Universal Serial Bus

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1 Universal Serial Bus Universität Mannheim Technische Informatik Seminar im Wintersemester 03/04 Thorsten Scholz 1

2 Inhalt allgemeiner Überblick elekrisches Interface Datenübertragung Geräteerkennung Klassen Treiber USB ICs 2

3 Überblick USB 480 Mbps Übertragungsgeschwindigkeit (USB 2.0) maximal 127 Geräte 5m maximale Kabellänge bis zu 5 Repeater (Hub) Hot-Plug-fähig 5V-Inline-Power (max. 500 ma) Topologie: physikalischer Baum, logischer Stern 3

4 Topologie und Begriffe } Host & Root-Hub Hub { } Function (Gerät) 4

5 Geschwindigkeitsklassen Low-Speed: 1,5 Mbps muss durch spezielles Preamble-Paket angekündigt werden Full-Speed: 12 Mbps High-Speed: 480 Mbps 5

6 Datentransfer Host Function Broadcast angesprochenes Gerät antwortet (Unicast) 6

7 Kabel und Stecker 4 Adern: VCC, D-, D+, GND USB 2.0 Kabel immer mit Schirm Signallaufzeit maximal 30 ns max. 5 m Kabellänge Aderndurchmesser wird Länge angepasst Typ A und Typ B Stecker Bilder aus: 1349&LG=1&I=13&RQS=S~13241^M~FEAT^G~G bzw. 0&LG=1&I=13&RQS=S~13241^M~FEAT^G~G 7

8 Universal Serial Bus Elektrisches Interface Signalpegel und Buszustände Hot-Plug Leitungscode 8

9 Elektrisches Interface (1) Signalpegel (USB 1.1) Signalpegel: Low = 0V, High = 3,3V Anstiegs- und Abfallzeit begrenzt Takt: 12 bzw. 1,5 MHz U 83ns 667ns 4-20ns ns 3,3V 0V t 9

10 Elektrisches Interface (2) Connect/Disconnect Erkennung Connect/Disconnect über Pull-Up bzw. Pull-Down Widerstände nach 2,5µs stabilem Pegel folgt Meldung an den Host Hub 3,3V Function Transceiver D+ D- Transceiver 10

11 Elektrisches Interface (3) Buszustände Differentielle 1: [D+]-[D-] > 200mV Differentielle 0: [D+]-[D-] < -200 mv Idle: Kein Signal wird getrieben Diff. High 0V Diff. Low 3,3V 0,2V -0,2V -3,3V Resume: Bus wird invers zu Idle-Zustand getrieben Start-of-Packet (SOP) Low-Speed D- D+ Idle } SOP Full-Speed D+ D- Idle } SOP 11

12 Elektrisches Interface (4) Buszustände SE0: Beide Leitungen werden auf 0 getrieben 2 Takte SE0 + min. 1 Takt Idle: End-of-Packet (EOP) Full-Speed D+ D- EOP Idle Mehr als 2,5µs SE0: USB-Busreset 12

13 Elektrisches Interface (5) Leitungscode Bit-Stuffing wird verwendet Nach 6 aufeinanderfolgenden Einsen wird eine 0 eingefügt Signale werden NRZI codiert Logische 0 Polaritätswechsel Logische 1 kein Polaritätswechsel Datenstrom Bit-Stuffing NRZI-Encoding FS Idle 13

14 Elektrisches Interface (6) High-Speed-Interface (USB 2.0) Einsatz von differentiellen Stromtreibern Spannungshub 400 mv Pull-Up-Widerstand ist nach High-Speed Aushandlung abgeschaltet Beidseitiger Busabschluss mit 45 Ohm Transveiver D+ D- 14

15 Elektrisches Interface (7) USB 2.0 Connect/Disconnect Connect High-Speed Geräte melden sich als Full-Speed Geräte Danach Aushandlung des High-Speed Modus Pull-Up Widerstand entfällt Disconnect Busabschluss mit 45 Ohm an beiden Enden ( 400 mv) Erkennung durch Anstieg des Widerstandes auf 45 Ohm 800 mv (Erkennung während EOP) 15

16 Universal Serial Bus Datenübertragung Endpoints Transferarten Nachrichtenübermittlung 16

17 Datenübertragung (1) Pipes und Endpoints Pipe: virtueller logischer Datenkanal Endpoint ist ein FIFO-Speicher, der USB Daten empfangen kann Endpoint 0 (EP0): bidirektionaler Control-Endpoint alle anderen Endpoints unidirektional Jeder Pipe kann nur eine Transferart zugeordnet werden Pipe Host Function EP 30 EP 29 EP 28 EP 27 EP 1 EP 0 17

18 Datenübertragung (2) Transferarten Control-Transfer - Assoziiert nur mit EP0 - Steuerung und Konfiguration des USB-Gerätes - 10% der Bandbreite für Control-Transfers reserviert Interrupt-Transfer - Übertragung kleiner Datenmengen - Statusabfrage 18

19 Datenübertragung (3) Transferarten Bulk-Transfer - Übertragung großer zeitunkritischer Datenmengen - nur für High- und Full-Speed Geräte - nur bei verfügbarer Bandbreite Isochronous-Transfer - Übertragung zeitkritischer Daten mit konst. Bandbreite - keine Fehlerkorrektur/-erkennung 19

20 Datenübertragung (4) USB Framework Bandbreite wird in 1ms Zeitabschnitte (Frames) eingeteilt Einteilung in 125µs Frames bei USB 2.0 Synchronisation der Geräte durch Start-of-Frame-Tokens (SOF) Keepalive: Verhindert Suspend-Modus der Geräte Low-Speed Geräte sind vom Full-Speed SOF abgeschnitten Umsetzung der SOFs vom Hub in Low-Speed EOPs 20

21 Datenübertragung (5) Paketformat FRAME... SOF... SOF... USB 1.1 Sync PID 8 Bit Data variabel EOP USB 2.0 Sync (24) PID 8 Bit Data variabel EOP Sync: zur Taktsynchronisation PID: Packet Identifier, 4 Bit PID + 4 Bit PID-Check SOF PRE 0101b 1100b DATA0 0011b... 21

22 Datenübertragung (6) Paketformat - SOF F-Speed Sync PID: SOF 0xA5 Frame# CRC 11 Bit 5 Bit EOP 2 Clk H-Speed Sync (24) PID: SOF 0xA5 Frame# CRC 11 Bit 5 Bit Ext. HS-EOP (30) High-Speed Start-of-Frame: µsof Bit-Stuffing Verletzung bei EOP des µsof Disconnect Erkennung 22

23 Datenübertragung (7) Paketformat Geschwindigkeitsanpassung USB 1.1 (Low-Speed, Full-Speed) Bus wird durch PRE-Paket in Low-Speed Modus versetzt Nach Low-Speed EOP wechselt der Bus wieder in Full-Speed USB 2.0 (High-Speed) Übertragung Host Hub immer mit High-Speed Hub übersetzt Paket in entspr. Geschwindigkeit Steuerung über SPLIT-Paket 23

24 Datenübertragung (8) Phasen einer USB-Transaktion 1. Host initiiert Datentransfer (Tokenphase) Übertragung wird angekündigt Ggf. Sendeberechtigung für Gerät 2. Datentransfer eigentliche Datenübertragung 3. Handshake Übertragungsbestätigung (ACK, NAK, STALL) entfällt bei Isochronous Transfer 24

25 Datenübertragung (9) Transaktion - Beispiel Idle Sync OUT ADDR EP CRC EOP 4 Clk xE1 7 Bit 4 Bit 5 Bit 2 Clk Idle Sync DATA0 DATA CRC EOP 3 Clk xC3 variabel 16 Bit 2 Clk Idle Sync ACK EOP 5 Clk xD2 2 Clk 25

26 Datenübertragung (10) Flusskontrolle (Flow Control) Unter USB 1.1 nicht vorhanden Probleme mit langsamen Endgeräten Unter USB 2.0 mit PING und NYET PING: Anfrage ob Gerät bereit Antwort auf Daten mit ACK oder NYET PING ACK OUT DATA0 ACK OUT DATA1 NYET PING NAK 26

27 Datenübertragung (11) Fehlerbehandlung Übertragungswiederholung nach Time-Out Verlorenes Paket Emfänger sendet kein ACK (Paketfehler) IN-Token DATA0 Host IN-Token DATA0 ACK Function 27

28 Universal Serial Bus Geräteerkennung, Treiber & ICs Deskriptoren Treiber & Klassen Integrated Circuits (Beispiele) 28

29 Geräteerkennung (1) Allgemein physikalische Erkennung durch den Hub Hub informiert Host Host spricht Gerät an, danach selektives Reset Host weist Gerät USB-Adresse zu Abfrage der Deskriptoren Laden der Treiber Aktivieren einer Konfiguration Hub Adr! Config! DRV 29

30 Geräteerkennung (2) Device Deskriptor Inhalt (unter anderem) USB-Version (2 Byte) Device class (1 Byte) Vendor ID (2 Byte) Product ID (2 Byte) Product Release Number (2 Byte) String Index Vendor (1 Byte) String Index Product (1 Byte) String Index Serial Number (1 Byte) Number of Configurations (1 Byte) 30

31 Geräteerkennung (3) Deskriptoren - Hierarchie Zweck: Identifikation des Gerätes Deskriptoren sind hierarchisch angeordnet Device Descriptor Configuration Descriptor... Configuration Descriptor String Descr. Interface Descriptor Interface Descriptor... Interface Descriptor Endpoint Descriptor Endpoint Descriptor Endpoint Descriptor Endpoint Descriptor... Endpoint Descriptor 31

32 Geräteerkennung (4) Konfiguration Host kennt Gerät (über Deskriptoren) und lädt Treiber Host aktiviert Gerät (Befehl auf EP0) Gerät darf ab jetzt den angegebenen Strom dem Bus entnehmen Endpoints werden aktiviert Interrupt-Endpoints: zyklische Abfrage Isochronous-Endpoints: Abfrage in jedem Frame 32

33 Geräteerkennung (5) Enumeration des gesamten USB-Baumes Problem: Nach power-on haben alle Geräte Adresse 0 Alle Downstream-Ports sind bei power-on deaktiviert Ports werden sukzessive vom Host aktiviert Root-Hub Hub 1 Gerät 1 Hub 2 Gerät 2 Gerät 3 Gerät 4 33

34 USB-Klassen (1) Allgemein Klasse: Gruppe von Geräten oder Interfaces, die gemeinsame Merkmale und Eigenschaften aufweisen Standardtreiber für alle Geräte einer Klasse möglich Klasseninformation im Device- oder Interface-Descriptor Klassen-Code Subklassen-Code Protokoll-Code 34

35 USB-Klassen (2) Klassen-Codes Human-Interface-Device-Class (HID) Communication-Device-Class Audio-Device-Class Printer-Device-Class Mass-Storage-Device-Class... 35

36 USB-Klassen (3) Subklassen- und Protokoll-Codes Subklassen-Code: abhängig vom Klassencode z.b. Boot-Device Protokoll-Codes 0x01: unidirektionales Interface 0x02: bidirektionales Interface 36

37 Treiber (1) Allgemein Treiber für Host-Controller (UHCD.SYS, OpenHCI.SYS,...) Kontroll- und Schnittstellentreiber (USBD.SYS) Treiber für Hubs (USBHUB.SYS) Treiber für Endgeräte (Gerätespezifisch) Geräte- bzw. Klassentreiber USBHUB.SYS USBD.SYS UHCD.SYS OpenHCI.SYS USBEHCI.SYS 37

38 Treiber (2) Aufgaben USBD.SYS Vergabe und Überwachung der Ressourcen Kontrolle des Datenflusses zwischen PC und Gerät Export von Schnittstellen zur Steuerung der Geräte Bereitstellen von Pipes USBHUB.SYS Konfiguration der Hubs (Portkontrolle) Kontrolle der Stromversorgung 38

39 USB ICs (1) Allgemeiner Aufbau D+ D- USB I/O Serial Interface Engine (SIE) SIE Control µc FIFO Logik & I/O I/O 39

40 USB ICs (2) Bausteine Philips PDIUSBD11 (USB to I2C) aus: Datasheet PDIUSBD11, Philips Corp. 40

41 USB ICs (3) Bausteine - Anwendung Anwendungsschema PDIUSBD11 aus: Datasheet PDIUSBD11, Philips Corp. 41

42 USB ICs (4) Bausteine FTDI Chip FT232BM (USB to RS-232) aus: Datasheet FT232BM, FTDI Chip 42

43 USB ICs (5) Bausteine Cypress AN2131Q (USB µc) aus: Technical Reference EZ-USB IC, Cypress Semicon. 43

44 USB vs. IEEE-1394a/b Firewire unterstützt peer-to-peer Bitrate: 400 Mbps (a), 800 Mbps (b) Bus master wird bei Busreset bestimmt Reichweite: 4,5m (mit Repeatern mehr) bis zu 45W Lizenzvertrag und Gebühren bis zu 63 Geräte 44

45 Quellen Universal Serial Bus Specification, Rev. 2.0, April 27, 2000 USB 2.0, Franzis Verlag, H. J. Kelm, 2003 What is USB, Pulse Inc., 2002 Firewire, Apple Comp. Inc. Datasheet PDIUSBD11, Philips Corp., 1999 Application Notes, USB Keyboard mouse using PDIUSBD11, Philips Corp., 1998 Cisco Icon Library, Cisco Systems

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