Розділ 2. Будова, принцип функціонування

USB забезпечує обмін даними між хост-комп'ютером і множиною одночасно доступних периферійних пристроїв. Розподіл пропускної спроможності шини між підключеними пристроями планується хостом і реалізується їм за допомогою посилки маркерів. Шина дозволяє підключати, конфігурувати, використовувати і відключати пристрої під час роботи хосту і самих пристроїв - динамічне (або "гаряче") підключення і відключення.

Пристрої (Device) USB можуть бути хабами, "функціями" або їх комбінацією. Хаб (Hub) забезпечує додаткові точки підключення пристроїв до шини. "Функції" (Function) USB надають системі додаткові можливості, наприклад підключення до ISDN, цифровий джойстик, акустичні колонки з цифровим інтерфейсом і т.п. Пристрій USB повинен мати інтерфейс USB, що забезпечує повну підтримку протоколу USB, виконання стандартних операцій (конфігурація і скидання) і стандартне представлення інформації, що описує пристрій. Багато пристроїв, що підключаються до USB, мають в своєму складі і хаб і "функції".

Роботою всієї системи USB управляє хост-контроллер (host controller), що є програмно-апаратною підсистемою хост-комп'ютера.

Фізичне з'єднання пристроїв USB здійснюється по топології багатоярусної зірки.

Центром кожної зірки є хаб, кожний кабельний сегмент сполучає дві точки - хаб з іншим хабом або з функцією. В системі з USB є один (і лише один) хост-контроллер, розташований на вершині піраміди пристроїв і хабів USB. Хост-контроллер інтегрується з кореневим хабом (root hub), що забезпечує одну або декілька точок підключення - портів. Контроллер USB, що входить до складу чіпсетів більшості сучасних системних плат, звичайно має вбудований двопортовий хаб.

Логічно пристрій, підключений до будь-кого хаба USB і конфігурований (див. нижче), може розглядатися як безпосередньо підключений до хост-контроллера.

"Функції" є пристроями USB, здатними передавати або приймати дані або управляючу інформацію по шині. Типово "функції" є окремими периферійними пристроями з кабелем, що підключається до порту хаба. Проте фізично в одному корпусі може бути і декілька "функцій" із вбудованим хабом, який забезпечує їх підключення до одного порту. Ці комбіновані пристрої для хосту є хабами з постійно підключеними пристроями - "функціями".

Кожна "функція" надає конфігураційну інформацію, що описує її можливості і вимоги до ресурсів. Перед використанням "функція" повинна бути конфігурована хостом - їй повинна бути виділена смуга в каналі і вибрані специфічні опції конфігурації.

Прикладами "функцій" є:

Покажчики - миша, планшет, світлове перо.

Пристрої введення - клавіатура або сканер.

Пристрій виведення - принтер, звукові колонки (цифрові).

Телефонний адаптер ISDN.

Хаб - ключовий елемент системи Plug-and-Play в архітектурі USB. Хаб є кабельним концентратором, точки підключення називаються портами хаба. Кожний хаб перетворює одну точку підключення в їх множину. Архітектура має на увазі можливість з'єднання декількох хабів.

Біля кожного хаба є один висхідний порт (upstream port), призначений для підключення до хоста або хаба верхнього рівня. Решта портів є низхідними (downstream ports) і призначені для підключення функцій або хабів нижнього рівня. Хаб може розпізнати підключення або відключення пристроїв до цих портів і управляти подачею живлення на їх сегменти. Кожний з цих портів індивідуально може бути дозволений або заборонений і конфігурований на повну або обмежену швидкість обміну. Хаб забезпечує ізоляцію сегментів з низькою швидкістю від високошвидкісних.

Хаби можуть мати нагоду управління подачею живлення на низхідні порти, причому передбачається керована установка обмеження на струм, споживаний кожним портом.

Система USB розділяється на три рівні з певними правилами взаємодії (аналогічно семирівневій моделі OSI). Пристрій USB ділиться на інтерфейсну частину, частину пристрою і власне функціональну частину. Хост теж ділиться на три частини - інтерфейсну, системну і ПЗ пристрою. Кожна частина відповідає тільки за певне коло задач, логічна і реальна взаємодія між ними ілюструє рис.1.

Рис.1. Взаємодія компонентів USB

В дану структуру входять наступні елементи:

Фізичний пристрій USB - пристрій на шині, що виконує функції, що цікавлять кінцевого користувача.

Client SW - програмне забезпечення, відповідне конкретному пристрою, виконуване на хост-комп'ютері. Воно може бути складовою частиною ОС (наприклад, підтримка принтера) або спеціальним продуктом, що підтримує пристрій.

USB System SW - системна підтримка USB операційною системою, незалежна від конкретних пристроїв і клієнтського ПО.

USB Host Controller - апаратні і програмні засоби, що забезпечують підключення пристроїв USB до хост-комп'ютера.

Стандарт USB визначає електричні і механічні специфікації шини.

Інформаційні сигнали і живлячої напруги 5 В передаються по чотирьох-провідному кабелю. Для сигналу використовуються диференціальний спосіб передачі по двох проводах D+ і D - Рівні сигналів передавачів в статичному режимі повинні бути нижче 0,3 В (низький рівень) або вище 2,8 В (високий рівень). Приймачі повинні витримувати вхідну напругу в межах - 0,5. +3,8 В. Передавачі повинні мати нагоду переходу у високоімпедансний стан для забезпечення двонаправленої півдуплексної передачі даних по одній парі дротів.

Передача по двох проводах USB не обмежується лише диференціальними сигналами. Окрім диференціального приймача, кожний пристрій має й лінійні приймачі сигналів D+ і D-, а передавачі цих ліній управляються індивідуально. Це дозволяє розрізняти багато станів лінії, що використовуються для організації апаратного інтерфейсу, Стан Diff0 і Diff1 визначаються по різниці потенціалів на лініях D+ і D - більше 200 мВ за умови, що на одній з них потенціал вище за поріг спрацьовування V_se. Стан, при якому на обох входах D+ і D - присутній низький рівень, називається лінійним нулем (SEO - single-ended zero). Інтерфейс визначає наступні стани:

Data J State і Data К State - стан передаваного біта (визначаються через стан Diff0 і Diff1).

Idle State - пауза на шині.

шина хаб кодування ідентифікатор

Resume State - сигнал "пробудження" для виведення пристрою з "сплячого" режиму.

Start Packet (SOP) - початок пакету (перехід з "Idle" в "К").

End Packet (EOP) - кінець пакету.

Disconnect - пристрій відключений від порту.

Connect - пристрій підключений до порту.

Reset - скидання пристрою.

Стан визначаються поєднаннями диференціальних і лінійних сигналів, причому для повної і низької швидкостей стан Diff0 і Diff1 мають протилежне призначення. В декодуванні станів Disconnect, Connect і Reset береться до уваги і час знаходження ліній (більше 2,5 мс) в певних станх.

Шина має два режими передача. Повна швидкість передачі сигналів USB складає 12 Мбіт/с, низька - 1,5 Мбіт/с. Для повної швидкості використовується екранована вита пара з імпедансом 90 Ом і завдовжки сегменту до 5 м, для низької - невитий і неекранований кабель при довжині сегменту до 3 м. Низькошвидкісні кабелі і пристрої дешевше високошвидкісних. Одна і та ж система може одночасно використовувати обидва режими, перемикання для пристроїв здійснюється прозоро. Низька швидкість призначена для роботи з невеликою кількістю пристроїв, що не вимагають високої пропускної спроможності каналу.

Швидкість, що використовується пристроєм, підключеним до конкретного порту, визначається хабом по рівнях сигналів на лініях D+ і D-, зміщуваних резисторами навантажень R2 приймачів-передавачів (див. рис.2,3).

Рис.2. Підключення повношвидкісного пристрою

Рис.3. Підключення низькошвидкісного пристрою

Сигнали синхронізації кодуються разом з даними по методу NRZI (Non Return to Zero Invert), його роботу ілюструє рис.4. Кожному пакету передує поле синхронізації SYNC, що дозволяє приймачу настроїтися на частоту передавача. Окрім сигнальної пари, кабель має лінії VBus і GND для передачі живлячої напруги 5 В до пристроїв. Перетин провідників вибирається відповідно до довжини сегмента для забезпечення гарантованого рівня сигналу і живлячої напруги.

Рис.4. Кодування даних по методу NRZI

Стандарт визначає два типи роз'ємів (табл.1).

Таблиця 1

Призначення виведень роз'єму USB

Роз'єми типу "А" застосовуються для підключення до хабів (upstream connector). Вони встановлюються на кабелях, не від'єднуваних від пристроїв (наприклад, від клавіатури, миші і т.п.). Відповідна частина до них встановлюється на низхідних портах (downstream port) хабів.

Роз'єми типу "В" (downstream connector) встановлюються на пристроях, від яких сполучний кабель може від'єднуватися (наприклад, на принтери і сканери). Відповідна частина встановлюється на сполучному кабелі, протилежний кінець якого має роз'єм типу "А".

Роз'єми типів А і В розрізняються механічно, що виключає можливість петльових з'єднань портів хабів, які недопустимі в USB. Чотирьохконтактні роз'єми мають ключі, що виключають неправильне приєднання. Конструкція роз'ємів забезпечує більш пізнє з'єднання і раннє від'єднання сигнальних ланцюгів в порівнянні з живлячими. Для полегшення розпізнавання роз'єму USB на корпусі пристрою ставиться позначення, наведене на рис.5.

Рис.5. Позначення роз'єму USB

Живлення пристроїв USB можливе як від кабелю (bus-powered devices), так і від власного блоку живлення (self-powered devices). Хост забезпечує живленням безпосередньо до нього підключені пристрої. Кожний хаб, у свою чергу, забезпечує живлення пристроїв, підключених до його низхідних портів. При деяких обмеженнях топології USB допускає вживання хабів, що живляться від шини. На рис.6 наведений приклад схеми з'єднання пристроїв USB. Тут клавіатура, перо і миша можуть харчуватися від шини.

Мал.6. Приклад підключення пристроїв USB

USB має розвинену систему управління енергоспоживанням. Хост-комп'ютер може мати власну систему управління енергоспоживанням (power management system), до якої логічно підключається й однойменна система USB. Програмне забезпечення USB взаємодіє з цією системою, підтримуючи такі системні події, як призупинення (SUSPEND) або відновлення (RESUME). Крім того, пристрої USB можуть самі бути джерелами подій, відпрацьовуваних системою управління енергоспоживанням.

З погляду передачі даних, кожний пристрій USB є набором незалежних кінцевих точок (endpoint), з якими хост-контроллер може обмінюватися інформацією. Кінцеві точки описуються наступними параметрами:

Необхідна частота доступу до шини і допустимі затримки обслуговування.

Необхідна смуга пропускання каналу.

Номер точки.

Вимоги до обробки помилок.

Максимальні розміри переданих і прийнятих пакетів.

Тип обміну.

Напрям обміну (для суцільного і ізохронного обміну).

Кожний пристрій обов'язково має кінцеву точку з номером 0, що використовується для ініціалізації і загального управління логічним пристроєм, а також опитування його стану. Ця точка завжди конфігурована при включенні живлення і підключенні пристрою до шини і підтримує передачі типу "управління" (див. нижче).

Окрім нульової точки, пристрої-"функції" можуть мати додаткові точки, власне і реалізуючі корисні обміни даними. Низькошвидкісні пристрої можуть мати до двох додаткових точок, повношвидкісні - до 16 точок введення і 16 точок виведення (протокольне обмеження). Всі ці точки не можуть бути використані до їх конфігурації (встановлення злагодженого з ними каналу).

Каналом (pipe) в USB називається модель передачі даних між хост-контроллером і кінцевою точкою (endpoint) пристрою. Є два типи каналів: потоки (stream) і повідомлення (message).

Потік доставляє дані від одного кінця каналу до іншого, він завжди однонаправлений. Один і той же номер кінцевої точки може використовуватися для двох потокових каналів - введення і виведення. Потік може використовувати наступні типи обміну: суцільний, ізохронний і переривання. Доставка завжди йде в порядку "перший увійшов - першим вийшов", з погляду USB дані потоку неструктуровані.

Повідомлення (на відміну від потоків) мають формат, визначений специфікацією USB. Обмін повідомленнями відрізняється від потоків: хост посилає запит до кінцевої точки, після якого передається (або приймається) пакет повідомлення, за яким слідує пакет з інформацією стан кінцевої точки. Подальше повідомлення нормально не може бути послано раніше обробки попереднього, але при відроблянні помилок можливе й скидання необслужених повідомлень. Двосторонній обмін повідомленнями адресується до одного й того ж номера кінцевої точки. Для доставки повідомлень використовується тільки обмін типу "управління".

З каналами пов'язані характеристики, відповідні вимогам кінцевої точки (смуга пропускання, тип сервісу розмір буфера і т.п.). Канали організовуються при конфігурації пристроїв USB. Один канал повідомлень (Control Pipe 0), по якому передається інформація конфігурації, управління і стани, обов'язково існує для кожного включеного пристрою.

USB підтримує ряд режимів зв'язку, як однонаправлених, так і двонаправлених. Передача даних проводиться між ПЗ хоста і конкретною кінцевою точкою пристрою. Пристрій може мати декілька кінцевих точок, зв'язок з кожною з них (канал) встановлюється незалежно від інших. Архітектура USB допускає чотири базові типи передачі даних:

Управляючі посилки (Control transfers), що використовуються для конфігурації під час підключення і в процесі роботи для управління пристроями. Протокол забезпечує гарантовану доставку даних. Довжина поля даних управляючої посилки не перевищує 64 байт на повній швидкості і 8 байт на низькій.

Суцільні передачі (Bulk data transfers) порівняно великих пакетів без жорстких вимог до часу доставки (наприклад, від сканера або до принтера). Ці передачі займають всю вільну смугу пропускання шини, незайняту іншими класами передач. Пакети мають поле даних розміром 8, 16, 32 або 64 байт. Пріоритет цих передач найнижчий, вони можуть припинятися при великому завантаженні шини. Допускаються тільки на повній швидкості передачі.

Переривання (Interrupt) - короткі (до 64 байт на повній швидкості і до 8 байт на низькій) передачі типу символів або координат, що вводяться. Переривання мають спонтанний характер і повинні обслуговуватися не повільніше, ніж того вимагає пристрій. Межа часу обслуговування встановлюється в діапазоні 1-255 мс для повної швидкості і 10-255 мс для низької.

Ізохронні передачі - безперервні передачі в реальному часі, що займають попередньо злагоджену частину пропускної спроможності шини і мають задану затримку доставки. В разі виявлення помилки ізохронні дані передаються без повтору - недійсні пакети просто ігноруються. Типовим прикладом ізохронних даних є цифрова передача голосу. Тут пропускна спроможність визначається вимогами до якості передачі, а затримка доставки може бути критичною, наприклад, при реалізації телеконференцій.

Смуга пропускання шини ділиться між усіма встановленими каналами. Виділена смуга закріплюється за каналом, і, якщо встановлення нового каналу вимагає такої смуги, яка не вписується у вже існуючий розподіл, запит на виділення каналу відкидається.

Архітектура USB передбачає внутрішню буферизацію всіх пристроїв, причому чим більшої смуги пропускання вимагає пристрій, тим більшим повинен бути його буфер. USB повинна забезпечувати обмін з такою швидкістю, щоб затримка даних у пристрої, викликана буферизацією, не перевищувала одиниць мілісекунд.

Ізохронні передачі класифікуються за способом синхронізації кінцевих точок - джерел або одержувачів даних - з системою: розрізняють асинхронний, синхронний і адаптивний класи пристроїв, кожному з яких відповідає свій тип каналу USB.