- SMBDAT: Chân chọn dữ liệu cho giao diện bus.
GIAO DIỆN USB VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ SỬ DỤNG GIAO DIỆN USB
GIAO DIỆN USB
3.1. GIAO DIỆN USB.3.1.1. Bộ kết nối USB. 3.1.1. Bộ kết nối USB.
Tất cả các thiết bị USB có một sự kết nối ngược chiều tới máy chủ và tất cả máy chủ có một sự kết nối ngược chiều tới các thiết bị khác. Sự kết nối ngược chiều và thuận chiều thì không thể thay thế cho nhau một cách máy móc. Có hai kiểu khá phổ biến cho bộ kết nối USB, gọi là kiểu A và kiểu B. Hình 3.1 dưới đây cho ta biết hai kiểu kết nối trong USB:
Kiểu A cắm mặt ngược chiều. Lỗ cắm kiểu A là loại lỗ cắm phổ biến nhất trong bảng mạch chủ của máy tính. Lỗ cắm kiểu B luôn luôn được kết nối thuận chiều và chính vì vậy lỗ cắm kiểu B luôn luôn được thiết lập trên thiết bị. Kiểu A có dây nối kiểu dây thẳng và một ma trận của USB có sự thay đổi trong một vài trạng thái lưu trữ của máy tính. Với lỗ cắm kiểu B sẽ cho ta có thể tối thiểu hoá các thiết bị kết nối. Hướng kết nối kiểu B có miền kết nối rộng và dễ dàng kết nối với các thiết bị ngoại vi khác. Thường kiểu màu của cáp dùng cho USB quy định như sau:
Pin Number Cable Colour Function 1 Red VBUS (5 volts)
2 White D -
3 Green D +
4 Black Ground
Bảng chức năng của chân tín hiệu trong bộ nối USB
Với bảng này có thể cho biết nhận dạng các dây nối qua cổng USB. 2 1
3 41 2 3 4 1 2 3 4
Receptacle type A Receptical type B
3.1.2. Đắc tính điện của cổng USB.
USB sử dụng một cặp biến đổi sai phân cho dữ liệu. Trên một thiết bị giao tiếp có tốc độ thấp và đầy đủ, nếu tín hiệu sai phân là ‘1’ thì dữ liệu được truyền qua chân D+ với mức điện áp trên 2.8V với một điện trở 15KΩ kéo xuống đất và qua chân D- (chân 2) có mức điện áp dưới 0.3V cùng một điện trở 1.5KΩ lên tới 3.6V. Nếu tín hiệu sai phân là ‘0’ thì trên một kênh điều khiển khác chân D- lớn hơn 2.8V và chân D+ ít hơn 0.3V cùng một giới hạn điện trở thích hợp.
Thiết bị thu xác định một tín hiệu sai phân ‘1’ khi D+ là 200mV lớn hơn D- và là ‘0’ khi D+ ít hơn D-. Cực tính của tín hiệu bị đảo ngược tín hiệu phụ thuộc vào tốc độ của bus.
Máy phát USB có cả tín hiệu sai phân và một tín hiệu ra. Tất nhiên trạng thái bus được chỉ ra bởi một tín hiệu trên D+, D- hoặc cả hai.
Bus có tốc độ thấp hoặc cao có đặc tính trở kháng 90KΩ +/-15%. Đặc tính này rất quan trọng để quan sát dạng dữ liệu khi chọn trở kháng thoả mãn chuỗi điện trở cho D+ và D-.
Chế độ tốc độ cao (480Mb/s) có dòng điện cố định 17.78mA cho việc truyền tín hiệu để giảm nhiễu.
3.1.3. Dòng trì hoãn.
Chế độ trì hoãn tạm thời có tính bắt buộc với mọi thiết bị. Dòng hoãn có giá trị tối đa tương ứng với một đơn vị tải được mặc định là 500µA. Tại máy truy cập chủ cả D+ và D- có điện trở ngược là 15KΩ và tại thiết bị ngoại vi có điện trở 1.5KΩ.
Rất nhiều thiết bị USB hoạt động với mức điện áp 3.3V. Một thiết bị USB có chế độ hoãn khi ở thiết bị đó không có hoạt động trên bus. Sự duy trì kết nối tới chế độ hoãn của máy truy cập chủ hoặc máy chủ thì thiết bị
USB vẫn phải cung cấp nguồn để nó tăng cường sự lựa chọn điện trở trong suốt chế độ hoãn.
3.1.4. Giao thức truyền USB.
Không giống giao thức truyền nối tiếp thông thường. Mỗi giao dịch USB bao gồm:
- Gói dấu hiệu: Chứa địa chỉ. - Gói tính chất dữ liệu.
- Gói trạng thái.
Gói dấu hiệu được tạo ra bởi thiết bị chủ để mô tả gói tiếp theo và thao tác đối với dữ liệu là gì (đọc hay ghi), gói tiếp theo thường là gói dữ liệu mang theo dung lượng và cuối cùng là gói dùng để bắt tay, thông báo dữ liệu đã được nhận thành công hay có lỗi khi giao dịch.
3.1.5. Cấu trúc gói USB.
Cấu trúc gói thông dụng bao gồm các trường:
- Đồng bộ: Có độ dài 8 bít, dùng đồng bộ xung đồng hồ của đối tượng truyền và nhận dữ liệu.
- Mã gói: Được mã hoá bởi 4 bít trong thanh ghi 8 bít, các kiểu cấu trúc gói như sau: Group PID Value Packet Identifier
Token 0001 OUT Token 1001 IN Token 1010 SOF Token 1101 SETUP Toke Data 0011 DATA0 1011 DATA1 0111 DATA2 1111 MDATA Handshake 0010 ACK Handshake 1010 NAK Handshake 1110 STALL Handshake
0110 NYET (No Resonse Yet)
- Thanh ghi PID.
PID0 PID1 PID2 PID3 nPID0 nPID1 nPID2 nPID3
- Địa chỉ: Dùng 7 bít để dùng định địa chỉ 127 thiết bị ngoại vi.
Và các trường khác như: Định điểm cuối, kiểm tra chu kỳ thừa, kết thúc gói.
3.1.6. Các kiểu gói USB.
Có 4 kiểu gói khác nhau.
- Gói dấu hiệu: Chỉ kiểu giao dịch:
+ Vào: Thông báo thiết bị USB HOST muốn đọc thông tin. + Ra: Thông báo thiết bị USB HOST muốn gửi thông tin. + Thiết lập: Bắt đầu điều khiển sự trao đổi.
Định dạng của gói như sau:
Sync PID ADDR ENDP CRC5 EOP
- Gói dữ liệu: Có 2 kiểu, mỗi kiểu có thể truyền 0 đến 1023 byte dữ liệu. Đều có định dạng.
Sync PID Data CRC16 EOP
- Gói bắt tay: Có 3 kiểu.
ACK: Thông báo gói đã được nhận thành công. NAK: Báo thiết bị không thể trao đổi dữ liệu.
STALL: Thiết bị yêu cầu sự can thiệp của thiết bị điều khiển USB.
Sync PID EOP
- Gói bắt đầu của khung: Gồm 11 bít được thiết bị điều khiển USB gửi mỗi 1ms. Có định dạng sau:
Sync PID Frame Number CRC5 EOP 3.1.7. Các kiểu truyền USB.
- Truyền đẳng thời: Có mã thông báo và một nhịp dữ liệu. Nếu thiết bị điểu khiển USB đưa ra thông báo IN thì thiết bị USB đưa dữ liệu tới thiết bị điều khiển USB. Nếu thiết bị USB nhận dữ liệu từ thiết bị điều khiển USB ngay sau khi có mã thông báo OUT. Không có sự bắt tay trong cách truyền này.
- Truyền khối: Giống như truyền đẳng thời nhưng nó có sự bắt tay sau khi nhận dữ liệu, để khẳng định dữ liệu đã được thu, phát một cách chính xác. Tín hiệu ACK sẽ được phát bởi thiết bị USB hoặc thiết bị điều khiển USB nếu dữ liệu nhận không lỗi.
Thiết bị USB có 2 tín hiệu báo lỗi:
+ NAK báo tạm thời không thực hiện yêu cầu của thiết bị điều khiển USB.
+ STALL báo có 1 điều kiện sai, cần dến sự can thiệp của thiết bị điều khiển USB.
- Truyền dẫn có điều khiển: Có 2 hoặc 3 trạng thái: Cài đặt, trạng thái và dữ liệu (tuỳ chọn).
- Truyền có ngắt: Tương tự như truyền khối nhưng nó chỉ có một mã thông báo IN. Thiết bị USB cho phép truyền lại dữ liệu, nếu không có ngắt dữ liệu mới thì sẽ thực hiện bắt tay bằng tín hiệu NAK. Nếu thiết bị USB cần đến sự can thiệp của thiết bị điều khiển thì nó sẽ lại bắt tay bằng tín hiệu STALL.
3.1.8. Điều khiển dữ liệu.
Máy chủ gửi thẻ khoá SETUP báo cho hàm biết rằng gói tiếp theo sẽ nằm trong gói SETUP. Trường địa chỉ giữ địa chỉ của thiết bị mà máy chủ đang yêu cầu bộ mô tả từ đó. Số thứ tự của điểm kết thúc là Zero để xác định ống mặc định. Khi đó máy chủ sẽ gửi gói Data0. Nó có dung lượng hữu ích 8
Sync PID ADDR ENDP CRC5 EOP