bit stuffing

LSB

Linková vrstva protokolu Fyzická vrstva protokolu

83.3 ns (FS 12Mb/s)

Následující paket

Paket SOF (Start of frame)

Rámec s pořadovým číslem 0x5FF 1 ms

38SS

Str. 20


Standard USB

Koncové body (endpoints) Fyzické spojení

Logické spojení

HOST

D+

D-

zařízení

HOST

EP0

EP1

Multifunkční Scanner zařízení

EP2

EP3

Tiskárna

Fax

 Jedno fyzické spojení může mít více logických spojení (pipe)  Endpoint 0 je povinný pro všechna zařízení – probíhají přes něj řídící přenosy  LS zařízení max. 3 koncové body  FS zařízení max. 16 koncových bodů 38SS

Str. 21


Standard USB

Základní deskriptory (popis zařízení)

 Deskriptor zařízení (Device Descriptor) – 14 položek • Je pouze jeden • Základní informace o zařízení a použité specifikaci USB, podle které se zařízení chová • Identifikace výrobce a výrobku – na základě těchto informací vybírá operační systém vhodný ovladač • Velikost paměti brány 0 (min 8B a max 64B) – host se podle toho musí přizpůsobit • Počet možných konfigurací zařízení • Je vyčítán Hostitelem jako první při připojení zařízení  Deskriptor konfigurace (Configuration Descriptor) – 9 položek • Každé zařízení může mít více konfigurací • Informace o režimu napájení, max. velikosti odebíraného proudu 38SS

Str. 22


Standard USB

Základní deskriptory (popis zařízení)

 Deskriptor rozhraní (Interface Descriptor) – 9 položek • Popisuje rozdělení bran pro jednu funkci zařízení (tiskárna, fax, scanner) • Informace o počtu koncových bodů (endpoints) patřícím k rozhraní • Každý koncový bod patří pouze k jednomu rozhraní, vyjma endpoint 0 – ten patří celému zařízení  Deskriptor koncového bodu (Endpoint Descriptor) – 7 položek • Určuje typ přenosu • Velikost paměti koncového bodu

38SS

Str. 23


Standard USB

Enumerace zařízení

 host nebo hub detekuje připojené zařízení sledováním stavu na vodičích D+ (FS, HS) a D- (LS)  hub informuje host, že je připojeno nové zařízení na port  host tento port aktivuje a resetuje  zařízení má dočastně adresu 0 se kterou komunikuje  host si přečte deskriptor zařízení (device descriptor) – požadavek GET_DESCRIPTOR  host přiřadí zařízení unikátní adresu (požadavek SET_ADDRESS)  host vyčte ostatní deskriptory

38SS

Str. 24


Standard USB

Požadavek nastavení unikátní adresy nově připojenému zařízení  Řídící přenos přes endpoint 0  Formát dalších požadavku je možno nalézt ve specifikaci

38SS

Str. 25


Standard USB. Standard USB. (Universal Serial Bus) Jan Malinský ČVUT Praha, FEL, Katedra měření

Recommend Documents