Лекция 15. Протокол работы USB-шины.

Общие сведения об USB-шине

У любого компьютера, выпущенного в последнее время, вы обязательно обнаружите либо на лицевой панели, либо на задней стенке разъем USB. Шина USB (Universal Serial Bus) первоначально была разработана для обеспечения легкого подключения компьютера к телефонным линиям и расширения числа портов. Первая версия стандарта (версия 1.0) была выпущена в январе 1996 года. Сейчас в основном используется версия 1.1. Стандарт USB 1.1 вполне удовлетворяет всем требованиям при работе с низко-скоростными устройствами, вроде мышей и клавиатур, и даже с устройствами, работающими на средних скоростях, вроде Ethernet-адаптеров (10 Mbit/sec) или устройств бытовой электроники (таких, как цифровые камеры и MP3-плейеры), которые пересылают только несколько мегабайт данных. Но если на периферийное устройство или в обратном направлении необходимо пересылать большие объемы информации (примеры - жесткие диски, видеокамеры высокого разрешения, или одновременное использование нескольких сетевых адаптеров стандарта 100BaseT), то скорости, обеспечиваемые USB 1.1, уже недостаточны. Поэтому в 1999 году была разработана версия 2.0 стандарта USB, обеспечивающая более высокие скорости обмена данными.

Современные компьютеры обычно имеют контроллер USB-шины, установленный на материнской плате. Для USB версии 1.1 было разработано два типа таких контроллеров, отличающихся интерфейсом взаимодействия с USB-устройствами: OHCI (Open Host Controller Interface) фирмы Compaq и UHCI (Universal Host Controller Interface) фирмы Intel. Оба типа имеют примерно одинаковые возможности и USB-устройства работают с обоими типами контроллеров. Аппаратная часть UHCI-контроллеров проще, а значит, они дешевле, но зато требуют более сложных драйверов, что увеличивает нагрузку на процессор. Версия 2.0 стандарта USB использует улучшенный вариант интерфейса - EHCI (Enhanced Host Controller Interface).

Стандарт USB предусматривает строгую иерархию устройств, управляемых основным хостом, и использование протокола master/slave для управления подключаемыми устройствами. На один USB-разъем могут быть последовательно подключены до 127 устройств. Но непосредственно подключать одно устройство к другому нельзя, поскольку питание таких устройств осуществляется по той же шине. Поэтому для подключения дополнительных устройств используются специальные хабы, обеспечивающие снабжение этих устройств необходимой энергией. В результате USB-устройства образуют как бы дерево, каждая не конечная вершина которого является хабом. Поскольку любой обмен данными инициируется только хостом, и периферийные устройства не могут начать взаимодействие, исключена возможность коллизий, вследствие чего снижается стоимость устройств. Правда, такое решение приводит к некоторому снижению производительности. В результате USB-устройства версии 1.1 могут работать в двух режимах: так называемом low speed, обеспечивающем скорость передачи данных до 1.5 Mбит/сек, и full speed, в котором скорость передачи данных может составлять 12 Мбит/сек. Это только теоретический предел, а реально производительность шины даже в идеальных условиях не превышает 8,5 Мбит/сек., а в среднем составляет около 2 Мбит/сек.

Интерфейс EHCI, используемый в устройствах версии 2, обеспечивает режим работы high speed, для которого скорость передачи данных может достигать 480 Мбит/сек. Для того чтобы USB-устройства могли обмениваться данными с такой скоростью, и хост-контроллер и само устройство должны соответствовать стандарту USB 2.0 и обеспечивать работу с интерфейсом EHCI. Однако хост-контроллеры 2.0 успешно работают с устройствами версии 1.1. И наоборот, вполне можно подключать устройства USB 2.0 к хосту (и к хабам) версии USB 1.1 и они будут прекрасно работать, но со скоростью не более 12, а не 480 Мбит/сек.

В настоящее время разработан широкий спектр устройств, подключаемых по шине USB. Это клавиатуры, мыши, джойстики, игровые приставки, сканеры, модемы, принтеры, цифровые камеры, устройства хранения информации – дисководы гибких и жестких дисков, дисководы Zip, LS120 и CD-ROM. Очень перспективный и интересный класс таких устройств образуют накопители на основе Flash-памяти [1].

Физическая среда

Шина USB, обладает полосой пропускания 1,5 или 12 Мбит/с.

USB-кабель состоит из 4 проводников:

- два провода формируют витую пару, применяемую в дифференциальных передачах данных;

- остальные два представляют собой линии питания и заземления устройств, не имеющих собственного питания 5 В постоянного напряжения.

USB стандарт предполагает два вида кабеля и два варианта разъемов. High-speed (высокоскоростные) кабели, для связи 12Mb в секунду, лучше экранированы, чем их менее дорогие 1.5 Mb заменители. Каждый кабель имеет "А" разъем на одной стороне и "B" на другой. Рисунок 1 показывает как "А" разъемы подсоединяются к исходящему, а "В" к нисходящему. Таким образом два типа физически различны и невозможно подключить их неправильно.

Рис 1. USB топологоия "подключение звездой"

USB шина позволяет подключать до 127 устройств. Использование такого количества устройств возможно при многоуровневом каскадировании. Наглядно это объясняет следующий рисунок:

Это первая архитектурная 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 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 дополнительных портов, для подключения других устройств или клавиатуры, с разъемами для подключения мышей).

Надо обратить внимание, на то, что на пятом уровне комбинированное устройство использоваться не может. Кроме того отдельно стоит упомянуть о 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.

Отношения клиентского программного обеспечения и USB устройств: 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.

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

В обязанности хоста входит:

· Слежение за подключением и отключением устройств

· Организация управляющих потоков между USB-устройством и хостом.

· Организация потоков данных между USB-устройством и хостом

· Контроль состояния устроств и ведение статистики активности

· Снабжение подключенных устройств электропитанием

Аппаратной частью является хост-контроллер - посредник между хостом и устройствами на шине.

Программные функции (перечисление устройств и их конфигурирование, управление энергопотреблением, процессами передачи, устройствами на шине и самой шиной) возложены на операционную систему. Первой популярной операционной системой, в которой поддержка USB реализована была в полном объеме стала Windows 98 Second Edition. Некоторые устройства могут быть работоспособными и под более ранними версиями (98 без SE, и изредка 95), но далеко не все и не всегда.

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 (почему так происходит мы выясним позже при рассмотрении механизма обмена данными хост-устройство). 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.