Состояния линии связи USB 1.1 и генерируемые ими сигналы.

D+D- = 00

SE0(Single-ended 0) - состояние линии "однополярный ноль". Состояние определяется:

- на разъеме источника: Vd+ и Vd- <VOL;

- на разъёме приёмника: Vd+ и Vd- <VIL (рекомендовано), Vd+ и Vd- <VIH (допустимо).

Это состояние, когда обе линии закорочены генератором драйвера по сигналу SE0 (см. рисунок 2) или, когда к шине не подключен Upstream драйвер. Это состояние использется для генерации сигналов: EOP, Disconnect, Reset.

EOP (End-of-Packet) - сигнал конец пакета. Сигнал определяется:

- на разъеме источника: SE0 в течение 2 бит с последующим J-сигналом в течение 1 бит;

- на разъёме приёмника: SE0 более 1 бит с последующим J-сигналом в течение 1 бит.

Этот сигнал подаётся в линию связи в конце каждого пакета данных. Он служит для разделения пакетов данных во времени (как стоп-бит в RS232). После состояния SE0, которое длится на протяжении двух битовых интервалов 160 нс..175 нс (Full Speed) или 1,25 мкс..1,50 мкс (Low Speed) передаётся сигнал J в течение 1 бита. После чего может быть передан новый пакет или шина перейти в состояния Idle.

Disconnect -сигнал отсоединение Upstream от Downstream порта, определяется на Downstream. Сигнал определяется:

- на разъеме источника: не измеряют;

- на разъёме приёмника: SE0 более 2,5мкс.

Этот сигнал фиксируется на Downstream порту, когда Upstream драйвер подал сигнал SE0 или был физически отсоединён от шины USB. При физическом отсоединении низкий уровень линейных сигналов обеспечивают подтягивающие резисторы драйвера Downstream R_PD=15kOm.

Reset -сигнал сброс шины. Сигнал определяется:

- на разъеме источника: SE0 более 10мс;

- на разъёме приёмника: SE0 более 10мс (рекомендовано), более 2,5мкс (допустимо).

Этот сигнал генерируется после сигнала Disconnect, оно инициализирует перезапуск опроса устройств USB.

D+D- = 01/10

Idle - свободное (незанятое) состояние линии связи. Состояние определяется:

- на разъеме источника - не измеряют;

- на разъёме приёмника (Low Speed):Vd+ < V_IL и Vd- > V_IH;

- на разъёме приёмника (Full Speed):Vd+ > V_IH и Vd- < V_IL.

Это состояние, когда к порту Downstream подключено устройство, и обмена данными не производится. С помощью этого состояния генерируются сигналы: Connect, Suspend.

Connect - сигнал соединения устройства с Downstream портом. Сигнал определяется на Dowmstream порту:

- на разъеме источника – не измеряют;

- на разъёме приёмника: Idle более 2мс (рекомендовано), более 2,5мкс (допустимо).

Этот сигнал сообщает Downstream порту, что к нему подключилось устройство.

Suspend - сигнал приостановки обмена данных по шине. Сигнал определяется на Upstream порту:

- на разъеме источника – не измеряют;

- на разъёме приёмника: Idle более 3мс.

Этот сигнал сообщает устройству, что обмен данных с ним приостановлен. Возобновление работы осуществляется выставлением сигнала Resume.

Дифференциальный "1" – состояние высокого уровня сигнала на линии связи. Состояние определяется:

- на разъеме источника: Vd+> VOH и Vd- <VOL;

- на разъёме приёмника: Vdi> +0.2v и Vd+> VIH(рекомендовано), Vdi> +0.2v (допустимо).

Дифференциальный "0" -состояние низкого уровня сигнала на линии связи. Состояние определяется:

- на разъеме источника: Vd-> VOH и Vd+ <VOL;

- на разъёме приёмника: Vdi <-0.2v и Vd-> VIH(рекомендовано), Vdi <-0.2v (допустимо).

 

Рисунок 5 – Синхронизация пакета данных USB

С помощью этих состояний генерируются сигналы: J, K, Resume, SOP.

J - сигнал J (Jump), возврат линии связи к уровню исходного состояния (Idle). Синал определяется:

- Low Speed: состояние дифференциальный "0";

- Full Speed: состояние дифференциальный "1".

K - сигнал K (Kill), сброс исходного (Idle) уровня состояния линии связи. Сигнал определяется:

- Low Speed: состояние дифференциальный "1";

- Full Speed: состояние дифференциальный "0".

Resume - сигнал возобновление работы после останова. Состояние определяется:

- на разъеме источника и приёмника: K сигнал не менее 20мс с последующим сигналом EOP;

- устройство может находиться в режиме приостановленного обмена данными (Suspend), выход из этого режима осуществляется подачей сигнала Resume, после которого обмен данными возобновляется.

SOP - сигнал (Start of Packet) начала пакета. Состояние определяется:

на разъеме источника и приёмника: переход из состояния Idle к сигналу K.

D+D- = 11

Данная комбинация линейных сигналов технически не реализована в структуре USB 1.1.

На рисунке 6 показаны сигналы и состояния линии связи USB 1.1.

 

Рисунок 6 - Сигналы и состояния линии связи USB 1.1

 

Кабели и соединители интерфейса USB 1.1. В качестве разъёмов интерфейса USB 1.1 используют:

- для Downstream – разъёмы серии A;

- для Upstream – разъёмы серии B.

На кабель устанавливают разъёмы типа штыри (Plugs). На приборы устанавливают разъёмы типа гнезда (Receptacles). Кабель с разными разъёмами не позволяет соединять драйвера Upstream с Upstream и Downstream с Downstream. Это обусловлено несимметричностью интерфейса USB 1.1. Максимальная длина кабеля для режима LS(LowSpeed) равна 3 м. Максимальная длина кабеля для режима FS(FullSpeed) равна 5 м. Сигналы D- и D+ в кабеле (FS) передаются по витой паре с волновым сопротивлением 90 Ом. В кабеле (LS) витая пара не применяется. Использование витой пары в USB кабеле не имеет большого смысла, скорее всего это дань витой паре. Шедевром применения витой пары является интерфейс RS485, который позволил передавать немодулированный сигнал на 1200 метров по двум проводам. В USB кабеле витая пара не согласована из-за невозможности использования 90-Омных терминаторов. Кроме того, длина кабеля всего 5м и взаимоиндукция проводов мала, если учесть и малую мощность сигнала, то эффект подавления синфазных помех практически отсутствует.

 

Рисунок 7 – Кабель и разъёмы интерфейса USB 1.1

Топология сети USB 1.1

 

Топология сети USB v.1.1 на физическом уровне представляет топологию многоярусной звезды (рисунок 8). Максимальное количество ярусов, предусмотренное спецификацией USB v.1.1, равно четырем. Отсюда, максимальный радиус сети равен 20 метрам. Максимальное количество устройств сети (хабов и функций) равно 127.

Сеть состоит:

- контроллера хоста(Host) с корневым хабом (RootHub), контроллер в сети всегда ведущий;

- устройств сети(Device), всегда ведомые.

Устройства сети бывают двух глобальных классов:

- концентраторы(Hub)-для разветвления сети;

- функциями(Function)-источники информации.

Каждое устройство имеет адрес из 7 бит, который оно получает от хоста при подключении к сети (1…127). Адрес устройства расширяется адресом конечной точки (4 бита), который задаётся разработчиком (0…15). Конечная точка с адресом 0 обязательна для всех устройств сети и содержит информацию необходимую для инициализации и подключения устройства к сети.

 

 

Рисунок 8 – Топология сети USB v.1.1 на физическом уровне

 

В процессе инициализации устройства все используемые конечные точки настраиваются на различные параметры канала связи с хостом.

То есть при обращении по заданному адресу к конечной точке устройства хост должен выставить тип передачи данных, который определяет:

- формат данных;

- направление потока связи;

- размер пакета данных;

- ограничения на доступ к шине;

- требуемая последовательность данных.

По сути дела, конечные точки представляют набор заранее сконфигурированных каналов обмена данными (Pipe) между устройством и хостом. Кроме 0 конечной точки, устройства могут поддерживать дополнительно:

- концентратор: до l доп. точки;

- низкоскоростное устройство: до 2 доп. точек;

- высокоскоростное устройство: до 15 доп. точек.

С точки зрения хоста, логическая топология сети выглядит как звезда (рисунок 9). То есть хост может обратиться к любому устройству напрямую по адресу устройства.

 

 

Рисунок 9 – Топология сети USB v.1.1 на логическом уровне

 

С точки зрения клиентского программного обеспечения, логическая топология сети выглядит как пучок каналов (Pipe) устройства к которому программист может адресно обратиться.