Устройства шины USB: функции, хабы. Хост-контроллер

Реферат

По дисциплине: «Интерфейсы периферийных устройств»

На тему: «Устройства шины USB: функции, хабы. Хост-контроллер»

                                                                            Группа:                     

                                                                            Студент:                       

                                                                            Преподаватель:               

Новосибирск - 2010

Содержание

Введение                                                                                                             2

  Устройство шины USB                                                                                    3

  Функционирование шины USB                                                                       3

  Хабы                                                                                                                   5

  Хост-контроллеры                                                                                            7

  Хост-контроллер UHCI                                                                                    8

  Хост-контроллер OHCI                                                                                    9

Использованные материалы                                                                             11

            Введение

          Шина USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно - версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициировна весьма авторитетными фирмами - Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq.
          Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками - создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов. Кроме этого, желательно питание маломощных устройств подавать с самой шины. Скорость шины должна быть достаточной для подавляющего большинства периферийных устройств. Попутно решается историческая проблема нехватки ресурсов на внутренних шинах. IBM PC совместимого компьютера - контроллер USB занимает только одно прерывание независимо от количества подключенных к шине устройств.

Практически все поставленные задачи были решены в стандарте на USB и весной 1997 года стали появляться компьютеры, оборудованные разъемами для подключения USB устройств, но периферия с подключением к USB  до середины 1998 года  так практически и не появилась. В чем дело? Почему только к концу 1998 года уже существенно активнее производители оборудования стали предлагать на рынке устройства с USB интерфейсом? Этому есть несколько объяснений:

        отсутствие острой необходимости для пользователей настольных компьютеров в устройствах с полной поддержкой Plug&Play. Периферия к настольному компьютеру подключается, как правило, всерьез и надолго и особой нужды в частой смене периферии у подавляющего большинства пользователей нет.

        более высокая стоимость устройств с USB по сравнению с аналогичными устройствами, имеющими стандартные интерфейсы

        отсутствие поддержки со стороны производителей программного обеспечения и, главным образом, Microsoft, хотя она и была одним из авторов стандарта. Только в Windows 98 появилась полная поддержка USB.

            Устройство шины USB

В настоящее время действует спецификация версии 2.0, описывающая шину с расширенными возможностями.

Архитектура интерфейса USB включает три категории компонентов:

- коммуникации;

- устройства;

- хост-контроллеры.

Коммуникации определяют топологию шины (модель соединения контроллера и устройств), модель выполнения задач, модель обмена данными и разделения ресурсов шины.

В категории устройств различают устройства-хабы (концентраторы), то есть компоненты, способные обеспечить дополнительные точки подключения, и функциональные устройства, которые являются конечным звеном топологии сети USB. Корневой концентратор (хост-контроллер) является ведущим компонентом интерфейса USB, обеспечивая все функции.

К хост-контроллеру подключают либо функциональные устройства, либо концентраторы для увеличения числа доступных портов. Допускается организация до пяти уровней топологии, что в сумме обеспечивает подключение до 127 абонентов.

Функционирование шины USB

Функциональное устройство с позиции контроллера USB — это конечная точка в топологии шины, с которой возможен обмен данными. Одно физическое устройство может содержать несколько точек. В обязательном порядке в устройстве присутствует точка с номером 0. До конфигурирования устройства через точку 0 остальные каналы недоступны.

Таким образом, конечная точка — это тупик логического канала данных между хостом и устройством. В свою очередь канал — это логическое соединение между хостом и устройством. Если конечных точек в физическом устройстве несколько, то обмен данными между хост-контроллером и устройством проходит в многоканальном режиме.

Полоса пропускания шины делится между всеми установленными каналами. Шина USB предоставляет каналы нескольких типов:

- Каналы сообщений являются двунаправленными и служат для передачи сообщений, имеющих строго определенный формат, необходимый для обеспечения надежной идентификации устройств.

-  Потоковые каналы являются однонаправленными. Они не имеют определенного формата, то есть обеспечивают обмен данными любого типа.

С практической точки зрения особый интерес представляет изохронный режим передачи потоковых данных в реальном времени. Этот режим используют для аудио- и видеоданных.

На некоторых материнских платах параметр «USB Controllers» по умолчанию выставлен в режим USB 1.1. Это связано с тем, что операционная система ХР без пакетов исправлений не поддерживает USB версии 2.0.

Для включения USB 2.0 в BIOS Setup необходимо сделать следующее:

1.  Перейдите в раздел On CHIP PCI Device (или Integrated Peripherals в других версиях BIOS).

2.  Установите значение Enabled в строке USB 2.0 Controlled.

3. В некоторых версиях BIOS следует установить значение V1.0+V2.0 в строке USB Controllers version.

Интерфейс USB 2.0 поддерживается всеми версиями операционной системы Windows XP, начиная с Service Pack 1.

Информация по шине USB передается пакетами. Обмен данными возможен только между хостом и устройством и не допускается напрямую между устройствами на шине. Предусмотрено три скоростных режима:

- Low Speed (низкоскоростной режим) с пропускной способностью до 1,5 Мбит/с;

- Full Speed (полноскоростной режим) с пропускной способностью до 12 Мбит/с;

- Hight Speed (высокоскоростной режим) с пропускной способностью до 480 Мбит/с.

Физические каналы связи организуются концентраторами и кабелями. Кабель представляет собой экранированную витую пару. Всего в USB-кабеле применяют 4 провода: два для передачи сигнала и два для подачи напряжения.

Для подключения устройств предназначены соединители типа «А» и типа «В». Разъемы типа «А» используют для постоянно подключенных устройств, например принтеров. Соединители типа «В» используются для периодически подключаемой периферии, например флэш-накопителей. Разъем mini-USB типа «В» предназначен для подключения малогабаритных устройств (мобильные телефоны, фотоаппараты, плееры).

Штекер серии "А"              Разъём типа “A”

Штекер серии "В"              Разъём типа “В”

Конструктивно разъемы сделаны так, что сначала происходит соединение шины питания, потом шины данных. Устройства, потребляющие небольшой ток (до 500 мА), могут быть запитаны от шины USB.

При подключении к шине USB нескольких устройств бывает так, что некоторые из них не работают или работают нестабильно. Обычно это объясняется превышением максимально допустимого тока нагрузки шины USB.

1.  Даем команду Пуск > Панель управления > Система. В диалоговом окне Система открываем вкладку Оборудование, щелчком на кнопке Диспетчер устройств открываем одноименное диалоговое окно.

2. В диалоговом окне Диспетчер устройств раскрываем список Контроллеры универсальной последовательной шины USB, выбираем строку Корневой USB концентратор. Щелчком дополнительной кнопки мыши открываем контекстное меню, выбираем пункт Свойства.

3.   В диалоговом окне “Свойства” открываем вкладку “Питание”. На панели “Подключенные устройства” в столбце “Требует питания” проверяем энергопотребление устройств.

4. Если общее энергопотребление устройств, подключенных к концентратору, близко к значению 500 мА или превышает его, физически переключаем одно из устройств на порт USB, принадлежащий другому концентратору.

5.    Если в компьютере не хватает свободных мощностей концентраторов USB, требуется установить внешний концентратор с собственным питанием или перевести одно из устройств на питание от электросети.

6.  В некоторых версиях BIOS существует параметр USB 2.0 HS Reference Voltage , управляющий питанием портов USB. Выставьте значение параметра Hight или Maximum.

Хабы

Концентратор (хаб) в USB выполняет коммутацию сигналов и выдачу питающего напряжения, а также отслеживает состояние подключенных к нему устройств, уведомляя хост об изменениях. Хаб состоит из двух частей - контроллера (Hub Controller) и повторителя (Hub Repeater). Повторитель представляет собой управляемый ключ, соединяющий выходной порт со входным. Он имеет средства поддержки сброса и приостановки передачи сигналов. Контроллер содержит регистры для взаимодействия с хостом. Доступ к регистрам осуществляется по специфическим командам обращения к хабу. Команды позволяют конфигурировать хаб, управлять нисходящими портами и наблюдать их состояние. 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.

Нисходящие (Downstream) порты хабов могут находиться в следующих состояниях:

* Powered (*(питание отключено) - на порт не подается питание (возможно только для хабов, коммутирующих питание). Выходные буферы переводятся в высокоимпедансное состояние, входные сигналы игнорируются.

* Disconnected (отсоединен) - порт не передает сигналы ни в одном направлении, но способен обнаружить подключение устройства (по отсутствию состояния SEO в течение 2,5 мкс). Тогда порт переходит в состояние Disabled, а по уровням входных сигналов {DiffO или Diff1 в состоянии Idle) он определяет скорость подключенного устройства.

* Disabled (запрещен) - порт передает только сигнал сброса (по команде от контроллера), сигналы от порта (кроме обнаружения отключения) не воспринимаются. По обнаружении отключения (2,5 мкс состояния SEO) порт переходит в состояние Disconnect, а если отключение обнаружено "спящим" хабом, контроллеру будет послан сигнал Resume.

* Enabled (разрешен) - порт передает сигналы в обоих направлениях. По команде контроллера или по обнаружении ошибки кадра порт переходит в состояние Disabled, а по обнаружении отключения - в состояние Disconnect.

* Suspended (приостановлен) - порт передает сигнал перевода в состояние останова ("спящий" режим). Если хаб находится в активном состоянии, сигналы через порт не пропускаются ни в одном направлении. Однако "спящий" хаб воспринимает сигналы смены состояния незапрещенных портов, подавая "пробуждающие" сигналы от активизировавшегося устройства даже через цепочку "спящих" хабов.

Состояние каждого порта идентифицируется контроллером хаба с помощью отдельных регистров. Имеется общий регистр, биты которого отражают факт изменения состояния каждого порта (фиксируемый во время EOF). Это позволяет хост-контроллеру быстро узнать состояние хаба, а в случае обнаружения изменений специальными транзакциями уточнить состояние.

Хост-контроллеры

Хост-контроллер (HC) управляет передачей пакетов по шине. Использовались кадры в 1 миллисекунду. В начале каждого кадра хост-контроллер генерирует пакет начала кадра (SOF - Start of Frame).

Пакет SOF используется для синхронизации начала кадра и отслеживания количества кадров. Пакеты передаются с каждым кадром, как от хоста к устройству (исходящие), так и от устройства к хосту (входящие). Передачи всегда инициируются хостом (запрошенные передачи). В силу этого может быть только один хост на шине USB. Каждая передача пакета имеет период статуса, в котором сторона, принимающая данные, может возвратить ACK (подтверждение приема), NAK (повтор), STALL (условная ошибка) или ничего (потерянный период данных, недоступное устройство или отсоединение). Передачи больших объемов данных между устройством на шине USB и драйвером устройства делятся на множество пакетов хост-контроллером или драйвером HC.