MAGISTRALA SERIAL UNIVERSAL - USB (UNIVERSAL SERIAL BUS)1.1.
DESCRIERE GENERALMagistrala USB reprezint solutia oferit
comunicatiilor seriale de noua generatie de calculatoare PC. Este o
interfat serial rapid, bidirectional, ieftin si usor de folosit.
USB a fost creat ca un standard industrial, o extensie a
arhitecturii PC orientat spre armonizarea cu standardele de
comunicatie din telefonie, ceea ce este numit CTI (Computer
Telephony Integration). Acest aspect este considerat fundamental
din punct de vedere al aplicatiilor generatiei urmtoare. Avantajele
acestei solutii fat de btrna interfat serial RS-232 transformat
prin mbunttiri n EIA/TIA-232-E sunt: rata de transfer - poate
atinge 12 Mbps fat de 115 kbps; conecteaz pna la 127 de dispozitive
la PC, (ceea ce nseamn c opereaz ca o magistral) fat de numai 2
dispozitive; usor de utilizat de ctre utilizatorul final (end user)
adugarea/eliminarea de dispozitive n/din sistem este foarte comod;
are un protocol flexibil; este o solutie ieftina de interconectare.
Specificatiile acestei magistrale descriu atributele de magistral,
definesc protocolul, tipurile de tranzactii, administrarea
magistralei (bus management) si totodat furnizeaz informatii
necesare pentru construirea unui sistem n acest standard. USB este
o magistral pe cablu care permite schimb de date ntre un calculator
gazd si o gam larg de periferice accesibile simultan. Magistrala
permite ca perifericul s fie atasat, configurat, folosit si
deconectat n timp ce gazda si celelalte periferice opereaz. USB a
fost proiectat n primul rnd pentru utilizatorii care nu doresc s
intre n detalii de instalare hardware, astfel sistemul complicat de
cablare a fost nlocuit cu un control software. Toate problemele
presupuse de interconectarea mai multor dispozitive cu performante
si rate de transfer diferite sunt tratate prin software. Magistrala
USB defineste trei categorii de dispozitive fizice: gazda USB (USB
Host) functii USB (USB function) distribuitoare USB (USB Hub)
Acestea sunt interconectate ntr-o topologie specific de tip stea
multipl. Topologia USB este reprezentat sugestiv n Fig. 1.1. Din
figur se poate observa c USB face legtura ntre dispozitivele USB si
gazd. n nodul fiecrei stele se gseste un hub. ntre elemente legtura
este fcut cu segmente de cablu: fiecare segment de cablu face
legtura punct la punct (point-to-point) ntre gazd si o functie sau
un hub sau ntre hub si o functie sau un alt hub.
n sistem exist o singur gazd. Interfata dintre gazd si sistemul
USB se numeste Host Controller; poate fi o combinatie hardware,
software sau firmware. Gazda are implicit un hub care se numeste
Root Hub si pune la dispozitie unul sau mai multe puncte de legtur.
Punctele de legtur se numesc porturi. Hub-urile si functiile USB
sunt referite global ca dispozitive USB. Un hub furnizeaz puncte de
legtur suplimentare, iar o functie furnizeaz facilitti suplimentare
sistemului. Dispozitivele USB recunosc protocolul USB, rspund la
operatii standard si recunosc informatia descriptiv din informatia
vehiculata n magistral. n ceea ce priveste initiatorul
transferurilor de date pe magistral, acesta este doar gazda.
Protocolul folosit este un protocol prin interogare (de tip
polled). Datele vehiculate pe magistral sunt grupate n pachete; o
tranzactie de magistral implic transmiterea a cel mult trei
pachete. Fiecare tranzactie ncepe prin trimiterea de ctre gazd a
unui pachet de semnalizare -token packet- care descrie tipul si
sensul tranzactiei, adresa dispozitivului USB si numrul nodului
destinatie (endpoint). Dispozitivul adresat se autoselecteaz prin
decodificarea adresei ce-i corespunde. Urmeaz transferul de date de
la gazd spre dispozitivul adresat sau invers, dup cum este
specificat n pachetul de semnalizare.
2
Receptorul rspunde n aceast tranzactie printr-un pachet de
dialog -handshake packet prin care se confirm (sau nu) ncheierea cu
succes a transferului de date. Aspectele electrice si mecanice ale
interfetei sunt reglementate foarte precis n specificatiile de
magistral. Semnalele electrice sunt vehiculate sub form de semnal
diferential (D+ si D-) si sunt posibile dou rate de transfer: 12
Mbps (full-speed) si 1.5 Mbps (low-speed). Ambele rate de transfer
sunt suportate n aceeasi magistral prin comutare dinamic automat
ntre moduri. Semnalul de tact (clock) este transmis codificat
simultan cu datele diferentiale. Codificarea utilizat este NRZI cu
mpnare de biti (bit-stuffing). Transportarea semnalelor se face
printr-un cablu cu patru fire conductoare. Semnalul util este
transportat pe dou conductoare torsadate. Pe celelalte dou
conductoare cablul mai transport tensiunea de alimentare nominal de
+5V (VBUS) si potentialul de referint (GND). n acest fel pot fi
alimentate prin cablul de legtur dispozitive conectate la
magistral. n Fig. 1.2. este reprezentat un cablu USB.
Toate dispozitivele au o conexiune n sus, amonte (upstream) si
una sau mai multe conexiuni n jos, aval (downstream). Conectorii
pentru aceste legturi nu sunt interschimbabili, eliminnd
posibilitatea de buclare la hub. Alimentarea dispozitivelor este o
problem de magistral la USB. Gazda poate furniza alimentare
dispozitivelor USB conectate direct. Din punctul de vedere al
alimentrii, dispozitivele pot fi dispozitive care dispun de surs
proprie de alimentare (self powered device) sau dispozitive care se
alimenteaz prin cablu (bus powered device). Un hub poate, ca si
gazda, s furnizeze alimentare dispozitivelor atasate. Un atu al USB
este siguranta crescut a transferurilor de date, se poate spune c
este o magistral robust. La asigurarea acestei calitti si dau
concursul o serie de factori: principii functionale, accesorii
implementate n acest scop, restrictii constructive bine definite.
Acesta este principalul motiv pentru care semnalele purttoare de
informatie sunt semnale electrice diferentiale. Pentru a garanta
securitatea datelor este implementat un aparat CRC (soft, hard sau
combinat). n caz de eroare sistemul hotrste retransmiterea de trei
ori a pachetului alterat, dup care este informat utilizatorul care
decide asupra modului de actionare.
3
Usurinta cu care este utilizat USB rezult din atributul special
de tip plugand-play al acestei magistrale. USB accept cuplarea si
decuplarea de dispozitive n orice moment; sistemul software se
adapteaz dinamic la modificrile fizice de topologie. Un dispozitiv
USB este plasat fizic n structur prin atasarea la portul unui hub.
Hub-ul dispune de indicatori de stare la fiecare port pentru a
semnaliza cuplarea sau decuplarea unui dispozitiv. Gazda sesizeaz
semnalizarea de la hub si atribuie o adres unic dispozitivului. Dup
aceea constat dac dispozitivul este o functie sau un hub. La
decuplare hub-ul dezactiveaz portul si indic gazdei acest eveniment
care este tratat n continuare de soft-ul gazdei. Pentru a se adapta
dinamic, sistemul software USB este permanent ntr-un proces de
inventariere a magistralei (bus counting).
1.2. ELEMENTE ARHITECTURALE 1.2.1. Tipuri de transferuri
USBArhitectura USB distinge patru tipuri de baz de transferuri de
date: transferuri de control (Control Transfers) - sunt folosite
pentru configurare si comand si obligatoriu trebuie s fie suportate
de toate perifericele; transferuri cu volum mare de date (Bulk Data
Transfers) - permit dispozitivelor s schimbe cantitti mari de
informatie cu gazda pe msur ce magistrala devine disponibil,
(ex.:camere digitale, scannere sau imprimante); transferuri prin
ntreruperi (Interrupt Data Transfers) - a fost proiectat ca suport
pentru periferice de intrare controlate de om, (tastatur, mouse,
joystick), care au nevoie s comunice rar, cantitti mici de date;
datele transferate n acest mod sunt caractere, coordonate sau
semnalizri de evenimente organizate n unul sau mai multi octeti;
transferuri izocrone (Isochronous Transfers) - asigur un acces
garantat la magistral, flux de date constant si tolereaz erorile de
transmisie; datele izocrone sunt continue si n timp real la toate
nivelele: generare, emisie, receptie si utilizare la receptor;
acest tip de transfer este folosit pentru fluxuri de transfer n
timp real cum ar fi sistemele audio.
1.2.2. Dispozitive USBDispozitivul USB este numit n specificatii
device. Toate dispozitivele sunt accesate printr-o adres USB care
se atribuie la atasarea acestuia n sistem. Fiecare dispozitiv USB
poate dispune de una sau mai multe pipe-uri prin care
4
gazda comunic cu dispozitivul. Toate dispozitivele posed un pipe
special, endpoint zero, care este privit ca pipe de control.
Mecanismul de accesare a informatiei prin acest port este comun
tuturor dispozitivelor. Pipe-ului endpoint zero i este asociat
informatia ce descrie complet dispozitivul USB: informatie standard
- clasa de dispozitiv, informatii de power management, productor;
informatie de clas - semnificatia depinde de clasa de dispozitive;
informatii de productor - la alegerea productorului. Exist dou
clase de dispozitive: hub (distribuitor) si functie.
1.2.2.1. Dispozitive HUBDispozitivele hub sunt elemente cheie n
arhitectura plug-and-play a USB. Fig. 1.3. arat un hub tipic .
Hub-urile sunt folosite pentru a simplifica conectica din
punctul de vedere al utilizatorului si totodat determin un sistem
robust si ieftin. Punctele de atasare se numesc porturi. Exist un
port spre gazd (amonte upstream port) si mai multe porturi spre
alte dispozitive (aval - downstream port). Un hub are dou
componente: un repetor (Hub Repeator) si un controler (Hub
Controller). Repetorul este un comutator comandat prin protocol,
care face legtura ntre portul amonte cu unul din porturile aval.
Controlerul contine registre de interfat care fac posibil
comunicarea cu gazda, pentru configurare si comand.
1.2.2.2. Dispozitive functiiFunctia este un dispozitiv USB
capabil s transmit informatii de date sau control prin magistral. n
mod obisnuit, o functie este un periferic independent cu un cablu
care se ataseaz la un port al unui hub. Este posibil ca o unitate
fizic s includ mai multe functii si un hub, dispunnd de un singur
cablu de conexiune. Acesta se numeste dispozitiv compus si este
vzut de gazd ca un hub cu mai multe dispozitive nedetasabile.
Fiecare functie posed informatie de configurare prin care sunt
descrise pentru gazd facilittile si resursele necesare. Exemple de
functii de dispozitiv:5
dispozitiv de localizare - mouse, tablet digitizoare, light pen;
dispozitiv de intrare - tastatura; dispozitiv de iesire -
imprimanta; adaptor de telefonie - ISDN.
Fig. 1.4. prezint un sistem USB la un calculator PC model
desktop.
1.2.3. Gazda USBGazda ocup o pozitie special n coordonarea
sistemului USB. Pe lng pozitia fizic special, gazda are
responsabilitti speciale n ceea ce priveste magistrala si
dispozitivele atasate. Controleaz accesul la magistral; un
dispozitiv are acces la magistral doar dac i este acordat de gazd.
Gazda este responsabil pentru urmtoarele actiuni: detectarea
conectrii/deconectrii de dispozitive USB; administreaz trasferurile
de control ntre gazd si dispozitive USB; administreaz transferurile
de date ntre gazd si dispozitive USB; culege informatii de stare si
statistici de activitate; furnizeaz alimentare dispozitivelor USB
atasate. Gazda interactioneaz cu dispozitivele USB prin controlerul
gazdei. Exist de asemenea o interactiune ntre software-ul de sistem
si software-ul de dispozitiv pe urmtoarele cinci domenii: numrare
si configurare de dispozitive; transferuri izocrone; transferuri
asincrone de date; administrarea alimentrii (power management);
informatii de administrare de magistral si de dispozitiv.
1.2.4. Extensii arhitecturale6
Arhitectura USB este extensibil la nivelul interfetei dintre
driver-ul Host Controller-ului si driver-ul USB. n viitor este
posibil s se dezvolte arhitecturi cu mai multe Host Controller-e si
cu drivere asociate.
1.3. FLUXUL DE DATE N MAGISTRALA USB 1.3.1. Reprezentarea
elementelor functionaleUn mod simplu de a vedea legtura ntre gazd
si dispozitive este reprezentat n Fig. 1.5. O abordare mai profund
este reprezentat n figura urmtoare, Fig. 1.6.
Dispozitivul fizic USB este o component hardware aflat la captul
unui cablu, capabil s execute functii utile. Componenta
client-software este reprezentat de software-ul care ruleaz pe
gazd; fiecrui dispozitiv i corespunde o component client-software
care se regseste la gazd. Aceasta se livreaz fie cu sistemul de
operare, fie odat cu dispozitivul USB.7
Componenta sistem-software-USB este software-ul care suport
magistrala USB ntr-un sistem de operare particular. Aceast
component se livreaz cu sistemul de operare si este independent de
dispozitivul USB particular sau de componenta client-software.
Componenta controler-gazd-USB (USB-Host Controller) reprezint
interfata spre magistral a controlerului si este constituit din
hardware+software care permit dispozitivelor s se ataseze la gazd.
Responsabilittile si drepturile sunt mprtite ntre cele patru
componente descrise. O simpl conexiune gazd-dispozitiv presupune o
interactiune pe mai multe nivele ntre mai multe entitti. Nivelul
interfetei spre magistrala USB furnizeaz conectarea fizic a
semnalelor ntre gazd si dispozitiv; Nivelul dispozitiv USB
reprezint modelul care execut operatii generice ntre
software-sistem si dispozitiv; Nivelul functie USB reprezint
modelul care confer facilitti suplimentare gazdei prin entitatea
client-software adecvat dispozitivului; Nivelele dispozitiv USB si
functie USB modeleaz o comunicatie logic, comunicatie ce se
realizeaz efectiv fizic prin nivelul interfetei spre magistrala
USB.
1.3.2. Topologia fizic a magistraleiDispozitivele sunt conectate
la gazd printr-o retea de tip stea (multipl) ca n Fig. 1.7.
Punctele de atasare sunt puse la dispozitie prin clasa de
dispozitive numite hub (distribuitor). Punctele de atasare sunt
porturile. Gazda are un hub inclus, numit root-hub (RH n figur)
prin care furnizeaz unul sau mai multe puncte de
8
legtur. Dispozitivele care confer gazdei facilitti suplimentare
se numesc functii. ntr-un dispozitiv fizic pot fi nglobate mai
multe functii. Unitatea fizic contine n acest caz un hub la care
sunt atasate permanent n configuratie fix functiile individuale;
acesta este un dispozitiv compus.
1.3.3. Topologia logic a magistralein timp ce conexiunea fizic
este o stea multipl, gazda comunic cu fiecare dispozitiv logic ca
si cum ar fi direct conectat la hub-ul rdcin (root hub). Modelul
logic este ilustrat n Fig. 1.8.
1.3.4. Relatia ntre client-software si functieDesi att topologia
fizic ct si topologia logic reflect caracterul partajat al
magistralei USB, la activarea unei functii, imaginea interactiunii
dintre componenta client-software si functie este ca si cum nu ar
exista alte elemente n sistem. Client-software interactioneaz doar
cu interfata de interes. Modelul de interactiune este redat in Fig.
1.9.
9
1.4. INTERFATA ELECTRIC 1.4.1. Caracteristicile circuitelor
emittoareUSB foloseste circuite diferentiale pentru elaborarea
semnalului electric emis pe cablul USB. Nivele de tensiune
garantate de aceste circuite sunt cele din Tabelul 1.1.
Iesirile circuitelor emittoare de magistral trebuie s fie de tip
three-state pentru a permite operatii bidirectionale half-duplex.
Structura unui circuit emittor de magistral este reprezentat n Fig.
1.10
Rezistenta RS este inclus n structura emittorului. Rezistenta
echivalent de iesire a emittorului trebuie s fie ntre 28W si 44W.
Specificatiile de magistral prevd restrictii si pentru timpii de
crestere si descrestere ai semnalului de date. Acesta se msoar ntre
10% si 90% din excursia semnalului care poate s ia valori ntre
-1.0V si +4.6V. Figura 1.11. defineste timpii de crestere (rise
time) si descrestere (fall time).
10
VCRS, potentialul de intersectie al semanlului diferential
(Crossover voltage), poate lua valori ntre 1.3V si 2.0V.
1.4.2. Caracteristicile circuitelor receptoareReceptorul de
linie este un circuit cu intrare diferential. Nivelele de tensiune
acceptate la intrare sunt cele din Tabelul 1.2.
11
Bibliografie[1] C. Gerigan, P. Ogrutan, Tehnici de interfatare,
Editura Transilvania Brasov
12
