USB

From Ilianko

USB


Предназначение

Проектира се с цел да замени различни бавни шини за предаване на данни, като паралелна, серийна, PS/2 със обща шина, към която могат да се включват всички тези устройства.

USB управление на данните

Дизайнът на USB архитектурата е асиметричен с топология тип звезда и е изграден от три части: един хост, връзки, устройства - хъбове и функции (host, interconnects, devices - hubs and functions).

Схема на свързване

Управлението на USB системата се извършва единствено от хоста. Данните се предават на пакети разположени в логически канали (pipes). Едно физическо устройство може да изпълнява няколко функци, всяка функция се адресира поотделно, Mогат да се адресират до 127 функции и хъба. Между една функция и хоста могат да бъдат създадени няколко канала, които се идентифицират с адрес на крайната точка (endpoint - както номер на порт при IP адресацията) фиг.X.

фиг. X. Логически канали

USB устройства

USB устройствата могат да бъдат разделени на хъбове и функции. Когато едно устройство е многофункционално (принтер+скенер, камера+микрофон) то в себеси съдържа хъб и контролера вижда няколко различни функции.

Според скоростта устройствата се разделят на следните класове:

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


Според своето предназначение устройсвата се разделята на следните класове:

USB оранизация: класове устройства

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

Основни 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


Задача


Хъбовете осигуряват допълнителни точки за свързване. В едно мулти функционално устройство има вграден хъб и различни функции. Особен режим на работа е когато в един хъб има включени устройства опериращи с различна скорост.

Разделяне на потока от данни

Логически канали (pipes)

Поток на данните: INPUT: от устройство към хост (компютър) OUTPUT: от хост към устройство

Типове логически канали

  • За управление - двупосочен
    • Контролен (control)
  • Поток от данни - еднопосочни канали
    • 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 (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).
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)

физически канали

Връзки

Връзките осигуряват свързаността между устройствата и хостта. Топологията на USB свързването е тип звезда. Максималния брой нива на свързване е 7. Root хъба е първо ниво. Едно мулти функционално устройство не би молгло да се свърже в ниво 7.

Топология

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

File:UsbConnectors.jpg

USB <= 3

Основни понятия

USB системата се състои от три части:

  • USB хост - контролер който изцяло управлява връзката между устройствата и компютъра
  • USB Устройства
    • Функции
    • Хъбове
  • USB връзки - осъществяват


Функции

Всички функции разбират USB протокола и изпълняват стандартните операции (конфигуриране, reset и др.) и описват своите възможности на USB хоста. Според скоростта има четири класа функции


Хъбове

Връзки

USB Host

Eдна USB система има само един USB хост. Хостът съдържа контролер и root хъб. Root хъба може да има един илиняколко извода/порта.

USB оранизация: класове устройства

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

Основни 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

USB управление на данните

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

Конфигурация и крайни адреси (endpoints)

Всяко устройство може да има различни конфигурации

  • само една конфигурация може да е активна в даден момент

Всяка конфигурация има краен адрес за управление и съвкупност от интерфейси

  • Всеки интерфейс има набор от крайни адреси за вход и изход
  • Интерфейсите работят последователно в споделена средапаралелно

Всяка конфигурация на устройство има набор от крайни адреси:

  • IN входящи крайни адреси - пренос на данни от устройството към хоста
  • OUT изходящи крайни адреси - пренос на данни от хоста към устройството


13

Endpoint 

 types	
 (LDD3,	
 p.	
 329-­‐330)

• Control, 

 Interrupt,	
 Bulk,	
 Isochronous

• Control

– Used 

 to	
 allow	
 access	
 to	
 different	
 parts	
 of	
 the	
 USB	
 device

– Used 

 for	
 configuring	
 device,	
 retrieving	
 info	
 about	
 device,

sending 

 commands	
 to	
 device,	
 retrieving	
 status	
 reports

– Every 

 USB	
 device	
 has	
 a	
 control	
 endpoint	
 “endpoint	
 0”,	
 used	
 to

configure 

 device	
 at	
 inser6on	
 6me

– “transfers 

 guaranteed	
 by	
 the	
 USB	
 protocol	
 to	
 always	
 have

enough 

 reserved	
 bandwidth	
 to	
 make	
 it	
 through	
 to	
 the

device” 

 (p.	
 329)

• Interrupt

– These 

 endpoints	
 transfer	
 small	
 amounts	
 of	
 data	
 at	
 a	
 fixed	
 rate

every 

 6me	
 the	
 USB	
 host	
 asks	
 the	
 device	
 for	
 data;	
 primary

transport 

 method	
 for	
 USB	
 keyboards	
 and	
 mice

– Also, 

 guaranteed	
 to	
 make	
 it	
 through

14

Endpoint 

 types	
 -­‐	
 2

• Bulk

– Transfer 

 large	
 amounts	
 of	
 data

– Used 

 for	
 devices	
 that	
 need	
 to	
 transfer	
 data	
 with	
 no	
 data

loss

– Transfers 

 not	
 guaranteed	
 to	
 make	
 it	
 through	
 the	
 bus	
 in	
 a

specific 

 amount	
 of	
 6me

• Isochronous

– Also 

 transfer	
 large	
 amounts	
 of	
 data,	
 but	
 data	
 not

guaranteed 

 to	
 make	
 it	
 through

– Used 

 with	
 devices	
 that	
 can	
 handle	
 data	
 loss

– E.g., 

 audio	
 and	
 video	
 devices

15

Endpoint 

 Transfer	
 Types

• Devices 

 can	
 request	
 a	
 fixed	
 bandwidth	
 for	
 data	
 transfers	
 (p.

327, 

 LDD3)

– Transfer 

 types	
 are	
 specified	
 for	
 each	
 endpoint

• Interrupt 

 transfer	
 type	
 does	
 not	
 mean	
 hardware	
 interrupts

• Interrupt 

 and	
 control	
 transfers:	
 Always	
 guaranteed	
 to	
 make	
 it

through 

 on	
 6me

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:

Направи си сам Интерактивен манипулатор (USB HID device)


Linux & USB

Retrieved from "https://ilianko.com/index.php?title=USB&oldid=2216"