Передача электрических сигналов данных на шине USB.

Передача электрических сигналов данных

на шине USB. 

 Данные внутри пакета на шине USB передаются дифференциальными сигналами. Прием­ник видит дифференциальную единицу, если уровень сигнала на шине D+ по крайней мере на 200 мВ больше, чем на D-, и видит дифференциаль­ный 0, если уровень сигнала на D- по крайней мере на 200 мВ больше, чем на D+ (табл. 1). Точка пересечения при смене уровня сигнала должна находиться между 1,3 В и 2,0 В.

Таблица 1. Уровни передачи сигналов 

 Примечание. Уровень Vse  -  уровень ассиметричного "0" (Single Ended Receiver Threshold), нахо­дится в пределах от 0,8 до 2,0 вольт.

Все пакеты имеют четкие разграничители начала пакета (SOP), который яв­ляется частью поля SYNC, и конца пакета (ЕОР). Начало пакета (SOP) обнаруживается портом (рис.1) по переходу сигналов на ли­ниях D+ и  D-  от неактивного IDLE-состояния к противоположному логи­ческому уровню (К-состояние). Этот перепад уровня представля­ет первый бит поля SYNC. Состояние асимметричного 0 используется, чтобы сообщить о конце пакета (ЕОР). Состояния асимметричного 0 фиксируется по нахождению сигна­лов на линиях D+ и D- ниже 0,8В в течение двух битовых интервалов (рис. 1).  ЕОР будет сообщен переводом D+ и D-  в состояние асиммет­ричного 0 в течение удвоенного времени передачи бита, что сопровождается дальнейшим переводом линии в lDLE-состояние в течение одного битового интервала. Переход от асимметричного 0 к неактивному состоянию опреде­ляет конец пакета. IDLE-состояние удерживается в течение 1 битового ин­тервала, а затем схемы выходных драйверов переводят линии D+ и D-  в состояние высокого импеданса. Согласующие резисторы шины удержива­ют шину в неактивном состоянии.

Рис. 1. Уровни напряжений при передаче пакета на шине USB

 Сигнал "Сброс" может быть сгенерирован командой хоста в любом концен­траторе или порте хост-контроллера и распространяется только в направле­нии вниз по иерархии USB-дерева. Сигнал сброса должен быть выдержан минимум 10 мс. Сигнал сброса распространяется через все работающие downstream-порты любых концентраторов к порту передачи сигналов, но не распространяется через неработающие порты. Подключенный к шине кон­центратор, который получает сброс по корневому порту, убирает питание со всех downstream-портов. Порт, который генерировал сброс, пошлет состоя­ние логического разъединения в конце сигнала сброса, а затем будет пере­веден в выключенное (disabled) состояние.  Активное устройство, включенное и не находящееся в состоянии останова (suspend), наблюдает за асимметричным нулем, который наблюдается на upstream-порте в течение более чем 2,5 мкс, и может обрабатывать этот сиг­нал как сброс, но должно выполнить распознавание этого сигнала за 5,5 мкс. После снятия сброса устройство будет находиться в присоединенном, но еще не в адресованном (они инициализируются своими заданным по умол­чанию адресам USB) или не сконфигурированном состоянии. Все порты на получившем сброс концентраторе находятся в нерабочем состоянии. Кон­центраторы должны быть способны установить связь, и все устройства должны быть способны принять адрес устройства в команде SET_ADDRESS не позже чем через 10 мс после того, как был удален сигнал "сброс". Невы­полнение этого условия может привести к тому, что устройства не будут корректно распознаны. Сброс может выводить устройство из suspend-режима с выключенным пита­нием. Устройство может выходить из suspend-состояния в течение 10 мс.

Синхроимпульсы передаются закодированными вместе с дифференциаль­ными данными. Самосинхронизирующаяся последовательность реализована по схеме NRZI with bit stuffing.  NRZI  -   Non Return to Zero Invert to ones  -  метод без возврата к нулю с инвертированием для единиц. В методе NRZI применяются два уровня сигнала, но уровень, используемый для кодирова­ния текущего бита, зависит от уровня, который применялся для кодирова­ния предыдущего бита (так называемое дифференциальное кодирование). Если текущий бит имеет значение 1, то текущий уровень представляет собой инверсию уровня предыдущего битового интервала, независимо от его зна­чения. Если же текущий бит имеет значение 0, то текущий уровень повторя­ет значение на предыдущем битовом интервале.

Таким образом, для того чтобы обеспечить частые изменения сигнала, а значит и для поддержания самосинхронизации приемника, нужно исключить из кодов слишком длин­ные последовательности нулей. Это действие называется "бит-стаффинг" (bit stuffing). Специальное поле SYNC из семи 0 следующих за 1 (0х80= 10000000В) вклю­чено в заголовок каждого пакета, чтобы позволить приемнику подстроиться под частоту передатчика. Битовый шаблон NRZI для поля SYNC представ­ляет собой тактовый сигнал с периодом, равным 2 битовым интервалам.

USB 3.0 может передавать дан­ные со скоростью 4,8 Гб/с. На­помним, что заявленная пропус­кная способность USB 2.0 состав­ляет 480 Мб/с, однако на прак­тике наиболее типичными пока­зателями являются 30-35 МБ/с.

Радикально улучшена работа с мелкими файлами - бичом прошлой ревизии стандарта. SuperSpeed предусматривает возможность передачи данных несколькими потоками по од­ному соединению: теперь все операции проводятся в рамках потока внутри уже существую­щего соединения и не требуют больших накладных расходов.

Во второй версии USB, в ходе одной операции, данные передаются только в одну сторону. Шина SuperSpeed, в отличие от USB 2.0, является полнодуп­лексной, поэтому контроллер мо­жет одновременно и принимать, и передавать данные без потерь производительности. Существу­ющие в настоящий момент конт­роллеры содержат два хоста, по­тому возможна одновременная работа с двумя устройствами в таком режиме. Для поддержки полного дуплекса введены две до­полнительные пары проводов и обязательное экранирование ка­беля.