Интерфейс USB. Часть 1. Основы
В настоящий момент один из самых популярных интерфейсов — это безусловно USB. Девайсов, которые его используют, просто огромное количество. Это и мышки, и клавиатуры, и принтеры, и сотовые телефоны, и много чего ещё. В отличии от стремительно исчезающего RS-232, USB встречается во всех современных компьютерах, ноутбуках, телефонах… так что, если мы хотим создавать действительно универсальные девайсы, придётся нам этот интерфейс изучать. Вот прямо сейчас и начнём, а заодно, по ходу изучения, попытаемся сами посоздавать каких-нибудь USB-девайсов.
Итак, USB (universal serial bus) — универсальная последовательная шина. Большинство USB-устройств соответствуют спецификациям 1.1 и 2.0. В спецификации 1.1 определены две скорости передачи информации: LS (low speed) — низкая скорость, 1,5 Мбит/с и FS (full speed) — полная скорость, 12 Мбит/с. В редакции 2.0 к ним добавлена ещё и высокая скорость HS (high speed), 480 Мбит/с. Не так давно вышла ещё спецификация — 3.0, но устройства, поддерживающие этот стандарт, пока не очень распространены, поэтому и бог с ней.
Физические устройства на шине USB бывают трёх типов: хост-контроллер, хаб и конечное устройство.
Хост-контроллер — это главный управляющий шиной USB. Именно он обеспечивает связь устройств, подключенных к шине, с компьютером (с ОС и с клиентским ПО). Любые сеансы обмена данными может начинать только хост-контроллер, остальные устройства молчат в тряпочку, пока хост-контроллер к ним не обратится.
Контроллер взаимодействует с ОС через драйвер хост-контроллера (HCD — host controller driver). Этот драйвер привязан к конкретной модели хост-контроллера. Только он знает какие данные, в какие регистры и в каком порядке пихать в хост-контроллер, а также откуда какие данные брать, чтобы хост-контроллер сделал то, чего от него хотят.
Со стороны ОС шиной USB управляет ещё один драйвер — USBD (universal serial bus driver). Ему совершенно пофиг, как там конкретно реализован хост-контроллер и где у него какие регистры (для этого есть HCD), USBD решает общие (неспецифические для конкретного хост-контроллера) вопросы: взаимодействие с клиентским ПО, нумерация устройств на шине, их конфигурирование, распределение питания и пропускной способности шины и так далее. Это, можно сказать, своеобразный диспетчер, который осуществляет общий контроль над шиной и её взаимодействие с внешним миром (с клиентским ПО).
Хост-контроллер — птица гордая и пугливая, поэтому непосредственно ни с кем из подданных он не разговаривает. Для общения с подданными у него есть специальные помощники — хабы (их ещё иногда называют концентраторами).
Хабы — это устройства, которые позволяют физически подключить устройства USB к шине. Они предоставляют порты для подключения, ретранслируют трафик от хост-контроллера к конечным устройствам и обратно, отслеживают состояние и физически управляют электропитанием портов. У хабов есть один восходящий (upstream) порт, — это тот порт, который подключен по направлению к хост-контроллеру, и несколько нисходящих (downstream) портов, — это порты, к которым подключаются конечные устройства. Хабы можно каскадировать, подключая к нисходящему порту хаба ещё один хаб. Самый главный хаб, интегрированный с хост-контроллером, называется корневым хабом (он же — корневой концентратор или root hub).
Другими словами можно сказать, что у хаба есть две основных задачи: 1) создать хост-контроллеру иллюзию, что он непосредственно разговаривает с подключенным к хабу устройством; 2) наблюдать за своим сегментом шины (за девайсами, подключенными к нисходящим портам), сообщать «наверх» обо всех изменениях и, если надо, — подключать и отключать питание портов.
Конечные устройства — это все те полезные устройства, которые мы подключаем к шине USB (флэшки, принтеры, мышки и т.д.)
Нужно сказать, что физические устройства и логические устройства — это не всегда одно и тоже. Существуют, например, такие конечные устройства (называемые составными — compound devices), которые содержат внутри себя хаб, к которому подключено ещё несколько устройств. Несмотря на то, что в этом случае хаб и все, подключенные к нему устройства, запакованы в один корпус, с точки зрения логики шины это будут совершенно разные устройства.
Для логических конечных устройств обычно используют термин «функции». Таким образом, с точки зрения логики шины, устройства на ней можно разделить на хабы и функции (и неважно, запакованы ли они в один корпус или нет). Каждое логическое устройство на шине имеет уникальный адрес (1-127), присваеваемый ему хостом при подключении.
Исходя из описанного выше, получается, что физическая топология шины USB — дерево (ну, потому что хабы можно каскадировать), а логическая топология — звезда, центром которой является хост-контроллер. Физическая и логическая топологии шины USB показаны на рисунке ниже.
Идём дальше. Что же вообще представляет собой логическое устройство USB (как хабы, так и функции)?
Логическое устройство представляет собой набор так называемых конечных точек (endpoints или просто EP). Физически, конечные точки — это просто разные буферы в логическом устройстве USB, через которые происходит обмен данными с хостом. Логичный вопрос — а зачем нам иметь несколько буферов? Ну, просто потому что удобно для разных задач иметь разные буферы. Устройство же у нас может выполнять параллельно несколько разных задач. (Минимум две — отслеживать команды управления от хоста и делать что-то полезное.) У этих разных задач могут могут быть разные степени важности, требования к надёжности, своевременности и скорости доставки данных и, наконец, источники и потребители пересылаемой информации также могут быть разные (источником и потребителем полезной инфы обычно является клиентский драйвер, в то же время всякая управляющая инфа ему обычно нафиг не нужна).
Поскольку для решения описанных выше проблем недостаточно иметь просто разные буферы для разной передаваемой информации, то в дополнение к этому придумали ещё кое-что.
Во-первых, придумали 4 различных типа передач. Для каждой конечной точки должно быть определено, каким из этих типов передач с ней нужно общаться. Типы передач в USB существуют следующие:
- изохронные передачи (isochronous transfers). Они предназначены для передачи потоковых данных в реальном времени. Такие передачи гарантируют время доставки, но не гарантируют, что все данные будут доставлены. Если во время передачи происходит ошибка, то данные просто теряются. Кроме того, для передач такого типа должно быть предварительно согласовано, какую часть пропускной способности шины эта передача будет занимать. Изохронные передачи имеют наивысший приоритет и имеют право занять до 90% пропускной способности канала. Передачи этого типа используются, например, для видеокамер, или колонок. Никого ведь не устроит, если звук в колонках будет лагать. Лучше уж потерять часть данных, но слушать песню не рывками, а непрерывно.
- прерывания (interrupts). Этот тип предназначен для спонтанных небольших сообщений, но с гарантированным временем обслуживания и гарантированной доставкой. Примером может служить USB клавиатура. Мы можем нажать на кнопку в любой момент (может 3 часа не нажимали, а может так и заклацали клавой каждую секунду). Пока мы спим за компом — и передавать ничего не надо. Но как только мы всё же щелканули по кнопкам — будьте любезны, сообщите об этом куда следует и желательно побыстрее.
- передача массивов данных (bulk data transfers). Для этого типа нет никаких гарантий по скорости, единственное в чём можно быть уверенным — что данные дойдут в целости и сохранности (когда-нибудь, гы-гы). Такие передачи имеют самый низкий приоритет, но зато им ничего не надо согласововать, — сколько останется свободной от других типов передач ширины канала — столько они и займут. Не останется вообще — будут ждать, когда канал освободится. Такие передачи можно использовать для обмена данными с устройствами, которым некуда спешить, например, с принтерами. Представьте, что вы отправили на печать USB-принтеру фотку и одновременно слушаете музыку в USB-колонках. Согласитесь ли вы, чтобы фотка напечаталась на 3 секунды раньше, но при этом начал лагать звук в колонках? Вероятнее всего нет, так ведь. Пусть лучше данные принтеру передаются медленнее, но зато музыка играет непрерывно, без всяких дёрганий.
- управляющие передачи (control transfers). Это передачи типа запрос-ответ. С помощью них передаются комады управления устройствами. Тут важна не только безошибочная передача, но и получение ответа о результатах выполнения команды. Кроме того, поскольку эти передачи являются служебными, то им гарантировано 10% пропускной способности канала.
Вернёмся к нашим конечным точкам. Для того, чтобы отличить одну точку от другой, — конечные точки, должны иметь уникальный номер. Но это не всё. Кроме номера, каждая конечная точка имеет ещё и направление. IN — если точка предназначена для передачи данных хосту, OUT — если точка предназначена для приёма данных от хоста. Точки с одинаковыми номерами, но с разными направлениями передачи данных — это разные с точки зрения логики шины конечные точки.
Единственное исключение — конечная точка EP0. У неё вообще особый статус. Она является служебной и предназначена для общего управления устройством (конфигурирование, настройка и т.д.). Кроме того, эта конечная точка двунаправленная и она должна обязательно присутствовать в любом USB-устройстве.
Исходя из всего вышеописанного, для идентификации какой-то конечной точки на шине, нам нужно знать адрес устройства, к которому относится конечная точка, её номер в устройстве и направление передачи данных через эту точку.
Поскольку устройство не всегда делает абсолютно всё на что оно только способно, да и способов решения одной и той же задачи оно может иметь несколько, то обычно нет необходимости задействовать абсолютно все конечные точки. Поэтому придумали такие понятия, как интерфейс, конфигурация и альтернативные установки. Интерфейс объединяет конечные точки, предназначенные для решения какой-либо одной задачи. Наборы используемых одновременно интерфейсов называются конфигурациями. Альтернативные установки позволяют включать или отключать какие-то входящие в конфигурацию конечные точки, в зависимости от способа решения задач для которых предназначена эта конфигурация.
Самих конфигураций и альтернативных установок у каждой из этих конфигураций для одного логического устройства может существовать несколько, но в каждый момент времени только один из этих наборов может быть активен. Причём хост должен знать, какой именно набор активен и в соответствии с этим обеспечивать связь с входящими в этот набор конечными точками. Остальные конечные точки, не входящие в активный набор, не будут доступны для связи.
Поясню, что значит «обеспечивать связь с конечными точками». Для связи клиентского ПО с каждой активной конечной точкой хост создаёт коммуникационный канал (communication pipe). Клиентское ПО, которое хочет пообщаться с конечной точкой, должно отправить к соответствующему каналу пакет запроса ввода/вывода (IRP — input/output request packet) и ждать уведомления о завершении его обработки. В IRP указывается только адрес буфера, куда надо складывать или откуда брать данные и длина передачи. Всё остальное за вас сделает хост и обслуживающие его драйвера (USBD и HCD)
В зависимости от типа передач, используемых в канале, коммуникационные каналы делятся на два типа: потоковые (streaming pipes) и каналы сообщений (message pipes).
Коммуникационный канал к точке EP0 является служебным и называется основной канал сообщений (default pipe, control pipe 0). Владельцем основных каналов сообщений всех подключенных устройств является драйвер USBD, поскольку, как мы уже говорили, через EP0 осуществляется конфигурирование и настройка устройства.
На этом, пожалуй, с основами закончим и в следующей статье попробуем более детально рассмотреть механизм передачи данных по интерфейсу USB.
- Часть 1. Основы.
- Часть 2. Как происходит передача данных по шине.
- Часть 3. Что должно уметь любое USB-устройство.
- Часть 4. Дескрипторы и классы.
- Часть 5. Программная реализация low speed устройства USB. Схема.
- Часть 6. Программная реализация LS устройства USB. Физика и приём пакетов.
- Часть 7. Программная реализация LS устройства USB. Разбираем пакеты по типам.
- Часть 8. Программная реализация LS устройства USB. Передача по USB произвольного буфера и пакетов подтверждения.
- Часть 9. Программная реализация LS устройства USB. Продолжаем разбираться с принятыми пакетами.
Понравилась статья? Поделись с друзьями!