8716

Архітектура і програмування шини USB

Контрольная

Информатика, кибернетика и программирование

Архітектура і програмування шини USB План Виникнення USB. Архітектура шини USB. Апаратне забезпечення USB. Внутрішня будова шини. Логічні рівні обміну. Внутрішня організація пристроїв. Апаратне забезпечення USB. В...

Украинкский

2013-02-17

177.5 KB

10 чел.

Архітектура і програмування шини USB

План

8.1. Виникнення USB

8.1.1.Архітектура шини USB

8.2. Апаратне забезпечення USB

8.3. Внутрішня будова шини

8.3.1. Логічні рівні обміну

8.4. Внутрішня організація пристроїв

8.5. Апаратне забезпечення USB

8.1. Виникнення USB

Перевагою послідовних інтерфейсів є можливість об’єднувати багато пристроїв за допомогою 1 пари проводів. Послідовний інтерфейс RS-232 має ряд недоліків:

- погана завадозахищеність (малі швидкості)

- відсутня гальванічна розв’язка (без гарячого під’єднання)

Зовнішні порти ПК призначені для певного пристрою (мишка, принтер, ..), що створює певні проблеми (багато конекторів залишаються порожніми, для яких резервуються переривання). Для кожного пристрою потрібен свій особливий роз’єм, драйвер і шлейф (а іноді навіть кілька варіантів). Тому виникло завдання створити універсальний інтерфейс для всіх зовнішніх пристроїв

В 1996 створено інтерфейс USB 1.0 (Universal Serial Bus) (1,5 Мбіт/с)

В 1998 – USB 1.1. (12 Мбіт/с)

2000 – USB 2.0. (480 Мбіт/с)

2004 – Wireless USB (480 Мбіт/с; до 10 м)

В групу розробників входили компанії: Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Nothern Telecom та ін. Інтерфейс USB має такі властивості:

  1.  Легко розширюється кількість під’єднаних пристроїв (до 127 на шині);
  2.  Дешеве забезпечення передачі з високою швидкістю (USB 2.0. - 480 Мбіт/с)
  3.  Підтримка протоколів реального часу (ізохорних) – аудіо, відео.
  4.  Простота кабельного під’єднання
  5.  „Гаряче” під’єднання пристроїв
  6.  Забезпечення живлення пристроїв
  7.  Автоматична ідентифікація пристроїв (Plug and Play).

Рис.1. Іконка USB-шини

8.1.1.Архітектура шини USB

Архітектура USB передбачає під’єднання до комп’ютера одного чи кількох пристроїв. Комп’ютер є головним пристроєм і  називається хостом.  Для з’єднання комп’ютера і пристрою використовують хаб. Комп’ютер має вбудований хаб, який називається кореневим.

Фізична архітектура USB визначається правилами:

  1.  Пристрої під’єднуються до хоста.
  2.  Фізичне з’єднання виконується по топології багатоярусної зірки, вершиною якої є кореневий хаб.
  3.  Допускається 5 рівнів каскадування хабів (крім кореневого)

Деталі фізичної архітектури приховані від користувачів, тому логічна архітектура USB – звичайна зірка, центром якої є програмне забезпечення, а вершинами – набір кінцевих точок.

Шина USB складається  з наступних елементів

Хост –контролер (Host Controler) – головний контролер шини, входить до складу системного блоку ПК. Пристрій (Device) – це хаб, функція або їх поєднання. Порт (Port) – точка під’єднання.

Хаб (hub, концентратор) – пристрій, що забезпечує додаткові порти (розгалужує шину). З’єднує зростаючий порт () з багатьма спадаючими (). Хаб розпізнає під’єднання і від’єднання пристроїв, конфігурує швидкість передачі і струм споживання пристроїв.

Кореневий  хаб (Root Hub) – хаб, що входить до складу хоста.

Функція (Function) – периферійний пристрій, здатний приймати і передавати інформацію по шині USB. Перед використаням функція повинна бути конфігурована хостом.

Логічний пристрій (Logical Device) – набір кінцевих точок.

Рис. 2. Фізична архітектура  USB

Властивості USB пристроїв:

  1.  адресація
  2.  конфігурування
  3.  визначення енергоспоживання (при під’єднанні до 100 мА, робочий режим – до 500мА).

Властивості хабів

Хаб виконує комутацію сигналів і подає напругу живлення, визначає стан пристроїв. Хаб складається з контролера (Hub Controller) і повторювача (Hub Repeater). Контролер містить регістри для взаємодії з хостом, доступ до яких виконується спеціальними командами. Повторював являє собою керований ключ, що з’єднує вихідний порт зі вхідним. Низхідні порти можуть знаходитися в таких станах: живлення вимкнено, від’єднано, заборонено, дозволено, призупинено.

USB пристрої часто є функцією з портом.

Приклади функцій: мишка, клавіатура, монітор, модем, принтер, сканер, флеш-диски.

USB пристрої часто містять вбудовані хаби, тому, наприклад, мишку можна під’єднувати прямо до клавіатури.

Існують перехідники: USB-to-COM, USB-to-LPT.

Слід розрізняти USB-колонки (без звукової карти) колонки з живленням від USB.

Вимірювальна техніка: USB осцилографи.

Мережеве з’єднання через USB можливе двома способами:

  1.  конвертер USB - Ethernet;
  2.  з’єднання двох комп’ютерів через USB (аналог нуль-модемного кабеля)

Передача даних

Механізм передачі даних є асинхронним і блочним.

Блок даних називається USB-кадром або USB-фреймом.

При передачі даних використовується логічна абстракція – канал (можна порівняти з відкритим файлом).

Зовнішній пристрій абстрактно ділиться на кінцеві точки.

Механізм переривань реалізується опитуванням хостом під’єднаних пристроїв (кожні 1-32мс).

Швидкості передачі даних:

  1.  низько швидкісний (LS, Low-Speed); 1,5 Мбіт/с (клавіатура, мишка)
  2.  повно швидкісний (FS, Full-Speed); 12 Мбіт/с (аудіопотік)
  3.  високошвидкісний (HS, High-Speed); 480 Мбіт/с (відеопотік)

Налагодження USB в BIOS.

Для коректної роботи USB в Windows XP – встановити оновлення (Service Pack).

Екрановані і неекрановані кабелі.

Довжина з’єднання – до 5м, якщо 5 хабів – до 30 м.

8.2. Апаратне забезпечення USB

Вимога: в мережі USB не має бути замкнутих контурів

Види кабелів

  1.  низько швидкісний  незнімний
  2.  стандартний знімний (роз’їм А- хаб/хост, В – пристрій), екранований
  3.  високошвидкісний незнімний, екранований

Опір кабеля – 90 Ом, затримка розповсюдження сигналу – 26 нс.

Роз’єми: А, В, B-mini

а)   б)

Рис. 3. Роз’єми USB: а) типу „А” (на хості або хабі); б) типу „В” (на пристрої)

Таблиця 1.

Сигнали шини USB, роз’єми типу „А” і „В”

Номер контакту

Колір

Опис

1

Червоний

+5 В, живлення

2

Білий

D-, дані „мінус”

3

Зелений

D+, дані „плюс”

4

Чорний

GND, земля

Корпус

Мідні провідники

Екран

Фізичний інтерфейс

Для передачі даних по шині використовується диференційний спосіб передачі сигналів d+ і D-. Сигнали синхронізації і дані кодуються по способу NRZI (Non Return to Zero). У цьому кодуванні логічна „1” представлена незмінним рівнем на протязі бітового інтервалу, а логічний рівень „0” представляє зміну рівня на протилежний протягом бітового інтервалу. При передачі лог. 1 рівень сигналу не змінюється (можлива десинхронізація). Тому після кожних шести 1 вставляється один 0.

В пристроях з низькою швидкістю передачі рівень лінії D-  зміщується до високого рівня резистором (15 кОм), а в пристроях з повною швидкістю – зміщується рівень лінії D+  до високого рівня.

Диференційні сигнали:

Диференційний 0: рівень D+ <0,3В; а D- >2,8 В.

Диференційний 0: D+ < D- на 200 мВ.

Диференційна 1: D+ > D- на 200 мВ.

Крім диференційних, враховуються також лінійні сигнали:

Diff0 - різниця сигналів D- i D+ більше 200 мВ, якщо потенціал однієї з ліній більше порогу VSE.

Diff1 - різниця сигналів D- i D+ менше 200 мВ, якщо потенціал однієї з ліній більше порогу VSE.

Лінійний нуль (Single Ended Zero) – на входах D- i  D+ низький рівень.

Ідентифікація пристроїв

По тому, до якої лінії під’єднано резистор, розпізнається швидкість роботи. Після ідентифікації для високошвидкісного режиму резистор від’єднується.

Живлення пристроїв

Відносно живлення є три класи пристроїв:

  1.  Мале споживання (менше 100 мА – 1 блок)
  2.  Не більше 100 мА при включенні і не більше 500 мА (5 блоків) в робочому режимі.
  3.  З власним блоком живлення.

Якщо на шині не має активності 3 мс, то пристрій переходить в режим малого енергоспоживання (500 мкА).

8.3. Внутрішня будова шини

8.3.1. Логічні рівні обміну

Операції обміну по шини ініціюються тільки хостом

Система USB ділиться на 3 логічні рівні: функціональний рівень, логічний рівень, рівень шини.

Кожний логічний пристрій має адресу (0..127), на рівні шини обмін відбувається трансакціями.

Рівні передачі даних наступні

Загальна схема USB  протоколу: кадри складаються з даних, дані – з транзацій.

Існує 4 типи передач

  1.  Керуючі передачі (для конфігурування);
  2.  Передачі масивів даних (низький пріоритет, використовуються принтерами і сканерами)
  3.  Передачі по перериваннях (мишка, клавіатура, ..)
  4.  Ізохронні передачі (в реальному часі).

Хост контролер формує кадри циклічно, кожні 1 мс: SOF (Start of Frame) – data - EOF. Кожний кадр має номер (32 біт).

Кінцева точка (EndPoint)  - частина пристрою, що має унікальний номер і є приймачем/ передавачем інформації (буфер в пам’яті, регістр).

Кожний пристрій має нульову кінцеву точку для конфірмування.

Канал – це логічне з’єднання між кінцевою точкою пристрою і Прог. забезпеченням хоста.

Транзакції

Всі трансакції (обміни) складаються з 3 пакетів:

  1.  маркер (token), який описує тип, напрям передачі і адресу кінцевої точки.
  2.  дані
  3.  підтвердження (handshake)

Трансакції( передачі): А – від хоста, Б – до хоста.

8.4. Внутрішня організація пристроїв

Запити до пристроїв. Запит (8 байт) і його параметри передаються пристрою від хоста у вигляді конфігураційного пакета.  Дескриптор – блок інформації, яка описує пристрій.

8.5. Апаратне забезпечення USB

Мікросхеми USB можна розділити на наступні групи:

  1.  Перетворювачі інтерфейсу (USBCOM, USBLPT)
  2.  Мікроконтролери з USB інтерфейсом
  3.  Мікросхеми хабів

Література

  1.  Агуров П.В. Интерфейсы USB. Практика использования и программирования. – СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 576 с.
  2.  Гук М. Интерфейсы ПК: справочник. – СПб.: Питер, 1999. – 416 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

77862. Понятие, содержание и виды граж. правоотношений 28 KB
  Классификация гражданских правоотношений преследует не только теоретические но и практические цели заключающиеся в правильном уяснении прав и обязанностей сторон определении круга правовых норм подлежащих применению в процессе возникновения реализации и прекращения правоотношения....
77863. Граждане (физические лица) как субъекты 29.5 KB
  Гражданин (физическое лицо) как участник правоотношений обладает рядом признаков и свойств, которые определенным образом индивидуализируют его и влияют на его правовое положение. К таким признакам и свойствам следует отнести: имя, гражданство, возраст, семейное положение, пол, состояние здоровья.
77865. Возникновение и прекращение юридических лиц 29 KB
  Он связан с необходимостью получения предварительного разрешения согласия от органов публичной власти на создание соответствующего юридического лица что обычно служит общим интересам всех участников оборота коммерческие банки и страховые компании. В соответствии с ней в регистрирующий орган представляются заявление устав и решение о создании юридического лица либо учредительный договор а также документы подтверждающие оплату регистрационного сбора и не менее 50 уставного капитала. Данные государственного реестра юридических лиц должны...
77866. Государство и МО как субъекты 27.5 KB
  Оборота как юридически равных собственников или иных законных владельцев имущества находящихся в частноправовых а не в публичноправовых отношениях друг с другом. РФ ее субъекты и муниципальные образования являются собственниками своего имущества и в этом качестве участвуют в отношениях собственности и иных вещных правоотношениях. Как собственники своего имущества ППО независимы друг от друга и выступают в гражданских правоотношениях как вполне самостоятельные равноправные и имущественно обособленные субъекты. ППО располагают...
77867. Объекты гражданских правоотношений и их основные виды 27.5 KB
  Гражданское законодательство относит деньги к движимым вещам. В гражданском обороте деньги оцениваются количеством выраженных в них единиц а не числом банкнот или монет. Вместе с тем деньги могут выступать и в роли особого товара самостоятельного предмета некоторых сделок например займа и кредита ибо последний по сути...
77868. Основания возникновения, изменения и прекращения 29.5 KB
  В действиях проявляется воля субъектов. Правомерные это действия соответствующие требованиям законов иных правовых актов и принципов права. Юридические акты правомерные действия имеющие целью возникновение изменение или прекращение. Основным видом сделки волевые действия направленные на достижение определенного правового результата.
77869. Понятие и виды сделок 28 KB
  Сделки акты осознанных целенаправленных волевых действий лиц совершая которые они стремятся к достижению определенных правовых последствий. Действительность сделки означает признание за ней качеств юридического факта порождающего тот правовой результат к которому стремились субъекты сделки. Действительность сделки определяется законодательством посредством следующей системы условий: а законность содержания; б способность лиц совершающих ее к участию в сделке; в соответствие воли и волеизъявления; г соблюдение формы...
77870. Недействительность сделок и ее последствия 30.5 KB
  Недействительность сделок и ее последствия Недействительность означает что действие совершенное в виде сделки не обладает качествами юридического факта способного породить гражданскоправовые последствия. Ничтожность сделки означает что действие не порождает и не может породить желаемые для ее участников правовые последствия в силу несоответствия закону. Оспоримость означает что действия совершенные в виде сделки признаются судом при наличии предусмотренных законом оснований недействительными по иску управомоченных лиц....