Programação de Sistemas

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1 Programação de Sistemas USB Universal Serial Bus Programação de Sistemas USB: 1/32 Introdução (1) O USB foi definido por um consórcio de fabricantes de computadores e periféricos (Agere, Apple, Intel, Hewlett- Packard, Microsoft e NEC) por forma a permitir a ligação / retirada de periféricos sem desligar o computador. USB 1.0 [Jan 1996] com velocidades entre 1.5-LS ( Low Speed ) e 12 Mbps-NS ( Normal Speed ). USB 1.1 [Set 1998] resolve problemas USB 1.0 e define interface única. USB 2.0 [Abr 2000] velocidades até 480 Mbps-HS ( High Speed ) para multimedia. Aceita dispositivos USB 1.0. Disponibilizado no Kernel USB 3.0 [Nov 2008] full-duplex com velocidades até 4.8 Gbps-SS ( Super Speed ) para transferências massivas de dados. Não é um barramento ( bus ) clássico, existe apenas a nível lógico. Fisicamente necessita o estabelecimento de uma ligação ponto-a-ponto. Programação de Sistemas USB : 2/32

2 Introdução (2) Tem mecanismos de plug and play: o hospedeiro detecta que um dispositivo foi ligado e instala o respectivo driver. O USB adopta protocolo mestre/escravo ( master/slave ) Nenhum dispositivo inicia transferência por si próprio. O hospedeiro encarregue da maior complexidade no protocolo de transferência. Permite ligar até 127 periféricos a uma única porta do computador hospedeiro ( host ), numa topologia em estrela por camadas ( tier )-máximo 5. Para informação detalhada consultar Universal Serial Bus System Architecture, Don Anderson, Addison-Wesley. Programação de Sistemas USB : 3/32 Introdução (3) Interface Formato Max. número interfaces USB Série assíncrona Comparação entre interfaces Comp. máximo 127 5m (32m com 5 hubs) Vel. máxima (bits/sec.) 1.5M, 12M, 480M Uso típico Rato, teclado, disco, modem, audio RS-232 Série m 20k (115k com Modem, rato, assíncrona HW especial) instrumentação Centronics Paralelo 2 (8 com apoio daisy-chain) IEEE-1394 (FireWire) 3 10m 8M Impressoras, scanners, discos Série 64 5m 400M (3.2G com IEEE-1394b Vídeo, memória massa USB admite transferências de dados síncronas ou assíncronas. Diversos SOs suportam periféricos USB 2.0: Linux, Mac OS, Windows. Programação de Sistemas USB : 4/32

3 Arquitectura (1) O USB envolve 3 tipos de entidades: 1. Hospedeiro ( host ) Único, montado no barramento PCI do computador, inclui também o distribuidor raíz ( root hub ). Responsável pela complexidade do protocolo. Controla acesso dos dispositivos ao sistema USB. PCI bus Root Hub Hub (teclado) Hub (monitor) rato altifalantes Programação de Sistemas USB : 5/32 Arquitectura (2) 2. Distribuidor ( hub ) Um ou mais, permitem vários dispositivos serem ligados ao hospedeiro. Detecta ligação e retirada de dispositivos. Responsável pela detecção e correcção de erros. Gere energia entregue a dispositivos passivos. Um distribuidor possui um, ou mais, portos a ligar a outros dispositivos ou distribuidores. High Speed only Transaction Translator Hub Controller HS Signal Repeater Routing Logic Full/Low Speed Port Port Programação de Sistemas Port Port USB : 6/32

4 Arquitectura (3) 3. Dispositivo Um ou mais, igualmente designados por nós, é tudo que não seja hospedeiro (incluindo distribuidor). Os dispositivos USB não são mapeados no espaço de memória nem no espaço E/S e não usam canais IRQ nem DMA. Elevado número de periféricos com interface USB Ratos Memorystick, DOK-Disk On Key,... Webcam, câmaras fotográficas digitais... Programação de Sistemas USB : 7/32 Arquitectura (4) O comportamento dos dispositivos é representado por um autómato de 6 estados. Attached Estado Significado Attached Distribuidor assinalou inserção de dispositivo Powered Distribuidor configurado e operacional Default USB recebeu descritores do dispositivo Addressed USB atribuiu endereço ao dispositivo Configured USB verificou que dispositivo é endereçável Suspended Dispositivo em modo de poupança de energia Powered Default Addressed Configured Suspended Programação de Sistemas USB : 8/32

5 Arquitectura (5) No dispositivo USB, o software é dividido por 3 camadas ( layers ): L1: USB Bus Interface Transfere dados a baixo nível através de cabos USB. A comunicação física entre o hospedeiro e o dispositivo é definida por: i. Sinalização eléctrica ii. Mecanismos de transferência de pacotes. Programação de Sistemas USB : 9/32 Arquitectura (6) L2: USB Logical Device Implementa mecanismo de comunicação. No hospedeiro, a camada correspondente é constituída por: USBD ( USB Driver ) implementa serviços para a camada superior, aloca largura de banda no bus, gere processo de configuração. USB Host Controller Driver escala e controla as transacções. L3: Function Define a interface funcional do dispositivo. Programação de Sistemas USB : 10/32

6 Arquitectura (7) A cada dispositivo é atribuído um endereço único Rede física: Hospedeiro Root Rede lógica: Hospedeiro HUB driver MSD driver Audio driver HID driver IP Root IP Programação de Sistemas USB : 11/32 Modelo de comunicação (1) A. O modelo de comunicação do USB envolve 3 entidades: endpoints, interfaces e configurações. Dispositivo Config Interface Endpoint Endpoint Endpoint Interface Endpoint Endpoint USB driver Gestores de dispositivos ligados a interfaces Programação de Sistemas USB : 12/32

7 Modelo de comunicação (2) 1. Endpoints transportam dados numa direcção. Dispositivos lentos (rápidos) possuem 2 (até 16) endpoints. Possuem direcção de transferência de dados: OUT se dados transportados do hospedeiro para o dispositivo. IN se dados transportados do dispositivo para o hospedeiro. Existem 4 tipos de endpoints: CONTROL, para configurar o dispositivo ou recolha do estado. Todos os dispositivos possuem o endpoint de controlo 0, usado para configurar na inserção do dispositivo. INTERRUPT, para transferência de pequenas quantidades de dados (ex: ratos). BULK, para transferência fiável de elevadas quantidades de dados (ex: impressoras e memórias de massa). ISOCHRONOUS, para transferência não fiável de elevadas quantidades de dados (ex: dispositivos áudio e vídeo). Endpoints correspondem a tampões separados de comunicação. Programação de Sistemas USB : 13/32 Modelo de comunicação (3) A cada endpoint, o hospedeiro atribui um endereço único (endpoint de endereço 0 existe sempre, usado na instalação do dispositivo). 2. Interfaces agrupam os endpoints de uma conexão lógica. Alguns dispositivos podem ter mais de uma interface Exemplos: Altifalantes, com uma interface para os botões de controlo volume, balanço...- e outra interface para a stream de áudio). CDROM, com uma interface para armazém de dados, uma interface para stream de áudio, uma interface para stream de vídeo). 3. Configuration agrupa as interfaces. Alguns dispositivos podem ter mais de uma configuração, por exemplo uma com consumos energéticos elevado (entre 100mA e 500mA), outra com consumo reduzido (até 100mA, que limita as funcionalidades). Programação de Sistemas USB : 14/32

8 Modelo de comunicação (4) B. Pipes Um Pipe é uma associação entre um endpoint e o software do controlador do hospedeiro. Um pipe tem de ser estabelecido antes da transferência de dados. Programação de Sistemas USB : 15/32 L1:Sinalização eléctrica (1) A. Cabos VBUS: de valor nominal 5V para alimentação de dispositivos passivos. GND. D +, D - : 2 ligações (entrelaçadas para minimizar o ruído) para trasmissão diferencial de sinais. Os sinais referenciam o GND. Programação de Sistemas USB : 16/32

9 L1:Sinalização eléctrica (2) A. Fichas: dois tipos para evitar ciclos A, orientado do dispositivo para hospedeiro. B, orientados do hospedeiro para dispositivo. Nota1: definidas fichas mais pequenas mini-a e mini- B para PDAs e telemóveis. Nota2: fichas e cabos USB 3.0 são incompatíveis. Programação de Sistemas USB : 17/32 L1:Sinalização eléctrica (3) C. Detecção de dispostivos Se nenhum dispositivo estiver ligado ao porto USB, D + =D - =low. Quando um dispositivo é inserido D + passa a high, se o dispositivo for rápido. D - passa a high, se o dispositivo for lento. D. Transmissão de dados Os fios de dados não incluem relógio. O sincronismo é efectuado pela codificação. Transmissão é sempre half-duplex (ou do hospedeiro para o dispositivo, ou do dispositivo para o hospedeiro). Não existem colisões, porque o controlo é exercido apenas pelo hospedeiro. Programação de Sistemas USB : 18/32

10 L1:Sinalização eléctrica (4) E. Codificação Dígitos codificados em NZRI-Non Return to Zero Inverted. 0 codificado por alteração do par diferencial. 1 codificado por manutenção do par diferencial Programação de Sistemas USB : 19/32 L1:Sinalização eléctrica (5) Problema: numa sequência longa de 1 s, a linha de transmissão mantém-se estática e o receptor pode perder a conta. Solução: imediatamente antes da codificação NZRI, injectar um 0 após uma sequência de seis 1 s. Nota: técnica designada por bit-stuffing. Exemplo: data: send: Programação de Sistemas USB : 20/32

11 L1:Tramas (1) O controlador USB envia uma trama ( frame ) em cada ms. Transferências de dados são obrigatoriamente feitas numa trama, que comporta teoricamente1ms*480mhz = 60KB. As tramas são iniciadas pelo pacote SOF e terminam com um intervalo mínimo com o bus idle designado por EOF ( End Of Frame ). Os pacotes SOF são enviados a todos os dispositivos, pelo que são os únicos que não indicam o endereço do endpoint destino. Programação de Sistemas USB : 21/32 L1:Tramas (2) As tramas são encaminhadas ( routed ), não difundidas ( broadcast )! Os hospedeiros ( hub ) limitam-se a implementar procedimentos de store and forward. SOF Disp 1, endpoint 2 Disp 2, endpoint 2 Disp 3, endpoint 5 Disp 5, endpoint 4 Disp 3, endpoint 3 SOF Disp 1, endpoint 2 Disp 2, endpoint 0 Disp 3, endpoint 5 Disp 5, endpoint 4 SOF Disp 1, endpoint 2 Disp 2, endpoint 0 Disp 3, endpoint 5 1 ms 1 ms 1 ms Nota: se um dispositivo não identificar um pacote SOF em 3 ms, considera que o PC foi desligado e entra em modo de suspensão. Programação de Sistemas USB : 22/32

12 L1:Tramas (3) A alocação da trama pelos endpoints é decidida pelo controlador. Um intervalo fixo (até 90%) é garantido a transferências INTERRUPT e ISOCHRONOUS. O controlador pode recusar entrada de dispositivos que requeiram transferências INTERRUPT e ISOCHRONOUS para além dos 90%. Um intervalo mínimo é garantido às transferências CONTROL. O resto disponível é entregue às transferências BULK. Variable width Fixed width Variable width Control transfers Iso + Interrupt transfer Bulk transfer Programação de Sistemas USB : 23/32 L1:Pacotes (1) Todas as transferências de informação, em pacotes de controlo ou de dados, são sempre executadas por iniciativa do hospedeiro. Cada transacção ocorre em 3 fases, cada uma formada por pacotes de grupo 1. Token 2. Data 3. Handshake Token Data Handshake Transacção Os dispositivos escutam os dados OUT, ou transmitem dados/handshake IN nas alturas indicadas pelo controlador. Programação de Sistemas USB : 24/32

13 L1:Pacotes (2) Dentro de cada pacote os Bytes são enviados por ordem inversa de bits (do lsb ao msb). Cada pacote é dividido até 7 campos: a. [Obrigatório] SYNC Byte (0x01, para acerto de relógio) b. [Obrigatório] PID Byte, dividido em duas partes: Tipo de pacote (4 bits) Verificação (4 bits), igual ao complemento para 1 do tipo de pacote. c. Endereço dispositivo: 7 bits,4 bits para uso interno do dispositivo. d. Sequência de 0, 1 ou mais Bytes de carga ( load ). e. CRC sobre a endereço (5 bits) e sobre a carga (11 bits), para detecção de erros de transmissão. f. [Obrigatório] EOP Byte, com D + e D - a low durante dois bits. Programação de Sistemas USB : 25/32 L1:Pacotes (3) Os valores do PID são dados na seguinte tabela: Grupo PID Identificador pacote Token 0001 OUT token 1001 IN token 0101 SOF token 1101 SETUP token Data 0011 DATA DATA DATA MDATA Handshake 0010 ACK Handshake 1010 NAK Handshake 1110 STALL Handshake 0110 No Response Yet Special 1100 PREamble 1100 ERR 1000 Split 0100 Ping Programação de Sistemas USB : 26/32

14 L2:Enumeração (1) Inicialmente, todos os portos USB encontram-se incapacitados ( disabled ). Ao ligar um dispositivo a um porto USB, ele mantem-se isolado. Assim que o distribuidor verifica a inserção de um dispositivo, inicia-se o processo de enumeração ( enumeration ). 1. O distribuidor espera pelo menos 100 ms, para que o dispositivo seja completamente instalado e a energia estabilize. O dispositivo passa para o estado POWERED. 2. O hospedeiro envia para o distribuidor o comando Set Port RESET : o distribuidor habilita ( enable ) o porto e o dispositivo é forçado a responder apenas pelo endpoint 0. O dispositivo passa para o estado DEFAULT. Programação de Sistemas USB : 27/32 L2:Enumeração (2) 3. O hospedeiro envia para o distribuidor o comando Set Address, que fixa o endereço único, entre 1 e 127, do dispositivo. O dispositivo passa para o estado ADDRESSED, mas continua a responder pelo endpoint O hospedeiro interroga o dispositivo sobre o código do descritor de dispositivo pelo comando Get Descriptor. Com a resposta, o hospedeiro identifica diversas capacidades do dispositivo: tamanho de pacotes, número de configurações, ID do vendedor, ID do produto,... Nota: o tamanho de pacotes é essencial para reservar espaço nas tramas. 5. O hospedeiro identifica o descritor de dispositivo e carrega-o. Programação de Sistemas USB : 28/32

15 L2:Enumeração (3) Classes foram definidas para abranger dispositivos de fabricantes distintos. Classe Uso Descrição Exemplos 0x00 Dispositivo Não especificado Descritores de interface usados para determinar o controlador do disp. 0x01 Interface Audio Altifalante, microfone, carta som 0x03 Interface HID-Human Interface Dev. Teclado, rato, joystick 0x08 Interface Armazém de massa Memorystick, Câmara fotográfica digital 0x09 Dispositivo USB hub 0x0E Interface Vídeo Webcam 6. O descritor de dispositivo selecciona uma configuração e envia para o dispositivo o comando Set Configuration O dispositivo passa para o estado CONFIGURED. Programação de Sistemas USB : 29/32 L2:Transferência (1) 1. O software do hospedeiro inicializa a transferência de/para o dispositivo. O software do hospedeiro divide a transferência entre 1, ou mais, transacções. A divisão depende das características do dispositivo (tipo, dimensão do pacote, ). Transferência Transacção n-1 Transacção n-2 Transacção n-3 Transacção n-1 2. O software do hospedeiro escala e executa transacções durante 1 ms. Cada trama é formada por diversas transacções de transferências distintas. Transacção n-1 Transacção n-1 Transferência Transacção n-2 Transacção n-3 Transacção n-1 Trama 1 ms Programação de Sistemas USB : 30/32

16 L2:Transferência (2) 3. Cada transacção é formada por uma sequência de pacotes. i. Token : determina o tipo de pacote. 8 bits 8 bits 7 bits 4 bits 5 bits 2 bits Sync. Packet ID Device ENDP CRC EOP Address Nr Transferência Transacção n-1 Transacção n-2 Transacção n-3 Transacção n-1 Transacção n-1 ii. Data : dados 8 bits 8 bits Bytes 16 bits 2 bits Sync. Packet ID Data Field CRC EOP Token Data Handshake iii. Handshake : informação sobre o resultado final da transacção. 8 bits 8 bits 2 bits Sync. Packet ID EOP Programação de Sistemas USB : 31/32 L2:Transferência (3) Exemplo: o hospedeiro interroga o rato USB em cada 10 tramas (100 vezes por seg). O endpoint do rato é do tipo interrupção e dois casos podem ocorrer: O rato tem dados na sua memória tampão ( buffer ) IN DATA1 ACK O rato não tem dados na sua memória tampão ( buffer ) IN NACK Programação de Sistemas USB : 32/32

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