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

44978. Случайные процессы 269.5 KB
  В ряде систем для изучения отдельных звеньев системы применяется специальный ввод в систему случайных воздействий. Среднее значение mft и myt являются не случайными значениями и они связаны между собой через передаточную функцию системы. Ry = M[ytyt] Чтобы получить искомое выражение для искомой функции выходные величины по искомой функции входные воздействия воспользуемся связью между входной и выходной величиной системы через её весовую функцию. Эту связь можно выразить через передаточную функцию системы.
44979. Оптимальное управление. Постановка задачи оптимального управления. Критерии оптимальности 269 KB
  Постановка задачи оптимального управления. К настоящему времени наибольшее развитие получили 2 направления в теории оптимальности систем: 1 Теория оптимального управления движением систем с полной информацией об объекте и возмущениях; Теории оптимального управления при случайных возмущениях. Для реализации оптимального управления необходимо: Определить цель управления. Изучить все состояния среды функционирования объекта влияющие на прошлое настоящее и будущее процесса управления.
44980. Аналитическое конструирование регуляторов. Постановка задачи 224 KB
  При исследовании качества переходных в линейных САУ вводились разлитые интегральные критерии качества с помощью которых оценивался переходной процесс на бесконечном интервале времени. При рассмотрении интегральных критериев качества мы убедились в том что эти критерии позволяют определить параметры регулятора если задана его структура. Можно поставить более общую задачу: найти закон регулирования аналитическую функцию связывающую управляющую координату и управляющее воздействие при этом доставляющее min интегральному критерию качества.
44981. Методы теории оптимального управления 26 KB
  Методы теории оптимального управления В тех=их задачах на управление накладывается ограничения по энергетическим ресурсам и ограничения на фазовые координаты из соображения прочности и безопасности. Можно выделить 4 основных метода вариц. Исчисления кые испся для решения задач оптимального управления: Применение урия Эйлера Принцип максимума Динамическое программирование Нелинейное программирование Прямой вариционный метод. Основное применение метода испго урие Эйлера это задачи где экстремалями явлся гладкие фии а...
44982. Адаптивные системы управления. Классификация адаптивных САУ 799 KB
  Адаптивные системы управления. АСАУ могут рассматриваться как сисмы с элементами искусственного интилекта. Назначение АСАУ состоит в том чтобы заменить человекаоператора при принятии решений об улучшении характеристик сис. Оптимальное уприе такими объектами возможно с помощью сис.
44983. Принцип управления. Классификация систем управления 153 KB
  Принцип управления. Классификация систем управления. Существует фундаментальный принцип управления. Мы формируем алгоритм управления формирование управляющего воздействия на ОР.
44984. Алгоритмы и законы регулирования 44 KB
  Алгоритмы и законы регулирования Совокупность предписаний по которым формируется управляющее воздействие на объект регулирования назыв. законом регулирования упр.