Serielle Busse: Literatur. Serielle Busse: Agenda. Serielle Busse: USB vs Serielle Busse: Motivation. PC-Technologie Serielle Busse 91

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1 Serielle Busse: Agenda Motivation für serielle Busse USB - Architektur USB - Treiber IEEE 39 (FireWire) Serielle Busse: Motivation warum neue Busse? Schnittstellengewirr des "legacy"- Überwinden der lästigen IRQ/DMA/IO Resourcenkonflikte Autokonfiguration Hot-Plugging Plattformunabhängige Standards (/Audio/Video/...) warum serielle Busse? so billig wie möglich, nicht schneller als nötig möglichst lange Kabel Probleme mit Übersprechen/Skew bei paralleler Übertragung Chips sind billig, Kupfer ist teuer NE-Karte ca. DM., UW-SCSI Kabel DM 3. Serielle Busse: Literatur developer.intel.com Kelm (Hrsg). USB, Universal Serial Bus, Franzis Verlag, 999 usb.sourceforge.net (USB for Linux homepage) (Hardware-Übersicht) Don Anderson Universal Serial Bus System Architecture, MindShare, (= Don Anderson FireWire System Architecture, MindShare, sourceforge.net (FireWire for Linux) Mike Teener, 39 overview Serielle Busse: USB vs. 39 welcher Bus für welche Anwendung? (Microsoft unterstützt beide) USB: ausgerichtet auf und -Peripherie Single-Master-Architektur FireWire: eigenständige Multimediageräte Audio/Video-Protokolle etabliert kein als Master notwenig Bus Geschwindigkeit Host-Komplexität Peripherie-Komp. IEEE 39 Mb/sec. - gates 5-7 gates USB. Mb/sec gates 5-3 gates -Technologie Serielle Busse 9

2 USB: entwickelt seit ~99 von Compaq DEC IBM Intel Microsoft NEC Northern Telecom große Ähnlichkeit zu Apples FireWire/IEEE 39 aber Ausrichtung auf und -Peripherie serieller, billiger Bus, bis zu 7 Geräte low/full speed mit.5 Mb/s und Mb/s volle Autokonfiguration mit Hot-Plugging Geräte identifizieren sich für das Betriebssystem isochrone Transfers für Media-Processing USB. Q / 996 USB. Q3 / 998 USB. Q / (8 Mb/s) USB: Intel IDF Demo 996 nur wenige Geräte verfügbar seit HX/PIIX3 in jedem Intel Chipsatz mittlerweile etabliert Gerätevielfalt USB: Ziele preisgünstig einheitliche Stecker und Kabel unverwechselbare Stecker sehr viele Geräte Hot-Plugging zwei Geschwindigkeiten flexible Datenübertragung Stromversorgung über das Kabel benötigt keine ISA-Ressourcen Schlafzustand der Geräte USB. deutlich schneller USB: Gerätespektrum Tastaturen, Mäuse Joysticks, Gamepads (force feedback) Monitore mit integrierten Hubs Drucker, Scanner Digitalkameras Modems, ISDN-Adapter, USB-Netze Wechselplatten, CDROM,... Audio-Geräte MIDI-Geräte (Tonstudios) Kopierschutz-Adapter (Stecker/Kabel/ASICs) ( Pins, Typ A/B, max. 5m) (Hub Typ A, Client Typ B) (max. 7 Geräte) (Anstecken im Betrieb) (.5 Mb/s und Mb/s) ( Transferarten) (5V, max. 5 ma) (IRQ/DMA/IO-Ports) (suspend nach 3 msec.) (bis 8 Mb/s) bisherige Schnittstelle: (PS/, seriell) (gameport) (SCSI/parallel) (seriell) (seriell) (SCSI/parallel) (analog audio in/out) (seriell) (seriell/parallel) 9 USB Ziele -Technologie

3 USB: Aufgaben der Host-SW: detect attachment and removal of USB devices managing control flow between host and USB devices managing data flow between host and USB devices collecting status and activity statistics providing power to attached USB devices device enumeration and configuration isochronous data transfers asynchronous data transfers power management device and bus management information USB: Architektur Host Root-Hub Modem Hub H Modem Scanner Host Scanner Hub H Hub H3 MIDI Mouse 3 Mouse 3 Keyboard Hub H MIDI 5 Keyboard max. 7 Geräte, max. Tiefe 5 physikalische Struktur: logische Topologie: Baum, Host an der Wurzel Stern, Host steuert alles 5 USB: Software-Architektur Host-System Client-Software USB Device Driver USB System-SW USB Driver USB Host- Controller/Hub USB-Device-Driver USB-Driver Host-Controller-Driver Host-Software Host-Controller Port Root-Hub Port USB-Gerät "function" USB Logical Device USB Bus-Interface Client Requests -> IO request packets IRPs -> Transactions Frame List, Scheduling USB: Host-Controller und Root-Hub Layer USB Device Layer USB Bus Interface Layer alle USB-Transfers unter Kontrolle der Host-Software Varianten: Open/Universal-HC Erzeugen der Bus-Transaktionen Abfolge der Transaktionen (Scheduling) De-/Serialisierung der Daten Steuerung der Stromzufuhr Freischalten/Sperren der Ports Dis-/Connect-Erkennung Status-Verwaltung der Ports -Technologie USB Architektur 93

4 USB: Transferarten vier separate Datentransfers: Control-Transfer Interrupt-Transfer Bulk-Transfer Isochronous-Transfer USB: Pipe / Endpoint USB-"Pipe" := einzelner logischer Datenkanal Host sendet Befehle an die Clients % Bandbreite garantiert Host fragt Clients nacheinander per Polling ob "Interrupt"-Ereignisse vorliegen eigentliche Datenübertragung ohne Latenz / Echtzeitanforderungen Datenübertragung mit garantierter Latenz / Bandbreite, etwa für Audiodaten. 9% Bandbreite für Interrupt/Isochron. Bulk-Transfers nur wenn Bus frei als Verbindung zwischen Endpoints an Root und " " bis zu 6 Endpoints pro Adressierung: 7-bit -ID, -bit EP-ID, Richtung Endpoints werden im Device-Deskriptor definiert EP ist immer Control phyiskalisch: USB-Host Hub USB- Gerät control (default) EP EP bulk logisch: USB-Host Hub interrupt EP EP EP3 EP3 EP USB-Gerät ("function") isochronous USB: Kabel und Stecker full-speed low-speed VCC VCC GND Ummantelung 3 Ummantelung äußere Abschirmung äußere Abschirmung innere Abschirmung / Leitung verdrillt 3 möglichst billige Kabel / mit Stromversorgung Typ A max. 3 nsec. Laufzeit pro Kabelsegment Kabellängen von m je nach Querschnitt Typ A/B-Stecker verhindert Zyklen und Kurzschlüsse low-speed Geräte haben festes Kabel (< 3m) USB: Stecker GND / Leitung Typ B 9 USB Architektur -Technologie

5 USB: Pegel / Kodierung NRZI- Encoder Hin- und Rückrichtung über dieselben Leitungen Störsicherheit durch differentielle Signale NRZI-Kodierung und Bit-Stuffing Differential "": Differential "": Treiber USB: NRZI und Bitstuffing () - () > mv 3.6V () - () < - mv.8v.v NRZI-Kodierung ("non return to zero inverted") Verstärker -Datenbit: Signalwechsel, -Datenbit: kein Signalwechsel NRZI- Decoder Daten Bit-Stuffing nach 6 Einsen zur Taktrückgewinnung: Empfänger ignoriert Stuff-Bits / MHZ = 8.33 ns NRZI Daten Stuffed NRZI.8V.3V USB: Connect / Disconnect Spannungs detektor FS/LS USB Transceiver 5K (Root-) Hub kein Gerät am Hub: FS-Gerät am Hub FS-Gerät am Hub 5K Hub misst ()/() Bus inaktiv: ()/() nicht aktiv angesteuert: Bus aktiv: Hub oder treibt ()/() low-speed full-speed USB: J/K-Zustände FS/LS-Erkennung über die Pullups aber unterschiedliche Spannungen 3.3 V K5 FS USB Transceiver Full Speed (). V, (). V () 3.3 V, (). V (). V, () 3.3 V Connect/Disconnect wird erkannt differentielle Kodierung, kein Unterschied zwischen FS/LS 3.3 V K5 3.3 V k5 LS USB Transceiver Low Speed (x pulldown) Transceiver Full Speed FS USB Zustand differentiell J K J K () (resume) () (resume) low high high clow high low low high 3.3 V k5 LS USB Transceiver Low Speed -Technologie USB Architektur 95

6 USB: Synchronisation Synchronisation von Hub und s: inaktiver Bus wird nicht getrieben: SOP (start of packet) (end of packet) RESET SOP letztes bit bit bit 8.33 ns full speed function USB: Frames und Packets J-Zustand Wechsel in K-Zustand ()/() beide, <.5 µs ()/() beide, >.5 µs SOP bit bit 666 ns letztes bit low speed function SOF SOF SOF t - ms -ms Zeitabschnitte (=: Frames) Frame beginnt mit SOF-Token inkl. -bit Frame-Nummer Suspend-Mode, wenn keine SOF-Token besondere Verwaltung von low-speed Geräten SOF-Token: NRZI: sieben Wertewechsel Frame N- SOF xa5 Packet Identifier: SOF t Frame # x7ee CRC5 xd Frame N Frame N+ (. bit/frame FS) ** ()/() beide Null t + ms 96 Takte Bus nicht getrieben USB: leerer full-speed Bus SOF SOF SOF t - ms SOF Frame # CRC5 xa5 x7fd xf ** SOF xa5 t Frame # CRC5 xd ** SOF Frame # CRC5 xa5 x7ff x ** Frame x7fe SOF xa5 USB: Paket-Typen (abhängig vom PID) x7fe Frame # x7 verschiedene USB Paket-Typen PID 7.. = NOT (PID 3..) Frame x7ff CRC5 x8 PIName PID (3..) PID (hex) Gruppe SOF b xa5 Token SETUP b xd Token IN b x69 Token OUT b xe Token DATA b xc3 Daten DATA b xb Daten ACK b xd Handshake NAK b x5a Handshake STALL b xd Handshake PRE b x39 Special Auswahl der Target- über Adresse und Endpoint ** t + ms 965 Takte 96 Takte 96 Takte 96 Takte Frame x 96 USB Pakete -Technologie

7 USB: Paket-Beispiele SOF Frame # CRC5 Start-of-Frame xa5 x7fd xf ** SETUP ADDR EP CRC5 Setup-Token xd x x x7 ** IN ADDR EP CRC5 In-Token x69 x3 x x7 ** OUT ADDR EP CRC5 Out-Token xe x x x ** DATA data CRC6 xc xcba8 ** USB: 3-Phasen Datentransfer Token Sender Token-Phase Sender Daten-Phase Sender Handshake-Phase SETUP Host Host OUT Host Host IN Host Host Beispiel: Host sendet Daten, quittiert (ACK oder NAK) OUT ADDR EP CRC5 xe x x x ** DATA data CRC6 xc xcba8 ** Maus ACK xd ** USB: Datentransfer Maus Maus DATA data CRC6 USB: Timeout SOF xa5 DATA ACK xd ** IN x69 xb ACK xd ADDR x ** x x3 EP x x5 IN ADDR EP CRC5 x69 x x x ** SOF Frame # CRC5 xa5 Frame # CRC5 data xa CRC5 x ** ** AA BB CC DD EE FF CRC6 x875 xc xcba8 ** Datenübertragung zwischen Sender und Empfänger Mindestzeit bis zur Antwort / Handshake des Empfängers? Bus-Turn-Around-Zeit: Host 3 ns ns Hub Hub (5 x 7 ns) + (7.5 x bit-times x ns) + (5 x 7 ns) = 5.9 bit times Empfänger hat 7 Takte Zeit für Antwort / Handshake: max. 6 Takte Timeout nach 8 Takten Hub 3 ** Hub ** Hub bit times -Technologie USB Pakete 97

8 USB: Deskriptoren Plug and Play: Host muß alle USB-s identifizieren können wie findet der Host die benötigten Treiber? => Deskriptoren: Device Descriptor Code x Configuration Descriptor x (jeweils eine aktiv) String Descriptor x3 (optional) Interface Descriptor x Endpoint Descriptor x5 (FIFO-Größe etc.) Protokoll definiert Transfers zum Auslesen der Deskriptoren USB: Device Descriptor Name Offset Länge Beschreibung Beispielwert blength bdescriptortype bcdusb bdeviceclass bdevicesubclass bdeviceprotocol 5 6 Größe in Bytes = Device-Descriptor USB-Version (.,,..) Klassen-Code Subklassen-Code Protokoll-Code x x x x x x bmaxpacketsize idvendor idproduct bcddevice imanufacturer iproduct iserialnumber bnumconfigurations EP-FIFO in Byte Vendor-ID Produkt-ID (etwa x98) Versions-Nr. (.) String-Index für Hersteller / Produkt Seriennummer # Konfigurationen x8 x3c5 x98 x x x x3 x Vendor-ID wird vom USB Implementers Forum vergeben USB: Configuration Descriptor Name Offset Länge Beschreibung blength bdescriptortype wtotallength bnuminterfaces bconfigurationvalue iconfiguration bmattributes maxpower Größe in Bytes = Device-Descriptor Länge aller Desr. (zb 3) Interface pro Konfiguration Nummer der Konfiguration String-Index z.b. Bus-powered, wakeup in ma Schritten Host liest Configuration-D. mitsamt allen Interface/Endpoint-D. SetConfiguration() deaktiviert das Gerät ("unkonfiguriert") weitere Datendefinitionen für Interfaces / Endpoints / Strings USB: Device-States - nicht mit dem Bus verbunden attached angeschlossen, Hub benachrichtigt Host powered Hub aktiviert Versorgung, noch kein Reset default nach Reset, Device reagiert an Adresse address nach SetAdress() configured nach SetConfiguration() etc. das Gerät kann jetzt benutzt werden suspended Stromsparen, wenn 3 ms keine Busaktivität Beispielwert x9 x x x x x xa x3 98 USB Deskriptoren -Technologie

9 USB: Request-Codes brequest Code GET_STATUS CLEAR_FEATURE reserved SET_FEATURE reserved SET_ADDRESS GET_DESCRIPTOR SET_DESCRIPTOR GET_CONFIGURATION SET_CONFIGURATION GET_INTERFACE SET_INTERFACE _FRAME Control-Transfers auf EP Control-Pipe USB: Enumeration Plug and Play erfordert automatische Erkennung aller Geräte: Hub erkennt Connect/Disconnect elektrisch meldet dies beim nächsten Interrupt-Transfer Host sendet Standard-Device-Request auf Adresse antwortet mit seinem Device-Descriptor Host sendet Reset an das Gerät Host sendet SetAddress an das Gerät (noch auf Adresse ) Host fragt vollen Device-Descriptor ab Host sucht geeigneten Treiber für Vendor-ID und Product-ID Host fragt nach Configuration- und Device-Descriptor 9 Host konfiguriert das Gerät [siehe Kelm: USB S9ff] USB: Enumeration-Init Erkennung aller Geräte beim Einschalten: alle Hub-Downstream-Ports zunächst deaktiviert Host sieht nur je ein Gerät pro Root-Hub Port Host kann oberstes Gerät konfigurieren Downstream-Ports aller Hubs werden nacheinander konfiguriert wahlweise Tiefen/Breitensuche USB: Hub Port Hub- Repeater Port upstream port (downstream ports) Hub FSM Port Hub Controller Port N Hub-Controller ist eigenständige USB- Diagramm Downstream-Port-FSM Hub 3 5 Scanner Funktionalität zur Ansteuerung von low-speed functions Hub Host Root-Hub Hub Modem Mouse Keyboard Hub MIDI durchreichen Pakete filtern und verteilen -Technologie USB Deskriptoren 99

10 USB: Device-Klassen USB-Klasse := Gruppe von Geräten/Interfaces mit gemeinsamen Eigenschaften z.b. gleiche Datenformate, Kommunikationsverhalten,... Human-Interface-Device Audio-Device Communication-Device Printer-Device Monitor-Device Power-Device Mass-Storage-Device Betriebssystem benötigt nur einen Treiber pro Klasse Treibersuche über Device/Config-Descriptor-Infos USB: Human Interface Device Class Human-Interface-Device Class: Tastatur, Maus Schalter und Regler am Spielkomponenten wie Joystick, Datenhandschuh, Pedale,... Geräte ohne menschliche Interaktion, aber mit ähnlichen Datenformaten: Barcode-Leser, Thermometer, Voltmeter,... Definition eines universellen Protokollformats Report- und Physical-Descriptor besondere Behandlung von Tastatur und Maus (für Systemboot) USB: Java USB: API USB: Java USB Browser USB-Wrapper in Java, für Linux. alpha-status, fast keine Gerätetreiber jusb.sourceforge.net USB Deskriptoren -Technologie

11 FireWire: entwickelt von Apple seit 986 IEEE Standard komplexer und schneller als USB: // Mb/s volle Autokonfiguration, kein zentraler Host insbesondere: kein notwendig derzeit ca. Geräte ( etabliert für digitales Video (8 Kanäle MPEG: < Mb/s) diverse Erweiterungen / Zusatzprotokolle, zum Beispiel: Audio and Music Transmission Protocol IP over 39 Lizenzprobleme (derzeit.5$ / Gerät) Microsoft: "IP-Landmines" FireWire: Homepage FireWire: Architektur FireWire-System: bis 3 separate Busse bis 63 Geräte pro Bus (bis 6.9 Geräte) 6-bit Adressraum ( Bus, 6 Gerät, 8 bit pro Gerät) volle Autokonfiguration, keine Jumper/Terminatoren/... asynchrone und isochrone Nachrichten (@8KHz) bis 6 Kabelverbindungen (Hops) pro Bus Kabellängen bis 5m (gesamt) Kabel 6-adrig, x Daten differentiell, Versorgungsspannung Mb/s bis m Kabellänge Peer-to-Peer Verbindungen (statt Master-Slave) Beispiel: direktes Drucken von Digitalkamera auf 39-Drucker FireWire: Adressraum Bus (nodes..63) Bus (nodes..63) Bus Bus 3 (nodes..63) Bus # Node # Node address Node Node Node Node 63 initial memory space 56TB - 5MB private space 56 MB register space 56 MB 56 TB / node initial node space KB initial units space 56 MB register CSR regs. serial bus ROM KB KB "boot" -Technologie FireWire

12 39: Peer-to-peer transfers andere Busse: fast immer zentrale Steuerung via Master 39: Daten- und Taktsignal 39: Beispiel Datenpaket aber geringe Effizienz für sehr kurze Pakete FireWire: Arbitrierung kein zentraler Bus-Master direkte Kommunikation aller Geräte verteilte Arbitrierung, Fairness-Garantien nach jedem Anstecken/Abnehmen eines Geräts: Bus-Reset (8.. 3 ms) Tree-Identification (.. 66 µs) Self-Identification (7 µs) ermittelt neuen Root-Node sofern zyklenfrei Bus automatisch wieder betriebsbereit [Teener 97] FireWire -Technologie [Teener 97]

13 39: Tree Identification () 39: Tree Identification () [Teener 97] 39: Arbitration () 39: Arbitration () -Technologie FireWire 3

14 39: Arbitration () 39: Arbitration (5) 39: Fairness andere Busse: fast immer zentrale Steuerung via Master FireWire -Technologie Leerseite -Technologie