Universal Serial Bus. Téma 12: USB. Komunikační principy Enumerace Standardní třídy zařízení

Universal Serial Bus Téma 12: USB

• Komunikační principy • Enumerace • Standardní třídy zařízení

Universální sériová sběrnice - USB 

Obecné charakteristiky – distribuovaná datová pro připojení počítačových periferií • klávesnice, myš, Flash disk, tiskárna, modem, DAQ modul …

– deterministická technologie (Master/Slave) • až 127 zařízení v rámci jedné USB sítě

– optimalizace pro různé typy přenosů • malé i větší bloky dat • spolehlivá i nespolehlivá komunikace • podpora isochronních přenosů

– přenosové rychlosti fyzické vrstvy od Mbit/s do jednotek Gbit/s • podle varianty (low-/full-/high-/super-speed)

– podpora plug&play a hot swap • detekce připojení/odpojení, automatická konfigurace

– podpora napájení periferií z USB rozhraní • včetně režimů šetření energie


Topologie systému – 3 typy uzlů – hostitel (host) • řízení Master/Slave

– rozbočovače (hub), od verze 2.0 se chovají spíše jako přepínače – zařízení (function)


Topologie systému – max. 5 úrovní • omezení zpoždění


Hostitel (Host) – v systému jediný • ale !!! USB On the Go !!! – výběr role při spojení

– typicky PC nebo nějaký embedded systém • mobilní zařízení, průmyslový kontroler, TV přijímač …

– řídí datové přenosy v celém systémů • má roli Master

– řídí proces enumerace • rozpoznání zařízení a hubů, konfigurace a spuštění

– power management • detekce konfigurace napájení • režimy snížené spotřeby

– obvykle integruje řadič hostitele a tzv. kořenový rozbočovač (root hub) • ten obvykle nabízí 2 USB porty


Rozbočovač (Hub) – tvoří komunikační infrastrukturu USB – detekuje připojení/odpojení dalšího zařízení • na down-stream portech

– distribuuje/koncentruje datové toky • dolů/vzhůru vzhledem k hierarchii v topologii systému

– povoluje/zakazuje přenosy z a na jednotlivé down-stream porty • důležité pro enumeraci

– management napájení na down-stream portech – detekce low/full speed – překlad high  low/full speed

– napájen ze sběrnice nebo z vlastního zdroje


Zařízení (Function) – – – –

koncové periferní zařízení s požadovanou funkcionalitou připojuje se vždy do down-stream portu rozbočovače komunikuje low/full/high/super –speed rychlostí může být napájeno ze sběrnice či mít vlastní zdroj • bus X self powered • max. odběr z USB portu 500 mA

– power management – podpora P&P – standardní třídy zařízení • • • •

zařízení s obdobnou funkcionalitou kompletně definovaná komunikace a funkčnost podpora celé třídy jediným ovladačem v OS např. Mass Storage, HID, Printer …


Princip komunikace


Princip komunikace


Princip komunikace


Typy rour (pipes) – stream pipes • přenáší nestrukturovaná data • jednosměrné (IN, OUT) • využívají protokoly pro přenosy typu – Interrupt /přerušovací) – Bulk (blokový) – Isochronous (isochronní)

– message pipes • • • •

typicky strukturovaná data obousměrná komunikace sekvence žádost – data – potvrzení využívá protokol pro přenos typu – Control (řídicí)


Typy rour (pipes) – stream pipes • přenáší nestrukturovaná data • jednosměrné (IN, OUT) • využívají protokoly pro přenosy typu – Interrupt /přerušovací) – Bulk (blokový) – Isochronous (isochronní)

– message pipes • • • •

typicky strukturovaná data obousměrná komunikace sekvence žádost – data – potvrzení využívá protokol pro přenos typu – Control (řídicí)


Typy přenosů (transfer types) – mají definovány základní vlastnosti • • • • • • • •

formát dat směr přenosu omezení velikosti paketu omezení přístupu ke sběrnici omezení dle rychlostní varianty časové latence předepsaná sekvence paketů a transakcí způsob zpracování chyb

– každé rouře je při jejím vytvoření přiřazen jeden ze čtyř typů přenosu • • • •

řídicí (control) izochronní (isochronous) přerušovací (interrupt) blokový (bulk)


Přenos – Transakce – Paket

– komunikace probíhá cyklicky v (mikro)framech (1 ms / 125μs)


Typy přenosů – řídicí – každé USB zařízení implementuje řídicí přenos na rouře 0 • tzv. default pipe • slouží pro enumeraci zařízení

– jako jediný je obousměrný – maximální velikost paketu závisí na rychlosti sběrnice • 8 bajtů pro LS • 8, 16, 32 nebo 64 bajtů pro FS • 64 bajtů pro HS

– v případě chyby se přenos paketu opakuje – pro řídicí přenosy je rezervováno 10% (LS, FS) nebo 20% (HS) přenosové kapacity – skládá se ze dvou, tří nebo více formálně odlišných transakcí • závěrečná transakce (status) slouží k potvrzení provedení požadované akce


Typy přenosů – izochronní – v USB zařízeních volitelný • slouží pro přenosy streamů (audio, video) v reálném čase

– jednosměrný – maximální velikost paketu závisí na rychlosti sběrnice • • • •

nelze pro LS 1023 bajtů pro FS 1024 bajtů pro HS možnost tzv. high-bandwidth endpointů

– pro izochronní (spolu s interrupt) přenosy je rezervováno až 90% (FS) nebo 80% (HS) přenosové kapacity – standardně maximálně jedna transakce za (mikro)frame – garantovaná latence odeslání dat – v případě chyby se transakce neopakuje – skládá se ze sekvence formálně totožných transakcí


Typy přenosů – přerušovací – v USB zařízeních volitelný • slouží především pro emulaci přerušení

– jednosměrný – maximální velikost paketu závisí na rychlosti sběrnice • • • •

8 bajtů pro LS 64 bajtů pro FS 1024 bajtů pro HS možnost tzv. high-bandwidth endpointů

– pro přerušovací (spolu s izochronními) přenosy je rezervováno až 90% (FS) nebo 80% (HS) přenosové kapacity – standardně maximálně jedna transakce za (mikro)frame • pro LS max. 1 transakce za 10 frame

– v případě chyby se transakce opakuje – skládá se ze sekvence formálně totožných transakcí


Typy přenosů – blokový – v USB zařízeních volitelný • slouží především pro spolehlivý přenos bloků dat

– jednosměrný – maximální velikost paketu závisí na rychlosti sběrnice • nelze pro LS • 64 bajtů pro FS • 512 bajtů pro HS

– není rezervována žádná přenosová kapacita • využívá tu zbývající • žádná garance latence odeslání dat

– v případě chyby se transakce opakuje – skládá se ze sekvence formálně totožných transakcí


Transakce – skládá se typicky ze tří paketů • Token (výzva) • Data • Handshake (potvrzení)

– transakci vždy iniciuje hostitel (Master) • posílá Token

– podle směru jde o transakci typu vstupní nebo výstupní • vždy z pohledu hostitele • vstupní transakce přenáší datový paket do hostitele, výstupní od něj • potvrzení generuje příjemce datového paketu

– ze samotné transakce nelze jednoznačně určit, jaký typ přenosu realizuje • to je dáno způsobem provádění transakcí


Pakety – pole PID definuje typ paketu – SOF (Start of Frame) • indikuje počátek (mikro)rámce

– Token (výzva) • výzva od hostitele pro zařízení (či hub) • ADDR – adresa zařízení, až 127 různých (0 je rezervovaná) • ENDP – identifikace roury (koncového bodu), 0 – 15, 0 je vždy řídicí


Pakety – pole PID definuje typ paketu – datový paket • slouží k přenosu dat • odesílá buď hostitel nebo zařízení dle směru přenosu

– Handshake (potvrzení) • odesílá příjemce datového paketu • potvrzuje správný příjem dat


Transakce přerušovacích (Interrupt) přenosů


Transakce blokových (Bulk) přenosů

Token

Data

Handshake


Transakce izochronních (Isochronous) přenosů


Transakce řídicích (Control) přenosů

– datová fáze se řídí pravidly transakcí blokového přenosu


Transakce řídicích (Control) přenosů – řídicí přenos se skládá ze 2 a více transakcí – 1. transakce – Setup • data posílá vždy hostitel • definují, co hostitel chce

– 2. transakce – Data • může být vynechána • může být vícenásobná • buď IN nebo OUT

– 3. transakce – Status • prázdný datový paket – vše OK

• nebo info o chybě • OUT nebo IN












Přehled PIDů – typů paketů


Přehled PIDů – typů paketů


Fyzická vrstva – standardní kabel


Fyzická vrstva – bit stuffing • po 6 bitech log. 1 je vložen bit log.0 • neprovádí se pro sekvenci logických nul

– kanálové kódování NRZI


Fyzická vrstva – LS/FS signalizace


Fyzická vrstva – detekce připojení/odpojení – současně detekce rychlosti – full speed


Fyzická vrstva – detekce připojení/odpojení – současně detekce rychlosti – low speed

– pro high speed specielní mechanismus během resetu • nabídka (od USB2.0 hubu) a potvrzení (od high speed zařízení)


Fyzická vrstva – napájení – ze sběrnice • hub – max. odběr 500 mA, napájení max. 100 mA na 4 portech • zařízení – max. 500 mA (high power) – max. 100 mA (low power) • max. 500 A v režimu spánku • před konfigurací vždy max. 100 mA

– vlastní zdroj • odběr ze sběrnice omezen na 100 mA

– nominální hodnota napětí 5 V • úbytek na kabelech • interně v zařízeních 3,3 V regulátor


Proces enumerace – – – – – – –

reset vyčtení deskriptoru zařízení reset vyčtení deskriptoru zařízení přiřazení adresy vyčtení dalších deskriptorů nastavení konfigurace

– zde je dokončena enumerace a práci se zařízením „přebírá“ specifický ovladač


Deskriptor zařízení – Device Descriptor – 14 položek – jediný – obsahuje základní informace o zařízení a použité specifikaci USB, podle které se zařízení chová – identifikuje výrobce a produkt – na základě těchto informací vybírá operační systém vhodný ovladač – definuje velikost bufferu endpointu 0 (default pipe, min 8B a max 64B) – hostitel se musí přizpůsobit – definuje počet různých konfigurací zařízení – definuje případnou standardní třídu zařízení – obsahuje indexy na popisy položek v textovém deskriptoru


Deskriptor zařízení (Device Descriptor) Pozice

Pole

Velikost

Hodnota

Popis

0

bLength

1

18

délka deskriptoru v bajtech

1

bDescriptorType

1

2

bcdUSB

2

4

bDeviceClass

1

kód třídy

5

bDeviceSubClass

1

kód podtřídy

6

bDeviceProtocol

1

podporovaný protokol třídy

7

bMaxPacketSize

1

velikost bufferu (a paketu)

8

idVendor

2

ID výrobce

10

idProduct

2

ID výrobku

12

bcdDevice

2

14

iManufacturer

1

index do textového deskriptoru

15

iProduct

1


16

iSerialNumber

1


17

bNumConfigurations

1

počet konfigurací

kód typu deskriptoru BCD

BCD

podporovaná verze USB

verze zařízení


Deskriptor konfigurace – Configuration Descriptor – pro každou konfiguraci jeden – definuje počet možných rozhraní v dané konfiguraci – identifikuje vlastnosti zařízení v dané konfiguraci • vlastní či sběrnicové napájení • podpora pro remote-wakeup

– definuje spotřebu zařízení v dané konfiuraci – obsahuje indexy na popisy položek v textovém deskriptoru


Deskriptor konfigurace (Configuration Descriptor) – i pro konfigurační deskriptor alternativní rychlosti Pozice

Pole

Velikost

Hodnota

Popis

0

bLength

1

9


1

bDescriptorType

1

kód typu deskriptoru

2

wTotalLength

2

celková délka všech deskriptorů této konfigurace (včetně interface a endpoint deskriptorů)

4

bNumInterfaces

1

počet rozhraní (interface)

5

bConfigurationValue

1

hodnota pro výběr

6

iConfiguration

1


7

bmAttributes

1

bity 0..4 rezervovány bit5 – remote wakeup bit6 – self powered bit7 – rezervován

8

bMaxPower

1

spotřeba (rozlišení 2 mA)


Deskriptor rozhraní – Interface Descriptor – jeden pro každé rozhraní – definuje počet endpointů, tvořících rozhraní – definuje třídu zařízení, pokud není definována deskriptorem zařízení – obsahuje indexy na popisy položek v textovém deskriptoru


Deskriptor rozhraní (Interface Descriptor) Pozice

Pole

Velikost

Hodnota

Popis

0

bLength

1

9


1

bDescriptorType

1


2

bInterfaceNumber

1

pořadové číslo rozhraní (od 0)

3

bAlternateSetting

1

hodnota pro výběr

4

bNumEndpoints

1

počet endpointů (mimo nultý)

5

bInterfaceClass

1

0xff pro uživatelské

6

bInterfaceSubClass

1


7

bInterfaceProtocol

1


8

iInterface

1



Deskriptor koncového bodu – Endpoint Descriptor – – – – –

jeden pro každý endpoint definuje směr roury, končící v endpointu definuje podporovaný typ přenosu definuje číslo endpointu (roury) definuje velikost datového bufferu a tedy max. velikost datového paketu – pro přerušovací roury definuje periodu dotazování – pro isochronní roury periodu zasílání dat – obsahuje indexy na popisy položek v textovém deskriptoru


Deskriptor koncového bodu (Endpoint Descriptor) Pozice

Pole

Velikost

Hodnota

Popis

0

bLength

1

7


1

bDescriptorType

1


1

bity 0..3 – číslo endpointu bity 4..6 – rezervováno (0) bit 7 – směr (0 – OUT, 1 – IN)

2

bEndpointAddress

3

bAttributes

1

bity 0..1 – typ přenosu bity 2..3 – synchronizace (isochr.) bity 4..5 – použití (data, feedback ..)

4

wMaxPacketSize

2

velikost bufferu

6

bInterval

1

časování pro interrupt a isochr. NAK četnost pro bulk


Textový deskriptor (String Descriptor) – jeden pro zařízení – obsahuje člověkem čitelné textové popisy – řetězce v Unicode • nejsou zakončeny nulou • na počátku délka a typ deskriptoru

– na indexu 0 tabulka s podporovanými jazykovými verzemi




Textový deskriptor (String Descriptor) – index 0 Pozice

Pole

Velikost

Hodnota

Popis

0

bLength

1

2N + 2


1

bDescriptorType

1


2

wLANGID[0]

2

kód 1. podporovaného jazyka

4

wLANGID[1]

2

kód 2. podporovaného jazyka

…

…

…

…

2N

wLANGID[N-1]

2

kód N. podporovaného jazyka

Textový deskriptor (String Descriptor) – index > 0 Pozice

Pole

Velikost

Hodnota

Popis

0

bLength

1

N+2


1

bDescriptorType

1


2

bString

N

textový řetězec v Unicode

Universální sériová sběrnice - USB Formát standardní žádosti



– datový paket v Setup transakci řídicího přenosu Pozice

Pole

Velikost

Hodnota

Popis

0

bmRequestType

1

bity 0..4 – příjemce 0 – device 1 – interface 2 – endpoint 3 – jiný 4 až 31 rezervováno bity 5 .. 6 – typ 0 – standardní 1 – specifický třídy 2 – specifický výrobce 3 – rezervováno bit 7 – směr 0 – host to device 1 – device to host

1

bRequest

1

kód typu žádosti

Universální sériová sběrnice - USB Formát standardní žádosti



– datový paket v Setup transakci řídicího přenosu



Pozice

Pole

Velikost

Hodnota

Popis

2

wValue

2

význam dle typu žádosti

4

wIndex

2

význam dle typu žádosti, typicky index nebo offset

6

wLength

2

velikost dat pro datovou fázi

Např. Get Device Descriptor – – – – –

bmRequestType = 0x80 : datová fáze „device to host“ bRequest = 0x06 : GetDescriptor wValue = 0x0001 : Device Descriptor wIndex = 0x0000 : je pouze jediný, nevyužito wLength = 0x0012 : standardní délka, požadavek může být i nižší

Universal Serial Bus. Téma 12: USB. Komunikační principy Enumerace Standardní třídy zařízení

Recommend Documents