5. 2.1 Vi mạch đệm 74LS245:
6.4.3 Giao diện vật lý
Giao diện vật lý của USB mô tả về mặt điện tử và cơ khí của kết nối USB
• Chuẩn về cơ khí (Mechanical):
Chuẩn USB sử dụng cáp 4 sợi để truyền tín hiệu và nguồn nuôi. Tín hiệu được truyền qua 2 dây cho mỗi đoạn liên kết điểm – điểm. Có ba loại cáp chính.
- Cáp USB tốc độ cao (high-speed) là 480 Mb/s. - Cáp USB tốc độ đủ (full-speed) là 12 Mb/s.
- Cáp USB dành cho truyền thông tốc độ thấp ở 1.5 Mb/s. Cáp USB high/full-speed
USB quy định hai loại đầu cắm được gọi là dạng “A” và “B”. Hai loại này chỉ khác nhau về kiểu dáng
Hình 6.8: Đầu cắm USB dạng A và B
• Chuẩn về điện tử (Electrical)
Tín hiệu đồng hồ được truyền và giải mã cùng với dữ liệu. Phương pháp mã hoá bit là NRZI cùng với việc nhồi bit để đảm bảo chính xác trong truyền
Qua ổ cắm USB ở phía sau máy tính có thể lấy ra điện áp +5v với dòng tiêu thụ khoảng 100mA, trong một số trường hợp có thể lấy ra dòng tiêu thụ đến 500mA
Hai đường dẫn dữ liệu D+ và D- là các tín hiệu vi sai với mức điện áp bằng 0/3,3V. Điện áp nguồn nuôi ở bus USB có thể đến +5.25 V Và khi chịu dòng tải lớn có thể giảm xuống +4.2V, nếu bổ sung một vi mạch ổn áp có thể tạo ra một điện áp ổn định +3.3V
Toàn bộ hệ thống được thiết kế sao cho khi chịu dòng tải lớn điện áp nguồn cũng không vợt quá +4.2V. Khi thiết bị ghép nối cần dòng lớn hơn 100mA cần xem xét kỹ khả năng cung cấp và chịu tải của các linh kiện trong máy tính. Đấy cũng chính là một trong các ưu điểm của USB là các thiết bị chức năng có thể lấy nguồn nuôi luôn từ host
Mức tín hiệu
Chuẩn USB quy định mức của tín hiệu cho từng kiểu truyền low-speed, full-speed và high-speed
Low-/Full-speed
Trạng thái bus
Mức tín hiệu Tại phía phát (vào thời
điểm kết thúc thời gian bit)
Tại phía nhận
Yêu cầu Chấp nhận được
“1” D+ > VOH (min) and D- < VOL (max) (D+) - (D-) >200 mV và D+ >VIH (min) (D+) - (D-) >200 mV
Chân Tên gọi Màu dây Mô tả
1 VBUS Đỏ +5Vdc
2 D- Trắng Dữliệu -
3 D+ Xanh lục Dữliệu +
“0” D- > VOH (min) and D+ < VOL (max) (D-) - (D+) > 200 mV và D->VIH (min) (D-) - (D+) > 200 mV Trạng thái rỗi: Low- speed Full-speed
Không quan tâm D- > VIHZ (min) và D+ < VIL (max) D+ > VIHZ (min) và D- < VIL (max) D- > VIHZ (min) và D+ < VIH (min) D+ > VIHZ (min) và D- < VIH (min) Reset D+ and D-<VOL (max) for
≥10ms D+ and D-<VIL (max) for ≥10 ms D+ and D-<VIL (max) for ≥2.5 µs Với kiểu truyền Low-/Full-speed, bên nguồn phải đảm bảo đưa ra được mức tín hiệu chỉ ra ở cột 2 và bên nhận phải nhận ra trạng thái đúng của đường truyền ứng với mức ở cột 3
Full-/High-speed Trạng thái
đường truyền Mức tín hiệu bên phía phát Mức tín hiệu bên phía thu
Tín hiệu sai phân High-
speed “1” Mức tín hiệu một chiều DC:
VHSOH (min) ≤D+ ≤VHSOH (max) VHSOL (min) ≤D- ≤VHSOL (max) Mức tín hiệu sai phân AC: A transmitter must conform to eye pattern templates called out in Section 7.1.2.
See Note 2.
Mức tín hiệu sai phân AC
signal at target connector must be recoverable, as defined by eye pattern templates called out in Section 7.1.2.
Trạng thái 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.
Mã hóa và giải mã tín hiệu:
USB thực hiện mã hóa theo phương pháp NRZI (Non Return to Zero – Inverted) khi truyền một gói tin. Với phương pháp NRZI, bit 1 thể hiện bằng sự không thay đổi về mức tín hiệu trên đường truyền còn bit 0 thể hiện bằng sự thay đổi mức tín hiệu.
Nhồi bít (Bit Stuffing)
Để đảm bảo sự chính xác khi truyền tín hiệu, chuẩn USB thực hiện nhồi bit khi truyền các gói tin. Một bit 0 sẽ được thêm vào (nhồi) sau mỗi 6 bit liên tục trong luồng dữ liệu trước khi mã hóa NRZI được thực hiện. Điều đó đảm bảo cho bên nhận có thể đồng bộ hóa tín hiệu xung đồng bộ sau mỗi 7 bit. Việc nhồi bit được cho phép bắt đầu sau mẫu SYNC. Bit 1 ở cuối của mẫu đồng bộ SYNC được đếm là bit đầu tiên trong chuỗi dữ liệu.
Bên nhận phải giải mã dữ liệu NRZI, phát hiện ra bít nhồi và bỏ qua chúng.
• Điểm cuối và đường ống
Điểm cuối là đầu nguồn hay đầu phát của một thiết bị ngoại vi, một thiết bị ngoại vi có thể có nhiều điểm cuối nó chỉ ra dữ liệu cần thiết được dẫn tới đâu hoặc cần phải đón nhận từ đâu, nó làm cho thiết bị được định địa chỉ một cách linh hoạt ví dụ như chuột USB chẳng hạn có một điểm cuối 0, một điểm cuối 1.
Điểm cuối 0 được sử dụng khi khởi tạo các dữ liệu hữu ích được bộ vi điều khiển ghi trên một khoảng cách định trước tính theo điểm cuối 1 và từ đó máy PC đọc vào.
Mỗi điểm cuối thiết bị thường tương ứng với một FIFO đóng vai trò trung gian giữa các cuộc truyền, nhận dữ liệu giữa khối SIE và phần còn lại của thiết bị Một đường ống là một kênh logic dẫn tới một điểm cuối trong một thiết bị, ta có thể hình dung đường ống như một kênh dữ liệu được hình thành từ một dây dẫn riêng lẻ . Nhưng trên thực tế dữ liệu được truyền trên đường ống dưới dạng các gói dữ liệu trong một khung truyền chiếm hàng mili giây
và được phần cứng phân phát thông qua địa chỉ điểm cuối . Một thiết bị có thể sử dụng nhiều đường ống đồng thời vì thế tốc độ truyền dữ liệu tổng cộng được nâng lên . Nói cách khác Đường ống là phần mềm quản lý điểm cuối của thiết bị USB, ta có thể hiểu chúng là những kênh phần mềm được gọi lên trong phần mềm điều hành USB và có nhiệm vụ truyền tin đến những điểm cuối của thiết bị ngoại vi, mọi thiết bị trong bus USB sẽ cùng chia giải tần qua một giao thức khung truy nhập máy chủ.
• Kết nối các thiết bị USB
Khi có một kết nối đến HUB nó sẽ thông báo đến máy chủ, máy chủ hỏi HUB để xác định nguyên nhân của thông báo, HUB trả lời bằng việc nhận dạng cổng đã kết nối với thiết bị USB . Máy chủ cho phép cổng và định địa chỉ thiết bị USB với một đường ống điều khiển bằng cách sử dụng địa chỉ mặc định USB, tất cả các thiết bị khi đấu nối vào lần đầu đều được nhận một địa chỉ mặc định USB, Host xác 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
Máy chủ thiết lập một đường ống điều khiển đối với thiết bị USB bằng cách sử dụng địa chỉ USB đã được gán và số 0 điểm cuối. Nếu thiết bị USB là một hub thì khi có một thiết bị USB kết nối vào nó quá trình trên diễn ra liên tục Nếu thiết bị USB là một thiết bị chức năng thì các thông báo về việc kết nối sẽ được phần mềm USB gửi tới phần mềm máy chủ
• Loại bỏ các thiết bị USB
Khi một thiết bị USB được gỡ bỏ từ một trong số các cổng của hub thì hub tự động vô hiệu hoá cổng và cung cấp một thông tin cho host báo về việc loại bỏ thiết bị ra khỏi bus. Sau đấy host sẽ loại bỏ các số liệu đã viết về thiết bị vừa dỡ bỏ Nếu thiết bị USB dỡ bỏ là một hub thì quá trình dỡ bỏ phải được thực hiện với tất cả thiết bị USB mà trước đó đã được đấu nối vào hub