Usb (univerzális soros busz, univerzális soros busz)
A modern világban az elektronikus technológiát ugrásszerűen fejlesztik. Minden nap van valami új, és nemcsak a meglévő modellek kis javulása, hanem az olyan innovatív technológiák alkalmazása is, amelyek lehetővé teszik a jellemzők többszörös javítását.
Nem messze az elektronika és a műszer iparhoz - sőt fejleszteni és kiadja az új eszközök piacán, meg kell alaposan tesztelni kell, mind a szakaszában tervezés és fejlesztés, valamint a termelési fázisban. Új mérési technikák és új mérési módszerek, következésképpen új kifejezések és fogalmak vannak.
Azok számára, akik gyakran szembesülnek érthetetlen rövidítéseket, rövidítéseket és kifejezéseket, és mélyebben meg akarják érteni a jelentésüket, és ez a címsor célja.
Közös USB architektúra
Az USB fizikai architektúráját az alábbi szabályok határozzák meg:
- eszközök csatlakoznak a fogadóhoz;
- Az eszközök fizikai összekapcsolása egymás között többszintű csillag topológiája szerint történik, amelynek teteje a gyökérhub;
- az egyes csillagok középpontja egy hub;
- minden egyes kábelszakasz összeköt két pontot: egy hubot vagy egy funkciót ellátó gazdagépet, egy hubot egy funkcióval vagy egy másik hubral;
- az agy mindegyik portjához csatlakoztatható egy perifériás USB-eszköz vagy egy másik hub, miközben akár 5 szintet is képes a lépcsőzetes hubok számára, nem számítva a gyökeret.
A legmagasabb szint a gyökér hub, amelyet általában USB vezérlõvel kombinálnak.
A gyökér hubhoz vagy eszközök vagy más hubok csatlakoztathatók a rendelkezésre álló portok számának növeléséhez. A koncentrátor különálló eszköz formájában készülhet, vagy beépíthető egy másik, azaz egy másik eszközbe. az USB-hoz csatlakoztatott eszközök funkcionális eszközökre oszthatók, pl. azokat, amelyek végezni néhány adott funkciót (pl, egy egér) eszközhub, csak akkor működik csak elágazás, és a kombinált eszközök, amelyek az összetételében egy hub, bővülő halmaza portok (pl, monitorok, port csatlakozó egyéb).
Az ötödik szinten egy kombinált eszköz nem használható. Ezenkívül külön meg kell említenünk egy gazdagépet, amely inkább egy szoftver és hardver komplexum, mint egy eszköz.
Részletek fizikai felépítésének rejtve alkalmazások a rendszer szoftver (SW), így a logikai architektúra néz ki, mint egy szabályos csillag, amelynek középpontja a szoftver, és csúcsok - egy sor végpontokat. Az alkalmazásprogram az egyes végpontokkal információt cserél.
USB komponensek
Az USB-busz az alábbi elemekből áll:
- A gazda vezérlő (gazdaszámító, rövid gép) a fő vezérlő, amely része a számítógép rendszervezérlésének, és vezérli az USB-busz összes eszközének működését. Az USB-buszon csak egy gazda engedélyezett. A személyi számítógép rendszeregysége egy vagy több állomást tartalmaz, amelyek mindegyike egy különálló USB buszot vezérel.
A fogadó kötelességei:- az eszközök csatlakoztatásának és lekapcsolásának felügyelete;
- az USB-eszköz és a gazda közötti vezérlőáramok szervezése;
- az USB-eszköz és a fogadó közötti adatáramlás megszervezése;
- ellenőrző eszközök és a tevékenységstatisztikák fenntartása;
- A csatlakoztatott eszközök ellátása áramellátással.
- Egy eszköz lehet egy hub, egy függvény vagy egy kombinált eszköz; port (port) - a csatlakozási pont;
- a hub (hub, hub) olyan eszköz, amely további portokat biztosít az USB buszon, azaz. Az agy átalakítja az egyik portot (upstream port, upstream port) több porthoz (downstream portok, downstream portok). Az architektúra több hub csatlakozását teszi lehetővé (legfeljebb 5). Az agy felismeri az eszközök csatlakoztatását és lekapcsolódását a portokhoz, és vezérelheti a portok tápellátását. Mindegyik port engedélyezhető vagy letiltható, és teljes vagy korlátozott árfolyamra állítható be. A hub a kis sebességű szegmensek elkülönítését biztosítja a nagysebességű is. A hub korlátozhatja az egyes kikötők által fogyasztott áramot;
- a gyökér hub (gyökérhub) olyan hub, amely a fogadó része;
- A funkció (funkció) egy perifériás USB eszköz vagy különálló egység, amely az USB-buszon keresztül képes adatokat továbbítani és fogadni. Használat előtt a funkciót a fogadónak kell konfigurálnia - a csatornán egy sávot kell hozzárendelni, és a konfigurációs beállításokat ki kell választani;
- A logikai USB eszköz (logikai eszköz) olyan végpontok készlete, amelyekkel az adatok cserélhetők. A pontok száma és funkciója a készüléktől és az általa végrehajtott funkcióktól függ, és a gyártás során kerül meghatározásra. Van egy kötelező pont a 0-as számmal - az eszköz állapotának figyelése és ellenőrzése. A készülék 0-as ponton történő konfigurálása előtt a többi csatorna nem áll rendelkezésre.
Az eszköz minden végpontját a következő paraméterek írják le:- a buszhoz való hozzáférés gyakorisága és a késésekre vonatkozó követelmények;
- a szükséges sávszélesség;
- a végpont száma;
- hibakezelési követelmények;
- a fogadható vagy elküldhető maximális keretméret;
- a támogatott adatátvitel típusa;
- az átvitel iránya az utolsó pontos és a fogadó között.
USB eszköz tulajdonságai
Logikai kommunikációs szintek
Az USB specifikáció három logikai szintet definiál specifikus interakciós szabályokkal. Az USB eszköz tartalmaz interfészt, logikai és funkcionális részeket. Host is három részre van osztva - interfész, rendszer és szoftver. Minden rész csak bizonyos feladatokért felelős.
Így az adatbeviteli művelet az alkalmazásprogram és az USB busz között úgy történik, hogy a memóriapuffereket az alábbi szinteken keresztül továbbítja:
- az ügyfélszoftverek szintje a gazdagépben:
- általában USB meghajtóként jelenik meg;
- a felhasználói interakciót egyrészt az operációs rendszerrel, másrészt a rendszervezérlővel;
- az USB gazdagép-illesztőprogram szintje (USB, Universal Serial Bus Driver):
- ellenőrzi az eszközök számozását a buszon;
- szabályozza a busz sávszélességének és teljesítményének eloszlását;
- A felhasználói meghajtó kéréseinek feldolgozása;
- Az USB-busz interfész (HCD, Host Controller Driver) gazdaszámító szintje:
- átalakítja az I / O kéréseket olyan adatstruktúrákhoz, amelyek fizikai tranzakciókat hajtanak végre;
- működik a gazda regiszterekkel.
A kapcsolat a kliens szoftver és az USB eszközök: USB biztosít kommunikációs programozási felület, és csak azt, ami lehetővé teszi kliens szoftver létezik, amelyek függetlenek a konkrét eszköz csatlakozik a busz és a konfiguráció. Ügyfélprogram esetén az USB csak funkciókészlet.
Az USB-komponensek interakcióját az alábbi ábra mutatja:
A vizsgált struktúra a következő elemeket tartalmazza:
Fizikai eszköz Az USB egy olyan eszköz, amely a buszon végzi a végfelhasználó számára érdekes funkciókat.
Ügyfél SW - egy adott eszközhöz tartozó, a gazdaszámítógépen végrehajtott szoftver. Ez lehet az operációs rendszer vagy egy speciális termék szerves része.
USB System SW - rendszerintegráció USB, függetlenül az egyes eszközök és kliens szoftverektől.
USB Host Controller - hardver és szoftver az USB eszközöknek egy gazda számítógéphez történő csatlakoztatásához.
Az adatátvitel alapelvei
Az adatátvitel mechanizmusa aszinkron és blokk. A továbbított adatok egy blokkját USB keretnek vagy USB keretnek nevezzük, és egy meghatározott időintervallumon keresztül továbbítjuk. A parancsok és az adatblokkok működése egy logikai absztrakcióval valósul meg, amelyet csatornának neveznek. Egy csatorna a logikai kapcsolat a gazda és a külső eszköz végpontja között.
A parancsok (és a parancsokba bevitt adatok) elküldéséhez az alapértelmezett csatornát használják, és az adatátvitelhez csatornaszámot vagy üzenetcsatornákat indítanak.
A végpontnak megfelelő jellemzők kapcsolódnak a csatornákhoz. A csatorna az USB-eszközök konfigurálásakor szerveződik. Minden egyes engedélyezett eszköz esetében van egy üzenetcsatorna (Control Pipe 0), amelyen keresztül a konfiguráció, a vezérlés és az állapotinformáció továbbításra kerül.
Bármely csere az USB-buszon keresztül a gazda vezérlő kezdeményezi. Eszközcseréket szervez az erőforrás-elosztási tervének megfelelően.
A vezérlő ciklikusan (1,0 ± 0,0005 ms időtartammal) olyan kereteket generál, amelyekhez minden ütemezett adás van elhelyezve.
Minden keret egy SOF marker csomag (Start Of Frame) küldésével kezdődik, amely minden eszközhöz, beleértve a hubokat is, szinkronjelzés. Az egyes kockák végén egy EOF (End Of Frame) időintervallum van elosztva, amelyhez a hubok megtiltják az átvitel irányát a vezérlő felé. Ha az elosztó jelenleg észleli, hogy az adatok átkerülnek az adott portról, ez a port le van tiltva.
Nagysebességű átviteli üzemmódban az egyes mikrokrámák elején (125 ± 0.0625 μs periódus) az SOF csomagokat továbbítják.
A fogadó úgy tervezi, hogy betölti a kereteket, hogy mindig legyen a legmagasabb prioritású adatátviteli helyük, és a szabad keretterületet nagy mennyiségű adat alacsony prioritású adatátvitelekkel tölti fel. Az USB-specifikáció lehetővé teszi, hogy a busz sávszélességének akár 90% -át is felvehesse rendszeres tranzakciókra (izokron és megszakítások).
Minden keret saját számmal rendelkezik. A gazda vezérlő 32 bites számlálóval működik, de az SOF tokenben csak az alsó 11 bit kerül továbbításra. A keretszám ciklikusan növekszik az EOF során.
Az izokron átvitelhez fontos az eszközök és a vezérlő szinkronizálása. A szinkronizáció három változata létezik:
- a készülék belső generátorának szinkronizálása SOF jelölőkkel;
- A képsebesség beállítása a készülék frekvenciájára;
- amely megfelel a készülék átviteli sebességének (vételének) a képsebességgel.
Mindegyik keretben, a tranzakciók száma, számuk attól függ, hogy a megengedett sebesség, a hossza az adatmező az egyes, valamint a késedelem által bevezetett kábelek, elosztók, és eszközöket lehet végezni. Minden keret tranzakciót az EOF idő előtt kell elvégezni. A keret generációs frekvencia kissé eltérhet a gazdaszámító speciális regiszterének segítségével, amely lehetővé teszi az izokronikus adások frekvenciájának beállítását. A vezérlő képsebességének beállítása csak egy eszköz belső szinkronizálási frekvenciája alatt lehetséges.
A csatorna információi csomagként (Packet) továbbítódnak. Minden csomag a SYNC szinkronizációs mezővel (SYNChronization) kezdődik, majd a PID csomagazonosítóval (Packet IDentifier). A Check mező a PID bitenkénti inverze.
A csomagadatok szerkezete attól a csoporttól függ, amelyhez tartozik.
1. Az ügyfélszoftver IPR kéréseket küld az USBD szintre.
2. Az USBD meghajtó megosztja a tranzakciókra vonatkozó kéréseket az alábbi szabályok szerint:
- a kérelem teljesítése teljesnek tekinthető, ha az ügyletet teljesítő ügyletek sikeresen befejeződnek;
- a tranzakció feldolgozásának minden részletét (például készenléti várakozást, hibaüzenettel való ismétlődését, a vevőkészülék nem érhető el stb.) az ügyfélszoftverhez nem hozza;
- A szoftver csak akkor indíthatja el a kérelmet, és várhatja vagy végrehajthatja a kérést, vagy kiléphet a késleltetésből;
- Az eszköz súlyos hibákat észlelhet, ami a kérés abnormális megszüntetéséhez vezet, amelyet a kérelem forrása közöl.
3. A gazda vezérlő illesztőprogramja a tranzakciók listáját a rendszerbusz-illesztőprogramról veszi át, és a következő műveleteket hajtja végre:
- tervezi a beérkezett tranzakciók végrehajtását, hozzáadva azokat a tranzakciós listához;
- lekéri a következő tranzakciót a listáról, és átadja azt a gazdagép-interfész interfész szintű kezelőfelületének;
4. Az USB-busz interfész házvezérlője kereteket hoz létre;
5. A kereteket bit soros átvitel útján továbbítják az NRZI módszerrel
Így megfogalmazhatjuk a következő egyszerűsített rendszert:
1. Minden keret a legfontosabb parcellákból áll, amelyek összetétele a fogadó vezető;
2. minden átruházás egy vagy több tranzakcióból áll;
3. Minden tranzakció csomagokból áll;
4. Minden csomag tartalmaz egy csomagazonosítót, adatokat (ha van) és egy ellenőrzőösszeget.
Az USB-üzenetek típusai
A busz specifikáció négy különböző típusú átvitelt (adattípust) határoz meg a végpontok esetében:
Megszakítási mechanizmus
A mechanizmus USB-buszára nincs megszakítás. Ehelyett a fogadó lekérdezi a csatlakoztatott eszközöket a megszakítási adatok jelenlétére. A felmérés meghatározott időközönként, általában 1 és 32 ms között történik. A készülék legfeljebb 64 bájtos adatot küldhet.
A vezető szempontjából a megszakítási képességeket a fogadó adja meg, amely támogatja az USB interfész fizikai végrehajtását.
Adatátviteli módok
Az USB busz három adatátviteli móddal rendelkezik:
- Alacsony sebesség (LS, alacsony sebesség) 1,5 Mbps;
- Teljes sebesség (LF, teljes sebesség) 12 Mbit / s;
- Nagysebességű (HS, nagysebességű, csak USB 2.0 esetén) 480 Mbit / s.
Perifériák csatlakoztatása az USB buszhoz
Csatlakoztatásához perifériák az USB busz által használt négy-kábel, a két vezeték (csavart érpár) differenciál üzemmódban használják továbbítására és vételére adatokat, és két huzal - az ellátás a perifériaeszköz.
Az 1.0 specifikáció két típusú csatlakozót tartalmaz:
Ezt követően miniatűr csatlakozókat fejlesztettek ki az USB-t hordozható és mobil eszközökben, Mini-USB-ként.
A Mini AB és Micro AB típusú csatlakozók is csatlakoznak, amelyekhez mindkét típusú A és B típusú csatlakozó csatlakozik.
Vannak miniatűr csatlakozók is - Micro USB.
Kis sebességű eszköz csatlakoztatása
A szinkronizációs jeleket az NRZI (Non Return to Zero Invert) módszerrel együtt kódolják. Minden csomagot egy SYNC szinkronizációs mező előzi meg, amely lehetővé teszi a rádióerősítő számára az adó frekvenciájának beállítását.
A kábel VBus és GND vonalakkal is rendelkezik az 5 V tápfeszültség átviteléhez. A vezetékek keresztmetszetét a szegmens hosszának megfelelően választják ki, hogy biztosítsák a garantált jelszintet és tápfeszültséget.