Физический интерфейс. СтандартUSB определяет электрические и механические спецификации шины. Информационные сигналыи питающее напряжение 5 В передаются по четырехпроводному кабелю.
Используется дифференциальныйспособ передачи сигналов D и D- по двум проводам. Уровни сигналов передатчиковв статическом режиме должны быть ниже 0,3 В низкий уровень или выше 2,8 В высокийуровень. Приемники выдерживают входное напряжение в пределах - 0,5 3,8 В. Передатчикидолжны уметь переходить в высокоимпедансное состояние для двунаправленной полудуплекснойпередачи по одной паре проводов.
Передачапо двум проводам в USB не ограничивается дифференциальными сигналами. Кроме дифференциальногоприемника каждое устройство имеет линейные приемники сигналов D и D а передатчикиэтих линий управляютсяиндивидуально. Это позволяет различать более двух состояний линии, используемыхдля организации аппаратного интерфейса.
Состояния Diff0 и Diff1 определяются поразности потенциалов на линиях D и D- более 200 мВ при условии, что на одной изних потенциал выше порога срабатывания VSE. Состояние, при котором на обоих входахD и D- присутствует низкий уровень, называется линейным нулем SEO -Single-Ended Zero. Интерфейс определяет следующие состояния Data J State и Data К State - состояния передаваемогобита или просто J и К , определяются через состоянияDiff0 и Diff1. Idle State - пауза на шине. Resume State - сигнал пробуждения для вывода устройства из спящего режима. Start of Packet SOP - начало пакета переход из Idle State в К . End of Packet EOP - конец пакета.
Disconnect - устройство отключено от порта. Connect - устройство подключено к порту. Reset - сброс устройства. Состоянияопределяются сочетаниями дифференциальных и линейных сигналов для полной и низкойскоростей состояния DiffO и Diff1 имеют противоположное назначение.
В декодировании состояний Disconnect, Connect и Reset учитывается время нахождениялиний более 2,5 мс в определенных состояниях. Шинаимеет два режима передачи. Полная скорость передачи сигналов USB составляет 12 Мбит с, низкая - 1,5 Мбит с. Для полной скорости используется экранированная витая парас импедансом 90 Ом и длиной сегмента до 5 м, для низкой - невитой неэкранированньгйкабель до 3 м. Низкоскоростные кабели и устройства дешевле высокоскоростных. Однаи та же система может одновременно использовать оба режима переключение для устройствосуществляется прозрачно. Низкая скорость предназначена для работы с небольшим количеством ПУ, не требующихвысокой скорости.
Скорость, используемая устройством, подключенным к конкретномупорту, определяется хабом по уровням сигналовна линиях D и D смещаемых нагрузочными резисторами R2 приемопередатчиков см.рис. 7.2 и 7.3 . Сигналысинхронизации кодируются вместе с данными по методу NRZI Non Return to ZeroInvert, его работу иллюстрирует рис. 7.4. Каждому пакету предшествует поле синхронизацииSYNC, позволяющее приемнику настроиться на частоту передатчика.
Кабель также имеетлинии VBus и GND для передачи питающего напряжения 5 В к устройствам. Сечение проводниковвыбирается в соответствии с длиной сегмента для обеспечения гарантированного уровнясигнала и питающего напряжения. Рис.7.4. Кодирование данных по методу NRZI Стандартопределяет два типа разъемов см. табл. 7.1 и рис. 7.5 . Контакт Цепь Контакт Цепь 1 VBus 3 D 2 D- 4 GND Разъемытипа А применяются для подключения к хабам Upstream Connector. Вилкиустанавливаются на кабелях, не отсоединяемых от устройств например, клавиатура, мышь и т. п Гнезда устанавливаются на нисходящих портах Downstream Port хабов. Разъемы типа В Downstream Connector устанавливаютсяна устройствах, от которых соединительный кабель может отсоединяться принтеры исканеры. Ответная часть вилка устанавливается на соединительном кабеле, противоположныйконец которого имеет вилку типа А . Разъемытипов А и В различаются механически рис. 7.5 , что исключаетнедопустимые петлевые соединения портов хабов.
Четырехконтактные разъемы имеют ключи, исключающие неправильное присоединение.
Конструкция разъемов обеспечивает позднеесоединение и раннее отсоединение сигнальных цепей по сравнению с питающими. Дляраспознавания разъема USB на корпусе устройства ставится стандартное символическоеобозначение. Рис.7.5. Гнезда USB а - типа А , б - типа В , в - символическое обозначение Питаниеустройств USB возможно от кабеля Bus-Powered Devices или от собственного блокапитания Self-Powered Devices. Хост обеспечивает питанием непосредственно подключенныек нему ПУ. Каждый хаб, в свою очередь, обеспечивает питание устройств, подключенныхк его нисходящим портам. При некоторых ограничениях топологии допускается применениехабов, питающихся от шины. На рис. 7.6 приведен пример схемы соединения устройствUSB. Здесь клавиатура, перо и мышь могут питаться от шины. 4.Модель передачи данных Каждоеустройство USB представляет собой набор независимых конечных точек Endpoint, скоторыми хост-контроллер обменивается информацией. Конечные точки описываются следующимипараметрами требуемой частотой доступа к шине и допустимыми задержками обслуживания требуемой полосой пропускания канала номером точки требованиями к обработке ошибок максимальными размерами передаваемых и принимаемыхпакетов типом обмена направлением обмена для сплошного и изохронного обменов. Каждоеустройство обязательно имеет конечную точку с номером 0, используемую для инициализации, общего управления и опроса его состояния.
Эта точка всегда сконфигурирована привключении питания и подключении устройства к шине. Оно поддерживает передачи типа управление см. далее. Кроменулевой точки, устройства-функции могут иметь дополнительные точки, реализующиеполезный обмен данными.
Низкоскоростные устройства могут иметь до двух дополнительныхточек, полноскоростные - до 16 точек ввода и 16 точек вывода протокольное ограничение. Точки не могут быть использованы до их конфигурирования установления согласованногос ними канала. Каналом Pipe в USB называется модель передачи данных между хост-контроллером и конечнойточкой Endpoint устройства.
Имеются два типа каналов потоки Stream и сообщения Message. Поток 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 сплошной, изохронныйи прерывания. Доставка всегда идет в порядке первым вошел - первым вышел FIFO с точки зрения USB, данные потока неструктурированы.
Сообщения имеют формат, определенный спецификацией USB. Хост посылает запрос к конечной точке, после которогопередается принимается пакет сообщения, за которым следует пакет с информациейсостояния конечной точки. Последующее сообщение нормально не может быть посланодо обработки предыдущего, но при отработке ошибок возможен сброс необслуженных сообщений. Двухсторонний обмен сообщениями адресуется к одной и той же конечной точке.
Длядоставки сообщений используется только обмен типа управление. Сканалами связаны характеристики, соответствующие конечной точке полоса пропускания, тип сервиса, размер буфера и т. п Каналы организуются при конфигурировании устройствUSB. Для каждого включенного устройства существует канал сообщений ControlPipe 0 , по которому передается информация конфигурирования, управления и состояния. 5.