Вопросы(usb)

1. Какие преимущества обеспечивает применение интерфейса?

Легко реализуемое расширение периферии PC.

Дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Mбит/с.

Полная поддержка в реальном времени передачи аудио и (сжатых) видеоданных.

Гибкость протокола смешанной передачи изохронных данных и асинхронных сообщений.

Интеграция с выпускаемыми устройствами.

Доступность в PC всех конфигураций и размеров.

Обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок.

Создание новых классов устройств, расширяющих PC.

точки зрения конечного пользователя, привлекательны следующие черты USB:

Простота кабельной системы и подключений.

Скрытие подробностей электрического подключения от конечного пользователя.

Самоидентифицирующиеся ПУ, автоматическая связь устройств с драйверами и конфигурирование.

Возможность динамического подключения и конфигурирования ПУ.

2. Основные технические характеристики интерфейса.

Топология - многоярусная звезда до 5 уровней. Число устройств до 127. Длина линии связи до 25м, длина сегмента до 5м. Направление передачи - полудуплексное.

Информационные сигналы и питающее напряжение 5 В передаются по четырехпроводному кабелю. Используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам.

Кроме дифференциального приемника каждое устройство имеет линейные приемники сигналов D+ и D-, а передатчики этих линий управляются индивидуально. Это позволяет различать более двух состояний линии, используемых для организации аппаратного интерфейса.

Шина имеет два режима передачи. Полная скорость передачи сигналов USB составляет 12 Мбит/с, низкая - 1,5 Мбит/с. Сигналы синхронизации кодируются вместе с данными по методу NRZI

3. Какой режим обмена используется в этом интерфейсе?

USB обеспечивает одновременный обмен данными между хост-компьютером и множеством периферийных устройств (ПУ). Распределение пропускной способности шины между ПУ планируется хостом и реализуется им с помощью посылки маркеров. Шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

4. Как происходит обмен между устройствами, подключенными к USB?

Обмен по интерфейсу информацией производится на основании следующего принципа: на стадии автоконфигурации опрашивается состояние устройств и производится планирование кадра. Начало кадра SOF задается пакетом маркера, конец кадра EOF формируется хост-контроллером и в течение этого времени запрещается доступ к магистрали. Кадр состоит из нескольких трансакций, каждая из которых может включать в себя 3 пакета.

5. Какие типы устройств используются в интерфейсе? Чем они отличаются?

Устройства (Device) USB могут являться хабами, функциями или их комбинацией. Хаб (Hub) обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к шине. Функции (Function) USB предоставляют системе дополнительные возможности, например подключение к ISDN, цифровой джойстик, акустические колонки с цифровым интерфейсом и т. п. Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сброс) и предоставление информации, описывающей устройство. Многие устройства, подключаемые к USB, имеют в своем составе и хаб, и функции. Работой всей системы USB управляет хост-контроллер (Host Controller), являющийся программно-аппаратной подсистемой хост-компьютера.

6. Какие функции реализует хостконтроллер? Хаб?

Хост-компьютер общается с устройствами через контроллер. Хост имеет следующие обязанности:

* обнаружение подключения и отсоединения устройств USB;

* манипулирование потоком управления между устройствами и хостом;

* управление потоками данных;

* сбор статистики;

* обеспечение энергосбережения подключенными ПУ.

Системное ПО контроллера управляет взаимодействием между устройствами и их ПО, функционирующим на хост-компьютере, для согласования:

* нумерации и конфигурации устройств;

* изохронных передач данных;

* асинхронных передач данных;

* управления энергопотреблением;

* информации об управлении устройствами и шиной.

По возможности USB использует существующее системное ПО хост-компьютера – например, для управления энергопотреблением.

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 и повторителя. 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.

7. Какие типы передач поддерживают протоколы обмена?

В зависимости от решаемых задач, требуемой скорости передачи, достоверности передаваемых данных используются следующие типы передач:

* изохронная. Она должна передаваться в четко определенные моменты времени. Выполняется в режиме реального времени с фиксированной скоростью, но достоверность данных не гарантируется, т.к. нет времени для повторных передач.

*сплошные. Для обмена большими массивами, которые могут использовать любую доступную пропускную способность и могут быть задержаны. Передача не в реальном времени. Надежный обмен данными обеспечивается на аппаратном уровне с использованием обнаружения ошибок и автоматической повторной перссылки, но ограниченное число раз.

*передача типа прерывание. Используется для связи с устройствами, которые имеют умеренные требования по скорости и происходит нерегулярно. Если же такая передача требуется, то она должна быть реализована с требуемой скоростью. Данные прерывания обычно состоят из сообщений о произошедшем событии(мышь, клавиатура).

* передача типа управление. Пакетная непересекающаяся одиночная передача информацией. Хостконтроллер использует эти передачи в режиме запрос-ответ для инициализации устройств, конфигурации, получении информации о статусе устройств.

8. Форматы пакетов, передаваемых по интерфейсу. Какие преимущества обеспечивает многообразие пакетов?

Байты передаются по шине последовательно, начиная с младшего бита. Все посылки организованы в пакеты. Каждый пакет начинается с поля синхронизации Sync, которое представляется последовательностью состояний (кодированную по NRZI), следующую после состояния Idle. Последние два бита являются маркером начала пакета SOP, используемым для идентификации первого бита идентификатора пакета PID. В пакетах-маркерах IN, SETUP и OUT следующими являются адресные поля. Они позволяют адресовать до 127 функций USB (нулевой адрес используется для конфигурирования) и по 16 конечных точек в каждой функции.

В пакете SOF имеется 11-битное поле номера кадра (Frame Number Field), последовательно (циклически) увеличиваемое для очередного кадра. Поле данных может иметь размер от 0 до 1023 целых байт. Размер поля зависит от типа передачи и согласуется при установлении канала.

9. Как обеспечивается синхронизация? достоверность передаваемых данных? автоконфигурация? горячее подключение?

Все обмены (транзакции) по USB состоят из трех пакетов. Каждая транзакция планируется и начинается по инициативе контроллера, который посылает пакет-аркер (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 подтверждения (Handshake Packet).

Устойчивость к ошибкам обеспечивают следующие свойства USB:

* Высокое качество сигналов, достигаемое благодаря дифференциальным приемникам/передатчикам и экранированным кабелям.

* Защита полей управления и данных CRC-кодами.

* Обнаружение подключения и отключения устройств и конфигурирование ресурсов на системном уровне.

* Самовосстановление протокола с тайм-аутом при потере пакетов.

* Управление потоком для обеспечения изохронности и управления аппаратными буферами.

* Независимость функций от неудачных обменов с другими функциями.

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.

10. В чем особенности нулевой конечной точки?

Каждое устройство на USB имеет уникальный адрес и может содержать 16 виртуальных каналов, называемых конечными точками.

Все устройства, подключенные к USB, обязательно должны поддерживать конечную точку 0, через которую производится управление и конфигурация устройств. Конечная точка 0 всегда конфигурируется автоматически при подключении устройств к USB.

Каждая конечная точка характеризуется требованиям к частоте доступа и временем отклика USB, особенности реакции при обнаружении ошибок, тип передачи, направление передачи.

11. Какие электрические сигналы используются для передачи информации? Какая максимальная длина линии связи?

Особенностью USB является использование как потенциальных, так и дифф-х сигналов. С помощью потенциальных сигналов могут задаваться различные команды (начало/конец пакета, сброс устройства). В USB средний уровень сигнала может меняться.

12. В каких случаях целесообразно использование этого интерфейса? Его недостатки.

Хотя пиковая пропускная способность USB 2.0 составляет 480 Мбит/с (60 Мбайт/с), на практике обеспечить пропускную способность, близкую к пиковой, не удаётся. Это объясняется достаточно большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, шина FireWire хотя и обладает меньшей пиковой пропускной способностью 400 Мбит/с, что на 80 Мбит/с меньше, чем у USB 2.0, в реальности позволяет обеспечить бо́льшую пропускную способность для обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации.

13. Как оценить пропускную способность интерфейса в байтах передаваемых данных?

пропускная способность интерфейса оценивается делением скорости передачи информационных данных (в байтах) на время, за которое они прошли через интерфейс

14. Какие средства используются для согласования интерфейса с внешними устройствами?

- для работы с нестандартными устройствами предусмотрены коммуникационные контроллеры, которые являются интеллектуальными шлюзами. ????