USB

1. USB Adrian Chamero Vladimir Fernandez Manel Mendoza Santiago Navarro

2. INTRODUCCIÓN Problema: falta de flexibilidad en la reconfiguración de todo computador MS-DOSWindows 95 facilidad PCI ? ISA PCMCIA facilidad

3. ¿QUÉ ES USB? : Descripción general • USB - Universal Serial Bus: • Dispositivo que permite conectar amplia variedad de periféricos fácilmente a computadores, sin reiniciar ni volver a configurar. • Los dispositivos con USB se configuran automáticamente tan pronto como se han conectado. • Se pueden unir dispositivos en una cadena para conectar más dispositivos.

4. ¿QUÉ ES USB? : Descripción general • Sistema de comunicación entre dispositivos que sólo transmite una unidad de información a la vez. • Puede trabajar en dos modos: • - 1,5 Mbps (teclados, ratones…) • - 12 Mbps (CDROM, altavoces…) • Compacto: cable de 4 hilos, 2 para datos y 2 para alimentación • Organiza el bus en estructura de árbol

5. ¿QUÉ ES USB? : Descripción general

6. ¿QUÉ ES USB? : Descripción general • Todos los dispositivos tienen un sitema de configuración idéntico, incluso un mismo driver sirve para varios dispositivos diferentes. • Plug’n’Play (conectar y listo): No tenemos que tocar nada en el hardware y todo es configurable por software.

7. Objetivos del USB - Apuntan hacia la vista del usuario: • Plug’n’Play • Hot pluggin • No tiene que preocuparse por conflictos IRQ o insertar tarjetas • Conectar hasta 127 dispositivos

8. Puertos serie, paralelos y su expansibilidad • SCSI : velocidad, capacidad de transferencia, 7 dispositivos • Ultra Wide SCSI-2 : 15 dispositivos en cadena, alto costo • Serie: 112,5 KB/s • Paralelo: entre 600 KB/s y 15 MB/s • No son Plug’n’Play • Límite de expansibilidad: normalmente 4 ranuras PCI, 4 ISA, 1 AGP, 2 puertos serie y 1 paralelo

9. Evolución de la USB • USB versión 1.0 : conectar periféricos que no requieran grandes rangos de transmisión “ancho de banda” (<12 Mbps, tambien con la opción de transmisiones a 1.5 Mbps) • - ratones, teclados, lectores de CD de baja velocidad (x4, x6), unidades de disquete… • - tarjetas de video, tarjetas de red a 100 Mbps, discos duros… • USB 2.0 : 30 o 40 veces más rápido (360 a 480 Mbps) • - conexiones a internet de banda ancha, escáneres...

10. Beneficios de la USB • fácil expansión de periféricos en el PC • bajo coste para aplicaciones que demanda más de 12 Mbps • soporte completo para transmisión en tiempo real • flexibilidad de protocolos • cómoda integración de dispositivos de tecnología y fabricantes diferentes • posibilitar la producción de nuevos dispositivos capaces de aprovechar sus ventajas

11. Funciones y Host USB • HOST USB: • - Es el computador mismo, concretamente una parte del mismo denominado Controlador USB del Host • - Tiene la misión de hacer de interfaz entre el computador y los diferentes dispositivos • - Su implementación es una combinación software y hardware todo en uno, es decir Firmware

12. Funciones y Host USB • FUNCIONES USB: • - Son todos los dispositivos que pueden conectarse al bus USB, a excepción de los hubs (ratón, monitor, modem…) • - Son capaces de recibir y transmitir información, ya sea del usuario o de control • - Comparten cable y conectores comunes • - Pueden ser a la vez nuevos hubs

13. Host USB - Hardware y Software • El HOST es responsable a nivel hardware dentro del sistema USB de: • - detectar y configurar nuevos dispositivos • - administrar y controlar flujo de datos y de control entre el host y los dispositivos USB • - obtener información de los elementos del sistema • - proveer una cantidad de energía eléctrica limitada para aquellos dispositivos que pueden abastecerse con tan solo la energía provinente del computador

14. Host USB - Hardware y Software • A nivel de software: • - enumeración y configuración de los dispositivos del sistema • - administración de control de transferencias de información • - administración avanzada de suministro eléctrico a los dispositivos • - adiministración de la información del bus y los dispositivos USB

15. Características Principales • Todo dispositivo USB tiene mismo cable y conector. • Detalles consumo y administración eléctrica transparentes. • Plug & Play, Hot plugging y Hot unplugging. • Mismo bus para dispositivos lentos y rápidos. • Pc identifica y configura dispositivo mientras opera. • Bajo coste. • Dispositivos no necesitan cable extra de alimentación. • 10 veces más rápido que los puertos serie tradicionales.

16. Recursos del dispositivo • El puerto USB sólo necesita una IRQ y una @ de memoria. • TODOS los dispositivos UNA sola ID para identificación. • Los puertos standard necesitan 5 IRQ’s, varias DMA’s y muchas @ de memoria.

17. Descripción del Sistema USB • Compuesto por tres partes diferenciadas: • HOST USB • Dispositivos USB • Interconexión USB

18. Interconexión en el BUS USB • Topologia en estrella estratificada piramidalmente. • Cada centro de la estrella es un HUB: dispositivo que, por un lado se conecta a un PC o a otro HUB, y por el otro permite conectar varios dispositivos ó más hubs. • Ejemplo: Un monitor USB podria tener 3 conectores para teclado, ratón y altavoces; por su parte, el teclado podria tener otro conector para un joystick, y así sucesivamente.

19. Los HUBs USB • Permite varias conexiones simultaneas. • Un HUB puede conectarse a otro, multiplicando así las conexiones posibles. • Está compuesto por dos partes: • Controlador del hub: supervisa las funciones que desempeña un HUB. • Repetidor del Hub: analiza, corrige y retransmite la información que llega al HUB hacia los puertos del mismo.

20. Los HUBs USB: Funciones • Detecta la conexión de un periférico, notifica al controlador del HUB, por lo que se configura el dispositivo en el SO. • Cuando el dispositivo se desconecta, el HUB lo notifica y el controlador del host ordena al SO descargar los drivers. • Para conseguir el máximo número de dispositivos posibles interconectados, necesitamos intercalar HUBs con toma de alimentación electrica, ya que: • Las placas actuales sólo tienen dos conectores. • El puerto solo suministra 500 mA, suficiente para la mayoría de dispositivos, pero corto para impresoras, scaners...

21. Dispositivos • Hasta 127 dispositivos en cadena mediante HUBs USB. • Cada dispositivo hasta 5m de cable vs. 1m puerto serie. • Cada dispositivo puede actuar como HUB USB. • Actualmente, los dispositivos del mercado no aprovechan la capacidad de hacer de HUB.

22. Arquitectura general • Todos los dispositivos USB responden a un patrón. Comprenden los mismos elementos funcionales: • Transceiver: Encargado de seleccionar la velocidad de comunicación del dispositivo (12 o 1.5 Mbps). • Serial Interface Engine (SIE): Trata la información y la serializa o deserializa. Además codifica en NRZI, controla CRC, maneja protocolo de comunicación y la secuencia de paquetes.

23. Arquitectura general • Function Interface Unit (FIU): Administración de datos basado en estado de colas FIFO y envío de interrupciones. • FIFOs: El controlador tiene 8 buffers FIFO: 4 para transmision y 4 para recepción • Para transmisión/recepción de datos 4 funciones: • 0: Almacena info de control de transferencias • 1, 2 y 3: Control de interrupciones, Tx isocrónicas y bulk

24. Controladores Software (Drivers) • Organizados por estructura de capas: • Parte principal: USBD. Todas las llamadas de acceso que los drivers necesitan. • Host Controller Driver: habla con cada controlador en particular. Da soporte a cualquier tipo de controlador, aunque actualemnte solo existen dos: • Universal Host Controller Interface y Open HCI

25. Controladores Software (Drivers) • Por encima de USBD, y como driver, esta el HUBD. • Consta de un demonio khubdd, que se dedica a esperar a que pase algo en los puertos de los hubs. Cuando esto sucede, lo notifica a USBD, que acuta en consecuencia. • Cuando un driver se inicializa, se registra en el sistema USB. • Cuando un dispositivo se conecta, mira la listade registro, escoge el más adecuado para su funcionamiento y le pide que configure el dispositivo en el sistema.

26. Modelo lógico funcional

27. Conectores

28. El Pc Host • El proceso de autodetección tiene que estar siempre activo para poder detectar nuevos perifericos • Una vez detectado tiene que configurarse para el nuev

29. El proceso de conexión • Conexión punto a punto • Las comunicaciones son inicializadas por el ‘root hub’ • La señalización es half-duplex • No manda el clock, transmisión asincrona, (se manda en la trama) • Transmisión empaquetada. • Transmisióna a 12 MHz, pero muestreo de las señales a 48 MHz (mejora de la calidad).

30. Como transmite el bus. Información • Bus inactivo • D+  Vel. Alta (12Mbps) • D-  Vel. Lenta (1,5 Mbps)

31. El paquete de información • Sync: sequencia 10101011 , para sincronizar el reloj. • El primer byte contiene el Packet Identifier. • Diferentes tipos de paquetes. • El tamaño de la información varia de 1 a 1025 bytes. • El final de paquete son dos bits a 00 • Protocolo orientado a bit  bit stuffing. • Codificación NRZI.

32. El paquete de información

33. Tipos de paquetes • Start-of-frame Token Packet • Setup, In, y Out Token Packets

34. Tipos de paquetes • Data transfer Packets • Handshake Packets

35. Ejemplos USB Adaptador ISA a USB

36. Ejemplos USB Adquisición de datos por el puerto USB

37. ELECTRÓNICA Y TRANSMISSIÓN DEL BUS

38. Pines del conector

39. Cables del USB • El Bus Serial Universal (USB) transfiere señales de información y energía a través de 4 cables

40. Cables del USB • Dos de los cables se utilizan para la transmisión de datos • Los otros dos (Vbus y GND) son la alimentación del USB con una diferencia de potencial de +5 voltios (500 mA)

41. Cables del USB • Uno de los terminos importantes es el sincronismo • Este sincronismo es transmitido en la misma señal codificada bajo el esquema del NRZI

42. Cables del USB • Los cables del USB permiten abarcar distancias desde unos centímetros hasta varios metros • Distancia máxima entre USB’s: 5 metros • Los cables USB tienen protectores de voltaje los cuales al mismo tiempo detectan los nuevos dispositivos conectados

43. Protocolo del USB • Toda transferencia de datos en el bus involucra paquestes de datos • Cada dispositivo conectado al bus tiene un número de identificación • El Controlador Host decide qué dispositivo hará uso del bus • De esta manera los dispositivos pueden identificar si son el destino de los paquetes

44. Tipos de transmisión • TRANSMISIÓN SÍNCRONA • TRANSMISIÓN ASÍNCRONA Objetivo transmisión: información generada en emisor debe ser recuperada de la misma forma en el receptor

45. Transmisión asíncrona • El sincronismo no se halla en la señal sino en los equipos (relojes) • Cuando uno de los equipos quiere transmitir prepara un grupo de bits encabezados por: + bit de arranque + conjunto de 7 u 8 bits de datos + uno o dos bits de parada

46. Transmisión asíncrona • El primero de los bits anuncia al receptor la llegada de los siguientes • El receptor tiene que saber los bits que se le llegarán • El bit de parada finalizará el envío

47. Transmisión síncrona • El sincronismo viaja en la misma señal • Con esto se pueden alcanzar distancias mayores y hay un mayor aprovechamiento del canal • Los paquetes están compuestos por 1024 bytes o más

48. Transmisión síncrona • Aplicación: Canal telefónico

49. Transmisión isocrónica • ISO (algún) CRONOS(tiempo) • desarrollada pàra satisfacer la transmisión multimedial de redes: Integrar dentro de una misma transmisión información de voz, texto, vídeo e imágenes • Es una forma de transmisión de datos en que los caracteres estan separados por un numero entero de periodos

50. Transmisión isocrónica • Provee comunicación continua y periodica entre el host y el dispositivo • mueve información relevanta a algún tipo de transmisión (audio, video)