Кагиров Р.Р. Лекции по Организации ЭВМ
Подождите немного. Документ загружается.
двух-трех актов: посылки пакета маркера, определяющего, что будет следовать
дальше (тип транзакции, адрес устройства и его конечную точку), пакета
данных (опционально), и пакета статуса транзакции (для подтверждения
нормального выполнения операции или сообщения об ошибке).
Кадры.
Вcе обмены (транзакции) с устройствами USB состоят из двух-трех
пакетов. Каждая транзакция планируется и начинается по инициативе
контроллера, который посылает пакет-маркер (token packet). Он описывает тип
и направление передачи, адрес устройства USB и номер конечной точки. В
каждой транзакции возможен обмен только между адресуемым устройством
(его конечной точкой) и хостом. Адресуемое маркером устройство распознает
свой адрес и готовится к обмену.
Источник данных (определенный маркером) передает пакет данных (или
уведомление об отсутствии данных, предназначенных для передачи). После
успешного приема пакета приемник данных посылает пакет квитирования
(handshake packet).
Последовательность пакетов в транзакциях иллюстрирует рис. 4.4.
Хост-контроллер организует обмены с устройствами согласно своему
плану распределения ресурсов. Контроллер циклически (с периодом 1,0±0,0005
мс) формирует кадры (frames), в которые укладываются все запланированные
транзакции (рис. 4.5).
141
Каждый кадр начинается с посылки маркера SOF (Start Of Frame),
который является синхронизирующим сигналом для всех устройств, включая
хабы. В конце каждого кадра выделяется интервал времени EOF (End Of
Frame), на время которого хабы запрещают передачу по направлению к
контроллеру. В режиме HS ракеты SOF передаются в начале каждого
микрокадра (период 12520,0625 мкс). Хост планирует загрузку кадров так,
чтобы в них всегда находилось место для транзакций управления и
прерываний. Свободное время кадров может заполняться передачами массивов
(bulk transfers). В каждом (микро)кадре может быть выполнено несколько
транзакций, их допустимое число зависит от длины поля данных каждой из
них.
Для обнаружения ошибок передачи каждый пакет имеет контрольные
поля CRC-кодов, позволяющие обнаруживать все одиночные и двойные
битовые ошибки. Аппаратные средства обнаруживают ошибки передачи, а
контроллер автоматически производит трехкратную попытку передачи. Если
повторы безуспешны, сообщение об ошибке передается клиентскому ПО.
Все подробности организации транзакций от клиентского ПО изолируются
контроллером USB и его системным программным обеспечением.
Физический уровень.
В отличие от громоздких дорогих шлейфов параллельных шин АТА и
особенно шины SCSI с ее разнообразием разъемов и сложностью правил
подключения, кабельное хозяйство USB простое и изящное. Кабель USB
содержит одну экранированную витую пару с импедансом 90 Ом для
сигнальных цепей и одну неэкранированную для подачи питания (+5 В),
допустимая длина сегмента - до 5м. Для низкой скорости может использоваться
невитой неэкранированный кабель длиной до 3м (он дешевле). Система кабелей
142
и коннекторов USB не дает возможности ошибиться при подключении
устройств. Для распознавания разъема USB на корпусе устройства ставится
стандартное символическое обозначение. Гнезда типа "А" устанавливаются
только на нисходящих портах хабов, вилки типа "А" - на шнурах
периферийных устройств или восходящих портов хабов. Гнезда и вилки типа
"В" используются только для шнуров, отсоединяемых от периферийных
устройств и восходящих портов хабов (от "мелких" устройств - мышей,
клавиатур и т. п. кабели, как правило, не отсоединяются).
Кроме стандартных разъемов, показанных на рисунке 4.1, применяются и
миниатюрные варианты (рис. 4.2, в, г, д). Хабы и устройства обеспечивают
возможность "горячего" подключения и отключения. Для этого разъемы
обеспечивают более раннее соединение и позднее отсоединение питающих
цепей по отношению к сигнальным, кроме того, предусмотрен протокол
сигнализации подключения и отключения устройств. Назначение выводов
разъемов USB приведено в табл. 4.1, нумерация контактов показана на рис. 4.2.
Все кабели USB "прямые" - в них соединяются одноименные цепи разъемов.
В шине используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и
D- по двум проводам. Скорость устройства, подключенного к конкретному
порту, определяется хабом по уровням сигналов на линиях D+ и D-, смещаемых
нагрузочными резисторами приемопередатчиков: устройства с низкой
скоростью "подтягивают" к высокому уровню линии D-, с полной - D+.
Подключаемые устройства, потребляющие небольшой ток, могут быть
запитаны от шины USB. Максимальный ток, который может обеспечить шина
равен 500 мА. Это ток, доступный всем устройствам на шине, а не на каждое из
127 возможных устройств (при этом на стадии подключения и
конфигурирования потребляемый ток не должен превышать 100 мА, в
противном случае устройство просто не будет инициировано). Для увеличения
доступной мощности питания на шине, концентраторы могут оснащаться своим
собственным блоком питания, однако такое решение не популярно.
143
Пример работы.
Итак, к шине подключено новое устройство. Обнаружение устройства, а
также и его скоростной режим определяется по скачку напряжения, который
имеет место быть при включении на шине данных. Этот скачок создается
подключением резистора к напряжению 3.3 В. Для низкоскоростных устройств
этот резистор подключается к шине D-, для полно- и высокоскоростных - к
шине D+. Обычно тот резистор делается программно управляемым для того,
что бы после обнаружения устройства его можно было отключить и
сбалансировать линию. Итак, новое устройство подключено и обнаружено.
Конфигурирование осуществляется через конечную точку с номером 0
(обмен информацией в этот момент происходит в полноскоростном режиме).
Загружаются необходимые драйверы. Устройство готово к работе.
Обмен данными. Случай первый: передача от хоста к устройству. В
принципе, никакой сложности нет. Как только такая необходимость возникла,
хост может инициировать передачу. Для этого он посылает устройству пакет
out (в знак того, что данные будет передавать он), затем посылает сами данные,
а затем принимает пакет ACK, подтверждающий, что данные устройством
получены без ошибок (если это не изохронный тип передачи, для которого
подтверждение не передается).
Обмен данными. Случай второй: от устройства к хосту. У устройства
возникла необходимость передать данные. НО! Оно не может никаким образом
дать знать об этом хосту. Таких средств в USB просто не предусмотрено. Для
того, что бы выполнить такую передачу, хост должен обратиться у устройству с
вопросом, не имеет ли оно желание чего-либо ему сказать (послав пакет in). В
ответ на что устройство вышлет ему имеющиеся данные и дождется получения
подтверждения (снова же, если ведется не изохронная передача).
Соответственно, если хост не обратиться с таким вопросом, то данные никогда
не будут переданы.
Обмен управляющей информацией. В принципе имеет ту же логику, но
используется передача типа управление и канал сообщений и специальные
пакеты.
Во время простоев в энергосберегающих целях устройства переводятся в
состояние suspend (и выход из этого состояния, передача информации о
пробуждении - единственный случай, когда устройство может стать
инициатором транзакции). Вообще состояний, в которых может пребывать
устройство, гораздо больше, но это основное из того, что нам было необходимо
знать для формирования общего представления о принципах работы.
144
USB On-The-Go
Ввиду огромной популярности интерфейса у всевозможной периферии к
стандарту было выпушено дополнение USB 2.0 On-The-Go, которое призвано
дать возможность устройствам обмениваться информацией между собой без
участия компьютера.
С появлением USB On-The-Go возможности применения универсальной
последовательной шины значительно возросли. Множество самых разных
устройств теперь может взаимодействовать друг с другом без посредничества
персонального компьютера.
После принятия дополнения USB On-The-Go многие производители
электронных компонентов начали разработку соответствующих микросхем.
Однако первым в этой области по праву может считаться Philips
Semiconductors. Созданный им один из первых OTG-совместимых USB-
контроллеров ISP 1161 стал своего рода катализатором, ускорившим процесс
внедрения технологии OTG в реально существующие устройства.
Немаловажно отметить, что демонстрационная плата ISP 1161 была
использована группой разработчиков стандарта OTG для проверки
соответствия устройств других производителей требованиям этого стандарта.
Архитектура OTG принесла в стандарт USB много новшеств. При работе
в режиме OTG устройства также как и в «обыкновенном» USB сохраняют роли
«ведущего» и «ведомого», однако в таком соединении участвуют только эти
два устройства. Вообще режим OTG поддерживает только соединения типа
«точка — точка». Причем устройство, которое в режиме OTG играло роль
«ведущего» в стандартном режиме становится обыкновенным «ведомым» USB-
устройством. Согласно спецификации USB On-The-Go различают 2 класса OTG
устройств:
Устройства, выполняющие двойную роль (могут быть как
«ведомыми» так и «ведущими»)
Только периферийные («ведомые») устройства.
Для первых характерно использование USB-соединителей типа «mini
AB», поддержка протокола HNP (Host Negotiation Protocol), возможность
питать шину током до 8 мА, а также инициализировать сессию связи
(«ведомое» устройство) или принимать запрос на установление сессии
(«ведущее» устройство) согласно протоколу SPR (Session Request Protocol).
Для вторых характерно использование USB-соединителей типа «mini B»
или штекера типа «mini A» на кабеле, который идет к устройству. «Ведомые»
устройства, в отличие от «ведущих», могут только инициализировать сессию
связи. Также ведомое устройство может потреблять ток от шины USB не более
8 мА.
145
Здесь уместно рассказать о соединителях, используемых в устройствах
OTG, тем более что выше уже упоминались некоторые из них. Вернемся
немного назад к обыкновенному USB. Для соединения USB-устройств
использовались соединители типа «A» прямоугольной формы (этот
соединитель вставляется в компьютер) и соединители типа «В» квадратной
формы (обычно вставляется в USB устройство).
К сожалению, использовать эту схему соединения в стандарте OTG
полностью не удалось. Ведь для того, чтобы устройство могло быть «ведомым»
и «ведущим» пришлось бы устанавливать сразу два соединителя.
Подобная проблема была решена просто и эффективно: конструкторы
разработали единый материнский разъем «mini AB», устанавливаемый на
устройство, поддерживающее стандарт OTG, а соединительный кабель на
одном конце армирован разъемом типа «mini A», а на другом — «mini B».
Конструкция подключения устроена таким образом, что находящееся на одном
его конце OTG-устройство определяет, что оно играет роль «ведущего», а
другое устройство, находящееся на противоположном конце кабеля, определяет
что оно «ведомое». Это достигается при помощи одного дополнительного
контакта в разъеме. На одном конце кабеля этот контакт соединен с землей и
подает на вход устройства уровень логического ноля (режим «ведущего
устройства»), а на другом конце кабеля соответствующий контакт соединен
через резистор с +5 В и подает на вход другого устройства уровень логической
единицы (режим «ведомого»).
Таким образом, соединительный кабель определяет, в каких режимах
будут работать подключенные к его концам устройства.
Для смены ролей «ведущего» и «ведомого» достаточно подключить
кабель наоборот.
Для справедливости следует отметить, что устройства могут поменять
режимы своей работы и при неизменном подключении кабеля (что допустимо в
рамках HNP). Происходит это следующим образом (обозначения приведены
согласно рис.): устройство [А] («ведущее») выставляет флаг «HNP Enable»
146
устройству [В]. Затем устройство [A] освобождает шину. Обнаружив это,
устройство [B] становится «ведущим». После этого устройство [A] подключает
свой нагрузочный резистор на +5 В, индицируя, что готово исполнять роль
«ведомого». Далее устройство [B] определяет устройство [A] как «ведомое»,
перезапускает его, присваивает ему идентификатор и использует.
Для соединения устройств, поддерживающих OTG, с устройствами,
оснащенными обыкновенными USB-разъемами, разработаны специальные
переходники.
Несомненно, стандарт USB ожидают большие перспективы. Внедрение
технологии OTG позволит значительно увеличить количество различных USB-
устройств и расширить предоставляемые ими возможности. Наличие
интерфейса USB является требованием к современным периферийным
147
устройствам. USB все более широко используется в разработках для
промышленных применений.
В то же время, для высокоскоростной передачи данных все более широко
начинает использоваться стандарт IEEE-1394, имеющий скорость передачи
данных 400 Мбит/с.
Основная сфера использования на сегодняшний день: интеграция между
собой современной цифровой аудио-видеотехники, современных устройств
хранения данных и компьютеров для их обработки. Также Philips
Semiconductors разрабатывает решения для беспроводного IEEE-1394,
используя патентованную технологию широкополосного ортогонального
частотно разнесенного мультиплексирования (W-OFDM) в диапазоне 2,4 ГГц.
148
Шина FireWire
Официальная история последовательного интерфейса IEEE1394
(известного так же под названиями FireWire или i-Link) началась с утверждения
12 декабря 1995 года документа, описывающего спецификацию 1394а.
Ведущую роль в разработке стандарта сыграла компания Apple, которая сразу
же сделала ставку на использование этого интерфейса в своих компьютерах.
Значительную поддержку интерфейсу IEEE1394 оказала индустрия бытовой
электроники, внедрившая его в любительские видеокамеры формата DV.
Сегодня любая DV-камера в обязательном порядке оснащается интерфейсом i-
Link. В 2000 г. вышла версия протокола 1394а-2000, а в 2004 г. утверждена
версия 1394Ъ.
Архитектура интерфейса IEEE1394 подразделяется на несколько уровней.
На физическом уровне (Physical Layer) реализованы аппаратные компоненты,
отвечающие за электрический интерфейс и управление физическим каналом.
На этом уровне обеспечивается интерфейс организуются следующие процессы:
интерфейс среды (Media Interface), отвечающий за состояние сигнала,
передаваемого по кабелям;
арбитраж (Arbitration) устройств;
кодирование/декодирование (Encode/Decode), то есть перевод данных в
электрические сигналы и наоборот.
На уровень выше физического расположен уровень канала (Link Layer).
Здесь обрабатываются уже готовые пакеты данных. Именно этот уровень
отвечает за пересылку данных и обеспечивает следующие процессы:
прием пакетов (Packet Receiver);
передача пакетов (Packet Transmitter);
контроль циклов (Cycle Control), в составе которых проходят пакеты.
Физический и канальный уровни реализованы аппаратно. Они полностью
отвечают за формирование сигнала из данных, формирование данных из
сигнала, прием/передачу в нужное время и в нужное место. В принципе, первых
двух уровней достаточно для организации синхронной передаче, когда не
требуется контролировать содержание передачи. При асинхронной передаче
необходимо подключать к работе дополнительные уровни.
На сетевом уровне (Transaction Layer) происходит проверка полученных
данных. Если ошибок не обнаружено (пакеты не потерялись и подтверждена их
целостность), данные отправляются потребителю. Если обнаружена ошибка,
происходит возврат на физический уровень и повторение передачи.
Два любых устройства на шине IEEE1394 образуют между собой
соединение типа точка-точка (point-to-point). Кроме того, интерфейс позволяет
объединять множество таких устройств и соединений в одну логическую сеть.
Для этого на физическом уровне (physical layer) допускается иметь больше
одного физического интерфейса на одном устройстве.
Работа интерфейса всякий раз начинается с прохождения сигнала сброса
(reset). Причиной для сброса может стать включение питания или физическое
изменение конфигурации сети (подключили новое устройство или отключили
149
старое). Со сброса шины начинается процесс инициализации сети.
Конфигурация, сформировавшаяся после инициализации, остается неизменной
до следующего сброса шины.
На следующем этапе происходит идентификация дерева (Tree
identification). Каждое устройство после включения проверяет, сколько
подключенных портов оно имеет — один (leaf) или несколько (branch). Затем
определяются родительские (parent) и дочерние (child) устройства (какое к
какому подключено). На основе этих данных строится дерево и определяется
корневое устройство для всего дерева.
Далее каждое из устройств получает свой собственный ID-узел внутри
дерева и выясняет, на каких скоростях могут работать его соседи, то есть
происходит самоидентификация (Self identification). Для адресации
используется метод 64-битной прямой адресации (48 бит на узел, остальные 16
бит используются дли идентификации шины), что позволяет организовать
иерархическую адресацию для 63 узлов на 1023 шинах. Единственное
ограничение — между двумя общающимися устройствами должно быть не
более 16 сегментов.
По завершении инициализации сети в действие вступает нормальный
арбитраж: устройства обмениваются данными, а корневое устройство следит за
тем, чтобы они друг другу не мешали. Устройство, которое хочет начать
передачу, вначале посылает запрос своему родительскому устройству.
Родительское устройство, получив запрос, запрещает передачу всем остальным
дочерним абонентам (в один момент обрабатывается только один запрос) и, в
свою очередь, передает запрос дальше, своему родительскому устройству, где
все повторяется. В итоге запрос доходит до корневого устройства, которое
разрешает передачу тому устройству, чей запрос пришел первым. Всем
остальным передача запрещается. Таким образом, если два устройства
одновременно пошлют запрос на передачу данных, то ответ будет зависеть от
того, чей запрос первым достигнет корневого устройства. Оно выигрывает
150