Структура USB пакета
В отличие от аналогичных последовательных интерфейсов, где формат посылаемых данных не имеет четко организованной структуры, для USB шины разграничены различные слои протоколов.
Каждая USB транзакция состоит из следующих частей:
- Признак пакета (Заголовок определяющий что далее будет следовать)
- Пакет данных (Опционально)
- Пакет статуса транзакции (Используется для подтверждения нормального завершения транзакции и обеспечения коррекции ошибок при передаче)
Мастером на USB шине является хост. Он и является инициатором всех транзакций. Первым передаваемым пакетом является Признак (Token Packet). Он генерируется хостом для определения что будет следовать далее, какая это будет транзакция: чтение или запись, к какому устройству и конечной точке будет обращение. Следующим пакетом, как обычно, следует пакет данных (Data Packet). И в завершении транзакции следует пакет статуса (Status Packet), который либо подтверждает успешное принятие данных, либо указывает что конечная точка приостановлена (STALL) или не готова принимать данные.
Поля USB пакета
Данные по USB шине всегда передаются младшими битами вперед. USB пакет состоит из следующих полей:
- Поле синхронизации (Sync Field)
Все пакеты должны начинаться с поля синхронизации. Поле синхронизации имеет размер 8 бит для низкоскоростных и полноскоростных устройств или 32 бита для высокоскоростных устройств и используется для подсинхронизации тактового генератора, встроенного в USB контроллер. Последние два бита поля синхронизации являются маркером, который используется для идентификации конца области синхронизации и начала PID поля.
- Поле идентификатора пакета (PID Field)
Идентификатор пакета следует непосредственно после поля синхронизации в каждом передаваемом USB пакете. PID состоит из четырехбитного типа пакета, следующего за четырехбитным проверочным полем как показано на рисунке 4.
| (LSB) | (MSB) | ||||||
| PID0 | PID1 | PID2 | PID3 | PID0 | PID1 | PID2 | PID3 |
Рисунок 2. Формат поля PID.
Контрольная область PID генерируется как инверсия четырехбитного типа пакета и необходима для устранения ложного декодирования следующих за этим полем данных. Ошибка PID детектируется в том случае, когда инвертированная контрольная область не совпадает с соответствующими битами идентификатора пакета. Любой PID полученный с ошибкой или неуказанный в нижеследующей таблице, должен быть проигнорирован получателем пакета.
| PID Тип | Имя PID | PID[3…0] | Описание |
| Признак (Token) | Out | Адрес + номер конечной точки для транзакции ХОСТ —Функция | |
| In | Адрес + номер конечной точки для транзакции ХОCT | ||
| SOF | Маркер начала пакета и его номер | ||
| SETUP | Адрес + номер конечной точки для SETUP транзакции ХОСТ ® Функция в канале управления | ||
| Данные | DATA0 | Четный PID пакета данных | |
| DATA1 | Нечетный PID пакета данных | ||
| Статус | ACK | Приемник принял пакет данных без ошибок | |
| NAK | Принимающее устройство не может принять данные, или передающее не может их отправить | ||
| STALL | Конечна точка приостановлена (HALT) или запрос по управляющему каналу не поддерживается | ||
| Спец. | PRE | ХОСТ инициирует преамбулу, разрешая трафик для низкоскоростных устройств |
Рисунок 3. Типы PID.
PID биты приведены в таблице в MSB порядке. Когда они передаются по шине, правый бит (бит 0) выдается первым.
- Поле адреса устройства (Addr Field)
Поле адреса используется для идентификации к какому устройству направлен текущий пакет. Размерность поля — 7 бит, что позволяет адресовать 127 уникальных USB устройств. После сброса или включения питания, адрес устройства устанавливается по умолчанию в 0 и должен быть запрограммирован хостом в ходе процесса энумерации. Адрес 0 (заданный по умолчанию) зарезервирован для вновь подключаемых устройств и не может быть назначен для нормальной работы.
- Поле адреса конечной точки (Endpoint Field)
Поле адреса конечной точки имеет размерность 4 бита и позволяет размещать в устройстве до 16 конечных точек. Все функции должны поддерживать одну управляющую ‘0’ конечную точку. Низкоскоростные устройства поддерживают только три канала передачи: управляющий канал, связанный с нулевой конечной точкой и два дополнительных канала (две Interrupt конечные точки). Полноскоростные устройства поддерживают максимум до 16 конечных точек.
- Поле номера кадра (Frame Number Field)
Поле номера кадра представляет собой 11-битное поле, которое инкрементируется хостом при инициировании нового кадра. Поле номера кадра начинается заново с нуля при достижения максимального значения 0х7FF, и используется только для SOF маркеров в каждом начале кадра.
- Поле циклического контроля по избыточности (CRC)
Циклический контроль по избыточности (CRC) используются для защиты всех полей кроме PID в маркерах и пакетах данных. Защита Маркера и пакета данных обеспечивает 100% нахождение всех одиночных и двойных битовых ошибок. Для маркеров предусмотрено пяти-битное поле CRC, которое используется для защиты полей ADDR и ENDP пакетов IN, SETUP,OUT или поле отметки времени маркера SOF. Для пакета данных используется 16-битный полином, кодирующий всё поле данных пакета.
- Поле конца пакета (EOP)
Поле конца пакета представляет собой сигнал окончания пакета и устанавливается на шине путем выставления сигнала Single Ended ZeroSE0 в течении двух битовых интервалов следующего за J состоянием, установленным на время одного битового интервала.
Типы USB пакетов
Для USB шины позиционируется четыре типа пакетов. Пакеты-маркеры обозначает какого типа транзакция начинается на шине, пакет данных включает в себя передаваемую структуру данных, пакеты статуса используются для информирования об успешно выполненной транзакции или ошибках произошедших при передаче, и пакеты начала кадра инициируются при генерации нового кадра на шине.
- Маркерные пакеты (Token Packets)
Существуют три типа маркерных пакетов:
1. In — информируют USB устройство, что хост хочет читать данные из устройства
2. Out — информирует USB устройство, что хост хочет передавать данные в устройство
3. Setup — используются для обозначения начала управляющего (Control Transfer) типа передачи данных
Все маркерные пакеты имеют следующий формат:
| SYNC | PID | ADDR | ENDP | CRC5 | EOP |
Рисунок 4. Маркерный пакет.
- Пакеты данных (Token Packets)
Существуют два типа пакетов данных, каждый из которых способен содержать до 1024 байтов данных.
- DATA0
- DATA1
У высокоскоростных устройств для пакетов данных определены два других PID-a: DATA2 и MDATA. Пакет данных имеет нижеследующий формат:
| SYNC | PID | DATA | CRC16 | EOP |
Рисунок 5. Пакет данных.
— Максимальная полезная загрузка для низкоскоростных устройств составляет 8 байт.
— Максимальная полезная загрузка для полноскоростных устройств составляет 1023 байта.
— Максимальная полезная загрузка для высокоскоростных устройств составляет 1024 байт.
— Данные всегда посылаются целым числом байт. Данные CRC16 вычисляются только для поля данных в пакете и не включают PID, который имеет собственное поле проверки.
- Пакеты подтверждения (Handshake Packets)
Существуют три типа пакетов подтверждения, структура которых имеет только PID поле:
— ACK — подтверждение того, что пакет был успешно принят
— NAK — информирует, что устройство в данный момент не может принимать либо отправлять данные. Также используется в Interrupt транзакциях для информирования хоста, что устройство не имеет новых данных для передачи. Хост никогда не может выдавать ответ NAK. NAK используется в целях управления потоком данных.
— STALL — указывает, что устройство неспособно передавать или получать данные, и требуется вмешательство хоста для снятий состояния останова. Как только конечная точка устройства остановлена, устройство должно продолжить возвращать STALL, пока условие, вызвавшее останов не будет удалено с помощью вмешательства хоста. Хосту запрещено возвращать STALL.
Пакет подтверждения имеет нижеследующий формат:
| SYNC | PID | EOP |
Рисунок 6. Пакет подтверждения.
- Пакеты начала кадра (Start of Frame Packets)
SOF пакет состоит из 11-ти битного номера кадра и генерируется хостом каждую 1ms ± 500ns для полноскоростной шины и каждые 125 µs ± 0.0625 µs для высокоскоростной шины.
Пакет начала кадра имеет нижеследующий формат:
| SYNC | PID | Frame Number | CRC16 | EOP |
Рисунок 7. Пакет начала кадра.
USB функция
Когда мы думаем о USB устройстве то мы представляем периферийное оборудование, но USB устройство само по себе не означает наличие только приемо-передатчика. USB устройство на самом деле представляет собой совокупность функций или законченных устройств, объединенных в одном изделии. Итак теперь мы знаем из каких составных частей состоит USB пакет.
К счастью, большинство USB контроллеров, весь физический протокол нижнего уровня поддерживают самостоятельно без вмешательства пользовательской программы. Вмешательство пользователя необходимо лишь тогда, когда на шине произошло одно из событий: прием или выдача пакета данных в/из FIFO, событие NAK или STALL, процесс энумерации или переход в режим пониженного энергопотребления.
Большинство функций имеет буфера для приема/передачи данных. Обычно их размер составляет 8 байт. Каждый буфер закреплён за определеннной конечной точкой, например за EP0 Out и EP0 In. Например хост инициирует запрос дескриптора устройства. USB контроллер функции считывает Setup пакет и определяет по адресному полю был ли он направлен именно к ней. Если пакет был направлен именно по этому адресу, то USB контроллер считывает данные в соответствующий буфер (FIFO) указанный в поле конечной точки (Endpoint Field). После этого функция генерирует пакет подтверждения, в котором указывает статус принятия пакета и устанавливает сигнал прерывания для внешнего управляющего контроллера, указывающий, что произошло событие по приему данных в RXFIFO. Все эти действия происходят без внешнего вмешательства ПО пользователя, что разгружает микроконтроллер реализующий функцию управления. ПО микроконтроллера обрабатывает прерывание — считывает из RXFIFO запрос дескриптора и отвечает на него выдачей структуры соответствующей запрошенному дескриптору. [2]
Конечные точки
Конечные точки функции могут принимать или передавать данные. Конечные точки USB функции являются самым последним звеном в коммуникационном канале. Например, в программном слое, ваш драйвер устройства посылает пакет данных в конечную точку EP1 функции. Данные будут последовательно поступать в функцию и складываться USB контроллером в буфер RXFIFO1. Как только у управляющего микроконтроллера появиться свободное время он может считать из RXFIFO1 полученные данные. Если он хочет ответить пакетом данных, USB контроллер не может просто выставить их шину, т.к. мастером и инициатором запросов на шине является хост. Следовательно, управляющий микроконтроллер записывает пакет данных в IN конечную точку, например в EP1. Данные будут находится в буфере первой конечной точки TXFIFO1 до тех пор, пока хост не выставит на шину IN транзакцию к этой конечной точке. Конечные точки — это интерфейс связи между аппаратными средствами и микропрограммой работающей на функциональном устройстве. Все USB устройства должны поддерживать нулевую конечную точку (EP0). Она получает все управляющие и статус запросы во время процесса энумерации и всего цикла работы, пока устройство присоединено к USB шине. [2]
Вообще конечная точка — это конец логического канала данных между хостом и устройством. В свою очередь канал — это логическое соединение между хостом и устройством. Так как конечных точек у устройства предусматривается несколько, то это означает, что обмен данными между хост-контроллером и устройством на шине может происходить по нескольким каналам, так называемый многоканальный режим. Полоса пропускания шины делиться между всеми установленными каналами. В распоряжение шина USB может предоставить каналы следующих типов:
- Каналы сообщений. Являются двунаправленными каналами и служат, не трудно сообразить, для передачи сообщений, имеющих строго определенный в спецификации формат, необходимый для обеспечения надежной идентификации и передачи команд. Возникает канал при отсылке хостом запроса в устройства, и управляет передачей только хост. Каналы сообщений используется для передач только управляющего типа (что такое смотрим ниже).
- Потоковые каналы. Являются однонаправленными. В отличие от четко определенных сообщений не имеют определенного закрепленного в стандарте формата, что означает возможность передачи данных любого вида. Эти передачи могут контролироваться не только хостом, но и устройством. Используется для передач данных типа прерывание, групповая пересылка, изохронная (смотрим ниже). В спецификации в зависимости от типа передаваемых данных, предъявляемых требований к скорости обработки, задержки доставки и т.п. определены следующие типы передач.
- Управляющие передачи. Используются для конфигурирования устройств во время подключения и выполнения других специфических функций над устройством, включая организацию новых каналов.
- Прерывания. Используются для спонтанных, но гарантированных передач с гарантированными скоростями и задержками. Используются обычно для передачи введенных данных от клавиатуры или сведений об изменении положения указателя мыши, в устройствах обратной связи, и.т.д
- Групповая пересылка. Используется для гарантированной передачи данных больших объемов без предъявленных требований к скоростям и задержкам. Занимает под себя всю свободную пропускную способность шины. В любой момент доступная полоса может быть урезана при необходимости осуществления передач других видов с более высоким приоритетом, или добавлена, при освобождении другими устройствами. Обычно такие передачи используется между принтерами, сканерами, накопителями и др.
- Изохронная передачи. Используются для потоковых передач данных в реальном времени. Резервируют определенную полосу пропускания шины, гарантируют определенные величины задержек доставки, но не гарантируют доставку (в случае обнаружения ошибки повторной передачи не происходит. Передачи этого вида используются для передачи аудио и видео трафика.
Обмен данными может осуществляться в трех скоростных режимах:
- Low Speed. Низкоскоростной режим. Скорость передачи составляет 1.5 Мбит/с.
- Full Speed. Полноскоростной режим. Скорость передачи 12 Мбит/с.
- High Speed. Высокоскоростной режим. Появился лишь в спецификации 2.0. Скорость передачи 480 Мбит/с.
Устройства на шине USB делятся на ведущие и ведомые. Фактически, ведущих устройств на шине может быть только одно, и таковым является хост. Все передачи данных инициируются хостом в соответствии определенной временной программой. Функциональные устройства сами не могут инициировать передачу, а лишь отвечают на запросы хоста. Обмен данными возможен только между хостом и устройством, и не возможен на прямую между устройствами подключенными к шине (это означает, что в принципе в первую очередь USB — это шина вывода. Транзакции на USB шине состоят из двух-трех актов: посылки пакета маркера, определяющего, что будет следовать дальше (тип транзакции, адрес устройства и его конечную точку), пакета данных (опционально), и пакета статуса транзакции (для подтверждения нормального выполнения операции или сообщения об ошибке). [3]