13. Universal Serial Bus USB 13.1 Allgemeine Charakteristiken:

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1 13. Universal Serial Bus USB 13.1 Allgemeine Charakteristiken: Anschlußtechnik für externe Geräte: - Drucker, Maus & Tastatur, - Modems und ISDN Adapter, - Telephone, Kameras & Scanner, - Disketten und Bandlaufwerke... Zentrale Steuerung (Polling): - Periodische Abfrage im 1 Millisekunden Takt, - Durch Hostrechner mit Root-Hub, - Automatische Konfigurierung, - Stromsparmodi (Suspend), - Hot-pluggable. Datenübertragungsmodi: - Isochrone Transfers, - Interrupt-Transfers, - Control-Transfers, - Bulk-Transfers. USB Datenraten Low speed: 1.5 MBit/sec, Full speed: 12 MBit/sec, High speed 480 MBit/sec (nur USB 1 ystemprogrammierung I, Sommer 2000, VS Informatik, P. Schulthess

2 13.2 Physikalische Schnittstelle USB Stecker: - Upstream und Downstream unterschiedlich: USB Kabel: - Abschirmung aus Kupfer, verzinnt, - verdrillte Adernpaare (twisted), - Differentielle Daten, - Rot: +5 Volt Speisung, "Vbus, - Schwarz: Erde/Masse, - Grün: + Data, - Weiß: - Data Schirm Vbus Erde +Data -Data 2 ystemprogrammierung I, Sommer 2000, VS Informatik, P. Schulthess

3 13.3 HW/SW-Architektur Schichtenmodell USB als lokales Rechnernetz. Schichtenmodell ähnlich einer Rechnerinfrastruktur: Unter Umständen entsprechende Schichtung im Endgerät. Netzunabhängige Druckertreiber. USB Hostcontroller meist in der Südbrücke integriert. Anwendungsprogramme OS/API Druckertreiber.vxd, etc. OS/API Allgemeiner USB Treiber.dll PCI-Bus USB Hostkontroller, z.b. vt83c572 USB-Bus USB Drucker, z.b. Epson ystemprogrammierung I, Sommer 2000, VS Informatik, P. Schulthess

4 Baumstruktur als Netztopologie Typen von Netzwerkknoten: - Wurzelknoten (Root Hub). - Verzweigungsknoten (Hub). - Endgeräte (Functions). Arbeitsweise der Hubs: - steuern untergeordneten Hubs, - steuern die Devicefunktionen, - Detektion & Konfigurierung, - Geschwindigkeitsanpassung, - partielle Stromversorgung. Randbedingungen: - Maximal 7 Ebenen, - < 127 Knoten & Funktionen. - Siebte Ebene nur noch Devices, Rekursive Hard- und Software! Hub Hub Funktion Root Hub Funktion Hub Funktion Hub Funktion 4 ystemprogrammierung I, Sommer 2000, VS Informatik, P. Schulthess

5 Bus Enumerierung & Hot Plugging Device-Zustände: - Stecker elektrisch: Ausgesteckt, Eingesteckt, - Adressierbar, Konfiguriert, Suspendiert, - Externe Spannungsversorgung. Hub erkennt ein neues Gerät am Port. Ratenerkennung gleichstrommässig. Mitteilung an den USB-Treiber im Host. Setup-Befehl an Hub bezüglich Port. Immer nur ein Device über Defaultadresse 0 adressierbar. Nach der Adressenzuweisung erfolgt die Konfigurierung mit Hilfe gerätespezifischer Deskriptoren... Kein Gerät am Port Gerät eingesteckt Setup für Hub-Port Adresse an Gerät zuw. Gerät konfigurieren Datenaustausch Stromsparmodus... 5 ystemprogrammierung I, Sommer 2000, VS Informatik, P. Schulthess

6 Zeitschlitzformat 13.4 USB Protokoll Kontroller erzeugt Start-Of-Frame Pakete mit Mindest-Laufzeiten: - für Isochron- & Interrupt-Transfers, für Bulk- & Kontroll-Transfers, - 1 msec Frames für Low-speed und full-speed, µsec Frames für high-speed Betrieb: Start-Of-Frame Paket: - 8 Bit Präambel (32 Bit für High-speed), - 8 Bit Paket-Identifikation (PID) =$5A, - 11 Bit Zeitstempel, - 5 Bit CRC. SOF Packet 1 ms Frames Translator Hubs übernehmen von der Wurzel her 125 µs Micro Frames High-speed Pakete und geben diese evtl. als full-speed oder low-speed Pakete weiter. 6 ystemprogrammierung I, Sommer 2000, VS Informatik, P. Schulthess

7 USB Protokollelemente Gesteuert durch den Host-Kontroller in der Südbrücke. Token fur die Adressierung: - Sof: Start of Frame, - In: Daten zum Hub, - Out: Daten vom Hub, - Setup: Konfigurierung. Zugehöriges Datenpaket separat. Kurze Latenzzeiten für Devices. Unterschiedliche Protokolle für: - Isochrone Übertragung (kein Ack), - Kontroll & Bulk Übertragung, - Interrupt Übertragung. Host / Hub SOF Device Out Data0 Ack 7 ystemprogrammierung I, Sommer 2000, VS Informatik, P. Schulthess

8 Paketcodierung Token Pakete ( xx01 B): B: SOF (Frame-Nummer), B: OUT (Adresse & Endpunkt), B: IN (Adresse & Endpunkt), B: SETUP (Adresse & Endpunkt). Daten Pakete ( xx11 B): B: Data0 - even Packet, B: Data1 - odd Packet, B: Data2 - High-speed Packet, B: Mdata - High-speed split Packet. Handshake Pakete ( xx10 B): B: ACK, B: NAK nicht sendebereit / kein Empfang, B: STALL Endpunkt stoppt oder ung. Req., B: NYET Noch keine Antwort. 8 ystemprogrammierung I, Sommer 2000, VS Informatik, P. Schulthess

9 Spezial Pakete ( xx00 B): B: PRE - Anfang Low-speed Phase, B: ERR - Fehlerbestätigung (upstream) B: SPLIT - High-speed split Token, B: PING - High-speed Flußkontrolle, B: reserviert. Adressierung von Knoten und Geräten: - 7-Bit Adresse für Hubs und Funktionen, - 4-Bit Endpunktadresse pro Funktion möglich, - Default Kontroll-Pipe am Endpunkt #0. 9 ystemprogrammierung I, Sommer 2000, VS Informatik, P. Schulthess

10 13.5 Deskriptorformate Univ. Host Controller Interface - UHCI PCI Bus Master Device, normalerweise in der Südbrücke. Hauptspeicher-Frameliste: - maximal 1024 Framedeskriptoren, - ein Deskriptor pro Frame, - autonome Abarbeitung, - Hauptspeicherlayout: Index Basisadresse Frameliste Isochrone Transfers Interrupttransfers Bulk & Control transfers Queue Headers USB Version 1.1 (ohne High-Speed) 10 ystemprogrammierung I, Sommer 2000, VS Informatik, P. Schulthess

11 Transfer-Deskriptoren: Unterscheiden von Frame-Deskriptoren. Entweder Queue-Header Deskriptoren. Oder Paket-Deskriptoren: - nächster Deskriptor, - vertikal oder horizont., - Zustand destransfers, - des Paketes, - USB Adresse, - Busbefehlscode, - Datenadresse. Linkzeiger o, vf, q, t 0 Misc. Status Aktuelle Maximale D Endpkt, Adresse Pakettyp 4 8 Pufferzeiger zu den Daten und Setup-Info ystemprogrammierung I, Sommer 2000, VS Informatik, P. Schulthess

12 LINK Zeiger: - 30 Bit Adr. auf Folgedeskriptor, - reserviertes Bit (=0), - Vertikale Verarbeitung (vf), - Link auf Queue Header (q), - Ende der Verkettung (t). Steuerung bzw. Control: Bit#29: enable Short Packet Detect, Bit#28:27: Fehler-Retries (00B=forever), Bit#26: Low Speed Device (LS), Bit#25: Isochronous Select (IOS), Bit#24: Interrupt on Complete (IOC), STATUS der Übertragung (Bit#23:16): Bit#23: Bit#22: Bit#21: Bit#20: Bit#19: Bit#18: Transfer still active, Stalled ( Aufgelaufen ).. Datenpuffer-Fehler, Babble festgestellt, NAK empfangen, CRC/Time Out Error, 12 ystemprogrammierung I, Sommer 2000, VS Informatik, P. Schulthess

13 Bit#17: Bitstuff Error, Bit#10..0: Anzahl transportierte Bytes. TOKEN Bits: - Zur Konstruktion eines USB-Tokens, - Bit#31..21: Max. -1 (<1024 oder <1280), - Bit#19: Data Toggle (D, 1-Bit Sequenz#), - Bit#18..15: Endpunkt, - Bit#14..8: USB Adresse, - Bit#7..0: Pkt. Kennung (nur IN, OUT, SETUP). Pufferzeiger: - Bit#31..0: Zeiger in den phys. Hauptspeicher. Weitere 4 Doppelwörter sind reserviert für die Treibersoftware. 13 ystemprogrammierung I, Sommer 2000, VS Informatik, P. Schulthess

14 Geräte-Deskriptoren Beschreiben und konfigurieren Geräte und Hubs. Human Interface Deskriptoren (=> besondere HID Dokumentation). Endpoint-Deskriptoren. Interface-Deskriptoren. Konfigurations-Deskr. Device-Deskriptoren. String-Deskriptoren... Device Typ USB-Version Klasse Subklasse Protokoll Paketlänge Hersteller Produkt Prod.-Version Hersteller Produktname Seriennummer Anz. Konfig. Typ Typ total Anz. Typ Interf. total Config.# Anz. Interf. total Attribute Config.# Anz. Interf. Attribute Config.# Stromverbr. Attribute Stromverbr. Stromverbr. T T Intervall T Typ Intf.# Typ Alternativ Intf.# Typ Anz. Alternativ Intf.# Endpkt Anz. Alternativ Klasse Endpkt Anz. Subklasse Klasse Endpkt Protokoll Subklasse Klasse Protokoll Subklasse Protokoll T 14 ystemprogrammierung I, Sommer 2000, VS Informatik, P. Schulthess

15 13.6 Hardware-Register im Kontroller 8 Register im USB Host-Kontroller. IO-Basisadresse aus dem PCI Konfigurationsraum: - I/O Register $20-$23h (zb. $A400). Befehls-Register (Offset $00): 7: Max Packet (MAXP) => (1, 0)=(64, 32) Bytes am Frameende, 6: Configure Host Controller Flag (CF), 5: Software Debug = 1, Normal = 0, 4: Force Global Resume, 3: Enter Global Suspend Mode, 2: Global Reset für den gesamten USB, 1: Host Controller Reset, 0: Run/ Stop (RS). Programmierung nach UHCI v1.1: - ftp://download.intel.nl/design/usb/uhci11d.pdf 15 ystemprogrammierung I, Sommer 2000, VS Informatik, P. Schulthess

16 Status-Register (Offset $02): 5: Host Controller angehalten, 4: Abarbeitungsfehler für Host Controller, 3: Host System Error (z.b. PCI), 2: Resume Ereignis am USB festgestellt, 1: Fehler am USB-Bus 0: USB Interrupt (USBINT) Interrupt Aktivierungsregister (Offset $04): 3: Short Packet Interrupt Enable, 2: Interrupt On Complete (IOC) Enable, 1: Resume Interrupt Enable, 0: Timeout/CRC Interrupt Enable. Framenummer/-index (Offset $06/$07): - 11-Bit Index in die Frameliste. Basisadresse für Frameliste (Offset $08-$0B): - 32-Bit Eintrag; unterste 12 Bit sind 0. SOF Modify justiert die 1 ms Periode um maximal 2% +/- (Offset $0C). 16 ystemprogrammierung I, Sommer 2000, VS Informatik, P. Schulthess

17 Port#1-Port#2 Status/Control ($10/$12): 12: Suspend (lesen & schreiben), 9: Port Reset (lesen & schreiben), 8: Low Speed Device is Attached, 6: Resume Detect/Initate (lesen & schreiben), 5: Signalpegel auf D-, 4: Signalpegel auf D+, 3: Port Enable/Disable Change, 2: Port Enable/Disable, 1: Connect Status Change, 0: Current Connect Status (Device present). 17 ystemprogrammierung I, Sommer 2000, VS Informatik, P. Schulthess

18 Split Transactions 13.7 Sondertransaktionen Erforderlich für Translating Hubs: - Beim Übergang von Hi-Speed auf Full/Low Speed, - Start-Split Token über einen High-Speed Port, - Complete-Split holt verzögerte Bestätigung ein. Start Split Out Data0 Ack Compl. Split Out Ack Host... Full/Low-Speed Translating Hub High-Speed Out Data0 Ack Device 18 ystemprogrammierung I, Sommer 2000, VS Informatik, P. Schulthess

19 Low-Speed Transaktionen Eingebettet in Full-Speed Transaktionen. Durch ein PRE Token eingeleitet: Preamble sent at full-speed Hub enables low-speed outputs Token sent at low-speed Hub disables low-speed outputs SYNC PRE Hub setup SYNC IN ENDP... EOP Data packet sent at low-speed SYNC DAT DATA CRC EOP Preamble sent at full-speed Hub enables low-speed outputs Handshake sent at low-speed Hub disables low-speed outputs SYNC PRE Hub setup SYNC ACK EOP 19 ystemprogrammierung I, Sommer 2000, VS Informatik, P. Schulthess

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