1. USB- Universal Serial Bus
רקע היסטורי
מהירויות עבודה: LS FS HS
USB לעומת RS232 .
מבנה פיזי: הדקי הקו, זיהוי התקן
מבנה הנתונים: העברה טרנזקציה חבילה
תהליכי אתחול ו Enumeration
סוגי drivers
קרדיט: המצגת מבוססת על הספר
תכן התקני USB2.0
מאת ד"ר גל בן-דוד

2. USB- רקע היסטורי 1995 – גרסה ראשונה 1.0 1998- גרסה 1.1 נתמכת Win 95 .
LS=Low Speed- 1.5 Mbps
FS=Full Speed- 12 Mbps
2000- גרסה 2.0
High speed-480 Mbps
היום- גרסה 3.0

3. USB- לעומת RS232
USB מהיר יותר, מתאים לעבודה של מחשב מול מס' רב של התקנים על BUS אחד. מחברים מהירים.
RS232 תקשורת מנקודה לנקודה.
USB – מבנה שכבתי עד לרמת היישום, כולל מנגנוני תיקון וניהול. מצריך מערכת הפעלה במחשב.
RS232 – רמה פיזית בלבד .

4. USB סוגי התקנים 2 סוגי התקנים פריפריאלים: HUB ו Function Host Root Hub
Keyboard
Disk
HUB
Speaker
Printer

5. USB ניהול הספק ניהול הספק Power Management: אספקה עצמית
אספקה דרך הקו :
Vbus≥4.35V 100mA , (500mA after negotiation)
500uA in suspend mode מצב השעיה.
ניתוק אספקה בתקלה.

6. USB מבנה פיזי שיטת קידוד: NRZI עם bit stuffing קו בן 4 תילים: מס' פין
צבע תיל
שם האות
הסבר 1
אדום
Vbus
מתח נומינלי 5V 2
לבן D-
סיגנל (מינוס) 3
ירוק D+
סיגנל (פלוס) 4
שחור
Ground
אדמה

7. USB מחברים בצד המחשב מחבר נקבה סוג A בצד ההתקן סוג B
סוגי מחברים משמאל לימין:
Micro-B plug, ExtUSB plug (HTC proprietary variant), Mini-B plug (5-pin),
Standard-A receptacle, Standard-A plug, Standard-B plug.
בעת חיבור התקן הדקי המתח מתחברים לפני הדקי הנתונים

8. זיהוי התקן device בצד ה host (מחשב) או ה hub יש 2 נגדי pull-down .
כאשר ההתקן לא מחובר אז DP=DM= 0V .
בצד ההתקן יש נגד pull-up ולכן DP=3.3V ו DM=0V.
כאשר ההתקן מתחבר השינוי במתח מזוהה במחשב.
המחשב מאלץ 0V ב DP DM לפרק זמן קצר 10msec לצורך reset .
המחשב שולח להתקן כתובת ברירת מחדל 0. ובהמשך Enumeration
3.3V
1.5 Kohms
HOST DP
15 Kohms DP DM DM
15 Kohms
ב LS הנגד מחובר ל DM
ב FS הנגד מחובר ל DP
Device

9. זיהוי LS FS FS LS Name D- D+ SEO L K J Diff0 H Diff1 לא חוקי
ה HOST מזהה את מהירות ההתקן ( DEVICE )
ע"י זיהוי מצבי המוליכים ע"פ הטבלה להלן:
מצב נתק נקרא SEO Signal ended o
מצב IDLE נקרא J State. מצב הפוך נקרא K State
המחשב בודק את מצב האותות:
מצב Diff 1 מצביע על התקן FS
מצב Diff 0 מצביע על התקן LS. FS LS
Name D- D+
SEO L K J
Diff0 H
Diff1
לא חוקי

10. USB טופולוגיה לכל התקן מוקצית כתובת ייחודית לו. רמה פיזית רמה לוגית
Dok
@: 3
HOST
Hub
@: 2
Root Hub
@: 1
Mouse
@: 4
Keyboard
@: 6
IP phone
@: 5
USB cable
רמה לוגית
Root Hub
@: 1
A driver has no information on the topology of the physical network
HOST
Hub
@: 2
HUB Driver
Dok
@: 3
Mouse
@: 4
IP phone
@: 5
MSD Driver
Audio Driver
HID Driver
Keyboard
@: 6
Logical link

11. Pipes צינורות PIPE הוא קשר לוגי בין נקודת הקצה בהתקן לבין המחשב
Hub
Mouse
Disk On Key
Control Transfer
Bulk IN Transfer
Bulk OUT Transfer
Ep0
Ep1
Ep2
Device Address 3
Iso IN Transfer
Iso OUT Transfer
Interrupt IN Transfer
Ep3
Device Address 4
IP Phone
Device Address 5
Device Address 2
Host
Logical Pipe
נקודת קצה endpoint מתייחסת לקבוצת אוגרים נפרדת בהתקן שמקבלת כתובת נפרדת.
התקני FS : עד 30 נקודות קצה התקני LS מוגבלים ל 2 נקודות קצה

12. צינורות במסגרת לכל התקן יש מס' נקודות קצה endpoints - EPs.
כל נקודת קצה מקושרת דרך צינור לוגי עם המחשב HOST
כל צינור לוגי logical pipe מאופיין ע"י:
מס' ההתקן
מס' נקודת הקצה
סוג העברה transfer
מסגרת FRAME היא פרק זמן של 1msec שבו מועברות חבילות בצינורות בין המחשב לבין נקודות הקצה.
חלוקת הזמן בין ה Epנעשית לפי סדר עדיפויות ביניהם.
A 1ms USB Frame
SOF
@6EP1
@5EP0
@6EP2

13. מבנה של העברה Transfer Transfer Device Control Bulk Iso Int
Device address
Handles
Offers
Control
Bulk
Iso
Int
Pipe/Endpoint
Endpoint number
Endpoint type 2+ 1+ 1+ 1+
Transaction
Token pkt
Data pkt
Handshake pkt

14. סוגי העברה
סוגי העברה:
Control: configuration/command/status type communication
Bulk: large amounts of data at highly variable times
Isochronous: constant-rate, error tolerant transfers
Interrupt: send or receive data infrequently but with bounded service periods

15. מאפיינים של טרנזקציה Transaction סוגים: IN OUT SETUP
Host based token polling
תקשורת בין המחשב להתקן Half Duplex
חסינותHandshake : CRC protection
מו"מ לקביעת רוחב פס והשהייה.
ניהול בקרת זרימה בחוצצים של ההתקן
ההתקן לא שולח פסיקות.

16. טרנזקציות בהעברה העברה transfer מורכבת מטרנזקציה אחת או יותר לדוגמא:
דוגמא להעברה מסוג bulk וטרנזקציה אחת:
Setup Stage
Data Stage
Status Stage

17. מבנה של טרנזקציה (1) טרנזקציה מורכבת מ 3 מנות/חבילות packets .
Token – אסימון המכיל כתובת התקן, מס' נקודת קצה, וסוג העברה.
Data – נתונים
Handshake – אישור קבלת המנות.
Token
Data Transfer
Handshake

18. מבנה של טרנזקציה (2) Endpoint Address Device Address PID Host Token
Data
Device
Handshake

19. טרזקציות במסגרת כל העברה נעשית במסגרת בחלון זמן של 1 msec .
המחשב שולח מנה Start Of Frame (SOF) Packet בראשית כל מסגרת.
הטרנזקציות מרובבות במסגרת אחת או יותר.
SOF @5 @3 @6
SOF @5 @6 @6
SOF @5 @2
SOF
Time
A 1ms USB Frame

20. חבילת SOF מסגרת הזמן של 1msec מחולקת בין ההתקנים
החבילה הפותחת: SOF-Start Of Frame
חבילת SOF שמשודרת במסגרות רק להתקני FS
כל חבילה מכילה מס' סידורי
החבילה ללא כתובת ספציפית
חבילת SOF

21. הקצאת זמן במסגרת
ה host מקצה קטע זמן קבוע לכל העברה מסוג Isochronous ו Interrupt .
ה host מקצה קטע זמן להעברה מסוג Control .
יתרת הזמן מוקצית להעברה מסוג Bulk .
ה host רשאי לסרב לבקשה של התקן להעביר כמות גדולה של נתונים בהעברה מסוג isochronous
התקן כזה אמור להציע תצורות נוספות.
Variable width
Valible width
Fixed width
Control transfers
Iso + Interrupt transfer
Bulk transfer

22. העברת בקרה Control transfer
The device is not ready…
The device does not
acknowledge the transaction
The host retries…
The device has
Acknowledged the transaction

23. רוחב פס- Bandwidth
תיאורטית- עד 1216 bytes למסגרת לנקודת קצה מעשית- עד 950 bytes
1ms frame

24. תרחישי Handshake מהות התרחיש מענה ההתקן תקלה הדורשת התערבות משתמש
STALL
ה Token- נתקבל בצורה שגויה (PID או CRC )
לא עונה
פנייה להתקן בזמן שאין לו נתונים לשידור
NAK

25. Enumeration תהליך הקצאת כתובת ותצורה
ההתקן מחובר ל HUB או למחשב.
המחשב מזהה אביזר חדש
המחשב ממתין ומבצע RESET
המחשב מבצע קריאה ראשונה של Device Descriptor
המחשב מעניק כתובת ייחודית להתקן
המחשב מבצע קריאה שנייה של Device Descriptor
המחשב מבצע קריאות נוספות על מנת ללמוד על ההתקן
המחשב בודק האם הוא יכול לשרת ההתקן
טעינת Driver
ה- Driver מפעיל את ההתקן

26. מיספור Enumeration תהליך הקצאת הכתובת וקביעת התצורה בהתקן Host Hub
Device
Attached
Powered
Default
Addressed
Configured
Connect Cable
Status Change
Query Change
Port Enable
Reset Device
Get Device Descriptor via default Pipe and Address
Assign a Unique Address
Read all Configuration Information
Configure and Assign Configuration Value

27. מאפייני ההתקן Descriptors
נתונים בהודעות מיוחדות שמאפשרות ל host ללמוד על ההתקן.
סוגי Descriptors :
Device descriptors
Configuration descriptors
Interface descriptors
Endpoint descriptors

28. USB class drivers
הסטנדרט מסווג את הדרייברים במערכת ההפעלה WIN או LINUX לפי סוגי התקנים:
Audio (רמקולים....)
HID ( מקלדת, עכבר )
Mass Storage ( DOK )
Printer
Smart Card CCID
Communication Data

29. רכיבי ה driver בהתקן ה Device descriptor משמש לבחירת ה driver ב host
USB Device driver API
Power Management
Attach/ Detach Processing
Status & Control
Control Protocol
Standard Requests
Class Requests
Vendor Requests
Endpoint Data
Transfer Protocols Bulk In/Out
Isochronous In/Out
Interrupt In/Out
Pull-Up Resistor
Clock Registers
USB Controller Registers
Endpoint FIFO Registers
ה Device descriptor משמש לבחירת ה driver ב host

30. FX2 56-pin Package Simplified Block Diagram
EZ-USB FX2
רכיב חומרה התומך בפרוטוקול USB
ממיר פס טורי USB לבין פס מקבילי.
קצב Full Speed (12 Mbits/sec) and High Speed (480 Mbits/sec)
FX2 56-pin Package Simplified Block Diagram