Кагиров Р.Р. Лекции по Организации ЭВМ

Подождите немного. Документ загружается.

Шина USB (Universal Serial Bus)

Официальной датой рождения интерфейса USB можно считать 15 января

1996 года, когда он был утвержден Международной Организацией

Стандартизации (ISO). В разработке его принимали участие 7 крупнейших

компьютерных корпораций - Intel, DEC, IBM, NEC, Northern Telecom, Microsoft

и Compaq. Основная задача, стоявшая перед разработчиками – создать

скоростной универсальный интерфейс для подключения периферийных

устройств к компьютеру по системе Plug& Play. То есть подключение должно

производиться при включенном компьютере, причем система сразу

идентифицирует это устройство и при необходимости автоматически

устанавливает драйверы для него. Потребность в подобной шине возникла по

причине постоянной нехватки коммуникационных портов для периферии, с

которым постоянно сталкивались пользователи персональных компьютеров.

Как видно post factum, задачи были решены вполне.

Название USB (Universal Serial Bus) буквально означает «универсальная

последовательная шина». Первая спецификация USB – 1.0 – появилась в 1996

году, за ней в 1998ом последовала версия 1.1, и в 2000 году была анонсирована

спецификация 2.0, которая по сей день является самой совершенной. Первые

две особо друг от друга не отличались. Если отбросить детали, а

сконцентрироваться на основной характеристике шины – пропускной

способности, для первых двух спецификаций эта величина составляла 12 Мбит/

с, что в переводе на более привычные для оценки мегабайты не превышало 1

Мбайт/с. Для сравнения, скорость чтения данных с флэш-карт - более 4 Мбайт/

с, с дисков Iomega Zip 750 Мбайт - более 6 Мбайт/с, с CD-дисков - более 7

Мбайт/с. Таким образом, при использоваии внешних накопителей данных, где

прежде всего важна скорость считывания/записи, шина не выдерживала

конкуренции с более скоростным FireWire. Однако USB 2.0 кардинально

решила эту проблему, повысив максимальную пропускную способность в 40 (!)

раз – до 480 Мбит/с, или 60 Мбайт/с.

Сегодня USB - это очень популярная универсальная последовательная

шина. Предназначена для легкого подключения различного вида устройств это

клавиатуры, мыши, джойстики, колонки, модемы, мобильные телефоны,

ленточные, дисковые, оптические и магнитооптические накопители, флэш-

диски, сканеры и принтеры, дигитайзеры, словом все, что подключается к ПК.

Также, с ожиданием большого роста в области интеграции компьютеров и

телефонии, шина USB может выступать в качестве интерфейса для

подключения устройств цифровой сети с интегрированными услугами (ISDN) и

цифровых устройств Private Branch eXchange (PBX).

Пропускной способности в 480 Мбит/с в версии 2.0 достаточно для

удовлетворения потребностей всех этих применений в полной мере.

Добавление устройств больше не сопряжено с установкой дополнительных

131

адаптеров, выполнением сложного конфигурирования, ручным

инсталлированием дополнительного программного обеспечения: система

автоматически определяет, какой ресурс, включая программный драйвер и

пропускную способность, нужен каждому периферийному устройству и делает

этот ресурс доступным без вмешательства пользователя. Популярная

периферия сегодня доступна в вариантах с USB гораздо чаще, чем с другими.

Существовавшей раньше разницы в цене в 10-15-20 долларов и

заоблачных цен на внешние USB-контроллеры нет, более того, уже давно USB-

контроллеры интегрируются в чипсеты материнских плат, и пользователь

получает их в свое распоряжение практический задаром. USB вышел в массы и

нужно констатировать тот факт, что COM LPT и PS/2 порты медленно

умирают. Это та красивая внешняя сторона, которой USB обращена к

пользователю.

Внутри все несколько сложней. В последнее время стремление

производителей к четкой внутренней организации/структуризации мне все

время напоминает о модели OSI сетей передачи данных. Кто-то к ним дальше,

кто-то ближе но в целом:

Выделение отдельных функциональных блоков удачный и удобный

подход. И нет никакой необходимости искать приключений, изобретая что-то

новое.

USB шина позволяет подключать до 127 устройств. И в тоже время на

задней стенке обычно находится 2 или 4 порта. Дело все в том, что шина USB

позволяет многоуровневое каскадирование. Наглядно это объясняет

следующий рисунок:

132

Так мы выходим на первую архитектурную особенность шины USB: ее

логическая топология - многоуровневая звезда.

Самым верхним уровнем является корневой концентратор, который

обычно совмещается с USB контроллером. Если функции контроллера

понятны, то концентратор - устройство для периферийных интерфейсов не

привычное. В данном случае его функция такая же, что и концентраторов сетей

передачи данных - добавление новых портов для подключения большего числа

устройств. Ничего большего, чем просто разветвитель.

К корневому концентратору могут быть подключены либо устройства,

либо еще концентраторы, для увеличения числа доступных портов.

Допускается организация до пяти уровней. Концентратор может быть выполнен

в виде отдельного устройства, либо быть встроенным в какое-то другое. С этой

точки зрения устройства подключаемые к USB можно подразделить на

функциональные устройства, т.е. те которые выполняют какую-то конкретную

функцию и не берут на себя никаких дополнительных задач (например, мыши)

устройства-концентраторы в чистом виде выполняющие только функцию

только разветвления, и совмещенные (комбинированные) устройства, т.е.

имеющие в своем составе концентратор, расширяющие набор портов и

позволяющие подключать другие устройства (в качестве наиболее часто

встречающихся примеров можно назвать мониторы, позволяющие по USB

осуществлять настройку параметров, и обычно имеющих еще несколько

дополнительные порты, для подключения других устройств или клавиатуры, с

разъемами для подключения мышей).

Обратите внимание, на то, что на пятом уровне комбинированное

устройство использоваться не может. Кроме того, отдельно стоит упомянуть о

133

хосте, являющемся скорее программно-аппаратным комплексом, нежели

просто устройством.

Физическая топология шины – звезда:

Это объясняется тем, что каждый концентратор обеспечивает прозрачно

для хоста соединение с устройством.

В отличие от привычных старых интерфейсов, где взаимодействие можно

было (и нужно) осуществлять обращаясь к устройству по конкретным

физическим адресам памяти и портам ввода вывода, USB предоставляет для

взаимодействия программный интерфейс и только его, позволяя клиентскому

ПО существовать в отрыве от конкретного подключенного к шине устройства и

его конфигурации. Для клиентской программы USB - это лишь набор функций.

Все классы устройств уже были упомянуты. Теперь можно о каждом

поговорить немного подробнее.

Хост. Как уже было сказано ранее, программно-аппаратный комплекс.

У каждой шины USB должен бьггь один (и только один!) хост-

компьютер с контроллером USB. Хост делится на три основных уровня:

1. Интерфейс шины USB обеспечивает физический интерфейс и протокол

шины. Интерфейс шины реализуется хост-контроллером, имеющим

134

встроенный корневой хаб, обеспечивающий точки физического

подключения к шине (гнезда USB типа "А"). Хост-контроллер отвечает за

генерацию (микро)кадров. На аппаратном уровне хост-контроллер

обменивается информацией с основной памятьюкомпьютера, используя

прямое управление шиной (bus-mastering) с целью минимизации нагрузки

на центральный процессор.

2. Система USB, используя хост-контроллер(ы), транслирует клиентское

"видение" обмена данными с устройствами в транзакции, выполняемые с

реальными устройствами шины. Система отвечает и за распределение

ресурсов USB - полосы пропускания и мощности источников питания

(для устройств, питающихся от шины). Система состоит из трех

основных частей:

 Драйвер хост-контроллера - HCD (Host Controller Driver) - модуль,

привязанный к конкретной модели контроллера, обеспечивающий

абстрагирование драйвера USB и позволяющий в одну систему

включать несколько разнотипных контроллеров.

 Драйвер USB - USBD (USB Driver) - обеспечивает основной

интерфейс (USBDI) между клиентами и устройствами USB.

Интерфейс HCDI (Host Controller Driver Interface) между USBD и

HCD спецификацией USB не регламентируется. Он определяется

разработчиками ОС и должен поддерживаться разработчиками

хост-контроллеров, желающих иметь поддержку своих изделий

конкретными ОС. Клиенты не могут пользоваться интерфейсом

HCDI; для них предназначен интерфейс USBDI. USBD

обеспечивает механизм обмена в виде пакетов I RP (I/О Request

Packet - пакет запроса ввода-вывода), состоящих из запросов на

транспортировку данных по заданному каналу. Кроме того, USBD

отвечает за некоторое абстрактное представление устройства USB

клиенту, которое позволяет выполнять конфигурирование и

управление состоянием устройств (включая и стандартное

управление через конечную точку "0"). Реализация интерфейса

USBDI определяется операционной системой; в спецификации USB

излагаются только общие идеи.

 Программное обеспечение хоста реализует функции, необходимые

для функционирования системы USB в целом: обнаружение

подключения и отключения устройств и выполнение

соответствующих действий по этим событиям (загрузки требуемых

драйверов), нумерацию устройств, распределение полосы

пропускания и потребляемой мощности и т. п.

3. Клиенты USB - программные элементы (приложения или системные

компоненты), взаимодействующие с устройствами USB. Клиенты могут

взаимодействовать с любыми устройствами (их конечными точками),

подключенными к системе USB. Однако система USB изолирует

клиентов от непосредственного обмена с какими-либо портами (в

135

пространстве ввода-вывода) или ячейками памяти, представляющими

интерфейсную часть контроллера USB.

В совокупности уровни хоста имеют следующие возможности:

 обнаружение подключения и отсоединения устройств USB;

 манипулирование потоками управления между устройствами и хостом;

 манипулирование потоками данных;

 сбор статистики активности и состояний устройств;

 управление электрическим интерфейсом между хост-контроллером и

устройствами USB, включая управление электропитанием.

Хост-контроллер является аппаратным посредником между устройствами

USB и хостом. Программная часть хоста в полном объеме реализуется

операционной системой. До загрузки ОС может функционировать лишь

усеченная часть ПО USB, поддерживающая только устройства, требующиеся

для загрузки. Так, в BIOS современных системных плат имеется поддержка

клавиатуры USB, реализующая функции сервиса Int 18h. При загрузке системы

USB эта "дозагрузочная" поддержка игнорируется - система начинает работу с

контроллером "с чистого листа", то есть со сброса и определения всех

подключенных устройств. По окончании работы ОС передача состояния USB

"дозагрузочной" поддержке не предусматривается, так что для нее это событие

тоже может рассматриваться как первоначальное включение. В спецификации

РС'2001 выдвигается требование к BIOS поддержки USB в такой мере, чтобы

обеспечивалась загрузка ОС с устройств USB. USB поддерживает

динамическое подключение и отключение устройств. Нумерация

(перенумерация) устройств шины идет постоянно, отслеживая изменения

физической топологии. Все устройства подключаются через порты хабов. Хабы

определяют подключение и отключение устройств к своим портам и сообщают

состояние портов при запросе от контроллера. Хост разрешает работу порта и

адресуется к устройству через канал управления, используя нулевой адрес -

USB Default Address. При начальном подключении или после сброса все

устройства адресуются именно так. Хост определяет, является новое

подключенное устройство хабом или функцией, и назначает ему уникальный

адрес USB. Хост создает канал управления (control руре) с этим устройством,

используя назначенный адрес и нулевой номер точки назначения. Если новое

устройство является хабом, хост определяет подключенные к нему устройства,

назначает им адреса и устанавливает каналы. Если новое устройство является

функцией, уведомление о подключении передается диспетчером USB

заинтересованному ПО. Когда устройство отключается, хаб автоматически

запрещает соответствующий порт и сообщает об отключении контроллеру,

Который удаляет сведения о данном устройстве из всех структур данных. Если

отключается хаб, процесс удаления выполняется для всех подключенных к

нему устройств. Если отключается функция, уведомление посылается

заинтересованному ПО.

136

Концентратор (хаб). Позволяет множественные подключения к одному порту,

создавая дополнительные порты. Каждый хаб имеет один восходящий порт,

предназначенный для подключения к имеющемуся в наличии свободному

порту, и несколько нисходящих, к которым могут быть подключены или снова

концентраторы, или конечные устройства, либо совмещенные устройства.

Хаб должен следить за подключением и отключением устройств,

уведомляя хост об изменениях, управлять питанием портов. В концентраторе

стандарта USB 2.0 можно выделить 3 функциональных блока: контроллер,

повторитель, транслятор транзакций. Контроллер отвечает за соединения с

хостом. Понятие повторитель в USB несколько отличается от принятого в сетях

передачи данных. Его обязанность - соединять входной и какой-то нужный из

выходных портов. Транслятор транзакций появился лишь в USB 2.0 и нужен,

как всегда, из соображений совместимости с предыдущими версиями. Вкратце

его суть в том, что бы обеспечивать максимальную скорость соединения с

хостом. Подключенное к высокоскоростному (USB 2.0) порту старое медленное

(USB 1.1) устройство съедало бы значительную часть времени, а следовательно

и полезной пропускной способности шины, ведя обмен с хостом на низкой

скорости.

Как метод борьбы транслятор транзакций буферизирует поступающий с

медленного порта кадр, а затем на максимальной скорости передает его хосту,

или же буферизирует получаемый на максимальной скорости кадр от хоста,

передавая его затем устройству на меньшей, приемлемой для него скорости.

Помимо разветвления и трансляции транзакций хаб должен осуществлять

конфигурирование портов и слежение за корректным функционированием

подключенных к ним устройств. Нужно сказать также, что при использовании

старых и новых концентраторов вместе возможно создание неоптимальных с

точки зрения производительности конфигураций. Для того что бы избежать

создания узких мест в своей цепи, подключайте низкоскоростные устройства к

низкоскоростным хабам, которые в свою очередь делайте последними

уровнями ветвления и не подключайте их в середину высокоскоростной

цепочки.

Функциональное устройство. С точки зрения USB, устройство - это набор

конечных точек с которыми возможен обмен данными. Число и функции точек

зависят от устройства и выполняемых им функций, и определяются при

производстве. В обязательном порядке присутствует точка с номером 0 - для

контроля состояния устройства и управления им. До осуществления

конфигурирования устройства через точку 0 остальные каналы не доступны.

Каждая конечная точка устройства описывается следующими параметрами:

 Частотой обращения к шине и требованиями к задержкам

 Необходимой полосой пропускания

 Номером конечной точки

137

 Требованиями к обработке ошибок

 Максимальным размером кадра который может быть принят или

послан.

 Типом поддерживаемой передачи данных

 Направлением осуществления передачи между конечной точной и

хостом.

Для низкоскоростных (low-speed) устройств возможно существование до

двух дополнительных точек; для full-speed устройств их число ограничивается

лишь возможностями протокола и может достигать 15-ти для ввода и 15-ти для

вывода.

Вообще конечная точка - это конец логического канала данных между

хостом и устройством. В свою очередь канал - это логическое соединение

между хостом и устройством. Так как конечных точек у устройства

предусматривается несколько, то это означает, что обмен данными между хост-

контроллером и устройством на шине может проихсодить по нескольким

каналам, так называемый многоканальный режим.

Каналом (pipe) в USB называется модель передачи данных между хост-

контроллером и конечной точкой устройства. Имеются два типа каналов:

потоки и сообщения. Поток (stream) доставляет данные от одного конца канала

к другому, он всегда однонаправленный. Один и тот же номер конечной точки

может использоваться для двух поточных каналов - ввода и вывода. Поток

может реализовывать следующие типы обмена: передача массивов, изохронный

и прерывания. Сообщение (message) имеет формат, определенный

спецификацией USB. Хост посылает запрос к конечной точке, после которого

передается (принимается) пакет сообщения, за которым следует пакет с

информацией состояния конечной точки. Последующее сообщение нормально

не может быть послано до обработки предыдущего, но при отработке ошибок

возможен сброс необслуженных сообщений. Двусторонний обмен

сообщениями адресуется к одной и той же конечной точке.

С каналами связаны характеристики, соответствующие конечной точке

(полоса пропускания, тип сервиса, размер буфера и т. п.). Каналы организуются

при конфигурировании устройств USB. Для каждого включенного устройства

существует канал сообщений (Control Pipe 0), по которому передается

информация конфигурирования, управления и состояния.

Полоса пропускания шины делиться между всеми установленными

каналами. В распоряжение шина USB может предоставить каналы следующих

типов:

 Каналы сообщений. Являются двунаправленными каналами и

служат, не трудно сообразить, для передачи сообщений, имеющих

138

строго определенный в спецификации формат, необходимый для

обеспечения надежной идентификации и передачи команд.

Возникает канал при отсылке хостом запроса в устройства, и

управляет передачей только хост. Каналы сообщений используется

для передач только управляющего типа.

 Потоковые каналы. Являются однонаправленными. В отличие от

четко определенных сообщений не имеют определенного

закрепленного в стандарте формата, что означает возможность

передачи данных любого вида. Эти передачи могут

контролироваться не только хостом, но и устройством.

Используется для передач данных типа прерывание, групповая

пересылка, изохронная (смотрим ниже). В спецификации в

зависимости от типа передаваемых данных, предъявляемых

требований к скорости обработки, задержки доставки и т.п.

определены следующие типы передач.

 Управляющие передачи. Используются для конфигурирования

устройств во время подключения и выполнения других

специфических функций над устройством, включая организацию

новых каналов.

 Прерывания. Используются для спонтанных, но гарантированных

передач с гарантированными скоростями и задержками.

Используются обычно для передачи введенных данных от

клавиатуры или сведений об изменении положения указателя

мыши, в устройствах обратной связи, и.т.д

 Групповая пересылка. Используется для гарантированной передачи

данных больших объемов без предъявленных требований к

скоростям и задержкам. Занимает под себя всю свободную

пропускную способность шины. В любой момент доступная полоса

может быть урезана при необходимости осуществления передач

других видов с более высоким приоритетом, или добавлена, при

освобождении другими устройствами. Обычно такие передачи

используется между принтерами, сканерами, накопителями и др.

 Изохронные передачи. Используются для потоковых передач

данных в реальном времени. Резервируют определенную полосу

пропускания шины, гарантируют определенные величины задержек

доставки, но не гарантируют доставку (в случае обнаружения

ошибки повторной передачи не происходит. Передачи этого вида

используются для передачи аудио и видео трафика.

Обмен данными может осуществляться в трех скоростных режимах:

139

 Low Speed. Низкоскоростной режим. Скорость передачи составляет

1.5 Мбит/с.

 Full Speed. Полноскоростной режим. Скорость передачи 12 Мбит/с.

 High Speed. Высокоскоростной режим. Появился лишь в

спецификации 2.0. Скорость передачи 480 Мбит/с.

Информация по шине передается пакетами. Всего их определено 4 вида:

Маркерные пакеты.

 In - информируют USB устройство, что хост хочет читать данные из

устройства

 Out - информирует USB устройство, что хост хочет передавать

данные в устройство

 Setup - используются для обозначения начала управляющего типа

передачи данных

 SOF - пакеты начала кадра (Start of Frame Packets)

Пакеты данных.

Существуют два типа пакетов данных - DATA0, DATA1 , каждый из

которых способен содержать до 1024 байтов данных. У высокоскоростных

устройств для пакетов данных определены два других PID-a: DATA2 и

MDATA.

Пакеты подтверждения.

 ACK - подтверждение того, что пакет был успешно принят

 NAK - информирует, что устройство в данный момент не может

принимать либо отправлять данные. А в Interrupt транзакциях

сообщает хосту, что устройство не имеет новых данных для

передачи.

 STALL - указывает, что устройство неспособно передавать или

получать данные и требуется вмешательство хоста.

Специальные.

 PRE - предшествует низкоскоростной передаче данных.

Устройства на шине USB делятся на ведущие и ведомые. Фактически,

ведущих устройств на шине может быть только одно, и таковым является хост.

Все передачи данных инициируются хостом в соответствии определенной

временной программой. Функциональные устройства сами не могут

инициировать передачу, а лишь отвечают на запросы хоста. Обмен данными

возможен только между хостом и устройством, и не возможен на прямую

между устройствами подключенными к шине (это означает, что в принципе в

первую очередь USB - это шина вывода). Транзакции на USB шине состоят из

140