Объявление

Свернуть
Пока нет объявлений.

Интерфейс USB: описание и основы устройств сопряжения

Свернуть
X
Свернуть

  • Интерфейс USB: описание и основы устройств сопряжения

    Интерфейс USB (Universal Serial Bus - Универсальный Последовательный Интерфейс) предназначен для подключения периферийных устройств к персональному компьютеру. Позволяет производить обмен информацией с периферийными устройствами на трех скоростях (спецификация USB 2.0):
    • Низкая скорость (Low Speed - LS) - 1,5 Мбит/с;
    • Полная скорость (Full Speed - FS) - 12 Мбит/с;
    • Высокая скорость (High Speed - HS) - 480 Мбит/с.
    Для подключения периферийных устройств используется 4-жильный кабель: питание +5 В, сигнальные провода D+ и D-, общий провод.
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	top_usb.gif 
Просмотров:	1 
Размер:	3.4 Кб 
ID:	1430 width=263 align=right> Интерфейс USB соединяет между собой хост (host) и устройства. Хост находится внутри персонального компьютера и управляет работой всего интерфейса. Для того, чтобы к одному порту USB можно было подключать более одного устройства, применяются хабы (hub - устройство, обеспечивающее подключение к интерфейсу других устройств). Корневой хаб (root hub) находится внутри компьютера и подключен непосредственно к хосту. В интерфейсе USB используется специальный термин "функция" - это логически законченное устройств, выполняющее какую-либо специфическую функцию. Топология интерфейса USB представляет собой набор из 7 уровней (tier): на первом уровне находится хост и корневой хаб, а на последнем - только функции. Устройство, в состав которого входит хаб и одна или несколько функций, называется составным (compaund device).
    Порт хаба или функции, подключаемый к хабу более высокого уровня, называется восходящим портом (upstream port), а порт хаба, подключаемый к хабу более низкого уровня или к функции называется нисходящим портом (downstream port).
    Все передачи данных по интерфейсу иницируются хостом. Данные передаются в виде пакетов. В интерфейсе USB испольуется несколько разновидностей пакетов:
    • пакет-признак (token paket) описывает тип и направление передачи данных, адрес устройства и порядковый номер конечной точки (КТ - адресуемая часть USB-устройства); пакет-признаки бывают нескольких типов: IN, OUT, SOF, SETUP;
    • пакет с данными (data packet) содержит передаваемые данные;
    • пакет согласования (handshake packet) предназначен для сообщения о результатах пересылки данных; пакеты согасования бывают нескольких типов: ACK, NAK, STALL.
    Таким образом каждая транзакция состоит из трех фаз: фаза передачи пакета-признака, фаза передачи данных и фаза согласования.
    В интерфейсе USB используются несколько типов пересылок информации.
    • Управляющая пересылка (control transfer) используется для конфигурации устройства, а также для других специфических для конкретного устройства целей.
    • Потоковая пересылка (bulk transfer) используется для передачи относительно большого объема информации.
    • Пересылка с прерыванием (iterrupt transfer) испольуется для передачи относительно небольшого объема информации, для которого важна своевременная его пересылка. Имеет ограниченную длительность и повышенный приоритет относительно других типов пересылок.
    • Изохронная пересылка (isochronous transfer) также называется потоковой пересылкой реального времени. Информация, передаваемая в такой пересылке, требует реального масштаба времени при ее создании, пересылке и приеме.
    Потоковые пересылки характеризуются гарантированной безошибочной передачей данных между хостом и функцией посредством обнаружения ошибок при передаче и повторного запроса информации.
    Когда хост становится готовым принимать данные от функции, он в фазе передачи пакета-признака посылает функции IN-пакет. В ответ на это функция в фазе передачи данных передает хосту пакет с данными или, если она не может сделать этого, передает NAK- или STALL-пакет. NAK-пакет сообщает о временной неготовности функции передавать данные, а STALL-пакет сообщает о необходимости вмешательства хоста. Если хост успешно получил данные, то он в фазе согласования посылает функции ACK-пакет. В противном случае транзакция завершается.
    Когда хост становится готовым передавать данные, он посылает функции OUT-пакет, сопровождаемый пакетом с данными. Если функция успешно получила данные, он отсылает хосту ACK-пакет, в противном случае отсылается NAK- или STALL-пакет.
    Управляющие пересылки содержат не менее двух стадий: Setup-стадия и статусная стадия. Между ними может также располагаться стадия передачи данных. Setup-стадия используется для выполнения SETUP-транзакции, в процессе которой пересылается информация в управляющую КТ функции. SETUP-транзакция содержит SETUP-пакет, пакет с данным и пакет согласования. Если пакет с данными получен функцией успешно, то она отсылает хосту ACK-пакет. В противном случае транзакция завершается.
    В стадии передачи данных управляющие пересылки содержат одну или несколько IN- или OUT-транзакций, принцип передачи которых такой же, как и в потоковых пересылках. Все транзакции в стадии передачи данных должны производиться в одном направлении.
    В статусной стадии производится последняя транзакция, которая использует те же принципы, что и в потоковых пересылках. Направление этой транзакции противоположно тому, которое использовалось в стадии передачи данных. Статусная стадия служит для сообщения о результате выполнения SETUP-стадии и стадии передачи данных. Статусная информация всегда передается от функции к хосту. При управляющей записи (Control Write Transfer) статусная информация передается в фазе передачи данных статусной стадии транзакции. При управляющем чтении (Control Read Transfer) статусная информация возвращается в фазе согласовании статусной стадии транзакции, после того как хост отправит пакет данных нулевой длины в предыдущей фазе передачи данных.
    Пересылки с прерыванием могут содержать IN- или OUT-пересылки. При получении IN-пакета функция может вернуть пакет с данными, NAK-пакет или STALL-пакет. Если у функции нет информации, для которой требуется прерывание, то в фазе передачи данных функция возвращает NAK-пакет. Если работа КТ с прерыванием приостановлена, то функция возвращает STALL-пакет. При необходимости прерывания функция возвращает необходимую информацию в фазе передачи данных. Если хост успешно получил данные, то он посылает ACK-пакет. В противном случае согласующий пакет хостом не посылается.
    Изохронные транзакции содержат фазу передачи признака и фазу передачи данных, но не имеют фазы согласования. Хост отсылает IN- или OUT-признак, после чего в фазе передачи данных КТ (для IN-признака) или хост (для OUT-признака) пересылает данные. Изохронные транзакции не поддерживают фазу согласования и повторные посылки данных в случае возникновения ошибок.
    В связи с тем, что в интерфейсе USB реализован сложный протокол обмена информацией, в устройстве сопряжения с интерфейсом USB необходим микропроцессорный блок, обеспечивающий поддержку протокола. Поэтому основным вариантом при разработке устройства сопряжения является применение микроконтроллера, который будет обеспечивать поддержку протокола обмена. В настоящее время все основные производители микроконтроллеров выпускают продукцию, имеющую в своем составе блок USB.
    Фирма-производитель Наименование Описание

    Atmel
    AT43301 Контроллер LS/FS-хаба 1-4 с общим управлением питанием нисходящих портов.
    AT43312A Контроллер LS/FS-хаба 1-4 с индивидуальным управлением питанием нисходящих портов.
    AT43320A Микроконтроллер на ядре AVR. Имеет встроенные USB-функцию и хаб с 4 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 512 байт ОЗУ, 32х8 регистров общего назначения, 32 программируемых вывода, последовательный и SPI-интерфейсы. Функция имеет 3 КТ с буферами FIFO размером 8 байт. Для нисходящих портов хаба предусмотрено индивидуальное управление питанием.
    AT43321 Контроллер клавиатуры на ядре AVR. Имеет встроенные USB-функцию и хаб с 4 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 512 байт ОЗУ, 16 кбайт ПЗУ, 32х8 регистров общего назначения, 20 программируемых вывода, последовательный и SPI-интерфейсы. Функция имеет 3 КТ. Для нисходящих портов хаба предусмотрено индивидуальное управление питанием.
    AT43324 Микроконтроллер на ядре AVR. Имеет встроенные USB-функцию и хаб с 2 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 512 байт ОЗУ, 16 кбайт ПЗУ, 32х8 регистров общего назначения, 34 программируемых вывода. Клавиатурная матрица может иметь размер 18х8. Контроллер имеет 4 выхода для подключения светодиодов. Функция имеет 3 КТ. Для нисходящих портов хаба предусмотрено индивидуальное управление питанием.
    AT43355 Микроконтроллер на ядре AVR. Имеет встроенные USB-функцию и хаб с 2 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 1 кбайт ОЗУ, 24 кбайт ПЗУ, 32х8 регистров общего назначения, 27 программируемых выводов, последовательный и SPI-интерфейсы, 12-канальный 10-разрядный АЦП. Функция имеет 1 управлющую КТ и 3 программируемых КТ с буферами FIFO размером 64/64/8 байт.
    Fairchild Semiconductor USB100 Контроллер манипуляторов (мышь, трекбол, джойстик). Поддерживает 2D/3D-мышь, джойстик с тремя потенциометрами, манипулятор с 16 кнопками.

    Intel
    8x931Ax Микроконтроллер с архитектурой MSC-51. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режимах, 256 байт ОЗУ, 0/8 кбайт ПЗУ, 8х4 регистра общего назначения, 32 программируемых вывода, последовательный интерфейс, интерфейс управления клавиатурой. Функция имеет 3 КТ с буферами FIFO размером 8/16/8 байт.
    8x931Hx Микроконтроллер с архитектурой MSC-51. Имеет встроенную USB-функцию и хаб с 4 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 256 байт ОЗУ, 0/8 кбайт ПЗУ, 8х4 регистра общего назначения, 32программируемых вывода, последовательный интерфейс, интерфейс управления клавиатурой. Функция имеет 3 КТ с буферами FIFO размером 8/16/8 байт.
    8x930Ax Микроконтроллер с архитектурой MSC-251. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режимах, 1024 байта ОЗУ, 0/8/16 кбайт ПЗУ, 40 регистров общего назначения, 32 программируемых вывода, последовательный интерфейс. Функция имеет 4(6) КТ с буферами FIFO размером 16/1024(256)/16(32)/16(32)/(32)/(16) байт.
    8x930Hx Микроконтроллер с архитектурой MSC-251. Имеет встроенную USB-функцию и хаб с 4 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 1024 байта ОЗУ, 0/8/16 кбайт ПЗУ, 40 регистров общего назначения, 32 программируемых вывода, последовательный интерфейс. Функция имеет 4 КТ с буферами FIFO размером 16/1024/16/16 байт.

    Microchip
    PIC16C745 Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS-режиме, 256 байт ОЗУ, 14336 байт ПЗУ, 22 программируемых вывода, последовательный интерфейс, 5-канальный 8-битный АЦП.
    PIC16C765 Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS-режиме, 256 байт ОЗУ, 14336 байт ПЗУ, 33 программируемых вывода, последовательный интерфейс, 8-канальный 8-битный АЦП.
    PIC18F2450 Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режиме, 1536 байт ОЗУ, 16384 байт ПЗУ, 19 программируемых выводов, последовательный и SPI-интерфейсы, 5-канальный 10-битный АЦП. Функция имеет 8 КТ.
    PIC18F2550 Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режиме, 1536 байт ОЗУ, 32768 байт ПЗУ, 19 программируемых выводов, последовательный, CAN- и SPI-интерфейсы, 5-канальный 10-битный АЦП. Функция имеет 8 КТ.
    PIC18F4450 Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режиме, 1536 байт ОЗУ, 16384 байт ПЗУ, 34 программируемых вывода, последовательный, CAN- и SPI-интерфейсы, 8-канальный 10-битный АЦП. Функция имеет 8 КТ.
    PIC18F4550 Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режиме, 1536 байт ОЗУ, 32768 байт ПЗУ, 34 программируемых вывода, последовательный, CAN- и SPI-интерфейсы, 8-канальный 10-битный АЦП. Функция имеет 8 КТ.
    Texas Instruments TUSB2036 Контроллер LS/FS-хаба 1-3 с индивидуальным управлением питанием нисходящих портов.

      Возможность размещать комментарии к сообщениям отключена.

    Метки статей

    Свернуть

    Меток пока нет.

    Новые статьи

    Свернуть

    • Стандартный параллельный интерфейс на PC
      admin
      Основным назначением интерфейса Centronics (аналог-ИРПР-М) является подключение к компьютеру принтеров различных типов. Поэтому распределение контактов разъема, назначение сигналов, программные средства управления интерфейсом ориентированы именно на это использование. Вто же время с помощью данного интерфейса можно подключать к компьютеру и другие внешние устройства, имеющие разъем Centronics, а также специально разработанные УС.

      Основным достоинством использования Centronics для подключения УС по сравнению с ISA является значительно меньший риск вывести компьютер из строя. Главный недостаток этого подхода - значительно меньшая скорость обмена. Назначение 36 контактов разъема Centronics приведено в таблице 1.

      Таблица 1. Назначение контактов разъемов Centronics

      1 /STROBE Out Strobe (Строб)
      2 D0 Out Data Bit 0
      3 D1 Out Data Bit 1
      4 D2 Out Data Bit 2
      5 D3 Out Data Bit 3
      6 D4 Out Data Bit 4
      7 D5 Out Data Bit 5
      8 D6 Out Data Bit 6
      9 D7 Out Data Bit 7
      10 /ACK In Acknowledge (Подтверждение)
      ...
      08.02.2017, 22:45
    • Современные микросхемы драйверов RS-485 фирмы MAXIM
      admin
      Журнал «Схемотехника» №10 2002 г.
      Олег Николайчук
      Целью настоящей статьи является ознакомление читателей с современными микросхемами драйверов сети RS485 фирмы MAXIM, их основными параметрами и особенностями.
      Интерфейс RS485 наиболее часто используется при создании современных локальных сетей различного назначения, как в промышленных изделиях, так и в любительской практике. Основными преимуществами интерфейса являются:
      • Относительно низкая себестоимость микросхем драйверов, что снижает стоимость аппаратной реализации сетевых диспетчеров, т.е. узлов связи между сетевой средой (линиями связи) и ядром станции (узла) сети, т.е. микроконтроллерной или микропроцессорной системой;
      • Использование в сетях на базе интерфейса RS485 всего трех проводов (третий, общий, не всегда является обязательным), что значительно снижает себестоимость всей системы, поскольку известно, что себестоимость сетевой среды современных локальных сетей практически всегда составляет более 60% от стоимости всей системы;
      • Микросхемы драйверов имеют малые габаритные размеры. Наиболее часто используются микросхемы, выполненные в корпусе DIP8 со стандартным расположением выводов, ставшим , промышленным стандартом. Микросхемы драйверов используют всего несколько дискретных элементов для цепей защиты, использование которых не является обязательным. Малые габаритные размеры микросхем драйверов и минимальное количество обвязки экономит площадь печатной платы, что также положительно сказывается на стоимости системы;
      • Современные микросхемы имеют достаточно низкое энергопотребление, многие из них при отсутствии активности в сети автоматически переходят в режим экономии, что снижает энергопотребление системы;
      • Современные микросхемы драйверов имеют повышенную нагрузочную способность. Если раннее большинство микросхем было насчитано на работу с 32 станциями, то современные модели обеспечивают нормальное функционирование до 256 станций;
      • В настоящее время выпускаются микросхемы в высокой предельной скоростью передачи. Это позволяет создавать высокоскоростные сети, и снижает количество ошибок в сети за счет улучшения формы передаваемого сигнала;
      • Драйверы интерфейса RS485 имеют достаточно простое управление. Особенности организации сетей, их схемотехника, способы управления доступом к каналу и примеры программирования достаточно описаны [1-11].
      • Микросхемы интерфейса RS485 выпускают многие фирмы мира [12]. Однако несомненным лидером в разработке и выпуске новых микросхем драйверов является известная фирма MAXIM [13]. В настоящее время фирма выпускает более 80 типов микросхем драйверов интерфейса RS485/422.
      Все микросхемы драйверов можно условно разделить на 4 группы: микросхемы с питанием +5 В, микросхемы с расширенным диапазоном питания от 3 до 5.5 В, низковольтные микросхемы с питанием 3.3 В и микросхемы со встроенной оптической изоляцией. Основные технические характеристики этих групп микросхем приведены в таблицах 1 — 4 соответственно.
      В приведенных таблицах приняты следующие обозначения:
      В колонке «Разрешение RxD»: P — обозначает, что управляющий вход приемника переключает его либо в открытое состояние, либо переводит его в режим энергосбережения, O — означает, что управляющий вход тоько включает/выключает приемник.
      В колонке «Режим»: H — означает полудуплексный режим, т.е. интерфейс RS485, F — обозначает полный дуплексный режим, т.е. интерфейс RS422.
      Прежде чем приступить к анализу таблиц, определим критерии отбора микросхем для последующего рассмотрения. Мы ставим своей целью ознакомление читателя с широко используемыми микросхемами интерфейса RS485 (но не RS422), т.е. с микросхемами, работающими в полудуплексном режиме, которые в колонке «Режим» имеют символ «H». У этих микросхем входы приемника объединены с выходами передатчика и образуют две линии приема/передачи, «A» и «B». Мы не будем рассматривать ряд микросхем, содержащих только приемники или только передатчики, поскольку их применение также весьма ограничено. И наконец, мы будем рассматривать только микросхемы, выпускаемые в корпусе с восемью выводами (кроме микросхем со встроенной оптической изоляцией и микросхем в корпусе 6/5/SO), как наиболее распространенные и используемые.
      Таблица 1. Микросхемы драйверов интерфейса RS485/422 с питанием +5 В
      ТИП Нали чие TxD Нали чие RxD Разре шение TxD Разре шение RxD Состо яние RxD Режим Быстро действие, Mbps Кол-во стан ций Защ ита ESD Пит ание, V Ток потре бления, mA Ток эко номии, чA Корпус
      MAX1481 1 1 NC F 0.25 256 - 5 0.3 0.1 10/µMAX
      MAX1482 1 1 O F 0.25 256 - 5 0.02 0.1 14/PDIP.300
      14/SO.150
      MAX1483 1 1 O H 0.25 256 - 5 0.02 0.1 8/µMAX
      8/PDIP.300
      8/SO.150
      MAX1484 1 1 NC F 12 256 - 5 0.3 - 10/µMAX
      MAX1485 1 1 - NC H- F 0.25 256 - 5 0.3 - 10/µMAX
      MAX1486 1 1 - NC H- F 12 256 - 5 0.3 - 10/µMAX
      MAX1487 MAX1487E 1 1 O H 2.5 128 -
      ±15kV
      5 0.23 - 8/µMAX
      8/PDIP.300
      8/SO.150
      MAX3040 4 0 - - - 0.25 - ±10kV 5 1 0.002 16/SO.150
      16/SO.300
      16/TSSOP
      MAX3041 4 0 - - - 2.5 - ±10 kV 5 1 0.002 16/SO.150
      16/SO.300
      16/TSSOP
      MAX3042B 4 0 - - - 20 - ±10 kV 5 1 0.002 16/SO.150
      16/SO.300
      16/TSSOP
      MAX3043 4 0 - - - 0.250 - ±10 kV 5 1 0.002 16/SO.150
      16/SO.300
      16/TSSOP
      ...
      08.02.2017, 22:45
    • Системный контроллер ввода-вывода для сопряжения шин PCI и ISA
      admin
      Журнал «Chip News» №6 2001 г.
      Ракович Н. Н.
      Мы уже беседовали на страницах журнала о продукции компании Winbond [Л.1], выпускающей широкую гамму разнообразных микросхем, начиная с памяти и микроконтроллеров и заканчивая приборами для мобильных средств связи и распознавания речи. Примерно в середине этого списка находятся ИС для компьютеров. В данной статье рассмотрим контроллеры ввода-вывода W83С553F и W83С554F, которые выполняет функции моста между шинами PCI и ISA. Тема эта должна быть интересна хотя бы уже потому, что смена поколений компьютеров требует от разработчиков встроенных плат с интерфейсом ISA стремительной модернизации оборудования, с тем, чтобы не потерять своих заказчиков.

      Терминология (более чем кратко)....
      08.02.2017, 22:45
    • Реализация последовательной асинхронной передачи данных в микроконтроллерах PIC
      admin
      Введение.
      Серия PIC16Cxx от Microchip Technology, Inc. - это второе поколение высокопроизводительных восьмиразрядных микроконтроллеров на базе EPROM. Некоторые микроконтроллеры из этой серии (например PIC16C71 и PIC16C84) не имеют встроенного последовательного асинхронного порта. Эта статья содержит описание последовательного асинхронного интерфейса ( полудуплексное RS-232 соединение ) с программной обработкой прерывания для микроконтроллеров PIC16Cxx. Эти микроконтроллеры могут работать на очень большой скорости, с минимальной длительностью такта 250нс ( при частоте 16МГц ). Для тестирования RS-232 режима предлагается использовать простой цифровой вольтметр / систему опроса данных ( Digital Volt Meter / Analog Data Acquisition Systems ) выполненный на PIC16C71, Этот прибор принимает команды от ПК и передает обратно восмибитные значения с выбранного АЦП канала.

      Реализация.
      Ниже приведено подробное описание реализации полудуплексного RS-232 интерфейса с программной обработкой прерывания для PIC16C71. В программе примера в качестве передающего выхода используется RB7, а для приема – RTCC/RA4. Конечно, и вход и выход соединяются через соответствующий преобразователь уровней сигнала RS-232 / ТТЛ. Описание преобразователя уровней напряжения дано в разделе Аппаратная часть.

      Режим передачи. Передающий режим в программе напрямую связан с и...
      08.02.2017, 22:45
    • Простой конвертер RS-232-TTL
      admin

      Журнал «Схемотехника» №1 2000 г.
      Александр Нечаев
      При разработке различного рода электронных устройств с использованием микроконтроллеров очень часто оказывается полезной возможность подключения их к персональному компьютеру через последовательный порт. Однако напрямую это сделать невозможно, поскольку по стандарту...
      08.02.2017, 22:45
    • Программирование портов ввода/вывода LPT и ISA
      admin
      Данный материал основан на моём (его) личном опыте работы с материнской платой неизвестного (нет, не солдата) производителя. Чипсет - SIS. Если вдруг в Вашем случае дело будет обстоять другим образом, напишите мне. Также хочу сразу предупредить - я не профессиональный программист!!! Поэтому не ругайте меня за отсутствие проф. терминов, может быть кривых объяснений или ещё каких недочётов,...
      08.02.2017, 22:45
    Обработка...
    X