Vestavné mikropočítačové systémy 9. Týden – Datové komunikace III (USB)

USB – Universal Serial Bus Zatraceně povedený standnard – komplexní, promyšlený, rozšířený, jednoduchý, elegantní, použitelný, výkonný, … Jednoduché připojování periferií – nativní hot-plug Levné řešení podporující přenos do 480 Mbps Různé typy přenosů přizpůsobené reálným potřebám Sběrnice, ne port – až 127 zařízení Deterministická komunikace (bez kolizí) Počítá s napájením komunikačním kabelem Standardizované konektory, robustní i miniaturní Abyste mohli USB použít ve vlastních konstrukcích, nemusíte nutně vědět, jak funguje… ale pomůže to u zkoušky

USB – rychlosti a typy přenosů Rychlostní režimy low-speed (1,5Mbps) – klávesnice, myši, herní ovladače full-speed (12Mbps) – audio, komprimované video high-speed (480Mbps) – pevné disky, video Typy přenosů řídící – enumerace a konfigurace sběrnice interrupt – řídce se vyskytující, krátké přenosy (myš, klávesnice), řadič se periodicky dotazuje zařízeních, zda nechtějí provést přenos, zaručená perioda dotazování, zabezpečený přenos bulk – jednorázový zabezpečený přenos velkého množství dat (tiskárna, scanner) isochronní – nezabezpečený ale kontinuální přenos dat s danou periodou (real-time audio a video)

USB – vlastnosti sběrnice Role řadič (host) – jeden pro celou sběrnic, řídí sběrnici, provádí enumeraci a konfiguraci zařízení, alokuje logické kanály rozbočovač (hub) – větví sběrnici a umožňuje připojení více zařízení k řadiči nebo k jinému rozbočovači, lze kaskádovat až na 7 úrovní zařízení (device) – poskytuje službu (myš, klávesnice, klíčenka, tiskárna, scanner, pevný disk, mobil, fotoaparát apod.), k jednomu řadiči může být připojeno až 127 zařízení řadič kořenový rozbočovač zařízení hub řadič logické zařízení Logická topologie sběrnice Fyzická topologie sběrnice

USB – fyzická vrstva Mechanické vlastnosti typ A: zásuvka – výstup z řadiče nebo rozbočovače zástrčka – do řadiče nebo rozbočovače typ B: zásuvka – vstup do zařízení nebo rozbočovače zástrčka – do zařízení nebo rozbočovače Mini a mikro – použití v přenosných zařízeních, menší rozměry ale i robustnost 1 +5V 2 D+ 3 D- 4 GND 1 2 3 4 1 2 3 4

USB – fyzická vrstva Elektrické vlastnosti kabel má 4 vodiče, pro full a high speed musí být datový pár kroucený, charakteristická impedance 90  zařízení je možné napájet datovým kabelem, ale musí mít spotřebu < 500 mA a schopnost přejít do úsporného režimu klidový stav datového páru (kabel odpojen) je na straně řadiče definován dvěma pull-down rezistory a na straně zařízení jedním pull-up rezistorem zařízení se identifikuje jako low nebo full speed podle toho, jestli má pull-up rezistor připojen na D+ nebo D-, to také určuje počáteční podmínku pro výpočet NRZI, viz dále pull-up D+ pull-up D- low-speed – 1,5k full-speed

USB – linková vrstva Data se přenáší v paketech Kódování NRZI (Non-Return to Zero Invert) logické 1 odpovídá setrvání v předchozím stavu logické 0 odpovídá změna stavu Bit-stuffing – za každou 6. jedničku je vložena 0 kvůli udržení synchronizace Přítomnost stejného potenciálu na obou datových vodičích po dobu dvou bitů (tzv. SE0) signalizuje konec paketu 1

USB – protokol sync – synchronizační sekvence 00000001 transakce token paket data paket handshake paket sync PID adresa zařízení číslo endpointu CRC data sync – synchronizační sekvence 00000001 PID – typ paketu CRC – data jsou zabezpečena 16-ti ostatní 5-ti bitovým PID0 PID1 PID2 PID3

USB – povinné vlastnosti Odeslat device a configuration descriptor Přijmout příkaz SetAddress Přijmout příkaz SetConfiguration Provést vlastní reset když SE0 trvá déle než 10 ms Přijmout data pomocí posloupnosti OUT a DATA

USB – typy paketů Token pakety Data Handshake řídí provoz na sběrnici – hlavně směr SOF (Start Of Frame) – indikuje začátek 1 ms rámce IN – přenos dat od zařízení do řadiče OUT – přenos dat od řadiče do zařízení SETUP – signalizuje start řídícího procesu Data aplikační vrstva vnímá USB sběrnici jako „trubku“ dat od jednoho endpointu ke druhému datové pakety nejsou sběrnicí interpretovány, pouze se přenáší Handshake zabezpečení přenosu a řízení toku (brždění) ACK – kladné potvrzení, oznámení o správném doručení dat NAK – záporné potvrzení, většinou signalizuje, že data nemohou být přijata

USB – implementace USB hub – dostupné jednoúčelové integrované obvody USB zařízení – dostupné převodníky (např. od fy FTDI) Převodník USBUART (FT232R) Převodník USBFIFO (FT245R) USB řadič embedded procesory, který mají integrovaný USB řadič nemusí se řešit celé řízení sběrnice řadič hlásí nově zjištěná zařízení mechanismus virtuálních kanálů (pipes), pro příjem a odeslání dat

USB – příklad zapojení FT232R

USB – příklad zapojení FT245R

USB 3.0 Vydána v roce 2008, reálně v prodeji kolem roku 2010 Přínosy přenosová rychlost až 5Gbis/s dual-simplex (=duplex) nově zaveden asynchronní přenosový režim paketový tok je směrován vylepšené řízení spotřeby Co za to? propojovací kabel má 8 vodičů – 2 pro napájení, 2 pro USB 2.0 a 2x2 pro super-speed nové konektory, složitější, ale zpětně kompatibilní

USB 3.0 – propojovací kabel

USB 3.0 – konektory zařízení USB 2.0 bude v řadiči USB 3.0 fungovat, obráceně nikoliv Nové konektory obsahují původní piny + nové Standard-A Standard-B