Một hệ thống USB được mụ tả bao gồm ba thành phần chớnh sau: - Kết nối USB (USB interconnect)
- Cỏc thiết bị USB (USB devices) - Chủ USB (USB host)
Kết nối USB cho biết phương thức mà cỏc thiết bị kết nối và truyền thụng với mỏy chủ (host). Bao gồm như sau:
- Cấu trỳc liờn kết bus (Bus Topology): Mụ hỡnh liờn kết giữa cỏc thiết bị USB và host
- Cỏc quan hệ lớp trong (Inter-layer Relationships): Cỏc tỏc vụ của USB được thực hiện o từng lớp trong hệ thống
- Mụ hỡnh luồng dữ liệu (Data Flow Models): LÀ cỏch mà dữ liệu di chuyển trong hệ thống giữa cỏc đối tỏc truyền thụng
- Lập lịch USB (USB Schedule): USB cung cấp một kết nối chia sẻ. Việc truy nhập vào kết nối được lập lịch để cú thể hỗ trợ truyền thụng đẳng thời và trỏnh xung đột
• Cấu trỳc liờn kết bus
Về mặt vật lý USB là một kiến trỳc tầng sao (tiered star) . Một HUB ở tại trung tõm của mỗi sao, với 7 bit địa chỉ USB cho phộp quản lý tối đa 127 thiết bị ngoại vi
đõy là con số mang tớnh lý thuyết bởi khi cú càng nhiều thiết bị đấu nối thỡ tốc độ truyền càng chậm do dải thụng của toàn bộ bus bị phõn chia đến từng thiết bị
Hỡnh 6.1: Cấu trỳc tầng sao của USB
• Chủ USB ( host USB)
Chủ USB chớnh là mỏy tớnh cỏ nhõn với hệ điều hành cú khả năng quản lý USB Một mạng USB chỉ được phộp cú một chủ USB , mỏy tớnh sử dụng phần cứng phần mềm USB để làm việc như một chủ bus . Mỏy tớnh nhận biết việc cắm thờm hay dỡ bỏ một thiết bị ngoại vi để khởi động quỏ trỡnh đỏnh số và cỏc quỏ trỡnh truyền dữ liệu khỏc trong bus. Mỏy tớnh cũng cú trỏch nhiệm kiểm tra trạng thỏi ,thống kờ hoạt động và kiểm tra ghộp nối điện giữa bộ điều khiển chủ và cỏc thiết bị USB ngoại vi. • Thiết bị USB
Cỏc thiết bị USB cú chức năng tớ trong mạng bus . Ta chia ra làm hai loại thiết bị USB :
- HUB
Một hub ngoài cú một cổng hướng về mỏy chủ (upstream) và 4 cổng ra thiết bị ghộp nối (downstream) trong mỏy PC cũng cú một hub cắm ngay trờn bản mạch chớnh hub này được gọi là hub gốc (roothub). Hub thường gồm cú một bộ điều khiển hub và một bộ lặp (repeater) một hub cú chức năng : chuyển một ổ cắm USB thành nhiều ổ cắm, nhận biết cỏc thiết bị mới được đấu vào , xoỏ đi một thiết bị đó đấu nối vào bus nhưng sau đấy được thỏo ra để thực hiện được việc này cú những trạng thỏi bus được tạo ra o cỏch đặc biệt (dựa vào mức điện ỏp , ta khụng đề cập đến kỹ thuật này ở đõy) Cú thể núi trỏi tim của hub chớnh là vi điều khiển USB 8x930 là loại vi điều khiển 8 bit với bộ nhớ và cổng ngoại vi được cấy ở bờn trong vi điều khiển này cú thể xử lớ được cả 4 loại truyền dữ liệu : điều khiển, ngắt đồng bộ cỏch biệt và khối. Truyền dữ liệu giữa thiết bị và mỏy chủ được thực hiện thụng qua một cặp điểm cuối trong vi điều khiển này mỗi điểm cuối được trang bị một bộ đệm FIFO phỏt và FIFO thu. Tuỳ vào cỏc ứng dụng mà ta cần cỏc FIFO cú dung lượng khỏc nhau Hoạt động của bộ điều khiển USB được lập trỡnh thụng qua cỏc thanh ghi chức năng đặc biệt ., giao thức
USB được cấy bờn trong ROM của 8x930 vỡ vậy người lập trỡnh khụng cần quan tõm đến vấn đề này
- Thiết bị chức năng
Là cỏc thiết bị ngoại vi như : chuột, bàn phớm. Màn hỡnh, mỏy quột, ADC, vi điều khiển ……mọi thiết bị chức năng của bus đều phải o cỏc qui định của USB để mỏy chủ cú thể nhận biết được chỳng. Mọi thiết bị USB đều được thiết kế gồm 3 phần chớnh :
- Phần giao diện tuần tự SIE là vi mạch chịu trỏch nhiệm nhận và gửi dữ liệu o chuẩn USB
- Một tổ hợp giũa phần cứng và firmware nhận nhiệm vụ truyền dữ liệu giữa khối SIE và điểm cuối của thiết bị qua cỏc đường ống (pipe) thớch hợp của chỳng
- Thành phần thứ 3 là phần chức năng của thiết bị ngoại vi 6.4.3. Giao diện vật lý
Giao diện vật lý của USB mụ tả về mặt điện tử và cơ khớ của kết nối USB
• Chuẩn về cơ khớ (Mechanical):
Chuẩn USB sử dụng cỏp 4 sợi để truyền tớn hiệu và nguồn nuụi. Tớn hiệu được truyền qua 2 dõy cho mỗi đoạn liờn kết điểm – điểm. Cú ba loại cỏp chớnh
- Cỏp USB tốc độ cao (high-speed) là 480 Mb/s. - Cỏp USB tốc độ đủ (full-speed) là 12 Mb/s.
- Cỏp USB dành cho truyền thụng tốc độ thấp ở 1.5 Mb/s. Cỏp USB high/full-speed
.
Hỡnh 6.2 Cỏp dựng cho USB
USB quy định hai loại đầu cắm được gọi là dạng “A” và “B”. Hai loại này chỉ khỏc nhau về kiểu dỏng
Hỡnh 6.3: Đầu cắm USB dạng A và B • Chuẩn về điện tử (Electrical) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tớn hiệu đồng hồ được truyền và giải mó cựng với dữ liệu. Phương phỏp mó hoỏ bit là NRZI cựng với việc nhồi bit để đảm bảo chớnh xỏc trong truyền thụng.
Chõn Tờn gọi Màu dõy Mụ tả
1 VBUS Đỏ +5Vdc
2 D- Trắng Dữliệu -
3 D+ Xanh lục Dữliệu +
4 GND Đen Nối đất
Qua ổ cắm USB ở phớa sau mỏy tớnh cú thể lấy ra điện ỏp +5v với dũng tiờu thụ khoảng 100mA , trong một số trường hợp cú thể lấy ra dũng tiờu thụ đến 500mA
Hai đường dẫn dữ liệu D+ và D- là cỏc tớn hiệu vi sai với mức điện ỏp bằng 0/3,3V. Điện ỏp nguồn nuụi ở bus USB cú thể đến +5.25 V Và khi chịu dũng tải lớn cú thể giảm xuống +4.2V, nếu bổ sung một vi mạch ổn ỏp cú thể tạo ra một điện ỏp ổn định +3.3V
Toàn bộ hệ thống được thiết kế sao cho khi chịu dũng tải lớn điện ỏp nguồn cũng khụng vợt quỏ +4.2V. Khi thiết bị ghộp nối cần dũng lớn hơn 100mA cần xem xột kỹ khả năng cung cấp và chịu tải của cỏc linh kiện trong mỏy tớnh. Đấy cũng chớnh là
một trong cỏc ưu điểm của USB là cỏc thiết bị chức năng cú thể lấy nguồn nuụi luụn từ host
Mức tớn hiệu:
Chuẩn USB quy định mức của tớn hiệu cho từng kiểu truyền low-speed, full-speed và high-speed
Low-/Full-speed
Mức tớn hiệu
Tại phớa nhận Trạng
thỏi bus Tại phớa phỏt (vào thời điểm kết thỳc thời gian bit)
Yờu cầu Chấp nhận được
“1” D+ > VOH (min) and D- < VOL (max) (D+) - (D-) >200 mV và D+ >VIH (min) (D+) - (D-) >200 mV “0” D- > VOH (min) and D+ < VOL (max) (D-) - (D+) > 200 mV và D->VIH (min) (D-) - (D+) > 200 mV Trạng thỏi rỗi: Khụng quan tõm Low- speed D- > VIHZ (min) và D+ < VIL (max) D- > VIHZ (min) và D+ < VIH (min)
Full-speed D+ > VIHZ (min)
và D- < VIL (max) D+ > VIHZ (min) và D- < VIH (min) Reset
D+ and D-<VOL (max) for ≥10ms D+ and D-<VIL (max) D+ and D-<VIL (max) for ≥10 ms for ≥2.5 às
Với kiểu truyền Low-/Full-speed, bờn nguồn phải đảm bảo đưa ra được mức tớn hiệu chỉ ra ở cột 2 và bờn nhận phải nhận ra trạng thỏi đỳng của đường truyền ứng với mức ở cột 3 Full-/High-speed Trạng thỏi đường truyền Mức tớn hiệu bờn phớa phỏt Mức tớn hiệu bờn phớa thu
Tớn hiệu sai phõn High- speed “1” Mức tớn hiệu một chiều DC: VHSOH (min) ≤D+ ≤VHSOH (max) VHSOL (min) ≤D- ≤VHSOL (max)
Mức tớn hiệu sai phõn AC: Mức tớn hiệu sai phõn AC A transmitter must conform to signal at target connector eye pattern templates
called
must be recoverable, as defined
out in Section 7.1.2. by eye pattern templates
called out in Section 7.1.2.
See Note 2. See Note 2. Tớn hiệu sai phõn High-
speed “0” DC Levels: VHSOH (min) ≤D- ≤VHSOH (max) VHSOL (min) ≤D+ ≤VHSOL (max) See Note 1. AC Differential Levels: AC Differential Levels: A transmitter must conform to signal at target connector eye pattern templates (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
called
must be recoverable, as defined
out in Section 7.1.2. by eye pattern templates
called out in Section 7.1.2.
See Note 2. See Note 2. Trạng thỏi rỗi High-
speed NA DC Levels: VHSOImin ≤(D+, D-) ≤VHSOImax See Note 1. AC Differential Levels: Magnitude of differential voltage is ≤100 mV See Note 3.
USB thực hiện mó húa o phương phỏp NRZI (Non Return to Zero – Inverted) khi truyền một gúi tin. Với phương phỏp NRZI, bit 1 thể hiện bằng sự khụng thay đổi về mức tớn hiệu trờn đường truyền cũn bit 0 thể hiện bằng sự thay đổi mức tớn hiệu.
Nhồi bớt (Bit Stuffing)
Để đảm bảo sự chớnh xỏc khi truyền tớn hiệu, chuẩn USB thực hiện nhồi bit khi truyền cỏc gúi tin. Một bit 0 sẽ được thờm vào (nhồi) sau mỗi 6 bit liờn tục trong luồng dữ liệu trước khi mó húa NRZI được thực hiện. Điều đú đảm bảo cho bờn nhận cú thể đồng bộ húa tớn hiệu xung đồng bộ sau mỗi 7 bit. Việc nhồi bit được cho phộp bắt đầu sau mẫu SYNC. Bit 1 ở cuối của mẫu đồng bộ SYNC được đếm là bit đầu tiờn trong chuỗi dữ liệu.
Bờn nhận phải giải mó dữ liệu NRZI, phỏt hiện ra bớt nhồi và bỏ qua chỳng.
• Điểm cuối và đường ống
Điểm cuối là đầu nguồn hay đầu phỏt của một thiết bị ngoại vi , một thiết bị ngoại vi cú thể cú nhiều điểm cuối nú chỉ ra dữ liệu cần thiết được dẫn tới đõu hoặc cần phải đún nhận từ đõu , nú làm cho thiết bị được định địa chỉ một cỏch linh hoạt vớ dụ như chuột USB chẳng hạn cú một điểm cuối 0 , một điểm cuối 1.
Điểm cuối 0 được sử dụng khi khởi tạo cỏc dữ liệu hữu ớch được bộ vi điều khiển ghi trờn một khoảng cỏch định trước tớnh o điểm cuối 1 và từ đú mỏy PC đọc vào
Mỗi điểm cuối thiết bị thường tương ứng với một FIFO đúng vai trũ trung gian giữa cỏc cuộc truyền , nhận dữ liệu giữa khối SIE và phần cũn lại của thiết bị
Một đường ống là một kờnh logic dẫn tới một điểm cuối trong một thiết bị , ta cú thể hỡnh dung đường ống như một kờnh dữ liệu được hỡnh thành từ một dõy dẫn riờng lẻ . Nhưng trờn thực tế dữ liệu được truyền trờn đường ống dưới dạng cỏc gúi dữ liệu trong một khung truyền chiếm hàng mili giõy và được phần cứng phõn phỏt thụng qua địa chỉ điểm cuối . Một thiết bị cú thể sử dụng nhiều đường ống đồng thời vỡ thế tốc độ truyền dữ liệu tổng cộng được nõng lờn . Núi cỏch khỏc Đường ống là phần mềm quản lý điểm cuối của thiết bị USB , ta cú thể hiểu chỳng là những kờnh phần mềm được gọi lờn trong phần mềm điều hành USB và cú nhiệm vụ truyền tin đến những điểm cuối của thiết bị ngoại vi , mọi thiết bị trong bus USB sẽ cựng chia giải tần qua một giao thức khung truy nhập mỏy chủ.
Khi cú một kết nối đến HUB nú sẽ thụng bỏo đến mỏy chủ , mỏy chủ hỏi HUB để xỏc định nguyờn nhõn của thụng bỏo , HUB trả lời bằng việc nhận dạng cổng đó kết nối với thiết bị USB . Mỏy chủ cho phộp cổng và định địa chỉ thiết bị USB với một đường ống điều khiển bằng cỏch sử dụng địa chỉ mặc định USB, tất cả cỏc thiết bị khi đấu nối vào lần đầu đều được nhận một địa chỉ mặc định USB , Host xỏc định xem thiết bị vừa được đấu nối là HUB hay thiết bị chức năng và gắn cho thiết bị USB một địa chỉ duy nhất
Mỏy chủ thiết lập một đường ống điều khiển đối với thiết bị USB bằng cỏch sử dụng địa chỉ USB đó được gỏn và số 0 điểm cuối. Nếu thiết bị USB là một hub thỡ khi cú một thiết bị USB kết nối vào nú quỏ trỡnh trờn diễn ra liờn tục Nếu thiết bị USB là một thiết bị chức năng thỡ cỏc thụng bỏo về việc kết nối sẽ được phần mềm USB gửi tới phần mềm mỏy chủ
• Loại bỏ cỏc thiết bị USB
Khi một thiết bị USB được gỡ bỏ từ một trong số cỏc cổng của hub thỡ hub tự động vụ hiệu hoỏ cổng và cung cấp một thụng tin cho host bỏo về việc loại bỏ thiết bị ra khỏi bus. Sau đấy host sẽ loại bỏ cỏc số liệu đó viết về thiết bị vừa dỡ bỏ Nếu thiết bị USB dỡ bỏ là một hub thỡ quỏ trỡnh dỡ bỏ phải được thực hiện với tất cả thiết bị USB mà trước đú đó được đấu nối vào hub
6.4.4. Sự điểm danh
Như ta đó biết ở phần trước một ưu điểm đặc biệt của bus USB là khả năng “ cắm là chạy “ ( Plug and Play) đối với thiết bị mới được đấu nối vào bus . Muốn thế hệ thống phải hoạt động trong trạng thỏi thường xuyờn kiểm tra thụng tin từ một thiết bị , từ thụng tin này thiết bị sẽ được nạp phần mềm điều khiển thớch hợp Khi một thiết bị mới được điểm danh (enumeration) sẽ nhận được một địa chỉ bus và được hỗ trợ qua một phần mềm cụ thể Việc điểm danh được thực hiện hoàn toàn độc lập bởi hệ điều hành, khi một thiết bị mới được đấu nối vào cú thể xảy ra hiện tượng là hệ điều hành yờu cầu cần một đĩa điều khiển thớch hợp Nhưng cũng cú nhiều phần mềm điều khiển đó được tớch hợp trong hệ thống
Quỏ trỡnh điểm danh là quỏ trỡnh hệ điều hành tiến hành kiểm tra cỏc phần cứng mới được đấu nối vào qua thụng tin nú thu được từ thiết bị được đấu nối . Thụng tin này thường gọi là bản túm lược Khi cú một thiết bị mới được đấu nối vào bus sau đấy diễn ra cỏc bước sau :
- Hub nhận biết được và nú thụng bỏo với mỏy chủ là cú một thiết bị mới được đấu nối vào
- Mỏy chủ hỏi lại hub xem thiết bị đó được nối vào cổng nào
- Mỏy chủ khi này biết thiết bị đó được nối vào cổng nào , nú sẽ đưa ra một lệnh nối đến cổng đú và thực hiện một thao tỏc reset lại bus
- Hub tạo ra một tớn hiệu reset với độ dài 10 ms và cấp một dũng điện với cường độ 100mA cho thiết bị . Bõy giờ thiết bị đó sẵn sàng hoạt động và trả lời bằng một địa chỉ mặc định 0
- Trước khi nhận được một địa chỉ riờng thỡ thiết bị vẫn được trao đổi với host thụng qua địa chỉ mặc định . mỏy chủ đọc byte đầu tiờn của bản túm lược, để xem độ lớn bản túm lược là bao nhiờu
- Mỏy chủ gỏn cho thiết bị một địa chỉ bus riờng
- Qua địa chỉ mới mỏy chủ đọc tất cả cỏc thụng tin cấu hỡnh cú từ thiết bị - Qua đú mỏy chủ sẽ gỏn cho thiết bị một phần điều khiển phự hợp nếu cú
thể. Bõy giờ thiết bị sẽ được phộp lấy ra dũng điện tiờu thụ như trong bản túm lược đó nờu. Như vậy là thiết bị và mỏy chủ đều đó sẵn sàng trao đổi Mỗi thiết bị cú cỏc thụng số như : mó giao thức , nhà sản xuất , loại thiết bị ,độ lớn FIFO, dũng tiờu thụ… (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tất cả cỏc thụng tin này được lưu trong ROM của thiết bị khi thiết bị được đấu nối vào vi điều khiển của hub sẽ đọc cỏc thụng tin này và truyền cho mỏy chủ . Để mỏy chủ cú những điều khiển phự hợp
6.4.5. Cỏc kiểu truyền USB
Truyền dữ liệu USB là giai đoạn nằm giữa phần mềm mỏy chủ và điểm cuối của thiết bị ngoại vi . Thụng tin cú thể đi o một chiều hoặc 2 chiều . Mỏy chủ xử lý việc trao đổi dữ liệu với từng thiết bị ngoại vi một cỏch độc lập . USB quản lý 4 kiểu truyền dữ liệu
- Truyền điều khiển ( control transfer ): là truyền o kiểu 2 chiều, kiểu truyền này được sử dụng để cài đặt thiết bị ngoại vi giao thức truyền điều khiển được bắt đầu bằng một gúi khung , tiếp o là gúi dữ liệu và kết thỳc là gúi bắt tay . Mọi thiết bị ngoại vi USB đều phải xử lý được kiểu truyền này - Truyền ngắt : Là truyền một chiều . Cỏc thiết bị cung cấp một lượng dữ liệu