OPRA OWAŁ: TOMASZ KARLA - Universal... · 2016. 3. 31. · Standardy wg mocy zasilania: •USB Battery Charging 1.2 –5V, 1,5A •USB Type-C 1.0 - 5V, 3A •USB Power Delivery 2

USBUniversal Serial Bus

OPRACOWAŁ: TOMASZ KARLA

POLITECHNIKA GDAŃSKA, WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI, KATEDRA INŻYNIERII SYSTEMÓW STEROWANIA, PRZEMYSŁOWE SIECI INFORMATYCZNE, 2016

1

Plan wykładu• Czym jest USB?

• Potrzeba standaryzacji

• Podstawowe właściwości interfejsu USB

• USB 1.1/2.0• Schemat elektryczny

• Stany logiczne magistrali

• Kodowanie bitów

• Ramki

• Model komunikacyjny

• Transfery USB

• Zarządzanie magistralą USB

• Stany urządzenia USB

• Protokół komunikacyjny

• Wykrywanie błędów i kontrola transmisji

• Inne zagadnienia

• Wersje standardu• Wtyczki

• Różnice między USB 1.1/2.0 i 3.0/3.1

• Zastosowania • Konsumenckie

• Przemysłowe


2

Czym jest USB?USB – Universal Serial Bus (uniwersalna szeregowa magistrala)

Standard definiujący kable, złącza i protokoły komunikacyjne w magistrali służącej do komunikacji i jako źródło zasilania dla urządzeń elektronicznych. Standard opracowany

Opracowany w 1994 przez firmy Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, and Nortel.

Obecnie rozwijany przez organizację non-profit USB Implementers Forum.


3

Potrzeba standaryzacjiPrzed USB:

◦ Peryferia podłączane przez porty szeregowe lub równoległe, często wykorzystywano także autorskie rozwiązania (dedykowane kontrolery I/O)

◦ Każdy kontroler wymagał przypisania odpowiednich przerywań, obszaru pamięci I/O oraz kanału DMA (Direct Memory Access) co znacznie ograniczało ilość możliwych do podłączenia peryferii

◦ Większość portów pozwalała na podłączenie jednego urządzenia

◦ Wysokie koszty związane z dużą ilością niestandardowych rozwiązań


4

Podstawowe właściwości interfejsu USB• „Gorące” podłączenie – możliwość podłączania urządzeń bez potrzeby wyłączania hosta oraz

automatyczne wykrywanie i konfigurowanie podłączonych urządzeń bez potrzeby ingerencji użytkownika

• Jeden typ złącza – wszystkie urządzenia podłączane są przez 4 kontaktowe złącze ( dwa kontakty dla linii danych, dwa kontakty zasilania)

• Duża liczba podłączanych urządzeń – wykorzystując huby USB do jednego kontrolera USB można podłączyć wiele urządzeń.

• Różne szybkości transmisji – od 1,5 Mb/s do 10 Gb/s

• Zasilanie – USB można wykorzystywać do zasilania urządzeń. Najczęściej wykorzystywane jest do tego celu USB 1.1/2.0, które pozwala na zasilanie napięciem 5V o maksymalnym natężeniu 500mA. Najnowsza odmiana zgodna ze standardem USB Power Delivery 2 pozwala na zasilanie napięciem 20V o natężeniu 5A


5

Podstawowe właściwości interfejsu USB• Protokół komunikacyjny, detekcja błędów – wykorzystywany jest pakietowy protokół komunikacyjny. Żądania

przesłania danych dzielone są na transakcje, które zbudowane są z pakietów: kontrolnego, danych i potwierdzenia. Pakiety są zabezpieczone sumą kontrolną i transakcje są potwierdzane przez odbiorcę. W wypadku wykrycia błędu możliwe jest powtórzenie transakcji.

• Transfery USB – w standardzie zdefiniowane są 4 różne transfery: transfer kontrolny (control transfer), przerywaniowy (interrupt transfer), masowy (bulk transfer) i izochroniczy (isochronic transfer)

• Zasoby systemowe – w odróżnieniu od architektur ISA, EISA oraz PCI nie wymagane są przerywania (IRQ) ani deklaracja pamięci I/0.

• Niewielki koszt konstrukcji i implementacji


6

Schemat elektryczny USB 2.0• Łącze transmisyjne oparte na obwodzie różnicowym

• Zasilanie przekazywane liniami Vcc (5V) i GND (masa)

• Trójstanowy nadajnik można zablokować sygnałem OE co oznacza blokadę portu

• Zmiana napięcia na liniach danych względem masy służy do sygnalizowania podłączenia lub odłączenia urządzeń, resetu urządzeń, początku (SOP) i końca (EOP) pakietu

•Do transmisji low-speed (1,5 Mb/s) można użyć kabli nieskręcanych i nieekranowanych, wyższe prędkości wymagają pary kabli skręcanych i ekranowanych


7

Stany logiczne magistraliUSB 1.1/2.0:• 3 rodzaje prędkości transferu:• niska prędkość (low speed ) – 1,5 Mb/s

• pełna prędkość (full speed) – 12 Mb/s

• wysoka prędkość (high speed) – 480 Mb/s

• wszystkie urządzenia podłączane przez 4 kontaktowe złącza

• wszystkie urządzenia wysokiej prędkości najpierw są podłączane jako urządzenia pełnej prędkości


8

Kodowanie bitów

Kodowanie NRZI (Non Return to Zero Inverted):- Na początku każdego bitu o wartości logicznej 0 następuje zmiana sygnału- Po każdych 6 kolejnych bitach o wartości 1 wstawiany jest bit o wartości 0- Po odebraniu sygnału i rozpoznaniu stanu bitów nadmiarowe bity są usuwane

Zastosowanie takiego kodowania eliminuje potrzebę przesyłania sygnału zegarowego


9

Ramki• Dane przekazywane są w ramkach o czasie

trwania 1 ms dla małej i pełnej szybkości oraz mikroramkach dla wysokiej prędkości transmisji

• Czas pomiędzy dwoma kolejnymi pakietami SOF (Start Of Frame) nazywany jest ramką.

• Pakiet SOF oznacza początek ramki i zawiera 11 bitów danych i 5 bitów CRC. Dane reprezentują kolejne numery ramek zaś licznik ulega przepełnieniu co 2048 ms.


10

Model komunikacyjny –część programowa

Sterownik urządzenia (klienta) - pośredniczy między aplikacją a sterownikiem USB. Przekazuje do niego żądania transferu zwane IRP (I/O Request Packet). Parametrami IRP są m. in. adres urządzenia, numer punktu końcowego, typ operacji(zapis/odczyt), typ transferu czy ilość danych.

Sterownik USB – przygotowuje wykonanie transferu zleconego przez sterownik klienta. Dzieli dane na transakcje dopasowane do rozmiaru bufora punktu końcowego. Dane dotyczące jego specyfikacji np. wielkości są przesyłane do sterownika USB w czasie procesu enumeracji w ramach deskryptorów.

Sterownik host-kontroler – generuje ramki zgodnie otrzymanymi danymi. W ramkach znajdują się poszczególne transakcje z dołączonymi do nich deskryptorami transferu. Zgodnie z nimi kontroler wykonuje odpowiednie transakcje.

Po stronie urządzenia jest zazwyczaj specjalizowanym oprogramowaniem systemu mikroprocesorowego, na którym oparto kontroler protokołu.


11

Model komunikacyjny –część sprzętowa

Host kontroler – specjalizowany kontroler komunikacyjny wykonujący kolejne transakcje zgodnie z opisem zawartym w deskryptorze transferu oraz regułami pakietowego protokołu komunikacyjnego USB.

Hub główny – koncentrator wewnątrz stacji HOST, udostępnia zwykle kilka portów (co najmniej 2).

Po stronie urządzenia część sprzętowa składa się z układu nadawczo-odbiorczego oraz specjalizowanego układu SIE (Serial Interface Engine). Kontroler protokołu jest zazwyczaj mikrokontrolerem, systemem mikroprocesorowym lub DSP (Digital SignalProcessor)


12

Transfery USBPrzekazywanie danych pomiędzy aplikacją a urządzeniem polega na odczycie lub zapisie danych do odpowiednich buforów urządzenia.

Bufory te nazywane są punktami końcowymi.

Każdy punkt końcowy określany jest przez kierunek przepływu danych (IN- z punktu końcowego do hosta, OUT – z hosta do punktu końcowego), rodzaj transferu realizowany z danym punktem oraz maksymalny rozmiar pakietu danych (MaxPacketSize).

System USB otwiera między poszczególnymi punktami końcowymi a aplikacją tzw. wirtualne kanały komunikacyjne (pipe).

Cztery tryby transferu:• Kontrolny (control transfer)

• Przerywaniowy (interrupt transfer)

• Izochroniczny (isochronous transfer)

• Masowy (bulk transfer)

Każdy z wymienionych trybów transferu wymaga innego kanału komunikacyjnego.


13

Transfery USB• Transfer masowy – przewidziany do komunikacji z urządzeniami, do których zapisuje się lub odczytuje się duże ilości danych. Czas i regularność przekazywania danych nie są krytyczne. Ważna jest natomiast kontrola przekazywanych danych.

• Przerywaniowy - przewidziany do komunikacji z urządzeniami, do których zapisuje się lub odczytuje się niewielkie bloki danych jednak trzeba je wykonywać regularnie w ustalonych odstępach czasowych. Przykładem może być myszka i klawiatura.

• Izochroniczny – przewidziany do komunikacji z urządzeniami, do których zapisuje się lub odczytuje się bardzo duże ilości danych przy czym krytyczna jest regularność dostarczanych danych. Kontrola przekazywanych danych nie jest ważna. Przykładem jest streamowanie audio.

• Kontrolny – musi być obsługiwany przez każde urządzenie USB ponieważ jest przeznaczony do jego konfiguracji oraz nadzoru.

Transfery przerywaniowy i izochroniczny mają zarezerwowane pasmo 90% trwania ramki, 10% ramki zarezerwowane jest na transfery kontrolne. Transfery masowe wykonywane są tylko w wypadku wolnego pasma.


14

Zarządzanie magistralą USBWszystkie transfery USB inicjowane są i odbywają się pod kontrolą hosta.

Host usiłuje jednocześnie realizować transfery z wieloma urządzeniami, tak aby jedno urządzenie nie zablokowało całej magistrali.

Priorytet mają transfery przerywaniowe i izochroniczne.

Kontroler hosta działając w myśl zasady „usilnych starań” (best effort) stara się w możliwie najkrótszym czasie realizować transfery.


15

Stany urządzenia USB1. Podłączenie urządzenia do magistrali

◦ Włączenie zasilania

2. Urządzenie zasilone◦ Reset urządzenia◦ Przypisanie urządzeniu adres 0

3. Urządzenie w stanie domyślnym◦ Komunikacja host kontrolera z punktem końcowym

0 w celu skonfigurowania urządzenia◦ Przypisanie wolnego adresu z puli 1-127

4. Urządzenie zaadresowane◦ Odczyt deskryptorów◦ Konfiguracja urządzenia

5. Urządzenie skonfigurowane


16

Protokół komunikacyjnyTransakcje zbudowane są z pakietów, przy czym typowa transakcja składa się z :

◦ Pakietu tokena

◦ Pakietu danych

◦ Pakietu potwierdzenia

Pakiet tokena informuje o rodzaju transakcji.

Pakiet danych służy do przesyłania danych.

Pakiet potwierdzenia jest częścią mechanizmu kontrolującego poprawność przesyłanych danych.


17


18

Wykrywanie błędów i kontrola transmisji◦ Kontrola poprawności pakietów – pola PID oraz CRC

◦ Ograniczenie czasowe oczekiwania na odpowiedź

◦ Przełączanie kolejnych pakietów danych

◦ Wykrywanie transakcji występujących po zakończeniu ramki

◦ Wykrywanie braku aktywności magistrali


19

Inne zagadnienia◦ Deskryptory – służą do identyfikacji i konfiguracji urządzeń. Przedstawiają podstawową konfigurację

urządzenia (m. in. wielkość buforów punktów końcowych) oraz dostarczają informacji o samym urządzeniu np. obsługiwaną wersję USB czy też rodzaj urządzenia.

◦ Wykrywanie urządzeń i enumeracja - proces ten jest jednym z etapów podłączenia i konfiguracji urządzeń. Sprawdzane jest, czy są wystarczające zasoby aby możliwe było podłączenie kolejnego urządzenia, przypisuje mu się unikalny adres oraz odczytuje jego konfigurację oraz informacje.

◦ Rozkazy standardowe – 11 zdefiniowanych rozkazów, służących do nadzorowania pracy urządzeń podłączonych do magistrali USB. Zestaw ten może być uzupełniony o dodatkowe rozkazy określone przez producenta sprzętu


20

Wersje standarduStandardy wg prędkości:• USB 1.1 – sierpień 1998 - oferuje prędkości Low Speed (1,5 Mb/s) oraz Full Speed (12 Mb/s)

• USB 2.0 – kwiecień 2000 - szybsza wersja standardu USB 1.1 o prędkości High Speed (480 Mb/s).

• Kompatybilna z USB 1.1

• USB 3.0 – listopad 2008 – nowa odmiana standardu, znacznie szybsza oferująca prędkość SuperSpeed (5 Gb/s), pozwala na zasilanie urządzeń o większej mocy, ostateczna oficjalna nazwa standardu to USB 3.1 Gen 1

• USB 3.1 – lipiec 2013 – ulepszona odmiana standardu USB 3.0 oferująca prędkość SuperSpeed+ (10 Gb/s), ostateczna oficjalna nazwa standardu to USB 3.1 Gen 2

Standardy wg mocy zasilania:• USB Battery Charging 1.2 – 5V, 1,5A

• USB Type-C 1.0 - 5V, 3A

• USB Power Delivery 2 (v1.1) - 20V, 5A


21

Wtyczki


22

USB 3.0/3.1 i USB 1.1/2.0 - różniceDodatkowe linie sygnałowe, łącznie 8 w porównaniu do 4.

Większe dopuszczalne obciążenie prądowe (900mA w porównaniu do 500mA).

Dodatkowe mechanizmy związane z obsługą urządzeń SuperSpeed/SuperSpeed+.

Nowa, symetryczna wtyczka typu C.

Selektywna komunikacja z wybranymi urządzeniami poprzez dodatkowe mechanizmy routingu danych.

Dwa nowe typy pakietów: Isochronous Timestamp Packet (ITP) oraz Link Management Packet (LMP)

Dual-Simplex zamiast Half-Duplex


23

Zastosowania konsumenckie


24

Zastosowania konsumenckieUżywany niemal w wielu urządzeniach, zarówno do zasilania jak i przesyłania danych:

◦ Urządzenia multimedialne ◦ telefony komórkowe, odtwarzacze MP3, DVD, Blu-ray

◦ Peryferia komputerowe ◦ myszki, klawiatury, drukarki, kamery i inne akcesoria

◦ Pamięci masowe ◦ przenośne dyski twarde, NAS, pendrive

◦ Urządzenia specjalizowane◦ kasy fiskalne, czytniki kart kodowanych, urządzenia muzyczne, urządzenia graficzne

◦ Adaptery z dodatkowymi układami◦ adaptery interfejsów: USB->Wifi, USB->Ethernet, USB->RS232, USB->Bluetooth

◦ zewnętrzne układy: karty graficzne USB, karty muzyczne USB, karty do przechwytywania obrazu, tunery DVBT


25

Zastosowania przemysłowe


26

Zastosowania przemysłoweGłówne zastosowania USB w przemyśle dotyczą:

◦ podłączania pamięci masowych do urządzeń przemysłowych (zapis danych z urządzeń takich jak oscyloskopy czy multimetry),

◦ używania USB jako interfejsu do konfiguracji urządzeń (programatory mikrokontrolerów),

◦ przesyłania strumieni danych audio i/lub wideo (kamery przemysłowe)

◦ podłączania urządzeń komunikacyjnych (radiomodemy, modemy GSM)

◦ zasilanie małych urządzeń

W przemyśle najpopularniejszą wersją USB są interfejsy USB 1.1/2.0, który wystarcza w większości zastosowań przemysłowych ale powoli wprowadzane są też USB w wersji 3.0/3.1, głównie tam gdzie wymagane są duże przesyły danych (pamięci masowe oraz strumieniowanie danych).


27

BibliografiaWojciech Mielczarek, USB. Uniwersalny interfejs szeregowy, Wydawnictwo Helion, 2005

http://www.usb.org/developers/docs/usb20_docs/

http://www.moddiy.com/pages/USB-2.0-%7B47%7D-3.0-Connectors-%26-Pinouts.html

http://www.gaw.ru/pdf/interface/usb/USB%203%200_english.pdf


28

Dziękuję za uwagę


29

Documents

OPRA OWAŁ: TOMASZ KARLA - Universal... · 2016. 3. 31. · Standardy wg mocy zasilania: •USB Battery Charging 1.2 –5V, 1,5A •USB Type-C 1.0 - 5V, 3A •USB Power Delivery 2