Bus USB. Capítulo 7 1. O QUE É O USB

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1 Capítulo 7 Bus USB Como é costume nestas coisas o barramento USB (Universal Serial Bus) surgiu de um grupo de engenheiros das empresas Compaq, DEC,IBM, Intel, Microsofrt, Nec e North Telecom. Hoje centenas de fabricantes desenvolvem aplicações sobre o suporte USB. Assim sendo o USB é um standard no presente e num futuro próximo na ligação de periféricos ao PC. 1. O QUE É O USB USB é a abreviação para Universal Serial Bus, barramento série para a ligação de periféricos a um PC. Através do USB podemos adicionar periférico a ao computador sem termos de abrir a caixa para se instalar uma placa, não temos de nos preocupar se existe ou não um slot vago, não temos de nos preocupar com o mapeamento na memória nem tão pouco se ainda temos um IRQ disponível e correndo o risco não podermos mesmo efectuar a ampliação do computador. Com o USB, não existe esse problema a instalação de um novo dispositivo é automaticamente detectada e nem sequer é necessário efectuar um Reset, podem ser ligados 127 dispositivos USB no barramento. 1.1 Que dispositivos podem ser ligados Todos os dispositivos periféricos de um PC, que tenham um funcionamento série, por exemplo teclado, rato, modem, joystick e também todos os outros como floppy drives cdrom, scanners, impressoras, nas impressoras já é comum trazerem também o interface USB e o standard. De modo a obter as vantagens referidas anteriormente é necessário a implementação de umas certas regras que permita a co-habitação e todos os componentes do sistema, assim as componentes possíveis de encontrar são: HOST- É o dispositivo que controla o barramento e a transmissão de dados. Geralmente é o PC. Nos PCF que suportam USB o chipset tem incorporado um controlador USB HOST. DISPOSITIVO- Este é periférico que está ligado ao HOST, através do barramento e que disponibiliza a informação de entrada e saída para o HOST. Aqui também é necessário e existência de um controlador que verifique a informação no barramento e permita a troca de informação. HUB- É o que permite a ligação de dispositivos USB ao barramento. Alguns dispositivos, tais como teclados tem uma entrada e saída de USB para permitirem ligar um outro periférico em USB ou seja é criado uma estrutura em árvore. Desta forma Microprocessadores III 7-1

2 Bus USB pode existir até três camadas, o comprimento de uma ligação individual está limitado aos 5 metros e seja como for o limite máximos de dispositivos ligados no barramento é de 127. Figura 1- Interligação lógica entre as camadas do USB. Figura 2- Hierarquia o barramento USB. 7-2 Microprocessadores III

3 Capítulo 7 Bus USB 1.2 Como é efectuada a comunicação USB Existem três camadas lógicas. Pacotes e informação são transportados nos dois sentidos Do HOST para o periférico e do periférico para o HOST, estes podem ser de 8Kb/s ou de 64 Kb/s. O controlo de fluxo e a sincronização do barramento é assegurada por um token qie é enviado pelo HOST, o token é um contentor de dados, usado para o transporte da informação. O HOST envia o token para o bus e so o destinatário do bus é que o recebe e coloca a informação no token, a taxa de transmissão é de 1,5Mb/s ou de 12 Mb/s. A camada física tem a ver com as ligações físicas e permite efectuar mecanicamente as ligações entre o HOST e um dispositivo, como o USB pode operar em duas velocidades, a12 Mb/ o que requer um cabo blindado com dois condutores de alimentação e dois para entrelaçados para a transmissão de sinal, a uma velocidade de 1,5 Mb/s não se é tão exigente nas condições exigidas para o cabo. Existem dois tipos de fichas a utilizar, uma a designada serie A orientada para a ligação ao HOST e a serie B, orientada para ligação ao dispositivo. Foi também criada o ícone USB, que serve para identificar as fichas e cabos 1.3 Características eléctricas O cabo de ligação dos dispositivos USB é constituído por 4 condutores, dois condutores para a transmissão do sinal e outros dois para alimentação, designados respectivamente: D+ e D-, para a transmissão de sinal e VBUS e GND para alimentar os dispositivos ligas nos barramentos a tensão de V BUS é de +5V, na origem. A distancia que o cabo USB poder ter de poucos metros, dependendo das especificações do cabo, de modo a garantir os níveis das tensões de entrada em valores apropriados devem ser consideradas terminações dos cabos. Estas terminações também permitem a detecção de dispositivos ligados no barramento e efectuar a distinção entre dispositivos que funcionam a taxas de transmissão a 12Mb/s e a 1,5 Mb/s. Figura 3- Características eléctricas do barramento. Todas as transmissões envolvem a transmissões de três pacotes. Cada transmissão começa no HOST, este envia um pacote descrevendo a direcção de transação o dispositivo USB dispositivo e o número do endpoint. È referido como o token packet. O dispositivo que é endereçado seleccionado pela descodificação do endereço. Numa dada transição ao fluxo de informação é do HOST para o DISPOSITIVO, ou vice versa. A direcção dos dados é especificada no token packet. A fonte de informação envia um pacote de dados ou indica que não existem dados para transferir. O destinatário responde com um handshake packet indicando se a transferência foi ou não bem sucedida. Microprocessadores III 8-3

4 Bus USB Figura 4- Hub USB com 7 portas. 1.4 Detecção de erros Para efectuar um controlo sobre a existência de erro na transmissão, cada pacote inclui um campo de protecção de erros. Quando a integração dos dados é necessária pode ser invocado um procedimento de recuperação de erros em hardware ou software. O protocolo prevê CRC separados para os campos de controlo e de dados em cada pacote. A falha do CRC indica um pacote corrompido, o CRC cobre 100% dos bits transmitidos. 1.5 Recuperação dos erros O protocolo prevê para a recuperação de erros mecanismo de hardware ou de software. Por hardware é pedido a retransmissão dos pacotes corrompidos. O controlador do HOST tenta a retransmissão do pacote até três vezes antes de informar o software do cliente da falha, a partir desta fase o software de cliente terá que tratar este erro de uma forma apropriado podendo em caso extremo abortar a aplicação. Figura 5- ícone USB. 7-4 Microprocessadores III

5 Capítulo 7 Bus USB Figura 6- Tipos de fichas usadas Hoje em dia quase todos os tipos de periférico são suportado em USB, e a disponibilidade de controlador USB para o HOST e periféricos disponibilizada somado a um conjunto de ferramentas de desenvolvimento poderosa, simplificando a tarefa de desenvolvimento torna este barramento apetecível para novas aplicações que necessitem de efectuar ligação ao PC. Exemplos são os novos leitores de música no formato MP3 em que a forma de os carregar com novas musicas é através de um PC em que a ligação é efectuada por USB. 2. FORMATO DE PACOTES USB Os pacotes utilizados são dos seguintes tipos: Token SOF Data Handshake Pacotes especiais 2.1 Pacotes Token As transacções USB, são sempre inicializadas pelo HOST e começam sempre com um pacote Token, com o formato: Microprocessadores III 8-5

6 Bus USB SYNC PID ADDR ENP CRC Figura 7- Pacote Token. SYNC Todos os pacotes começam com um campo de sincronização SYNC. É usado para alinhamento do circuito de entrada, com o relógio local e tem um tamanho de 8 bits. PID Identificador de pacote PID, segue imediatamente o campo SYNC. Um PID é constituído por 4 bits, seguidos por 4 bits de verificação, como se mostra na figura: PID 0 PID 1 PID 2 PID 3 PID 0 # PID 1 # PID 2 # PID 3 # Figura 8- Campo PID. Este campo indica qual o tipo de pacote, sendo constituído por 8.bits O tipo do pacote é indicado em PID0 e PID 1, estes podem ser Token, Data, Handsheke e packet special. Estes tipos de pacotes podem ainda ser por sua vez sub-divididos em várias categorias, identificadas por PID 2 e PID 3. De notar que no USB, os bits menos significativos são enviados em primeiro lugar, seguidos pelo próximo menos significativo e completados pelo mais significativo. ADDR O campo ADDR de 7 bits especifica a que dispositivo o pacote é dirigido. O HOST atribui um endereço único a cada dispositivo, durante o processo de enumeração que acontece quando se liga o dispositivo pela primeira vez ao barramento. ENDP Os 4 bits de endpoint, indicam qual o endpoint do dispositivo a que o pacote se destina (tiny pipe of dispositivo). Por exemplo um dispositivo com endpoint 0 e endpoint 1 configurados, HOST, pode escolher qual o endpoint que pretende comunicar. CRC Cyclic Redundancy Check, possibilita a correcção automática de erros para os campos que não são PID do pacote USB. O campo PID não é abrangido, pois tem a sua própria correcção de erros. 7-6 Microprocessadores III

7 Capítulo 7 Bus USB 2.2 Pacotes Start of Frame SOF Os pacotes SOF, são difundidos pelo HOST em cada 1ms, consiste num PID indicando o pacote SOF, seguido por um campo de 11 bits em que é referenciado o numero de quadro (frame). SYNC PID FRAME NUMBER CRC Figura 9- Pacote SOF. 2.3 Pacote de dados No USB, o HOST é quem faz a gestão do barramento os dispositivos respondem a pedido do HOST. Se o HOST requer informação ao dispositivo envia um token IN endereçado ao endpoint do dispositivo. O formato do pacote de dados é mostrado na figura, com o PID a indicar DATA0 ou DATA1. SYNC PID DATA CRC Figura 10- Pacote de dados. Se o tipo de transferencia deste endpoint é BULK, CONTROLO ou INTERRUPT, o HOST responderá com uma validação, quando recebe um pacote de dados sem erros. Pacotes de Handshake (Confirmação) O pacote de handshake é como mostra na figura constituído apenas pelo PID. São usados para indicar ACK, NAK ou STALL, nas transacções que requerem confirmações. SYNC PID Figura 11- Pacote de handshake. 2.4 Pacotes especiais O pacote preâmbulo especial é enviado pelo HOST quando pretende comunicar com dispositivos que funcionem a baixa velocidade. Assim é enviado primeiro o pacote PRE, antes de enviar pacotes a 1,5 Mbps para comunicar com dispositivos a baixa velocidade., Microprocessadores III 8-7

8 Bus USB Transcrição do artigo da PC-Magazine de Junho de 2000 USB de alta velocidade JUNHO de 2000 Com o lançamento da especificação USB 2.0. prepare-se para transferência de dados muito mais rápida e alguns óptimos novos produtos Praticamente dois anos depois de formar a USB Implementers Forum, para melhorar o USB (Universal Serial Bus), a Intel lançou publicamente a especificação para USB 2.0, que deve ajudar a incrementar a velocidade da transferência de dados. Acompanhando o lançamento, muitas empresas estabeleceram datas de incorporação para novos periféricos compatíveis com USB 2.0, com alguns aparelhos a aparecerem já em Março de A nova especificação baseia-se na tecnologia Enhanced Host Controller Interface, que irá permitir que o USB 2.0 chegue a uma média de transferência de dados superior a 480Mbps. De acordo com a Intel, é praticamente 40 vezes mais rápido do que o USB 1.1. A velocidade máxima de transferência de dados do USB 2.0 ultrapassa a alcançada pelo IEEE 1394 (FireWire), que oferece uma média de ligação de 400Mbps. Jason Ziller, presidente do USB Implementers Forum and Technology Initiative, diz que a única diferença entre o padrão USB 2.0 e o USB 1.1 é a velocidade. "USB de alta velocidade significa apenas uma performance superior. Não há qualquer barreira à adopção, e os utilizadores continuam a poder manter os seus investimentos nos periféricos existentes." Sem dúvida que o USB 2.0 vai ser compatível com USB 1.1, embora a velocidade aumentada venha apenas a beneficiar aqueles que possuem aparelhos compatíveis com 2.0. Transferências de dados mais rápidas fazem com o USB possa competir com outros padrões, tal como o FireWire, e seja bastante adequado para aparelhos novos. Enquanto que o USB 1.1 é óptimo para ratos, teclados, e impressores de fim de entrada, os periféricos de topo de gama precisam de mais largura de banda. Na lista de produtos iminentemente compatíveis com USB 2.0 estão uma drive Iomega CD-RW, e drives QPS DVD-RAM e CD-RW, e scanners que estão prestes a sair que a Acer e a Plustek anunciaram. Os componentes para integrar USB 2.0 em aparelhos estão mesmo a chegar. Janeiro passado. A Cypress Semiconductor anunciou o primeiro controlador periférico USB 2.0. Esperam-se os drivers Windows 2000 no final deste trimestre, embora os drivers Windows 95 e 98 não venham a estar no mercado até ao terceiro e quarto trimestre. Actualmente a Intel está a mostrar o seu chip set, que está marcado para aparecer dentro de seis meses. A Aten Technology e Belkin estão a preparar placas PCI e hubs, e a IO Gear e a Orange Micro têm placas PCMCIA. A Ziller espera que o USB de alta velocidade consiga atingir o objectivo original do USB, que era tornar-se um conector periférico "universal" que irá substituir as portas de herança. "Podemos assistir ao USB 2.0 tornar-se uma porta externa que irá também deitar a perder a conectividade PCI. Talvez o futuro nos traga PCs sem placas acrescentadas." 7-8 Microprocessadores III

9 Capítulo 7 Bus USB Referências Developing USB PC peripherals Wooi Ming Tan Revista PC-Magazine de Junho de Microprocessadores III 8-9