USB (univerzalna serijska sabirnica). Univerzalna serijska sabirnica Koje su prednosti USB-a
USB sabirnica ( U univerzalna S erial B us - univerzalna serijska sabirnica) pojavila se prema računalnim standardima dosta davno - verzija prve odobrene verzije standarda pojavila se 15. siječnja 1996. godine. Razvoj standarda pokrenule su vrlo cijenjene tvrtke - Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom i Compaq.
Glavni cilj standardnog seta za njegove programere je stvoriti stvarnu priliku za korisnike da rade u Plug & Play načinu rada s perifernim uređajima. To znači da bi trebalo predvidjeti povezivanje uređaja s računalom koje radi, automatski ga prepoznati odmah nakon povezivanja i zatim instalirati odgovarajuće upravljačke programe. Osim toga, poželjno je napajati uređaje male snage iz same sabirnice. Brzina sabirnice trebala bi biti dovoljna za veliku većinu perifernih uređaja. Usput se rješava povijesni problem nedostatka resursa na internim sabirnicama IBM PC-a kompatibilnog računala – USB kontroler prima samo jedan prekid, bez obzira na broj uređaja spojenih na sabirnicu.
Gotovo svi zadaci riješeni su u USB standardu, a u proljeće 1997. počela su se pojavljivati računala opremljena priključcima za spajanje USB uređaja (vidi sliku lijevo), ali periferne jedinice s USB priključkom praktički se nisu pojavile sve do sredine 1998. godine. Što je bilo? Zašto su tek krajem 1998. proizvođači opreme počeli aktivnije nuditi USB uređaje na tržištu? Za to postoji nekoliko objašnjenja:
Uklonite kritičnu potrebu korisnika stolnih računala za potpuno Plug & Play uređajima. Periferni uređaji na stolno računalo obično se ozbiljno i dugo spajaju, a velika većina korisnika nema posebnu potrebu za čestom zamjenom periferije.
veća cijena USB uređaja u odnosu na slične uređaje sa standardnim sučeljima
nedostatak podrške proizvođača softver i uglavnom Microsoft, iako je bio jedan od autora standarda. Samo u sustavu Windows 98 postojao je kompletan USB podrška, a u Windowsu NT to bi trebalo biti tek 1999. godine.
Sada su proizvođači računalnih perifernih uređaja aktivno implementirali USB. Senzacija je bila prisutnost samo USB-a kao vanjske sabirnice u Apple Computers iMAC-u.
Tehnički podaci
USB mogućnosti proizlaze iz njegovih tehničkih specifikacija:
Velika brzina razmjene (bit rate signalizacije pune brzine) - 12 Mb / s
Maksimalna duljina kabela za veliku brzinu prijenosa - 5 m
Niska brzina prijenosa signala - 1,5 Mb / s
Maksimalna duljina kabela za nisku brzinu prijenosa - 3 m
Maksimalni broj povezanih uređaja (uključujući množitelje) - 127
Moguće je povezati uređaje s različitim brzinama prijenosa
Nema potrebe da korisnik instalira dodatne elemente kao što su terminatori za SCSI
Napon napajanja za periferne uređaje - 5 V
Maksimalna potrošnja struje po uređaju je 500 mA (to ne znači da se uređaji s ukupnom strujom potrošnje od 127 x 500 mA = 63,5 A mogu napajati preko USB-a)
Stoga je preporučljivo na USB spojiti gotovo sve periferne uređaje, osim digitalnih kamkordera i brzih tvrdih diskova. Ovo sučelje je posebno prikladno za povezivanje uređaja koji se često spajaju/isključuju kao što su digitalni fotoaparati. USB konektori su dizajnirani za spajanje/razdvajanje.
Mogućnost korištenja samo dvije brzine prijenosa ograničava korištenje sabirnice, ali značajno smanjuje broj linija sučelja i pojednostavljuje hardversku implementaciju.
Napajanje izravno s USB-a moguće je samo za uređaje male snage kao što su tipkovnice, miševi, joysticks itd.
Topologija
Ova ikona službeno je označena kao USB sabirnica i u sustavu Windows 98 i na stražnjim zidovima računala (nažalost, ne na svim), kao i na svim USB priključcima. Ova ikona zapravo točno predstavlja ideju o USB topologiji. Topologija USB-a je gotovo identična onoj tipičnog LAN-a s upredenim paricama, koji se obično naziva "zvijezda". Čak je i terminologija slična – uzgajivači guma nazivaju se i HUBovi.
Uobičajeno, stablo za povezivanje USB uređaja na računalo može se prikazati na sljedeći način (brojevi označavaju periferne uređaje s USB sučeljem):
HUB također može stajati umjesto bilo kojeg uređaja. Glavna razlika u odnosu na topologiju konvencionalne lokalne mreže je u tome što može postojati samo jedno računalo (ili glavni uređaj). HUB može biti samostalan uređaj s vlastitom jedinicom za napajanje ili ugrađen u periferni uređaj. HUB-ovi su najčešće ugrađeni u monitore i tipkovnice
Gornja slika prikazuje primjer ispravna veza perifernih uređaja u konvencionalnu USB mrežu. Budući da se razmjena podataka putem USB-a odvija samo između računala i perifernog uređaja (nema razmjene između uređaja), uređaji s velikim količinama prijema i/ili prijenosa podataka trebaju biti povezani ili na samo računalo ili na najbliži slobodni čvor. U ovom slučaju, zvučnici imaju najveći promet (~ 1,3 Mb/s), zatim modem i skener spojeni na HUB u monitoru i tipkovnica, joystick i miš, čiji je promet blizu nule, dovršavaju krug .
Može se postaviti pitanje - zašto kolone imaju tako visok promet? Činjenica je da se zvučnici s USB sučeljem značajno razlikuju od uobičajenih. NIJE POTREBNO za korištenje ovih zvučnika zvučna kartica... Upravljački program zvučnika šalje digitalizirani zvuk izravno u zvučnike, gdje se pomoću ADC-a pretvara u analogni signal i prenosi na zvučnike.
Kablovi i konektori
USB signali se prenose preko 4-žičnog kabela, shematski prikazanog na donjoj slici:
Ovdje je GND "slučaj" sklop za napajanje perifernih uređaja, VBus - + 5V također za strujne krugove. D + sabirnica služi za prijenos podataka na sabirnici, a D- sabirnica za primanje podataka.
Kabel za podršku sabirnice pune brzine izvodi se kao upleteni par, je zaštićen i može se koristiti i za rad pri malim brzinama. Kabel za rad samo pri minimalnoj brzini (na primjer, za spajanje miša) može biti bilo koji kabel i može biti neoklopljen.
Priključci koji se koriste za spajanje perifernih uređaja prikazani su na donjoj slici.
| Konektori serije "A". | Konektori serije "B". |
||
| namijenjeni su SAMO za spajanje na izvor, tj. računalo ili HUB "na. | dizajniran SAMO za povezivanje s perifernim uređajem |
||
|
| Tip utikača "A". |
| Tip utikača "B". |
|
| Tip utičnice "A" |
| Tip utičnice "B" |
Kao što možete vidjeti na slici, nemoguće je pogrešno spojiti uređaj, budući da se konektor serije "A" može spojiti samo na aktivni uređaj na USB - HUB-u ili računalu, a "B" serija samo na stvarni periferni uređaj.
USB konektori imaju sljedeći broj pinova:
| Kontakt broj | Ugovoreni sastanak | Boja žice |
Pinout USB konektora
|
|
Godine 1999., isti konzorcij računalnih tvrtki, koji je pokrenuo razvoj prve verzije standarda za USB sabirnicu, počeo je aktivno razvijati verziju 2.0 USB, koja se razlikuje po tome što je širina pojasa sabirnice povećana 20 (!) puta više do 250 Mbits/s, što omogućuje prijenos video podataka preko USB-a i čini ga izravnim konkurentom IEEE-1394 (FireWire). |
Razvoj USB-a USB (univerzalna serijska sabirnica) je industrijsko standardno proširenje arhitekture računala usmjereno na integraciju s telefonijom i uređajima potrošačke elektronike.
Prednosti autobusa:
- USB uređaj se može spojiti na računalo u bilo kojem trenutku, čak i kada je uključen;
- kada računalo otkrije spojeni USB uređaj, automatski ga provjerava kako bi saznao njegove mogućnosti i zahtjeve;
- učitava upravljački program, a kada je uređaj isključen, upravljački program se automatski isprazni;
- USB uređaj ne koristi kratkospojnike, DIP prekidače, nikada ne uzrokuje sukobe prekida, DMA, memorije;
- proširenje USB čvorišta omogućuje povezivanje velikog broja uređaja (do 127 uređaja) na jednu sabirnicu;
- niska cijena USB uređaja.
Pojava USB-a omogućila je stvaranje USB Flash Pogon (USB pohrana).
Povijest stvaranja i razvoja USB sučelja
Prva verzija USB računalnog sučelja pojavila se 15. siječnja 1996. godine. Inicijator projekta bio je Savez 7. velike tvrtke proizvođača Intel, DEC, IBM, Northen Telecom, Compaq.
Razlog za pojavu novog standarda za prijenos informacija bila je želja da se pojednostavi povezivanje računala s perifernim uređajima. Glavni cilj standarda bio je stvoriti mogućnost korisnicima da koriste takvo sučelje koje bi imalo maksimalnu jednostavnost, svestranost te koristi princip Plug & Play ili hot-plugging.
To bi omogućilo povezivanje različitih ulazno-izlaznih uređaja na PC tijekom rada, uz uvjet trenutnog automatskog prepoznavanja tipa i modela priključenog uređaja. Također, postavljen je cilj - riješiti se problema nedostatka internih resursa prekida na sistemskoj sabirnici.
Svi ti zadaci uspješno su riješeni do kraja 1996. godine, a do proljeća 1997. počinju se pojavljivati prva računala opremljena USB konektorima. Potpuna podrška za USB uređaje izvršena je tek krajem 1998. godine, u operativnom sustavu Windows98, i tek od ove faze počinje posebno brz razvoj i puštanje periferne opreme, opremljene ovim sučeljem.
Pravo masovno usvajanje USB-a počelo je raširenim usvajanjem ATX kućišta i matičnih ploča oko 1997.-1998. Apple nije propustio priliku iskoristiti postignuti napredak te je svoj prvi iMac, također opremljen USB podrškom, predstavio 6. svibnja 1998. godine.
Ovaj standard je rođen u vrijeme kada je već postojalo slično sučelje za serijski prijenos podataka koje je razvilo Apple Computer i zvao se FireWare ili IEE1394. USB sučelje je stvoreno kao alternativa IEE1394, i nije ga zamijenilo, već da postoji paralelno s već postojećom vrstom veze.
Prva verzija USB-a imala je problema s kompatibilnošću i nekoliko grešaka u implementaciji. Kao rezultat toga, u studenom 1998. izašla je specifikacija USB 1.1.
USB 2.0 specifikacija predstavljena je u travnju 2000. godine. No prošlo je više od godinu dana prije nego što je usvojen kao standard. Nakon toga počelo je masovno predstavljanje druge verzije univerzalnog serijskog autobusa. Njegova glavna prednost bilo je 40-struko povećanje brzine prijenosa podataka. No, osim ove, bilo je i drugih inovacija. Tako su se pojavile nove vrste Mini-B i Micro-USB konektora, dodana je podrška za USB On-The-Go tehnologiju (omogućuje USB uređajima da međusobno razmjenjuju podatke bez sudjelovanja USB hosta), postalo je moguće koristite napon koji se napaja putem USB-a za punjenje spojenih uređaja.
Kako radi USB sabirnica
USB omogućuje razmjenu podataka između glavnog računala i raznih perifernih uređaja (CP). Prema USB specifikaciji, uređaji (uređaji) mogu biti čvorišta, funkcije ili kombinacija oboje. Čvorište pruža samo dodatne točke za povezivanje uređaja na sabirnicu. USB funkcijski uređaj pruža sustavu dodatne funkcionalnost npr. ISDN veza, digitalni joystick, zvučnici s digitalnim sučeljem, itd. Složeni uređaj koji implementira više funkcija pojavljuje se kao čvorište s više uređaja povezanih na njega.
Cijelim USB sustavom upravlja glavni kontroler, koji je hardverski i softverski podsustav računala. Sabirnica vam omogućuje povezivanje, konfiguriranje, korištenje i odspajanje uređaja dok su domaćin i sami uređaji pokrenuti.
USB sabirnica je usmjerena na host: jedini master koji kontrolira razmjenu je glavno računalo, a svi periferni uređaji spojeni na njega su isključivo slave. Fizička topologija USB sabirnice je višeslojna zvijezda. Na njegovom vrhu je glavni kontroler u kombinaciji s korijenskim čvorištem. Čvorište je razdjelni uređaj; štoviše, može biti izvor napajanja za uređaje koji su na njega spojeni. Svaki priključak za čvorište može se izravno spojiti na periferni uređaj ili srednje čvorište; sabirnica dopušta do 5 razina kaskadiranja čvorišta (ne računajući korijen). Svako srednje čvorište ima više izlaznih priključaka za povezivanje perifernih uređaja (ili nizvodnih čvorišta) i jedan uzvodni priključak za povezivanje s korijenskim čvorištem ili nizvodnim portom uzvodnog čvorišta.
Podaci sa povezanih uređaja konvergiraju se na USB host, a on također pruža interakciju s računalom. Svi uređaji su povezani u topologiju zvijezde. Možete koristiti USB čvorišta za povećanje broja aktivnih USB priključaka. Tako dobivate analognu logičku strukturu "stablo". Takvo stablo može imati do 127 grana po host kontroleru, a razina ugniježđenja USB hubova ne smije prelaziti pet. Osim toga, jedan USB host može imati više host kontrolera, što proporcionalno povećava maksimalni broj povezanih uređaja.
Čvorišta su dvije vrste. Neki jednostavno povećavaju broj USB portova na jednom računalu, dok drugi omogućuju povezivanje više računala. Druga opcija omogućuje višestrukim sustavima korištenje istih uređaja. Ovisno o čvorištu, prebacivanje se može izvršiti ručno ili automatski.
Jedan fizički uređaj povezan putem USB-a može se logično podijeliti na "poduređaje" koji obavljaju određene specifične funkcije. Na primjer, web kamera može imati ugrađen mikrofon - ispostavilo se da ima dva pod-uređaja: za prijenos zvuka i videa.
Prijenos podataka odvija se kroz posebne logičke kanale. Svakom USB uređaju može se dodijeliti do 32 kanala (16 prijemnih i 16 prijenosnih). Svaki kanal povezuje se na konvencionalno nazvanu "krajnju točku". Krajnja točka može ili primati podatke ili ih prenositi, ali to ne može učiniti u isto vrijeme. Skupina krajnjih točaka potrebnih za funkcioniranje funkcije naziva se sučelje. Iznimka je "null" krajnja točka, koja je za konfiguraciju uređaja.
Kada se novi uređaj spoji na USB host, započinje proces dodjeljivanja identifikatora. Prvo se uređaju šalje signal za resetiranje. Istodobno se događa i određivanje brzine kojom se može izvršiti razmjena podataka. Nakon toga, konfiguracijski podaci se čitaju s uređaja i dodjeljuje mu se jedinstvena sedmobitna adresa. Ako uređaj podržava domaćin, tada se učitavaju svi potrebni upravljački programi za rad s njim, nakon čega je proces dovršen. Ponovno pokretanje USB hosta uvijek će ponovno dodijeliti ID-ove i adrese svim povezanim uređajima.
Za razliku od sabirnica za proširenje (ISA/EISA, PCI, PC Card), gdje program komunicira s uređajima pristupajući fizičkim adresama memorijskih ćelija, I/O portovima, prekidima i DMA kanalima, aplikacije komuniciraju s USB uređajima samo preko programskog sučelja. Ovo sučelje neovisno o uređaju osigurava softver sustava USB kontrolera.
Za spajanje perifernih uređaja na USB sabirnicu koristi se četverožilni kabel, s dvije žice (upletena parica) u diferencijalnoj vezi koja služi za primanje i prijenos podataka, te dvije žice za napajanje perifernog uređaja. Zahvaljujući ugrađenim električnim vodovima, USB sabirnica omogućuje spajanje perifernih uređaja bez vlastitog izvora napajanja (maksimalna struja koju uređaj troši kroz strujne vodove USB sabirnice ne smije biti veća od 500 mA).
Kodiranje podataka
Sabirnica koristi diferencijalnu metodu prijenosa D+ i D- signala preko dvije žice. Svi podaci su kodirani metodom zvanom NRZI s punjenjem bitova (NRZI - Non Return to Zero Invert).
Umjesto kodiranja logičkih razina kao razina napona, USB definira logičku 0 kao promjenu napona, a logičku 1 kao konstantni napon. Ova metoda je modifikacija metode kodiranja normalnog potencijala NRZ (Non Return to Zero), gdje se potencijali dvije razine koriste za predstavljanje 1 i 0, ali u NRZI metodi potencijal koji se koristi za kodiranje trenutnog bita ovisi o potencijalu koji je korišten za kodiranje prethodnog bita. Ako je trenutni bit 0, tada je trenutni potencijal inverzan potencijalu prethodnog bita, bez obzira na njegovu vrijednost. Ako trenutni bit ima vrijednost 1, tada se trenutni potencijal ponavlja prethodni. Očito, ako podaci sadrže nule, tada je prijemniku i odašiljaču prilično lako održavati sinkronizaciju - razina signala će se stalno mijenjati. Ali ako podaci sadrže dugi niz jedinica, tada će se razina signala promijeniti i desinkronizacija je moguća. Stoga je za pouzdan prijenos podataka potrebno isključiti predugačke nizove iz kodova. Ova radnja se zove Bit stuffing: nakon svakih šest jedinica automatski se dodaje 0.
Postoje samo tri moguća bajta sa šest uzastopnih: 00111111, 01111110, 111111100.
Punjenje može povećati broj odaslanih bitova do 17%, ali u praksi je ta vrijednost puno manja. Za uređaje spojene na USB sabirnicu, kodiranje je transparentno: USB kontroleri izvode kodiranje i dekodiranje automatski.
Načini rada sabirnice
- Mala brzina podržavaju standardi 1.1 i 2.0. Vrhunska brzina prijenosa podataka - 1,5 Mbit / s (187,5 Kb / s). Najčešće se koristi za HID uređaje (tipkovnice, miševi, joysticks).
- Puna brzina podržavaju standardi 1.1 i 2.0. Maksimalna brzina prijenosa podataka - 12 Mbps (1,5 Mbps). Prije izlaska, USB 2.0 je bio najbrži način rada.
- Visoka brzina podržava standard 2.0 i 3.0. Maksimalna brzina prijenosa podataka - 480 Mbps (60 Mbps).
- Super brzina podržan standardom 3.0. Vrhunska brzina prijenosa podataka - 4,8 Gb / s (600 MB / s).
Prijenos podataka
Mehanizam prijenosa podataka je asinkroni i baziran na blokovima. Blok prenesenih podataka naziva se USB okvir ili USB okvir i prenosi se u fiksnom vremenskom intervalu. Operacije s naredbama i blokovima podataka provode se pomoću logičke apstrakcije zvane kanal. Vanjski uređaj također je podijeljen na logičke apstrakcije koje se nazivaju krajnje točke. Dakle, kanal je logička veza između glavnog kontrolera i krajnje točke vanjskog uređaja. Kanal se može usporediti s otvorenom datotekom.
Zadani kanal koristi se za prijenos naredbi (i podataka uključenih u naredbe), a za prijenos podataka otvaraju se kanali za strujanje ili kanali za poruke.
Informacije na kanalu se prenose u obliku paketa (Packet). Svaki paket počinje poljem SYNC (SYNChronization) nakon kojeg slijedi PID (Packet IDentifier).
USB sustav treba podijeliti na tri logičke razine s posebnim pravilima za interakciju. USB uređaj sadrži sučelje, logičke i funkcionalne dijelove. Host je također podijeljen na tri dijela – sučelje, sustav i softver. Svaki je dio odgovoran samo za određeni niz zadataka.
Operacija razmjene podataka između aplikacijskog programa i USB sabirnice provodi se prijenosom memorijskih međuspremnika kroz sljedeće razine: Razina klijentskog softvera u hostu:
- obično predstavlja upravljački program USB uređaja;
- osigurava interakciju korisnika sa operacijski sustav s jedne strane i upravljački program sustava s druge strane.
Host USB razina sustava (USBD, upravljački program univerzalne serijske sabirnice):
- kontrolira numeriranje uređaja na sabirnici;
- kontrolira distribuciju širine pojasa sabirnice i napajanje;
- obrađuje zahtjeve prilagođenih vozača.
Glavni kontroler sučelja USB sabirnice(HCD, upravljački program host kontrolera):
- pretvara I/O zahtjeve u strukture podataka na kojima host kontroler obavlja fizičke transakcije;
- radi s registrima host kontrolera.
Sloj klijentskog softvera određuje vrstu prijenosa podataka potrebnog za izvođenje operacije koju zahtijeva aplikacija. Nakon određivanja vrste prijenosa podataka, ovaj sloj prenosi sljedeće na sloj sustava:
- memorijski međuspremnik nazvan klijentski međuspremnik;
- Ulazno/izlazni paket zahtjeva (IRP) koji ukazuje na vrstu potrebne operacije.
- IRP sadrži samo podatke o zahtjevu (adresu i duljinu međuspremnika u RAM-u). Upravljački program USB sustava izravno obrađuje zahtjev.
Razina drajver sustava USB je potreban za upravljanje USB resursima. On je odgovoran za sljedeće:
- dodjela propusnosti USB sabirnice;
- dodjeljivanje adresa logičkih uređaja svakom fizičkom USB uređaju;
- zakazivanje transakcija.
Logično, prijenos podataka između krajnje točke i softvera obavlja se dodjeljivanjem kanala i razmjenom podataka preko tog kanala.Klijentski softver šalje IPR zahtjeve na USBD sloj. USBD upravljački program rastavlja zahtjeve u transakcije prema sljedećim pravilima:
- izvršenje zahtjeva smatra se dovršenim kada su sve transakcije koje ga čine uspješno završene;
- svi detalji obrade transakcije (kao što su čekanje na spremnost, ponovna transakcija u slučaju pogreške, nedostupnost primatelja, itd.) ne priopćavaju se klijentskom softveru;
- Softver može samo pokrenuti zahtjev i čekati da se zahtjev dovrši ili istekne vrijeme;
- uređaj može signalizirati ozbiljne pogreške, što rezultira nenormalnim prekidom zahtjeva, o čemu se obavještava pošiljatelj zahtjeva.
Pogonitelj glavnog kontrolera prima popis transakcija od upravljačkog programa sustava sabirnice i izvodi sljedeće radnje:
- zakazuje izvršenje primljenih transakcija dodavanjem na popis transakcija;
- dohvaća sljedeću transakciju s popisa i prenosi je na sloj glavnog kontrolera sučelja USB sabirnice;
- prati stanje svake transakcije dok se ne završi.
Glavni kontroler sučelja USB sabirnice prikazuje okvire. Okviri se prenose serijskim prijenosom bitova pomoću NRZI metode.
Tako:
- svaki okvir se sastoji od poruka najvišeg prioriteta, čiji sastav formira glavni upravljački program;
- svaki prijenos sastoji se od jedne ili više transakcija;
- svaka transakcija se sastoji od serija;
- svaki paket se sastoji od ID-a paketa, podataka (ako ih ima) i kontrolnog zbroja.
Vrste prijenosa podataka
Specifikacija sabirnice definira četiri različite vrste prijenosa za krajnje točke.
Kontrolni prijenosi- koristi ih domaćin za konfiguriranje uređaja tijekom povezivanja, za upravljanje uređajem i dobivanje informacija o statusu tijekom rada. Protokol osigurava zajamčenu isporuku takvih paketa. Duljina podatkovnog polja kontrolne poruke ne može biti veća od 64 bajta pri punoj brzini i 8 bajta pri maloj brzini. Za takve pakete, domaćin je zajamčeno dodijeliti 10% propusnosti.
Skupni prijenos podataka- koriste se kada je potrebno osigurati zajamčenu isporuku podataka od hosta do funkcije ili od funkcije do hosta, ali vrijeme isporuke nije ograničeno. Ovaj prijenos zauzima cjelokupnu dostupnu širinu pojasa sabirnice. Paketi imaju podatkovno polje od 8, 16, 32 ili 64 bajta. Ovi zupčanici imaju najniži prioritet, mogu se suspendirati kada je autobus jako opterećen. Dopušteno samo pri punoj brzini prijenosa. Takve pakete koriste, na primjer, pisači ili skeneri.
Prekinuti prijenosi- koriste se kada je potrebno prenijeti pojedinačne male pakete podataka. Svaki paket treba prenijeti u ograničenom vremenu. Prijenosi su spontani i ne bi se trebali servisirati sporije nego što uređaj zahtijeva. Podatkovno polje može biti do 64 bajta pri punoj brzini i do 8 bajta pri maloj brzini. Vremensko ograničenje usluge postavljeno je u rasponu od 1-255 ms za punu brzinu i 10-255 ms za malu brzinu. Takvi se prijenosi koriste u uređajima za unos kao što su miš i tipkovnica.
Izokroni prijenosi- koriste se za razmjenu podataka u "realnom vremenu", kada je potrebno prenijeti strogo definiranu količinu podataka u svakom vremenskom intervalu, ali dostava informacija nije zajamčena (prijenos podataka se provodi bez ponavljanja u slučaju kvarova, gubitka paketa dopušteno). Takvi prijenosi zauzimaju unaprijed dogovoreni dio propusnosti sabirnice i imaju unaprijed određeno kašnjenje isporuke. Izokroni prijenosi obično se koriste u multimedijskim uređajima za prijenos audio i video podataka, kao što je digitalni prijenos glasa. Izokroni prijenosi su odvojeni na način na koji su krajnje točke — izvori ili primatelji podataka — sinkronizirani sa sustavom. Razlikovati klase asinkronih, sinkronih i adaptivnih uređaja, od kojih svaka odgovara vlastitoj vrsti USB kanala.
Sve operacije prijenosa podataka pokreće samo host, bez obzira na to prima li podatke ili ih šalje na periferni uređaj. Sve nepodmirene transakcije pohranjene su na četiri popisa prema vrsti prijenosa. Popisi se stalno ažuriraju novim zahtjevima. Raspored operacija prijenosa informacija u skladu sa zahtjevima poredanim u obliku popisa obavlja host u intervalu od jednog okvira. Uručenje zahtjeva obavlja se u skladu sa sljedećim pravilima:
- Izokroni prijenosi imaju najveći prioritet;
- nakon što su svi izokroni prijenosi obrađeni, sustav prelazi na servisiranje prekida prijenosa;
- na kraju se servisiraju zahtjevi za prijenos nizova podataka;
- nakon što protekne 90% navedenog intervala, host automatski prelazi na posluživanje zahtjeva za prijenos kontrolnih naredbi, bez obzira je li uspio u potpunosti servisirati ostala tri lista ili ne.
Usklađenost s ovim pravilima osigurava da je najmanje 10% propusnosti USB sabirnice uvijek dodijeljeno za kontrolu prijenosa. Ako je prijenos svih kontrolnih paketa dovršen prije isteka njihovog dodijeljenog dijela intervala planiranja, tada će preostalo vrijeme koristiti host za prijenos podataka.
Verzije specifikacija
Razvoj specifikacija za USB sabirnicu provodi se u okviru međunarodne neprofitne organizacije USB Implementers Forum (USB-IF), koja ujedinjuje programere i proizvođače opreme s USB sabirnicom.
Od sredine 1996. godine, računala se proizvode s integriranim USB kontrolerom koji implementira čipset matične ploče.
Prva verzija USB specifikacije 1.0 podržava dva načina prijenosa između uređaja i računala:
- Mala brzina (1,5 Mbits/sec), za uređaje kao što su miševi, tipkovnice i joysticks;
- Puna brzina (12 Mbita/s), za modeme i skenere.
U jesen 1998. objavljena je verzija 1.1 - riješila je otkrivene probleme prvog izdanja.
Glavne tehničke karakteristike USB 1.1:
- Dovoljno visok maksimalni tečaj - do 12 Mbit / s.
- Maksimalna duljina kabela za visoku brzinu prijenosa je 4,5 m.
- Maksimalan broj povezanih uređaja (uključujući množitelje) je do 127.
- Moguće je povezati uređaje s različitim tečajevima.
- Upotreba dodatnih uređaja i terminatora nije potrebna.
- Napon napajanja za periferne uređaje je 5 V.
- Maksimalna potrošnja struje po uređaju je 500 mA.
U proljeće 2000. godine objavljena je specifikacija USB 2.0 koja osigurava 40-struko povećanje propusnosti sabirnice (do 480 Mbps u načinu rada velike brzine). Međutim, USB 2.0 uređaji ušli su na mainstream tržište 2002. godine novo sučelje konačno se uspio uspostaviti.
Druga verzija specifikacije USB 2.0 omogućuje vam korištenje drugog načina visoke brzine (480 Mbit/sec) za uređaje kao što su tvrdi diskovi, CD-ROM, digitalni fotoaparati. Propusnost od 480 Mbps dovoljna je za vanjske diskove, MP3 playere, pametne telefone i digitalni fotoaparati koje su bile potrebne za prijenos velike količine podataka. Također, USB 2.0 specifikacija u potpunosti podržava uređaje razvijene za prvu verziju. Kontroleri i čvorišta automatski otkrivaju verziju specifikacije koju podržava uređaj. Sabirnica vam omogućuje povezivanje do 127 uređaja udaljenih od računala na udaljenosti do 25 m (pomoću srednjih čvorišta).
Od svog širokog usvajanja, USB 2.0 uspio je u potpunosti zamijeniti serijska i paralelna sučelja.
Trenutno se široko koriste uređaji izrađeni u skladu s USB 2.0 specifikacijom.
USB 3.0
USB 3.0 podržava maksimalna brzina Prijenos 5 Gbps.
USB 3.0 konektor tipa A
Međutim, glavna svrha USB 3.0 sučelja je povećati dostupnu propusnost novi standard učinkovito optimizira potrošnju energije. USB 3.0 ima četiri stanja veze nazvana U0-U3. Stanje veze U0 odgovara aktivnom prijenosu podataka, a U3 stavlja uređaj u stanje mirovanja. Ako je veza u stanju mirovanja, tada će u stanju U1 mogućnosti primanja i prijenosa podataka biti onemogućene. U2 stanje ide korak dalje tako što onemogućuje interni sat.
USB 3.0 tip B konektor
Posljedično, povezani uređaji mogu prijeći u stanje U1 odmah nakon završetka prijenosa podataka, što se očekuje da će pružiti opipljive prednosti potrošnje energije u usporedbi s USB 2.0.
osim različite države Standard potrošnje energije USB 3.0 razlikuje se od USB 2.0 i više podržane struje. Ako je verzija USB 2.0 pružala trenutni prag od 500 mA, tada je u slučaju novog standarda ograničenje pomaknuto na traku od 900 mA. Struja tijekom pokretanja veze povećana je sa 100 mA za USB 2.0 na 150 mA za USB 3.0. Oba parametra su vrlo važna za prijenosne tvrde diskove, koji obično zahtijevaju nešto veće struje. Prije je problem bio riješen korištenjem dodatnog USB priključka, napajanjem iz dva porta, ali korištenjem samo jednog za prijenos podataka.
USB kablovi i konektori
Za razliku od glomaznih, skupih petlji paralelne ATA sabirnice, a posebno SCSI sabirnice sa svojim raznolikim konektorima i složenim pravilima povezivanja, kabliranje USB jednostavan i graciozan.
Postoji pet vrsta USB konektora:
S lijeva na desno: mikro USB, mini USB, B-tip, A-tip konektor, A-tip konektor
- mikro USB- koristi se u najmanjim uređajima kao što su playeri i mobilni telefoni;
- mini USB- također se često nalazi na playerima, mobilnim telefonima, au isto vrijeme na digitalnim fotoaparatima, PDA uređajima i sličnim uređajima;
- B-tip- konektor pune veličine, ugrađen u pisače, skenere i druge uređaje kod kojih veličina nije bitna;
- A-tip (prijemnik)- konektor instaliran u računalima (ili na USB ekstenderima), gdje je spojen konektor tipa A;
- A-tip (utikač)- konektor spojen izravno u računalo u odgovarajući konektor.
Sustav kabela i USB konektora ne dopušta vam pogreške pri povezivanju uređaja. Priključci tipa "A" odgovaraju samo na priključke čvorišta nizvodno, utikači tipa "A" na perifernim ili uzvodnim kabelima čvorišta. Utičnice i utikači tipa B koriste se samo za kabele koji su isključeni iz perifernih uređaja i uzvodnih priključaka čvorišta (od "malih" uređaja - miševa, tipkovnica itd., kabeli se obično ne odvajaju). Čvorišta i uređaji pružaju mogućnosti vrućeg uključivanja i isključivanja.
Maksimalna duljina USB kabela može biti 5 metara. Ovo ograničenje uvedeno je kako bi se smanjilo vrijeme odziva uređaja. Host kontroler čeka da podaci stignu ograničeno vrijeme, a ako kasni, veza se može izgubiti.
Kabel za podršku sabirnice pune brzine je upletena parica, oklopljena i može se koristiti i za rad pri malim brzinama. Kabel za rad samo pri minimalnoj brzini (na primjer, za spajanje miša) može biti bilo koji kabel i može biti neoklopljen.
Književnost
- A. Kostsov, V. Kostsov, PC Željezo. Priručnik za korisnike. - M .: Martin, 2006 .-- 480 str.
USB sabirnica dizajnirana je za povezivanje s računalom razni uređaji vrsta telefona, faksa, modema, skenera, telefonske sekretarice, tipkovnice, miša itd. Ova plug and play stolna sabirnica srednje je brzine, dvosmjerna, jeftina sabirnica koja povećava povezanost i arhitekturu računala.
Glavna svojstva USB sabirnice:
Mogućnost povezivanja do 127 fizičkih uređaja;
Automatsko prepoznavanje perifernih uređaja;
Formiranje raznih konfiguracija;
Implementacija izokronog i sinkronog prijenosa sa širokim rasponom brzina;
Prisutnost mehanizma za rukovanje pogreškama;
Upravljanje napajanjem itd.
Tehnologija USB sabirnice prikazana je na slici 7.1 i ima višerazinsku zvjezdastu strukturu (konfiguracija stabla).
Slika 7.1. Topologija USB sabirnice
Svaku zvijezdu čini čvorište (priključna točka), koja omogućuje povezivanje jednog ili više funkcionera (funkcija), perifernih uređaja. USB sabirnica sadrži jedan host (kontroler), koji čini korijensku razinu i kontrolira rad funkcionera. Čvorište je ključni element u USB arhitekturi, podržava povezivanje više čvorišta. Čvorište uključuje jedan gornji priključak za strujanje uzletno-sletne staze, koji je potreban za spajanje čvorišta na "rep", te nekoliko donjih strujnih priključaka (NPP), koji ga povezuju s drugim čvorištima i/ili funkcionerima (slika 7.2).
Slika 7.2. Opći pogled na čvorište
Čvorište obavlja sljedeće funkcije: otkrivanje veze (odspajanja) drugog čvorišta ili funkcionera; upravljanje energijom i konfiguraciju uređaja priključenih na odgovarajuću NPP. Čvorište sadrži kontroler i repetitor (protokolski kontroliran prekidač porta između VFP i NPP1-NPP7). Kontroler koristi registre sučelja za komunikaciju s hostom, koji koristi kontrolne naredbe za konfiguriranje čvorišta i nadzor njegovih partnera. Slika 7.3 prikazuje desktop sustav koji sadrži čvorišta i funkcionere.
Funkcioner je zaseban USB uređaj koji je spojen kabelom na priključak na hubu. Čvorište/funkcioner radi kao uređaj koji sadrži ugrađeno čvorište. Svaki funkcioner mora biti konfiguriran od strane domaćina prije korištenja, što uključuje dodjelu frekvencijskog raspona i odabir specifičnih opcija za konfiguraciju.
Slika 7.3. Desktop sustav koji sadrži čvorišta i funkcionere
USB host (središnje računalo) pristupa USB uređajima pomoću glavnog kontrolera, koji čini sljedeće:
Koordinacija kontrole i protoka podataka između hosta i uređaja;
Detekcija priključenih (isključenih) uređaja;
Prikupljanje informacija o stanju sustava;
Upravljanje napajanjem.
Protokol sabirnice izvodi se na sljedeći način. Domaćin šalje relejni paket preko USB sabirnice, koji označava vrstu paketa, smjer transakcije (radnja na sabirnici), adresu uređaja i broj krajnje točke. Krajnja točka je jedinstveno prepoznatljiv dio USB uređaja koji sadrži više takvih točaka (komunikacijske krajnje točke). Kombinacija adrese uređaja i broja krajnje točke u ovom uređaju omogućuje vam da odaberete svaku točku pojedinačno. Svaka krajnja točka mora biti konfigurirana prije upotrebe i karakterizirana je frekvencijom, kašnjenjem sabirnice, propusnošću, maksimalnom veličinom paketa, vrstom i smjerom prijenosa. Uređaji male brzine sadrže do dvije krajnje točke, a uređaji velike brzine imaju do 16 izlaznih točaka.
Nakon dovršetka prijenosa podataka, USB uređaj (prijemnik) odgovara s paketom potvrde koji pokazuje da je prijenos bio uspješan.
Podatkovni signali D+ i D- i snaga (V i G - uzemljenje) u USB sabirnici prenose se od točke do točke duž četiri žice kabela od 90 ohma (slika 7.4.) maksimalne duljine 5m. Nazivni napon napajanja je 5v.
Slika 7.4. USB kabl
Host (hub) osigurava napajanje USB uređajima koji su na njega spojeni. Osim toga, USB uređaji se mogu sami napajati. Snaga USB sabirnice je ograničena.
USB sabirnica pruža dva raspona brzina prijenosa podataka: mala brzina(1,5 Mbps) i velika brzina(12 Mbps). Način rada male brzine koristi se za interakciju s interaktivnim uređajima (miš, kuglica za praćenje itd.), a način velike brzine koristi se s telefonskim adapterom, audio ili video uređajima. Svakom podatkovnom paketu prethodi sinkronizacijsko polje koje omogućuje prijemnicima da vremenski poravnaju svoje mjerače vremena (oscilatore) za primanje podataka. Sinkronizirano polje sadrži sinkronizirane impulse punjene bitovima NRZI.
Veza između hosta i krajnje točke čini kanal. USB uređaj može imati krajnju točku koja podržava samo kontrolni kanal ili krajnju točku koja koristi kanal za prijenos podataka.
USB vrši sljedeće vrste prijenosa na odgovarajućim kanalima u jednom ili oba smjera:
Upravljanje spontanim (neperiodičnim) prijenosom zahtjeva/odgovora, koji se koristi za prijenos naredbi/statusa i obično se koristi za konfiguraciju uređaja u trenutku njegovog povezivanja;
Prijenos kontejnera, koji se nasumično događa u vremenu, koji se sastoji od veliki broj izlaz podataka, na primjer, na pisač ili skener;
Prijenos prekida (neperiodični prijenos podataka na niskoj frekvenciji s uređaja u bilo kojem trenutku, koji se sastoji od jednog ili više bajtova poslanih glavnom računalu i zahtijeva održavanje uređaja);
Izokroni (periodični streaming) prijenos, koji osigurava kontinuiranu komunikaciju između hosta i uređaja, u stvarnom vremenu s unaprijed zadanom brzinom i latencijom.
Svi USB uređaji sadrže O krajnju točku kojoj kontrolni kanal ima pristup prema zadanim postavkama. Informacije o krajnjoj točki O opisuju USB uređaj i sastoje se od sljedećih dijelova: standard koji koristi deskriptore za uređaj, njegovu strukturu, sučelje i krajnje točke; podaci o klasi uređaja i dobavljaču. Krajnja točka O koristi se za inicijalizaciju i konfiguraciju USB uređaja.
Kanali premještaju informacije između hosta i krajnje točke koristeći međuspremnik memoriju. Postoje dva načina rada kanala: stream - podaci koji nemaju određenu strukturu i poruka - podaci koji se prenose u skladu s zadanim redoslijedom. Softver sustava (softver) isključivo posjeduje kanal i izlaže ga drugom softveru. Korisnik softvera traži prijenose preko kanala, čeka ih, a zatim dobiva obavijest o završetku prijenosa podataka. Krajnja točka može NAK signalizirati hostu da je zauzeta.
Streaming kanali prenose ne-USB pakete podataka u jednom ili drugom smjeru (jednosmjerni prijenos). Cijevi za strujanje podržavaju prijenos kontejnera, izokroni i prekidni prijenos.
Prijenos upravljanja omogućuje pristup bilo kojem dijelu uređaja i namijenjen je razmjeni informacija, poput konfiguracije / naredbe / stanja, između korisničkog softvera i funkcionera. Upravljački prijenos općenito sadrži informacije o zahtjevu (instalacijski paket), podatke i informacije o stanju funkcije koje se vraćaju hostu. Instalacijski paket ima specifičnu strukturu koja se sastoji od skupa naredbi potrebnih za uspostavljanje komunikacije između hosta i USB uređaja. Opis stanja uređaja također ima specifičnu strukturu, a kontrolni podaci koji prate instalacijski paket nemaju nikakvu strukturu i sadrže informacije o traženom pristupu. Upravljački prijenos se izvodi kao dvosmjerni protok informacija preko kanala poruka. Standard USB sabirnice ograničava veličinu paketa podataka za uređaje velike brzine na 8, 16, 32 ili 64 bajta, dok uređaji male brzine mogu imati podatkovni paket od najviše 8 bajtova. Instalacijski paket uvijek sadrži 8 bajtova. U početku (nakon resetiranja) host koristi paket podataka od 8 bajta, što je dovoljno za standardne operacije, a nakon određivanja tipa krajnje točke iz svojih konfiguracijskih informacija, veliki paket se može koristiti za izvođenje specifičnih operacija. Tako se svi podaci tijekom prijenosa dijele na jednake dijelove (pakete), osim posljednjeg dijela koji sadrži preostale podatke.
U slučaju da je krajnja točka zauzeta određeno vrijeme, domaćin će nakon nekog vremena ponovno pokušati pristupiti njoj. Ako host otkrije pogrešku, ponovno šalje.
Slika 7.5 prikazuje opći dijagram interakcije komponenti USB sabirnice.
Slika 7.5. Opća shema interakcije komponenti USB sabirnice
Host (koordinacijski centar) sadrži: softver USB sustava koji podržava USB sučelje u određenom operativnom sustavu i koji se isporučuje s njim; Korisnički softver potreban za kontrolu rada određenog USB uređaja koji je uključen u operacijski sustav ili isporučen s uređajem te kontroler koji omogućuje povezivanje uređaja s hostom. USB uređaj također ima nekoliko implementacijskih razina: sučelje sabirnice, logika uređaja (sakupljanje bodova) i funkcionalna (funkcionalna razina uređaja).
USB sabirnica koristi NRZI metodu kodiranja (bez povratka na nulu s inverzijom). U ovom slučaju, NRZI metoda kodiranja je da ako je bit prenesenih podataka jednak 0, tada se mijenja razina napona, a ako je jednaka 1, tada se razina napona zadržava. Slika 7.6 prikazuje primjer kodiranja podataka pomoću NRZI metode.
Slika 7.6. Primjer NRZI kodiranja
Dakle, niz nula uzrokuje prebacivanje razina signala, a niz jedinica formira dugačke segmente razina bez ikakvih prijelaza, što može narušiti uvjet sinkronizacije pri odabiru svakog bita. Stoga se prilikom prijenosa podataka ubacuje nula svakih šest uzastopnih jedinica kako bi se osiguralo da je svaki interval bita pouzdano detektiran pri prijemu u najgorem slučaju kada su bitovi podataka jedan na jedan. Prijemnik dekodira NRZI kod i odbacuje umetnute nulte bitove. Slika 7.7 prikazuje vremenski dijagram koraka kodiranja podataka.
Dijagram prvo prikazuje neobrađene podatke koji sadrže sinkronizirajuće polje i podatkovni paket, sinkronizirajući uzorak ima 7 nula i završava s 1 bitom, nakon čega počinje paket podataka. Zatim se na dijagramu prikazuju popunjeni podaci koji dodatno sadržavaju umetnuti bit 0 nakon šest jedinica. Šest uključuje i posljednji sinkronizirajući bit. Nakon toga se popunjeni podaci kodiraju metodom NRZI, uzimajući u obzir sinkrokombinacijsko polje. Pravilo dopune zahtijeva da se bit 0 umetne, čak i ako je ovaj bit posljednji, prije EOP (kraj paketa) signala.
Slika 7.7. Vremenski dijagram koraka kodiranja podataka
Pogledajmo neke od električnih zahtjeva USB sabirnice. Slika 7.8 prikazuje shemu simetričnog upravljačkog programa (driver) USB sabirnice koji sadrži dva identična CMOS međuspremnika.
Slika 7.8. Krug za oblikovanje diferencijala
Balansirani diferencijalni pokretač sadrži dva suprotno polarizirana izlaza, D + i D-, s tri stanja za realizaciju dvosmjernog poludupleksnog rada. Jedan od izlaza predstavlja međuspremni ulazni repetitor, a drugi je njegov komplementar. Ovi izlazi su spojeni parom ukrštenih žica na ulaze diferencijalnog prijemnika. Dakle, žice nose dva signala na koje jednako utječe zajednički šum koji eliminira diferencijalni prijemnik.
Budući da izlazi drajvera imaju različite polaritete, pri prijenosu podataka s visokom frekvencijom pojavljuju se reflektirani bipolarni signali, koji nisu uobičajeni šum. Stoga je potrebno eliminirati mogućnost pojave reflektiranih signala na prijemnoj strani sučelja.
Primjena principa diferencijalnog prijenosa povećava njegovu otpornost na buku i, kao posljedicu, omogućuje povećanje brzine prijenosa podataka.
Slika 7.9 prikazuje dijagram signala na izlazima oblikovalnika za brzinu prijenosa od 12 Mbit/s (a) i 1,5 Mbit/s (b).
Slika 7.9. Dijagrami signala na izlazima oblikovalnika za brzine prijenosa podataka od 12 Mbit / s (a) i 1,5 Mbit / s (b)
Oklopljeni kabel s upletenom parom koristi se pri 12 Mbps, a neoklopljeni kabel s neupletenim parom vodiča koristi se za 1,5 Mbps. Uparivanje primopredajnika (PP) pomoću USB kabela u slučaju prijenosa velike brzine (a) i male brzine (b) prikazano je na slici 7.10.
Iz dijagrama se može vidjeti da uređaji velike brzine sadrže otpornik opterećenja (RH) na D + liniji, a oni male brzine na D- liniji, što vam omogućuje da odredite vrstu spojenog USB uređaja. Kada USB uređaj ne pokreće D + i D- linije, RH linija ima napon od oko 3V, a druga je blizu 0V. Ovo stanje sabirnice naziva se pasivno.
Slika 7.10. Sheme sučelja domaćina (hub) i funkcionera (hub) za prijenose velike brzine (a) i niske brzine (b)
Ako uređaj nije spojen na donji port hosta (hub) (ili nema napajanja), tada je asimetrično postavljeno i na D + i D- liniji. niska razina napon (0,6V), koji se koristi za određivanje stanja isključenja ili poruke o kraju burst poruke (EOP). Za prijenose velike brzine, uvjet isključenja je asimetrična nula za 2,5 ms (30-bitne vremenske jedinice).
Smatra se da je komunikacija s uređajem uspostavljena ako napon na jednom od D + (D-) vodova dosegne iznad asimetričnog visokog praga od 1,5 V unutar 2,5 ms.
Pogledajte sliku 7.11 za određivanje je li USB uređaj isključen i spojen.
Slika 7.11. Utvrđivanje činjenice isključenja (a) i spajanja USB uređaja (b)
Ukupno vrijeme prijenosa podataka procjenjuje se brojem bitova podataka pomnoženim s razdobljem (T) određenim brzinom prijenosa podataka. Slika 7.12 prikazuje vremenski dijagram za D + i D- diferencijalne podatkovne linije.
Slika 7.12. Vrijeme prijenosa podataka
Prema NRZI kodu, bit 0 uzrokuje promjenu razina napona, a bit 1 zadržava odgovarajuće razine napona na D + i D- linijama. Trajanje asimetrične nule u EOP-u je 2T, isključujući vrijeme kašnjenja.
Početak paketa (SOF) određuje prvi bit sinkronizacijskog polja kada pasivno stanje D + i D- linija postane aktivno. USB uređaji podržavaju način mirovanja, koji je uzrokovan pasivnim stanjem D + i D- linija koje se drže duže od 3 ms.
Naredba host može postaviti signal resetiranja koji se širi kroz sva čvorišta i dovodi povezane uređaje u njihovo početno stanje. Signal resetiranja je asimetrična nula koja se drži na sabirnici 10 ms.
Ovisno o izvoru potrošnje energije, razlikuju se sljedeće vrste uređaja:
Čvorišta koja crpe energiju iz sabirnice i osiguravaju napajanje unutarnjim funkcionalnim uređajima i nižim portovima;
Samonapajajuća čvorišta koja vam omogućuju napajanje pet modula, od kojih svaki troši 100 mA, što je opterećenje modula;
Uređaji male snage (s opterećenjem od jednog modula) i velike snage (s opterećenjem od pet modula) koji troše energiju iz sabirnice;
Funkcionalni uređaji koji imaju vanjsko napajanje i nose opterećenje jednog modula koji se napaja iz sabirnice.
Pogledajmo formate paketa definirane standardom USB sabirnice. Razlikuju se paketi za provjeru autentičnosti, informacije i pakete potvrde. Svakom paketu prethodi prijenos 8-bitnog polja sinkronizacije. Format identifikacionog paketa prikazan je na Sl. 7.13.
Slika 7.13. Format identifikacionog paketa
Nakon polja za sinkronizaciju za svaki paket, prenosi se 8-bitni identifikator (ID), prvi bit s najmanjim značajem. Bitovi D0-D3 ID polja određuju vrstu paketa (format i način otkrivanja pogrešaka odgovarajućeg paketa), a bitovi D4-D7 su inverzne vrijednosti četiri najmanje značajna bita i služe kao polje za provjeru ispravan prijenos polja ID, koji se dijele na identifikacijske, informacijske, potvrdne i posebne.
Koristi 7-bitnu adresu uređaja i 4-bitni CT broj za odabir uređaja i krajnje točke (CT). Adresno polje namijenjeno je za unos (izlaz) podataka i postavljanje identifikatora. Prilikom resetiranja ili isključivanja, adresa uređaja se postavlja na 0, a zatim programira domaćin. Uređaji male brzine sadrže do dvije krajnje točke, a uređaji velike brzine sadrže do 16 krajnjih točaka. Adresno polje i CT brojevi zaštićeni su 5-bitnim cikličkim provjerenim kodom (CCC). Ciklička provjera redundancije je da su bitovi KCC polja koeficijenti binarnog polinoma (5-bitni ekvivalent), a bajtovi kontrole pogreške dobivaju se dijeljenjem ovog polinoma danim 16-bitnim polinomom. Prisutnost ili odsutnost pogreške određuje se binarnim kodom ostatka.
Paket podatkovnog polja sastoji se od 8-bitnog ID polja, podatkovnog polja (0-1023 bajta) i 16-bitnog KCC polja (slika 7.14).
Slika 7.14. Format paketa podataka
Postoje dva podatkovna paketa (Podaci (0) i Podaci (1)) s različitim identifikatorima potrebnim za održavanje pravilne sinkronizacije. Podaci u paketu predstavljeni su kao slijed bajtova.
Paket rukovanja sadrži samo ID polje i namijenjen je provjeri uspješnosti prijenosa podataka. Postoje tri vrste ovog paketa: ACK (potvrda) - paket podataka je primljen bez grešaka i ID paket je ispravan (paket se koristi za prijenos podataka); NAK (nepotvrđeno) - paket koji ukazuje na nemogućnost uređaja da primi podatke od hosta (privremeni kvar) ili uređaj nema podatke za prijenos do hosta (osim toga, paket se koristi za prijavu privremene pauze u prijenos ili primanje podataka od strane uređaja); STALL je paket odgovora koji ukazuje na trajni kvar i potrebu za intervencijom glavnog programa.
SOF (Start of Frame) identifikacijski paket omogućuje čvorištima ili uređajima da identificiraju početak okvira i sinkroniziraju svoje interne mjerače vremena s timerom glavnog računala. Format autentifikacijskog paketa prikazan je na slici 7.15.
Slika 7.15. Format identifikacionog paketa
Okvir se sastoji od niza transakcija (akcija sabirnice) počevši od jednog SOF tokena i nastavljajući se do početka sljedećeg SOF tokena. Uređaj ili čvorište identificira početak okvira pomoću 8-bitnog ID-a SOF paketa.
Postoje sljedeće transakcije: niz podataka, kontrola, prekid i izokroni tip.
Transakcija skupa podataka prilikom unosa podataka u host sastoji se od paketa za provjeru autentičnosti sa zahtjevom za unos, paketa podataka (Podaci (0/1)) s uređaja i paketa potvrde (NAK ili STALL) koji uređaj šalje nakon podataka . Ako je paket podataka primljen valjan, tada host odgovara uređaju s ACK paketom.
Prilikom unosa podataka s hosta na uređaj, host šalje autentifikacijski paket s izlaznim zahtjevom, nakon čega slijedi paket podataka. Uređaj odgovara hostu s jednim od tri paketa rukovanja (ACK, NAK ili STALL).
Slijed radnji hosta i uređaja pri prijenosu nizova podataka prikazan je na slici 7.16.
Slika 7.16. Slijed domaćina i uređaja
Slika 7.17 prikazuje slijed identifikatora prilikom pisanja i čitanja niza podataka.
Slika 7.17. Slijed identifikatora pri pisanju i čitanju niza podataka
Kako bi se sinkronizirale komponente USB sabirnice, paketi s identifikatorom podataka (0) i paketi s identifikatorom podataka (1) se prepliću. Prebacivanje paketa podataka u odašiljaču vrši se nakon primitka ACK paketa, a u prijamniku - nakon primanja sljedećeg paketa.
Upravljački prijelazi sadrže dvije faze: instalaciju i stanje, između kojih može postojati informacijska faza. Tijekom faze instalacije samo podaci s formatom polja ID podataka (0) prenose se na kontrolnu krajnju točku uređaja.
Transakcija instalacije prikazana je na slici 7.18.
Slika 7.18. Instalirajte transakciju
ACK se ne izdaje ako su podaci nevažeći. Ako postoji faza podataka, oni se prenose u jednom smjeru u skladu sa zahtjevima protokola. Ova faza može se sastojati od nekoliko ulaznih i izlaznih transakcija, a veličina niza podataka je navedena u instalacijskom paketu.
Stanica je posljednja u nizu koji se razmatra i koristi identifikator podataka 0.
Slika 7.19 prikazuje poredak transakcija i ID-ova podataka za kontrolu čitanja ili pisanja.
Slika 7.19. Slijed transakcije i ID podataka
U fazi Status, sljedeće informacije se prenose s uređaja na host: uređaj je izvršio zadatak (ACK), uređaj ne sadrži pogreške (STALL), a uređaj je zauzet (NACK).
Transakcije prekida sadrže identifikatore ulaza. Slika 7.20 prikazuje slijed transakcija prekida.
Slika 7.20. Prekinite transakcijske sekvence
Ako uređaj primi ulazni identifikator, tada izdaje podatke o prekidu u obliku paketa i prima ACK ili šalje NACK / STALL. NAK paket šalje uređaj kada ne sadrži informacije za novi prekid, a STALL paket šalje uređaj ako je privremeno obustavio rad.
Izokrone transakcije nemaju fazu potvrde. Slika 7.21 prikazuje faze izokronih transakcija.
Slika 7.21. Izokrone faze transakcije
Kada se izvrši izokroni način rada, paketi podataka s odgovarajućim identifikatorima se mijenjaju, tj. prvi slijedi podatkovni paket Podaci (0), zatim podatkovni paket (1) i tako dalje.
| Prethodni |
USB 1.1 i 2.0 standardi
Univerzalna serijska sabirnica (USB) je još jedno serijsko sučelje. Budući da je najpopularnije serijsko sučelje, zaslužuje svoje poglavlje.
USB sabirnica omogućuje serijsko povezivanje do 127 uređaja (možete spojiti uređaj na uređaj ako je proizvođač uređaja omogućio tu mogućnost). Kao iu slučaju IEEE-a, podržano je hot-plugging / uključivanje uređaja, odnosno ne morate isključiti napajanje računala da biste uključili / isključili uređaj. Štoviše, kao i kod IEEE, uređaji se mogu napajati putem USB-a, eliminirajući potrebu za dodatnim izvorima napajanja.
USB sabirnica pojavila se u siječnju 1996. - tada je najavljena verzija USB 1.0. Dvije godine kasnije, 1998. godine, pojavila se sabirnica USB 1.1. Gotovo svi uređaji verzije 1.0 kompatibilni su s USB 1.1, i obrnuto - bilo je samo manjih promjena.
USB 2.0 sabirnica pojavila se 2003. godine. Kompatibilan je unatrag s verzijama 1.0 i 1.1. To znači da možete spojiti uređaje verzije 1.0 i 1.1 na USB 2.0 sabirnicu. Vrlo je jednostavno odrediti verziju uređaja - po USB logotipu. Na sl. 10.1 prikazuje logo USB verzija 1.0 i 1.1 (sada je češća verzija uređaja 1.1), a na sl. 10.2 - USB 2.0 logo.
Riža. 10.1. Usb 1.1 logo: stari (lijevo) i novi (desno)
Riža. 10.2. Logo USB 2.0
Tehnički podaci USB 1.1 sabirnice prikazane su u tablici. 10.1.
// - Tablica 10.1. Specifikacije USB1.1 sabirnice - // 
Imajte na umu da USB 1.1 sabirnica može raditi u dva načina: mala brzina i velika brzina. U prvom je tečaj 1,5 Mbit / s, u drugom - 12 Mbit / s.
Specifikacije za USB 2.0 sabirnicu su gotovo iste, ali postoje tri načina brzine za USB 2.0:
Mala brzina (brzina 10-1500 Kbps) - za ulazne uređaje (tipkovnica, miš, joysticke);
Puna brzina (0,5–12 Mbit / s) - različiti uređaji srednje brzine;
Visoka brzina (5-480 Mbit / s) - nosači podataka, video uređaji.
Spajanje USB uređaja
Na stražnjoj strani jedinice sustava obično možete pronaći četiri USB priključka (ponekad 6 ili čak 8). Ovi priključci (slika 10.3) pripadaju USB korijenskim čvorištima. Svaki Root Hub ima dva USB porta. Dakle, ako imate četiri USB priključka na matičnoj ploči, tada u sustavu postoje dva root huba, ako ima osam portova, onda u sustavu postoje četiri root čvorišta.
//-- Riža. 10.3. USB priključci - //
Otvorite Upravitelj uređaja (da biste to učinili, pokrenite naredbu Start, Settings, Control Panel, System, idite na karticu Hardver i kliknite gumb Device Manager). U prozoru Upravitelj uređaja proširite grupu Kontrolori univerzalne serijske sabirnice (slika 10.4).
//-- Riža. 10.4. Upravitelj uređaja --//
Desnom tipkom miša kliknite bilo koje korijensko čvorište i odaberite Svojstva. U prozoru koji se pojavi idite na karticu Power. Vidjet ćete sljedeće informacije (slika 10.5):
tip snage čvorišta je naše korijensko čvorište, stoga ima vlastitu snagu;
informacije o uređajima spojenim na priključke huba i o njihovom napajanju - u našem slučaju je spojen jedan uređaj i za njega je potrebno napajanje od 100 mA. Maksimalno naše čvorište može prenijeti do 500 mA po portu;
broj slobodnih portova - root hub ima samo dva porta, jedan od njih je zauzet (priključen je uređaj za pohranu - USB disk), pa je jedan port slobodan.
//-- Riža. 10.5. Detalji čvorišta - //
Ako imate samo dva čvorišta i na svaki možete spojiti samo dva uređaja, kako onda, pitate se, spojiti do 127 USB uređaja na svoje računalo? Prvo, možete spojiti dodatna USB čvorišta na portove korijenskog čvorišta (slika 10.6). USB čvorište povezuje se s USB priključkom, ali umjesto toga nudi najmanje tri slobodna USB priključka. Postoje dvije vrste USB čvorišta: s vlastitim napajanjem i napajanjem iz roditeljskog priključka. Bolje je kupiti čvorišta s vlastitim napajanjem. Zašto? Kao što znamo, po portu se prenosi maksimalna struja od 500 mA; Za napajanje samog huba bit će potrebno 100mA, tako da će za uređaje ostati 400mA. Ispada da više nećete moći spojiti nijedan moćni USB uređaj na svaki port takvog huba, ali ćete moći spojiti uređaje poput USB diskova koji trebaju samo 100 mA.
//-- Riža. 10.6. USB čvorište - //
Ako čvorište ima vlastito napajanje, tada će biti moguće osigurati 500 mA za svaki priključak, odnosno USB portovi će biti punopravni, kao na korijenskim čvorištima.
Osim toga, neki uređaji, kao što je tipkovnica, mogu djelovati kao USB čvorište (ovi uređaji moraju biti USB uređaji). Uključite tipkovnicu u USB priključak i na nju možete priključiti više uređaja. Obično su USB miševi, a ponekad i USB diskovi spojeni na tipkovnicu. Jasno je da ovi uređaji ne bi trebali biti "proždrljivi", budući da se na priključak dovodi ukupno istih 500 mA; 100 mA ide za napajanje tipkovnice, a ostatak se dijeli između uređaja spojenih na tipkovnicu. S obzirom na takvu hijerarhijsku povezanost uređaja, lako je zamisliti samo 127 uređaja povezanih s računalom. Ovo nije 63.000, kao što je slučaj s IEEE-1394!
Sada o USB konektorima. Zovu se konektori na stražnjoj strani jedinice sustava (najčešći USB konektori). USB tip A. Kabel za konektor tipa A prikazan je na sl. 10.7.
//-- Riža. 10.7. Kabel tipa A - //
Tip B konektor i kabel prikazani su na sl. 10.8. Tipično se konektor tipa B koristi na perifernim uređajima (pisači, skeneri). USB kabel za spajanje perifernog uređaja na računalo (slika 10.9) opremljen je konektorom tipa B (za spajanje na pisač/skener) i konektorom tipa A (za spajanje na računalo).
//-- Riža. 10.8. Konektor (ženski) i kabel tipa B - // 
//-- Riža. 10.9. USB kabel pisača - //
Osim konektora tipa A i B, postoji i mini-konektor, koji se naziva mini-USB (Sl.10.10). Obično se koristi za spajanje USB kabela na digitalni fotoaparat, mobilni telefon. U ovom slučaju, jedan kraj kabela je mini-USB, a drugi je tip A.
//-- Riža. 10.10. Mini-USB kabel - //
Nadogradnja starih računala
Starija računala nemaju USB priključke, ali možete instalirati USB kontroler dizajniran kao PCI kartica za proširenje (slika 10.11) ili kao PC kartica (za prijenosna računala). Prilikom kupnje kontrolera provjerite podržava li USB 2.0 (slika 10.12) - ako je instaliran, onda najnoviji.
//-- Riža. 10.11. USB kontroler u obliku PCI ploče (4 USB porta) - // 
//-- Riža. 10.12. Dvostruka PC kartica (dodaje USB podršku na stari prijenosnik) - //
Ponekad računalo nije jako staro - postoji USB podrška, ali verzija 1.1, ali morate spojiti USB 2.0 uređaj. U ovom slučaju pomoći će i PCI kontroler. Još jednom ponavljam: pri kupnji morate biti sigurni da kupujete upravo USB 2.0 kontroler.
Trenutno USB 3.0 standard još nije usvojen, ali je već u razvoju. On bi trebao prenositi signale pomoću optičkog kabela. USB 3.0 bit će unatrag kompatibilan s verzijama 2.0 i 1.1.
Sljedeće tvrtke trenutno rade na stvaranju USB 3.0: Intel, Microsoft, Hewlett-Packard, Texas Instruments, NEC i NXP Semiconductors. Planirana brzina prijenosa podataka (vrh) - 4,8 Gbps.
Podržava li vaš sustav USB
Čini se da ako postoje USB priključci, onda bi trebala postojati i podrška za USB. Ali nije uvijek tako. Na primjer, Windows 2000 i Windows XP SP1 nemaju upravljački program za USB 2.0. Čak i ako imate USB 2.0 kontroler, bez instaliranja upravljačkog programa za USB 2.0, USB sabirnica će funkcionirati kao USB 1.1.
Preuzmite program USB Ready na http://www.usb.org/about/faq/ans3/usbready.exe, koji će testirati vaš sustav za USB podršku (slika 10.13).
//-- Riža. 10.13. Program spreman za USB - //
Što bi trebali učiniti oni s novim USB kontrolerom? Postoji nekoliko opcija:
instalirajte novu verziju OS-a - Windows Vista, ali nije jeftina;
nadogradite verziju OS-a na Windows XP SP2; instalirajte upravljački program za USB 2.0.
Ne želite uvijek ponovno instalirati sustav koji dobro funkcionira. Onda ćemo tražiti vozača. Ponekad dolazi s matičnom pločom - tada imate sreće. Ali ako nije uključen u komplet, onda ćemo ga potražiti na Internetu. Najzanimljivije je da ga više nema na web stranici Microsofta. Pronašao sam upravljački program koji mi je trebao na softodrom.ru:
http://soft.softodrom.ru/ap/p4515.shtml.
Ako do trenutka kada knjiga izađe iz tiska više je nema, kontaktirajte me - podijelit ću je s vama.
Prva USB specifikacija (verzija 1.0) objavljena je početkom 1996., a specifikacija 1.1 pojavila se u jesen 1998., ispravljajući probleme pronađene u prvom izdanju. U proljeće 2000. objavljena je verzija 2.0, koja je omogućila 40-struko povećanje propusnosti sabirnice. Dakle, specifikacije 1.0 i 1.1 omogućuju rad pri brzinama od 12 Mbit / s i 1,5 Mbit / s, a specifikacije 2.0 - pri brzinama od 480 Mbit / s. To omogućuje kompatibilnost USB 2.0 s USB 1.x unatrag.
Konačna USB 3.0 specifikacija pojavila se 2008. godine. USB 3.0 kreirali su Intel, Microsoft, Hewlett-Packard, Texas Instruments, NEC, itd. NXP Semiconductors U specifikaciji USB 3.0, ažurirani standardni konektori i kabeli fizički su i funkcionalno kompatibilni s USB 2.0. Uz četiri USB 2.0 linije, USB 3.0 dodaje još četiri komunikacijske linije (dva upletena para). Novi kontakti u USB 3.0 konektorima nalaze se odvojeno od starih u drugom redu kontakata. USB 3.0 specifikacija povećava maksimalnu brzinu prijenosa podataka na 4,8 Gb / s, pa se brzina prijenosa povećava sa 60 MB / s na 600 MB / s i omogućuje prijenos 1 TB ne za 8-10 sati, već za 40 minuta -1 sat. Verzija 3.0 također se može pohvaliti povećanom jakošću struje s 500 mA na 900 mA, tako da korisnik ne samo da može napajati više uređaja iz jednog čvorišta, već će se sami uređaji u mnogim slučajevima moći riješiti odvojenih izvora napajanja.
Uobičajena USB arhitektura
Fizička arhitektura USB-a regulirana je sljedećim pravilima:
- uređaji se povezuju s hostom;
- fizičko povezivanje uređaja jedan s drugim provodi se prema topologiji višeslojne zvijezde, čiji je vrh korijensko čvorište;
- središte svake zvijezde je čvorište;
- svaki segment kabela povezuje dvije točke jedna s drugom: host na čvorište ili funkciju , čvorište s funkcijom ili drugo čvorište;
- Periferni USB uređaj ili drugi hub može se spojiti na svaki port hub-a, dok je dopušteno do 5 razina kaskadiranja hubova, ne računajući root.
Najviši sloj je korijensko čvorište, koje se obično dijeli s USB kontrolerom.
Na korijensko čvorište mogu se spojiti uređaji ili druga čvorišta kako bi se povećao broj dostupnih portova. Koncentrator se može izraditi kao zaseban uređaj, ili biti ugrađen u neki drugi, t.j. USB uređaji se mogu kategorizirati kao funkcionalni uređaji, tj. oni koji obavljaju određenu funkciju (na primjer, miševi), uređaji čvorišta koji izvode samo funkciju fanouta i ko-locirani uređaji koji uključuju čvorište koje proširuje skup portova (na primjer, monitori s priključcima za povezivanje drugih).
Na petoj razini, kombinirani uređaj se ne može koristiti. Osim toga, vrijedno je posebno spomenuti host, koji je više softverski i hardverski kompleks nego samo uređaj.
Detalji fizičke arhitekture skriveni su od aplikacijskih programa u softveru sustava (softveru), pa logička arhitektura izgleda kao normalna zvijezda, s aplikacijskim softverom u središtu i skupom krajnjih točaka kao njegovim vrhovima. Aplikacija komunicira sa svakom krajnjom točkom.
USB komponente
USB sabirnica se sastoji od sljedećih elemenata:
Svojstva USB uređaja
- adresiranje - uređaj mora odgovoriti na jedinstvenu adresu koja mu je dodijeljena i samo njoj;
- konfiguracija - nakon uključivanja ili resetiranja, uređaj mora dati nultu adresu da bi mogao konfigurirati svoje portove;
- prijenos podataka - uređaj ima skup krajnjih točaka za komunikaciju s hostom. Za krajnje točke koje prihvaćaju različite vrste prijenosa, samo je jedan od njih dostupan nakon konfiguracije;
- upravljanje napajanjem - bilo koji uređaj kada je spojen ne smije crpiti iz sabirnice struju veću od 100 mA. Tijekom konfiguracije, uređaj deklarira svoje trenutne zahtjeve, ali ne više od 500 mA. Ako čvorište ne može osigurati uređaju deklariranu struju, uređaj se neće koristiti;
- suspend - USB uređaj mora podržavati suspendirani način rada tako da njegova trenutna potrošnja ne prelazi 500 μA. USB uređaj trebao bi se automatski obustaviti kada sabirnica više nije aktivna;
- daljinsko buđenje - značajka daljinskog buđenja omogućuje suspendiranom USB uređaju da signalizira hostu, koji također može biti u suspendiranom stanju. Mogućnost daljinskog buđenja opisana je u konfiguraciji USB uređaja. Ovu funkciju možete onemogućiti tijekom konfiguracije.
Logičke razine razmjene podataka
USB specifikacija definira tri logička razina uz određena pravila interakcije. USB uređaj sadrži sučelje, logičke i funkcionalne dijelove. Host je također podijeljen na tri dijela – sučelje, sustav i softver. Svaki je dio odgovoran samo za određeni niz zadataka.
Dakle, operacija razmjene podataka između aplikacijskog programa i USB sabirnice izvodi se propuštanjem memorijskih međuspremnika kroz sljedeće slojeve:
- razina klijentskog softvera u hostu:
- obično predstavlja upravljački program USB uređaja;
- pruža interakciju korisnika s operativnim sustavom s jedne strane i upravljačkim programom sustava s druge strane;
- razini sustava USB drajver u hostu (USB, upravljački program univerzalne serijske sabirnice):
- kontrolira numeriranje uređaja na sabirnici;
- kontrolira distribuciju širine pojasa sabirnice i napajanje;
- obrađuje zahtjeve prilagođenih upravljačkih programa;
- Razina upravljačkog programa host kontrolera (HCD):
- pretvara I/O zahtjeve u strukture podataka na kojima se izvode fizičke transakcije;
- radi s host registrima.
Odnos između klijentskog softvera i USB uređaja: USB pruža programsko sučelje i samo ono za interakciju, dopuštajući klijentskom softveru da postoji izolirano od određenog uređaja spojenog na sabirnicu i njegove konfiguracije. Za klijenta USB programi je samo skup funkcija.
Interakcija USB komponenti prikazana je na donjem dijagramu:
Struktura koja se razmatra uključuje sljedeće elemente:
Fizički USB uređaj- uređaj na sabirnici koji obavlja funkcije od interesa za krajnjeg korisnika.
Klijent SW- Softver specifičan za uređaj koji se izvodi na glavnom računalu. Može biti dio OS ili poseban proizvod.
USB sustav SW- Podrška za USB sustav, neovisno o specifičnim uređajima i klijentskom softveru.
USB Host Controller- hardver i softver za povezivanje USB uređaja na glavno računalo.
Načela prijenosa podataka
Mehanizam prijenosa podataka je asinkroni i baziran na blokovima. Blok prenesenih podataka naziva se USB okvir ili USB okvir a prenosi se u fiksnom vremenskom intervalu. Rad naredbi i blokova podataka implementiran je pomoću logičke apstrakcije tzv kanal. Kanal je logička veza između hosta i krajnje točke vanjskog uređaja.
Za prijenos naredbi (i podataka uključenih u naredbe), koristi se zadani kanal, a također i za prijenos podataka strujanje kanali, ili kanali za poruke.
Tok dostavlja podatke s jednog kraja kanala na drugi, uvijek je jednosmjeran. Isti broj krajnje točke može se koristiti za dva streaming kanala, ulaz i izlaz. Tok može implementirati sljedeće vrste razmjene: kontinuiranu, izokronu i prekidnu. Isporuka je uvijek po redoslijedu prvi ušao-prvi izašao (FIFO); s USB točke gledišta, stream podaci su nestrukturirani. Poruke su u formatu definiranom USB specifikacijom. Domaćin šalje zahtjev krajnjoj točki, nakon čega slijedi paket poruke (primljen), nakon čega slijedi paket informacija o statusu krajnje točke. Sljedeća poruka obično se ne može poslati prije obrade prethodne, ali prilikom rukovanja pogreškama moguće je odbaciti neobrađene poruke. Dvosmjerna razmjena poruka adresira istu krajnju točku. Za isporuku poruka koristi se samo kontrolna razmjena.
Kanali su povezani s karakteristikama koje odgovaraju krajnjoj točki. Kanali se organiziraju prilikom konfiguriranja USB uređaja. Za svaki uključen uređaj postoji kanal za poruke (Control Pipe 0) koji prenosi informacije o konfiguraciji, kontroli i statusu.
Svaku USB komunikaciju pokreće glavni kontroler. Organizira razmjene s uređajima prema svom planu raspodjele resursa.
Kontroler ciklički (s periodom od 1,0 ± 0,0005 ms) formira okvire (okvire) u koje se uklapaju svi planirani prijenosi.
Svaki okvir počinje slanjem paketa markera za početak okvira (SOF), koji je signal sata za sve uređaje, uključujući čvorišta. Na kraju svakog okvira dodjeljuje se vremenski interval EOF (End Of Frame), tijekom kojeg čvorišta zabranjuju prijenos prema kontroleru. Ako čvorište otkrije da se podaci prenose s nekog porta u ovom trenutku, ovaj priključak je onemogućen.
U načinu prijenosa velike brzine, SOF paketi se prenose na početku svakog mikrookvira (razdoblje 125 ± 0,0625 µs).
Domaćin planira preuzimanje okvira tako da u njima uvijek ima mjesta za prijenose najvišeg prioriteta, i slobodno mjesto okviri su ispunjeni prijenosima niskog prioriteta velikih količina podataka. USB specifikacija omogućuje posuđivanje do 90% propusnosti sabirnice za periodične transakcije (izokrone i prekidne).
Svaki okvir ima svoj broj. Glavni kontroler radi s 32-bitnim brojačem, ali samo najmanje značajnih 11 bitova se prenosi u SOF tokenu. Broj bloka se ciklički povećava tijekom EOF-a.
Sinkronizacija uređaja i kontrolera važna je za izokroni prijenos. Postoje tri opcije sinkronizacije:
- sinkronizacija unutarnjeg generatora uređaja sa SOF markerima;
- prilagođavanje brzine sličica na frekvenciju uređaja;
- usklađivanje brzine prijenosa (prijema) uređaja sa brzinom kadrova.
U svakom okviru može se izvesti nekoliko transakcija, njihov dopušteni broj ovisi o brzini, duljini podatkovnog polja svake od njih, kao i o kašnjenjima koje unose kabeli, čvorišta i uređaji. Sve transakcije okvira moraju biti dovršene prije EOF vremena. Brzina kadrova može se neznatno mijenjati pomoću posebnog registra u glavnom kontroleru, koji omogućuje podešavanje brzine za izokroni prijenos. Brzina sličica u sekundi kontrolera može se prilagoditi internoj frekvenciji sata samo jednog uređaja.
Informacije na kanalu se prenose u obliku paketa (Packet). Svaki paket počinje poljem SYNC (SYNChronization) nakon kojeg slijedi PID (Packet IDentifier). Polje Provjera je pobitno inverzno od PID-a.
Struktura podataka paketa ovisi o skupini kojoj pripada.
1. Klijentski softver šalje IPR zahtjeve na USBD sloj.
2. USBD upravljački program dijeli zahtjeve u transakcije prema sljedećim pravilima:
- izvršenje zahtjeva smatra se dovršenim kada su sve transakcije koje ga čine uspješno završene;
- svi detalji obrade transakcije (kao što su čekanje na spremnost, ponovna transakcija u slučaju pogreške, nedostupnost primatelja, itd.) ne priopćavaju se klijentskom softveru;
- Softver može samo pokrenuti zahtjev i čekati da se zahtjev dovrši ili istekne vrijeme;
- uređaj može signalizirati ozbiljne pogreške, što rezultira nenormalnim prekidom zahtjeva, o čemu se obavještava pošiljatelj zahtjeva.
3. Upravljački program kontrolora glavnog računala prima popis transakcija od upravljačkog programa sustava sabirnice i izvodi sljedeće radnje:
- zakazuje izvršenje primljenih transakcija dodavanjem na popis transakcija;
- dohvaća sljedeću transakciju s popisa i prenosi je na sloj glavnog kontrolera sučelja USB sabirnice;
4. Glavni kontroler sučelja USB sabirnice formira okvire;
5. Okviri se prenose sekvencijalnim prijenosom bitova korištenjem NRZI metode
Dakle, može se formirati sljedeća pojednostavljena shema:
1. svaki okvir se sastoji od poruka najvišeg prioriteta, čiji sastav formira glavni upravljački program;
2. svaki prijenos se sastoji od jedne ili više transakcija;
3. svaka transakcija se sastoji od paketa;
4. Svaki paket se sastoji od ID-a paketa, podataka (ako ih ima) i kontrolnog zbroja.
Vrste USB poruka
Specifikacija sabirnice definira četiri različite vrste prijenosa za krajnje točke:
- upravljački zupčanici (Kontrolni prijenosi) - koristi ih domaćin za konfiguriranje uređaja tijekom povezivanja, za upravljanje uređajem i dobivanje informacija o statusu tijekom rada. Protokol osigurava zajamčenu isporuku takvih paketa. Duljina podatkovnog polja kontrolne poruke ne može biti veća od 64 bajta pri punoj brzini i 8 bajta pri maloj brzini. Za takve pakete jamči se da će host dodijeliti 10% propusnosti;
- prijenos nizova podataka (Skupni prijenos podataka) - koriste se kada je potrebno osigurati zajamčenu isporuku podataka od hosta do funkcije ili od funkcije do hosta, ali vrijeme isporuke nije ograničeno. Ovaj prijenos zauzima cjelokupnu dostupnu propusnost sabirnice. Paketi imaju podatkovno polje od 8, 16, 32 ili 64 bajta. Ovi zupčanici imaju najniži prioritet, mogu se suspendirati kada je autobus jako opterećen. Dopušteno samo pri punoj brzini prijenosa. Takve pakete koriste, na primjer, pisači ili skeneri;
- prekinuti prijenos (Prekinuti prijenosi) - koriste se kada je potrebno prenijeti pojedinačne male pakete podataka. Svaki paket treba prenijeti u ograničenom vremenu. Prijenosi su spontani i ne bi se trebali servisirati sporije nego što uređaj zahtijeva. Podatkovno polje može biti do 64 bajta pri punoj brzini i do 8 bajta pri maloj brzini. Vremensko ograničenje usluge postavljeno je u rasponu od 1-255 ms za punu brzinu i 10-255 ms za malu brzinu. Takvi se prijenosi koriste u uređajima za unos kao što su miš i tipkovnica;
- izokroni prijenosi (Izokroni prijenosi) - koriste se za razmjenu podataka u "realnom vremenu", kada je u svakom vremenskom intervalu potrebno prenijeti strogo definiranu količinu podataka, ali isporuka informacija nije zajamčena (prijenos podataka se provodi bez ponavljanja u slučaju kvarova , gubitak paketa je dopušten). Takvi prijenosi zauzimaju unaprijed dogovoreni dio propusnosti sabirnice i imaju unaprijed određeno kašnjenje isporuke. Izokroni prijenosi obično se koriste u multimedijskim uređajima za prijenos audio i video podataka, kao što je digitalni prijenos glasa. Izokroni prijenosi dijele se prema načinu sinkronizacije krajnjih točaka - izvora ili primatelja podataka - sa sustavom: razlikuju asinkrone, sinkrone i adaptivne klase uređaja, od kojih svaka odgovara svojoj vrsti USB kanala.
Mehanizam prekida
Ne postoji pravi mehanizam prekida za USB sabirnicu. Umjesto toga, domaćin proziva povezane uređaje za podatke o prekidu. Prozivanje se događa u fiksnim intervalima, obično svakih 1 do 32 ms. Uređaju je dopušteno slanje do 64 bajta podataka.
Sa stajališta vozača, mogućnosti prekida zapravo određuje host, koji pruža podršku za fizičku implementaciju USB sučelja.
Načini prijenosa podataka
USB sabirnica ima tri načina prijenosa podataka:
- niske brzine (LS, Low-speed) 1,5 Mbit / s;
- puna brzina (LF, Full-speed) 12 Mbit / s;
- velike brzine (HS, High-speed, samo za USB 2.0) 480 Mbps.
Spajanje perifernih uređaja na USB sabirnicu
Za spajanje perifernih uređaja na USB sabirnicu koristi se četverožični kabel, s dvije žice (upletena parica) u diferencijalnoj vezi za primanje i prijenos podataka, te dvije žice za napajanje perifernog uređaja.
Specifikacija 1.0 navodi dvije vrste konektora:
Nakon toga su razvijeni minijaturni konektori za korištenje USB-a u prijenosnim i mobilnim uređajima, nazvani Mini-USB.
Tu su i Mini AB i Micro AB konektori na koje su spojeni odgovarajući A i B konektori.
Tu su i minijaturni konektori - Micro USB.
| USB 2.0 tip | Značenje kontakata | Boja žice | |
|---|---|---|---|
|
| |||
|
| |||
Povezivanje uređaja punom brzinom
Povezivanje uređaja male brzine
Sinkronizacijski signali se kodiraju zajedno s podacima korištenjem metode NRZI (Non Return to Zero Invert). Svakom paketu prethodi SYNC polje koje omogućuje prijemniku da se ugodi na frekvenciju odašiljača.
Kabel također ima VBus i GND linije za prijenos napona napajanja od 5 V do uređaja. Poprečni presjek vodiča odabire se u skladu s duljinom segmenta kako bi se osigurala zajamčena razina signala i napon napajanja.