41316

Изучение принципов организации аппаратного интерфейса USB.

Практическая работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Практически исследовать принципы организации аппаратного интерфейса USB Время: 2 часа Оборудование: ПК ПО. Методические материалы и литература: Методические указания по выполнению практических работ; Иллюстративный материал: принципы организации аппаратного интерфейса USB Методические указания по выполнению практической работы: Последовательность выполнения работы: Изучить и законспектировать основные теоретические...

Русский

2013-10-23

987 KB

46 чел.

                  Дисциплина: « Микропроцессоры и микропроцессорные системы»

Практическая работа № 15

   Тема:    «Изучение принципов организации аппаратного          интерфейса USB».

     Цель:       Практически исследовать принципы организации аппаратного              интерфейса USB

    Время:              2 часа

   Оборудование:    ПК, ПО.

   Методические материалы и литература:

  •  Методические указания по выполнению практических работ;
  •  Иллюстративный материал: «принципы организации аппаратного     интерфейса USB

 Методические указания по выполнению практической работы:

  Последовательность выполнения работы:

  1.  Изучить  и законспектировать основные теоретические положения по теме, используя описание работы;
  2.  Выполнить практическую часть лабораторной работы. При этом  использовать описание рабо-ты, лабораторный блок ПК, иллюстративный материал; В практической части отработать следующие подразделы:
    •  Рассмотреть принципы организа-ции аппаратного   интерфейса USB
      •  Выполнить: законспектировать     в тетради принципы организации аппаратного  интерфейса USB  и отразить в отчёте
        •  Проанализировать особенности принципов организации аппаратного      интерфейса USB  сделать выводы.

  1.  Ответить на контрольные вопросы.
  2.  Сделать выводы.
  3.  Подготовить отчёт по установленной форме.
  4.  Представить отчёт для защиты преподавателю.

1. Основные теоретические положения

USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Версия 1.0 была опубликована в январе 1996 года. а версия 1.1 — в сентябре 1998. В этой спецификации более подробно описаны концентра-торы и другие  устройства.

Большинство USB-устройств должны быть совместимы со специфика-цией 1.1,. В  спецификации USB 2.0 скорость передачи данных в 40 раз выше, чем в оригинальной USB 1.0; кроме того, обеспечивается полная обратная совместимость устройств.  

Архитектура USB определяется следующими критериями:

- Легко реализуемое расширение периферии PC.

- Дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Mбит/с.

- Полная поддержка в реальном времени передачи аудио и (сжатых) видеоданных.

- Гибкость протокола смешанной передачи изохронных данных и асинхронных сообщений.

- Интеграция с выпускаемыми устройствами.

- Доступность в PC всех конфигураций и размеров.

- Обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок.

- Создание новых классов устройств, расширяющих PC.

Основным инициатором разработки стандарта USB выступила Intel. Начиная с набора микросхем системной логики Triton II (82430HX), в котором стандарт USB был воплощен в микросхеме PIIX3 South Bridge, компания Intel поддер-живает этот стандарт во всех своих наборах микросхем системной логики.  Совместно с Intel над созданием универсальной последовательной шины работало еще семь компаний, среди которых Compaq, Digital, IBM, Microsoft, NEC и Northern Telecom.

  

Структура USB

    USB обеспечивает одновременный обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Распределение пропускной способности шины между ПУ планируется хостом и реализуется им с помощью посылки маркеров. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

    Устройства (Device) USB могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Хаб (Hub) обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Функции (Function) USB предоставляют системе дополнительные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Многие устройства, подключаемые к USB, имеют в своем составе и хаб, и функции. Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (Host Controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера.

     Физическое соединение устройств осуществляется по топологии многоярусной звезды. Центром каждой звезды является хаб, каждый кА-бельный сегмент соединяет две точки - хаб с другим хабом или с функцией. В системе имеется один (и только один) хост-контроллер, расположенный в вершине пирамиды устройств и хабов. Хост-контроллер интегрируется с корне-вым хабом (Root Hub), обеспечивающим одну или несколько точек подклю-чения - портов. Контроллер USB, входящий в состав чипсетов, обычно имеет встроенный двухпортовый хаб. Логически устройство, подключенное к любому хабу USB и сконфигурированное, может рассматриваться как непосредственно подключенное к хост-контроллеру.

        Хаб - ключевой элемент системы РnР в архитектуре USB.
Хаб является кабельным концентратором. Точки подключения называются портами хаба. Каждый хаб преобразует одну точку подключения в их множество. Архитектура допускает соединение нескольких хабов.

   У каждого хаба имеется один восходящий порт (Upstream Port), предназначенный для подключения к хосту или хабу верхнего уровня. Остальные порты являются нисходящими (Downstream Ports), предназначенными для подключения функций или хабов нижнего уровня. Хаб может распознать подключение устройств к портам или отключение от них и управлять подачей питания на их сегменты. Каждый из портов может быть разрешен или запрещен и сконфигурирован на полную или ограниченную скорость обмена. Хаб обеспечивает изоляцию сегментов с низкой скоростью от высокоскоростных.

Хабы могут управлять подачей питания на нисходящие порты; предусматривается установка ограничения на ток, потребляемый каждым портом.

   Система USB разделяется на три уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит интерфейсную часть, часть устройства и функциональную часть. Хост тоже делится на три части - интерфейсную, системную и ПО устройства. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач, логическое и реальное взаимодействие между ними.

Физический интерфейс

     Стандарт USB определяет электрические и механические специфи-кации шины. Информационные сигналы и питающее напряжение 5 В передаются по четырехпроводному кабелю. Используется дифференциаль-ный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Уровни сигналов передатчиков в статическом режиме должны быть ниже 0,3 В (низкий уровень) или выше 2,8 В (высокий уровень). Приемники выдерживают входное напряжение в пределах - 0,5...+3,8 В. Передатчики должны уметь переходить в высокоимпедансное состояние для двунаправленной полудуп-лексной  передачи по одной паре проводов.

    Передача по двум проводам в USB не ограничивается дифференциальными сигналами. Кроме дифференциального приемника каждое устройство имеет линейные приемники сигналов D+ и D-, а передатчики этих линий управляются
индивидуально. Это позволяет      различать более двух состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса. Состояния Diff0 и Diff1 определяются по разности потенциалов на линиях D+ и D- более 200 мВ при условии, что на одной из них потенциал выше порога срабатывания VSE.
Состояние, при котором на обоих входах D+ и D- присутствует низкий уровень, называется линейным нулем (SEO - Single-Ended Zero).      _ __

     Шина имеет два режима передачи. Полная скорость передачи сигна-лов USB составляет 12 Мбит/с, низкая - 1,5 Мбит/с. Для полной скорости используется экранированная витая пара с импедансом 90 Ом и длиной сегмента до 5 м, для низкой - невитой неэкранированньгй кабель до 3 м. Низкоскоростные кабели и устройства дешевле высокоскоростных. Одна и та же система может одновременно использовать оба режима; переключение для устройств осуществляется прозрачно.
           
Сигналы синхронизации кодируются вместе с данными по методу NRZI (Non Return to Zero Invert), его работу иллюстрирует рис. 1. Каждому пакету предшествует поле синхронизации SYNC, позволяющее приемнику настроиться на частоту передатчика. Кабель также имеет линии VBus и GND для передачи питающего напряжения 5 В к устройствам. Сечение проводников выбирается в соответствии с длиной сегмента для обеспечения гарантированного уровня сигнала и питающего напряжения.

Контакт

Цепь

Контакт

Цепь

1

VBus

3

D+

2

D-

4

GND


 

                                 Рис. 1. Кодирование данных по методу NRZI

  Разъемы типа "А" (Рис.2) применяются для подключения к хабам (Upstream Connector). Вилки устанавливаются на кабелях, не отсоединяемых от устройств (например, клавиатура, мышь и т. п.). Гнезда устанавливаются на нисходящих портах (Downstream Port) хабов.

 а)          б)

     Рис. 2  а) кабель USB с вилкой типа «А»,          б) розетка типа «А»

Разъемы типа "В" (Downstream Connector) устанавливаются
на устройствах, от которых соединительный кабель может отсоединяться (принтеры и сканеры).
Ответная часть (вилка) устанавливается на соединительном кабеле, противоположный конец которого имеет вилку типа "А". (Рис.3)

         Рис. 3. Кабель USB с вилкой типа «B»

Модель передачи данных

    Каждое устройство USB представляет собой набор независимых конечных точек (Endpoint), с которыми хост-контроллер обменивается информацией. Конечные точки описываются следующими параметрами:

  •  требуемой частотой доступа к шине и допустимыми задержками  обслуживания;
  •  требуемой полосой пропускания канала;
  •  номером точки;
  •  требованиями к обработке ошибок;
  •  максимальными размерами передаваемых и принимаемых пакетов;
  •  типом обмена;
  •  направлением обмена (для сплошного и изохронного обменов).

     Каждое устройство обязательно имеет конечную точку с номером 0, используемую для инициализации, общего управления и опроса его состояния. Эта точка всегда сконфигурирована при включении питания и подключении устройства к шине. Оно поддерживает передачи типа "управление" (см. далее).

     Кроме нулевой точки, устройства-функции могут иметь дополнительные точки, реализующие полезный обмен данными. Низкоскоростные устройства могут иметь до двух дополнительных точек, полноскоростные - до 16 точек ввода и 16 точек вывода (протокольное ограничение). Точки не могут быть использованы до их конфигурирования (установления согласованного с ними канала).

     Каналом (Pipe) в USB называется модель передачи данных между хост-контроллером и конечной точкой (Endpoint) устройства. Имеются два типа каналов:

  1.  потоки (Stream) и
  2.   сообщения (Message).

Поток доставляет данные от одного конца канала к другому, он всегда однонаправленный. Один и тот же номер конечной точки может использоваться для двух поточных каналов - ввода и вывода.

Поток может реализовывать следующие типы обмена:

  •  сплошной,
  •   изохронный
  •  и прерывания. 

Доставка всегда идет в порядке "первым вошел - первым вышел" (FIFO); с точки зрения USB, данные потока неструктурированны. Сообщения имеют формат, определенный спецификацией USB. Хост посылает запрос к конечной точке, после которого передается (принимается) пакет сообщения, за которым следует пакет с информацией состояния конечной точки. Последующее сообщение нормально не может быть послано до обработки предыдущего, но при отработке ошибок возможен сброс необслуженных сообщений. Двухсторонний обмен сообщениями адресуется к одной и той же конечной точке. Для доставки сообщений используется только обмен типа "управление".

 

Типы передачи данных

    USB поддерживает как однонаправленные, так и двунаправлен-ные режимы связи. Передача данных производится между ПО хоста и конеч-ной точкой устройства. Устройство может иметь несколько конечных точек, связь с каждой из них (канал) устанавливается независимо.

Архитектура USB допускает четыре базовых типа передачи данных:

*  Управляющие посылки (Control Transfers), используемые для конфигурирования во время подключения и в процессе работы для управления устройствами. Протокол обеспечивает гарантированную доставку данных. Длина поля данных управляющей посылки не превышает 64 байт на полной скорости и 8 байт на низкой.

*  Сплошные передачи (Bulk Data Transfers) сравнительно больших пакетов без жестких требований ко времени доставки. Передачи занимают всю свободную полосу пропускания шины. Пакеты имеют поле данных размером 8, 16, 32 или 64 байт. Приоритет этих передач самый низкий, они могут приостанавливаться при большой загрузке шины. Допускаются только на полной скорости передачи.

*  Прерывания (Interrupt) - короткие (до 64 байт на полной скорости, до 8 байт на низкой) передачи типа вводимых символов или координат. Прерывания имеют спонтанный характер и должны обслуживаться не медленнее, чем того требует устройство. Предел времени обслуживания устанавливается в диапазоне 1-255 мс для полной скорости и 10-255 мс - для низкой.

*  Изохронные передачи (Isochronous Transfers) - непрерывные переда-чи в реальном времени, занимающие предварительно согласованную часть пропускной способности шины и имеющие заданную задержку доставки. В случае обнаружения ошибки изохронные данные передаются без повтора - недействительные пакеты игнорируются. Пример - цифровая передача голоса. Пропускная способность определяется требованиями к качеству передачи, а задержка доставки может быть критичной, например, при реализации телеконференций.

    

Протокол

 

      Все обмены (транзакции) по USB состоят из трех пакетов. Каждая транзакция планируется и начинается по инициативе контроллера, который посылает пакет-аркер (Token Packet). Он описывает тип и направление передачи, адрес устройства USB и номер конечной точки. В каждой транзакции возможен обмен только между адресуемым устройством (его конечной точкой) и хостом. Адресуемое маркером устройство распознает свой адрес и готовится к обмену. Источник данных (определенный маркером) передает пакет данных (или уведомление об отсутствии данных, предназначенных для передачи). После успешного приема пакета приемник данных посылает пакет подтверждения (Handshake Packet).

Планирование транзакций обеспечивает управление поточными каналами. На аппаратном уровне использование отказа от транзакции (NAck) при недопустимой интенсивности передачи предохраняет буферы от переполнения сверху и снизу. Маркеры отвергнутых транзакций повторно передаются в свободное для шины время. Управление потоками позволяет гибко планировать обслуживание одновременных разнородных потоков данных.

Устойчивость к ошибкам обеспечивают следующие свойства USB:

*  Высокое качество сигналов, достигаемое благодаря дифференциаль-ным приемникам/передатчикам и экранированным кабелям.

* Защита полей управления и данных CRC-кодами.

*  Обнаружение подключения и отключения устройств и конфигури-рование ресурсов на системном уровне.

*  Самовосстановление протокола с тайм-аутом при потере пакетов.

*  Управление потоком для обеспечения изохронности и управления аппаратными буферами.

*  Независимость функций от неудачных обменов с другими функциями.

Для обнаружения ошибок передачи каждый пакет имеет контроль-ные поля CRC-кодов, позволяющие обнаруживать все одиночные и двойные битовые ошибки. Аппаратные средства обнаруживают ошибки передачи, а контроллер автоматически производит трехкратную попытку передачи. Если повторы безуспешны, сообщение об ошибке передается клиентскому ПО.

Хост-контроллер

     Хост-компьютер общается с устройствами через контроллер.
Хост имеет следующие обязанности:

*  обнаружение подключения и отсоединения устройств USB;

*  манипулирование потоком управления между устройствами и хостом;

*  управление потоками данных;

*  сбор статистики;

*  обеспечение энергосбережения подключенными ПУ.

     

  2  Практическая часть

  •  Рассмотреть принципы организации аппаратного   интерфейса USB на примере МС системной логики South Bridge SiS965 (Рис.4).  
    •  Выполнить: в среде AVR Studio  трансляцию, компоновку и отладку в пошаговом режиме программы  Prog 1.. используя методические указания  к лаб раб № 9 и № 11
      •  Проанализировать: особенности принципов организации аппаратного      интерфейса USB  сделать выводы.

Архитектура чипсета SiS656 с южным мостом SiS965  

 

Рис. 4.  Пример реализации аппаратного интерфейса USB в микросхеме     системной логики South Bridge SiS965  

   

 

    Рис.5  Структура МК  интерфейса USB ATmega32U6/AT90USB64/128              

    USB 2.0

Спецификация USB 2.0  совместима с USB 1.1 и использует те же  кабели, разъемы и программное обеспечение, но работает в 40 раз быстрее ориги-нальной спецификации версий 1.0 и 1.1. Такое увеличение производитель-ности позволяет использовать более современную периферию — камеры для видеоконференций, сканеры, принтеры, устройства хранения данных.

 Для конечного пользователя USB 2.0 ничем не отличается от 1.1, за исключением производительности. Все существующие устройства USB 1.1 работают на меньшей скорости с шиной USB 2.0. Сравнительные данные о производительности  разных  версий USB приведены в табл. 1.

Для работы с высокопроизводительными устройствами USB 2.0 необходим концентратор, поддерживающий эту же версию спецификации USB. Можно использовать старый концентратор USB 1.1, но увеличения производительно-сти устройств USB 2.0 достичь не удастся (максимальная скорость передачи данных будет ограничена 1,5 Мбайт/с). Устройства, подключенные к концен-тратору USB 2.0, будут работать на максимальной скорости  около 60 Мбайт/с для USB 2.0 и 1,5 Мбайт/с для USB 1.1.

Таблица 1      Скорость передачи данных различных версий USB

Для одновременной совместной работы устройств USB 2.0 и 1.1, подключен-ных к высокопроизводительному концентратору USB 2.0, используется слож-ная система буферизации входящих данных. Таким образом, каждое устройство будет работать на максимально возможной скорости.

  •  стандарт USB 1.1  называется  “USB”,
  •  стандарт USB 2.0 “Hi-Speed USB”.

 

3. Ответить на контрольные вопросы

  1.  Что такое USB?

 

  1.  Какого назначение USB?

 

  1.  Основные технические данные интерфейса USB?

 

  1.  Функциональные  особенности USB?

  1.  Какие внешние устройства поддерживает интерфейс USB?

 

 4. Сделать выводы.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81461. Аэробный распад — основной путь катаболизма глюкозы у человека и других аэробных организмов. Последовательность реакций до образования пирувата (аэробный гликолиз) 220.81 KB
  Все ферменты катализирующие реакции этого процесса локализованы в цитозоле клетки. Реакции аэробного гликолиза Превращение глюкозо6фосфата в 2 молекулы глицеральдегид3фосфата Глюкозо6фосфат образованный в результате фосфорилирования глюкозы с участием АТФ в ходе следующей реакции превращается в фруктозо6фосфат. В ходе этой реакции катализируемой фосфофруктокиназой фруктозо6фосфат превращается в фруктозо16бисфосфат. Продукты реакции альдольного расщепления изомеры.
81462. Распространение и физиологическое значение аэробного распада глюкозы. Использование глюкозы для синтеза жиров в печени и в жировой ткани 103.86 KB
  Использование глюкозы для синтеза жиров в печени и в жировой ткани. Основное физиологическое назначение катаболизма глюкозы заключается в использовании энергии освобождающейся в этом процессе для синтеза АТФ. Энергия выделяющаяся в процессе полного распада глюкозы до СО2 и Н2О составляет 2880 кДж моль.
81463. Анаэробный распад глюкозы (анаэробный гликолиз). Гликолитическая оксиредукция, пируват как акцептор водорода. Субстратное фосфорилирование. Распространение и физиологическое значение этого пути распада глюкозы 121.38 KB
  Реакции анаэробного гликолиза При анаэробном гликолизе в цитозоле протекают все 10 реакций идентичных аэробному гликолизу. Восстановление пирувата в лактат катализирует лактатдегидрогеназа реакция обратимая и фермент назван по обратной реакции. С помощью этой реакции обеспечивается регенерация ND из NDH без участия митохондриальной дыхательной цепи в ситуациях связанных с недостаточным снабжением клеток кислородом. Таким образом значение реакции восстановления пирувата заключается не в образовании лактата а в том что данная...
81464. Биосинтез глюкозы (глюконеогенез) из аминокислот, глицерина и молочной кислоты. Взаимосвязь гликолиза в мышцах и глюконеогенеза в печени (цикл Кори) 215.46 KB
  Глюконеогенез процесс синтеза глюкозы из веществ неуглеводной природы. Его основной функцией является поддержание уровня глюкозы в крови в период длительного голодания и интенсивных физических нагрузок. Эти ткани могут обеспечивать синтез 80100 г глюкозы в сутки.
81465. Представление о пентозофосфатном пути превращений глюкозы. Окислительные реакции (до стадии рибулозо-5-фосфата). Распространение и суммарные результаты этого пути (образование пентоз, НАДФН и энергетика) 135.5 KB
  Окислительные реакции до стадии рибулозо5фосфата. Распространение и суммарные результаты этого пути образование пентоз НАДФН и энергетика Пентозофосфатный путь называемый также гексомонофосфатным шунтом служит альтернативным путём окисления глюкозо6фосфата. Пентозофосфатный путь состоит из 2 фаз частей окислительной и неокислительной.
81466. Свойства и распространение гликогена как резервного полисахарида. Биосинтез гликогена. Мобилизация гликогена 173.81 KB
  Биосинтез гликогена. Мобилизация гликогена. Таким образом в молекуле гликогена имеется только одна свободная аномерная ОНгруппа и следовательно только один восстанавливающий редуцирующий конец.
81467. Особенности обмена глюкозы в разных органах и клетках: эритроциты, мозг, мышцы, жировая ткань, печень 110.65 KB
  Метаболизм глюкозы в эритроцитах. В эритроцитах катаболизм глюкозы обеспечивает сохранение структуры и функции гемоглобина целостность мембран и образование энергии для работы ионных насосов. Около 90 поступающей глюкозы используется в анаэробном гликолизе а остальные 10 в пентозофосфатном пути.
81468. Представление о строении и функциях углеводной части гликолипидов и гликопротеинов. Сиаловые кислоты 110.57 KB
  Сиаловые кислоты Гликопротеины сложные белки содержащие помимо простого белка или пептида группу гетероолигосахаридов. К полипептидуприсоединяются гетероолигосахаридные цепи содержащие от 2 до 10 реже 15 мономерных остатков гексоз галактоза и манноза режеглюкоза пентоз ксилоза арабиноза и конечный углевод чаще всего представленный Nацетилгалактозамином Lфукозой или сиаловой кислотой; в отличие от протеогликанов гликопротеины не содержат уроновых кислот и серной кислоты. Сиа́ловые кисло́ты ациальные производные...
81469. Наследственные нарушения обмена моносахаридов и дисахаридов: галактоземия, непереносимость фруктозы и дисахаридов. Гликогенозы и агликогенозы 139.56 KB
  Гликогенозы и агликогенозы Нарушения метаболизма фруктозы Неактивный фермент Блокируемая реакция Локализация фермента Клинические проявления и лабораторные данные Фруктокиназа Фруктоза АТФ → Фруктозе1фосфат АДФ Печень Почки Энтероциты Фруктоземия фруктозурия Фруктозе1фосфатальдолаза Фруктозе1фосфат → Дигидроксиацетон3 фосфат Глицеральдегид Печень Рвота боли в животе диарея гипогликемия Гипофосфатемия фруктоземия гиперурикемия хроническая недостаточность функций печени почек. Наследственная непереносимость...