Физический интерфейс USB

Стандарт USB определяет электрические и механические спецификации шины.

Информационные сигналы и питающее напряжение 5 В передаются по четырехпроводному кабелю. Используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Уровни сигналов передатчиков в статическом режиме должны быть ниже 0,3 В (низкий уровень) или выше 2,8 В (высокий уровень). Приемники выдерживают входное напряжение в пределах - 0,5...+3,8 В. Передатчики должны уметь переходить в высокоимпедансное состояние для двунаправленной полудуплексной передачи по одной паре проводов.

Шина имеет два режима передачи:

– полная скорость передачи сигналов USB составляет 12 Мбит/с;

– низкая — 1,5 Мбит/с.

Для полной скорости используется экранированная витая пара с импедансом 90 Ом и длиной сегмента до 5 м, для низкой — невитой неэкранированный кабель до 3 м. Низкоскоростные кабели и устройства дешевле высокоскоростных. Одна и та же система может одновременно использовать оба режима; переключение для устройств осуществляется прозрачно. Низкая скорость предназначена для работы с небольшим количеством ПУ, не требующих высокой скорости.

Скорость, используемая устройством, подключенным к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов на линиях D+ и D-, смещаемых нагрузочными резисторами R2 приемопередатчиков (рисунок 4.12 и 4.13).

Рисунок 4.12 – Подключение полноскоростного устройства

Кабель также имеет линии VBus и GND для передачи питающего напряжения 5В к устройствам. Сечение проводников выбирается в соответствии с длиной сегмента для обеспечения га­рантированного уровня сигнала и питающего напряжения.

Рисунок 4.13 – Подключение низкоскоростного устройства

Сигналы синхронизации кодируются вместе с данными по методу NRZI (Non Return to Zero Invert), его работу иллюстрирует рисунок 7.15. Каждому пакету предшествует поле синхронизации SYNC, позволяющее приемнику настроиться на частоту передатчика.

Питание устройств USB возможно от кабеля (Bus-Powered Devices) или от собственного блока питания (Self-Powered Devices).

Рисунок 4.14 – Кодирование данных по методу NRZ1.

Хост обеспечивает питанием непосредственно подключенные к нему ПУ. Каждый хаб, в свою очередь, обеспечивает питание устройств, подключенных к его нисходящим портам. При некоторых ограничениях топологии допускается применение хабов, питающихся от шины. На рисунке 4.14 приведен пример схемы соединения устройств USB. Здесь клавиатура, перо и мышь могут питаться от шины.

Модель передачи данных

Каждое устройство USB представляет собой набор независимых конечных точек (Endpoint), с которыми хост-контроллер обменивается информацией. Конечные точки описываются следующими параметрами:

– требуемой частотой доступа к шине и допустимыми задержками обслуживания;

– требуемой полосой пропускания канала;

– номером точки;

– требованиями к обработке ошибок;

– требованиями к обработке ошибок;

– максимальными размерами передаваемых и принимаемых пакетов;

– типом обмена;

– направлением обмена (для сплошного и изохронного обменов).

Лекция 15