Rozhraní USB

PZ
Rozhraní USB
Rozhraní USB
1
PZ
Rozhraní USB
Specifikace USB
• USB 1.0
– Původní specifikace.
• USB 1.1
– Doplnění (upřesnění) 1.0.
– Rychlosti Low Speed (1.5 Mb/sec) a Full Speed (12 Mb/sec).
• USB 2.0
– Doplněno o High Speed (480 Mb/sec.) a další rozšíření (ping, ...).
• USB OTG (On-The-Go)
– Doplněk k USB 2.0.
– Rozšíření o komunikaci mezi dvěma zařízeními (bez počítače Host).
2
PZ
Rozhraní USB
Architektura USB (1)
• Propojení pomocí USB má
stromovou strukturu.
• Počítač je obvykle Host.
• Na dalších úrovních je buď
zařízení nebo rozbočovač
(Hub).
– USB 1.1 – max. 5 vrstev.
– USB 2.0 max. 7 vrstev.
Host
(Kořenový
rozbočovač)
Zařízení
Rozbočovač
1. vrstva
Rozbočovač
Rozbočovač
+ Zařízení
Rozbočovač
+ Zařízení
2. vrstva
Rozbočovač
+ Zařízení
Rozbočovač
+ Zařízení
Zařízení
3. vrstva
Rozbočovač
Zařízení
4. vrstva
3
PZ
Rozhraní USB
Architektura USB (2)
Komunikace na
logické úrovni
Aplikační SW
Funkce zařízení
Komunikace na
logické úrovni
Drivery USB
Logické zařízení
Komunikace na
fyzické úrovni
Řadič USB
Řadič USB
4
PZ
Rozhraní USB
Architektura USB (3)
• Zařízení může mít několik různých rozhraní (Interface).
– Např CD může mít rozhraní Audio CD a CD-ROM.
• Každé rozhraní má několik bran (Endpoint).
– Například může mít bránu pro řízení a bránu pro data.
Kanály
In Out
Brána
In Out
Brána
Rozhraní
In Out
Brána
In Out
Brána
Rozhraní
Rozhraní
Zařízení
5
PZ
Rozhraní USB
Konektory a kabely
• Maximální délka kabelu LS = 3 m (zpoždění 18 ns).
• Maximální délka kabelu FS a HS = 5 m (zpoždění 26 ns).
• Z0 = 90Ω.
6
PZ
Rozhraní USB
Fyzická vrstva LS/FS
• Používá se diferenciální
signál.
• Jeden pár vodičů slouží pro
oba směry.
• Elektrické úrovně na
vodičích definují několik
stavů (odlišné pro LS, FS,
HS), viz dále.
Vcc
D+
DGND
Stínění
7
PZ
Rozhraní USB
Úrovně napětí na lince LS/FS
Host
3.3 V
1k5
3.3 V
1k5
D+
Budiče a
detektory
LS/FS
Budiče a
detektory
LS/FS
D-
15k
15k
Zařízení
Low
Speed
Full
Speed
GND
8
PZ
Rozhraní USB
Fyzická vrstva HS
• Rozšířená proti LS/FS.
• Budiče linky HS fungují jako zdroj proudu 0 mA
nebo 17 mA.
• Napětí na lince (400 mV / 800 mV) závisí na
zakončovacích odporech (2 × 45 Ω).
• Detekce připojení HS – napřed jako FS, potom
„HS chirp“.
• Detekce odpojení – zvýšení linkového napětí na
800 mV.
9
PZ
Rozhraní USB
Úrovně napětí na lince HS
Host
3.3 V
1k5
Budiče HS
Detektory HS
D+
17 mA
17 mA
D45R
Budiče a
detektory
LS/FS
GND
Zařízení
15k
45R
15k
Full
Speed
45R
45R
LS/FS
GND
10
PZ
Rozhraní USB
Budiče linky LS/FS/HS
11
PZ
Rozhraní USB
Úrovně signálů
Low Speed
Význam
D+
D-
Full Speed
D+
D-
High Speed
D+
D-
Stav J
D+ < D-
D+ > D-
D+ > D-
Stav K
D+ > D-
D+ < D-
D+ < D-
SE0
< VIL
< VIL
< VIL
< VIL
Idle
< VIL
> VIH
> VIH
< VIL
< VIL
< VIL
SOP
Idle → K
Idle → K
Idle → K
EOP
2 × SE0 + J
2 × SE0 + J
40 × J (K)
Připojení
< VIL
> VIH
> VIH
< VIL
FS + Chirp
12
PZ
Rozhraní USB
Stavy J, K a SE0 na lince LS/FS
Idle = J
K
J
...
K
data
SE0
Idle = J
LS = D - FS = D+
LS = D+ LS = D -
13
PZ
Rozhraní USB
Kódování dat
• Kód NRZI.
• Po souvislém sledu 6 × 1 se vkládá 0 (bit stuffing)
pro synchronizaci.
Data
0
1
0
0
Vložená 0
1
1
1
1
1
1
0 1
1
0
0
1
1
0
J
K
14
PZ
Rozhraní USB
Formát paketu USB 1.1 (1)
• Začátek paketu (SOP) = přechod z klidového stavu (Idle) do K.
• Konec paketu (EOP) = 2 × SE0 a přechod do klidového stavu (J).
Klidový
SOP
stav
Data
EOP
Klidový
stav
LS = D - FS = D+
LS = D+ LS = D 15
PZ
Rozhraní USB
Formát paketu USB 1.1 (2)
•
•
•
•
Na začátku paketu je synchronizační pole 0000 0001.
Za synchr. polem je 1 byte s typem paketu.
Další obsah paketu závisí na jeho typu.
Na konci paketu je CRC 5 nebo 16 bitů (5, 2, 0 resp. 16, 15, 2, 0).
00000001
SOP Sync.
Typ
Typ
Specifická
informace
CRC EOP
0000000110010110
Sync.
IN Token
Idle
Adresa Adresa CRC
EOP
zařízení endpoint
16
PZ
Rozhraní USB
Typy paketů
•
Základní typy paketů:
1.
2.
3.
4.
Pověřovací (Token Packet).
Datové (Data Packet).
Potvrzovací (Handshake Packet).
Speciální (Special Packet).
17
PZ
Rozhraní USB
Typy paketů (USB 1.1)
Skupina
Paket
Kód
Význam
Token
SOF
0101
Začátek rámce
Token
SETUP
1101
Nastavení/zjištění parametrů zařízení
Token
IN
1001
Přenos dat IN
Token
OUT
0001
Přenos dat OUT
Data
DATA0
0011
Datový paket
Data
DATA1
1001
Datový paket
Handshake
ACK
0010
Potvrzení přijetí dat
Handshake
NAK
1010
Odmítnutí dat (OUT) / Data nejsou k dispozici (IN)
Handshake
STALL
1110
Odmítnutí požadavku (chybový stav zařízení)
Special
PRE
1100
Přepnutí na LS
18
PZ
Rozhraní USB
Další typy paketů (USB 2.0)
Skupina
Paket
Kód
Význam
Data
DATA2
0111
Datový paket
Data
MDATA
1111
Datový paket v isochronním přenosu OUT
Handshake
NYET
0110
Potvrzení přijetí, další požadavek bude odmítnut
Special
ERR
1100
Chyba při SPLIT transakci
Special
SPLIT
1000
Začátek komunikace se zařízením USB 1.1
Special
PING
0100
Dotaz na připravenost k přenosu OUT
19
PZ
Rozhraní USB
Transakce
Host → Endpoint
• Transakce obsahuje
pakety Token – Data –
Potvrzení.
• Některé transakce nemají
datový nebo potvrzovací
paket.
OUT Token
Host → Endpoint
IN Token
Host → Endpoint
IN Token
Host → Endpoint
Data0/1
OUT Transakce (bez chyb)
Endpoint → Host
Data0/1
IN Transakce (bez chyb)
Endpoint → Host
ACK
Host → Endpoint
ACK
Endpoint → Host
Data0/1
timeout pro ACK
IN Transakce (s chybou dat)
20
PZ
Rozhraní USB
Transakce s odmítnutím
• NAK indikuje nedostupnost dat (IN) nebo odmítnutí dat
(OUT).
Host → Endpoint Endpoint → Host
IN Token
NAK
IN Transakce endpoint nemá data pro přenos
Host → Endpoint
OUT Token
Host → Endpoint
Endpoint → Host
Data0/1
OUT Transakce - odmítnutí dat
NAK
21
PZ
Rozhraní USB
Transakce přenosu dat
IN
OUT
Data 0/1
Data 0/1
Data 0/1
STALL
ACK
NAK
OUT
Data 0/1
STALL
Chyba
NAK
Chyba
ACK
IN
Bulk In
Host → zařízení
Bulk Out
Isochronous Isochronous
IN
OUT
Zařízení → host
22
PZ
Rozhraní USB
Rámce
• Na USB 1.1 je přenosová kapacita rozdělena do rámců
dlouhých 1 ms.
– Při FS: 1 rámec = 12 000 bitových intervalů, tj. 1500 bytů.
• Na začátky rámce se vysílá SOF pro případnou
synchronizaci zařízení.
FS rámec 1 ms
12000 bitů = 1500 bytů
SOF
1.
2.
transakce transakce
n.
transakce
SOF
23
PZ
Rozhraní USB
Mikrorámce
• Na USB 2.0 (HS) je přenosová kapacita rozdělena do
mikrorámců (125 µs).
– Při HS (480 MHz): 125 µs = 60 000 bitových intervalů, tj.
7500 bytů.
FS rámec 1 ms
HS μrámce 125 μs
60 000 bitů = 7 500 bytů
SOF
1.
2.
transakce transakce
n.
transakce
SOF
24
PZ
Rozhraní USB
Typy přenosů
• Podle požadavků na přenos se používají různé
typy přenosu:
– Setup - nastavení / zjištění konfigurace zařízení.
– Isochronous – přenos dat s dodržením požadované
rychlosti přenosu.
– Bulk – přenos dat bez dodržení požadavků na rychlost
přenosu.
– Interrupt – požadavek na přenos (Token IN/OUT) se
vysílá s nastavenou periodou.
25
PZ
Rozhraní USB
Přenosy Setup
• Přenos Setup má obecně fáze Setup – Data – Status.
Fáze Setup
Fáze Status
Setup Transakce
IN Transakce
Setup
Token
Data (8Bytů) ACK
Fáze Setup
Setup Transakce
ACK
Datová fáze
OUT
Transakce
Fáze Setup
Setup Transakce
IN
Token
OUT
Transakce
Datová fáze
IN
Transakce
IN
Transakce
Fáze Status
IN Transakce
Fáze Status
OUT
Transakce
26
PZ
Rozhraní USB
Přenosy Isochronous
• Při konfiguraci zařízení žádá o přenos Isochronous s určitou
kapacitou – Host žádost akceptuje nebo zamítne.
• Maximálně 1023 bytů v paketu (HS: 1024 bytů).
• V rámci je max. 1 Isochronous paket pro kažou bránu
(endpoint) (HS: 3 pakety).
• Nepotvrzuje se ACK/NAK.
• Maximální přenosová rychlost:
– FS: 1 paket ā 1023 B × 1000 rámců/s = ≈ 1 MB/s (využije cca 69%
přenosové kapacity).
– HS: 3 pakety ā 1024 B × 8000 µrámců/s = ≈ 24 MB/s (cca 41%
kapacity).
27
PZ
Rozhraní USB
Synchronizace při Isochronním přenosu
• Příjemce dat se synchronizuje pomocí SOF.
Snímání dat
SOF Isochronní p.
SOF
Zdroj dat
Rámec
Přenos
paketu
Isochronní p.
Příjemce dat
SOF
Použití dat
28
PZ
Rozhraní USB
Přenosy Bulk
• Nemají zaručenou přenosovou rychlost.
• V paketu 8, 16, 32 nebo 64 bytů (HS: max. 512 bytů).
• V jednom rámci může být libovolný počet transakcí na jednu
bránu (endpoint).
• Maximální přenosová rychlost*:
– FS: 19 paketů ā 64 B × 1000 rámců = ≈1.2 MB/s.
– HS: 13 paketů ā 512 B × 8000 µrámců = ≈52 MB/s.
* neprobíhají-li jiné přenosy.
29
PZ
Rozhraní USB
Přidělování kapacity rámce (1)
• Plánování provádí Host podle požadavků jednotlivých
zařízení.
• 90% kapacity rámce se přednostně přiděluje přenosům
Isochronous a Interrupt (u USB 2.0 – 80%).
• 10% je vyhraženo pro řídicí přenosy (Setup).
• Případný zbytek (pokud není využita kapacita pro Isochronous
a Interrupt) se přiděluje pro přenosy Bulk.
30
PZ
Rozhraní USB
Přidělování kapacity rámce (2)
Požadavek na 1 zařízení
Požadavek na 2. zařízení
USB driver
1.
transakce
2.
transakce
3.
transakce
1.
2.
3.
4.
5.
trans. trans. trans. trans. trans.
Host Controller
driver
1.
1.
transakce trans.
2.
2.
trans. transakce
3.
3.
trans. transakce
Rámec
Rámec
Rámec
31
PZ
Rozhraní USB
Kombinace LS/FS zařízení na USB 1.1 (1)
• Při komunikaci s FS jsou porty s LS zařízením odpojeny.
Host
(Kořenový
rozbočovač)
Zařízení
Rozbočovač
Zařízení
Zařízení
Zařízení
Rozbočovač
Zařízení
Low Speed
Odpojený port
Full Speed
Full Speed přenos
Komunikace s Full Speed zařízením na USB 1.1
Zařízení
32
PZ
Rozhraní USB
Kombinace LS/FS zařízení na USB 1.1 (2)
• Při komunikaci s LS se porty LS
připojí paketem PRE.
• LS přenos je detekován i ve FS
zařízeních.
Host
(Kořenový
rozbočovač)
Zařízení
PRE
IN Token
Zap.
Vyp.
PRE
DATA 0/1
Zap.
PRE
Vyp.
ACK
Zap.
Rozbočovač
Zařízení
Vyp.
Rozbočovač
Zařízení
Zařízení
Zařízení
Low Speed
Zařízení
Low Speed přenos
Full Speed
Komunikace s Low Speed zařízením na USB 1.1
Host → HUB
Host → Endpoint
Endpoint → Host
Full Speed
Low Speed
33
PZ
Rozhraní USB
Kombinace zařízení LS/FS/HS na USB 2.0
1.
Host/Hub je USB 1.1
(LS/FS), zařízení je USB 2.0
(HS).
– Zařízení se přizpůsobí a
komunikuje podle USB
1.1 (FS).
2. Host/Hub je USB 2.0 (HS),
zařízení je USB 1.1 (LS/FS).
– Port se zařízením se
nastaví do režimu USB
1.1. Hub převede pakety z
HS do LS/FS a naopak –
„Split“ transakce.
Host
(Kořenový
rozbočovač 2.0)
Zařízení
Rozbočovač
Zařízení
Zařízení
Zařízení
Rozbočovač
Zařízení
Zařízení
Low Speed
"Split" transakce
Full Speed
Low/Full Speed přenos
High Speed 2.0
High Speed přenos
Komunikace s Low/Full Speed zařízením na USB 2.0
34
PZ
Rozhraní USB
Split transakce
• Je zahájena paketem SSPLIT resp. CSPLIT.
• Hub převede pakety HS na LS/FS a naopak.
čas
Host High Speed 2.0
SSPLIT
IN Token
CSPLIT
IN Token
Data
Rozbočovač High Speed 2.0
IN Token
Data
ACK
Zařízení Low/Full Speed 1.1
Low/Full Speed přenos
High Speed přenos
35
PZ
Rozhraní USB
Připojení zařízení (1)
• Po připojení musí mít zařízení funkční bránu 0
(Endpoint 0).
• Host přečte z brány 0 deskriptor konfigurace zařízení.
• Host přidělí zařízení unikátní adresu na USB.
• Host přečte sadu deskriptorů pro jednotlivá zařízení,
konfigurace, rozhraní (Interface) a brány (Endpoint).
• Host nastaví vhodnou kofiguraci zařízení.
36
PZ
Rozhraní USB
Připojení zařízení (2)
37
PZ
Rozhraní USB
Připojení zařízení (3)
38
PZ
Rozhraní USB
Deskriptory
• Každé zařízení má hierarchickou sadu deskriptorů, které
popisují zařízení, konfigurace, rozhraní a brány.
• Deskriptory se čtou ze zařízení po jeho připojení v procesu
„enumerace“.
Deskriptor
zařízení
Deskriptor
konfigurace 2
Deskriptor
konfigurace 1
Deskriptor
rozhraní
Deskriptor
brány (IN)
PZ
Deskriptor
brány (OUT)
Deskriptor
rozhraní
Deskriptor
brány (IN)
Deskriptor
brány (OUT)
39
Rozhraní USB
Třídy zařízení
• Každé zařízení má jedno nebo více rozhraní pro zařízení různé
třídy a podtřídy (Device Class, Device Subclass) - zjistí se z
deskriptoru.
• Pro každou třídu existují specifické drivery.
–
–
–
–
–
Audio Class.
Communication Device Class.
Content Security Class.
Human Interface Device Class.
Image Device Class.
–
–
–
–
–
–
IrDA Class.
Mass Storage Device Class.
Monitor Class.
Physical Device Interface Class.
Power Device Class.
Printer Device Class.
40
PZ
Rozhraní USB
Napájení zařízení (1)
•
•
•
Po připojení může zařízení odebírat z USB maximálně 100 mA.
Při konfiguraci může požadovat větší odběr, maximálně 500 mA.
Podle způsobu napájení lze zařízení rozdělit do 3 skupin:
1. Zařízení napájená jen z USB.
2. Zařízení napájená jen z vnějšího zdroje.
3. Zařízení napájená z USB a vnějšího zdroje.
41
PZ
Rozhraní USB
Napájení zařízení (2)
D+
D -
Řadič USB
+ zařízení
Odběr
max. 100 mA
USB
VCC
GND
D+
D USB
VCC
GND
Stabilizátor
Řadič USB
Zap./Vyp.
Zap./Vyp.
Zařízení
Odběr
max. 100 mA
Stabilizátor
Odběr
max. 500 mA
Napájení z USB - max. 500 mA
Napájení jen z USB
D+
D -
Řadič USB
Zařízení
USB
D+
D -
Řadič USB
Zap./Vyp.
Zařízení
USB
VCC
GND
Přídavný
zdroj
Napájení z vnějšího zdroje
VCC
GND
Stabilizátor
Kombinované napájení
Přídavný
zdroj
42
PZ
Rozhraní USB
USB On-The-Go
• Pro propojení dvou zařízení („Device“).
• Zařízení jsou vybavena zásuvkami Mini AB.
• Strana A je implicitní Host.
Zařízení A
Mini AB Mini A
zásuvka zástrčka
Zařízení B
Mini B Mini AB
zástrčka zásuvka
Vcc
D+
DID
GND
Vcc
D+
DID
GND
PZ
Zásuvka Mini B
Implicitní zařízení
Implicitní Host
Zásuvka Mini AB
Zásuvka Mini A
Zástrčky Mini A a mini B
Zásuvka Mini AB
43
Rozhraní USB
USB On-The-Go
• Doplněny nové protokoly:
– Protokolem HNP (Host Negotiation Protocol) lze převádět
zařízení Host ↔ Device (průběžně).
– Protokolem SRP (Session Request Protocol) může odpojené
zařízení žádat o zahájení komunikace.
44
PZ
Rozhraní USB
Řadiče USB
•
Aplikace
Hardwarový řadič USB (Host Controller)
má nad sebou několik vrstev ovladačů.
Class Driver
•
•
•
OHCI (Open Host Controller Interface)
definuje komunikaci mezi HC a HCD (Host
Controller Driver). Pro USB 1.1.
UHCI (Universal Host Controller Interface)
používá jiný typ HC s menší schopností
plánování (plánování přenosů provádí
HCD). Pro USB 1.1.
EHCI (Enhanced Host Controller Interface)
- pro USB 2.0.
USB Driver
Host Controller
Driver
OHCI
Host Controller
USB
45
PZ
Rozhraní USB
OHCI
• V OHCI se používají dva
způsoby komunikace mezi HCD
a HC:
– Registry v HC.
– Sdílená paměť (je součástí
hlavní paměti).
• Při práci se sdílenou
pamětí se HC chová jako
Bus Master.
Host Controller
Driver
Systémová
paměť
Sdílená
paměť
Registy HC
Host Controller
HC pracuje jako Bus Master
46
PZ
Rozhraní USB
Sdílená paměť v OHCI
• HCD vytváří a udržuje ve sdílené paměti seznamy
deskriptorů:
– ED – Endpoint Descriptor.
• Popisuje komunikaci s jednotlivými bránami (Endpoint).
– TD – Transfer Descriptor.
• Popisuje jednotlivé přenosy.
• Ukazatele na seznamy deskriptorů jsou v registrech HC
nebo v komunikační oblasti sdílené paměti (HCCA).
47
PZ
Rozhraní USB
Seznamy deskriptorů
Sdílená paměť
Interrupt Transfer
HCCA
Int 16
32 ms 16 ms
ED
ED
ED
Host
Controller
Int 8
ED
HcHCCA
Int 24
ED
Control
Int 4
ED
Bulk
. ..
Int 0
Int 31
8 ms
4 ms
2 ms
1 ms
Isochronous Transfer
ED
ED
ED
ED
ED
ED
ED
ED
TD
TD
TD
ED
ED
TD
TD
Done
ED
TD
TD
TD
TD
TD
Dokončené přenosy
ED
ED
ED
ED
TD
TD
TD
TD
TD
TD
TD
TD
Bulk Transfer
ED
ED
ED
TD
TD
TD
TD
TD
TD
Control Transfer
48
PZ
Rozhraní USB
Endpoint Descriptor
•
•
•
•
Maximální délka paketu.
Řízení a status (směr přenosu, ... ).
Odkaz na seznam TD.
Odkaz na další ED.
ED
Max. Packet Size Contr/Stat
TD Queue Tail
TD Queue Head
Next Endpoint Descriptor
49
PZ
Rozhraní USB
Transfer Descriptor
• Pro každý ED se použije
jen první TD v seznamu.
• Po dokončení přenosu se
TD zařadí do seznamu
dokončených přenosů.
Control / Status
Buffer PTR
Next TD
Buffer End
1. přenos
Datový buffer
• Řízení a status.
• Adresa na začátku a
konce datového bufferu.
• Odkaz na další TD.
TD
2. přenos
Control / Status
Buffer PTR
n. přenos
Next TD
Buffer End
50
PZ
Rozhraní USB
Plánování přenosu (1)
• V první části rámce se přenáší Control a Bulk.
– Control a bulk mají přiděleno min. 10% kapacity.
• Po vyčerpání kapacity Control a Bulk se přenáší periodické
přenosy (Interrupt a Isochronous).
• Je-li volná kapacita na konci rámce, použije se na Control a Bulk.
Pevně nastavená hranice
(”Periodic Start”)
SOF
NP 1
Periodické
NP 2
Po dokončení
periodických přenosů
1 ms
51
PZ
Rozhraní USB
Plánování přenosu (2)
• Poměr mezi přenosy Control a Bulk se nastavuje v
registrech HC.
Control
ED
ED
ED
Bulk
ED
ED
Nastaveno Control : Bulk = 4 : 1
52
PZ
Rozhraní USB
Blokové schéma časování
14 bitů
0x2EDF
16 bitů
12 MHz
Frame Remaining
Komparátor
Periodic Start
Frame Number
Vysílání
SOF
Int. n
Neperiodické / periodické
přenosy
53
PZ
Rozhraní USB
Reference
™http://www.usb.org/home
™Anderson, D., Dzatko, D.: Universal Serial Bus
System Architecture. Second Edition, Addison
Wesley 2001. ISBN 0-201-30975-0.
54