USB

Предназначение

Проектира се с цел да замени различни бавни интерфейси за предаване на данни, като паралелен, сериен, PS/2 с обща шина, към която могат да се включват всички тези устройства ползващи споменатите интерфейси.

USB интерфейсът има за цел и да улесни разработката на драйвери за нови периферни устройства.

Основни предимства:

• Автоматичнo конфигуриране (Plug and Play);
• Динамична инициализация (hot plug);
• Поддръжка на различни скорости и типове данни.
• 127 адреса за устройства.

USB архитектура

Дизайнът на USB архитектурата е асиметричен с топология тип звезда с максимум 7 нива. Топологията е изградена от три елемента: един хост, връзки, устройства (host, interconnects, devices).

От своя страна устройствата са хъбове и функции (функционалности)(hubs and functions).

Схема на свързване

• Управлението на USB системата се извършва единствено от хоста, към който е включен root hub-a (основният хъб). Посредством маркери (token) USB хоста оведомява кога някое устройство може да предава данни.

• Данните се предават на пакети разположени в логически канали (pipes), между хост и крайна точка (endpoint).

Нула, една и повече крайни точки се обединяват в логически интерфейс на едно устройство. Операционната система комуникира с това логическо устройство.

Адресиране:

• Формат - [Адрес на устройството][Адрес на крайна точка (endpoint)][Посока].
• Възможните адреси са от 0 - 127. Адрес 0 се използва за конфигуриране при начално включване на устройството
• Възможните крайни точки са от 0 - 15. Крайна точка 0 се използва за управление.
• Възможните посоки са IN и OUT. IN - от устройството към хоста, OUT - от хост към устройството.

• Едно физическо устройство може е много функционално (принтер+скенер, камера+микрофон, бежична мишка и клавиатура). Има два вида свързване на многофункионалните устройства:
  1. Устройството има вграден хъб и всяка функция се адресира поотделно. (compound device)
  2. Едно устройство има няколко логически интерфейса, с различни крайни точки. (composite device)

фиг. 2. Логически канали

Конфигурация, интерфейси и крайни точки

Всяко устройство може да има различни конфигурации. В момента на включване се определя каква конфигурация ще се ползва.

• Две различни конфигурации: устройството ползва ток от системната шина, същото устройство може да ползва външно захранване.
• Само една конфигурация може да е активна в даден момент

Всяка конфигурация има крайна точка за управление и един или повече интерфейси

• Всеки интерфейс има една или повече крайни точки за вход (OUT) и/или изход (IN).
• Интерфейсите работят последователно в споделена среда.

USB Скорости

Максимална скорост

USB устройствата могат да поддържат следните скорости на шината.

• High speed 480Mb/s v2
• Full speed 12Mb/s v1
• Low speed 1.5Mb/s v1
• Super Speed 5Gb/s v3

Реалната максимална скорост на предаване данни е между 10 и 20% по-ниска, поради резервираност на ресурсите и трафик за управление.

Съвместимост на скорости, при наличие на устройства поддържащи различни скорости

Вид връзка

Логическите канали могат да ползват четири видa трансфер.

• Контролен (control) - За управление
• Постоянен (isochronous) - канал с гарантирана скорост за предаване в реално време (видео, звук). Възможна загуба на данни, защото няма проверки за грешки. Поради гарантираната скорост се резервира честотна лента и броят на тези канали е ограничен от капацитета на usb контролера.
• Прекъсваем (interrupt) - канал гарантиращ малко времезакъснение на устройства с малък трафик (мишки, клавиатури).
• Обемен (bulk) - Канал за предаване на голям обем от данни (файлове), използващ всичкия останал капацитет на USB връзката, без загуби на данни (но няма гарантирана скорост).

Вид връзка	Control	Bulk	Interrupt	Isochronouse
Употреба	идентификация и конфигуриране	Принтер, скенер, памет	Мишка, клавиатура	Видео, аудио стрийминг
Подръжка	задължителна	не задължителна	не задължителна	не задължителна
Корекция грешки	да	да	да	не
Гарантирана скорост	не	не	не	да
Гарантирано време закъснение	не	не	да	да

Свързване

USB2 системата използва четири проводника. Два от тях се използват за обмен на данни с диференциални сигнали. Другите два USB кабела включват напрежение с номинална стойност Ucc = 5V и маса, което позволява да се захранват външни устройства. Двете информационни жила са усукана двойка, а захранващите може и да са от друг тип.

Всеки проводник в USB кабела има специфичен цвят. Сигналите за данни формират усукана двойка от бял (-Data) и зелен (+Data) цвят. За захранващото 5V напрежение се използва червен цвят. Общият сигнал (Ground) е черен (табл. 2.14).

Сигнал	Цвят
+Data	зелен
-Data	бял
+Ucc	червен
Ground	черен

USB 3

USB 3 надгражда USB стандарта. Добавят се две нови двойки физически линии за всяка посока, като А куплунга остава с непроменена форма, за да има обратна съвместимост с USB2. USB 3 позволява по голяма консумация на USB3 устройствата

Класове устройства

Според своето предназначение устройсвата се разделята на следните класове:

• HID: Human Interface Device
  • мишка, клавиатура, джойстик ...
• CDC: Communication Device Class
  • модеми Ethernet, ISDN ...
• MSC: Mass storege class
  • флаш памети, твърди дискове ...

Устройствата попадащи в точно определен клас, могат да се управляват от операционната система без да има нужда от допълнително инсталиране на драйвер

Class	Usage	Description	Examples, or exception
00h	Device	Unspecified	Device class is unspecified, interface descriptors are used to determine needed drivers
01h	Interface	Audio	Speaker, microphone, sound card, MIDI
02h	Both	Communications and CDC Control	Modem, Ethernet adapter, Wi-Fi adapter
03h	Interface	Human interface device (HID)	Keyboard, mouse, joystick
05h	Interface	Physical Interface Device (PID)	Force feedback joystick
06h	Interface	Image	Webcam, scanner
07	Interface	Printer	Laser printer, inkjet printer, CNC machine
08h	Interface	Mass storage	USB flash drive, memory card reader, digital audio player, digital camera, external drive
09h	Device	USB hub	Full bandwidth hub
0Ah	Interface	CDC-Data	Used together with class 02h: communications and CDC control
0Bh	Interface	Smart Card	USB smart card reader
0Dh	Interface	Content security	Fingerprint reader
0Eh	Interface	Video	Webcam
0Fh	Interface	Personal Healthcare	Pulse monitor (watch)
DCh	Both	Diagnostic Device	USB compliance testing device
E0h	Interface	Wireless Controller	Bluetooth adapter, Microsoft RNDIS
EFh	Both	Miscellaneous	ActiveSync device
FEh	Interface	Application-specific	IrDA Bridge, Test & Measurement Class (USBTMC), USB DFU (Direct Firmware update)
FFh	Both	Vendor-specific	Indicates that a device needs vendor specific drivers

USB устройствата се програмират, така че да отговарят на един от класовете

• http://www.usb.org/developers/devclass_docs

Packets

Всеки трансфер информация която ще пратим, може да се осъществи като данните се разпределят в няколко фрейма. Данните в фрейма се оформят в транзакции. Всяка транзакция се състои от няколко пакета.

Основни понятия:

• Пакет (packet) най-малката информационна единица е пакет. Всеки пакет съдържа:
  • (задължително) описание на типа на пакета (PID - packet identification)
  • (почти винаги) проверка за грешки (CRC)
  • (token пакет) адрес и крайна точка
  • (payload пакет) данни
  • ...

Token пакета се изпраща от хоста. Устройството, което е описано в токен пакета трябва ведна след получаването да изпрати своите данни.

• Транзакция (transaction) - един (само при SOF start of Frame), два или три пакета се групират в транзакция.

• Фрейм (frame) служи за синхронизация. В началото на всеки фрейм се изпраща SOF пакет, който служи за синхронизация. Един фрейм е с дължина 1ms. При High speed, всеки фрейм се разделя на 8 микрофрейма (по 125us).

• Трансфер - данните, които едно устройство трябва да предаде.

USB транзакция

USB фрейм

Usb трансфер

Сигнализация

Задача

Bus 006 Device 009: ID 046d:c018 Logitech, Inc. Optical Wheel Mouse
Device Descriptor:
  bLength                18
  bDescriptorType         1
  bcdUSB               2.00
  bDeviceClass            0 (Defined at Interface level)
  bDeviceSubClass         0 
  bDeviceProtocol         0 
  bMaxPacketSize0         8
  idVendor           0x046d Logitech, Inc.
  idProduct          0xc018 Optical Wheel Mouse
  bcdDevice           43.01
  iManufacturer           1 Logitech
  iProduct                2 USB Optical Mouse
  iSerial                 0 
  bNumConfigurations      1
  Configuration Descriptor:
    bLength                 9
    bDescriptorType         2
    wTotalLength           34
    bNumInterfaces          1
    bConfigurationValue     1
    iConfiguration          0 
    bmAttributes         0xa0
      (Bus Powered)
      Remote Wakeup
    MaxPower              100mA
    Interface Descriptor:
      bLength                 9
      bDescriptorType         4
      bInterfaceNumber        0
      bAlternateSetting       0
      bNumEndpoints           1
      bInterfaceClass         3 Human Interface Device
      bInterfaceSubClass      1 Boot Interface Subclass
      bInterfaceProtocol      2 Mouse
      iInterface              0 
        HID Device Descriptor:
          bLength                 9
          bDescriptorType        33
          bcdHID               1.11
          bCountryCode            0 Not supported
          bNumDescriptors         1
          bDescriptorType        34 Report
          wDescriptorLength      52
         Report Descriptors: 
           ** UNAVAILABLE **
      Endpoint Descriptor:
        bLength                 7
        bDescriptorType         5
        bEndpointAddress     0x81  EP 1 IN
        bmAttributes            3
          Transfer Type            Interrupt
          Synch Type               None
          Usage Type               Data
        wMaxPacketSize     0x0005  1x 5 bytes
        bInterval              10
Device Status:     0x0000
  (Bus Powered)

Проводници и захранване на USB

USB <= 2

• 4 проводника
• Два проводника за захранване +/- 5V
  • Няма проводник за тактова честота
  • Предаването е асинхронно
• Останалите два проводника са за предаване на данни
  • Обикновено се използва диференциално предаване
• Възможно захранване до 100mA
• При конфигуриране до 500mA

Основи на USB протокол

Устройства не комуникират директно чрез прекъсвания с компютъра. Компютъра избира с кой да комуникира посредством хост контролер. Хост контролера изпозлва хардуерни прекъсвания.

Хост контролера периодично запитва всяко устройство и проверява дали то иска да комуникира с компютъра.

• Запитването може да е веднъж на всеки (микро) интервал или за HID устройства би могло да е на всеки 10 интервала (100KHz)
• Обикновено пакета за запитване е с размер 20 бита (4 PacketID + 7 device address + 4 end point address + 5 bit CRC)
• USB устройство не може да започне предаване на данни без да е запитано от хост контролера
• Пакети предназначени и изпратени за устройство съдържат адрес на устройството и краен адрес (endpoint,pipe)
  • 126 са възможните адреси, които могат да бъдат дадени от един хост контролер
• Адресът на устройство означава определено устройство свързано към хоста
  • крайният адрес определя логическия канал на данни между устройството и хоста

Стъпки на свързване

• Attached

...

• Powered - подаване на захранване към устройството
• Default - Устройството се захранва и се достъпва на адрес 0, след като отговори му се изпраща адрес
• Address - Устройството е получило адрес от хост контролера по стандартния конфигурационен канал (Zero endpoint), който винаги е достъпен, независимо дали има конфигуриран адрес или не.
• Configured - Хост контролера е получил възможните конфигурации на устройството и е избрал една.
• Suspended - Ако няма трафик на данни за повече от 1 милисекунда. Режим на ниска консумация. Устройството излиза от този режим след наличие на активност по шината за данни.

USB1, USB2, USB3, USB On-The-Go, Wireless USB

Литература

Официална документация: http://www.usb.org http://www.usb.org/developers/docs/usb_20_040908.zip (виж глава 9) http://wiki.osdev.org/Universal_Serial_Bus http://www.faculty.iu-bremen.de/birk/lectures/PC101-2003/14usb/FINAL%20VERSION/

Building I/0 Devices Second Edition.

Хост контролер спецификация:

• http://www.intel.com/technology/usb/ehcispec.htm

Направи си сам Интерактивен манипулатор (USB HID device)

• http://www.create.ucsb.edu/%7Edano/CUI/

Linux & USB

• http://libusb.wiki.sourceforge.net/
• http://libhid.alioth.debian.org/
• http://www.cprince.com/PubRes/Hardware/LinuxUSB/
• http://lwn.net/Kernel/LDD3/
• usbmouse.c, hid-­‐core.c, Linux device drivers http://www.cprince.com/courses/cs5631/lectures/USB