Шины.PCI,.USB.и.FireWire

Таблица 11.4 (продолжение)

1Для широкополосной конечной точки строки относятся к двум$трем транзакциям в микрокадре, в каждой из которых длина поля данных не превышает 1024 байт.

Совместная работа устройств с разными скоростями на одной шине

Спецификация USB позволяет к одной шине подключать устройства, работаю$ щие на существенно различающихся скоростях передачи. Для их нормального со$ существования в плане распределения времени микрокадров для каждой из ско$ ростей приняты соответствующие ограничения на максимальную длину поля данных пакета:

низкая скорость (LS, 1,5 Мбит/с) — до 8 байт, при этом двухстадийная транзак$ ция управления занимает 30% кадра, а транзакция прерывания — 14%;

полная скорость (FS, 12 Мбит/с) — до 1023 байт для изохронных обменов (69% кадра) и 64 байт для остальных типов (5% кадра);

высокая скорость (HS, 480 Мбит/с) — до 1024 байт для прерываний и изохрон$ ных обменов (14% микрокадра), до 512 байт для передач массивов и управле$ ния (7–8% микрокадра).

Приемопередатчики (да и соединительные кабели) низкоскоростных устройств не способны работать с сигналами полной скорости, на которой передаются все маркеры SOF и пакеты обмена с полноскоростными устройствами. Поэтому хаб USB не транслирует трафик на свои нисходящие порты, к которым подключены низкоскоростные устройства, до тех пор, пока хост$контроллер не передаст специ$ ального маркера — преамбулы низкоскоростного обмена (PRE). Этот маркер игно$ рируется всеми устройствами, кроме хабов. Пакетом$преамбулой хост$контрол$ лер гарантирует, что следующий пакет будет им передан на низкой скорости. Этим пакетом будет маркер, определяющий тип транзакции с LS$устройством, а в транз$ акциях вывода — и пакет данных (перед которым требуется своя преамбула). Хаб разрешает транслировать на свой нисходящий порт с LS$устройством только один пакет, следующий за преамбулой; по концу пакета (увидев EOP на низкой скорос$ ти) он снова запрещает трансляцию. Чтобы хаб успел переключить режим своего приемопередатчика, между преамбулой и последующим пакетом вводится зазор

(4 битовых интервала FS). Для ответа LS$устройства никаких преамбул не нуж$ но — хабы способны прозрачно передавать восходящий трафик на обеих скорос$ тях (LS и FS). Хост$контроллер, естественно, должен принимать пакеты и на FS, и на LS. Очевидно, что низкоскоростные транзакции расходуют время кадра весь$ ма неэффективно, но в USB 1.x с этим мирятся ради возможности подключения дешевых устройств и упрощения хабов, которые являются просто повторителями сигналов. Заметим, что маркеры SOF не транслируются на низкоскоростные пор$ ты, так что изохронный обмен, для которого они необходимы, для LS$устройств невозможен и не поддерживается.

Эффективное сосуществование трех скоростей в USB 2.0 реализуется сложнее

иобходится дороже. Во$первых, хост$контроллер USB 2.0 содержит фактически два контроллера — EHC, работающий только на высокой скорости, и контроллер$ компаньон (возможно, и не один) USB 1.x (UHC или OHC) для полной и низкой скорости. Корневой хаб может иметь равноправные порты, но в процессе автокон$ фигурирования, в зависимости от свойств подключенного к нему устройства (или хаба), каждый порт соединяется с соответствующим контроллером. Существуют системные платы с фиксированным распределением портов по контроллерам: часть портов отводится под USB 2.0 и подключена к EHC, часть — под USB 1.1 и под$ ключена к UHC или OHC. Ради повышения пропускной способности применяют

ииндивидуальные контроллеры (UHC или OHC) для каждого порта USB 1.x.

Во$вторых, хабы USB 2.0 имеют более сложную структуру: кроме повторителя он имеет еще и транслятор транзакций. Когда восходящий и нисходящие порты хаба работают на одинаковой скорости (FS или HS), хаб работает в режиме повторите$ ля. При этом транзакция с устройством, подключенным к хабу, занимает весь ка$ нал от хост$контроллера до устройства на все время своего выполнения. Если же к порту хаба USB 2.0, работающего на HS, подключается устройство или хаб 1.1, то применяются расщепленные транзакции. Здесь по части канала от хоста до хаба (его транслятора транзакций) обмен проходит на скорости HS, а между трансля$ тором транзакций и устройством (или хабом) USB 1.x обмен идет уже на его «род$ ной» скорости FS или LS. Эти обмены разнесены во времени, между ними могут вклиниваться любые транзакции на высокой скорости (в том числе и расщеплен$ ные). Таким образом, расщепленные транзакции позволяют не расходовать попу$ сту пропускную способность высокоскоростной шины: транзакции с хабом на вы$ сокой скорости занимают в 40 (для FS) и даже в 320 (для LS) раз меньше времени шины, чем транзакции с самим целевым устройством1. От старых (USB 1.x) уст$ ройств и хабов все тонкости расщепленных транзакций скрываются, чем и обес$ печивается обратная совместимость.

Порт хаба имеет возможность аппаратно определить, какую скорость поддержи$ вает подключенное устройство. Все HS$устройства по включению работают в ре$

1На самом деле отношения немного меньше из$за несколько больших накладных расходов как на HS в целом, так и на расщепление транзакций.

жиме FS, и только после взаимного согласования с портом хаба перейдут в режим HS. Если HS$устройство подключается к хабу USB 1.x, который этого согласова$ ния не поддерживает, устройство останется в режиме FS, возможно, с усеченной функциональностью. В системе с USB 2.0 у устройства можно спросить (запросом дескрипторов, см. главу 13), что изменится в его функциональности, если его под$ ключить на другой скорости (изменив топологию соединений).

Вполне понятно, что устройство USB 2.0 сможет реализовать высокую скорость, только если по пути от него к хост$контроллеру (тоже 2.0) будут встречаться толь$ ко хабы 2.0. Если это правило нарушить и между ним и контроллером 2.0 окажется старый хаб, то связь может быть установлена только в режиме FS. Если такая ско$ рость устройство и клиентское ПО устроит (к примеру, для принтера и сканера это выльется только в большее время ожидания пользователя), то подключенное устройство работать будет, но появится сообщение о неоптимальной конфигура$ ции соединений. По возможности ее (конфигурацию) следует исправить, благо переключения кабелей USB можно выполнять на ходу. Устройства и ПО, критич$ ные к полосе пропускания шины, в неправильной конфигурации работать отка$ жутся и категорично потребуют переключений. Если же хост$контроллер старый, то все преимущества USB 2.0 окажутся недоступными пользователю. В этом слу$ чае придется менять хост$контроллер (менять системную плату или приобретать PCI$карту контроллера USB 2.0).

Контроллер и хабы USB 2.0 позволяют повысить суммарную пропускную способ ность шины и для старых устройств. Если устройства FS подключать к разным портам хабов USB 2.0 (включая и корневой), то для них возможно повышение сум$ марной пропускной способности шины USB по сравнению с 12 Мбит/с во столько раз, сколько используется портов высокоскоростных хабов. Конечно, при этом сум$ марная пропускная способность для всех устройств, включая и HS$устройства, не может превышать общую пропускную способность HS$шины (нужно учитывать и накладные расходы). Кроме того, нужно учитывать архитектурные особенности хост$контроллера и хабов. Хост$контроллер может умножать пропускную способ$ ность FS/LS на число своих встроенных контроллеров USB 1.x. «Умножитель$ ные способности» хаба зависят от реализации его транслятора транзакций (см. главу 14).

Синхронизация при изохронной передаче

Изохронная передача данных связана с синхронизацией устройств, объединяемых в единую систему. Возьмем пример использования USB, когда к компьютеру под$ ключен микрофон USB (источник данных) и колонки USB (приемник данных),

иэти аудиоустройства связаны между собой через программный микшер (клиент$ ское ПО). Каждый из этих компонентов может иметь собственные «понятия» о времени и синхронизации: микрофон, к примеру, может иметь частоту выборки 8 кГц и разрядность данных 1 байт (поток 64 Кбит/с), стереоколонки — 44,1 кГц

иразрядность 2×2 байта (176,4 Кбит/с), а микшер может работать на частоте вы$ борок 32 кГц. Микшер в этой системе является связующим элементом, и его ис$

точник синхронизации будем считать главным (master clock). Программный мик$ шер обрабатывает данные пакетами, сеансы обработки выполняются регулярно с определенным периодом обслуживания (скажем, в 20 мс — частота 50 Гц). В мик$ шере должны быть конверторы частот выборок (SRC — sample rate converter), ко$ торые из n входных выборок делают m выходных, используя интерполяцию («со$ чиняя» промежуточные выборки). Эти конверторы позволят микшеру принимать данные от микрофона с его частотой (в нашем случае 8000 выборок/с) и отсылать на колонки с другой (44 100 выборок/с). Естественным решением задачи обеспе$ чения взаимодействия этих компонентов было бы установление между ними син хронного соединения, обеспечивающего передачу как потока данных, так и сигнала синхронизации. Универсальная шина USB, обеспечивающая одновременное под$ ключения множества устройств, синхронного интерфейса устройствам не предо$ ставляет. Синхронное соединение на USB основано на изохронных передачах. При этом приходится иметь дело со следующими частотами:

Fs (sample rate) — частота выборки для источников (sourсe clock) и приемников (sink clock) данных;

Fb (bus clock) — частота шины USB: частота кадров (1 кГц) для полной скорос$ ти и микрокадров (8 кГц) для высокой. С этой частотой все устройства USB «видят» маркеры начала микрокадров SOF;

частота обслуживания — частота, с которой клиентское ПО обращается к драй$ верам USB для передачи и приема изохронных данных.

В системе без общего источника синхронизации между парами синхросигналов возможны отклонения следующих типов:

дрейф (drift) — отклонения формально одинаковых частот от номиналов (не бывает двух абсолютно одинаковых генераторов);

дрожание (jitter) — колебание частот относительно номинала;

фазовый сдвиг, если сигналы не связаны системой фазовой автоподстройки ФАПЧ (PLL).

Вцифровой системе передачи данных эти отклонения выливаются в то, что у ис$ точника или приемника может образовываться излишек или недостаток данных, колеблющийся или прогрессирующий во времени. Согласование скоростей вы$ полняется с использованием механизма прямого объявления скорости (feed forward) или механизма обратной связи (feedback). Какой из механизмов используется, за$ висит от типа синхронизации, поддерживаемого изохронной конечной точкой дан$ ного устройства.

ВUSB по типу синхронизации источников или получателей данных с системой различают асинхронный, синхронный и адаптивный классы конечных точек, каж$ дому из которых соответствует свой тип канала USB. Тип синхронизации задает$ ся битами [3:2] байта атрибутов (см. главу 13) в дескрипторе изохронной конеч$ ной точки:

00 — нет синхронизации;

01 — асинхронная точка устройства, не имеющего возможности согласования своей частоты выборок с метками SOF или иными частотами системы USB.

Частота передачи данных фиксированная или программируемая. Число байт данных, принимаемых за каждый микрокадр USB, не является постоянным. Синхронизация для источников и приемников различается:

асинхронный источник данных неявно объявляет свою скорость передачи числом выборок, передаваемых им за один микрокадр, — клиентское ПО бу$ дет обрабатывать столько данных, сколько реально поступило. Примерами асинхронного устройства$источника может быть CD$плеер с синхронизацией от кварцевого генератора или приемник спутникового телевещания;

асинхронный приемник данных должен обеспечивать явную обратную связь

для адаптивного драйвера клиентского ПО, чтобы согласовать темп выдачи потока (см. ниже). Пример приемника — дешевые колонки, работающие от внутреннего источника синхронизации;

11 — синхронная точка устройства, имеющего внутренний генератор, синхро$ низируемый с маркерами микрокадров SOF (1 или 8 кГц). Источники и прием$ ники за каждый микрокадр генерируют (потребляют) одинаковое количество байт данных, которое устанавливается на этапе программирования каналов. Примером синхронного источника может быть цифровой микрофон с частотой выборки, синтезируемой по маркерам SOF. Синтезатор частоты должен учиты$ вать возможность пропадания одного$двух маркеров (из$за возможных ошибок передачи), поддерживая постоянную частоту. Эти точки используют неявную обратную связь, подстраиваясь под частоту шины. С программной точки зре$ ния организация каналов с такими устройствами проще всего;

10 — адаптивная точка устройства, имеющего возможность подстройки своей внутренней частоты под требуемый поток данных (в разумных границах):

адаптивный источник позволяет менять скорость под управлением прием$ ника, обеспечивающего явную обратную связь. Примером адаптивного ис$ точника является CD$плеер со встроенным конвертором частоты;

адаптивный приемник определяет мгновенное значение частоты по количе$ ству данных, принятых за некоторый интервал усреднения. Таким образом осуществляется неявное прямое объявление частоты. Пример приемника — высококачественные колонки или наушники USB.

Обратная связь, позволяющая согласовать значения частот устройств с частотой шины, может быть явной (explicit feedback) или неявной (implicit feedback). Меха$ низм обратной связи рассмотрим на примере асинхронного приемника; для адап$ тивного источника механизм работает аналогично. Асинхронный приемник дол$ жен явным образом сообщать хост$контроллеру требуемую частоту передачи данных относительно частоты микрокадров Fs/Fb. Здесь предполагается, что одна выборка представляется одним байтом данных, для иного размера выборки требу$ ется соответствующий пересчет (для устройства и его клиентского ПО), чтобы Fs/ Fb представляло число байт, передаваемых за один микрокадр. Отношение Fs/Fb может оказаться не целым числом, тогда его целая часть определяет постоянный объем передач (размер поля данных) с данной конечной точкой в каждом микро$ кадре, а дробная часть — это накапливающийся остаток, который будет вызывать

периодическое увеличение объема передач в некоторых микрокадрах. Отношение Fs/Fb в данном случае должен вычислять приемник на интервале усреднения не менее 1 с. Это отношение может меняться во времени (хотя бы из$за погрешности округления), так что хост должен периодически запрашивать у устройства отно$ шение Fs/Fb, что и будет данными явной обратной связи (explicit feedback data).

Частота Fs задается с точностью до 1 Гц. Учитывая максимальный размер переда$ чи в кадре (1023 байта) и частоту кадров (1 кГц), на полной скорости и для целой и для дробной части Fs/Fb достаточно по 10 бит. На высокой скорости в микрокад$ ре может передаваться до 3072 байт — для целой части нужно 12 бит; частота мик$ рокадров 8 кГц требует уже 13$битной дробной части. Исходя из этого, данные обратной связи представляются:

на FS — 3$байтным числом, биты [23:14] — целая часть, биты [13:4] — дробная, остальные — резерв (нули);

на HS — 4$байтным числом, биты [28:17] — целая часть, биты [16:4] — дробная, остальные — резерв (нули).

Заметим, что поток информации обратной связи всегда имеет направление, про$ тивоположное управляемому им потоку данных (на то эта связь и обратная). Дан ные явной обратной связи устройства берутся с конечной точки, имеющей такой же номер, что и у точки, используемой для основной передачи данных. Эта точка тоже изохронная, в ее дескрипторе установленные биты [5:4] байта атрибутов ука$ зывают на ее использование для обратной связи (у точки для передачи данных эти биты сброшены). В дескрипторе задается и интервал опроса (bInterval), с кото$ рым хост должен запрашивать данные обратной связи, чтобы своевременно отсле$ дить изменения. Это позволит хост$контроллеру постоянно корректировать чис$ ло передаваемых байт за каждый микрокадр, не допуская переполнения или опустошения буфера устройства$приемника. Если с прошлого опроса изменений нет, точка может ответить на опрос пакетом данных нулевой длины.

Аналогично адаптивный источник должен воспринимать информацию обратной связи от хоста, чтобы за каждый (микро)кадр генерировать ровно столько данных, сколько требуется хост$контроллеру. Здесь тоже поток данных и поток обратной связи имеют встречные направления, так что для явной обратной связи использу$ ется конечная точка с таким же номером, что и у источника данных.

Для точек, требующих обратной связи, в некоторых случаях можно избежать вы$ деления в устройстве специальной точки обратной связи, используя неявную об ратную связь (implicit feedback). Это возможно, если в устройстве есть группа функционально связанных изохронных точек, работающих от общего генератора синхронизации, и среди них есть точка с направлением, противоположным точке, требующей обратной связи. Если требуется обратная связь для асинхронного при$ емника, то информация неявной обратной связи берется из скорости передачи дан$ ных синхронизированного с ним передатчика. Аналогично для адаптивного источника информация неявной обратной связи берется из скорости синхронизи$ рованного с ним приемника. Конечная точка данных, которую можно использо$ вать как источник неявной обратной связи, в байте атрибутов (см. табл. 13.6) име$

ет значение бит [5:4] = 10. Связи по синхронизации в группе устанавливаются на основе номеров точек. Для того чтобы найти источник неявной обратной связи для какой$либо точки, ищется изохронная точка противоположного направления с таким же или меньшим номером, имеющая в байте атрибутов биты [5:4] = 10.

Шина USB позволяет устройству и хосту расставлять метки времени в непрерыв$ ном потоке изохронных передач для любой конечной точки. Для этого хост посы$ лает устройству специальный управляющий запрос Synch Frame, в котором указы$ вает номер кадра (ожидаемого в обозримом будущем) и номер конечной точки, к которой относится данная метка времени. Устройства и хост имеют общее пред$ ставление о времени по номеру кадра, передаваемому в маркере SOF. Для HS$уст$ ройств подразумевается синхронизация по нулевому микрокадру указанного кад$ ра. Метка времени может использоваться, например, для указания момента начала изохронной передачи (хост$контроллеру OHC в дескрипторе изохронной переда$ чи указывается номер стартового кадра; для UHC драйвер сам размещает дескрип$ торы изохронных транзакций в списке кадров). Таким образом, устройство может заранее подготовиться к началу изохронного обмена.

Хост$контроллер USB имеет возможность подстройки частоты кадров. Напри$ мер, в UHC имеется регистр SOF_Modify, через который ПО может изменять коэф$ фициент деления частоты 12 МГц для получения частоты кадров 1 кГц в пределах

±0,5%. Естественно, хост$контроллер может подстроиться под частоту внут$ ренней синхронизации только одного устройства.

Физический интерфейс USB

Физический интерфейс USB определяет механические и электрические специфи$ кации шины: кабели, разъемы, уровни сигналов, методы кодирования, питание от шины. Физический интерфейс обеспечивает возможность «горячего» подключе$ ния и отключения устройств с сигнализацией об этих событиях хосту.

Кабели и разъемы

Кабель USB содержит две пары проводов: одну для сигнальных цепей (D+ и D ) и одну пару для схемной земли (GND) и подачи питания +5 В (Vbus). Допустимая длина сегмента (кабеля от устройства до хаба) — до 5 м. Ограничения на длину сег$ мента диктуются затуханием сигнала и вносимыми задержками. Задержка распрост$ ранения сигнала по кабельному сегменту не должна превышать 26 нс, так что при большой погонной задержке допустимая длина кабеля может сократиться. Мак$ симальное удаление устройства от хост$контроллера определяется задержкой, вно$ симой кабелями, промежуточными хабами и самими устройствами (см. главу 10).

Вкабеле USB 1.x для сигнальных цепей используется витая пара проводов калибра 28AWG с импедансом 90 Ом. Характеристики кабеля нормированы в частотном диапазоне до 16 МГц. Для питания используется неперевитая пара проводов ка$ либра 20AWG–28AWG. Требований к экранированию кабелей в USB 1.x не вы$ двигалось. Для низкой скорости может использоваться кабель с неперевитой парой сигнальных проводов (он дешевле и тоньше), но его длина не должна превышать 3 м.

Вкабелях USB 2.0 используются провода тех же калибров, но в спецификации опи$ сана конструкция кабеля, в которую входит обязательный экран и связанный с ним дополнительный проводник. Такой кабель пригоден для работы на любых скорос$ тях, включая и HS (480 Мбит/с).

Разъемы USB сконструированы с учетом легкости подключения и отключения уст$ ройств. Для обеспечения возможности «горячего» подключения разъемы обеспе$ чивают более раннее соединение и позднее отсоединение питающих цепей по от$ ношению к сигнальным. В USB определено несколько типов разъемов:

тип «A»: гнезда (рис. 12.1, а) устанавливаются на нисходящих портах хабов, это стандартные порты подключения устройств. Вилки типа «A» устанавливаются на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов;

тип «B»: используются для шнуров, отсоединяемых от периферийных устройств и восходящих портов хабов (от «мелких» устройств — мышей, клавиатур и т. п. кабели, как правило, не отсоединяются). На устройстве устанавливается гнез$ до (рис. 12.1, б), на кабеле — вилка;

тип «Mini B» (рис. 12.1, в): используются для отсоединяемых шнуров малога$ баритных устройств;

тип «Mini A»: введен в спецификации OTG (см. главу 15), вилки используют$ ся для подключения устройств к портам малогабаритных устройств с гнездом «mini AB».

тип «Mini AB»: гнезда введены в спецификации OTG для портов двухролевых устройств, которые могут вести себя как хост (если в гнездо вставлена вилка mini A) или как периферийное устройство (если в гнездо вставлена вилка mini B).

Рис. 12.1. Разъемы USB: а — гнездо «A»; б — гнездо «B»; в — гнездо «mini B»; г — варианты разъема на системной плате

Назначение выводов разъемов USB приведено в табл. 12.1, нумерация контактов показана на рис. 12.1. Штырьковые разъемы, устанавливаемые на системной пла$ те (рис. 12.1, г), предназначены для кабелей$«выкидышей», которыми подключа$ ются дополнительные разъемы USB, устанавливаемые на передней или задней стенках корпуса компьютера (иногда и на боковых). На эти разъемы порты выво$ дятся парами, причем у разных производителей подход к универсальности и защите от ошибочных подключений различен. Подключение «выкидыша», не подходяще$ го к разъему, приводит к неработоспособности порта (к счастью, как правило, вре$ менной). Ошибка в подключении цепей GND и +5V может приводить к нагреванию кабелей и разъемов из$за короткого замыкания питающей цепи.

Все кабели USB «прямые» — в них соединяются одноименные цепи разъемов, кроме цепи ID, используемой для идентификации роли устройства в OTG. На вилке mini A контакт 4 (ID) соединен с контактом 5 (GND), что заставляет порт, к которому под$ соединена такая вилка, взять на себя роль нисходящего порта хаба. На вилке mini B такого соединения нет.

Ошибка в полярности подводимого питания может повредить подключаемое уст$ ройство (и необратимо). По этой причине наиболее безопасными для подключае$

мого устройства являются внешние разъемы USB, запаянные на системной плате или карте контроллера USB.

Таблица 12.1. Назначение выводов разъема USB

Приемопередатчики

Для передачи сигналов используются два провода D+ и D–. На каждой стороне ин$ терфейса (порте хаба и подключенного устройства, рис. 12.2) имеются:

дифференциальный приемник, выход которого используется при приеме данных;

управляемый (отключаемый) дифференциальный FS/LS$передатчик — источ$ ник напряжения, позволяющий кроме дифференциального сигнала формиро$ вать и «линейный 0» (SE0), а также отключаться для обеспечения полудуплекс$ ного обмена;

линейные приемники, сообщающие текущее состояние каждого сигнального провода;

резисторы, подтягивающие уровни сигналов для обнаружения подключения устройства:

Rd1, Rd2 (15 кОм) у хаба;

Ruf (у FS/HS$устройства) или Rul (у LS$устройства);

Дополнительные элементы для работы на высокой скорости (только для уст$ ройств HS):

коммутатор, отключающий резистор Ruf при выборе высокой скорости;

последовательные резисторы Rz1 и Rz2 на выходах дифференциального пе$ редатчика, обеспечивающие согласование с линией и нагрузку;

управляемый дифференциальный источник тока;

детектор амплитуды сигнала;

детектор отключения (только на нисходящих портах хабов).

Уровни сигналов передатчиков FS/LS в статическом режиме должны быть ниже 0,3 В (низкий уровень) или выше 2,8 В (высокий уровень). Приемники должны выдерживать входное напряжение в пределах –0,5...+3,8 В. Чувствительность диф$ ференциальных приемников — 200 мВ при синфазном напряжении 0,8–2,5 В. Линейные приемники должны обладать гистерезисом с нижним порогом 0,8 В и верхним порогом 2 В.