Данных осуществляется с помощью usb. USB: виды разъемов и кабелей для смартфона. Типы передачи данных
USB это последовательный интерфейс передачи данных для периферийных устройств в вычислительной технике
Стандарт USB 1.0, получивший широкое распространение, был представлен в ноябре 1996 года. Версия v1.1 практически почти не используется по причине слишком низкой скорости передачи данных (12 Мбит/сек), поэтому применяется только для совместимости.
USB 2.0
Стандарт USB 2.0, получивший широкое распространение, был представлен в ноябре 1996 года.
Как и в случае спецификаций USB 1.0 и USB 1.1, в спецификации USB 2.0 для подключения периферийных устройств используется кабель, состоящий из двух пар проводов: одна витая пара проводов для приема и передачи данных, а другая - для питания периферийного устройства.
Напряжение питания по шине USB равно 5 В при силе тока до 500 мА. Этого, конечно, недостаточно для периферийных устройств со высоким энергопотреблением, например таких как принтеры. Поэтому они комплектуются собственными блоками питания, которые подключаются непосредственно к электрической розетке. Кабели USB ориентированы, то есть имеют физически разные наконечники «к устройству» (Тип B) и «к хосту» (Тип A). Возможна реализация USB устройства без кабеля, со встроенным в корпус наконечником «к хосту».
Компьютеры и ноутбуки, выпущенные после 2003 года, как правило, оснащены портами USB 2.0.
Устройств USB 2.0 поддерживают три режима работы:
- Low-speed , 10-1500 Кбит/c (клавиатуры, мыши, джойстики, геймпады)
- Full-speed , 0,5-12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства)
- High-speed , 25-480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации)
Интерфейс USB 3.0 – стандарт SuperSpeed USB
Спецификация USB 3.0 появилась в 2008 году.
В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели совместимы с USB 2.0, причём для однозначной идентификации разъёмы USB 3.0 изготавливают из пластика синего или (у некоторых производителей) красного цвета.
Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 5 Гбит/с - что выше скорости передачи данных устройств USB 2.0. (максимально 480 Мбит/с.)
31 июля 2013 года USB 3.0 Promoter Group объявила о принятии спецификации следующего интерфейса, USB 3.1, скорость передачи которого может достигать 10 Гбит/с. Разъём USB 3.1 Type-C является симметричным.
Типы возможных разъемов и кабелей
Количество возможных разъемов USB 3.0 стало больше. Самый популярный разъём, которым все пользовались - USB Type-A классического размера: он расположен на флешках, USB-модемах, на концах проводов мышей и клавиатур. Чуть реже встречаются полноразмерные USB Type-B: обычно таким кабелем подключаются принтеры и сканеры. Мини-версия USB Type-B до сих пор часто используется в кардридерах, цифровых камерах, USB-хабах. Микро-версия Type-B стала самым популярным разъёмом в мире: все актуальные мобильники, смартфоны и планшеты (кроме продукции одной фруктовой компании) выпускаются именно с разъёмом USB Type-B Micro.
Интерфейс USB (Universal Serial Bus - Универсальный Последовательный Интерфейс) предназначен для подключения периферийных устройств к персональному компьютеру. Позволяет производить обмен информацией с периферийными устройствами на трех скоростях (спецификация USB 2.0 ):
- Низкая скорость (Low Speed - LS) - 1,5 Мбит/с;
- Полная скорость (Full Speed - FS) - 12 Мбит/с;
- Высокая скорость (High Speed - HS) - 480 Мбит/с.
Интерфейс USB соединяет между собой хост (host ) и устройства. Хост находится внутри персонального компьютера и управляет работой всего интерфейса. Для того, чтобы к одному порту USB можно было подключать более одного устройства, применяются хабы (hub - устройство, обеспечивающее подключение к интерфейсу других устройств). Корневой хаб (root hub ) находится внутри компьютера и подключен непосредственно к хосту. В интерфейсе USB используется специальный термин "функция" - это логически законченное устройств, выполняющее какую-либо специфическую функцию. Топология интерфейса USB представляет собой набор из 7 уровней (tier ): на первом уровне находится хост и корневой хаб, а на последнем - только функции. Устройство, в состав которого входит хаб и одна или несколько функций, называется составным (compaund device ).
Порт хаба или функции, подключаемый к хабу более высокого уровня, называется восходящим портом (upstream port ), а порт хаба, подключаемый к хабу более низкого уровня или к функции называется нисходящим портом (downstream port ).
Все передачи данных по интерфейсу иницируются хостом. Данные передаются в виде пакетов. В интерфейсе USB испольуется несколько разновидностей пакетов:
- пакет-признак (token paket ) описывает тип и направление передачи данных, адрес устройства и порядковый номер конечной точки (КТ - адресуемая часть USB-устройства); пакет-признаки бывают нескольких типов: IN , OUT , SOF , SETUP ;
- пакет с данными (data packet ) содержит передаваемые данные;
- пакет согласования (handshake packet ) предназначен для сообщения о результатах пересылки данных; пакеты согасования бывают нескольких типов: ACK , NAK , STALL .
В интерфейсе USB используются несколько типов пересылок информации.
- Управляющая пересылка (control transfer ) используется для конфигурации устройства, а также для других специфических для конкретного устройства целей.
- Потоковая пересылка (bulk transfer ) используется для передачи относительно большого объема информации.
- Пересылка с прерыванием (iterrupt transfer ) испольуется для передачи относительно небольшого объема информации, для которого важна своевременная его пересылка. Имеет ограниченную длительность и повышенный приоритет относительно других типов пересылок.
- Изохронная пересылка (isochronous transfer ) также называется потоковой пересылкой реального времени. Информация, передаваемая в такой пересылке, требует реального масштаба времени при ее создании, пересылке и приеме.
Потоковые пересылки
характеризуются гарантированной безошибочной передачей данных между хостом и функцией посредством обнаружения ошибок при передаче и повторного запроса информации.
Когда хост становится готовым принимать данные от функции, он в фазе передачи пакета-признака посылает функции IN
-пакет. В ответ на это функция в фазе передачи данных передает хосту пакет с данными или, если она не может сделать этого, передает NAK
- или STALL
-пакет. NAK
-пакет сообщает о временной неготовности функции передавать данные, а STALL
-пакет сообщает о необходимости вмешательства хоста. Если хост успешно получил данные, то он в фазе согласования посылает функции ACK
Когда хост становится готовым передавать данные, он посылает функции OUT
-пакет, сопровождаемый пакетом с данными. Если функция успешно получила данные, он отсылает хосту ACK
-пакет, в противном случае отсылается NAK-
или STALL
-пакет.
Управляющие пересылки
содержат не менее двух стадий: Setup-стадия
и статусная стадия
. Между ними может также располагаться стадия передачи данных
. Setup-стадия
используется для выполнения SETUP-транзакции
, в процессе которой пересылается информация в управляющую КТ функции. SETUP-транзакция
содержит SETUP
-пакет,
пакет с данным и пакет согласования. Если пакет с данными получен функцией успешно, то она отсылает хосту ACK
-пакет. В противном случае транзакция завершается.
В стадии передачи данных
управляющие пересылки содержат одну или несколько IN-
или OUT-
транзакций, принцип передачи которых такой же, как и в потоковых пересылках. Все транзакции в стадии передачи данных должны производиться в одном направлении.
В статусной стадии
производится последняя транзакция, которая использует те же принципы, что и в потоковых пересылках. Направление этой транзакции противоположно тому, которое использовалось в стадии передачи данных. Статусная стадия служит для сообщения о результате выполнения SETUP-стадии и стадии передачи данных. Статусная информация всегда передается от функции к хосту. При управляющей записи
(Control Write Transfer
) статусная информация передается в фазе передачи данных статусной стадии транзакции. При управляющем чтении
(Control Read Transfer
) статусная информация возвращается в фазе согласовании статусной стадии транзакции, после того как хост отправит пакет данных нулевой длины в предыдущей фазе передачи данных.
Пересылки с прерыванием
могут содержать IN
- или OUT
-пересылки. При получении IN
-пакета функция может вернуть пакет с данными, NAK
-пакет или STALL
-пакет. Если у функции нет информации, для которой требуется прерывание, то в фазе передачи данных функция возвращает NAK
-пакет. Если работа КТ с прерыванием приостановлена, то функция возвращает STALL
-пакет. При необходимости прерывания функция возвращает необходимую информацию в фазе передачи данных. Если хост успешно получил данные, то он посылает ACK
-пакет. В противном случае согласующий пакет хостом не посылается.
Изохронные транзакции
содержат фазу передачи признака
и фазу передачи данных
, но не имеют фазы согласования
. Хост отсылает IN
- или OUT
-признак, после чего в фазе передачи данных КТ (для IN
-признака) или хост (для OUT
-признака) пересылает данные. Изохронные транзакции не поддерживают фазу согласования и повторные посылки данных в случае возникновения ошибок.
В связи с тем, что в интерфейсе USB реализован сложный протокол обмена информацией, в устройстве сопряжения с интерфейсом USB необходим микропроцессорный блок, обеспечивающий поддержку протокола. Поэтому основным вариантом при разработке устройства сопряжения является применение микроконтроллера, который будет обеспечивать поддержку протокола обмена. В настоящее время все основные производители микроконтроллеров выпускают продукцию, имеющую в своем составе блок USB.
|
Сегодняшняя статья будет посвящена, как уже видно из названия, обсуждению основ интерфейса USB . Рассмотрим основные понятия, структуру интерфейса, разберемся, как происходит передача данных, а в ближайшем будущем реализуем все это на практике 😉 Короче, приступаем!
Существует ряд различных спецификаций USB . Началось все с USB 1.0 и USB 1.1 , затем интерфейс эволюционировал в USB 2.0 , относительно недавно появилась окончательная спецификация USB 3.0 . Но на данный момент наиболее распространенной является реализация USB 2. 0.
Ну и для начала основные моменты и характеристики. USB 2.0 поддерживает три режима работы:
- High Speed – до 480 Мб/с
- Full Speed – до 12 Мб/с
- Low Speed – до 1.5 Мб/с
Командует на шине USB хост (например, ПК), к которому можно подключить до 127 различных устройств. Если этого мало, то нужно добавить еще один хост. Причем немаловажно, что устройство не может само послать/принять данные хосту/от хоста, необходимо, чтобы хост сам обратился к устройству.
Почти во всех статьях про USB , которые я видел используется термин “конечная точка “, но о том, что это такое обычно написано довольно туманно. Так вот, конечная точка – это часть устройства USB , имеющая свой уникальный идентификатор. Каждое устройство USB может иметь несколько конечных точек. По большому счету – конечная точка – это всего лишь область памяти USB устройства, в которой могут храниться какие-либо данные (буфер данных). И в итоге мы получаем вот что – каждое устройство имеет свой уникальный адрес на шине USB , и при этом каждая конечная точка этого устройства имеет свой номер. Вот так вот)
Давайте немного отвлечемся и поговорим о “железной части” интерфейса.
Существуют два типа коннекторов – Type A и Type B.
Как уже понятно из рисунка Type A всегда обращен к хосту. Именно такие разъемы мы видим на компьютерах и ноутбуках. Коннекторы Type B всегда относятся к подключаемым USB-устройствам. Кабель USB состоит из 4 проводов разных цветов. Ну, собственно, красный – это питание (+5 В), черный – земля, белый и зеленый предназначены для передачи данных.
Помимо изображенных на рисунке, существуют также другие варианты исполнения USB-коннекторов, например, mini-USB и другие, ну это вы и так знаете 😉
Наверно стоит немного коснуться способа передачи данных, но углубляться в это не будем) Итак, при передаче данных по шине USB используется принцип кодирования NRZI (без возврата к нулю с инверсией). Для передачи логической “1” необходимо повысить уровень линии D+ выше +2.8 В, а уровень линии D- надо понизить ниже +0.3 В. Для передачи нуля ситуация противоположная – (D- > 2.8 В) и (D+ < 0.3 В).
Отдельно стоит обсудить питание устройств USB . И тут также возможно несколько вариантов.
Во-первых устройства могут питаться от шины, тогда их можно разделить на два класса:
- Low-power
- High-power
Разница тут заключается в том, что low-power устройства не могут потреблять больше, чем 100 мА . А устройства high-power должны потреблять не более 100 мА лишь на этапе конфигурации. После того, как они сконфигурированы хостом их потребление может составлять до 500 мА .
Кроме того, устройства могут иметь свой собственный источник питания. В этом случае они могут получать до 100 мА от шины, а все остальное забирать у своего источника)
С этим вроде бы все, давайте потихоньку переходить к структуре передаваемых данных. Все-таки это представляет для нас наибольший интерес 😉
Вся информация передается кадрами , которые отправляются через равные промежутки времени. В свою очередь каждый кадр состоит из транзакций . Вот, пожалуй, так будет нагляднее:
Каждый кадр включает в себя пакет , затем следуют транзакции для разных конечных точек, ну и завершается все это пакетом EOF (End Of Frame). Если говорить совсем точно, то EOF – это не совсем пакет в привычном понимании этого слова – это интервал времени, в течение которого обмен данными запрещен.
Каждая транзакция имеет следующий вид:
Первый пакет (его называют Token пакет ) содержит в себе информацию об адресе устройства USB , а также о номере конечной точки, которой предназначена эта транзакция. Кроме того, в этом пакете хранится информация о типе транзакции (какие бывают типы мы еще обсудим, но чуть позже =)). – с ним все понятно, это данные, которые передают хост, либо конечная точка (зависит от типа транзакции). Последний пакет – Status – предназначен для проверки успешности получения данных.
Уже очень много раз прозвучало слово “пакет” применительно к интерфейсу USB , так что пора разобраться что он из себя представляет. Начнем с пакета Token :
Пакеты Token бывают трех типов:
- Setup
Вот к чему я это рассказал..) В зависимости от типа пакета значение поля PID в Token пакете может принимать следующие значения:
- Token пакет типа OUT – PID = 0001
- Token пакет типа IN – PID = 1001
- Token пакет типа SETUP – PID = 1101
- Token пакет типа SOF – PID = 0101
Переходим к следующей составной части пакета Token – поля Address и Endpoint – в них содержатся адрес USB устройства и номер конечной точки , которой предназначена транзакция .
Ну и поле CRC – это контрольная сумма, с этим понятно.
Тут есть еще один важный момент. PID включает в себя 4 бита, но при передаче они дополняются еще 4-мя битами, которые получаются путем инвертирования первых 4-ых бит.
Итак, на очереди – то есть пакет данных.
Тут все в принципе так же, как и в пакете Token , только вместо адреса устройства и номера конечной точки здесь у нас передаваемые данные.
Осталось нам рассмотреть Status пакеты и пакеты SOF :
Тут PID может принимать всего лишь два значения:
- Пакет принят корректно – PID = 0010
- Ошибка при приеме пакета – PID = 1010
И, наконец, пакеты:
Здесь видим новое поле Frame – оно содержит в себе номер передаваемого кадра.
Давайте в качестве примера рассмотрим процесс записи данных в USB-устройство. То есть рассмотрим пример структуры кадра записи.
Кадр, как вы помните состоит из транзакций и имеет следующий вид:
Что представляют из себя все эти транзакции? Сейчас разберемся! Транзакция SETUP :
Транзакция OUT :
Аналогично при чтении данных из USB-устройства кадр выглядит так:
Транзакцию SETUP мы уже видели, посмотрим на транзакцию IN 😉
Как видите, все эти транзакции имеют такую структуру, как мы обсуждали выше)
В общем, думаю достаточно на сегодня 😉 Довольно-таки длинная статья получилась, надеюсь в ближайшее время попробуем реализовать интерфейс USB на практике!
Наверняка, каждый пользователь компьютера слышал о таких понятиях, как USB порты версии 2.0 и 3.0. Но не все точно понимают что это. В этой статье я расскажу вам про USB 2.0 и 3.0: отличия, совместимость интерфейсов, а также о том, что это вообще такое.
Как понятно логически, версия USB 3.0 новее, чем 2.0, а, соответственно, она лучше. Давайте разберёмся, чем она лучше, и начнём с вопроса о том, откуда всё это пошло.
USB и его версии
USB расшифровывается как universal serial bus, и переводится на русский как универсальная последовательная шина. Универсальная – значит к ней можно подключить всё, что угодно, любое устройство. USB бывают разных версий, главное отличие которых в скорости работы.
К свойству универсальности производители шли долго. Как помнят многие, сначала у компьютера было множество разных портов, некоторые из которых остались и по сей день, например, громоздкие COM с толстыми кабелями, PS/2 с хрупкими контактами и другие. Теперь же принтеры, клавиатуры, мышки и другое оборудование можно подключать через USB.
Первые USB начали появляться с 1994 года. В 1996 году вышла версия 1.0, которая работала на мизерной скорости 1,5 Мбит/с. Затем в 2000-м вышла версия 2.0 со скорость работы 480 Мбит/с. Это вполне приемлемая скорость, которая позволила подключать разные оборудования к порту. В 2008 году вышла USB 3.0, работающая теоретически на скорости 5 Гбит/с.
Разработку USB 3.0 финансировали многие мировые бренды компьютерной сферы, которые были заинтересованы во введении стандартизации на разъёмы и улучшении производительности оборудования.
USB 2.0 и 3.0: отличия
Наконец, рассмотрим USB 2.0 и 3.0: отличия этих портов друг от друга и сравним их. Вот признаки, по которым они различаются:
- Визуально отличить USB 2.0 от 3.0 очень легко – разъёмы 3.0 окрашены в синий цвет.
- Второе отличие, которое легко ощущается на практике – это скорость передачи. У версии 3.0 она значительно выше. Она может уступать заявленной теоретической скорости (5 Гбит/с), но всё равно остаётся выше версии 2.0.
- Отличие USB 2.0 от 3.0 есть в силе тока. В ранней версии она была 500 мА, в новой достигает уже 900 мА. Таким образом, новыми USB можно питать большее количество мощных устройств.
- В старой версии USB было 4 провода, в новой стало ещё на 4 больше. Таким образом, ещё одно отличие USB0 от 3.0 – второй имеет более толстый кабель. Это также ограничило максимальную длину кабеля 3.0 до 5 метров и сделало его более дорогим.
- Windows XP не поддерживает USB 3.0, даже если физически оборудование компьютера на это способно, работать оно будет как 2.0. Только более старшие версии Windows способны работать с 3.0 полноценно.
Надежный и качественный СММ сайт https://doctorsmm.com / поможет Вам выгодно и недорого купить продвижение более чем в 9 социальных сетях. Здесь Вы найдете широкий спектр услуг с большими скидками и гарантиями на выполнение. Так, например, Вы можете приобрести лайки или подписчиков в Инстаграм и другие ресурсы на самых популярных социальных площадках интернета.
Совместимость USB 2.0 и 3.0
Если подключить устройство USB 2.0 в разъём 3.0, то работать оно будет на уровне 2.0. Если подключить устройство USB 3.0 к разъёму 2.0, то работать оно тоже будет на уровне 2.0. Таким образом, при совместимости этих интерфейсов, меньшая версия задаёт качество работы.
Устройства способны работать на других версиях USB, но они могут стать менее производительными.
Итак, подытожу. USB 2.0 и 3.0: отличия в первую очередь в качестве работы – более новая версия лучше, хоть и немного дороже. Современное оборудование выпускается с интерфейсом 3.0, поэтому приобретать компьютер целесообразно тоже с такой версией. Устройства разных версий совместимы друг с другом и работают приемлемо, хоть и производительность их падает.
Содержит две пары проводов: одну для сигнальных цепей (D+ и D-) и одну пару для схемной земли (GND) и подачи питания +5 В (Vbus). Допустимая длина сегмента (кабеля от устройства до хаба) — до 5 м. Ограничения на длину сегмента диктуются затуханием сигнала и вносимыми задержками. Задержка распространения сигнала по кабельному сегменту не должна превышать 26 нс, так что при большой погонной задержке допустимая длина кабеля может сократиться. Максимальное удаление устройства от хост-контроллера определяется задержкой, вносимой кабелями, промежуточными хабами и самими устройствами.
В кабеле USB 1.x для сигнальных цепей используется витая пара проводов калибра 28AWG с импедансом 90 Ом. Характеристики кабеля нормированы в частотном диапазоне до 16 МГц. Для питания используется неперевитая пара проводов калибра 20AWG-28AWG. Требований к экранированию кабелей в USB 1.x не выдвигалось. Для низкой скорости может использоваться кабель с неперевитой парой сигнальных проводов (он дешевле и тоньше), но его длина не должна превышать 3 м.
В кабелях USB 2.0 используются провода тех же калибров, но в спецификации описана конструкция кабеля, в которую входит обязательный экран и связанный с ним дополнительный проводник. Такой кабель пригоден для работы на любых скоростях, включая и HS (480 Мбит/с).
Разъемы USB сконструированы с учетом легкости подключения и отключения устройств. Для обеспечения возможности «горячего» подключения разъемы обеспечивают более раннее соединение и позднее отсоединение питающих цепей по отношению к сигнальным. В USB определено несколько типов разъемов:
- тип «A»: гнезда (рисунок а) устанавливаются на нисходящих портах хабов, это стандартные порты подключения устройств. Вилки типа «A» устанавливаются на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов;
- тип «B»: используются для шнуров, отсоединяемых от периферийных устройств и восходящих портов хабов (от «мелких» устройств — мышей, клавиатур и т. п. кабели, как правило, не отсоединяются). На устройстве устанавливается гнездо (рисунок б), на кабеле — вилка;
- тип «Mini-B» (рисунок в): используются для отсоединяемых шнуров малогабаритных устройств;
- тип «Mini-A»: введен в спецификации OTG, вилки используются для подключения устройств к портам малогабаритных устройств с гнездом «mini-AB».
- тип «Mini-AB»: гнезда введены в спецификации OTG для портов двухролевых устройств, которые могут вести себя как хост (если в гнездо вставлена вилка miniA) или как периферийное устройство (если в гнездо вставлена вилка mini-B).
Назначение выводов разъемов USB приведено в таблице, нумерация контактов показана на рисунке выше. Штырьковые разъемы, устанавливаемые на системной плате (рисунок г), предназначены для кабелей-«выкидышей», которыми подключаются дополнительные разъемы USB, устанавливаемые на передней или задней стенках корпуса компьютера (иногда и на боковых). На эти разъемы порты выводятся парами, причем у разных производителей подход к универсальности и защите от ошибочных подключений различен. Подключение «выкидыша», не подходящего к разъему, приводит к неработоспособности порта (к счастью, как правило, временной). Ошибка в подключении цепей GND и +5V может приводить к нагреванию кабелей и разъемов из-за короткого замыкания питающей цепи.
Все кабели USB «прямые» — в них соединяются одноименные цепи разъемов, кроме цепи ID, используемой для идентификации роли устройства в OTG. На вилке mini-A контакт 4 (ID) соединен с контактом 5 (GND), что заставляет порт, к которому подсоединена такая вилка, взять на себя роль нисходящего порта хаба. На вилке miniB такого соединения нет.
Ошибка в полярности подводимого питания может повредить подключаемое устройство (и необратимо). По этой причине наиболее безопасными для подключаемого устройства являются внешние разъемы USB, запаянные на системной плате или карте контроллера USB.
Для передачи сигналов используются два провода D+ и D-. На каждой стороне интерфейса (порте хаба и подключенного устройства, см. рисунок ниже) имеются:
- дифференциальный приемник, выход которого используется при приеме данных;
- управляемый (отключаемый) дифференциальный FS/LS-передатчик — источник напряжения, позволяющий кроме дифференциального сигнала формировать и «линейный 0» (SE0), а также отключаться для обеспечения полудуплексного обмена;
- линейные приемники, сообщающие текущее состояние каждого сигнального провода;
- резисторы, подтягивающие уровни сигналов для обнаружения подключения устройства:
- Rd1, Rd2 (15 кОм) у хаба;
- Ruf (у FS/HS-устройства) или Rul (у LS-устройства); - Дополнительные элементы для работы на высокой скорости (только для устройств HS):
- коммутатор, отключающий резистор Ruf при выборе высокой скорости;
- последовательные резисторы Rz1 и Rz2 на выходах дифференциального передатчика, обеспечивающие согласование с линией и нагрузку;
- управляемый дифференциальный источник тока;
- детектор амплитуды сигнала;
- детектор отключения (только на нисходящих портах хабов).
Уровни сигналов передатчиков FS/LS в статическом режиме должны быть ниже 0,3 В (низкий уровень) или выше 2,8 В (высокий уровень). Приемники должны выдерживать входное напряжение в пределах -0,5...+3,8 В. Чувствительность дифференциальных приемников — 200 мВ при синфазном напряжении 0,8-2,5 В. Линейные приемники должны обладать гистерезисом с нижним порогом 0,8 В и верхним порогом 2 В.
Передача по двум проводам USB не ограничивается лишь дифференциальными сигналами. Приемники и передатчики позволяют использовать множество состояний линий и команд, используемых для организации аппаратного интерфейса. При этом учитываются не только уровни электрических сигналов, но и время нахождения их в том или ином состоянии. По уровням напряжения на входах приемников различают сигналы:
- Diff0 : (D+) - (D-) > 200 мВ при (D+) > 2 В;
- Diff1 : (D-) - (D+) > 200 мВ при (D-) > 2 В;
- SE0 (single-ended zero): (D+) < 0,8 В и (D-) < 0,8 В.
Для передачи данных используются сигналы Diff0 и Diff1, они кодируют состояния J (Data J State) и K (Data K State). На полной и высокой скорости состояние J соответствует сигналу Diff1, состояние K — сигналу Diff0. На низкой скорости назначение обратное: J — Diff0 и K — Diff1. Последовательная передача информации ведется с использованием кодирования NRZI (см. рисунок ниже): при передачи нулевого бита в начале битового интервала состояние сигнала (J или K) меняется на противоположное; при передаче единичного — не меняется. Длительность битового интервала определяется номинальной частотой передачи: 0,666… мкс для низкой скорости (LS, 1,5 Мбит/с); 83,3… нс для полной (FS, 12 Мбит/с) и 2,0833… нс для высокой (HS, 480 Мбит/с).
Состояние покоя (Bus Idle) на FS/LS соответствует длительному состоянию J, а на HS — состоянию SE0.
Признаком начала пакета является переход из состояния покоя в состояние K, что является первым битом синхропоследовательности (Sync), — последовательности нулей, которая в NRZI кодируется переключением состояний (J и K) в начале каждого битового интервала. Синхропоследовательность позволяет приемнику настроиться на нужною частоту и фазу синхронизации. Синхропоследовательность завершает единичный бит (нет смены состояния), последующие за ним биты относятся к идентификатору и телу пакета. На HS начальная часть синхропоследовательности может быть потеряна хабом (из-за задержки реакции на детектор сигнала). С учетом этого синхросполедовательность для HS удлинена до 32 бит (включая последний единичный бит). Проходя через 5 хабов, каждый из которых может потерять до 4 синхробит, синхропоследовательность может оказаться сокращенной до 12 бит.
Для того чтобы синхронизация не терялась на монотонном сигнале (при передаче длинной последовательности единиц), применяется техника вставки бит (bit stuffing): после каждых 6 подряд следующих единиц передатчик вставляет «0», приемник эти вставленные биты удаляет. Если принимается более 6 единиц подряд, это считается ошибкой вставки бит.
Конец пакета (EOP) на FS/LS обозначается сигналом SE0, длящимся 2 битовых интервала, за которым следует переход в состояние покоя (Bus Idle). На HS для признака EOP используется нарушение правила вставки бит. Здесь в качестве EOP используется передача последовательности 01111111 без вставки бит. Прием седьмой единицы вызовет индикацию ошибки вставки бит, которая на HS и является признаком конца пакета. Нормальный пакет при этом от действительно ошибочного будет отличаться целым количеством принятых байт (это условие может и не проверяться) и верным значением CRC. Начальный нолик (вызывающий смену состояния) в EOP облегчает точное определение границы тела пакета. В пакетах SOF поле EOP удлинено до 40 бит для обнаружения отключения устройства.
Высокая скорость (480 Мбит/с — всего в 2 раза медленнее, чем Gigabit Ethernet) требует тщательного согласования приемопередатчиков и линий связи. На этой скорости может работать только кабель с экранированной витой парой для сигнальных линий. Для высокой скорости аппаратура USB должна иметь дополнительные специальные приемопередатчики. К разводке проводов на печатной плате устройства от интерфейсной микросхемы USB до разъема (или подключения кабеля) предъявляют жесткие требования (максимальная длина, совпадение длин сигнальных проводников, удаленность от других сигнальных цепей, окружение «землей»).
В отличие от формирователей потенциала для режимов FS и LS передатчики HS являются источниками тока, ориентированными на наличие резисторов-терминаторов на обеих сигнальных линиях. Роль терминаторов играют резисторы Rz1 и Rz2 (см. рис. 12.2): при работе на HS дифференциальный передатчик FS/LS формирует SE0, то есть оба его выхода заземляются и эти резисторы оказываются нагрузками для линий D+ и D-. Их сопротивление (с учетом выходного импеданса передатчика) составляет 2×45 = 90 Ом, что и обеспечивает согласование с волновым сопротивлением линии (90 Ом). Устройство и хаб включают свои HS-терминаторы (и отключают Ruf) после успешного взаимного подтверждения режима HS, выполняемого в процессе сброса устройства.
Дифференциальные токовые передатчики формируют импульсы тока с номинальным значением 17,78 мА, который протекает через нагрузку 22,5 Ом (два нагрузочных резистора на обоих концах каждой сигнальной линии соединяются параллельно). При передаче сигнала J ток пропускается в линию D+, при K — в D-. Таким образом обеспечивается дифференциальный сигнал передачи около ±400 мВ.
На вход дифференциального приемника сигнал придет ослабленным; чтобы исключить влияние шумов, в схему устройства введен детектор амплитуды сигнала с порогом 100-150 мВ. Сигнал с дифференциального приемника игнорируется, пока не сработает детектор амплитуды сигнала (в спецификации USB этот прием называется receiver squelch). От срабатывания детектора амплитуды до включения дифференциального приемника может быть задержка до 4 bt, но это приведет лишь к сокращению длины принятой синхропоследовательности в начале пакета.
К статическим (уровни) и динамическим (длительности и время нарастания и спада) параметрам сигналов на HS предъявляются жесткие требования, и существуют специальные шаблоны (Eye Pattern), в которые должны укладываться сигналы. Для тестирования могут быть использованы широкополосные (не уже 1 ГГц) дифференциальные осциллографы и генераторы; выпускаются и специализированные тестеры устройств USB 2.0. Для тестирования HS-устройств (включая и хабы) в USB 2.0 определены специальные управляющие запросы, переводящие выбранный порт в тестовый режим. В стандартных запросах определены следующие тесты:
Хаб обнаруживает подключение устройства по уровням напряжения на линиях D+ и D-:
- при отключенном устройстве на линиях D+ и D- уровни сигнала низкие (состояние SE0), что обусловлено резисторами Rd1 и Rd2 хаба;
- при подключении LS-устройства повышается уровень сигнала D- за счет резистора Rul в устройстве (переход в состояние LS-Idle);
- при подключении FS/HS-устройства повышается уровень сигнала D+ за счет резистора Rul в устройстве (переход в состояние FS-Idle).
Последовательность обнаружения подключения и сброса устройств FS и LS приведена на рисунках а и б соответственно. Хаб следит за сигналами нисходящего порта и сигнализирует об их смене. После обнаружения смены состояния системное ПО выжидает около 100 мс (время на успокоение сигналов) и проверяет состояния порта. Обнаружив факт подключения и тип устройства (LS или FS/HS), ПО дает для этого порта команду сброса шины.
Для выполнения сброса шины (команда Bus Reset) хаб опускает уровень поднятого устройством сигнала (D+ или D) на 10-20 мс (то есть подает сигнал SE0 в течение 10-20 мс). Считается, что через 10 мс после этого сброса устройство должно быть готово к конфигурированию (отзываться только на обращения к EP0 по нулевому адресу устройства).
Сброс шины для устройства HS запускает протокол согласования скорости. При подключении, как и по сигналу сброса, HS-устройство устанавливает свои схемы в состояние FS (отключая терминаторы и включая Ruf). Таким образом, поначалу HS-устройство выглядит для хаба как FS-устройство. Для согласования скорости используется так называемое «чириканье» (chirp-sequence): в ответ на состояние SE0, введенное хабом для сброса (заземлением линии D+), HS-устройство своим дифференциальным токовым передатчикам вводит состояние «chirp-K» (пуская импульс тока в линию D-). На этот импульс HS-хаб ответит импульсом на линии D+, так что получится состояние «chirp-J». Такой обмен импульсами повторяется еще дважды; после успеха согласования и устройство и хаб принимают режим работы HS (и резистор Ruf отключается). Все это «чириканье» занимает 10-20 мс, после чего шина переходит в состояние покоя HS-Idle (длительный сигнал SE0). Теперь хосту надо снова опросить состояние порта хаба, чтобы уточнить режим подключенного устройства (FS или HS). Если HS-устройство подключено к FSпорту, хаб на «чириканье» устройства не ответит.
Отключение устройств FS/LS обнаруживается хабом просто по длительному (более 2 мкс) состоянию SE0. Этот факт хаб доводит до сведения системного ПО (USBD), чтобы устройство было вычеркнуто из всех рабочих списков. Отключение устройств HS таким способом обнаружить не удается, поскольку состояние шины (SE0) при отключении устройства не изменится. Для обнаружения отключения HS-устройства используют эффект отражения сигнала при потере согласованности линии. Специально для этих целей в схему хаба введен дополнительный детектор отключения, а в маркере микрокадра SOF признак EOP (0111…111) удлинен до 40 битовых интервалов. Транслируя SOF на высокоскоростной порт, детектор отключения следит за уровнем сигнала J, и если он превышает порог (625 мВ дифференциального сигнала), значит, нагрузки на другой стороне нет, то есть устройство отключено. Удлинение EOP необходимо, поскольку устройство может отключиться внутренне, и из-за задержки в кабеле устройства (2×26 нс) отраженный сигнал может задержаться до 25 нс. С целью сокращения накладных расходов это удлинение EOP сделали только для пакетов SOF, появляющихся всего раз в 125 мкс.
Команду приостановки устройства — Suspend хаб сигнализирует длительным состоянием покоя (Bus Idle). При этом он должен переставать транслировать все кадры, включая и маркеры микрокадров на порты, для которых подается эта команда. На порты, работающие в LS-режиме, маркеры кадров не транслируются; чтобы LS-устройство не приостанавливалось при отсутствии полезного трафика, ему вместо маркеров SOF хаб с тем же периодом посылает сигнал LS-EOP (SE0 в течении 1,33 мкс). Приостановка делается не менее чем на 20 мс — за это время устройство должно успеть перейти в приостановленное состояние и стать готовым к получению сигнала возобновления.
Команду приостановки HS-порта хаб сигнализирует покоем (SE0) в течение 3 мс, после чего переключает свои цепи в режим FS (отключает терминаторы), но помнит, что порт находится в режиме HS. Для HS-устройства команда приостановки поначалу неотличима от сброса. Чтобы их различить, через 3-3,125 мс непрерывного состояния SE0 HS-устройство переключает свои цепи в режим FS (отключает терминаторы и включает Ruf). Далее, через 100-875 мкс устройство проверяет состояние линий. Если обе лини D+ и D- оказались в низкоуровневом состоянии, значит, хаб подал команду сброса (и устройство должно выполнить chirp-последовательность). Если уровень D+ высокий, а D- низкий (FS-Idle), то это сигнал к приостановке. Таким образом, по состоянию сигналов на шине приостановка выглядит как покой LS/FS — то есть состояние J.
Сигналом к возобновлению работы (resume) является перевод шины в состояние K на длительное время (20 мс), достаточное для «оживления» устройств, после чего хаб посылает сигнал LS-EOP (SE0 в течение 1,33… мкс). После этого шина переходит в состояние покоя соответствующей скорости и начинает передаваться трафик. Сигнал возобновления может подать как хаб, так и приостановленное устройство; последний случай называется удаленным пробуждением. По сигналу возобновления устройство, работавшее в HS-режиме, и его порт хаба переключают свои цепи в HS-режим без всякого согласования (они помнят свой режим).
Удаленное пробуждение — Remote Wakeup — это единственный случай на USB , когда сигнальную инициативу проявляет устройство (а не хост). Сигнал пробуждения может подать только приостановленное устройство, для которого шина находится в FS/LS-состоянии J (резисторами подтягивается вверх D+ или D-). Для сигнализации пробуждения устройство на некоторое время (1-15 мс) формирует состояние K, которое воспримется хабом как сигнал Resume и транслируется им на восходящий порт и на все разрешенные нисходящие порты, включая и тот порт, с которого пришел данный сигнал.
