Интерфейс USB (Universal Serial Bus - Универсальный Последовательный Интерфейс) предназначен для подключения периферийных устройств к персональному компьютеру. Позволяет производить обмен информацией с периферийными устройствами на трех скоростях (спецификация USB 2.0 ):

• Низкая скорость (Low Speed - LS) - 1,5 Мбит/с;
• Полная скорость (Full Speed - FS) - 12 Мбит/с;
• Высокая скорость (High Speed - HS) - 480 Мбит/с.

Для подключения периферийных устройств используется 4-жильный кабель: питание +5 В, сигнальные провода D+ и D- , общий провод.
Интерфейс USB соединяет между собой хост (host ) и устройства. Хост находится внутри персонального компьютера и управляет работой всего интерфейса. Для того, чтобы к одному порту USB можно было подключать более одного устройства, применяются хабы (hub - устройство, обеспечивающее подключение к интерфейсу других устройств). Корневой хаб (root hub ) находится внутри компьютера и подключен непосредственно к хосту. В интерфейсе USB используется специальный термин "функция" - это логически законченное устройств, выполняющее какую-либо специфическую функцию. Топология интерфейса USB представляет собой набор из 7 уровней (tier ): на первом уровне находится хост и корневой хаб, а на последнем - только функции. Устройство, в состав которого входит хаб и одна или несколько функций, называется составным (compaund device ).
Порт хаба или функции, подключаемый к хабу более высокого уровня, называется восходящим портом (upstream port ), а порт хаба, подключаемый к хабу более низкого уровня или к функции называется нисходящим портом (downstream port ).
Все передачи данных по интерфейсу иницируются хостом. Данные передаются в виде пакетов. В интерфейсе USB испольуется несколько разновидностей пакетов:

• пакет-признак (token paket ) описывает тип и направление передачи данных, адрес устройства и порядковый номер конечной точки (КТ - адресуемая часть USB-устройства); пакет-признаки бывают нескольких типов: IN , OUT , SOF , SETUP ;
• пакет с данными (data packet ) содержит передаваемые данные;
• пакет согласования (handshake packet ) предназначен для сообщения о результатах пересылки данных; пакеты согасования бывают нескольких типов: ACK , NAK , STALL .

Таким образом каждая транзакция состоит из трех фаз: фаза передачи пакета-признака, фаза передачи данных и фаза согласования.
В интерфейсе USB используются несколько типов пересылок информации.

• Управляющая пересылка (control transfer ) используется для конфигурации устройства, а также для других специфических для конкретного устройства целей.
• Потоковая пересылка (bulk transfer ) используется для передачи относительно большого объема информации.
• Пересылка с прерыванием (iterrupt transfer ) испольуется для передачи относительно небольшого объема информации, для которого важна своевременная его пересылка. Имеет ограниченную длительность и повышенный приоритет относительно других типов пересылок.
• Изохронная пересылка (isochronous transfer ) также называется потоковой пересылкой реального времени. Информация, передаваемая в такой пересылке, требует реального масштаба времени при ее создании, пересылке и приеме.

Потоковые пересылки характеризуются гарантированной безошибочной передачей данных между хостом и функцией посредством обнаружения ошибок при передаче и повторного запроса информации.
Когда хост становится готовым принимать данные от функции, он в фазе передачи пакета-признака посылает функции IN -пакет. В ответ на это функция в фазе передачи данных передает хосту пакет с данными или, если она не может сделать этого, передает NAK - или STALL -пакет. NAK -пакет сообщает о временной неготовности функции передавать данные, а STALL -пакет сообщает о необходимости вмешательства хоста. Если хост успешно получил данные, то он в фазе согласования посылает функции ACK
Когда хост становится готовым передавать данные, он посылает функции OUT -пакет, сопровождаемый пакетом с данными. Если функция успешно получила данные, он отсылает хосту ACK -пакет, в противном случае отсылается NAK- или STALL -пакет.
Управляющие пересылки содержат не менее двух стадий: Setup-стадия и статусная стадия . Между ними может также располагаться стадия передачи данных . Setup-стадия используется для выполнения SETUP-транзакции , в процессе которой пересылается информация в управляющую КТ функции. SETUP-транзакция содержит SETUP -пакет, пакет с данным и пакет согласования. Если пакет с данными получен функцией успешно, то она отсылает хосту ACK -пакет. В противном случае транзакция завершается.
В стадии передачи данных управляющие пересылки содержат одну или несколько IN- или OUT- транзакций, принцип передачи которых такой же, как и в потоковых пересылках. Все транзакции в стадии передачи данных должны производиться в одном направлении.
В статусной стадии производится последняя транзакция, которая использует те же принципы, что и в потоковых пересылках. Направление этой транзакции противоположно тому, которое использовалось в стадии передачи данных. Статусная стадия служит для сообщения о результате выполнения SETUP-стадии и стадии передачи данных. Статусная информация всегда передается от функции к хосту. При управляющей записи (Control Write Transfer ) статусная информация передается в фазе передачи данных статусной стадии транзакции. При управляющем чтении (Control Read Transfer ) статусная информация возвращается в фазе согласовании статусной стадии транзакции, после того как хост отправит пакет данных нулевой длины в предыдущей фазе передачи данных.
Пересылки с прерыванием могут содержать IN - или OUT -пересылки. При получении IN -пакета функция может вернуть пакет с данными, NAK -пакет или STALL -пакет. Если у функции нет информации, для которой требуется прерывание, то в фазе передачи данных функция возвращает NAK -пакет. Если работа КТ с прерыванием приостановлена, то функция возвращает STALL -пакет. При необходимости прерывания функция возвращает необходимую информацию в фазе передачи данных. Если хост успешно получил данные, то он посылает ACK -пакет. В противном случае согласующий пакет хостом не посылается.
Изохронные транзакции содержат фазу передачи признака и фазу передачи данных , но не имеют фазы согласования . Хост отсылает IN - или OUT -признак, после чего в фазе передачи данных КТ (для IN -признака) или хост (для OUT -признака) пересылает данные. Изохронные транзакции не поддерживают фазу согласования и повторные посылки данных в случае возникновения ошибок.

В связи с тем, что в интерфейсе USB реализован сложный протокол обмена информацией, в устройстве сопряжения с интерфейсом USB необходим микропроцессорный блок, обеспечивающий поддержку протокола. Поэтому основным вариантом при разработке устройства сопряжения является применение микроконтроллера, который будет обеспечивать поддержку протокола обмена. В настоящее время все основные производители микроконтроллеров выпускают продукцию, имеющую в своем составе блок USB.

Фирма-производитель Наименование Описание Atmel AT43301 Контроллер LS/FS-хаба 1-4 с общим управлением питанием нисходящих портов. AT43312A Контроллер LS/FS-хаба 1-4 с индивидуальным управлением питанием нисходящих портов. AT43320A Микроконтроллер на ядре AVR. Имеет встроенные USB-функцию и хаб с 4 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 512 байт ОЗУ, 32х8 регистров общего назначения, 32 программируемых вывода, последовательный и SPI-интерфейсы. Функция имеет 3 КТ с буферами FIFO размером 8 байт. Для нисходящих портов хаба предусмотрено индивидуальное управление питанием. AT43321 Контроллер клавиатуры на ядре AVR. Имеет встроенные USB-функцию и хаб с 4 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 512 байт ОЗУ, 16 кбайт ПЗУ, 32х8 регистров общего назначения, 20 программируемых вывода, последовательный и SPI-интерфейсы. Функция имеет 3 КТ. Для нисходящих портов хаба предусмотрено индивидуальное управление питанием. AT43324 Микроконтроллер на ядре AVR. Имеет встроенные USB-функцию и хаб с 2 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 512 байт ОЗУ, 16 кбайт ПЗУ, 32х8 регистров общего назначения, 34 программируемых вывода. Клавиатурная матрица может иметь размер 18х8. Контроллер имеет 4 выхода для подключения светодиодов. Функция имеет 3 КТ. Для нисходящих портов хаба предусмотрено индивидуальное управление питанием. AT43355 Микроконтроллер на ядре AVR. Имеет встроенные USB-функцию и хаб с 2 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 1 кбайт ОЗУ, 24 кбайт ПЗУ, 32х8 регистров общего назначения, 27 программируемых выводов, последовательный и SPI-интерфейсы, 12-канальный 10-разрядный АЦП. Функция имеет 1 управлющую КТ и 3 программируемых КТ с буферами FIFO размером 64/64/8 байт. Fairchild Semiconductor USB100 Контроллер манипуляторов (мышь, трекбол, джойстик). Поддерживает 2D/3D-мышь, джойстик с тремя потенциометрами, манипулятор с 16 кнопками. Intel 8x931Ax Микроконтроллер с архитектурой MSC-51. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режимах, 256 байт ОЗУ, 0/8 кбайт ПЗУ, 8х4 регистра общего назначения, 32 программируемых вывода, последовательный интерфейс, интерфейс управления клавиатурой. Функция имеет 3 КТ с буферами FIFO размером 8/16/8 байт. 8x931Hx Микроконтроллер с архитектурой MSC-51. Имеет встроенную USB-функцию и хаб с 4 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 256 байт ОЗУ, 0/8 кбайт ПЗУ, 8х4 регистра общего назначения, 32программируемых вывода, последовательный интерфейс, интерфейс управления клавиатурой. Функция имеет 3 КТ с буферами FIFO размером 8/16/8 байт. 8x930Ax Микроконтроллер с архитектурой MSC-251. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режимах, 1024 байта ОЗУ, 0/8/16 кбайт ПЗУ, 40 регистров общего назначения, 32 программируемых вывода, последовательный интерфейс. Функция имеет 4(6) КТ с буферами FIFO размером 16/1024(256)/16(32)/16(32)/(32)/(16) байт. 8x930Hx Микроконтроллер с архитектурой MSC-251. Имеет встроенную USB-функцию и хаб с 4 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 1024 байта ОЗУ, 0/8/16 кбайт ПЗУ, 40 регистров общего назначения, 32 программируемых вывода, последовательный интерфейс. Функция имеет 4 КТ с буферами FIFO размером 16/1024/16/16 байт. Microchip PIC16C745 Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS-режиме, 256 байт ОЗУ, 14336 байт ПЗУ, 22 программируемых вывода, последовательный интерфейс, 5-канальный 8-битный АЦП. PIC16C765 Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS-режиме, 256 байт ОЗУ, 14336 байт ПЗУ, 33 программируемых вывода, последовательный интерфейс, 8-канальный 8-битный АЦП. PIC18F2450 Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режиме, 1536 байт ОЗУ, 16384 байт ПЗУ, 19 программируемых выводов, последовательный и SPI-интерфейсы, 5-канальный 10-битный АЦП. Функция имеет 8 КТ. PIC18F2550 Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режиме, 1536 байт ОЗУ, 32768 байт ПЗУ, 19 программируемых выводов, последовательный, CAN- и SPI-интерфейсы, 5-канальный 10-битный АЦП. Функция имеет 8 КТ. PIC18F4450 Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режиме, 1536 байт ОЗУ, 16384 байт ПЗУ, 34 программируемых вывода, последовательный, CAN- и SPI-интерфейсы, 8-канальный 10-битный АЦП. Функция имеет 8 КТ. PIC18F4550 Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режиме, 1536 байт ОЗУ, 32768 байт ПЗУ, 34 программируемых вывода, последовательный, CAN- и SPI-интерфейсы, 8-канальный 10-битный АЦП. Функция имеет 8 КТ. Texas Instruments TUSB2036 Контроллер LS/FS-хаба 1-3 с индивидуальным управлением питанием нисходящих портов.

Сегодняшняя статья будет посвящена, как уже видно из названия, обсуждению основ интерфейса USB . Рассмотрим основные понятия, структуру интерфейса, разберемся, как происходит передача данных, а в ближайшем будущем реализуем все это на практике 😉 Короче, приступаем!

Существует ряд различных спецификаций USB . Началось все с USB 1.0 и USB 1.1 , затем интерфейс эволюционировал в USB 2.0 , относительно недавно появилась окончательная спецификация USB 3.0 . Но на данный момент наиболее распространенной является реализация USB 2. 0.

Ну и для начала основные моменты и характеристики. USB 2.0 поддерживает три режима работы:

• High Speed – до 480 Мб/с
• Full Speed – до 12 Мб/с
• Low Speed – до 1.5 Мб/с

Командует на шине USB хост (например, ПК), к которому можно подключить до 127 различных устройств. Если этого мало, то нужно добавить еще один хост. Причем немаловажно, что устройство не может само послать/принять данные хосту/от хоста, необходимо, чтобы хост сам обратился к устройству.

Почти во всех статьях про USB , которые я видел используется термин “конечная точка “, но о том, что это такое обычно написано довольно туманно. Так вот, конечная точка – это часть устройства USB , имеющая свой уникальный идентификатор. Каждое устройство USB может иметь несколько конечных точек. По большому счету – конечная точка – это всего лишь область памяти USB устройства, в которой могут храниться какие-либо данные (буфер данных). И в итоге мы получаем вот что – каждое устройство имеет свой уникальный адрес на шине USB , и при этом каждая конечная точка этого устройства имеет свой номер. Вот так вот)

Давайте немного отвлечемся и поговорим о “железной части” интерфейса.

Существуют два типа коннекторов – Type A и Type B.

Как уже понятно из рисунка Type A всегда обращен к хосту. Именно такие разъемы мы видим на компьютерах и ноутбуках. Коннекторы Type B всегда относятся к подключаемым USB-устройствам. Кабель USB состоит из 4 проводов разных цветов. Ну, собственно, красный – это питание (+5 В), черный – земля, белый и зеленый предназначены для передачи данных.

Помимо изображенных на рисунке, существуют также другие варианты исполнения USB-коннекторов, например, mini-USB и другие, ну это вы и так знаете 😉

Наверно стоит немного коснуться способа передачи данных, но углубляться в это не будем) Итак, при передаче данных по шине USB используется принцип кодирования NRZI (без возврата к нулю с инверсией). Для передачи логической “1” необходимо повысить уровень линии D+ выше +2.8 В, а уровень линии D- надо понизить ниже +0.3 В. Для передачи нуля ситуация противоположная – (D- > 2.8 В) и (D+ < 0.3 В).

Отдельно стоит обсудить питание устройств USB . И тут также возможно несколько вариантов.

Во-первых устройства могут питаться от шины, тогда их можно разделить на два класса:

• Low-power
• High-power

Разница тут заключается в том, что low-power устройства не могут потреблять больше, чем 100 мА . А устройства high-power должны потреблять не более 100 мА лишь на этапе конфигурации. После того, как они сконфигурированы хостом их потребление может составлять до 500 мА .

Кроме того, устройства могут иметь свой собственный источник питания. В этом случае они могут получать до 100 мА от шины, а все остальное забирать у своего источника)

С этим вроде бы все, давайте потихоньку переходить к структуре передаваемых данных. Все-таки это представляет для нас наибольший интерес 😉

Вся информация передается кадрами , которые отправляются через равные промежутки времени. В свою очередь каждый кадр состоит из транзакций . Вот, пожалуй, так будет нагляднее:

Каждый кадр включает в себя пакет , затем следуют транзакции для разных конечных точек, ну и завершается все это пакетом EOF (End Of Frame). Если говорить совсем точно, то EOF – это не совсем пакет в привычном понимании этого слова – это интервал времени, в течение которого обмен данными запрещен.

Каждая транзакция имеет следующий вид:

Первый пакет (его называют Token пакет ) содержит в себе информацию об адресе устройства USB , а также о номере конечной точки, которой предназначена эта транзакция. Кроме того, в этом пакете хранится информация о типе транзакции (какие бывают типы мы еще обсудим, но чуть позже =)). – с ним все понятно, это данные, которые передают хост, либо конечная точка (зависит от типа транзакции). Последний пакет – Status – предназначен для проверки успешности получения данных.

Уже очень много раз прозвучало слово “пакет” применительно к интерфейсу USB , так что пора разобраться что он из себя представляет. Начнем с пакета Token :

Пакеты Token бывают трех типов:

• Setup

Вот к чему я это рассказал..) В зависимости от типа пакета значение поля PID в Token пакете может принимать следующие значения:

• Token пакет типа OUT – PID = 0001
• Token пакет типа IN – PID = 1001
• Token пакет типа SETUP – PID = 1101
• Token пакет типа SOF – PID = 0101

Переходим к следующей составной части пакета Token – поля Address и Endpoint – в них содержатся адрес USB устройства и номер конечной точки , которой предназначена транзакция .

Ну и поле CRC – это контрольная сумма, с этим понятно.

Тут есть еще один важный момент. PID включает в себя 4 бита, но при передаче они дополняются еще 4-мя битами, которые получаются путем инвертирования первых 4-ых бит.

Итак, на очереди – то есть пакет данных.

Тут все в принципе так же, как и в пакете Token , только вместо адреса устройства и номера конечной точки здесь у нас передаваемые данные.

Осталось нам рассмотреть Status пакеты и пакеты SOF :

Тут PID может принимать всего лишь два значения:

• Пакет принят корректно – PID = 0010
• Ошибка при приеме пакета – PID = 1010

И, наконец, пакеты:

Здесь видим новое поле Frame – оно содержит в себе номер передаваемого кадра.

Давайте в качестве примера рассмотрим процесс записи данных в USB-устройство. То есть рассмотрим пример структуры кадра записи.

Кадр, как вы помните состоит из транзакций и имеет следующий вид:

Что представляют из себя все эти транзакции? Сейчас разберемся! Транзакция SETUP :

Транзакция OUT :

Аналогично при чтении данных из USB-устройства кадр выглядит так:

Транзакцию SETUP мы уже видели, посмотрим на транзакцию IN 😉

Как видите, все эти транзакции имеют такую структуру, как мы обсуждали выше)

В общем, думаю достаточно на сегодня 😉 Довольно-таки длинная статья получилась, надеюсь в ближайшее время попробуем реализовать интерфейс USB на практике!

• Tutorial

Иллюстрированная проекция модели сетевого взаимодействия OSI на универсальную последовательную шину.

Три «замечательных» уровня стека USB

Меня не устроил вид стека USB, который можно встретить чаще всего на просторах сети:

Не сильно полезный стек USB

Уровень шины, логический, функциональный… Это, конечно, замечательные абстракции, но они скорее для тех, кто собирается делать драйвер или прикладной софт для хоста. На стороне же микроконтроллера я ожидаю шаблонный конечный автомат, в узлы которого мы обычно встраиваем свой полезный код, и он сперва будет по всем законам жанра глючить. Или же глючить будет софт на хосте. Или драйвер. В любом случае кто-то будет глючить. В библиотеках МК тоже с наскока не разобраться. И вот я смотрю на трафик по шине USB анализатором, где происходящие события на незнакомом языке с тремя замечательными уровнями вообще не вяжутся. Интересно, это у меня от гриппозной лихорадки в голове такой диссонанс?

Если у читателя бывали сходные ощущения, предлагаю альтернативное, явившееся мне неожиданно ясно в перегретом мозгу видение стека USB, по мотивам любимой 7-уровневой модели OSI. Я ограничился пятью уровнями:

Я не хочу сказать, что весь софт и библиотеки уже сделаны или должны проектироваться, исходя из этой модели. Из инженерных соображений код c уровнями будет сильно перемешан. Но я хочу помочь тем, кто начинает своё знакомство с шиной USB, кто хочет понять протоколы обмена устройств и терминологию предметной области, подобраться поближе к готовым примерам, библиотекам и лучше ориентироваться в них. Эта модель не для загрузки в МК, но в ваши блестящие умы, дорогие друзья. А ваши золотые руки потом всё сами сделают, я не сомневаюсь:)

Итак, поехали, поправляйте, если увидите косяки. Это draft-версия, и если уже такое где-то было нарисовано, прошу простить, я не нашёл и потому скрутил сам. Думаю, картинка никуда не убежит, а я пока объясню почтенной публике, зачем вообще взялся за эту публикацию.

Очередной флэшбэк из девяностых

Свой первый баг из чужого кода я вытряхнул в конце девяностых, будучи студентом на подработках. Это был pppd под FreeBSD, который мы тогда прикрутили на модемный пул. Мотороловские модемы залипали в отбое, дозвониться никто не мог, линия пропадала зазря, и единственный оставшийся способ через PPP keep-alive почему-то глючил. Вот тогда я и выяснил, что pppd зачем-то ждёт шесть ответных байтов LCP вместо положенных четырёх. Почувствовал я себя тогда эдаким лихим жукотрясом из девяностых:-) При чём тут PPP? Просто он на USB похож: пакетный и двухточечный. Правда, в отличие от USB 2.0, полнодуплексный.

Хотим мы этого или нет, но эволюция микроконтроллеров на месте стоять явно не собирается. Нет, нет, да и мелькнёт в публикациях (http://habrahabr.ru/post/208026/ , http://habrahabr.ru/post/233391/) «тяжёлая периферия» - вмонтированные в МК реализации шины USB, с разборами примеров, использованием HID и т.п. Надо воздать должное автору RaJa : из восьми примеров, приведённых в стандартной библиотеке STSW-STM32121 (UM0424) и кое-как , он выбрал самый полезный (Custom HID), портировал его в бесплатную среду Em::Blocks, изложил понятным языком, немного приукрасил, браво! Это сэкономило мне уйму времени.

Как пройти в библиотеку?

Получив на GitHub любезно выложенный автором проект RHIDDemo для Em::Blocks, я начал портировать его в Keil (мой отладчик CoLink на базе FTDI; кто-нибудь, подскажите плагин от Coocox для Em::Blocks). Но никак не мог понять: где, чёрт возьми, автор раздобыл SPL 3.6.1 выпуска 2012г, если на сайте выложен 3.5.0 от 2011г? Я прошёл довольно скучный квест, который к моему удивлению привёл… прямо на готовый проект Custom HID для Keil в составе библиотеки USB FS 4.0.0. Лежит у всех на виду, как мышь под веником. Ну и ладно. Зато я раскурил, наконец, релизы STMicroelectronics, нашёл описание библиотеки USB FS STSW-STM32121 (UM0424) и пресёк попытки разработчика свести меня с ума. Вот скажите, это нормально подкладывать винтажный CMSIS 1.30 образца 2009г в набор SPL 3.5.0 выпуска 2011г, новый SPL 3.6.1 релиза 2012г прятать в USB-FS 4.0.0 релиза 2013г (подложив туда же и CMSIS 3.0.1 от 2012г), при том, что у них же выложена актуальная версия CMSIS 3.30 релиза 2014г? Кстати, в SPL 3.6.x для STM32F10X исправили пару багов с USART, касающихся сигналов о переполнении буфера. Спасибо, хоть release notes оставили…

HID vs SNMP

Итак, взявшись за STM32F103C8T6, я тоже решил слегка задвинуться по теме USB HID, уж больно хорошо абстракция USB HID укладывается в концепцию всяческих датчиков, сенсоров и прочих ШИМ-управляемых драйверов питания. Чем-то напомнило мне SNMP, только в сильно упрощённом виде: дескрипторы HID играют роль SNMP MIB. Когда устройство инициализируется хостом: «Привет, хост! Я кофеварка. У меня есть кнопка [старт], регуляторы [сливки], [сахар], датчики [остаток кофе], [остаток воды], [остаток сахара], [остаток сливок]. Подтягивай драйвера, дави на кнопку, кофейку попьём». Ничего не напоминает? Пример диалога по SNMP: «Ну, привет, управляющая станция с софтом за $100000. А я шасси коммутатора за $200000, и на мне сидят ещё 4 модуля по $100000 за штуку; в каждом ещё по 16 портов с неприличной скоростью, и всех функций тут просто не перечислить… спрашивай отдельно по каждому пункту; ах, да загрузка процессора такая-то, памяти столько-то…». И ещё на дюжину страниц в таком же духе.

Понравилась мне идея HID. Но стоило выйти из Windows за рамки учебных задач мигания светодиодами (вперёд к реальным окружениям UNIX!), как начало сквозить из всех незаделанных щелей , и я почувствовал себя каким-то беспомощным ламером. Отлаживая проект, я инстинктивно схватился за некое подобие tcpdump (так и называется: usbdump(8) , или usbmon), но увидел лишь сообщения на незнакомом языке.

Стало очевидно: не хватает фундаментальных знаний о шине USB. Если модель OSI и стек TCP/IP любой тёртый айтишник осознаёт где-то на уровне спинного мозга просто в силу необходимости, то с USB ситуация другая. Оно и понятно: там можно (нужно) подсмотреть трафик через тот же tcpdump да настроить железо с софтом, а тут полный plug and play, и исправить что-то можно, обновив драйвер или прошивку (или переустановив ОС). Но ведь мы тут с вами собрались как раз за тем, чтобы делать хорошие прошивки, не так ли? Почитав некоторые описания USB в сети, я был удивлён, насколько запутанной может быть документация. У меня даже возникло ощущение, что нас специально хотят сбить с пути истинного, напустив туману и избавившись от конкуренции в зародыше. Я не согласен с таким положением вещей!

Ещё одна замечательная схема

На просторах сети встретил ещё такую иллюстрацию (лежало в формате BMP, без шуток):

Сперва выглядит оптимистично. Наконец-то, стек в разобранном виде. Кадры, правда, обозначены неудачно: я бы нарисовал их вертикальными пунктирными линиями, а EOF - это просто пауза, реально данные не передаются. Но начинаем читать контекст и теряем понимаем истинный замысел автора (запутать нас):

Хост-контроллер интерфейса шины USB формирует кадры ;
Кадры передаются последовательной передачей бит по методу NRZI.

И вот ещё:

каждый кадр состоит из наиболее приоритетных посылок , состав которых формирует драйвер хоста;
каждая передача состоит из одной или нескольких транзакций;
каждая транзакция состоит из пакетов ;
каждый пакет состоит из идентификатора пакета, данных (если они есть) и контрольной суммы.

Вроде бы и нарисовано всё правильно, но по мере прочтения вопросов становится всё больше. Минимальная передаваемая структура данных по шине - это кадр или пакет? Вообще, это сверху вниз надо смотреть или наоборот? И что кодируется по методу NRZI - кадры, пакеты или просто весь битовый поток по шине? Из транзакций состоит посылка, передача, или, может быть, ценная бандероль какая?
Почему нельзя просто: хост группирует пакеты в транзакции и распределяет их по временным квантам, именуемым кадрами, чтобы давать приоритет критичным по времени данным (видео, аудио) исходя из текущей пропускной способности шины? Да, в USB есть нюансы с планированием передачи пакетов, я их пока не затрагиваю.

Моё видение стека USB

Хорошей документацией считаю упоминавшийся тут на хабре USB in a NutShell (ура, перевод), а также USB Made Simple . По ним я и собрал свою версию стека USB, нарисую её ещё раз.

Физический уровень

На физическом уровне используется набор электрических режимов дифференциальной пары проводников (вместе с землёй) для обозначения состояний, с помощью которых кодируется битовый поток по методу NRZI со вставкой битов (bit stuffing): здесь после шести идущих подряд «1» (ну захотелось передать, скажем, 0xffff) вставляется «0», чтобы приёмник подолгу не залипал в одном состоянии; приёмник узна ет вставленный «0» и как данные не засчитает, это довольно распространённый приём в кодировании для лучшей автоподстройки частот. Пара проводов вместе с землёй даёт возможность сформировать, как минимум, четыре статических состояния (они обозначаются J, K, SE0, SE1). В USB 2.0 SE1 не используется, а три оставшихся дополнительно разыгрываются в динамике (с часами и переходами) для передачи ещё нескольких управляющих символов (границы пакетов, сброс, подключение/отключение, энергосбережение/выход). Хорошие иллюстрации есть в USB Made Simple, Part 3 - Data Flow .
Т.е. в итоге передаются данные в виде ноликов и единичек, плюс всякие управляющие символы, чтобы можно было из всей этой электродинамической кухни готовить нормальные пакеты данных.
(дополнено по просьбе читателей)

Пакетный уровень

На пакетном уровне между хостом и устройством передаются безадресные пакеты (пара устройств на полудуплексной линии может обойтись и без адресации). Пакет состоит из маркера SYNC для синхронизации тактов приёмника, последовательности байт и символа EOP. Длина пакета переменная, но оговаривается через верхние уровни стека. Первый байт называется Packet Identifier (PID), имеет простой избыточный формат для помехоустойчивости и пригоден для скармливания автомату следующего уровня (для сборки транзакций из пакетов). Пакеты с начинкой (длиннее одного байта PID) снабжаются контрольной суммой (короткой CRC5 или длинной CRC16, в зависимости от типа пакета). Анализатор протоколов должен, как минимум, показывать нам пакеты.

Уровень транзакций

На следующем уровне из пакетов собираются транзакции . Транзакция - это малый набор пакетов (в Full Speed USB 1, 2 или 3), следующих строго друг за другом, которыми (в полудуплексном режиме) хост обменивается с оконечной точкой (endpoint), и только с одной. Очень важно, что транзакцию открывает только хост, это специфика USB (нам в прошивке МК меньше мороки). На уровне транзакций можно говорить о канале (pipe) между хостом и одной из оконечных точек устройства, но я намеренно избегаю термина «канальный уровень» (Data Link) из модели OSI. Анализатор протоколов должен хотя бы декодировать транзакции.

Уровень передач

Поверх транзакций расположим уровень передач (transfers). Их в USB используется четыре типа: контрольные с оконечной точкой №0 (control transfers), передачи с прерываниями (interrupt transfers), изохронные (isochronous transfers) и крупноблочные передачи (bulk transfers). Последние три являются вариантами потоковых каналов (stream pipe), про которые я ещё скажу несколько слов. Этот уровень тоже должен отобразить хороший анализатор протоколов.

Прикладной уровень

Венчает стек, как обычно, прикладной уровень. Здесь происходят: установка адреса устройству хостом, рассказ устройства о себе на языке дескрипторов, команды хоста на выбор конфигурации (контрольные передачи), обмен данными с HID-устройствами (в примерах пока нашёл передачу с прерываниями, хочу попробовать контрольную), печать на принтере и сканирование, доступ к накопителю USB (крупноблочные), общение через гарнитуры и веб-камеры (изохронные) и многие другие замечательные вещи.

Последний штрих

Сбежав на секунду вниз по уровням, можно добавить, что хост периодически вбрасывает по шине те самые пакеты Start of Frame (SOF), разбивая время на равные интервалы, но так, чтобы не разбить при этом сами транзакции. Поэтому пакеты SOF можно считать самостоятельными транзакциями. Не следует путать кадр (фрейм) USB с омонимом канального уровня модели OSI. Лучше уж вспомнить кадры (фреймы) аудио CD, это просто квант времени: хост «тикает» в шину пакетами SOF, чтобы подключённые устройства заранее планировали участие в т.н. изохронных передачах , гоняющих потоки данных в реальном времени. Ну или вот так: группы транзакций планируются хостом по временным интервалам, именуемым кадрами. Кадр составляет 1мс на Full Speed и 125мкс на High Speed USB, но High Speed - более сложный стандарт, его лучше изучать отдельно.
UPD:
Хороший вопрос задали читатели: а как насчёт фрагментации? Я не нашёл в USB 2.0 признаков фрагментации на уровне транзакций и ниже, т.е. транзакции для того и есть, чтобы передаваться целиком. Передачи же в ряде случаев могут и должны разбиваться на несколько транзакций, особенно с учётом изохронных режимов. И я повторю, что всем планированием у нас пока заведует хост (на стороне МК меньше думать приходится).

Смотрим на трафик по USB

Хорошая подборка иллюстраций есть в упомянутой книжке USB Made Simple, глава 5: www.usbmadesimple.co.uk/ums_5.htm

Вот одна из них

Итак, транзакция всегда инициируется хостом в отношении одной выбранной оконечной точки на устройстве (помимо специальной точки с номером 0, их может быть ещё до 15 штук на одном устройстве, например, комбинированная клавиатура с мышью, термометром, флэшкой, кофеваркой и кнопкой вызова сантехника заказа пиццы).
В случае приёма хостом данных с устройства последнее не может само открыть транзакцию, но может только дождаться нужного момента и поучаствовать в ней. Хост открывает транзакцию устройству пакетом с PID = IN (группа Token) и гарантирует на нужное время свободу шины, устройство вбрасывает пакет из группы Data, в зависимости от типа транзакции хост может подтвердить успех третьим пакетом из группы Handshake (ACK, NAK, STALL, NYET), транзакция закрыта.
При отправке данных на устройство (PID = OUT, группа Token) хост открывает транзакцию, отправляет пакет с данными (Data), также в зависимости от режима может принять пакет Handshake с подтверждением успешности транзакции.
По окончании транзакции всё вернётся на круги своя, устройство снова будет ждать управляющих пакетов от хоста.

Режимы передачи USB в примерах STM32 USB FS

Чтобы по одной паре проводов можно было гнать копирование с диска одновременно с аудио-видео потоком, жестами мышью и сигналом скоростного осциллографа, существуют разные типы сообщений и передач.
Чуть выше я только что описал простой потоковый канал (Stream Pipe) между хостом и оконечной точкой, где пакеты с начинкой (группы Data) не несут никакой специальной или управляющей информации самой подсистеме USB. Полная свобода переписки, библиотека контроллера должны предоставлять примитивы для закачки буфера произвольного размера из памяти МК хосту или обратно. Нарезкой на пакеты, пересылкой и «дефрагментацией» пусть занимаются библиотека МК на пару с драйвером хоста. В STM32 это USB_SIL_Write() и USB_SIL_Read(), описаны в UM0424. Они и есть тот самый логический уровень абстракции. На стороне хоста см. описание соответствующего драйвера (например, во FreeBSD это ugen(4)).
Однако использовать тяжёлую периферию вроде USB для организации простого потокового канала я считаю кощунством (спрашивается: чем USART не угодил?). Но ситуации, конечно, бывают всякие.
В любом случае, чтобы подсистема USB вообще ожила и устройство определилось, требуется обмен контрольными транзакциями.

DISCLAIMER

Дальше будут упоминаться примеры из той самой библиотеки UM0424 для работы с Full Speed USB от STMicroelectronics, но они рассчитаны под их родные демоплаты. Берите пример с автора Raja , проявляйте инженерную смекалку в адаптации проектов под свою демоплату.

По софту всё понятно: это примеры не для промышленного использования, там могут быть баги, некоторые части (типа таблицы ссылок в примере Mass storage) защищены патентом, и вы не имеете прав их использовать в коммерческом проекте. Но это ещё ничего, китайцы ухитряются потом продавать на рынке USB-изделия, у которых даже библиотечные VID и PID не удосужились поменять.

По железу, как я понял, надо начинать с кварца. У меня челябинский PinBoard II с кварцем 12Мгц (все библиотеки заточены под 8МГц), я менял умножитель ФАПЧ с 9 на 6 (ссылка с разъяснениями), иначе МК разгонится до 108МГц вместо 72МГц, а USB на 72МГц вместо положенных 48МГц вообще не поедет. Можно ещё сбавить обороты МК до 48МГц, поменяв делитель шины USB с полутора до единицы. Использовать внутренний генератор МК HSI спецы не любят : частота может слегка уплыть от нагрева, последствия для USB предсказать затрудняюсь. Ну и не забываем о периферии, конечно. Без флэш-памяти SPI/SDIO из примера Mass storage можно сделать разве что аналог /dev/null, но его ведь хрен отформатируешь:-)

Контрольные передачи и каналы сообщений

Думая про USB, вспоминаю добрый старый протокол PPP с его LCP , IPCP , CCP и ещё хзCP . Обмен хоста с оконечной точкой №0 сообщениями особого вида и есть местный эквивалент xзCP.
Через контрольные передачи устройство инициализируется, получает адрес, рассказывает о себе хосту на языке дескрипторов (чтобы тот подыскал и активировал нужный драйвер). Без контрольных операций не «поедут» и простые потоковые передачи, если устройство не ответит по форме, хост поскорее заглушит порт: протокол надо соблюдать.
В принципе, протокол не запрещает повесить на контрольную точку №0 и обмен данными, аналогично режиму с прерываниями. Заодно задумайтесь: как будете обновлять прошивку МК, так сказать, в полевых условиях? Программатор наготове держать? Есть и другое решение.
Пример: Device firmware upgrade

Передачи с прерываниями

Эта разновидность (interrupt transfer ) предназначена для обмена небольшими транзакциями, сходными с контрольными. Нет, устройство не может прерывать хоста, оно ждёт опроса, их частота и размеры пакетов оговариваются заранее в дескрипторе устройства. Хорошо подходят для всевозможных пультов, датчиков, сенсоров, мышек, светодиодов и прочих HID-кофеварок. Канал с прерываниями каждой точки однонаправленный.
Примеры: Custom HID , Joystick mouse , Virtual COM port

Передачи изохронные

Χρόνος по-гречески значит «время». Изохронная передача (isochronous transfer ) - местный хайтек, позволяющий управлять потоками данных в реальном времени. Отличается гарантированной (но необязательно широкой) полосой пропускания и отсутствием подтверждающих транзакций, почти как UDP с QoS. Битый пакет? Это бог Хронос толкнул МК по ноге. Не надо пытаться отправить пакет заново, иначе бог огорчится. Контрольные суммы, тем не менее, проверяем втихую от Хроноса. Изохронные передачи хороши для аудио-видео и измерительных систем реального времени, а также прочих игрушек двойного назначения . Хотя на некоторые из них м.б. интереснее повесить какой-нибудь AVR, связав его с нашим ARM по USART или SPI. Изохронные операции участвуют во фреймовой сигнализации (вспомним про тиканье пакетом SOF).
Пример: USB voice speaker

Передачи крупноблочные

Нет, мешки с цементом таскать не будем. Я думаю, все узнали режим работы всевозможных накопителей USB. Передачи bulk transfer имеют цель отправить данных как можно больше и быстрее, обязательно с пересылкой битых пакетов, но без гарантий по полосе пропускания, уступая её изохронным передачам при необходимости (как в TCP без QoS). О внутреннем устройстве USB флэшек я как-то уже рассказывал , теперь можно скачать и запустить действующий прототип. Я сам его не пробовал, но таблица команд SCSI в описании примера (как-бы, между прочим) весьма символизирует. Признаков алгоритма управления износом для NAND-памяти я не нашёл:-)
ВНИМАНИЕ: местами действует патентная защита STM.
Пример: Mass storage

Что осталось нераскрытым

Я не имею цель сделать ещё один учебник по USB, их и без меня хватает, и там хорошо описаны: электрическая часть, подробности протоколов, работа с концентраторами, дескрипторный язык и уровень абстракции HID, проблемы с уникальностью VID/PID, USB 3.0 и многие другие замечательные возможности шины USB, как полезные нам, так и не очень. Айтишникам особо рекомендую экскурсию на тёмную сторону с обзором вражеских девайсов (флэшка с замаскированной HID-клавиатурой, которая будет делать страшные вещи).

Ссылки

Адаптация примера Custom HID к бесплатной среде Em::Blocks и бюджетной демо-плате STM32F103C8T6 производства LC-Tech Промэлектронщики и Айтишники . Это своего рода инженерный Инь и Ян, в каждом из нас есть доля того и другого.

Промэлектронщики имеют блестящие знания и навыки по железу, паяют радиодетали толщиной с волос левой рукой с закрытыми глазами (причём потом это работает). Взглянув на электронную схему, почти физически начинают ощущать все её токи с потенциалами, работают также и с силовыми схемами, и с (большими, быстрыми, опасными) промышленными изделиями. Подход к программированию МК соответствующий: он просто должен выдать нужные логические уровни на нужные ножки в нужное время, не столь важно каким способом. Консервативны в технологиях (не влезай - работает), тяжёлую периферию МК не особо жалуют. При обсуждении объектно-ориентированного программирования, информационной безопасности, гигантских проектов в миллион строк кода и всяких навороченных графических интерфейсов скучнеют. Вместо пакетно-ориентированной шины USB предпочитают потоковый режим USART, усиленный либо привычным RS-232, либо более брутальным RS-485 (последовательная шина для промышленных применений, до 10Мбит/с на 15м, до 100кБит/с на 1200м, до 32 устройств).

Айтишники воспитаны на понимании операционных систем, сетевой инфраструктуры и сложных взаимодействий, элита хорошо подкована в информационной безопасности и разбирается во всяких незримых способах проникновения в чужую систему. Некоторые при этом очень любят котиков (ну как их можно не любить? я, правда, не держу, не развожу и не готовлю:-). Многие любят свободу информации, ругать корпорации/правительства и побеждать силы природы усилием мысли. Паталогически ленивы, но обожают новые технологии и закрученные инженерные ребусы с дорогими игрушками (желательно решаемые на уровне софта или, в крайнем случае, перемычек). Отношения с паяльником настороженные: не спрашивайте у айтишника, любит ли он паяльник, может неправильно понять; лучше спросите, любит ли он паять электронные схемы.

К чему я? Мы просто видим этот мир по-разному… Ведь ядро Linux кроили такие же ребята, из модулей на С и ассемблерных вставок для конкретных платформ, и без холиваров вроде обошлись. По-настоящему серьёзный проект я вижу как многоядерную систему, сочетающую современнейшие МК с тяжёлой периферией, но не исключаю связки с классическими моделями типа AVR: ими можно обвесить какие-нибудь критичные быстровращающиеся острия технического прогресса. Если код проверенный годами, то почему нет?

Добавить метки

USB (Universal Serial Bus - «универсальная последовательная шина») - последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. Для подключения используется 4-х проводный кабель, при этом два провода используются для приёма и передачи данных, а 2 провода - для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания.

Основные сведения о USB

Кабель USB состоит из 4 медных проводников - 2 проводника питания и 2 проводника данных в витой паре, и заземленной оплётки (экрана). Кабели USB имеют физически разные наконечники «к устройству» и «к хосту». Возможна реализация USB устройства без кабеля, со встроенным в корпус наконечником «к хосту». Возможно и неразъёмное встраивание кабеля в устройство (например, USB-клавиатура, Web-камера, USB-мышь) , хотя стандарт запрещает это для устройств full и high speed.

Шина USB строго ориентирована, т. е. имеет понятие «главное устройство» (хост, он же USB контроллер, обычно встроен в микросхему южного моста на материнской плате) и «периферийные устройства».

Устройства могут получать питание +5 В от шины, но могут и требовать внешний источник питания. Поддерживается и дежурный режим для устройств и разветвителей по команде с шины со снятием основного питания при сохранении дежурного питания и включением по команде с шины.

USB поддерживает «горячее» подключение и отключение устройств . Это возможно благодаря увеличения длинны проводника заземляющего контакта по отношению к сигнальным. При подключении разъёма USB первыми замыкаются заземляющие контакты , потенциалы корпусов двух устройств становятся равны и дальнейшее соединение сигнальных проводников не приводит к перенапряжениям, даже если устройства питаются от разных фаз силовой трёхфазной сети.

На логическом уровне устройство USB поддерживает транзакции приема и передачи данных. Каждый пакет каждой транзакции содержит в себе номер оконечной точки (endpoint) на устройстве. При подключении устройства драйверы в ядре ОС читают с устройства список оконечных точек и создают управляющие структуры данных для общения с каждой оконечной точкой устройства. Совокупность оконечной точки и структур данных в ядре ОС называется каналом (pipe) .

Оконечные точки , а значит, и каналы, относятся к одному из 4 классов:

• поточный (bulk),
• управляющий (control),
• изохронный (isoch),
• прерывание (interrupt).

Низкоскоростные устройства, такие, как мышь, не могут иметь изохронные и поточные каналы .

Управляющий канал предназначен для обмена с устройством короткими пакетами «вопрос-ответ». Любое устройство имеет управляющий канал 0, который позволяет программному обеспечению ОС прочитать краткую информацию об устройстве, в том числе коды производителя и модели, используемые для выбора драйвера, и список других оконечных точек.

Канал прерывания позволяет доставлять короткие пакеты и в том, и в другом направлении, без получения на них ответа/подтверждения, но с гарантией времени доставки - пакет будет доставлен не позже, чем через N миллисекунд. Например, используется в устройствах ввода (клавиатуры, мыши или джойстики).

Изохронный канал позволяет доставлять пакеты без гарантии доставки и без ответов/подтверждений, но с гарантированной скоростью доставки в N пакетов на один период шины (1 КГц у low и full speed, 8 КГц у high speed). Используется для передачи аудио- и видеоинформации.

Поточный канал дает гарантию доставки каждого пакета, поддерживает автоматическую приостановку передачи данных по нежеланию устройства (переполнение или опустошение буфера), но не дает гарантий скорости и задержки доставки. Используется, например, в принтерах и сканерах.

Время шины делится на периоды, в начале периода контроллер передает всей шине пакет «начало периода». Далее в течение периода передаются пакеты прерываний, потом изохронные в требуемом количестве, в оставшееся время в периоде передаются управляющие пакеты и в последнюю очередь поточные.

Активной стороной шины всегда является контроллер, передача пакета данных от устройства к контроллеру реализована как короткий вопрос контроллера и длинный, содержащий данные, ответ устройства. Расписание движения пакетов для каждого периода шины создается совместным усилием аппаратуры контроллера и ПО драйвера, для этого многие контроллеры используют Прямой доступ к памяти DMA (Direct Memory Access ) - режим обмена данными между устройствами или же между устройством и основной памятью, без участия Центрального Процессора (ЦП). В результате скорость передачи увеличивается, так как данные не пересылаются в ЦП и обратно.

Размер пакета для оконечной точки есть вшитая в таблицу оконечных точек устройства константа, изменению не подлежит. Он выбирается разработчиком устройства из числа тех, что поддерживаются стандартом USB.

Технические характеристики USB

Возможности, достоинства и недостантки USB:

• Высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) - 12 Мб/с;
• Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 5 м;
• Низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) - 1.5 Мб/с;
• Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена - 3 м;
• Максимум подключенных устройств (включая размножители) - 127;
• Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена;
• Не нужно устанавливать дополнительных элементов, таких как терминаторы;
• Напряжение питания для периферийных устройств - 5 В;
• Максимальный ток потребления на одно устройство - 500 mA.

Сигналы USB передаются по двум проводам экранированного 4-хпроводного кабеля.

Распайка разъема USB 1.0 и USB 2.0

Тип А		Тип В
Вилка (на кабеле)	Розетка (на компьютере)	Вилка (на кабеле)	Розетка (на периферийном устройстве)

Названия и функциональные назначения выводов USB 1.0 и USB 2.0

Data (передача данных) 4 GND Ground (корпус)

Недостатки USB 2.0

Хоть максимальная скорость передачи данных USB 2.0 составляет 480 Мбит/с (60 Мбайт/с), в реальной жизни достичь таких скоростей нереально (~33,5 Мбайт/сек на практике). Это объясняется большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, шина FireWire , хотя и обладает меньшей пиковой пропускной способностью 400 Мбит/с, что на 80 Мбит/с (10 Мбайт/с) меньше, чем у USB 2.0, в реальности позволяет обеспечить бо́льшую пропускную способность для обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации. В связи с этим разнообразные мобильные накопители уже давно «упираются» в недостаточную практическую пропускную способность USB 2.0.

Обеспечивает обмен данными между хостом и устройством. На протокольном уровне решаются такие задачи, как обеспечение достоверности и надежности передачи, управление потоком. Весь трафик на шине USB передается посредством транзакций, в каждой транзакции возможен обмен только между хостом и адресуемым устройством (его конечной точкой).

Все транзакции (обмены) с устройствами USB состоят из двух-трех пакетов, типовые последовательности пакетов в транзакциях приведены на рис. 1. Каждая транзакция планируется и начинается по инициативе хост-контроллера, который посылает пакет-маркер транзакции (token packet). Маркер транзакции описывает тип и направление передачи, адрес выбранного устройства USB и номер конечной точки. Адресуемое маркером устройство распознает свой адрес и готовится к обмену. Источник данных, определенный маркером, передает пакет данных. На этом этапе транзакции, относящиеся к изохронным передачам, завершаются — здесь нет подтверждения приема пакетов. Для остальных типов передач работает механизм подтверждения, обеспечивающий гарантированную доставку данных. Форматы пакетов приведены на рис. 2, типы пакетов — в таблице. Во всех полях пакетов, кроме поля CRC, данные передаются младшим битом вперед (на временных диаграммах младший бит изображается слева). Пакет начинается с синхропоследовательности Sync и завершается признаком конца — EOP. Тип пакета определяется полем PID. Назначение остальных полей раскрывается далее. Длина полей Sync и EOP указана для передач на FS/LS, для высокоскоростных передач поле Sync удлинено до 32 битовых интервалов, а EOP до 8 (в пакетах SOF поле EOP имеет длину 40 бит).

Все принимаемые пакеты проверяются на наличие ошибок, что позволяют принятые форматы пакета и некоторые соглашения:

• пакет начинается с синхронизирующей последовательности, за которой следует его идентификатор PID (Packet Identificator). За идентификатором следует его инверсная копия — Check. Несовпадение двух копий считается признаком ошибки;
• тело пакета (все поля пакета, исключая PID и признак EOP) защищается CRCкодом: 5-битным для пакетов-маркеров, 16-битным — для пакетов данных. Несовпадение CRC с ожидаемым значением считается признаком ошибки;
• пакет завершается специальным сигналом EOP; если в пакете оказывается не целое число байт, он считается ошибочным. Ложный EOP, даже на границе байта, не позволит принять пакет из-за практически неизбежной в данной ситуации ошибки по CRC-контролю;
• на физический уровень (в шину) данные пакета передаются с использованием вставки бит (bit stuffing, после шести единичных бит вставляется нолик), что предотвращает потерю битовой синхронизации при монотонном сигнале. Прием более шести единичных бит подряд считается ошибкой (на HS — признаком конца кадра).

Обнаружение любой из перечисленных ошибок в пакете заставляет приемник считать его недействительным. На пакеты, принятые с ошибкой, ни устройство, ни хост-контроллер никак не отвечают. При изохронной передаче данные недействительного пакета должны просто игнорироваться (они теряются); для остальных типов передач используются средства обеспечения надежной доставки.

Для обнаружения отсутствия ответа партнера на пакет каждое устройство имеет счетчик тайм-аута, который прерывает ожидание ответа по истечении некоторого времени. В USB имеется ограничение на время оборота по шине (roundtrip time): время от конца EOP сформированного пакета до получения начала ответного пакета. Для конечного устройства (и хост-контроллера) нормируется максимальная задержка ответа (response time) от конца увиденного EOP до введения им начала пакета. Для хабов нормируется задержка трансляции пакетов, для кабелей — задержка распространения сигналов. Счетчик тайм-аута должен учитывать максимальную задержку, возможную для допустимой конфигурации шины: до 5 промежуточных хабов, до 5 метров каждый кабель. Допустимое значение тайм-аута, выражаемое в битовых интервалах (bt), зависит от скорости:

• для скоростей FS/LS задержка, вводимая одним кабельным сегментом, по сравнению с битовым интервалом (bt) невелика. Исходя из этого в USB 1.0 для расчета допустимых задержек принимается следующая модель. На каждый кабельный сегмент отводится допустимая задержка 30 нс, на хаб — 40 нс. Таким образом, пять промежуточных хабов со своими кабелями вносят во время двойного оборота задержку 700 нс, что на FS соответствует примерно 8,5 bt. Для FS-устройства задержка ответа не должна превышать 6,5 bt (а с учетом его кабеля — 7,5 bt). Исходя из этого спецификация предписывает передатчикам на FS использовать счетчик тайм-аута на 16-18 bt;
• на скорости HS задержка в кабельном сегменте много больше битового интервала, и в USB 2.0 модель расчета несколько иная. Здесь на каждый кабельный сегмент отводится по 26 нс, а на хаб — по 4 нс плюс 36 bt. Таким образом, двукратное прохождение 6 кабельных сегментов (2×6×26 = 312 нс ≈ 150 bt) и пять хабов (2×5×4 = 40 нс ≈ 19 bt плюс 2×5×36 = 360 bt) занимает до 529 bt. Задержка ответа устройства допустима до 192 bt, а полная задержка с учетом кабелей и хабов будет до 721 bt. Исходя из этого спецификация предписывает передатчикам на HS использовать счетчик тайм-аута на 736-816 bt.

У хост-контроллера с каждой конечной точкой всех устройств связан свой счетчик ошибок, обнуляемый при планировании каждой транзакции. Этот счетчик считает все протокольные ошибки (включая и ошибки по тайм-ауту), и если число ошибок превышает порог (3), то канал с данной конечной точкой останавливается, о чем уведомляется его владелец (драйвер устройства или USBD). До превышения порога хост отрабатывает ошибки для неизохронных передач попытками повтора транзакций, без уведомления клиентского ПО. Изохронные передачи не повторяются, об обнаружении ошибок хост сообщает сразу.

Для подтверждений приема, управления потоком и сигнализации ошибок используются пакеты квитирования (handshake packets). Из этих пакетов хост-контроллер может посылать устройству только пакет ACK, подтверждающий безошибочный прием пакета данных. Устройство для ответа хосту использует следующие пакеты квитирования:

ACK — подтверждение (положительное) успешного выполнения транзакции вывода или управления;
NAK — отрицательное подтверждение, является признаком неготовности устройства к выполнению данной транзакции (нет данных для передачи хосту, отсутствует место в буфере для приема, не завершена операция управления). Это является нормальным ответом, о котором не узнает никто, кроме хост-контроллера, вынужденного повторить данную транзакцию позже. В транзакциях ввода ответ NAK устройство дает вместо пакета данных, если они не готовы;
STALL — сообщение о серьезной ошибке, которое означает, что без специального программного вмешательства работа с данной конечной точкой становится невозможной. Этот ответ доводится до сведения и драйвера USBD, отменяющего дальнейшие транзакции с этой точкой, и до клиентского драйвера, от которого и ожидается программное вмешательство, разблокирующее точку. В управляющих транзакциях (Control) ответ STALL означает невыполнимость данного запроса; разблокирования точки при этом не требуется.

Управление потоком при выводе данных, основанное только на возможности ответа NAK в случае неготовности устройства, весьма неэффективно расходует пропускную способность шины: чтобы убедиться в неготовности устройства, по шине впустую передается большой пакет данных. В USB 2.0 этой неприятности в транзакциях Bulk-OUT и Control избегают, применив протокол проб (Ping Protocol). Хост может опросить готовность устройства к приему пакета максимального размера, послав ему маркер-пробник PING. На этот маркер устройство может ответить подтверждением ACK (при готовности) или NAK (если не способно принять пакет максимального размера). Отрицательный ответ заставит хост повторить пробу позже, положительный разрешит ему выполнить транзакцию вывода данных. На транзакцию вывода после положительного ответа на пробу ответы устройства более разнообразны:

• ACK означает успешный прием и готовность принять следующий полноразмерный пакет;
• NYET означает успешный прием, но неготовность к следующему пакету;
• NAK — неожиданный ответ (он противоречит успеху пробы), но он возможен, если устройство внезапно стало временно не готово.

Высокоскоростное устройство в дескрипторах конечных точек сообщает о возможной интенсивности посылок NAK: поле bInterval для конечных точек типа Bulk и Control указывает число микрокадров, приходящееся на один NAK (0 означает, что устройство никогда не ответит NAK’ом на транзакцию вывода).

Передачи массивов, прерываний и управления обеспечивают надежную доставку данных. После успешного приема пакета приемник данных посылает подтверждение — пакет квитирования ACK. Если приемник данных обнаружил ошибку, пакет игнорируется и никакого ответа на него не посылается. Источник данных считает, что очередной пакет передан успешно, когда получает от приемника подтверждение ACK. Если подтверждение не приходит, то в следующей транзакции источник повторяет посылку того же пакета. Однако пакет подтверждения может быть потерян из-за помехи; чтобы в этом случае повторная посылка пакета приемником не воспринималась как следующая порция данных, пакеты данных нумеруются. Нумерация ведется по модулю 2 (1-битный номер): пакеты делятся на четные (с идентификатором DATA0) и нечетные (DATA1). Для каждой конечной точки (кроме изохронных) у хоста и в устройстве имеются биты-переключатели (Toggle Bit), их начальные состояния тем или иным способом согласуются. В транзакциях IN и OUT передаются и ожидаются пакеты данных с идентификаторами DATA0 или DATA1, соответствующими текущему состоянию этих бит. Приемник данных переключает свой бит в случае безошибочного приема данных с ожидаемым идентификатором, источник данных — по приему подтверждения. Если приемник получает безошибочный пакет с неожидаемым идентификатором, он посылает подтверждение ACK, но данные пакета игнорирует, поскольку этот пакет — повторная посылка уже принятых данных.

Транзакции для различных типов передач имеют протокольные различия, обусловленные гарантированием или не гарантированием пропускной способности, времени отклика, надежности доставки и синхронизированности ввода и вывода. В зависимости от этих характеристик в транзакциях используются те или иные из вышеописанных протокольных механизмов. Отметим, что обнаружение ошибок передачи работает во всех транзакциях, так что данные, принятые с ошибкой, всегда игнорируются. Какие именно протокольные механизмы используются в текущей транзакции, «знает» и хост-контроллер (по ранее полученному дескриптору конечной точки), и устройство USB , в котором эта конечная точка реализована.

Изохронные транзакции обеспечивают гарантированную скорость обмена, но не обеспечивают надежности доставки. По этой причине в протоколе отсутствуют подтверждения, поскольку повтор пакета приведет к сбою в планах доставки данных. Управление потоком, основанное на подтверждениях, отсутствует — устройство обязано выдерживать темп обмена, заявленный в дескрипторе изохронной конечной точки.

Транзакции изохронного вывода состоят из двух пакетов, посылаемых хост-контроллером, — маркера OUT и пакета данных DATA. В транзакции ввода хост посылает маркер IN, на который устройство отвечает пакетом данных, возможно, и с нулевой длиной поля данных (если нет готовых данных). Любой другой ответ устройства (как и «молчание») хостом расценивается как ошибка, приводящая к остановке данного канала.

При изохронном обмене имеется контроль достоверности (отбрасывание пакетов с ошибками) и целостности данных (обнаружение факта пропажи пакета). Контроль целостности основан на строгой детерминированности темпа обмена — в соответствии со своим дескриптором точка ожидает транзакцию с периодом 2bInterval-1 микрокадров. Для обычной изохронной конечной точки в микрокадре возможна лишь одна транзакция, и ошибка при приеме пакета выражается в отсутствии принятых данных в микрокадре, в котором они ожидаются. Таким образом, нумерация пакетов (переключатель Toggle Bit) не требуется. Полноскоростные устройства и хостконтроллеры должны посылать пакеты только типа DATA01. Для широкополосных изохронных конечных точек (USB 2.0) в каждом микрокадре возможна передача до трех пакетов данных. Любой из этих пакетов может потеряться, и для обнаружения этой ситуации требуется нумерация пакетов внутри микрокадра. Для этой нумерации введено два новых типа пакетов данных: DATA2 и MDATA. Многообразие типов пакетов кроме нумерации позволяет еще и информировать партнера по связи о своих планах на данный микрокадр. В транзакциях IN идентификатором пакета устройство указывает, сколько еще пакетов оно собирается выдать в том же микрокадре, что позволяет хосту не делать лишних попыток ввода. Так, если в микрокадре передается один пакет, то это будет DATA0; если два — последовательность будет DATA1, DATA0; три — DATA2, DATA1, DATA0. В транзакциях OUT для вывода не последнего пакета в микрокадре используется пакет MDATA (More Data), а идентификатор последнего пакета показывает, сколько было до него передано пакетов. Так, при одной транзакции вывода используется пакет DATA0, при двух — последовательность MDATA, DATA1, при трех — MDATA, MDATA, DATA2. Во всех транзакциях, кроме последней в микрокадре, должны использоваться пакеты максимального размера. Отметим, что между широкополосными транзакциями в микрокадре могут вклиниваться другие транзакции.