USB
Contents
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.
No power supply required (sometimes). The USB interface includes power-supply and ground lines that provide a nominal +5V from the PC or a hub. A device that requires up to 500 mA (USB 2.0) or 900 mA (USB 3.0) can draw all of its power from the bus instead of using a dedicated power supply. In contrast, devices that use other interfaces may have to provide a power supply inside the device or an external supply.
4GNKCDNG USB’s reliability is due to both the hardware and the protocols. The hardware specifications for USB drivers, receivers, and cables ensure an electrically quiet interface that eliminates most noise that could cause data errors. The USB pro- tocols enable detecting errors in received data and notifying the sender so it can retransmit. Hardware performs the detecting, notifying, and retransmitting without software or user support
At the most basic level, an operating system that supports USB must do three things: • Detect when devices are attached to and removed from the system. • Communicate with newly attached devices to find out how to exchange data with them. • Provide a mechanism that enables software drivers to pass communications between the USB hardware and applications that want to access USB peripherals.
Limits of USB include distance constraints, no support for peer-to-peer com- munications or broadcasting, and lack of support in older hardware and operat- ing systems. www.zshareall.com 7Chapter 1 Distance. USB was designed as a desktop-expansion bus where devices are rela- tively close at hand. Other interfaces, including RS-232, RS-485, IEEE-1394b, and Ethernet, allow much longer cables. To extend the distance between a device and its host computer, an option is to use USB to connect to a nearby device that functions as a bridge to a long-distance interface to the end circuits. Peer-to-Peer Communications. Every USB communication is between a host computer and a device (except for one option introduced with USB 3.0). The host is a PC or other computer with host-controller hardware. The device con- tains device-controller hardware. Hosts can’t talk to each other directly, and devices can’t talk to each other directly. Other interfaces, such as IEEE-1394, allow direct device-to-device communication. USB provides a partial solution with the USB On-The-Go option. An On-The-Go device can function as both a device and a limited-capability host that communicates with other devices. Two USB hosts can communicate with each other via a bridge cable that con- tains two USB devices with a shared buffer. USB 3.0 defines a new host-to-host cable for SuperSpeed. With driver support, this cable can support host-to-host communications. Broadcasting. USB doesn’t support sending data simultaneously to multiple devices (except for USB 3.0 timestamp packets). The host must send the data to each device individually. If you need broadcasting ability, use IEEE-1394 or Ethernet. Legacy Hardware. Older “legacy” computers and peripherals don’t have USB ports. The issue of supporting legacy equipment has faded, however, as older systems are retired. If you need to connect a legacy peripheral to a USB port, a solution is an intel- ligent adapter that converts between USB and the older interface. Several sources have adapters for use with peripherals with RS-232, RS-485, and paral- lel ports. An adapter is useful only for devices that use protocols supported by the adapter’s device driver. For example, most parallel-port adapters support communications only with printers, not with other parallel-port peripherals. RS-232 adapters work with most RS-232 devices.
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).
Управление
- 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, безжична мишка и клавиатура). Има два вида свързване на многофункионалните устройства:
- Устройството има вграден хъб и всяка функция се адресира поотделно. (compound device)
- Едно устройство има няколко логически интерфейса, с различни крайни точки. (composite device)
Задача.
- Използвайте командата lsusb за да видите всички включени USB устройства.
- Разгледайте опциите на lsusb. Иползвайте man lsusb и lsusb -h, тествайте всички опции на командата.
- Разгледайте подробно само едно устройство и определете неговия адрес и крайните му точки.
Устройствата не комуникират директно чрез прекъсвания с компютъра. Операционната система избира с кой да комуникира посредством хост контролер. Хост контролерът използва хардуерни прекъсвания. Хост контролерът 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 (100Hz). 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
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.
Логически канали
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 |
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
Формат на данните
Текущата информация, която иска да изпрати определено устройство се нарича трансфер (transfer). Данните от един трансфер се разпределят в транзакции (фиг. ). Транзакциите се групират във фреймове(фиг. ), като транзакции от различни трансфери могат да се изпращат в различни фреймове(фиг.6). Един фрейм е с дължина 1ms. При High speed, всеки фрейм се разделя на 8 микрофрейма (по 125us). Всяка транзакция се състои от няколко пакета. Пакет (packet) най-малката информационна единица е пакет.
Основни понятия:
Всеки пакет съдържа:
- (задължително) описание на типа на пакета (PID - packet identification)
- (почти винаги) проверка за грешки (CRC)
- за token пакет - адрес и крайна точка
- за payload (data) пакет - данни
|
Transfer
Type
|
Max
Packet Size
|
||
|
LS
|
FS
|
HS
|
|
| Control |
8
|
8,
16, 32, 64
|
64
|
| Bulk |
-
|
8,
16, 32, 64
|
512
|
| Interrupt |
up
to 8
|
up
to 64
|
up
to 1024
|
| Isochronous |
-
|
up
to 1023
|
up
to1024
|
Най-често транзакцията включва:
- Token пакета изпратен от хоста.
- Устройството, което е описано в token пакета трябва веднага след получаването да изпрати своите данни.
- Потвърждение за получените данни.
- В началото на всеки фрейм се изпраща SOF транзакция, която служи за синхронизация. Транзакцията може да се състои от един (само при SOF start of Frame), два или три пакета се (фиг 4).
- Пакетите могат да бъдат с различна дължина в зависимост скоростта, вида на логическия канал и избраната конфигурацията (Т.3)
Сигнализация
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 и може да сам да поеме инициатива за предаване на данни.
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
USB <= 3
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
- Jan Alexon, USB Complete, The Developer's Guide, 4th Edition, 2009
Хост контролер спецификация:
Направи си сам Интерактивен манипулатор (USB HID device)
- Arduino USB HID Keyboard (архив) http://hackaday.com/2012/06/29/turning-an-arduino-into-a-usb-keyboard/
http://www.usbmadesimple.co.uk/index.html
http://habrahabr.ru/post/92628/
http://www.jungo.com/st/support/documentation/windriver/10.2.1/wdusb_manual.mhtml/index.html
http://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/hardware/ff538930(v=vs.85).aspx
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
{{#example:}}
