Il bus USB. Anno accademico 2006/2007 prof. Bruno Fadini. Elaborato per il corso di Architetture dei sistemi di elaborazione:

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1 Anno accademico 2006/2007 prof. Bruno Fadini Elaborato per il corso di Architetture dei sistemi di elaborazione: Il bus USB Aulitto Alessandro 885/ Bifulco Roberto 885/ Capozzoli Vincenzo 885/ Spinelli Antonio 885/

2 Indice generale 1 Introduzione Topologia del bus USB Specifiche fisiche Comunicazione sul BUS USB Codifica dei segnali Bit stuffing USB framing Protocollo di comunicazione Tipi di pacchetti Allocazione di banda e scheduling dei frame Tipi di trasferimento Control transfer Interrupt transfer Bulk transfer Trasferimento isocrono Appendice A

3 1 Introduzione L'Universal Serial Bus (usb) è un particolare tipo di bus, sviluppato nel 1995 (nel 1998 per Personal Computer) da un insieme di aziende (Compaq, Digital, IBM, Intel, Microsoft, NEC e Northern Telecom) allo scopo di utilizzare un'unica interfaccia per collegare periferiche accessorie, sostituendo le porte parallele e seriali e altri ingressi e uscite presenti sui computer. Le specifiche USB hanno garantito all'industria un approccio uniforme per lo sviluppo di prodotti, al fine di permettere un'interoperabilità senza soluzione di continuità attraverso un unico connettore ed una sola porta per tutte le necessità. Questo bus è stato progettato con queste intenzioni: Facilità d'uso Aumento del numero di periferiche da collegare Il primo standard USB(versione 1.0) è stato rilasciato nel Gennaio del 1996 e la versione ufficiale(versione 1.1) è stato rilasciata nel settembre 1998,l'ultima versione(versione2.0) è stata rilasciata nel L'USB è severamente gerarchico ed è controllato da un host. L'host usa un protocollo master/slave per comunicare con i dispositivi USB ad esso collegati. Questo vuole dire che ogni genere di comunicazione è comandata dall'host e le apparecchiature non possono stabilire alcuno collegamento diretto con altre apparecchiature. Il protocollo master/slave risolve implicitamente problemi come conflitti di bus o simili. La prima revisione (1.0), pubblicata nel 1996, si proponeva di superare sia le difficoltà di installazione e configurazione di periferiche (conflitti nella scelta dell indirizzo, dell interrupt e del canale DMA), sia la limitatezza di banda e il basso data rate delle porte esterne finora disponibili. Le specifiche dell USB includono standardizzazioni di connettori e cavi, una topologia hub/star per le connessioni esterne, che può arrivare fino alla connessione di 127 periferiche, e protocolli per il riconoscimento e la configurazione automatica dei dispositivi. Il data rate scelto inizialmente fu di 5 Mbit/s, ma con la revisione successiva (1.1, quella attuale), pubblicata nel 1998, si è passati a 12 Mbit/s, conservando gli stessi costi. La revisione 2.0 prevede anche la cosiddetta USB Hi-Speed, capace di arrivare fino a 480Mbit/s, estendendo quindi la gamma di periferiche che ne potranno fare uso a dispositivi di ultima generazione, che necessitano di una banda maggiore. E' inoltre garantita la compatibilità con le revisioni precedenti. Introduzione 3

4 2 Topologia del bus USB Illustrazione 1: Topologia bus USB L USB non è un vero e proprio bus dal punto di vista fisico, le periferiche sono disposte secondo una struttura ad albero, con la radice costituita dall host PC ed i nodi formati da periferiche e da hub. L hub è una particolare periferica che ha lo scopo di creare punti di connessione per funzioni o altri hub, ripetendo ogni volta il flusso di dati proveniente dall host o dall hub precedente. Nella scheda madre del PC è presente, oltre ad un particolare controller, anche un hub, detto Root Hub, con lo scopo di realizzare una o due porte USB. Complessivamente possono essere presenti fino a 127 dispositivi tra hub e funzioni. Da quanto detto è possibile individuare un sistema USB come composto dalle seguenti parti: Un sistema USB si costruisce a partire da questi elementi: L'host: un PC equipaggiato con il controllore e il software USB I dispositivi USB compatibili,separabili in due classi :periferiche e hub I cavi di interconnessione Topologia del bus USB 4

5 Illustrazione 2: Struttura fisica dell'usb Una periferica può essere collegata all'host in modo diretto oppure attraverso i dispositivi intermedi (hub). La radice dell'albero della rete USB risiede concettualmente sul controllore dell'host. Se l'host dispone di più porte,queste vanno considerate come le porte downstream dell'hub dell'host. Elemento fondamentale dell'usb è la sua componente software. Sul calcolatore host deve essere presente il cosiddetto software USB di sistema, cioè, una componente da guardare come parte integrata nel sistema operativo, esattamente come il protocollo TCP/IP. Non è pensabile di gestire direttamente un periferico USB. Il software applicativo vede ciascuna periferica come a sé stante, indipendentemente dal livello fisico in cui si trova e indipendentemente dal fatto che sia connessa direttamente all'hub radice o ad altro hub. Il trasferimento dei dati avviene fisicamente attraverso le variazioni di tensione differenziale fra due dei quattro cavetti costituenti il cavo USB. L'osservazione delle variazioni della tensione differenziale consente di riconoscere la connessione/disconnessione degli apparati. L'host è anche in grado di riconoscere se la periferica è ad alta velocità o bassa velocità. 5

6 3 Specifiche fisiche Una caratteristica molto importante del bus USB è la possibilità di alimentare i dispositivi che vi si collegano, attraverso il collegamento del bus stesso. Un dispositivo USB comune può essere alimentato anche in modo indipendente, soprattutto se il suo consumo è elevato; tuttavia, il fatto che l'alimentazione esterna non sia sempre necessaria, consente di ridurre il cablaggio per la connessione di componenti esterni, soprattutto quando questi sono di piccole dimensioni. Illustrazione 3: Connettori USB Nei cavi sono presenti quattro fili, due per la trasmissione dati, gli altri per l alimentazione, di cui uno a massa e l altro a +5V. Per quanto riguarda la coppia di fili dedicata alla trasmissione differenziale dei dati, abbiamo, oltre alle segnalazioni differenziali, uno stato SE0 in cui entrambe le linee si trovano ad un valore basso di tensione ed uno stato IDLE di riposo. I connettori sono di 3 tipo fondamentali, per consentire adattabilità a diverse tipologie di periferiche. Specifiche fisiche 6

7 4 Comunicazione sul BUS USB E' solo attraverso i servizi forniti dal software USB (SWU) che i programmi applicativi hanno accesso alle periferiche connesse. In questo senso SWU può essere riguardato come uno strato che si interpone tra il controllore del bus e i programmi applicativi e che detiene il controllo assoluto di ogni tipo di informazione scambiata fra le applicazioni e le periferiche connesse al bus. SWU monitorizza costantemente il bus e provvede a instaurare i flussi comunicativi tra i programmi di utente e le periferiche,anche in base all'occupazione di banda. Una periferica, per quanto costituisca un dispositivo passivo, deve necessariamente essere dotata di intelligenza, in modo da riprodurre la pila (stack) del protocollo. Le periferiche USB sono di norma realizzate attorno a un microcontrollore che si fa carico di gestire lo scambio dei dati secondo il modello a strati. 4.1 Codifica dei segnali La codifica dei segnali al livello fisico è la NRZI o «Non Return to Zero Invert». Questo schema di codifica è uno dei più efficienti possibili; mentre nell NRZ («Non Return to Zero») ogni bit di dati fa cambiare stato al segnale, nel metodo NRZI usato dall USB una transizione del segnale o «inversione» accade solo quando si deve trasmettere uno 0'. Una stringa di 0' nei dati causerà una sequenza continua di cambiamenti di stato del segnale e perciò fornirà al dispositivo ricevente un ottima sorgente di sincronia del clock. D altra parte, una stringa di 1' nei dati non solo inibirà la possibilità di rifasare il clock, ma introdurrà anche uno sbilanciamento della parte continua della tensione sul cavo. Per prevenire questi inconvenienti, si fa uso di un meccanismo detto «bit stuffing» (inserzione di bit). Illustrazione 4: Codifica NRZI 4.2 Bit stuffing Il bit stuffing lavora assieme alla codifica NRZI per assicurare un numero sufficiente di transizioni nel segnale fisico, inserendo un bit «extra» che causi un inversione (in questo caso uno 0') ad un intervallo sufficiente a mantenere il recupero del clock e a prevenire sbilanciamenti in DC. Nell USB si inserisce un bit di 0' ogniqualvolta si siano trasmessi sei bit di 1' consecutivi. Comunicazione sul BUS USB 7

8 Per recuperate i dati originali, un ricevitore deve tener conto del numero di bit ad 1' consecutivi che ha visto, e quando ne ha contati sei scarta («unstuffing») il prossimo bit di 0'. Ovviamente il bit stuffing introduce un po di inefficienza nella codifica NRZI, ma questo carico addizionale è dipendente dall andamento dei dati. In molti casi, i dati avranno abbastanza bit di 0' da rendere raramente necessario il bit stuffing. Nel peggiore dei casi (trasmissione di tutti 1') si ha un sovraccarico del 17% nel numero di bit; studi interni della Intel indicano che in media si ha l 1% di bit in più. 4.3 USB framing Il «framing» («finestratura») dell USB è definito da un pacchetto speciale originato dal controller dell host, chiamato Start Of Frame (SOF). La temporizzazione degli SOF è molto accurata: vengono inviati ad una velocità nominale di uno ogni ± millisecondi. Per dispositivi con trasferimenti periodici di dati il frame rappresenta il «quantum» elementare di tempo per le opportunità di ricevere o trasmettere. Alla fine di ogni frame, si forza un tempo di quiescenza pari a quello di 48 bit, o 6 byte (6B). È quello che si chiama banda di guardia End Of Frame (EOF), ed il suo scopo è assicurare che il controller possa generare un SOF appropriato, o fare in modo che gli hub possano controllare ed eventualmente disbilitare qualsiasi dispositivo che stia «balbettando» (trasmettendo quando non dovrebbe) sul bus. Le specifiche dell USB permettono che la temporizzazione dei frame sia sincronizzata ad una sorgente esterna al PC. Per esempio una applicazione USB telefonica potrebbe richiedere una sincronizzazione con la rete telefonica PSTN (Public Switched Telephone Network). Altri 16 bit vengono forniti per questo scopo. La combinazione assieme di SOF, banda di guardia EOF, e bit per la sincronizzazione rappresentano un sovraccarico di circa 112 bit (14B) su (1500B) in un frame di un millisecondo, cioè meno dell 1%. 4.4 Protocollo di comunicazione Tutti i trasferimenti sul bus sono iniziati dall host che provvede, con un opportuno algoritmo di scheduling, ad eseguire un polling delle periferiche presenti. L interrogazione dei dispositivi avviene inviando sul bus un pacchetto (token) che contiene la direzione del trasferimento dati richiesto dall host al device o viceversa) e l indirizzo della periferica chiamata in causa. Al pacchetto di token segue l eventuale pacchetto dati ed infine la transazione si conclude con l invio di un pacchetto di handshake. Gli indirizzi delle periferiche vengono assegnati dinamicamente dall host, con un processo detto enumerazione. Il protocollo prevede vari meccanismi di protezione e recupero nel caso di situazione di errore. Illustrazione 5: Frame USB e struttura del pacchetto Comunicazione sul BUS USB 8

9 4.4.1 Tipi di pacchetti L USB usa quattro tipi di pacchetti come unità basilari delle transazioni: «SOF», «token», «data» e «handshake». Ogni pacchetto è preceduto da 8 bit per la sincronizzazione, finisce con un delimitatore End Of Packet (EOP) di tre bit, ed è seguito da uno stacco temporale lungo circa il tempo di 13 bit utile a separare i pacchetti. Ogni pacchetto include un Packet ID (PID) di 8 bit. Un pacchetto SOF è lungo 24 bit, e include il PID, 11 bit per il numero del frame, e 5 bit per il cyclic redundancy check (CRC). Anche un pacchetto «token» è lungo 3 byte, ed è usato dal controller dell host per passare il controllo ad ogni «endpoint» di un dispositivo. Dandogli così l opportunità di trasmettere dati o informazioni di stato. Un pachetto di dati ha sempre un pid ed un CRC di 16 bit, e trasporta una parte di dati, la cui lunghezza può variare, dipendente dal tipo di trasferimento. Un pacchetto di handshake comprende solo uno PID ed è perciò lungo 8 bit. Si usa per riferire lo stato di un trasferimento dati di qualsiasi tipo fuorché isocrono Allocazione di banda e scheduling dei frame Nel sistema USB l allocazione di banda e lo scheduling dei frame vengono fatti in maniera relativamente statica per i dispositivi che richiedono un accesso garantito, e dinamicamente per dispositivi con carichi di dati che variano nel tempo. Dei diversi tipi di trasferimenti (che descriveremo nella prossima sezione), due (isocrono e interrupt) identificano la quantità di accesso di cui avranno bisogno appena sono inseriti nel bus. Il sistema tiene conto della schedulazione dei frame e, prima di inserire un dispositivo nella schedulazione, decide se la richiesta di accesso di quel dispositivo e la larghezza di banda possono essere soddisfatte. La schedulazione dei frame riserva il 10% del tempo disponibile (corrispondente a 1200 bit) che non deve essere allocato per dispositivi isocroni o di interrupt, ma si riserva per qualsiasi trasferimento di controllo; quel che rimane, più il tempo che non è stato allocato per dispositivi ad accesso garantito, è disponibile per trasferimenti di dati «bulk». 4.5 Tipi di trasferimento Nelle specifiche dell USB sono definiti quattro tipi di trasferimento di informazione: «control», «interrupt», «bulk» ed «isocrono». Indipendentemente dal tipo, ogni trasferimento sull USB è sempre controllato dal PC host, ed ha luogo tra il software client dell host ed un «endpoint» di un dispositivo, che può essere una sorgente di informazione o un pozzo. Ogni tipo di trasferimento ha delle proprie esigenze di latenza, temporizzazione, direzione, accesso, grandezza della parte utile («payload») del pacchetto per il trasferimento di dati, e tolleranza sugli errori (error /retry). Comunicazione sul BUS USB 9

10 4.5.1 Control transfer I trasferimenti di controllo sono usati generalmente dal software dell host per configurare un dispositivo quando viene connesso, e per comunicare le informazioni di configurazione e lo stato specifici del dispositivo. Questi trasferimenti possono avvenire in entrambe le direzioni ed hanno un accesso «primario» nonché il requisito di trasmissione dei dati senza alcun errore (cioè i dati vengono mantenuti da chi trasmette e si ripete la trasmissione se è necessario finché non c è alcun errore). La grandezza dei pacchetti può essere di 8, 16, 32 o 64 byte (dispositivi a bassa velocità sono limitati a solo 8 bit). Ogni pacchetto di controllo ad alta velocità porta 14 byte di carico in più («overhead») per il protocollo di transazione. Il 10% del tempo di ogni frame è riservato ai trasferimenti di controllo che aspettano in una coda di attesa, cosicché fino a 29 dei pacchetti da 8 byte possono essere trasmessi nel tempo di un frame da 1 millisecondo in presenza di traffico di altro tipo. Se la coda di attesa è abbastanza lunga da rappresentare più del 10% di un frame, e c è dell altro spazio disponibile nel frame non usato da trasferimenti di tipo interrupt o isocroni, allora il controller può sfruttare questo spazio anche per trasferimenti di controllo Interrupt transfer Questo genere di trasferimenti viene usato per inviare dati che, dal dispositivo, siano di quantità modesta, intermittenti o non periodici. Si impone che il software dell host impieghi un ritardo massimo non superabile («bounded latency») per riconoscere la richiesta di un servizio da parte dell apparecchio. Ad esempio tastiera, mouse e joystick sono dispositivi che utilizzano l interrupt transfer. Questo tipo di trasferimento avviene sempre dal dispositivo all host, ed hanno luogo solo quando il controller dell host ne dà l opportunità ad un interrupt endpoint e questo ha qualcosa da trasmettere. Le opportunità di trasmettere si basano su una schedulazione negoziata dal dispositivo col controller dell host durante la configurazione iniziale, e spaziano da 1 per ogni frame ad 1 ogni 255 frame. L overhead dovuto al protocollo della transazione è pari al tempo di 14 byte per ogni interrupt transfer ad alta velocità, mentre il payload (la parte con le informazioni da trasportare) è limitato a 64 byte o meno (8B o meno per dispositivi a bassa velocità) e, così come per il control transfer, la trasmissione si ripete sinché non si è certi che sia andata a buon fine. I trasferimenti di tipo interrupt e di tipo isocrono sono considerati «periodici», e condividono un allocazione del tempo del frame che non superi il 90%. Comunicazione sul BUS USB 10

11 4.5.3 Bulk transfer Sono trasferimenti di grandi quantità di dati che avvengono in maniera non continua («bursty»), non ammettono la perdita di dati, e possono tollerare un ritardo variabile (ma ragionevole) tra un trasferimento e il successivo. La comunicazione di dati via rete e l immagazzinamento dati sono un esempio di applicazioni che usano il bulk transfer. Solo i dispositivi ad alta velocità possono usare questo tipo di trasferimento, e possono scegliere tra dimensioni del payload di 8, 16, 32 o 64 byte. L overhead dovuto al protocollo della transazione per ogni pacchetto è di 14 byte. I dati di tipo Bulk possono fluire in entrambe le direzioni: «IN» verso l host o «OUT» verso il dispositivo; è necessario stabilire un endpoint per ogni direzione. Se si verifica un errore nella trasmissione, il bulk transfer viene ripetuto sinché non va a buon fine o viene abbandonato dall applicazione client. L accesso consentito per i trasferimenti bulk è stabilito su base «as available» («per quanto è possibile»); non v è modo per un endpoint bulk di riservare una parte del tempo di un frame. Se ci sono diversi trasferimenti bulk che stanno aspettando, il controller dell host li schedula secondo una politica di «equo accesso». Il numero massimo di transazioni bulk possibili con un payload di 8 byte è di 71 per ogni frame, il che porta ad avere 568 byte di dati utili in un frame di un millisecondo, o 568 KBps (4544 Mbps). Se si usa un payload da 64 byte, e non c è competizione per l uso della banda dispondibile da parte di dispositivi a trasferimento periodico, ci possono essere fino a 19 transazioni, cioè 1216 byte per frame, o 1,216 Mbps (9,728 Mbps). Va inoltre notato che le implementazioni del controller dell host differiscono nella possibilità di garantire trasferimenti bulk multipli al medesimo dispositivo all interno di un frame Trasferimento isocrono I trasferimenti isocroni sono caratterizzati da un flusso continuo di informazioni con una dipendenza temporale interna ed una scarsa tolleranza al ritardo o alla variazione del ritardo. In questo tipo di trasferimento la ridondanza dell informazione è assai comune, cosicché è spesso possibile sacrificare parte dei dati pur di avere un accesso garantito e delle specifiche di ritardo limitate. Esempi di dati isocroni includono dati audio, telefonia, video. Come per i trasferimenti bulk, ogni endpoint isocrono deve essere «full speed» e può essere configurato sia in direzione «IN» sia in direzione «OUT»; quindi una funzione bidirezionale rechiederà l uso di due endpoint. Durante la configurazione, un endpoint isocrono specifica il throughput continuo di cui avrà bisogno. Il controller dell host determina se vi è abbastanza banda disponibile per soddisfare la richiesta; se così è, il dispositivo è accettato sul bus, altrimenti deve rimanere nello stato di configurazione oppure, se ne è capace, può richiedere meno banda. Come regola generale, i dispositivi dovrebbero richiedere il minimo di risorse necessarie al corretto funzionamento, in modo tale da permettere di collegare il maggior numero possibile di periferiche. Come già detto, il 90% della larghezza di banda del bus può essere allocata a vantaggio dei trasferimenti di tipo periodico (isocroni e di tipo interrupt). Comunicazione sul BUS USB 11

12 L overhead del protocollo dei pacchetti isocroni è di 10 byte per ogni OUT e 11 per ogni IN. Il numero massimo di trasferimenti isocroni che possono coesistere in un frame con un payload di 1 byte è di 150, il che ci farebbe raggiungere un throughput di dati utili di 150 Kbps (1200 Kbps). La massima efficienza del bus si ha quando 20 diverse transazioni da 64B utilizzano l 85.3% della banda disponibile, raggiungendo 1.28 Mbps (10.24 Mbps). Un singolo dispositivo può ottenere il massimo throughput usando un payload di 1023 byte per la sua unica transazione possibile, il che ci porterebbe a 1023 Mbps (8184 Mbps). Comunicazione sul BUS USB 12

13 5 Appendice A Nel seguito sono riportate le principali specifiche tecniche per USB 1.1 e USB 2.0 e una tabella di confronto sulle velocità di comunicazione di USB, rispetto ad altri BUS. USB 1.1: Velocità di trasmissione dei dati: 1.5 Mbps per la versione 1.0 Velocità di trasmissione dei dati: 12 Mbps per la versione 1.1 Supporta fino a 127 dispositivi Capacità di collegamento "a caldo" Trasferimento dati isocrono e asincrono Lunghezza dei cavi fino a 5 metri Capacità di alimentazione/distribuzione elettrica incorporata per i dispositivi a basso consumo energetico USB 2.0: Tutte le funzionalità comprese nello standard USB 1.0 e 1.1 Completamente compatibile all'indietro con USB 1.0 e 1.1 Disponibile in due versioni: USB e Hi-Speed USB Velocità di trasmissione pari a 12-Mbps per USB e 480 Mbps per Hi-Speed USB Tutte le periferiche funzionano alla loro velocità massima, invece che alla velocità della periferica più lenta Collaudato a un livello più alto rispetto allo standard USB 1.0/1.1 in modo da risultare più affidabile Velocità dei bus: Tipo di collegamento Velocità trasferimento in Mbit/s Porta seriale 0.92 Porta parallela standard 0.92 USB 1.0/ USB Porta parallela ECP 24 IEEE1394 (Firewire) 400 Hi-Speed USB Appendice A 13