Page 1. Elettronica delle telecomunicazioni II ETLC2 - B4 20/05/ DDC 1. Politecnico di Torino Facoltà dell Informazione. Lezione B4.

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1 Politecnico di Torino Facoltà dell Informazione Lezione B4 Modulo Elettronica delle telecomunicazioni II B Protocolli B4 Esempi di protocolli seriali» Trasmissione seriale» Modulazioni e codifiche» Recupero del clock» Sincronismo» esempi Modulazioni e codifiche Codifiche con embedded clock Separazione dati/clock Esempi di protocolli seriali SPI I2C USB Altri Riferimenti nel testo Collegamenti seriali /05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Procolli seriali sincroni Protocollo sincrono Usano codifiche o modulazioni che permettono di estrarre o sincronizzare il clock dal segnale ricevuto Transizioni in posizione fissa a ogni T BIT (portante) Intervallo massimo tra le transizioni Protocolli a carattere: Sincronismo di carattere inserito con sequenze speciali Il ricevitore deve riconosce queste sequenze per individuare la posizione dei caratteri Protocolli a bit Inizio del messaggio identificato con sequenze speciali Il ricevitore deve riconosce queste sequenze per individuare l inzio dei messaggi Come mantenere il sincronismo di bit? L informazione temporale è associata alle transizioni Codifiche con frequenza minima di transizioni BxBy, o BxTy» Inserimento di bit aggiuntivi Modulazioni con embedded clock Modulazioni con portante sincrona Come acquisire il sincronismo di bit? Preambolo noto Operazioni di Clock Data Recovery (CDR) 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Codifiche RZ Codifiche RZ ternarie RZ: Return to Zero Ogni simbolo inizia e finisce con 0 V (o altro livello fisso) RZ-M: 1 rappresentato con impulso H (Mark) (RZ-S: 0 = H) RZ bipolare (ternario): 1 rappresentato con impulso +V, 0 rappresentato con impulso V Nessuna transizione per sequenze costanti Banda: max 2 transizioni/bit, quindi Fmax = BitRate Presenza di transizioni anche per sequenze costanti codifica autosincronizzante (embedded clock) Banda: 2 transizioni/bit, quindi Fmax = BitRate 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Page DDC 1

2 Codifiche NRZ Codifica NRZI NRZ: Not Return to Zero Non è richiesto che ogni simbolo finisca con un livello fisso NRZ-L: 1 rappresentato con stato H NRZ-M: 1 rappresentato con transizione (NRZ-S: 0=trans) NRZI: Not Return to Zero Inverting Non è richiesto che ogni simbolo finisca con un livello fisso 1: rappresentato con transizione 0: rappresentato con stesso lo stato precedente NRZI Nessuna transizione per sequenze costanti Banda: max 1 transizione/bit, Fmax = BitRate/2 Nessuan transizione per sequenze costanti a 0 Banda: max 1 transizione/bit, Fmax = BitRate/2 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Sommario codifiche RZ e NRZ Codifica MLT-3 Codifiche senza embedded clock Multilevel Transmission Encoding 3 levels Codice ternario: richiede migliore SNR 0: nessuna variazione 1: variazione Se il livello precedente era + o va a 0 Se il livello precedente era 0 variazione opposta al segno precedente MLT-3 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Codifica MLT-3 Combinazione 4B-5B e MLT-3 Esempio MLT-3 DATI Variaz - / \ / - \ / \ - / \ / - Segnale Banda (serie di 1): Fmax = BitRate/4 Usato per Ethernet 100Base-TX Da Da: 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Page DDC 2

3 Codifiche Manchester Sommario codifiche manchester Modulazione di fase (salti di fase di π) 0: transizione H -> L 1: transizione L -> H Codifiche con embedded clock Una transizione per ogni bit (almeno) autosincronizzante Banda: max 2 transizioni/bit, Fmax = BitRate Varianti MFM M2FM: Manchester :2 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Codifiche MFM e M2FM Spettro delle varie codifiche MFM Legata alla sequenza Occupazione spettrale legata al numero di transizioni M2FM Manchester :2 Stessa informazione Banda ridotta: 1 transizione /bit Decodifica più complessa 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Modulazioni sincrone Codifiche BxBy Rapporto intero tra periodo della portante e Tbit La demodulazione sincrona permette di recuperare il clock e mantenere il sincronismo di bit Esempi: PAM PSK FSK Blocco di X bit sostituito con un blocco di Y bit (Y > X) Il nuovo blocco garantisce» Presenza di transizioni» Livello DC = 0 (o quasi)» Codici riservati per comandi/controlli Può essere codificato NRZ (miglior uso della banda) Maggiore occupazione in banda (% = incremento bit) Uso corrente 4B5B 8B10B 64B66B 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Page DDC 3

4 Esempio B4B5 Sommario codifiche per CDR Dai codici 4 bit (16) a 5 bit (32) Ridondanza usata per: Inserire transizioni Rimuovere DC Caratteri di controllo : start : start : halt manchester, MFM, M2FM Codici BxBy e BxTy Protocolli con Bit stuff Modulazioni PSK Modulazioni coerenti Esercitazione: Separazione dati/clock, esempio PSK Sincronizzazione e separazione con PLL 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Lezione B3 Catena di comunicazione seriale Sincronismo di bit, di carattere e di pacchetto Collegamenti asincroni e sincroni Modulazioni e codifiche Codifiche con embedded clock Separazione dati/clock Esempi di protocolli seriali SPI I2C USB altri Serial Peripheral Interface Comunicazioni processore periferici (DSP-A/D, ) Già prevista su molti dispositivi Disponibile come IP Sincronizzazione di ciclo: Clock unico a 10 MHz (o F scelta da utente) Polarità definita dall utente Unica catena o Chip Select multipli Formato messaggi Definito da utente 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Ogni dispositivo è uno Shift Register Trasferimento di un byte Quattro segnali Clock Chip Select Data In Data Out Il Master genera clock e CS Lo Slave viene selezionato da CS 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Page DDC 4

5 Configurazione con CS multipli Dispositivi collegabili in cascata con unico CS 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Procollo I 2 C Clock distribuito I 2 C Struttura multipunto (bus) Linee pilotate con Open Collector (OD) L prevale su H, Nessuna collisione Linea in wired-and Ogni dispositivo può prolungare lo stato L 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Formato caratteri I 2 C Allocazione canale I 2 C Transizioni dato solo con CLK in stato L Simboli di Start e Stop: Start: DATA H->L con CLK alto Stop: DATA L->H con CLK alto Fase di arbitrazione iniziale Ogni modulo invia su DATA il proprio codice di priorità Meccanismo per rivelare differenze locali/canale bit per bit» In caso di differenza, il modulo si ritira A causa del wired-and, vince chi è più vicino a /05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Page DDC 5

6 Allocazione canale I 2 C: esempio Procollo USB Codice 1: 101ZZ; Codice 2: Il modulo 1 rileva la differenza e si ritira al CLK 3 Universal Serial Bus Topologia a stella (insieme di P-P) Segnali differenziali Immunità ai disturbi di modo comune Buone carateristiche EMC Tre velocità 1.1: 1,5 e 12 Mb/s 2.0: 480 Mb/s 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Il Cavo USB - caratteristiche elettriche Quattro conduttori, raccolti in due doppini: Doppino attorcigliato per la trasmissione dati (D+ e D-); Coppia per l alimentazione +Vcc e GND, Corrente max 500 ma Lunghezza max 5 m Impedenza caratteristica Z0=90 Ω ± 15%; Attenuazione (max) a 64KHz 0,08dB/metro; a 400MHz 5,8dB/per metro. Ritardo di Propagazione (max) 26ns per full speed; 18ns per low speed 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC USB caratteristiche elettriche Driver low-speed (1,5 Mb/s) Segnale differenziale Livelli uscita: stato L: Tra 0 V e 0.3 V; stato H: Tra 2,8 V e 3,6 V. lunghezza massima di 3 m. Fronti di salita/discesa da 75 a 300 ns. fronti di salita e di discesa da 4 ns a 20ns Alta Zi per isolare le periferiche spente Simboli speciali non diff: SE0, EOP, Reset,.. Violazioni della codifica differenziale Stato di riposo IDLE 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Page DDC 6

7 Ricevitore USB Terminazione del segnale I Ricevitore con ingresso differenziale Sensibilità di almeno 200 mv Livelli driver da 0,8V a 2,5V Modo comune RX tra -0,5 V e 3,8 V. Receiver single-ended (con isteresi) per ciascuna linea, per identificare simboli particolari Il segnale usb è terminato da hub e periferiche. Le periferiche ad alta velocità sono terminate con una resistenza di pull-up sulla linea D+ Le periferiche a bassa velocità sono terminate con una resistenza di pull-up sulla linea D- 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Start of Packet End of packet IDLE Entrambe le linee L SOP (Start of Packet) HSSOP: analogo di SOP per HS. EOP (End of Packet) entrambe i differenziali hanno una tensione inferiore a 0,8 V(SE0) per due bit-time seguiti dallo stato di IDLE. HSEOP: EOP per HS Generato quando si passa da J/K per HS allo stato Idle. 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Segnale di Reset Connessione e Disconnessione Segnale prolungato SE0 Alla fine del Reset la periferica è collegata, ma non ancora indirizzata e configurata, alla catena USB. Generato dall Host o dall Hub per 10 ms. La porta che genera il Reset viene posta nello stato di disconnessione alla fine del segnale di Reset. Connessione: segnale Idle con durata superiore a 2,5 µs; Disconnessione: SE0 superiore a 2,5 µs 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Page DDC 7

8 Livelli del Protocollo Tipi di pacchetti. LIB (Livello Interfaccia al Bus): componenti hardware che serializzano il pacchetto. interfacce differenti tra host e periferica. LPL (Livello di Periferica Logica): sull host è costituito dal software USB sulla periferica è la logica per trattare i flussi di controllo LF (Livello Funzionale): software utilizzatore dell host e dalla funzione vera e propria della periferica. 3 tipi di pacchetti Token; Data; Handshake Ogni pacchetto è diviso in campi di 8 bit (o multipli di 8) ciascuno. I bit vengono inviati sul bus dal bit meno significativo (LSB) al più significativo (MSB): 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Struttura dei pacchetti Pacchetti TOKEN Campo SYNC sequenza di 8 bit in low speed, 32bit in high-speed sincronizza il clock del trasmettitore e del ricevitore. SOP (Start of packet) : ultimi due bit del SYNC marca l inizio effettivo del pacchetto. PID: campo di 8 bit identificativo del tipo di pacchetto 4 bit, complementati e ripetuti dopo la serie originaria Emessi dall host Rappresentano i comandi per la rete USB. SYNC PID ADDR ENDP CRC EOP Il PID specifica tipo e sottotipo di pacchetto Esempi PID Start Of Frame In Out 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Pacchetti DATA Tipi di Trasferimento dell USB Pacchetti DATA SYNC PID DATA CRC EOP Campo DATA: Low speed: 8 byte, Full speed 1023 byte high speed 1024 byte Pacchetti ACKNOWLEDGE Quattro tipi di trasferimento di informazione: Control Interrupt Bulk Isocrono Ogni trasferimento sull USB è sempre controllato dal PC host e ha luogo tra il software client dell host e l endpoint di un dispositivo. SYNC PID EOP ACK, NACK, STALL 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Page DDC 8

9 Trasferimento di Controllo Trasferimenti di tipo Interrupt Usato dal software dell host per configurare un dispositivo quando viene connesso, per comunicare le informazioni e chiedere lo stato Trasferimenti in entrambe le direzioni Dati mantenuti da chi trasmette se necessario si ripete la trasmissione finché non c è alcun errore Pacchetti di 8, 16, 32 o 64 byte 8 bit per dispositivi a bassa velocità Usato per inviare dati in quantità modesta, intermittenti o non periodici (mouse, tastiera, ). Vincolo sul ritardo massimo per riconoscere la richiesta di un servizio da parte del periferico. Trasferimento sempre dal dispositivo all host Avviati solo quando il controller dell host da ok a un interrupt point e questo ha qualcosa da trasmettere La trasmissione si ripete sinchè non si è certi che sia andata a buon fine (Come per il control transfer) 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Trasferimenti Isocroni Trasferimenti di tipo Bulk Caratterizzati da un flusso continuo di informazioni In presenza di richiesta, il controller dell host determina se c è banda disponibile Se OK il dispositivo è accettato sul bus Se non OK rimane nello stato di configurazione oppure richiede meno banda. 90% della larghezza di banda allocabile a trasferimenti di tipo periodico (isocroni e interrupt) Massima efficienza: 20 diverse transazioni utilizzano l 85% della banda 1,28Mbps complessivi Trasferimenti di grandi quantità di dati Modo non continuo Non ammettono la perdita di dati Possono tollerare un ritardo variabile usato solo da dispositivi ad alta velocità I dati possono fluire in entrambe le direzioni, IN/ OUT In presenza di errori il bulk transfer viene ripetuto sinché non va a buon fine Accesso stabilito su base as available (quando è possibile) 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Sommario USB Altri procolli seriali Topologia di connessione a stella gerarchica. Ciascuna connessione è un punto-punto tra host e periferico Segnali e alimentazioni su un cavo a 4 fili: due trasportano segnale differenziale, gl altri due alimentazione Sono previste due cadenze: 12 e 1,5 Mb/s, più 480 Mb/s per USB2 Sincronismo di bit ottenuto con codifica NRZI con bit stuffing prima di ogni pacchetto un campo SYNC permette il sincronismo e il recupero del clock Tutte le transazioni comprendono tre pacchetti Il controller invia un pacchetto TOKEN con tipo, direzione, indirizzo dello slave. La sorgente invia i dati (o indica che non ci sono dati disponibili): pacchetto DATA. La destinazione conferma con un pacchetto di ACK. SATA SPDIF Ethernet 10baseT Firewire 20/05/ ETLC2 - B DDC 20/05/ ETLC2 - B DDC Page DDC 9