Universal Serial Bus Alessandro Memo Settembre 2006

Indice degli argomenti 1.Storia 2.Generalità 3.Topologia 4.Componenti 5.Connessione 6.Alimentazione 7.Trasmissione 8.Codifica 9.Il Protocollo 10.Endpoint 11.Pipe 12.USB USB On-The-Go

Storia Un gruppo di aziende (Compaq, Digital Equipment, IBM, Intel, Microsoft e Northern Telecom) decidono di creare un nuovo standard di interfacciamento per PC La versione USB 1.0 viene pubblicata il , mentre la 1.1 il Il 27 Aprile 2000 nasce la versione 2.0, che apporta migliorie sulla velocità di trasferimento e compatibilità con le precedenti.

Generalità USB è un bus seriale esterno, che consente il collegamento e la rimozione di periferiche a caldo (hot swap) Supporta la tecnologia Plug and Play Se lassorbimento di corrente della periferica è basso, questa può essere alimentata tramite bus La versione 1.1 ha velocità di trasferimento dati diversificate: low [1,5 Mbit/sec] e full [12 Mbit/sec] La versione 2.0 ammette anche la modalità high [480 Mbit/sec]

Topologia La distanza massima per una connessione è di 5 m, anche se si possono raggiungere 30 m con 5 hub tra PC e periferica L'USB è un bus solo da un punto di vista logico. LUSB consente di connettere un massimo teorico di 127 dispositivi, distribuibili su cinque strati (max 5 hub). livello 1 livello 2 livello 3 livello 4 Host livello root

Componenti di un bus USB Host, (in generale è il PC) l'host controlla tutto il traffico sul bus, decidendone le priorità e le diverse modalità, rileva e configura le periferiche connesse. Hub, permettono di moltiplicare le connessioni USB. Sono essenzialmente dei multiplatori di segnali dotati di una porta di upstream verso lhost e di porte di downstream, indirizzate verso altri hub o dispositivi.

Componenti di un bus USB Gli hub registrano, nei loro bit di stato, le periferiche che vengono collegate o scollegate fisicamente al bus. Device, sono le periferiche connesse al bus mediante una porta USB. I device possono funzionare anche da hub.

Connessione LUSB usa cavi, prese e connettori standardizzati. I cavi sono di due tipi: non schermati per periferiche lente, con lunghezza massima di tre metri e schermati per periferiche veloci, con lunghezza fino a cinque metri.

Connessione I connettori alla estremità dei cavi sono diversi: il connettore verso lhub è detto tipo A, verso le periferiche tipo B.

Connettori Serie AConnettori Serie B le spine Serie A sono sempre orientate verso lHost (upstream) le spine Serie B sono sempre orientate verso il device (downstream) Spina A plug (dal device) Spina B plug (dallHost) Presa A receptacle (flusso downstream in uscita dallHost o dallHub) Presa B receptacle (flusso upstream in ingresso al device o allHub)

Connessione connettore (spina) tipo A connettore (spina) tipo B

Connessione

Alimentazione Sono previste tre modalità di alimentazione dei device: Self, Bus e Hybrid. Self: se il dispositivo ha unalimentazione autonoma e non preleva corrente dal cavo USB (self powered) Bus: se il dispositivo si alimenta tramite il cavo USB. In tal caso deve avvisare preventivamente lHost che preleverà una corrente, espressa in multipli di 100 mA low-power device: assorbe meno di 100 mA high-power device: assorbe al massimo 500 mA

Alimentazione Hybrid: se il dispositivo è parzialmente autoalimentato e comunque preleva una quota di corrente anche dal bus (previa negoziazione). un dispositivo bus-powered low power può essere collegato anche ad una linea gestita da hub un dispositivo bus-powered high power può avere inconvenienti se collegato ad una linea gestita da hub (meglio se collegato allHost).

Alimentazione Gli hub possono essere forniti di alimentazione propria oppure essere alimentati tramite il bus. Gli hub bus-powered non possono essere collegati in cascata e non possono avere più di quattro porte Un dispositivo che assorbe più di 100 mA, ma non dispone di alimentazione separata, non può essere connesso ad un hub alimentato dal bus.

Trasmissione Il cavo ha quattro fili, due per lalimentazione (Vbus e Ground) e due per i dati tra i due fili di alimentazione è presente una tensione nominale di 5 Volt la seconda coppia di fili (D+ e D-) serve alla trasmissione dei dati, con segnali di ampiezza massima di 3,3 Volt

Trasmissione Nello standard USB 1.1 la trasmissione avviene su linea differenziale (cioè il bit dipende dalla tensione su entrambi i fili), sui fili D+ e D-. Con due fili sono possibili 4 combinazioni: LOW SPEED nomeD+D- stato J (0)bassoalto stato K (1)altobasso Single Ended 0basso Single Ended 1alto FULL & HIGH SPEED nomeD+D- stato J (1)altobasso stato K (0)bassoalto Single Ended 0basso Single Ended 1alto

Trasmissione Per descrivere lo stato delle linee sul bus sono stati introdotti due simboli: J e K. In tal modo si uniformano le terminologie nelle comunicazioni low e full speed. Ad esempio la trasmissione sulla linea USB inizia sempre con una commutazione da stato J a stato K.

Codifica La codifica del segnale è la NRZI (No Return Zero Inverted) ; essa prevede la transizione per i bit 'zero' ed il mantenimento di livello per gli 'uno'. Per la sincronizzazione viene adottata la tecnica del bit stuffing (per gruppi di sei bit alti) Linizio del pacchetto è caratterizzato dalla sequenza , mentre la fine è marcata dallo stato Se0 per la durata di due bit, seguiti da un bit alto e dal passaggio in IDLE del trasmettitore.

Il Protocollo Tutti i trasferimenti sono iniziati dall'host, con metodo polling-selecting,inviando un pacchetto che, come un gettone, autorizza i terminali a comunicare. A questo punto, se la periferica è pronta, risponde allinvito e da ciò deriva l'instaurazione della trasmissione, tramite una procedura di handshaking. Gli indirizzi delle periferiche sono assegnati dall'host in maniera dinamica, con un processo che viene continuamente ripetuto.

Il Protocollo Quando un device USB si collega al bus, lhost che lo governa interroga il device utilizzando lindirizzo di default 0. Successivamente lhost assegna al device un indirizzo USB univoco nel bus. Lhost successivamente richiede altre informazioni quali: –classe di conformità del dispositivo –numero di endpoint posseduti –nome del costruttore –vendor ID/Product ID

Il Protocollo La comunicazione tra Host e device si definisce transfer. Ogni transfer si suddivide in una o più transaction, una per ogni coppia host-device Ogni transaction è suddivisa in packet, ed è composta da –un token packet che definisce il destinatario e il tipo di transaction –uno o più data packet –un handshake packet per il controllo dellerrore.

Protocollo SYNC PID DATA CRC TOKEN PACKET DATA PACKET HANDSHAKE PACKET TRANSACTION NSFERTRANSF TOKEN PACKET DATA PACKET HANDSHAKE PACKET TRANSACTION TRANSFER

Il Protocollo Il Packet contiene i seguenti campi: –8 bit di sincronismo (32 bit x high speed) –4+4 bit di Packet Identifier (PID) –ulteriori informazioni dipendenti dal PID –CRC del packet Per trasmissioni low/full speed le frame hanno un periodo di 1 mS (125 µS per high speed)

Endpoint Ogni device include al suo interno uno o più endpoint (punti terminali della comunicazione host-device). Gli endpoint possono essere di tre tipi: –IN (trasmette i dati allhost/hub) –OUT (riceve i dati dallhost/hub) –CONTROL (accesso bidirezionale) Cè una sola connessione fisica, ma diverse connessioni logiche tra host e device, dette PIPE.

Pipe Ogni Pipe è associata ad un endpoint. Ogni device, allavvio, deve attivare la control Pipe associata allendpoint0. La Pipe associata allendpoint0 è bidirezionale di tipo control. Le Pipe associate agli altri endpoint sono monodirezionali.

USB 2.0 Esempio di configurazione USB 1.1

USB 2.0 Esempio di configurazione USB 2.0

USB 2.0 Ruolo del software sullhost: Le applicazioni correnti del PC continuano ad operare con le periferiche USB 1.1 Il software di sistema rileva configurazioni limitanti (periferiche USB 2.0 collegate ad hub USB 1.1) ed avvisa lutente.

USB 2.0 Ruolo dellhub: Un hub USB 2.0 accetta transaction alla massima velocità ammessa e le inoltra a periferiche di entrambi gli standard, USB 2.0 ed USB 1.1. Ciò richiede capacità elaborative e di buffering. Lhub gestisce anche transizioni USB 2.0 inviate dallhost a device USB 1.1

USB On-The-Go Una estensione del USB chiamata USB-On- The-Go consente ad una singola porta di fungere sia da device che da host.

USB On-The-Go Per evitare una proliferazione dei connettori proprietari. USB-On-The-Go ha definito anche due connettori chiamati, mini-A e mini-B, molto più piccoli dei connettori precedenti. connettore (spina) tipo mini-A