- interfete si periferice - universal serial bus (usb)

Interfete si periferice

UNIVERSAL SERIAL BUS (USB)

USB (Universal Serial Bus ) este acronimul care defineste o interfata mult folosita in prezent, interfata care s-a dezvoltat pe tehnologia seriala si care inlocuieste cu succes atat interfata seriala cat si interfata paralela.

Necesitatea aparitiei USB a fost data de problemele care le puneau folosirea interfetelor seriale de tipul RS 232C

dificultati de interconectare ;

restrictia de a lega doar un singur periferic la fiecare conector de port ;

viteza de transmisie redusa.

Toate aceste probleme au fost rezolvate prin implementarea interfetelor USB :

complicatul sistem de cablare a fost inlocuit cu un control software ;

USB permite conectarea de pana la 127 de dispozitive ;

viteza de transmisie mult imbunatatita -12Mbps la standardul USB si 120-240Mbps la standardul USB-2.0

Totodata, interfata USB ofera dispozitivelor periferice suportul Plug-and-play, eliminand necesitatea instalarii in sloturile calculatorului a unor interfete dedicate si reconfigurarea sistemului. Calculatoarele personale echipate cu USB permit dispozitivelor periferice sa se configureze automat chiar in momentul realizarii conexiunii fizice, fara a mai fi necesara o operatie de initializare a sistemului, respectiv functia "hot-swapping" - abilitatea de a a elimina si inlocui dispozitivele fara a opri calculatorul.

Modulul USB include si o functie optionala de alimentare cu energie a perifericelor conectate prin intermediul USB, acesta facandu-se prin intermediul unui cablu specializat care contine 2 fire pentru date si 2 fire pentru alimentare, perifericele de mica putere putandu-se alimenta prin intermediul USB fara a mai avea nevoie de sursa de alimentare proprie.

USB nu este un simplu port punct-la-punct, ci o magistrala care permite conectarea la aceasta interfata a mai multor echipamente periferice. Informatia circula prin magistrala sub forma de pachete si toate functiile sunt capabile sa receptioneze pachete. Chiar daca portul USB poate lucra cu pana la 127 de dispozitive - cum spuneam mai sus, fiecare port USB fizic conecteza un singur dispozitiv. De obicei PC-urile au montate doua jack-uri de conectare dispozitive periferice.

Dispozitivele periferice care au interfete USB se impart in:

distribuitoare (hub-uri USB);

functii USB (periferice care efectueaza o operatie).

Un hub USB permite legarea prin intermediul lui a mai multe functii, sau de alte distribuitoarere Modelul USB este gandit ca un sistem ierarhic, cu distribuitoare conectate la distribuitoare care la randul lor sunt conectate la alte distribuitoare. Deoarece fiecare distribuitor permite mai multe conexiuni, sistemul USB se dezvolta ca un arbore. PC-ul actioneaza pe post de distribuitor de baza si este numit gazda ( host). Circuitul din PC care controleaza acest distribuitor si restul sistemului USB este numit controller de magistrala. Fiecare sistem USB are un singur controller de magistrala. Programul care implementeaza protocolul USB este cea mai complexa componenta a standardului.

O functie USB este un dispozitiv care efectueaza o operatie (ex. tastaturi, mouse-uri, modemuri, imprimante, plottere, scanere)

Elementele hardware de cablare nu impun nici o limita asupra numarului de dispozitive si functii care pot fi conectate intr-un sistem USB. Datorita limitelor de adresare, protocolul restrange numarul de functii la 127. Pentru codificarea adreselor de functii sunt alocati sapte biti, iar adresa cu numarul 128 este rezervata.

La pornirea PC-ului controllerul USB face un apel al dispozitivelor . Controllerul interogheaza fiecare dispozitiv pentru a afla functia acestuia. Dupa aceasta, construieste o harta pe care sunt localizate toate dispozitivele dupa numarul de distribuitor si de port. Acesta date devin parte a adreselor de pachete.

USB are nevoie de un suport software. Orice dispozitiv care poseda un conector USB are si programul firmware necesar pentru a recunoaste semnalele si comenzile USB.Pentru ca sistemul USB sa fie complet functional, este necesar ca si PC-ul sa ruleze un program software corespunzator. Sistemul de operare al PC-ului trebuie cunoasca modul de transmitere a semnalelor catre porturile USB. In plus, fiecare functie trebuie sa posede un driver software , care creaza comenzile sau impacheteaza datele pentru dispozitivul asociat. Un driver USB actioneaza ca un serviciu de livrare, punand la dispozitie un canal, numit pipe - pentru rutarea datelor catre diferite functii. Pentru fiecare sistem USB adaugat la PC este nevoie sa fie instalat si software-ul o data cu conectarea echipamentelor hardware.

In sistemul USB pot fi folosite patru modele de conectoare : doua jackuri montate pe carcasa si doua fise la capetele cablurilor. Jackurile si fisele sunt realizate in doua variante A si B. Toate cablurile USB au o fisa A la un capat si o fisa B la celalalt capat. Unul din capete trebuie sa fie atasat la un distribuitor, iar celalalt capat la un alt dispozitiv.

Cabluri USB

USB foloseste un cablu special cu patru fire. In acest cablu exista doua conductoare care transfera datele sub forma unui semnal digital diferential. Tensiunile de pe cele doua fire conductoare au aceeasi valoare dar polaritate opusa , astfel fiind anulat orice zgomot parazit care in mod obisnuit s-ar fi adaugat in mod egal la semnalul de pe fiecare linie. Pe langa aceste fire, cablu USB mai contine un semnal de alimentare (o tensiune continua de 5 volti) si o masa de retur. Semnalul de alimentare permite furnizarea energiei de alimentare pentru dispozitivele seriale externe prin cablu USB. Cele doua fire sunt torsadate. Si cablurile de alimentare pot fi torsadate dar nu este obligatoriu. Toate firele au o anumita rezistenta la fluxul electric , aceasta rezistenta fiind proportionala cu diametrul firului. Firele cu diametre mai mici ( mai subtiri) au rezistente mai mici. Pentru codificarea firelor individuale din cablurile USB se folosesc culori.Semnalele de date formeaza o pereche alb - verde, culoarea verde fiind folosita pentru semnalul + Data , alb pentru - Data. Firul rosu transmite semnalul de +5V iar firul negru este masa.

In mod normal nu se poate conecta un PC la altul folosind interfata USB, decat utilizand un cablu special ( LapLink), care contine circuite active care controleaza conexiunea si tranzlateaza comunicatiile pentru a permite unuia dintre cele doua PC-uri sa para ca este un dispozitiv obisnuit si nu o gazda.

Codificarea datelor

Pentru a asigura integritatea semnalului de date de mare viteza, sistemul USB foloseste o metoda care combina un algoritm de codificare NRZI ( Non-Return-To-Zero) si o metoda de impanare cu biti (bit stuffing).

Semnalul NRZI este util pentru ca permite autosincronizarea. Aceasta inseamna ca permite sistemului receptor sa regleze ceasul direct din semnal. Pastrarea sincronizarii se poate realiza cu ajutorul tehnicii de   impanare cu biti ( bit suffing).

Protocoale de comunicatie

USB foloseste un protocol bazat pe pachete.

Toate transferurile de mesaje presupun schimbarea a trei pachete :

- pachetul token (token packet) trimis in exterior de catre gazda - contine adresa dispozitivului desemnat sa participe la transfer, ca si informatiile de control care descriu natura schimbului.

- pachetul de date (data packet) transmis fie de gazda fie de dispozitiv - pastreaza informatiile care trebuiesc schimbate. Pachetul de date poate sa nu contina informatii.

- pachetul de dialog de confirmare (handshake packet), care confirma receptionarea corecta a datelor sau incheierea cu succes a transferului.

Al patrulea tip de pachet, denumit special, trateaza functiile auxiliare

Toate pachetele trebuie sa inceapa cu doua componente cu lungimea de 1 octet:

campul de sincronizare (Sync Field) ;

- campul identificator de pachet (Packet Identifier ).

Campul de sincronizare (Sync Field) este format dintr-o serie de biti care produc un sir de tranzitii de impulsuri folosind schema de codificare NRZI. Aceste impulsuri functioneaza ca o rafala de impulsuri de ceas, care permite tuturor dispozitivelor conectate la USB sa isi reseteze ceasul si sa se sincronizeze cu gazda.

Campul identificator de pachet (Packet Identifier) include patru biti care definesc natura pachetului si patru biti de verificare, care confirma acuratetea primilor .

Pachetele token pot fi transmise numai de catre gazdele USB. Fiecare pachet ocupa 4 octeti care sunt impartiti in 5 zone cu functii distincte.

Zona 1 - campul de sincronizare marcheaza inceputul fluxului de biti al pachetului token

Zona 2 - identificatorul de pachet defineste natura tipului de pachet token.

Sunt 4 tipuri de pachete token:

pachet Aut (Extern) care transporta date de la gazda la un dispozitiv;

pachet In (Intern) care transporta date de la dispozitiv la gazda;

pachet Setup (Configurare) care indica un anume punct de sfarsit;

pachet Start Of Frame (Inceput de cadru) care ajuta la configurarea sistemului.

Zona 3 - campul de adresa care identifica dispozitivul pe care gazda doreste sa il comande sau sa ii transmita date.

Zona 4 - contine 4 biti suplimentari care indica un numar corespunzator punctului de sfarsit(endpoint).

Zona 5 - contine 5 biti care contin informatiile de verificare ciclica prin redundanta(CRC)

Pachetele de date contin informatia propriu-zisa. Ca si celalalte pachete USB, un pachet de date incepe cu un camp de sincronizare, urmat de un identificator de pachet. Urmeaza zona de date si apoi zona de verificare a aparitiei erorilor.

Zona 1 - campul de sincronizare marcheaza inceputul fluxului de biti al pachetului de date

Zona 2 - identificatorul de pachet defineste natura tipului de pachet de date.

Sunt 2 tipuri de pachete de date:

Data 0;

Data 1.

Zona 3 - zona de date propriu-zisa care poate fi de la 0 la 1032 biti

Zona 4 - campul de verificare ciclica prin redundanta.

Pachetele de dialog de confirmare contin doar cele doua campuri specifice tuturor pacchetelor USB si anume campul de sincronizare si respectiv campul identificator de pachet.